負極および二次電池
【課題】サイクル特性および膨れ特性を向上させることが可能な二次電池を提供する。
【解決手段】正極21および負極22と共に電解液を備え、正極21と負極22との間に設けられたセパレータ23に電解液が含浸されている。負極22は、負極集電体22A上に、負極活物質および負極結着剤を含む負極活物質層22Bを有しており、その負極活物質層22Bは、その内部に複数の細孔を有している。水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布する。充放電時において負極活物質層22Bの膨張および収縮が抑制されると共にそれに伴う内部応力が緩和されるため、負極活物質層22Bの脱落が抑制されると共にその厚さの増加が抑制される。
【解決手段】正極21および負極22と共に電解液を備え、正極21と負極22との間に設けられたセパレータ23に電解液が含浸されている。負極22は、負極集電体22A上に、負極活物質および負極結着剤を含む負極活物質層22Bを有しており、その負極活物質層22Bは、その内部に複数の細孔を有している。水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布する。充放電時において負極活物質層22Bの膨張および収縮が抑制されると共にそれに伴う内部応力が緩和されるため、負極活物質層22Bの脱落が抑制されると共にその厚さの増加が抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、負極集電体上に負極活物質層を有する負極、およびそれを備えた二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ビデオカメラ、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、ポータブル電子機器の電源として、電池、特に軽量で高エネルギー密度が得られる二次電池の開発が進められている。
【0003】
中でも、充放電反応にリチウムの吸蔵および放出を利用する二次電池(いわゆるリチウムイオン二次電池)は、鉛電池やニッケルカドミウム電池よりも大きなエネルギー密度が得られるため、大いに期待されている。
【0004】
リチウムイオン二次電池は、正極および負極と共に電解液を備えている。負極は、負極集電体上に負極活物質層を有しており、その負極活物質層は、充放電反応に寄与する負極活物質を含んでいる。なお、負極活物質層は、必要に応じて、負極結着剤などの他の材料を含む場合もある。この負極活物質層中には、大小様々な細孔(空隙)が存在することが知られている(例えば、特許文献1,2参照。)。
【特許文献1】特開2005−293899号公報
【特許文献2】特開2004−071305号公報
【0005】
負極活物質としては、炭素材料が広く用いられている。しかしながら、最近では、ポータブル電子機器の高性能化および多機能化に伴って電池容量のさらなる向上が求められていることから、炭素材料に代えてケイ素などを用いることが検討されている。ケイ素の理論容量(4199mAh/g)は黒鉛の理論容量(372mAh/g)よりも格段に大きいため、電池容量の大幅な向上が期待されるからである。
【0006】
負極活物質としてケイ素粉末を用いる場合には、負極活物質層の形成方法として塗布法あるいは焼結法などが用いられている(例えば、特許文献3,4参照。)。塗布法では、負極活物質と負極結着剤などとを含むスラリーを準備したのち、それを負極集電体の表面に塗布して乾燥させている。焼結法では、上記したスラリーを負極集電体の表面に塗布して乾燥させたのち、熱処理(焼成)している。なお、塗布法あるいは焼結法を用いる場合には、必要に応じて、スラリーの塗布後にプレス処理が行われている。
【特許文献3】特開平11−339777号公報
【特許文献4】特開平11−339778号公報
【0007】
ところが、負極活物質としてケイ素を用いると、充放電時に負極活物質層が激しく膨張および収縮するため、その負極活物質層が負極集電体から脱落する可能性がある。また、充放電時に隣り合う負極活物質同士が衝突し合って負極活物質層内に歪み(内部応力)が生じるため、その負極活物質層の見かけの厚さが増加する可能性もある。これにより、電池容量の高容量化が図られる一方で、二次電池の重要な特性であるサイクル特性が低下すると共に、その厚さが意図せずに増加するおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
近年、ポータブル電子機器は益々高性能化および多機能化しており、その消費電力は増大する傾向にあるため、二次電池の充放電が頻繁に繰り返され、そのサイクル特性が低下しやすい状況にある。このため、二次電池のサイクル特性に関して、より一層の向上が望まれている。この場合には、二次電池を正常に装着してポータブル電子機器を安全に使用するために、反復使用に伴う二次電池の厚さの増加を抑えることも重要である。
【0009】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、サイクル特性および膨れ特性を向上させることが可能な負極および二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の負極は、負極集電体上に複数の細孔を有する負極活物質層を有し、負極活物質層が負極活物質および負極結着剤を含み、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布するものである。
【0011】
本発明の二次電池は、正極および負極と共に電解液を備えたものであって、負極が負極集電体上に複数の細孔を有する負極活物質層を有し、負極活物質層が負極活物質および負極結着剤を含み、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布するものである。
【0012】
上記した「水銀圧入法によって測定される水銀の浸入量」とは、水銀ポロシメータを用いて測定される水銀の浸入量である。詳細には、水銀の浸入量は、水銀の表面張力を485mN/mとし、水銀の接触角を130°とし、細孔の孔径と圧力との間の関係を180/圧力=孔径と近似したときに測定される値である。これに伴い、「30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示す」とは、水銀ポロシメータの測定結果(横軸:孔径,縦軸:水銀の浸入量の変化率)中において、30nm以上10000nm以下の孔径の範囲内にピークが存在することを意味する。この孔径の範囲内に存在するピークは、1つでもよいし、2つ以上であってもよい。
【発明の効果】
【0013】
本発明の負極によれば、負極活物質および負極結着剤を含む負極活物質層が複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布する。この場合には、上記した孔径の範囲内にピークを示さない場合と比較して、電極反応時において負極活物質層の膨張および収縮が抑制されると共にそれに伴う内部応力が緩和される。これにより、本発明の負極を備えた二次電池によれば、充放電時において負極活物質層の脱落が抑制されると共に厚さの増加が抑制されるため、サイクル特性および膨れ特性を向上させることができる。この場合には、水銀の浸入量の変化率が100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すようにすれば、より高い効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0015】
図1は、本発明の一実施の形態に係る負極の断面構成を表している。この負極は、例えば二次電池などの電気化学デバイスに用いられるものであり、一対の面を有する負極集電体1と、それに設けられた負極活物質層2とを有している。
【0016】
負極集電体1は、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する金属材料によって構成されているのが好ましい。このような金属材料としては、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどが挙げられ、中でも、銅が好ましい。高い電気伝導性が得られるからである。
【0017】
特に、金属材料は、電極反応物質と金属間化合物を形成しない1種あるいは2種以上の金属元素を有しているのが好ましい。電極反応物質と金属間化合物を形成すると、電気化学デバイスの動作時(例えば、二次電池の充放電時)に、負極活物質層2の膨張および収縮による応力の影響を受けて、集電性が低下したり、負極活物質層2が負極集電体1から剥離する可能性があるからである。このような金属元素としては、例えば、銅、ニッケル、チタン、鉄あるいはクロムなどが挙げられる。
【0018】
また、金属材料は、負極活物質層2と合金化する1種あるいは2種以上の金属元素を有しているのが好ましい。負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性が向上するため、その負極活物質層2が負極集電体1から剥離しにくくなるからである。電極反応物質と金属間化合物を形成せず、しかも負極活物質層2と合金化する金属元素としては、例えば、負極活物質層2が負極活物質としてケイ素を含有する場合には、銅、ニッケルあるいは鉄などが挙げられる。これらの金属元素は、強度および導電性の観点からも好ましい。
【0019】
なお、負極集電体1は、単層構造あるいは多層構造のいずれを有していてもよい。負極集電体1が多層構造を有する場合には、例えば、負極活物質層2と隣接する層がそれと合金化する金属材料によって構成され、隣接しない層が他の金属材料によって構成されるのが好ましい。
【0020】
負極集電体1の表面は、粗面化されているのが好ましい。いわゆるアンカー効果によって負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層2と対向する負極集電体1の表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法としては、例えば、電解処理によって微粒子を形成する方法などが挙げられる。この電解処理とは、電解槽中において電解法によって負極集電体1の表面に微粒子を形成して凹凸を設ける方法である。電解法を使用して作製された銅箔は、一般に「電解銅箔」と呼ばれている。
【0021】
この負極集電体1の表面の十点平均粗さRzは、0.5μm以上6.5μm以下であるのが好ましい。負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性がより高くなるからである。詳細には、十点平均粗さRzが0.5μmよりも小さいと、十分な密着性が得られない可能性がある。また、十点平均粗さRzが6.5μmよりも大きいと、かえって密着性が低下する可能性がある。
【0022】
負極活物質層2は、負極活物質および負極結着剤を含んでおり、例えば、負極集電体1の両面に設けられている。ただし、負極活物質層2は、負極集電体1の片面だけに設けられていてもよい。
【0023】
この負極活物質層2は、その内部に複数の細孔(空隙)を有している。この複数の細孔の孔径は、およそ数nmから数千nmに至る広い範囲に渡って分布している。
【0024】
図2および図3は水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率の分布を表しており、横軸は孔径(nm)、縦軸は水銀の浸入量の変化率をそれぞれ示している。この水銀の浸入量の変化率は、水銀ポロシメータを用いて測定される。詳細には、水銀の浸入量は、水銀の表面張力を485mN/mとし、水銀の接触角を130°とし、細孔の孔径と圧力との間の関係を180/圧力=孔径と近似したときに測定される値である。
【0025】
水銀ポロシメータを用いて圧力Pを段階的に増加させながら複数の細孔への水銀の浸入量Vを測定すると、その水銀の浸入量の変化率(ΔV/ΔP)は、水銀ポロシメータを用いて測定可能な3nm以上10000nm以下の孔径において、1あるいは2以上のピークを示すように分布する。例えば、図2では、1つのピークP(ピークPの孔径=約1000nm)だけを示す場合を示しており、図3では、複数(2つ)のピークP1,P2(ピークP1,P2の孔径=約1100nm,約80nm)を示す場合を示している。図2および図3中の縦軸に示した水銀の浸入量の変化率は、最大ピーク(最大値を示すピーク)における変化率を1として規格化した値である。
【0026】
水銀の浸入量の変化率は、ピークの総数にかかわらず、必ず30nm以上10000nm以下の孔径(図2および図3に示した孔径範囲A)にピークを示すように分布する。負極活物質層2の内部において細孔分布が適正化されるため、複数の細孔が電極反応時において予備スペースとして有効に機能するからである。これにより、電極反応時において、負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されると共に、それに伴う内部応力が緩和される。なお、上記した孔径の範囲内(30nm以上10000nm以下)に示すピークの数は、1つでもよいし、2つ以上であってもよい。
【0027】
この場合には、水銀浸入量の変化率が100nm以上5000nm以下の孔径(図2および図3に示した孔径範囲B)にピークを示すのが好ましい。負極活物質層2の内部における細孔分布がより適正になるため、より高い効果が得られるからである。
【0028】
水銀の浸入量の変化率がピークを示す孔径の範囲を規定するに当たり、その孔径の範囲を30nm以上10000nm以下としているのは、比較的大きな孔径を有する細孔の容積が上記した予備スペースとして適切であり、その予備スペースの確保が負極活物質層2の膨張および収縮の抑制やそれに伴う内部応力の緩和に大きな影響を及ぼすからである。詳細には、孔径が30nmよりも小さいと、細孔の孔径が小さすぎて、予備スペースとして有効に機能することが困難である。また、孔径が10000nmよりも大きいと、細孔の孔径が大きすぎて、負極活物質間の結着性が低下してしまう。
【0029】
図3に示したように、水銀の浸入量の変化率が複数のピークを示す場合には、そのピークのうちの最大ピーク(ピークP1)が100nm以上5000nm以下の孔径(図3に示した孔径範囲C)に存在するのが好ましい。最大ピークが上記した孔径の範囲外に存在する場合と比較して、電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されると共にそれに伴う内部応力が緩和されるからである。
【0030】
負極活物質層2中に占める細孔(空隙)の割合、すなわち空隙率は、4%以上70%以下であるのが好ましく、20%以上30%以下であるのがより好ましい。負極活物質層2内に存在する細孔の絶対量が適正化され、負極活物質の占有スペースおよび細孔の占有スペース(予備スペース)の双方が確保されるため、より高い効果が得られるからである。詳細には、空隙率が4%よりも小さいと、予備スペースが十分に得られない可能性がある。また、空隙率が70%よりも大きいと、負極活物質の占有割合が低下するため、電気化学デバイスの電気的性能(例えば、二次電池の電池容量)が十分に得られない可能性がある。
【0031】
上記した負極活物質層2の空隙率は、水銀ポロシメータの測定機能を用いて測定される。このような測定機能を有する水銀ポロシメータとしては、例えば、Micromeritics 社製の水銀ポロシメータ(オートポア9500シリーズ)などが挙げられる。この空隙率は、上記した複数の細孔への水銀の浸入量の変化率を測定する際に、その水銀の浸入量に基づいて算出される。
【0032】
負極活物質層2は、負極活物質として、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種あるいは2種以上を含んでいる。この負極材料としては、ケイ素を構成元素として有する材料が好ましい。電極反応物質を吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。このような負極材料は、ケイ素の単体、合金あるいは化合物のいずれであってもよく、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有するものであってもよい。これらは単独で用いもよいし、複数種が混合されてもよい。
【0033】
なお、本発明における合金には、2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含まれる。もちろん、本発明における合金は、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には、固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらの2種以上が共存するものもある。
【0034】
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、スズ(Sn)、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン(Mn)、亜鉛、インジウム(In)、銀(Ag)、チタン、ゲルマニウム(Ge)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)およびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を有するものなどが挙げられる。
【0035】
ケイ素の化合物としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、酸素および炭素(C)を有するものなどが挙げられる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、ケイ素の合金について説明した一連の元素の1種あるいは2種以上を含んでいてもよい。
【0036】
負極活物質は、複数の粒子状をなしている。この負極活物質の平均粒径(いわゆるメジアン径)は、0.5μm以上20μm以下であるのが好ましい。負極活物質の粒度分布が適正化されるため、より高い効果が得られるからである。詳細には、メジアン径が0.5μmよりも小さいと、負極活物質の表面積が増大しすぎる可能性がある。また、メジアン径が20μmよりも大きいと、負極活物質の結着性が低下しやすくなり、電極反応時において負極活物質層2に生じる内部応力を緩和しにくくなるため、負極活物質層2が崩落しやすくなる可能性がある。また、負極活物質が割れやすくなるため、その表面積が増大する可能性もある。
【0037】
なお、負極活物質は、ケイ素を構成元素として有する材料の他に、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な他の材料を含有していてもよい。このような材料としては、例えば、電極反応物質を吸蔵よび放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含有する材料(ケイ素を構成元素として有する材料を除く)が挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度が得られるので好ましい。この材料は、金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。
【0038】
上記した金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、電極反応物質と合金を形成することが可能な金属元素あるいは半金属元素が挙げられる。具体的には、マグネシウム(Mg)、ホウ素、アルミニウム、ガリウム(Ga)、インジウム、ゲルマニウム、スズ、鉛(Pb)、ビスマス、カドミウム(Cd)、銀、亜鉛、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)などであり、中でもスズが好ましい。電極反応物質を吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。スズを含有する材料としては、例えば、スズの単体、合金あるいは化合物や、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。
【0039】
スズの合金としては、例えば、スズ以外の構成元素として、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を有するものが挙げられる。スズの化合物としては、例えば、スズ以外の構成元素として、酸素あるいは炭素を有するものなどが挙げられる。なお、スズの化合物は、例えば、スズ以外の構成元素として、スズの合金について説明した一連の元素のいずれか1種あるいは2種以上を含有していてもよい。スズの合金あるいは化合物の一例としては、SnSiO3 、LiSnOあるいはMg2 Snなどが挙げられる。
【0040】
特に、スズを有する材料としては、例えば、スズを第1の構成元素とし、それに加えて第2および第3の構成元素を有するものが好ましい。第2の構成元素は、コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム(V)、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ(Nb)、モリブデン、銀、インジウム、セリウム(Ce)、ハフニウム、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ビスマスおよびケイ素からなる群のうちの少なくとも1種である。第3の構成元素は、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリン(P)からなる群のうちの少なくとも1種である。第2および第3の構成元素を有することにより、サイクル特性が向上するからである。
【0041】
中でも、スズ、コバルトおよび炭素を構成元素として有し、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下、スズおよびコバルトの合計に対するコバルトの割合(Co/(Sn+Co))が30質量%以上70質量%以下であるSnCoC含有材料が好ましい。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。
【0042】
このSnCoC含有材料は、必要に応じて、さらに他の構成元素を有していてもよい。他の構成元素としては、例えば、ケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムあるいはビスマスなどが好ましく、それらの2種以上を有していてもよい。より高い効果が得られるからである。
【0043】
なお、SnCoC含有材料は、スズ、コバルトおよび炭素を含む相を有しており、その相は、低結晶性あるいは非晶質な相であるのが好ましい。この相は、電極反応物質と反応可能な反応相であり、これによって優れたサイクル特性が得られるようになっている。この相のX線回折によって得られる回折ピークの半値幅は、特定X線としてCuKα線を用い、挿引速度を1°/minとした場合に、回折角2θで1.0°以上であることが好ましい。リチウムがより円滑に吸蔵および放出されると共に、電解質との反応性が低減されるからである。
【0044】
X線回折によって得られた回折ピークがリチウムと反応可能な反応相に対応するものであるか否かは、リチウムとの電気化学的反応の前後におけるX線回折チャートを比較することによって容易に判断することができる。例えば、リチウムとの電気化学的反応の前後において回折ピークの位置が変化すれば、リチウムと反応可能な反応相に対応するものである。この場合には、例えば、低結晶性あるいは非晶質な反応相の回折ピークが2θ=20°〜50°の間に見られる。この低結晶性あるいは非晶質な反応相は、例えば、上記した各構成元素を含んでおり、主に、炭素によって低結晶化あるいは非晶質化しているものと考えられる。
【0045】
なお、SnCoC含有材料は、低結晶性あるいは非晶質な相に加えて、各構成元素の単体または一部を含む相を有している場合もある。
【0046】
特に、SnCoC含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合しているのが好ましい。スズなどの凝集あるいは結晶化が抑制されるからである。
【0047】
元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えばX線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)が挙げられる。このXPSは、軟X線(市販の装置ではAl−Kα線か、Mg−Kα線を用いる)を試料表面に照射し、試料表面から飛び出してくる光電子の運動エネルギーを測定することによって、試料表面から数nmの領域の元素組成、および元素の結合状態を調べる方法である。
【0048】
元素の内殻軌道電子の束縛エネルギーは、第1近似的には、元素上の電荷密度と相関して変化する。例えば、炭素元素の電荷密度が近傍に存在する元素との相互作用によって減少した場合には、2p電子などの外殻電子が減少しているので、炭素元素の1s電子は殻から強い束縛力を受けることになる。すなわち、元素の電荷密度が減少すると、束縛エネルギーは高くなる。XPSでは、束縛エネルギーが高くなると、高いエネルギー領域にピークはシフトするようになっている。
【0049】
XPSにおいて、炭素の1s軌道(C1s)のピークは、グラファイトであれば、金原子の4f軌道(Au4f)のピークが84.0eVに得られるようにエネルギー較正された装置において、284.5eVに現れる。また、表面汚染炭素であれば、284.8eVに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば炭素よりも陽性な元素と結合している場合には、C1sのピークは、284.5eVよりも低い領域に現れる。すなわち、SnCoC含有材料に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素などと結合している場合には、SnCoC含有材料について得られるC1sの合成波のピークが284.5eVよりも低い領域に現れる。
【0050】
なお、XPS測定を行う場合には、表面が表面汚染炭素で覆われている際に、XPS装置に付属のアルゴンイオン銃で表面を軽くスパッタするのが好ましい。また、測定対象のSnCoC含有材料が負極22中に存在する場合には、二次電池を解体して負極22を取り出したのち、炭酸ジメチルなどの揮発性溶媒で洗浄するとよい。負極22の表面に存在する揮発性の低い溶媒と電解質塩とを除去するためである。これらのサンプリングは、不活性雰囲気下で行うのが望ましい。
【0051】
また、XPS測定では、スペクトルのエネルギー軸の補正に、例えばC1sのピークを用いる。通常、物質表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとし、それをエネルギー基準とする。なお、XPS測定では、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとSnCoC含有材料中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、SnCoC含有材料中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。
【0052】
このSnCoC含有材料は、例えば、各構成元素の原料を混合した混合物を電気炉、高周波誘導炉あるいはアーク溶解炉などで溶解させたのち、凝固させることによって形成可能である。また、ガスアトマイズあるいは水アトマイズなどの各種アトマイズ法や、各種ロール法や、メカニカルアロイング法あるいはメカニカルミリング法などのメカノケミカル反応を利用した方法などを用いてもよい。中でも、メカノケミカル反応を利用した方法が好ましい。SnCoC含有材料が低結晶性あるいは非晶質な構造になるからである。メカノケミカル反応を利用した方法では、例えば、遊星ボールミル装置やアトライタなどの製造装置を用いることができる。
【0053】
原料には、各構成元素の単体を混合して用いてもよいが、炭素以外の構成元素の一部については合金を用いるのが好ましい。このような合金に炭素を加えてメカニカルアロイング法を利用した方法によって合成することにより、低結晶化あるいは非晶質な構造が得られ、反応時間も短縮されるからである。なお、原料の形態は、粉体であってもよいし、塊状であってもよい。
【0054】
このSnCoC含有材料の他、スズ、コバルト、鉄および炭素を構成元素として有するSnCoFeC含有材料も好ましい。このSnCoFeC含有材料の組成は、任意に設定可能である。例えば、鉄の含有量を少なめに設定する場合の組成としては、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下、鉄の含有量が0.3質量%以上5.9質量%以下、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合(Co/(Sn+Co))が30質量%以上70質量%以下であるのが好ましい。また、例えば、鉄の含有量を多めに設定する場合の組成としては、炭素の含有量が11.9質量%以上29.7質量%以下、スズとコバルトと鉄との合計に対するコバルトと鉄との合計の割合((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))が26.4質量%以上48.5質量%以下、コバルトと鉄との合計に対するコバルトの割合(Co/(Co+Fe))が9.9質量%以上79.5質量%以下であるのが好ましい。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。このSnCoFeC含有材料の結晶性、元素の結合状態の測定方法、および形成方法などについては、上記したSnCoC含有材料と同様である。
【0055】
また、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な他の材料としては、例えば、炭素材料が挙げられる。この炭素材料とは、例えば、易黒鉛化性炭素や、(002)面の面間隔が0.37nm以上の難黒鉛化性炭素や、(002)面の面間隔が0.34nm以下の黒鉛などである。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、活性炭あるいはカーボンブラック類などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどが含まれる。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。炭素材料は、電極反応物質の吸蔵および放出に伴う結晶構造の変化が非常に少ないため、高いエネルギー密度が得られ、さらに導電剤としても機能するので好ましい。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状あるいは鱗片状のいずれでもよい。
【0056】
さらに、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な他の材料としては、例えば、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な金属酸化物あるいは高分子化合物なども挙げられる。金属酸化物とは、例えば、酸化鉄、酸化ルテニウムあるいは酸化モリブデンなどであり、高分子化合物とは、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンあるいはポリピロールなどである。
【0057】
上記した一連の負極材料は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。もちろん、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な他の材料は、上記以外のものであってもよい。
【0058】
負極活物質層2は、例えば、気相法、液相法、溶射法、塗布法あるいは焼成法、またはそれらの2種以上の方法によって形成されている。この場合には、負極集電体1と負極活物質層2とが界面の少なくとも一部において合金化しているのが好ましい。具体的には、界面において、負極集電体1の構成元素が負極活物質層2に拡散していてもよいし、負極活物質層2の構成元素が負極集電体1に拡散していてもよいし、それらの構成元素が互いに拡散し合っていてもよい。電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮に起因する破壊が抑制されると共に、負極集電体1と負極活物質層2との間の電子伝導性が向上するからである。
【0059】
気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法、具体的には真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、熱化学気相成長(Chemical Vapor Deposition :CVD)法あるいはプラズマ化学気相成長法などが挙げられる。液相法としては、電気鍍金あるいは無電解鍍金などの公知の手法を用いることができる。塗布法とは、例えば、粒子状の負極活物質を結着剤などと混合したのち、溶剤に分散させて塗布する方法である。焼成法とは、例えば、塗布法を用いて塗布したのち、結着剤などの融点よりも高い温度で熱処理する方法である。焼成法に関しても、公知の手法を使用可能であり、例えば、雰囲気焼成法、反応焼成法あるいはホットプレス焼成法が挙げられる。
【0060】
負極結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンなどの合成ゴムや、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドあるいはポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料などが挙げられる。これらは単独でもよいし、混合されてもよい。
【0061】
中でも、ポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドからなる群のうちの少なくとも1種の樹脂が好ましい。耐熱性に優れているからである。この場合には、樹脂のうちの少なくとも一部が炭化しているのが好ましい。炭化物が導電剤として機能するからである。樹脂を炭化する場合には、例えば、焼成法によって負極活物質層2を形成する際に、樹脂の分解温度よりも高い温度で熱処理すればよい。この熱処理温度は、樹脂の分解温度や炭化度などの条件に応じて任意に設定可能である。ただし、熱処理温度が高すぎると、負極集電体1が変形等して破損する可能性があるため、その熱処理温度は、負極集電体1が変形等する温度(例えば融点)よりも低いのが好ましい。
【0062】
なお、負極活物質層2は、負極活物質および負極結着剤に加えて、負極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。
【0063】
負極導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックあるいはケチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、混合されてもよい。なお、負極導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。
【0064】
なお、負極活物質層2中における負極結着剤や負極導電剤などの含有量は、任意に設定可能である。一例を挙げれば、負極結着剤の含有量は、20重量%以上50重量%以下であり、負極導電剤の含有量は、1重量%以上10重量%以下である。
【0065】
この負極は、例えば、以下の手順によって製造される。
【0066】
まず、電解銅箔などからなる負極集電体1を準備する。続いて、負極活物質と、負極結着剤と、必要に応じて負極導電剤などとを混合して負極合剤としたのち、溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。続いて、ドクタブレードあるいはバーコータなどを用いて負極集電体1の両面に負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させる。続いて、必要に応じて、ロールプレス機などを用いて塗膜を圧縮成型する。最後に、真空雰囲気中において塗膜を熱処理して負極活物質層2を形成する。この際、負極結着剤の分解温度以上の温度で塗膜を加熱し、その一部を炭化させるのが好ましい。これにより、負極が完成する。
【0067】
この負極活物質層2を形成する場合には、例えば、以下の方法により、図2および図3を参照して説明したピークの位置(孔径)を調整可能である。すなわち、負極活物質層2の形成方法として塗布法を用いる場合には、負極活物質層2中における負極結着剤の含有量を調整したり、負極活物質層2の形成時にプレス圧を調整することにより、ピークの位置を変化させることができる。また、焼結法を用いる場合には、上記した塗布法と同様の調整を行ったり、熱処理温度を調整することにより、ピークの位置を変化させることができる。
【0068】
この負極によれば、負極活物質および負極結着剤を含む負極活物質層2が複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布している。この場合には、上記した孔径の範囲内にピークを示さない場合と比較して、電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されると共にそれに伴う内部応力が緩和される。これにより、電気化学デバイスの動作時において負極活物質層2の脱落が抑制されると共にその厚さの増加が抑制されるため、サイクル特性および膨れ特性の向上に寄与することができる。この場合には、水銀の浸入量の変化率が100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すようにすれば、より高い効果を得ることができる。
【0069】
特に、複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が複数のピークを示す場合に、そのピークのうちの最大ピークが100nm以上5000nm以下の孔径に存在したり、あるいは負極活物質層2の空隙率が4%以上70%以下であれば、より高い効果を得ることができる。
【0070】
また、負極活物質が複数の粒子状をなす場合に、そのメジアン径が0.5μm以上20μm以下であれば、より高い効果を得ることができる。
【0071】
また、負極活物質層2が負極活物質として高容量化に有利なケイ素(電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を有する材料)を含有する場合に、その負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されるため、炭素材料などの他の負極材料を含有する場合と比較して、より高い効果を得ることができる。
【0072】
また、負極結着剤がポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドからなる群のうちの少なくとも1種の樹脂であれば、より高い効果を得ることができる。この場合には、樹脂のうちの少なくとも一部が炭化していれば、さらに高い効果を得ることができる。
【0073】
さらに、負極活物質層2と対向する負極集電体1の表面が粗面化されていれば、負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性を高めることができる。この場合には、負極集電体1の表面の十点平均粗さRzが0.5μm以上6.5μm以下であれば、より高い効果を得ることができる。
【0074】
次に、上記した負極の使用例について説明する。ここで、電気化学デバイスの一例として二次電池を例に挙げると、上記した負極は、以下のようにして二次電池に用いられる。
【0075】
(第1の二次電池)
図4および図5は第1の二次電池の断面構成を表しており、図5では図4に示したV−V線に沿った断面を示している。ここで説明する二次電池は、例えば、負極22の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池である。
【0076】
この二次電池は、主に、電池缶11の内部に、扁平な巻回構造を有する電池素子20が収納されたものである。
【0077】
電池缶11は、例えば、角型の外装部材である。この角型の外装部材とは、図5に示したように、長手方向における断面が矩形型あるいは略矩形型(一部に曲線を含む)の形状を有するものであり、矩形状の角型電池だけでなくオーバル形状の角型電池も構成するものである。すなわち、角型の外装部材とは、矩形状あるいは円弧を直線で結んだ略矩形状(長円形状)の開口部を有する有底矩形型あるいは有底長円形状型の器状部材である。なお、図5では、電池缶11が矩形型の断面形状を有する場合を示している。この電池缶11を含む電池構造は、いわゆる角型と呼ばれている。
【0078】
この電池缶11は、例えば、鉄、アルミニウム(Al)あるいはそれらの合金などの金属材料によって構成されており、電極端子としての機能を有している場合もある。この場合には、充放電時に電池缶11の固さ(変形しにくさ)を利用して二次電池の膨れを抑えるために、アルミニウムよりも固い鉄が好ましい。電池缶11が鉄によって構成される場合には、例えば、ニッケル(Ni)などの鍍金が施されていてもよい。
【0079】
また、電池缶11は、一端部および他端部がそれぞれ閉鎖および開放された中空構造を有しており、その開放端部に絶縁板12および電池蓋13が取り付けられて密閉されている。絶縁板12は、電池素子20と電池蓋13との間に、その電池素子20の巻回周面に対して垂直に配置されており、例えば、ポリプロピレンなどによって構成されている。電池蓋13は、例えば、電池缶11と同様の材料によって構成されており、それと同様に電極端子としての機能を有していてもよい。
【0080】
電池蓋13の外側には、正極端子となる端子板14が設けられており、その端子板14は、絶縁ケース16を介して電池蓋13から電気的に絶縁されている。この絶縁ケース16は、例えば、ポリブチレンテレフタレートなどによって構成されている。また、電池蓋13のほぼ中央には貫通孔が設けられており、その貫通孔には、端子板14と電気的に接続されると共にガスケット17を介して電池蓋13から電気的に絶縁されるように正極ピン15が挿入されている。このガスケット17は、例えば、絶縁材料によって構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
【0081】
電池蓋13の周縁付近には、開裂弁18および注入孔19が設けられている。開裂弁18は、電池蓋13と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などに起因して電池の内圧が一定以上となった場合に、電池蓋13から切り離されて内圧を開放するようになっている。注入孔19は、例えば、ステンレス鋼球からなる封止部材19Aにより塞がれている。
【0082】
電池素子20は、セパレータ23を介して正極21と負極22とが積層および巻回されたものであり、電池缶11の形状に応じて扁平状になっている。正極21の端部(例えば内終端部)にはアルミニウムなどの金属材料によって構成された正極リード24が取り付けられており、負極22の端部(例えば外終端部)にはニッケルなどの金属材料によって構成された負極リード25が取り付けられている。正極リード24は、正極ピン15の一端に溶接されて端子板14と電気的に接続されており、負極リード25は、電池缶11に溶接されて電気的に接続されている。
【0083】
正極21は、例えば、一対の面を有する正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられたものである。ただし、正極活物質層21Bは、正極集電体21Aの片面だけに設けられていてもよい。
【0084】
正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されている。
【0085】
正極活物質層21Bは、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか1種あるいは2種以上を含んでおり、必要に応じて、正極結着剤や正極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。なお、正極結着剤および正極導電剤に関する詳細は、負極結着剤および負極導電剤について説明した場合と同様である。
【0086】
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。このリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。中でも、遷移金属元素としてコバルト、ニッケル、マンガンおよび鉄からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。その化学式は、例えば、Lix M1O2 あるいはLiy M2PO4 で表される。式中、M1およびM2は、1種類以上の遷移金属元素を表す。xおよびyの値は、充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10である。
【0087】
リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物(Lix CoO2 )、リチウムニッケル複合酸化物(Lix NiO2 )、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(Lix Ni1-z Coz O2 (z<1))、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(Lix Ni(1-v-w) Cov Mnw O2 (v+w<1))、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2 O4 )などが挙げられる。中でも、コバルトを含む複合酸化物が好ましい。高い容量が得られると共に、優れたサイクル特性も得られるからである。また、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4 )あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe1-u Mnu PO4 (u<1))などが挙げられる。
【0088】
この他、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物や、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物や、セレン化ニオブなどのカルコゲン化物や、硫黄、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子も挙げられる。
【0089】
もちろん、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料は、上記以外のものであってもよい。また、上記した一連の正極材料は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。
【0090】
負極22は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、一対の面を有する負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられたものである。負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bの構成は、それぞれ上記した負極における負極集電体1および負極活物質層2の構成と同様である。この負極22では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料における充電可能な容量が、正極21の放電容量よりも大きくなっているのが好ましい。
【0091】
この負極22の満充電状態における最大利用率(負極利用率)は、特に限定されないが、中でも、正極21の容量と負極22の容量との割合を調整することにより、20%以上80%以下であるのが好ましく、30%以上70%以下であるのがより好ましい。優れたサイクル特性および初回充放電特性が得られるからである。詳細には、負極利用率が20%よりも小さいと、初回充放電効率が低下する可能性がある。また、負極利用率が80%よりも大きいと、充放電時において負極活物質層22Bの膨張および収縮が抑制されにくくなるため、その負極活物質層22Bが脱落する可能性がある。
【0092】
上記した「負極利用率」とは、負極22の満充電状態における単位面積当たりのリチウムの吸蔵量をXとし、負極22が単位面積当たりにおいて電気化学的に吸蔵することが可能なリチウムの量をYとしたとき、負極利用率(%)=(X/Y)×100で表される。なお、負極材料が、リチウムと合金を形成することが可能な金属元素あるいは半金属元素を有する材料である場合には、上記した「吸蔵」とは、負極材料がリチウムと合金化することを意味する。
【0093】
吸蔵量Xについては、例えば、以下の手順によって求めることができる。最初に、満充電状態となるまで二次電池を充電したのち、その二次電池を解体して、負極22のうちの正極21と対向している部分を検査負極として切り出す。続いて、検査負極を用いて、金属リチウムを対極とした評価電池を組み立てる。最後に、評価電池を放電させて初回放電時の放電容量を調べたのち、その放電容量を検査負極の面積で割って吸蔵量Xを算出する。この場合の「放電」とは、検査負極からリチウムイオンが放出される方向へ通電することを意味する。
【0094】
一方、吸蔵量Yについては、例えば、上記した放電済みの評価電池を電池電圧が0Vになるまで定電流定電圧充電して充電容量を調べたのち、その充電容量を検査負極の面積で割って算出する。この場合の「充電」とは、検査負極にリチウムイオンが吸蔵される方向へ通電することを意味する。
【0095】
上記した吸蔵量X,Yを求める際の充放電条件としては、例えば、電流密度を1mA/cm2 とし、電池電圧が1.5Vに到達するまで放電すると共に、電池電圧を0Vとしながら電流値が0.05mA以下になるまで定電圧充電する。
【0096】
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながら電極反応物質のイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂からなる多孔質膜や、セラミックからなる多孔質膜などによって構成されており、これらの2種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。
【0097】
このセパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、溶媒と、それに溶解された電解質塩とを含んでいる。
【0098】
溶媒は、例えば、有機溶剤などの非水溶媒の1種あるいは2種以上を含有している。以下で説明する一連の溶媒は、任意に組み合わされてもよい。
【0099】
非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチル、あるいはジメチルスルホキシドなどが挙げられる。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性が得られるからである。中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルからなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。この場合には、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度(高誘電率)溶媒(例えば、比誘電率ε≧30)と炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば、粘度≦1mPa・s)との組み合わせがより好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。
【0100】
特に、溶媒は、化1で表されるハロゲンを構成元素として有する鎖状炭酸エステルおよび化2で表されるハロゲンを構成元素として有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。充放電時において負極22の表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応が抑制されるからである。
【0101】
【化1】
(R11〜R16は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
【0102】
【化2】
(R17〜R20は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
【0103】
化1中のR11〜R16は、同一でもよいし、異なってもよい。すなわち、R11〜R16の種類については、上記した一連の基の範囲内において個別に設定可能である。化2中のR17〜R20についても、同様である。
【0104】
ハロゲンの種類は、特に限定されないが、中でも、フッ素、塩素あるいは臭素が好ましく、フッ素がより好ましい。高い効果が得られるからである。他のハロゲンと比較して、高い効果が得られるからである。
【0105】
ただし、ハロゲンの数は、1つよりも2つが好ましく、さらに3つ以上であってもよい。保護膜を形成する能力が高くなり、より強固で安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応がより抑制されるからである。
【0106】
化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルなどが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、炭酸ビス(フルオロメチル)が好ましい。高い効果が得られるからである。
【0107】
化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルとしては、例えば、化3および化4で表される一連の化合物が挙げられる。すなわち、化3に示した(1)の4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(2)の4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(3)の4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(4)のテトラフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(5)の4−クロロ−5−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(6)の4,5−ジクロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(7)のテトラクロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(8)の4,5−ビストリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(9)の4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(10)の4,5−ジフルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(11)の4,4−ジフルオロ−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(12)の4−エチル−5,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。また、化4に示した(1)の4−フルオロ−5−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(2)の4−メチル−5−トリフルオロ−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(3)の4−フルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(4)の5−(1,1−ジフルオロエチル)−4,4−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(5)の4,5−ジクロロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(6)の4−エチル−5−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(7)の4−エチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(8)の4−エチル−4,5,5−トリフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(9)の4−フルオロ−4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
【0108】
【化3】
【0109】
【化4】
【0110】
中でも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンが好ましく、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンがより好ましい。特に、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとしては、シス異性体よりもトランス異性体が好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。
【0111】
また、溶媒は、化5〜化7で表される不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有しているのが好ましい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
【0112】
【化5】
(R21およびR22は水素基あるいはアルキル基である。)
【0113】
【化6】
(R23〜R26は水素基、アルキル基、ビニル基あるいはアリル基であり、それらのうちの少なくとも1つはビニル基あるいはアリル基である。)
【0114】
【化7】
(R27はアルキレン基である。)
【0115】
化5に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニレン系化合物である。この炭酸ビニレン系化合物としては、例えば、炭酸ビニレン(1,3−ジオキソール−2−オン)、炭酸メチルビニレン(4−メチル−1,3−ジオキソール−2−オン)、炭酸エチルビニレン(4−エチル−1,3−ジオキソール−2−オン)、4,5−ジメチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4,5−ジエチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4−フルオロ−1,3−ジオキソール−2−オン、あるいは4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソール−2−オンなどが挙げられ、中でも、炭酸ビニレンが好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。
【0116】
化6に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニルエチレン系化合物である。炭酸ビニルエチレン系化合物としては、例えば、炭酸ビニルエチレン(4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン)、4−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−エチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−n−プロピル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、5−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、あるいは4,5−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられ、中でも、炭酸ビニルエチレンが好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。もちろん、R23〜R26としては、全てがビニル基でもよいし、全てがアリル基でもよいし、ビニル基とアリル基とが混在していてもよい。
【0117】
化7に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸メチレンエチレン系化合物である。炭酸メチレンエチレン系化合物としては、4−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジメチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オン、あるいは4,4−ジエチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられる。この炭酸メチレンエチレン系化合物としては、1つのメチレン基を有するもの(化7に示した化合物)の他、2つのメチレン基を有するものであってもよい。
【0118】
なお、不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、化5〜化7に示したものの他、ベンゼン環を有する炭酸カテコール(カテコールカーボネート)などであってもよい。
【0119】
また、溶媒は、スルトン(環状スルホン酸エステル)や酸無水物を含有しているのが好ましい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。
【0120】
スルトンとしては、例えば、プロパンスルトンあるいはプロペンスルトンなどが挙げられ、中でも、プロペンスルトンが好ましい。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。溶媒中におけるスルトンの含有量は、例えば、0.5重量%以上5重量%以下である。
【0121】
酸無水物としては、例えば、コハク酸無水物、グルタル酸無水物あるいはマレイン酸無水物などのカルボン酸無水物や、エタンジスルホン酸無水物あるいはプロパンジスルホン酸無水物などのジスルホン酸無水物や、スルホ安息香酸無水物、スルホプロピオン酸無水物あるいはスルホ酪酸無水物などのカルボン酸とスルホン酸との無水物などが挙げられ、中でも、コハク酸無水物あるいはスルホ安息香酸無水物が好ましい。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。溶媒中における酸無水物の含有量は、例えば、0.5重量%以上3重量%以下である。
【0122】
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩のいずれか1種あるいは2種以上を含有している。以下で説明する一連の電解質塩は、任意に組み合わせてもよい。
【0123】
リチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウム、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6 H5 )4 )、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3 SO3 )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4 )、六フッ化ケイ酸二リチウム(Li2 SiF6 )、塩化リチウム(LiCl)、あるいは臭化リチウム(LiBr)などが挙げられる。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性が得られるからである。
【0124】
中でも、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムからなる群のうちの少なくとも1種が好ましく、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。
【0125】
特に、電解質塩は、化8〜化10で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。上記した六フッ化リン酸リチウム等と一緒に用いられた場合に、より高い効果が得られるからである。なお、化8中のR31およびR33は、同一でもよいし、異なってもよい。このことは、化9中のR41〜R43および化10中のR51およびR52についても同様である。
【0126】
【化8】
(X31は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素、またはアルミニウムである。M31は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。R31はハロゲン基である。Y31は−(O=)C−R32−C(=O)−、−(O=)C−C(R33)2 −あるいは−(O=)C−C(=O)−である。ただし、R32はアルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基あるいはハロゲン化アリーレン基である。R33はアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基あるいはハロゲン化アリール基である。なお、a3は1〜4の整数であり、b3は0、2あるいは4であり、c3、d3、m3およびn3は1〜3の整数である。)
【0127】
【化9】
(X41は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素である。M41は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。Y41は−(O=)C−(C(R41)2 )b4−C(=O)−、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−C(=O)−、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−C(R43)2 −、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−S(=O)2 −、−(O=)2 S−(C(R42)2 )d4−S(=O)2 −あるいは−(O=)C−(C(R42)2 )d4−S(=O)2 −である。ただし、R41およびR43は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それぞれのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R42は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a4、e4およびn4は1あるいは2であり、b4およびd4は1〜4の整数であり、c4は0〜4の整数であり、f4およびm4は1〜3の整数である。)
【0128】
【化10】
(X51は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素である。M51は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。Rfはフッ素化アルキル基あるいはフッ素化アリール基であり、いずれの炭素数も1〜10である。Y51は−(O=)C−(C(R51)2 )d5−C(=O)−、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−C(=O)−、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−C(R52)2 −、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−S(=O)2 −、−(O=)2 S−(C(R51)2 )e5−S(=O)2 −あるいは−(O=)C−(C(R51)2 )e5−S(=O)2 −である。ただし、R51は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R52は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、そのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a5、f5およびn5は1あるいは2であり、b5、c5およびe5は1〜4の整数であり、d5は0〜4の整数であり、g5およびm5は1〜3の整数である。)
【0129】
なお、長周期型周期表とは、IUPAC(国際純正・応用化学連合)が提唱する無機化学命名法改訂版によって表されるものである。具体的には、1族元素とは、水素、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムおよびフランシウムである。2族元素とは、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびラジウムである。13族元素とは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウムである。14族元素とは、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズおよび鉛である。15族元素とは、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスである。
【0130】
化8に示した化合物としては、例えば、化11の(1)〜(6)で表される化合物などが挙げられる。化9に示した化合物としては、例えば、化12の(1)〜(8)で表される化合物などが挙げられる。化10に示した化合物としては、例えば、化13で表される化合物などが挙げられる。なお、化8〜化10に示した構造を有する化合物であれば、化11〜化13に示した化合物に限定されないことは言うまでもない。
【0131】
【化11】
【0132】
【化12】
【0133】
【化13】
【0134】
また、電解質塩は、化14〜化16で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有していてもよい。上記した六フッ化リン酸リチウム等と一緒に用いられた場合に、より高い効果が得られるからである。なお、化14中のmおよびnは、同一でもよいし、異なってもよい。このことは、化16中のp、qおよびrについても同様である。
【0135】
【化14】
(mおよびnは1以上の整数である。)
【0136】
【化15】
(R61は炭素数2以上4以下の直鎖状あるいは分岐状のパーフルオロアルキレン基である。)
【0137】
【化16】
(p、qおよびrは1以上の整数である。)
【0138】
化14に示した鎖状の化合物としては、例えば、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )2 )、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(C2 F5 SO2 )2 )、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C2 F5 SO2 ))、(トリフルオロメタンスルホニル)(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C3 F7 SO2 ))、あるいは(トリフルオロメタンスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C4 F9 SO2 ))などが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
【0139】
化15に示した環状の化合物としては、例えば、化17で表される一連の化合物が挙げられる。すなわち、化17に示した(1)の1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミドリチウム、(2)の1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミドリチウム、(3)の1,3−パーフルオロブタンジスルホニルイミドリチウム、(4)の1,4−パーフルオロブタンジスルホニルイミドリチウムなどである。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミドリチウムが好ましい。高い効果が得られるからである。
【0140】
【化17】
【0141】
化16に示した鎖状の化合物としては、例えば、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド(LiC(CF3 SO2 )3 )などが挙げられる。
【0142】
電解質塩の含有量は、溶媒に対して0.3mol/kg以上3.0mol/kg以下であるのが好ましい。この範囲外では、イオン伝導性が極端に低下する可能性があるからである。
【0143】
この二次電池は、例えば、以下の手順によって製造される。
【0144】
まず、正極21を作製する。最初に、正極活物質と、正極結着剤と、正極導電剤とを混合して正極合剤としたのち、有機溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、ドクタブレードあるいはバーコータなどを用いて正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させる。最後に、必要に応じて加熱しながら、ロールプレス機などを用いて塗膜を圧縮成型して正極活物質層21Bを形成する。この場合には、圧縮成型を複数回に渡って繰り返してもよい。
【0145】
次に、上記した負極の作製手順と同様の手順により、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを形成して負極22を作製する。
【0146】
次に、正極21および負極22を用いて電池素子20を作製する。最初に、正極集電体21Aに正極リード24を溶接などして取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード25を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ23を介して正極21と負極22とを積層させたのち、長手方向において巻回させる。最後に、扁平な形状となるように巻回体を成型する。
【0147】
二次電池の組み立ては、以下のようにして行う。最初に、電池缶11の内部に電池素子20を収納したのち、その電池素子20上に絶縁板12を配置する。続いて、正極リード24を正極ピン15に溶接などして接続させると共に、負極リード25を電池缶11に溶接などして接続させたのち、レーザ溶接などによって電池缶11の開放端部に電池蓋13を固定する。最後に、注入孔19から電池缶11の内部に電解液を注入してセパレータ23に含浸させたのち、その注入孔19を封止部材19Aで塞ぐ。これにより、図4および図5に示した二次電池が完成する。
【0148】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して正極21に吸蔵される。
【0149】
この角型の二次電池によれば、負極22が上記した負極と同様の構成を有しているので、充放電時において負極活物質層22Bの脱落が抑制されると共にその厚さの増加が抑制される。この場合には、負極22における電解液の含浸性も向上する。したがって、サイクル特性および膨れ特性を向上させることができる。
【0150】
特に、負極利用率が20%以上80%以下であれば、優れたサイクル特性、膨れ特性および初回充放電特性を得ることができる。
【0151】
また、電解液の溶媒が、化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルおよび化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種や、化5〜化7に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種や、スルトンや、酸無水物を含有していれば、より高い効果を得ることができる。
【0152】
また、電解質塩の電解質塩が、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムからなる群のうちの少なくとも1種や、化8〜化10に示した化合物からなる群のうちの少なくとも1種や、化14〜化16に示した化合物からなる群のうちの少なくも1種を含有していれば、より高い効果を得ることができる。
【0153】
また、電池缶11が固い金属製であれば、柔らかいフィルム製である場合と比較して、負極活物質層22Bが膨張および収縮した際に負極22が破損しにくくなる。したがって、サイクル特性をより向上させることができる。この場合には、電池缶11がアルミニウムよりも固い鉄製であれば、より高い効果を得ることができる。
【0154】
この二次電池に関する上記以外の効果は、上記した負極と同様である。
【0155】
(第2の二次電池)
図6および図7は第2の二次電池の断面構成を表しており、図7では図6に示した巻回電極体40の一部を拡大して示している。
【0156】
第2の二次電池は、例えば、上記した第1の二次電池と同様に、リチウムイオン二次電池である。この二次電池は、主に、ほぼ中空円柱状の電池缶31の内部に、セパレータ43を介して正極41と負極42とが積層および巻回された巻回電極体40と、一対の絶縁板32,33とが収納されたものである。この電池缶31を含む電池構造は、いわゆる円筒型と呼ばれている。
【0157】
電池缶31は、例えば、上記した第1の二次電池における電池缶11と同様の金属材料によって構成されており、その一端部および他端部はそれぞれ閉鎖および開放されている。一対の絶縁板32,33は、巻回電極体40を上下から挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。
【0158】
電池缶31の開放端部には、電池蓋34と、その内側に設けられた安全弁機構35および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient:PTC素子)36とが、ガスケット37を介してかしめられることによって取り付けられている。これにより、電池缶31の内部は密閉されている。電池蓋34は、例えば、電池缶31と同様の金属材料によって構成されている。安全弁機構35は、熱感抵抗素子36を介して電池蓋34と電気的に接続されている。この安全弁機構35では、内部短絡、あるいは外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板35Aが反転して電池蓋34と巻回電極体40との間の電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子36は、温度の上昇に応じて抵抗が増大することによって電流を制限し、大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット37は、例えば、絶縁材料によって構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
【0159】
巻回電極体40の中心には、センターピン44が挿入されていてもよい。この巻回電極体40では、アルミニウムなどの金属材料によって構成された正極リード45が正極41に接続されていると共に、ニッケルなどの金属材料によって構成された負極リード46が負極42に接続されている。正極リード45は、安全弁機構35に溶接などされて電池蓋34と電気的に接続されており、負極リード46は、電池缶31に溶接などされて電気的に接続されている。
【0160】
正極41は、例えば、一対の面を有する正極集電体41Aの両面に正極活物質層41Bが設けられたものである。負極42は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、一対の面を有する負極集電体42Aの両面に負極活物質層42Bが設けられたものである。正極集電体41A、正極活物質層41B、負極集電体42A、負極活物質層42Bおよびセパレータ43の構成、ならびに電解液の組成は、それぞれ上記した第1の二次電池における正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよびセパレータ23の構成、ならびに電解液の組成と同様である。
【0161】
この二次電池は、例えば、以下の手順によって製造される。
【0162】
まず、例えば、上記した第1の二次電池における正極21および負極22の作製手順と同様の手順により、正極集電体41Aの両面に正極活物質層41Bを形成して正極41を作製すると共に、負極集電体42Aの両面に負極活物質層42Bを形成して負極42を作製する。続いて、正極41に正極リード45を溶接などして取り付けると共に、負極42に負極リード46を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ34を介して正極41と負極42とを積層および巻回させて巻回電極体40を作製したのち、その巻回中心にセンターピン44を挿入する。続いて、一対の絶縁板32,33で挟みながら巻回電極体40を電池缶31の内部に収納すると共に、正極リード45の先端部を安全弁機構35に溶接し、負極リード46の先端部を電池缶31に溶接する。続いて、電池缶31の内部に電解液を注入してセパレータ43に含浸させる。最後に、電池缶31の開口端部に電池蓋34、安全弁機構35および熱感抵抗素子36をガスケット37を介してかしめて固定する。これにより、図6および図7に示した二次電池が完成する。
【0163】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極41からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極42に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極42からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極41に吸蔵される。
【0164】
この円筒型の二次電池によれば、負極42が上記した負極と同様の構成を有しているので、サイクル特性および膨れ特性を向上させることができる。この二次電池に関する上記以外の効果は、第1の二次電池と同様である。
【0165】
(第3の二次電池)
図8は第3の二次電池の分解斜視構成を表しており、図9は図8に示したIX−IX線に沿った断面を拡大して示している。
【0166】
第3の二次電池は、例えば、上記した第1の二次電池と同様に、リチウムイオン二次電池である。この二次電池は、主に、フィルム状の外装部材60の内部に、正極リード51および負極リード52が取り付けられた巻回電極体50が収納されたものである。この外装部材60を含む電池構造は、いわゆるラミネートフィルム型と呼ばれている。
【0167】
正極リード51および負極リード52は、例えば、外装部材60の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード51は、例えば、アルミニウムなどの金属材料によって構成されており、負極リード52は、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されている。これらの金属材料は、例えば、薄板状あるいは網目状になっている。
【0168】
外装部材60は、例えば、ナイロンフィルム、アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムがこの順に貼り合わされたアルミラミネートフィルムによって構成されている。この外装部材60は、例えば、ポリエチレンフィルムが巻回電極体50と対向するように、2枚の矩形型のアルミラミネートフィルムの外縁部同士が融着あるいは接着剤によって互いに接着された構造を有している。
【0169】
外装部材60と正極リード51および負極リード52との間には、外気の侵入を防止するために密着フィルム61が挿入されている。この密着フィルム61は、正極リード51および負極リード52に対して密着性を有する材料によって構成されている。このような材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。
【0170】
なお、外装部材60は、上記したアルミラミネートフィルムに代えて、他の積層構造を有するラミネートフィルムによって構成されていてもよいし、ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムによって構成されていてもよい。
【0171】
巻回電極体50は、セパレータ55および電解質56を介して正極53と負極54とが積層および巻回されたものであり、その最外周部は、保護テープ57によって保護されている。
【0172】
正極53は、例えば、一対の面を有する正極集電体53Aの両面に正極活物質層53Bが設けられたものである。負極54は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、一対の面を有する負極集電体54Aの両面に負極活物質層54Bが設けられたものである。正極集電体53A、正極活物質層53B、負極集電体54A、負極活物質層54Bおよびセパレータ55の構成は、それぞれ上記した第1の二次電池における正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよびセパレータ23の構成と同様である。
【0173】
電解質56は、電解液と、それを保持する高分子化合物とを含んでおり、いわゆるゲル状の電解質である。ゲル電解質は、高いイオン伝導率(例えば、室温で1mS/cm以上)が得られると共に漏液が防止されるので好ましい。
【0174】
高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとポリヘキサフルオロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレン、あるいはポリカーボネートなどが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。電気化学的に安定だからである。
【0175】
電解液の組成は、第1の二次電池における電解液の組成と同様である。ただし、ゲル状の電解質である電解質56において、電解液の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。したがって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。
【0176】
なお、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質56に代えて、電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液がセパレータ55に含浸される。
【0177】
このゲル状の電解質56を備えた二次電池は、例えば、以下の3種類の手順によって製造される。
【0178】
第1の製造方法では、最初に、例えば、上記した第1の二次電池における正極21および負極22の作製手順と同様の手順により、正極集電体53Aの両面に正極活物質層53Bを形成して正極53を作製すると共に、負極集電体54Aの両面に負極活物質層54Bを形成して負極54を作製する。続いて、電解液と、高分子化合物と、溶剤とを含む前駆溶液を調製して正極53および負極54に塗布したのち、溶剤を揮発させてゲル状の電解質56を形成する。続いて、正極集電体53Aに正極リード51を取り付けると共に、負極集電体54Aに負極リード52を取り付ける。続いて、電解質56が形成された正極53と負極54とをセパレータ55を介して積層および巻回したのち、その最外周部に保護テープ57を接着させて巻回電極体50を作製する。最後に、例えば、2枚のフィルム状の外装部材60の間に巻回電極体50を挟み込んだのち、その外装部材60の外縁部同士を熱融着などで接着させて巻回電極体50を封入する。この際、正極リード51および負極リード52と外装部材60との間に、密着フィルム61を挿入する。これにより、図8および図9に示した二次電池が完成する。
【0179】
第2の製造方法では、最初に、正極53に正極リード51を取り付けると共に、負極54に負極リード52を取り付ける。続いて、セパレータ55を介して正極53と負極54とを積層して巻回させたのち、その最外周部に保護テープ57を接着させて、巻回電極体50の前駆体である巻回体を作製する。続いて、2枚のフィルム状の外装部材60の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を熱融着などで接着させて、袋状の外装部材60の内部に巻回体を収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製して袋状の外装部材60の内部に注入したのち、外装部材60の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とすることにより、ゲル状の電解質56を形成する。これにより、二次電池が完成する。
【0180】
第3の製造方法では、最初に、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ55を用いることを除き、上記した第2の製造方法と同様に、巻回体を形成して袋状の外装部材60の内部に収納する。このセパレータ55に塗布する高分子化合物としては、例えば、フッ化ビニリデンを成分とする重合体、すなわち単独重合体、共重合体あるいは多元共重合体などが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデンや、フッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレンを成分とする二元系共重合体や、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンを成分とする三元系共重合体などである。なお、高分子化合物は、上記したフッ化ビニリデンを成分とする重合体と共に、他の1種あるいは2種以上の高分子化合物を含んでいてもよい。続いて、電解液を調製して外装部材40の内部に注入したのち、その外装部材60の開口部を熱融着などで密封する。最後に、外装部材60に加重をかけながら加熱し、高分子化合物を介してセパレータ55を正極53および負極54に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸し、その高分子化合物がゲル化して電解質56が形成されるため、二次電池が完成する。
【0181】
この第3の製造方法では、第1の製造方法と比較して、二次電池の膨れが抑制される。また、第3の製造方法では、第2の製造方法と比較して、高分子化合物の原料であるモノマーや溶媒などが電解質56中にほとんど残らず、しかも高分子化合物の形成工程が良好に制御されるため、正極53、負極54およびセパレータ55と電解質56との間において十分な密着性が得られる。
【0182】
このラミネートフィルム型の二次電池によれば、負極54が上記した負極と同様の構成を有しているので、サイクル特性および膨れ特性を向上させることができる。この二次電池に関する上記以外の効果は、第1の二次電池と同様である。
【実施例】
【0183】
本発明の実施例について詳細に説明する。
【0184】
(実施例1−1)
以下の手順により、図8および図9に示したラミネートフィルム型の二次電池を製造した。この際、負極54の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池となるようにした。
【0185】
まず、正極53を作製した。最初に、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを0.5:1のモル比で混合したのち、空気中において900℃で5時間焼成することにより、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。続いて、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物91質量部と、正極導電剤としてグラファイト6質量部と、正極結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤としたのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーとした。最後に、帯状のアルミニウム箔(厚さ=12μm)からなる正極集電体53Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型することにより、正極活物質層53Bを形成した。
【0186】
次に、負極54を作製した。まず、粗面化された電解銅箔からなる負極集電体54A(厚さ=15μm,十点平均粗さRz=3μm)を準備した。続いて、負極活物質としてケイ素粉末(メジアン径=5μm)と、負極結着剤の前駆体であるポリアミック酸溶液とを80:20の乾燥重量比で混合したのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状にし、所定の粘度を有する負極合剤スラリーとした。続いて、コーティング装置を用いて負極集電体54Aの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、必要に応じてロールプレス機を用いて塗膜を圧縮成形した。最後に、真空雰囲気中において400℃×1時間の条件で塗膜を熱処理した。これにより、負極結着剤としてポリイミド(PI)が生成されると共に、そのポリイミドの一部が炭化して、負極活物質層54Bが形成された。この負極活物質層54Bを形成する場合には、負極54について水銀の浸入量の変化率の分布を測定した場合に1つのピークだけが存在するようにし、そのピークの孔径を30nmとした。また、空隙率を20%とした。なお、上記した水銀の浸入量の変化率を測定するためには、Micromeritics 社製の水銀ポロシメータ(オートポア9500シリーズ)を用い、25mm×350mmのサイズにカットした負極54について測定した。
【0187】
次に、溶媒として炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)とを混合したのち、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を溶解させて、電解液を調製した。この際、溶媒の組成(EC:DEC)を重量比で50:50とし、電解質塩の含有量を溶媒に対して1mol/kgとした。
【0188】
最後に、正極53および負極54と共に電解液を用いて二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体53Aの一端にアルミニウム製の正極リード51を溶接すると共に、負極集電体54Aの一端にニッケル製の負極リード52を溶接した。続いて、正極53と、多孔性ポリプロピレンを主成分とするフィルムによって多孔性ポリエチレンを主成分とするフィルムが挟まれた3層構造のセパレータ55(厚さ=23μm)と、負極54と、上記したセパレータ55とをこの順に積層してから長手方向に巻回させたのち、粘着テープからなる保護テープ57で巻き終わり部分を固定して、巻回電極体50の前駆体である巻回体を形成した。続いて、外側から、ナイロンフィルム(厚さ=30μm)と、アルミニウム箔(厚さ=40μm)と、無延伸ポリプロピレンフィルム(厚さ=30μm)とが積層された3層構造のラミネートフィルム(総厚=100μm)からなる外装部材60の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺を除く外縁部同士を熱融着して、袋状の外装部材60の内部に巻回体を収納した。続いて、外装部材60の開口部から電解液を注入してセパレータ55に含浸させて巻回電極体50を作製した。最後に、真空雰囲気中において外装部材60の開口部を熱融着して封止することにより、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。
【0189】
この二次電池については、正極活物質層53Bの厚さを調節して、満充電時において負極54にリチウム金属が析出しないようにした。また、正極53の容量と負極54の容量との比率を調整して、負極利用率を50%とした。
【0190】
(実施例1−2〜1−11)
ピークの孔径を50μm(実施例1−2)、100μm(実施例1−3)、200μm(実施例1−4)、500μm(実施例1−5)、700μm(実施例1−6)、1000μm(実施例1−7)、2000μm(実施例1−8)、5000μm(実施例1−9)、7000μm(実施例1−10)、あるいは10000μm(実施例1−11)に変更したことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。この際、負極活物質層54B中における負極結着剤の含有量、圧縮成形時のプレス圧、あるいは熱処理温度などの条件を調整することにより、ピークの孔径を変化させた。
【0191】
(比較例1−1〜1−3)
ピークの孔径を15μm(比較例1−1)、25μm(比較例1−2)、あるいは20000μm(比較例1−3)に変更したことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。
【0192】
これらの実施例1−1〜1−11および比較例1−1〜1−3の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表1および図10に示した結果が得られた。なお、実施例1−5の負極54について水銀の浸入量の変化率の分布を測定した結果は、図11に示した通りである。
【0193】
サイクル特性を調べる際には、サイクル試験を行って放電容量維持率を求めた。具体的には、最初に、電池状態を安定化させるために23℃の雰囲気中において充放電させたのち、再び充放電させて、2サイクル目の放電容量を測定した。続いて、同雰囲気中において99サイクル充放電させて、101サイクル目の放電容量を測定した。最後に、放電容量維持率(%)=(101サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100を算出した。この際、充電条件としては、3mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が4.2Vに到達するまで充電したのち、引き続き4.2Vの定電圧で電流密度が0.3mA/cm2 に到達するまで充電した。また、放電条件としては、3mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が2.5Vに到達するまで放電した。
【0194】
膨れ特性を調べる際には、上記したサイクル試験を行って膨れ率を求めた。具体的には、最初に、電池状態を安定化させるために23℃の雰囲気中において充放電させたのち、サイクル試験前の厚さを測定した。続いて、サイクル試験を行ったのち、サイクル試験後の厚さを測定した。最後に、膨れ率(%)=[(サイクル試験後の厚さ−サイクル試験前の厚さ)/サイクル試験前の厚さ]×100を算出した。
【0195】
なお、サイクル特性および膨れ特性を調べる際の手順および条件は、以降の一連の実施例および比較例に関する同特性の評価についても同様である。
【0196】
【表1】
【0197】
表1および図10に示したように、水銀の浸入量の変化率が1つのピークだけを示すように分布する場合には、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例1−1〜1−11において、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。この結果は、水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布すると、負極活物質層43Bの内部に予備スペースを確保するために必要十分な数および孔径の細孔が得られることを表している。これにより、充放電時において、負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されると共に、それに伴う内部応力が緩和されるため、膨れ率が増加することを抑えつつ、放電容量維持率が増加する。
【0198】
特に、実施例1−1〜1−11では、ピークの孔径が100nm以上であると、膨れ率が著しく小さくなった。この場合には、ピークの孔径が5000nm以下であると、膨れ率を最低にしつつ、高い放電容量維持率が得られた。
【0199】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質(ケイ素)および負極結着剤(ポリイミド)を含む負極活物質層54Bが複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が1つのピークだけを示すように分布する場合に、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すことにより、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すようにすれば、両特性がより向上することも確認された。
【0200】
(実施例2−1〜2−16)
水銀の浸入量の変化率が2つのピークを示すようにすると共に、その2つのピークの孔径を調整したことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。具体的には、2つのピークの孔径を15nmおよび700nm(実施例2−1)、25nmおよび1000nm(実施例2−2)、100nmおよび500nm(実施例2−3)、200nmおよび500nm(実施例2−4)、100nmおよび700nm(実施例2−5)、200nmおよび700nm(実施例2−6)、100nmおよび1000nm(実施例2−7)、150nmおよび1300nm(実施例2−8)、500nmおよび1000nm(実施例2−9)、700nmおよび6000nm(実施例2−10)、900nmおよび1500nm(実施例2−11)、1000nmおよび5000nm(実施例2−12)、15nmおよび700nm(実施例2−13)、100nmおよび500nm(実施例2−14)、200nmおよび700nm(実施例2−15)、あるいは700nmおよび6000nm(実施例2−16)とした。この際、負極活物質層54B中における負極結着剤の含有量、圧縮成形時のプレス圧、あるいは熱処理温度などの条件を調整することにより、ピークの数および孔径を変化させた。
【0201】
(比較例2−1,2−2)
2つのピークの孔径を15nmおよび25nm(比較例2−1)、あるいは20000nmおよび30000nm(比較例2−2)としたことを除き、実施例2−1〜2−16と同様の手順を経た。
【0202】
これらの実施例2−1〜2−16および比較例2−1,2−2の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表2に示した結果が得られた。なお、実施例2−7,2−10,2−11の負極54について水銀の浸入量の変化率の分布を測定した結果は、それぞれ図12〜図14に示した通りである。
【0203】
【表2】
【0204】
表2に示したように、水銀の浸入量の変化率が2つのピークを示す場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、2つのピークうち、1つあるいは2つのピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例2−1〜2−16では、2つのピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0205】
特に、実施例2−1〜2−16では、2つのピークのうち、最大ピーク(最大値を示すピーク)の孔径が100nm以上5000nm以下である実施例2−1〜2−12において、最大ピークの孔径が100nm未満あるいは5000nm超である実施例2−13〜2−16と比較して、放電容量維持率が高くなると共に、膨れ率がより小さくなった。
【0206】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質(ケイ素)および負極結着剤(ポリイミド)を含む負極活物質層54Bが複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が2つのピークを示すように分布する場合においても、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すことにより、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、2つのピークのうち、最大ピークが100nm以上5000nm以下の孔径に存在すれば、両特性がより向上することも確認された。
【0207】
(実施例3−1〜3−3)
負極活物質としてケイ素に代えてケイ素合金、具体的にはケイ素鉄合金(実施例3−1)、ケイ素チタン合金(実施例3−2)、あるいはケイ素コバルト合金(実施例3−3)を用いたことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。このケイ素合金を形成する場合には、最初に、ケイ素粉末に金属元素粉末(鉄、チタンあるいはコバルト)を加えて乾式混合した。この際、金属元素粉末の添加量は、鉄について5原子数%、チタンについて10原子数%、コバルトについて20原子数%とした。続いて、伊藤製作所製の遊星ボールミルの反応容器中に、上記した混合物10gを直径9mmの鋼玉約400gと一緒にセットした。続いて、反応容器中をアルゴン雰囲気に置換したのち、毎分250回転の回転速度による10分間の運転と10分間の休止とを運転時間の合計が20時間になるまで繰り返した。続いて、反応容器を室温まで冷却してケイ素合金を取り出したのち、280メッシュのふるいを通して粗粉を取り除いた。
【0208】
これらの実施例3−1〜3−3の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表3に示した結果が得られた。
【0209】
【表3】
【0210】
表3に示したように、負極活物質としてケイ素合金を用いた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例3−1〜3−3では、実施例1−6と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0211】
特に、ケイ素合金を用いた実施例3−1〜3−3では、ケイ素を用いた実施例1−6と比較して、膨れ率が一定に維持されたまま、放電容量維持率が高くなった。
【0212】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質(ケイ素合金)および負極結着剤(ポリイミド)を含む負極活物質層54Bが複数の細孔を有する場合においても、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すことにより、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、負極活物質としてケイ素合金を用いれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0213】
(実施例4−1〜4−11)
負極活物質層54Bの空隙率を2%(実施例4−1)、3%(実施例4−2)、4%(実施例4−3)、5%(実施例4−4)、8%(実施例4−5)、10%(実施例4−6)、30%(実施例4−7)、50%(実施例4−8)、70%(実施例4−9)、75%(実施例4−10)、あるいは80%(実施例4−11)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。この際、負極活物質層54B中における負極結着剤の含有量、圧縮成形時のプレス圧、あるいは熱処理温度などの条件を調整することにより、空隙率を変化させた。
【0214】
これらの実施例4−1〜4−11の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表4および図15に示した結果が得られた。
【0215】
【表4】
【0216】
表4および図15に示したように、負極活物質層54Bの空隙率を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例4−1〜4−11では、実施例1−6と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、60%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、ほぼ10%以下の小さい膨れ率が得られた。
【0217】
特に、実施例4−1〜4−11では、空隙率が大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少すると共に膨れ率が減少する傾向を示した。この場合には、空隙率が4%以上70%以下であると、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。また、空隙率が20%以上30%以下であると、放電容量維持率がほぼ最大となり、膨れ率がほぼ最小となった。
【0218】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質層54Bの空隙率を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、空隙率が4%以上70%以下、好ましくは20%以上30%以下であれば、両特性がより向上することも確認された。
【0219】
(実施例5−1〜5−8)
負極活物質のメジアン径を0.2μm(実施例5−1)、0.3μm(実施例5−2)、0.5μm(実施例5−3)、1μm(実施例5−4)、10μm(実施例5−5)、20μm(実施例5−6)、30μm(実施例5−7)、あるいは40μm(実施例5−8)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0220】
これらの実施例5−1〜5−8の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表5および図16に示した結果が得られた。
【0221】
【表5】
【0222】
表5および図16に示したように、負極活物質のメジアン径を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例5−1〜5−8では、実施例1−6と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0223】
特に、実施例5−1〜5−8では、メジアン径が大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少すると共に、膨れ率がほぼ一定となる傾向を示した。この場合には、メジアン径が0.5μm以上20μm以下であると、80%以上の高い放電容量維持率が得られた。
【0224】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質のメジアン径を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、メジアン径が0.5μm以上20μm以下であれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0225】
(実施例6−1〜6−5)
熱処理温度を500℃(実施例6−1)、600℃(実施例6−2)、700℃(実施例6−3)、800℃(実施例6−4)、あるいは900℃(実施例6−5)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0226】
これらの実施例6−1〜6−5の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表6に示した結果が得られた。
【0227】
【表6】
【0228】
表6に示したように、熱処理温度を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例6−1〜6−5では、実施例1−6と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0229】
特に、実施例6−1〜6−5では、熱処理温度が高くなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少すると共に膨れ率が一定となる傾向を示した。この場合には、熱処理温度が800℃以下であると、その熱処理温度が高くなるにしたがって放電容量維持率が増加した。
【0230】
これらのことから、本発明の二次電池では、熱処理温度を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、熱処理温度を800℃以下の範囲内で高くすれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0231】
(実施例7−1〜7−3)
負極活物質層54B中における負極結着剤の含有量を30重量%(実施例7−1)、40重量%(実施例7−2)、あるいは50重量%(実施例7−3)に変更したことを除き、実施例6−3と同様の手順を経た。
【0232】
これらの実施例7−1〜7−3の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表7に示した結果が得られた。
【0233】
【表7】
【0234】
表7に示したように、負極結着剤の含有量を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例7−1〜7−3では、実施例6−3と同等の放電容量維持率および膨れ率が得られた。
【0235】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極結着剤の含有量を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。
【0236】
(実施例8−1〜8−3)
ポリアミック酸溶液に代えてポリアミド溶液を用い、負極結着剤としてポリアミド(PA)を生成したことを除き、実施例1−3,1−6,1−11と同様の手順を経た。
【0237】
(実施例8−4〜8−6)
ポリアミック酸溶液に代えてポリアミドイミド溶液を用い、負極結着剤としてポリアミドイミド(PAI)を生成したことを除き、実施例1−3,1−6,1−11と同様の手順を経た。
【0238】
(実施例8−7〜8−9)
負極結着剤としてポリイミドに代えてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いたことを除き、実施例1−3,1−6,1−11と同様の手順を経た。
【0239】
(比較例3−1,3−2)
実施例8−1〜8−3と同様に負極結着剤としてポリアミドを用いたことを除き、比較例1−2,1−3と同様の手順を経た。
【0240】
(比較例3−3,3−4)
実施例8−4〜8−6と同様に負極結着剤としてポリアミドイミドを用いたことを除き、比較例1−2,1−3と同様の手順を経た。
【0241】
(比較例3−5,3−6)
実施例8−7〜8−9と同様に負極結着剤としてポリフッ化ビニリデンを用いたことを除き、比較例1−2,1−3と同様の手順を経た。
【0242】
これらの実施例8−1〜8−9および比較例3−1〜3−6の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表8に示した結果が得られた。
【0243】
【表8】
【0244】
表8に示したように、負極結着剤の種類を変更した場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例8−1〜8−9では、実施例1−3,1−6,1−11と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−2,1−3,3−1〜3−6と比較して、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0245】
特に、実施例1−3,1−6,1−11,8−1〜8−9では、ポリイミド、ポリアミドあるいはポリアミドイミドを用いた場合において、ポリフッ化ビニリデンを用いた場合よりも放電容量維持率が高くなった。また、ポリイミド、ポリアミドあるいはポリアミドイミドを用いた場合には、その順に放電容量維持率が高くなった。
【0246】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極結着剤の種類を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、ポリイミド、ポリアミドあるいはポリアミドイミドを用いれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0247】
(実施例9−1〜9−3)
負極導電剤として鱗片状の人造黒鉛(メジアン径=5μm)を加え、その含有量を1重量%(実施例9−1)、5重量%(実施例9−2)、あるいは10重量%(実施例9−3)としたことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0248】
(実施例9−4〜9−6)
負極導電剤としてカーボンブラック(メジアン径=5μm)を加え、その含有量を1重量%(実施例9−4)、5重量%(実施例9−5)、あるいは10重量%(実施例9−6)としたことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0249】
これらの実施例9−1〜9−6の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表9に示した結果が得られた。
【0250】
【表9】
【0251】
表9に示したように、負極導電剤を加えた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例9−1〜9−6では、実施例1−6と同様に、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0252】
特に、負極導電剤を加えた実施例9−1〜9−6では、それを加えなかった実施例1−6と比較して、膨れ率が一定に維持されたまま、放電容量維持率が高くなった。この放電容量維持率は、負極導電剤の含有量が多くなるにしたがって増加した。
【0253】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極導電剤を加えた場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、負極導電剤を加えれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0254】
(実施例10−1〜10−7)
負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを0.1μm(実施例10−1)、0.5μm(実施例10−2)、1μm(実施例10−3)、2μm(実施例10−4)、4μm(実施例10−5)、6.5μm(実施例10−6)、あるいは7μm(実施例10−7)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0255】
これらの実施例10−1〜10−7の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表10および図17に示した結果が得られた。
【0256】
【表10】
【0257】
表10および図17に示したように、負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例10−1〜10−7では、実施例1−6と同様に、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0258】
特に、実施例1−6,10−1〜10−7では、十点平均粗さRzが大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少すると共に膨れ率がほぼ一定となる傾向を示した。この場合には、十点平均粗さRzが0.5μm以上6.5μm以下であると、80%以上の高い放電容量維持率が得られた。
【0259】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、十点平均粗さRzが0.5μm以上6.5μm以下であれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0260】
(実施例11−1)
溶媒として、ECに代えて、化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルである4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)を用いたことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0261】
(実施例11−2)
電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )を加えると共に、溶媒として酸無水物であるスルホ安息香酸無水物(SBAH)を加えたことを除き、実施例11−1と同様の手順を経た。この際、六フッ化リン酸リチウムの含有量を溶媒に対して0.9mol/kg、四フッ化ホウ酸リチウムの含有量を溶媒に対して0.1mol/kgとし、溶媒中におけるSBAHの含有量を1重量%とした。
【0262】
(実施例11−3)
溶媒として炭酸プロピレン(PC)を加えたことを除き、実施例11−2と同様の手順を経た。この際、溶媒の組成(PC:FEC:DEC)を重量比で20:30:50とした。
【0263】
(実施例11−4)
溶媒として、化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルである4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を加えたことを除き、実施例11−3と同様の手順を経た。この際、溶媒の組成(PC:FEC:DFEC:DEC)を重量比で30:10:10:50とした。
【0264】
(実施例11−5)
溶媒としてFECを用いなかったことを除き、実施例11−4と同様の手順を経た。この際、溶媒の組成(PC:DFEC:DEC)を重量比で40:10:50とした。
【0265】
これらの実施例11−1〜11−5の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表11に示した結果が得られた。
【0266】
【表11】
【0267】
表11に示したように、溶媒の組成や電解質塩の種類を変更した場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例11−1〜11−5では、実施例1−6と同様に、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0268】
特に、溶媒としてハロゲンを有する環状炭酸エステル(FECあるいはDFEC)や酸無水物などを加えたり、電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウムを加えた実施例11−1〜11−5では、それらを加えなかった実施例1−6と比較して、膨れ率が小さく抑えられたまま、放電容量維持率が高くなった。また、ハロゲンを有する環状炭酸エステルを用いた場合には、FECよりもDFECにおいて放電容量維持率が高くなった。
【0269】
なお、ここでは、溶媒として化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルを用いた場合の結果だけを示しており、化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルを用いた場合の結果を示していない。しかしながら、ハロゲンを有する鎖状炭酸エステルは、ハロゲンを有する環状炭酸エステルと同様に放電容量維持率を増加させる機能を果たすため、前者を用いた場合においても後者を用いた場合と同様の結果が得られることは明らかである。このことは、化5〜化7に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルやスルトンについても同様である。
【0270】
また、ここでは、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムあるいは四フッ化ホウ酸リチウムを用いた場合の結果だけを示しており、過塩素酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウム、または化8〜化10あるいは化14〜化16に示した化合物を用いた場合の結果を示していない。しかしながら、過塩素酸リチウム等は、六フッ化リン酸リチウム等と同様に放電容量維持率を増加させる機能を果たすため、前者を用いた場合においても後者を用いた場合と同様の結果が得られることは明らかである。
【0271】
これらのことから、本発明の二次電池では、溶媒の組成や電解質塩の種類を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、溶媒として化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルおよび化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種や、化5〜化7に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルや、スルトンや、酸無水物を用いれば、サイクル特性がより向上することも確認された。また、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウム、化8〜化10に示した化合物、あるいは化14〜化16に示した化合物を用いれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0272】
(実施例12−1〜12−9)
負極利用率を10%(実施例12−1)、20%(実施例12−2)、30%(実施例12−3)、40%(実施例12−4)、60%(実施例12−5)、70%(実施例12−6)、80%(実施例12−7)、90%(実施例12−8)、あるいは100%(実施例12−9)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0273】
これらの実施例12−1〜12−9の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表12および図18に示した結果が得られた。
【0274】
なお、実施例1−6,12−1〜12−9の二次電池については、サイクル特性および膨れ特性の他に、初回充放電特性も調べた。この初回充放電特性を調べる際には、最初に、電池状態を安定化させるために23℃の雰囲気中で充放電させてから、同雰囲気中において再び充電させて、充電容量を測定した。続いて、同雰囲気中において放電させて、放電容量を測定した。最後に、初期効率(%)=(放電容量/充電容量)×100を算出した。この際、充放電条件としては、1mA/cm2 の定電流密度で電流値が0.05mAに絞られるまで定電圧充電したのち、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が1.5Vに到達するまで放電した。
【0275】
【表12】
【0276】
表12および図18に示したように、負極利用率を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例12−1〜12−9では、実施例1−6と同様に、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0277】
特に、実施例1−6,12−1〜12−9では、負極利用率が大きくなるにしたがって、放電容量維持率および膨れ率が減少すると共に初期効率が増加する傾向を示した。この場合には、負極利用率が20%以上80%以下であると、80%以上の高い放電容量維持率および初期効率が得られた。
【0278】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極利用率を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、負極利用率が20%以上80%以下であれば、優れたサイクル特性および膨れ特性だけでなく、優れた初回充放電特性も得られることが確認された。
【0279】
(実施例13−1)
以下の手順により、ラミネートフィルム型の二次電池に代えて、図4および図5に示した角型の二次電池を製造したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0280】
まず、正極21および負極22を作製したのち、正極集電体21Aおよび負極集電体22Aにそれぞれアルミニウム製の正極リード24およびニッケル製の負極リード25を溶接した。続いて、正極21と、セパレータ23と、負極22とをこの順に積層し、長手方向において巻回させたのち、扁平状に成形することにより、電池素子20を作製した。続いて、アルミニウム製の電池缶11の内部に電池素子20を収納したのち、その電池素子20上に絶縁板12を配置した。続いて、正極リード24および負極リード25をそれぞれ正極ピン15および電池缶11に溶接したのち、電池缶11の開放端部に電池蓋13をレーザ溶接して固定した。最後に、注入孔19を通じて電池缶11の内部に電解液を注入し、その注入孔19を封止部材19Aで塞ぐことにより、角型電池が完成した。
【0281】
(実施例13−2)
アルミニウム製の電池缶11に代えて、鉄製の電池缶11を用いたことを除き、実施例13−1と同様の手順を経た。
【0282】
これらの実施例13−1,13−2の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表13に示した結果が得られた。
【0283】
【表13】
【0284】
表13に示したように、電池構造を変更した場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例13−1,13−2では、実施例1−6と同様に、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0285】
特に、電池構造が角型である13−1,13−2では、ラミネートフィルム型である実施例1−6と比較して、放電容量維持率が高くなると共に、膨れ率が小さくなった。また、角型の場合には、電池缶11がアルミニウム製である場合よりも鉄製である場合において、放電容量維持率が高くなると共に、膨れ率が小さくなった。
【0286】
なお、ここでは具体的な実施例を挙げて説明しないが、外装部材が金属材料からなる角型である場合において、フィルムからなるラミネートフィルム型である場合よりも放電容量維持率が増加すると共に膨れ率が減少したことから、外装部材が金属材料からなる円筒型の二次電池においても同様の結果が得られることは明らかである。
【0287】
これらのことから、本発明の二次電池では、電池構造を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、電池構造が角型あるいは円筒型であれば、両特性がより向上することも確認された。
【0288】
上記した表1〜表13および図10〜図18の結果から、本発明の二次電池では、負極活物質および負極結着剤を含む負極活物質層が複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布することにより、負極活物質の種類、溶媒の組成、電解質塩の種類あるいは電池構造などに依存せずに、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。
【0289】
特に、ケイ素などの高容量化材料、すなわちリチウムを吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を有する材料は、充放電時において膨張および収縮しやすい。よって、本発明の二次電池では、負極活物質としてケイ素などの高容量化材料を用いた場合において、大きな効果を発揮する。
【0290】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明の負極の使用用途は、必ずしも二次電池に限らず、二次電池以外の他の電気化学デバイスであっても良い。他の用途としては、例えば、キャパシタなどが挙げられる。
【0291】
また、上記した実施の形態および実施例では、二次電池の種類として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。本発明の二次電池は、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に伴う容量とリチウムの析出および溶解に伴う容量とを含み、かつ、それらの容量の和によって表される二次電池についても、同様に適用可能である。この二次電池では、負極活物質としてリチウムを吸蔵および放出することが可能な材料が用いられ、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料における充電可能な容量が正極の放電容量よりも小さくなるように設定される。
【0292】
また、上記した実施の形態および実施例では、電池構造が角型、円筒型あるいはラミネートフィルム型である場合、ならびに電池素子が巻回構造を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明の二次電池は、コイン型あるいはボタン型などの他の電池構造を有する場合や、電池素子が積層構造などの他の構造を有する場合についても同様に適用可能である。
【0293】
また、上記した実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他の1族元素や、マグネシウム(Mg)あるいはカルシウム(Ca)などの2族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属を用いてもよい。これらの場合においても、負極活物質として、上記した実施の形態で説明した負極材料を用いることが可能である。
【0294】
また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の負極あるいは二次電池に関し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率がピークを示す孔径について、実施例の結果から導き出された適正範囲(30nm以上10000nm以下)を説明しているが、その説明は、孔径が上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、孔径が上記した範囲から多少外れてもよい。このことは、最大ピークが示す孔径や、負極活物質層の空隙率や、負極活物質のメジアン径や、負極集電体の表面の十点平均粗さRzや、負極利用率などについても、同様である。
【図面の簡単な説明】
【0295】
【図1】本発明の一実施の形態に係る負極の構成を表す断面図である。
【図2】水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図3】水銀の浸入量の変化率の他の分布を表す図である。
【図4】本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第1の二次電池の構成を表す断面図である。
【図5】図4に示した第1の二次電池のV−V線に沿った断面図である。
【図6】本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第2の二次電池の構成を表す断面図である。
【図7】図6に示した巻回電極体の一部を拡大して表す断面図である。
【図8】本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第3の二次電池の構成を表す断面図である。
【図9】図8に示した巻回電極体のIX−IX線に沿った断面図である。
【図10】ピークの孔径と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。
【図11】実施例1−5の負極について測定した水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図12】実施例2−7の負極について測定した水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図13】実施例2−10の負極について測定した水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図14】実施例2−11の負極について測定した水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図15】空隙率と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。
【図16】メジアン径と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。
【図17】十点平均粗さRzと放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。
【図18】負極利用率と放電容量維持率、膨れ率および初期効率との間の相関を表す図である。
【符号の説明】
【0296】
1,22A,42A,54A…負極集電体、2,22B,42B,54B…負極活物質層、11,31…電池缶、12,32,33…絶縁板、13,34…電池蓋、14…端子板、15…正極ピン、16…絶縁ケース、17,37…ガスケット、18…開裂弁、19…注入孔、19A…封止部材、20…電池素子、21,41,53…正極、21A,41A,53A…正極集電体、21B,41B,53B…正極活物質層、22,42,54…負極、23,43,55…セパレータ、24,45,51…正極リード、25,46,52…負極リード、35…安全弁機構、35A…ディスク板、36…熱感抵抗素子、40,50…巻回電極体、44…センターピン、56…電解質、57…保護テープ、61…密着フィルム、60…外装部材。
【技術分野】
【0001】
本発明は、負極集電体上に負極活物質層を有する負極、およびそれを備えた二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ビデオカメラ、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、ポータブル電子機器の電源として、電池、特に軽量で高エネルギー密度が得られる二次電池の開発が進められている。
【0003】
中でも、充放電反応にリチウムの吸蔵および放出を利用する二次電池(いわゆるリチウムイオン二次電池)は、鉛電池やニッケルカドミウム電池よりも大きなエネルギー密度が得られるため、大いに期待されている。
【0004】
リチウムイオン二次電池は、正極および負極と共に電解液を備えている。負極は、負極集電体上に負極活物質層を有しており、その負極活物質層は、充放電反応に寄与する負極活物質を含んでいる。なお、負極活物質層は、必要に応じて、負極結着剤などの他の材料を含む場合もある。この負極活物質層中には、大小様々な細孔(空隙)が存在することが知られている(例えば、特許文献1,2参照。)。
【特許文献1】特開2005−293899号公報
【特許文献2】特開2004−071305号公報
【0005】
負極活物質としては、炭素材料が広く用いられている。しかしながら、最近では、ポータブル電子機器の高性能化および多機能化に伴って電池容量のさらなる向上が求められていることから、炭素材料に代えてケイ素などを用いることが検討されている。ケイ素の理論容量(4199mAh/g)は黒鉛の理論容量(372mAh/g)よりも格段に大きいため、電池容量の大幅な向上が期待されるからである。
【0006】
負極活物質としてケイ素粉末を用いる場合には、負極活物質層の形成方法として塗布法あるいは焼結法などが用いられている(例えば、特許文献3,4参照。)。塗布法では、負極活物質と負極結着剤などとを含むスラリーを準備したのち、それを負極集電体の表面に塗布して乾燥させている。焼結法では、上記したスラリーを負極集電体の表面に塗布して乾燥させたのち、熱処理(焼成)している。なお、塗布法あるいは焼結法を用いる場合には、必要に応じて、スラリーの塗布後にプレス処理が行われている。
【特許文献3】特開平11−339777号公報
【特許文献4】特開平11−339778号公報
【0007】
ところが、負極活物質としてケイ素を用いると、充放電時に負極活物質層が激しく膨張および収縮するため、その負極活物質層が負極集電体から脱落する可能性がある。また、充放電時に隣り合う負極活物質同士が衝突し合って負極活物質層内に歪み(内部応力)が生じるため、その負極活物質層の見かけの厚さが増加する可能性もある。これにより、電池容量の高容量化が図られる一方で、二次電池の重要な特性であるサイクル特性が低下すると共に、その厚さが意図せずに増加するおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
近年、ポータブル電子機器は益々高性能化および多機能化しており、その消費電力は増大する傾向にあるため、二次電池の充放電が頻繁に繰り返され、そのサイクル特性が低下しやすい状況にある。このため、二次電池のサイクル特性に関して、より一層の向上が望まれている。この場合には、二次電池を正常に装着してポータブル電子機器を安全に使用するために、反復使用に伴う二次電池の厚さの増加を抑えることも重要である。
【0009】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、サイクル特性および膨れ特性を向上させることが可能な負極および二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の負極は、負極集電体上に複数の細孔を有する負極活物質層を有し、負極活物質層が負極活物質および負極結着剤を含み、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布するものである。
【0011】
本発明の二次電池は、正極および負極と共に電解液を備えたものであって、負極が負極集電体上に複数の細孔を有する負極活物質層を有し、負極活物質層が負極活物質および負極結着剤を含み、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布するものである。
【0012】
上記した「水銀圧入法によって測定される水銀の浸入量」とは、水銀ポロシメータを用いて測定される水銀の浸入量である。詳細には、水銀の浸入量は、水銀の表面張力を485mN/mとし、水銀の接触角を130°とし、細孔の孔径と圧力との間の関係を180/圧力=孔径と近似したときに測定される値である。これに伴い、「30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示す」とは、水銀ポロシメータの測定結果(横軸:孔径,縦軸:水銀の浸入量の変化率)中において、30nm以上10000nm以下の孔径の範囲内にピークが存在することを意味する。この孔径の範囲内に存在するピークは、1つでもよいし、2つ以上であってもよい。
【発明の効果】
【0013】
本発明の負極によれば、負極活物質および負極結着剤を含む負極活物質層が複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布する。この場合には、上記した孔径の範囲内にピークを示さない場合と比較して、電極反応時において負極活物質層の膨張および収縮が抑制されると共にそれに伴う内部応力が緩和される。これにより、本発明の負極を備えた二次電池によれば、充放電時において負極活物質層の脱落が抑制されると共に厚さの増加が抑制されるため、サイクル特性および膨れ特性を向上させることができる。この場合には、水銀の浸入量の変化率が100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すようにすれば、より高い効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0015】
図1は、本発明の一実施の形態に係る負極の断面構成を表している。この負極は、例えば二次電池などの電気化学デバイスに用いられるものであり、一対の面を有する負極集電体1と、それに設けられた負極活物質層2とを有している。
【0016】
負極集電体1は、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する金属材料によって構成されているのが好ましい。このような金属材料としては、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどが挙げられ、中でも、銅が好ましい。高い電気伝導性が得られるからである。
【0017】
特に、金属材料は、電極反応物質と金属間化合物を形成しない1種あるいは2種以上の金属元素を有しているのが好ましい。電極反応物質と金属間化合物を形成すると、電気化学デバイスの動作時(例えば、二次電池の充放電時)に、負極活物質層2の膨張および収縮による応力の影響を受けて、集電性が低下したり、負極活物質層2が負極集電体1から剥離する可能性があるからである。このような金属元素としては、例えば、銅、ニッケル、チタン、鉄あるいはクロムなどが挙げられる。
【0018】
また、金属材料は、負極活物質層2と合金化する1種あるいは2種以上の金属元素を有しているのが好ましい。負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性が向上するため、その負極活物質層2が負極集電体1から剥離しにくくなるからである。電極反応物質と金属間化合物を形成せず、しかも負極活物質層2と合金化する金属元素としては、例えば、負極活物質層2が負極活物質としてケイ素を含有する場合には、銅、ニッケルあるいは鉄などが挙げられる。これらの金属元素は、強度および導電性の観点からも好ましい。
【0019】
なお、負極集電体1は、単層構造あるいは多層構造のいずれを有していてもよい。負極集電体1が多層構造を有する場合には、例えば、負極活物質層2と隣接する層がそれと合金化する金属材料によって構成され、隣接しない層が他の金属材料によって構成されるのが好ましい。
【0020】
負極集電体1の表面は、粗面化されているのが好ましい。いわゆるアンカー効果によって負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層2と対向する負極集電体1の表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法としては、例えば、電解処理によって微粒子を形成する方法などが挙げられる。この電解処理とは、電解槽中において電解法によって負極集電体1の表面に微粒子を形成して凹凸を設ける方法である。電解法を使用して作製された銅箔は、一般に「電解銅箔」と呼ばれている。
【0021】
この負極集電体1の表面の十点平均粗さRzは、0.5μm以上6.5μm以下であるのが好ましい。負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性がより高くなるからである。詳細には、十点平均粗さRzが0.5μmよりも小さいと、十分な密着性が得られない可能性がある。また、十点平均粗さRzが6.5μmよりも大きいと、かえって密着性が低下する可能性がある。
【0022】
負極活物質層2は、負極活物質および負極結着剤を含んでおり、例えば、負極集電体1の両面に設けられている。ただし、負極活物質層2は、負極集電体1の片面だけに設けられていてもよい。
【0023】
この負極活物質層2は、その内部に複数の細孔(空隙)を有している。この複数の細孔の孔径は、およそ数nmから数千nmに至る広い範囲に渡って分布している。
【0024】
図2および図3は水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率の分布を表しており、横軸は孔径(nm)、縦軸は水銀の浸入量の変化率をそれぞれ示している。この水銀の浸入量の変化率は、水銀ポロシメータを用いて測定される。詳細には、水銀の浸入量は、水銀の表面張力を485mN/mとし、水銀の接触角を130°とし、細孔の孔径と圧力との間の関係を180/圧力=孔径と近似したときに測定される値である。
【0025】
水銀ポロシメータを用いて圧力Pを段階的に増加させながら複数の細孔への水銀の浸入量Vを測定すると、その水銀の浸入量の変化率(ΔV/ΔP)は、水銀ポロシメータを用いて測定可能な3nm以上10000nm以下の孔径において、1あるいは2以上のピークを示すように分布する。例えば、図2では、1つのピークP(ピークPの孔径=約1000nm)だけを示す場合を示しており、図3では、複数(2つ)のピークP1,P2(ピークP1,P2の孔径=約1100nm,約80nm)を示す場合を示している。図2および図3中の縦軸に示した水銀の浸入量の変化率は、最大ピーク(最大値を示すピーク)における変化率を1として規格化した値である。
【0026】
水銀の浸入量の変化率は、ピークの総数にかかわらず、必ず30nm以上10000nm以下の孔径(図2および図3に示した孔径範囲A)にピークを示すように分布する。負極活物質層2の内部において細孔分布が適正化されるため、複数の細孔が電極反応時において予備スペースとして有効に機能するからである。これにより、電極反応時において、負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されると共に、それに伴う内部応力が緩和される。なお、上記した孔径の範囲内(30nm以上10000nm以下)に示すピークの数は、1つでもよいし、2つ以上であってもよい。
【0027】
この場合には、水銀浸入量の変化率が100nm以上5000nm以下の孔径(図2および図3に示した孔径範囲B)にピークを示すのが好ましい。負極活物質層2の内部における細孔分布がより適正になるため、より高い効果が得られるからである。
【0028】
水銀の浸入量の変化率がピークを示す孔径の範囲を規定するに当たり、その孔径の範囲を30nm以上10000nm以下としているのは、比較的大きな孔径を有する細孔の容積が上記した予備スペースとして適切であり、その予備スペースの確保が負極活物質層2の膨張および収縮の抑制やそれに伴う内部応力の緩和に大きな影響を及ぼすからである。詳細には、孔径が30nmよりも小さいと、細孔の孔径が小さすぎて、予備スペースとして有効に機能することが困難である。また、孔径が10000nmよりも大きいと、細孔の孔径が大きすぎて、負極活物質間の結着性が低下してしまう。
【0029】
図3に示したように、水銀の浸入量の変化率が複数のピークを示す場合には、そのピークのうちの最大ピーク(ピークP1)が100nm以上5000nm以下の孔径(図3に示した孔径範囲C)に存在するのが好ましい。最大ピークが上記した孔径の範囲外に存在する場合と比較して、電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されると共にそれに伴う内部応力が緩和されるからである。
【0030】
負極活物質層2中に占める細孔(空隙)の割合、すなわち空隙率は、4%以上70%以下であるのが好ましく、20%以上30%以下であるのがより好ましい。負極活物質層2内に存在する細孔の絶対量が適正化され、負極活物質の占有スペースおよび細孔の占有スペース(予備スペース)の双方が確保されるため、より高い効果が得られるからである。詳細には、空隙率が4%よりも小さいと、予備スペースが十分に得られない可能性がある。また、空隙率が70%よりも大きいと、負極活物質の占有割合が低下するため、電気化学デバイスの電気的性能(例えば、二次電池の電池容量)が十分に得られない可能性がある。
【0031】
上記した負極活物質層2の空隙率は、水銀ポロシメータの測定機能を用いて測定される。このような測定機能を有する水銀ポロシメータとしては、例えば、Micromeritics 社製の水銀ポロシメータ(オートポア9500シリーズ)などが挙げられる。この空隙率は、上記した複数の細孔への水銀の浸入量の変化率を測定する際に、その水銀の浸入量に基づいて算出される。
【0032】
負極活物質層2は、負極活物質として、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種あるいは2種以上を含んでいる。この負極材料としては、ケイ素を構成元素として有する材料が好ましい。電極反応物質を吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。このような負極材料は、ケイ素の単体、合金あるいは化合物のいずれであってもよく、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有するものであってもよい。これらは単独で用いもよいし、複数種が混合されてもよい。
【0033】
なお、本発明における合金には、2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含まれる。もちろん、本発明における合金は、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には、固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらの2種以上が共存するものもある。
【0034】
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、スズ(Sn)、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン(Mn)、亜鉛、インジウム(In)、銀(Ag)、チタン、ゲルマニウム(Ge)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)およびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を有するものなどが挙げられる。
【0035】
ケイ素の化合物としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、酸素および炭素(C)を有するものなどが挙げられる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、ケイ素の合金について説明した一連の元素の1種あるいは2種以上を含んでいてもよい。
【0036】
負極活物質は、複数の粒子状をなしている。この負極活物質の平均粒径(いわゆるメジアン径)は、0.5μm以上20μm以下であるのが好ましい。負極活物質の粒度分布が適正化されるため、より高い効果が得られるからである。詳細には、メジアン径が0.5μmよりも小さいと、負極活物質の表面積が増大しすぎる可能性がある。また、メジアン径が20μmよりも大きいと、負極活物質の結着性が低下しやすくなり、電極反応時において負極活物質層2に生じる内部応力を緩和しにくくなるため、負極活物質層2が崩落しやすくなる可能性がある。また、負極活物質が割れやすくなるため、その表面積が増大する可能性もある。
【0037】
なお、負極活物質は、ケイ素を構成元素として有する材料の他に、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な他の材料を含有していてもよい。このような材料としては、例えば、電極反応物質を吸蔵よび放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含有する材料(ケイ素を構成元素として有する材料を除く)が挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度が得られるので好ましい。この材料は、金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。
【0038】
上記した金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、電極反応物質と合金を形成することが可能な金属元素あるいは半金属元素が挙げられる。具体的には、マグネシウム(Mg)、ホウ素、アルミニウム、ガリウム(Ga)、インジウム、ゲルマニウム、スズ、鉛(Pb)、ビスマス、カドミウム(Cd)、銀、亜鉛、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)などであり、中でもスズが好ましい。電極反応物質を吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。スズを含有する材料としては、例えば、スズの単体、合金あるいは化合物や、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。
【0039】
スズの合金としては、例えば、スズ以外の構成元素として、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を有するものが挙げられる。スズの化合物としては、例えば、スズ以外の構成元素として、酸素あるいは炭素を有するものなどが挙げられる。なお、スズの化合物は、例えば、スズ以外の構成元素として、スズの合金について説明した一連の元素のいずれか1種あるいは2種以上を含有していてもよい。スズの合金あるいは化合物の一例としては、SnSiO3 、LiSnOあるいはMg2 Snなどが挙げられる。
【0040】
特に、スズを有する材料としては、例えば、スズを第1の構成元素とし、それに加えて第2および第3の構成元素を有するものが好ましい。第2の構成元素は、コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム(V)、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ(Nb)、モリブデン、銀、インジウム、セリウム(Ce)、ハフニウム、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ビスマスおよびケイ素からなる群のうちの少なくとも1種である。第3の構成元素は、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリン(P)からなる群のうちの少なくとも1種である。第2および第3の構成元素を有することにより、サイクル特性が向上するからである。
【0041】
中でも、スズ、コバルトおよび炭素を構成元素として有し、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下、スズおよびコバルトの合計に対するコバルトの割合(Co/(Sn+Co))が30質量%以上70質量%以下であるSnCoC含有材料が好ましい。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。
【0042】
このSnCoC含有材料は、必要に応じて、さらに他の構成元素を有していてもよい。他の構成元素としては、例えば、ケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムあるいはビスマスなどが好ましく、それらの2種以上を有していてもよい。より高い効果が得られるからである。
【0043】
なお、SnCoC含有材料は、スズ、コバルトおよび炭素を含む相を有しており、その相は、低結晶性あるいは非晶質な相であるのが好ましい。この相は、電極反応物質と反応可能な反応相であり、これによって優れたサイクル特性が得られるようになっている。この相のX線回折によって得られる回折ピークの半値幅は、特定X線としてCuKα線を用い、挿引速度を1°/minとした場合に、回折角2θで1.0°以上であることが好ましい。リチウムがより円滑に吸蔵および放出されると共に、電解質との反応性が低減されるからである。
【0044】
X線回折によって得られた回折ピークがリチウムと反応可能な反応相に対応するものであるか否かは、リチウムとの電気化学的反応の前後におけるX線回折チャートを比較することによって容易に判断することができる。例えば、リチウムとの電気化学的反応の前後において回折ピークの位置が変化すれば、リチウムと反応可能な反応相に対応するものである。この場合には、例えば、低結晶性あるいは非晶質な反応相の回折ピークが2θ=20°〜50°の間に見られる。この低結晶性あるいは非晶質な反応相は、例えば、上記した各構成元素を含んでおり、主に、炭素によって低結晶化あるいは非晶質化しているものと考えられる。
【0045】
なお、SnCoC含有材料は、低結晶性あるいは非晶質な相に加えて、各構成元素の単体または一部を含む相を有している場合もある。
【0046】
特に、SnCoC含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合しているのが好ましい。スズなどの凝集あるいは結晶化が抑制されるからである。
【0047】
元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えばX線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)が挙げられる。このXPSは、軟X線(市販の装置ではAl−Kα線か、Mg−Kα線を用いる)を試料表面に照射し、試料表面から飛び出してくる光電子の運動エネルギーを測定することによって、試料表面から数nmの領域の元素組成、および元素の結合状態を調べる方法である。
【0048】
元素の内殻軌道電子の束縛エネルギーは、第1近似的には、元素上の電荷密度と相関して変化する。例えば、炭素元素の電荷密度が近傍に存在する元素との相互作用によって減少した場合には、2p電子などの外殻電子が減少しているので、炭素元素の1s電子は殻から強い束縛力を受けることになる。すなわち、元素の電荷密度が減少すると、束縛エネルギーは高くなる。XPSでは、束縛エネルギーが高くなると、高いエネルギー領域にピークはシフトするようになっている。
【0049】
XPSにおいて、炭素の1s軌道(C1s)のピークは、グラファイトであれば、金原子の4f軌道(Au4f)のピークが84.0eVに得られるようにエネルギー較正された装置において、284.5eVに現れる。また、表面汚染炭素であれば、284.8eVに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば炭素よりも陽性な元素と結合している場合には、C1sのピークは、284.5eVよりも低い領域に現れる。すなわち、SnCoC含有材料に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素などと結合している場合には、SnCoC含有材料について得られるC1sの合成波のピークが284.5eVよりも低い領域に現れる。
【0050】
なお、XPS測定を行う場合には、表面が表面汚染炭素で覆われている際に、XPS装置に付属のアルゴンイオン銃で表面を軽くスパッタするのが好ましい。また、測定対象のSnCoC含有材料が負極22中に存在する場合には、二次電池を解体して負極22を取り出したのち、炭酸ジメチルなどの揮発性溶媒で洗浄するとよい。負極22の表面に存在する揮発性の低い溶媒と電解質塩とを除去するためである。これらのサンプリングは、不活性雰囲気下で行うのが望ましい。
【0051】
また、XPS測定では、スペクトルのエネルギー軸の補正に、例えばC1sのピークを用いる。通常、物質表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとし、それをエネルギー基準とする。なお、XPS測定では、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとSnCoC含有材料中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、SnCoC含有材料中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。
【0052】
このSnCoC含有材料は、例えば、各構成元素の原料を混合した混合物を電気炉、高周波誘導炉あるいはアーク溶解炉などで溶解させたのち、凝固させることによって形成可能である。また、ガスアトマイズあるいは水アトマイズなどの各種アトマイズ法や、各種ロール法や、メカニカルアロイング法あるいはメカニカルミリング法などのメカノケミカル反応を利用した方法などを用いてもよい。中でも、メカノケミカル反応を利用した方法が好ましい。SnCoC含有材料が低結晶性あるいは非晶質な構造になるからである。メカノケミカル反応を利用した方法では、例えば、遊星ボールミル装置やアトライタなどの製造装置を用いることができる。
【0053】
原料には、各構成元素の単体を混合して用いてもよいが、炭素以外の構成元素の一部については合金を用いるのが好ましい。このような合金に炭素を加えてメカニカルアロイング法を利用した方法によって合成することにより、低結晶化あるいは非晶質な構造が得られ、反応時間も短縮されるからである。なお、原料の形態は、粉体であってもよいし、塊状であってもよい。
【0054】
このSnCoC含有材料の他、スズ、コバルト、鉄および炭素を構成元素として有するSnCoFeC含有材料も好ましい。このSnCoFeC含有材料の組成は、任意に設定可能である。例えば、鉄の含有量を少なめに設定する場合の組成としては、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下、鉄の含有量が0.3質量%以上5.9質量%以下、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合(Co/(Sn+Co))が30質量%以上70質量%以下であるのが好ましい。また、例えば、鉄の含有量を多めに設定する場合の組成としては、炭素の含有量が11.9質量%以上29.7質量%以下、スズとコバルトと鉄との合計に対するコバルトと鉄との合計の割合((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))が26.4質量%以上48.5質量%以下、コバルトと鉄との合計に対するコバルトの割合(Co/(Co+Fe))が9.9質量%以上79.5質量%以下であるのが好ましい。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。このSnCoFeC含有材料の結晶性、元素の結合状態の測定方法、および形成方法などについては、上記したSnCoC含有材料と同様である。
【0055】
また、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な他の材料としては、例えば、炭素材料が挙げられる。この炭素材料とは、例えば、易黒鉛化性炭素や、(002)面の面間隔が0.37nm以上の難黒鉛化性炭素や、(002)面の面間隔が0.34nm以下の黒鉛などである。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、活性炭あるいはカーボンブラック類などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどが含まれる。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。炭素材料は、電極反応物質の吸蔵および放出に伴う結晶構造の変化が非常に少ないため、高いエネルギー密度が得られ、さらに導電剤としても機能するので好ましい。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状あるいは鱗片状のいずれでもよい。
【0056】
さらに、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な他の材料としては、例えば、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な金属酸化物あるいは高分子化合物なども挙げられる。金属酸化物とは、例えば、酸化鉄、酸化ルテニウムあるいは酸化モリブデンなどであり、高分子化合物とは、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンあるいはポリピロールなどである。
【0057】
上記した一連の負極材料は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。もちろん、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な他の材料は、上記以外のものであってもよい。
【0058】
負極活物質層2は、例えば、気相法、液相法、溶射法、塗布法あるいは焼成法、またはそれらの2種以上の方法によって形成されている。この場合には、負極集電体1と負極活物質層2とが界面の少なくとも一部において合金化しているのが好ましい。具体的には、界面において、負極集電体1の構成元素が負極活物質層2に拡散していてもよいし、負極活物質層2の構成元素が負極集電体1に拡散していてもよいし、それらの構成元素が互いに拡散し合っていてもよい。電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮に起因する破壊が抑制されると共に、負極集電体1と負極活物質層2との間の電子伝導性が向上するからである。
【0059】
気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法、具体的には真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、熱化学気相成長(Chemical Vapor Deposition :CVD)法あるいはプラズマ化学気相成長法などが挙げられる。液相法としては、電気鍍金あるいは無電解鍍金などの公知の手法を用いることができる。塗布法とは、例えば、粒子状の負極活物質を結着剤などと混合したのち、溶剤に分散させて塗布する方法である。焼成法とは、例えば、塗布法を用いて塗布したのち、結着剤などの融点よりも高い温度で熱処理する方法である。焼成法に関しても、公知の手法を使用可能であり、例えば、雰囲気焼成法、反応焼成法あるいはホットプレス焼成法が挙げられる。
【0060】
負極結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンなどの合成ゴムや、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドあるいはポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料などが挙げられる。これらは単独でもよいし、混合されてもよい。
【0061】
中でも、ポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドからなる群のうちの少なくとも1種の樹脂が好ましい。耐熱性に優れているからである。この場合には、樹脂のうちの少なくとも一部が炭化しているのが好ましい。炭化物が導電剤として機能するからである。樹脂を炭化する場合には、例えば、焼成法によって負極活物質層2を形成する際に、樹脂の分解温度よりも高い温度で熱処理すればよい。この熱処理温度は、樹脂の分解温度や炭化度などの条件に応じて任意に設定可能である。ただし、熱処理温度が高すぎると、負極集電体1が変形等して破損する可能性があるため、その熱処理温度は、負極集電体1が変形等する温度(例えば融点)よりも低いのが好ましい。
【0062】
なお、負極活物質層2は、負極活物質および負極結着剤に加えて、負極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。
【0063】
負極導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックあるいはケチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、混合されてもよい。なお、負極導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。
【0064】
なお、負極活物質層2中における負極結着剤や負極導電剤などの含有量は、任意に設定可能である。一例を挙げれば、負極結着剤の含有量は、20重量%以上50重量%以下であり、負極導電剤の含有量は、1重量%以上10重量%以下である。
【0065】
この負極は、例えば、以下の手順によって製造される。
【0066】
まず、電解銅箔などからなる負極集電体1を準備する。続いて、負極活物質と、負極結着剤と、必要に応じて負極導電剤などとを混合して負極合剤としたのち、溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。続いて、ドクタブレードあるいはバーコータなどを用いて負極集電体1の両面に負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させる。続いて、必要に応じて、ロールプレス機などを用いて塗膜を圧縮成型する。最後に、真空雰囲気中において塗膜を熱処理して負極活物質層2を形成する。この際、負極結着剤の分解温度以上の温度で塗膜を加熱し、その一部を炭化させるのが好ましい。これにより、負極が完成する。
【0067】
この負極活物質層2を形成する場合には、例えば、以下の方法により、図2および図3を参照して説明したピークの位置(孔径)を調整可能である。すなわち、負極活物質層2の形成方法として塗布法を用いる場合には、負極活物質層2中における負極結着剤の含有量を調整したり、負極活物質層2の形成時にプレス圧を調整することにより、ピークの位置を変化させることができる。また、焼結法を用いる場合には、上記した塗布法と同様の調整を行ったり、熱処理温度を調整することにより、ピークの位置を変化させることができる。
【0068】
この負極によれば、負極活物質および負極結着剤を含む負極活物質層2が複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布している。この場合には、上記した孔径の範囲内にピークを示さない場合と比較して、電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されると共にそれに伴う内部応力が緩和される。これにより、電気化学デバイスの動作時において負極活物質層2の脱落が抑制されると共にその厚さの増加が抑制されるため、サイクル特性および膨れ特性の向上に寄与することができる。この場合には、水銀の浸入量の変化率が100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すようにすれば、より高い効果を得ることができる。
【0069】
特に、複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が複数のピークを示す場合に、そのピークのうちの最大ピークが100nm以上5000nm以下の孔径に存在したり、あるいは負極活物質層2の空隙率が4%以上70%以下であれば、より高い効果を得ることができる。
【0070】
また、負極活物質が複数の粒子状をなす場合に、そのメジアン径が0.5μm以上20μm以下であれば、より高い効果を得ることができる。
【0071】
また、負極活物質層2が負極活物質として高容量化に有利なケイ素(電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を有する材料)を含有する場合に、その負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されるため、炭素材料などの他の負極材料を含有する場合と比較して、より高い効果を得ることができる。
【0072】
また、負極結着剤がポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドからなる群のうちの少なくとも1種の樹脂であれば、より高い効果を得ることができる。この場合には、樹脂のうちの少なくとも一部が炭化していれば、さらに高い効果を得ることができる。
【0073】
さらに、負極活物質層2と対向する負極集電体1の表面が粗面化されていれば、負極集電体1と負極活物質層2との間の密着性を高めることができる。この場合には、負極集電体1の表面の十点平均粗さRzが0.5μm以上6.5μm以下であれば、より高い効果を得ることができる。
【0074】
次に、上記した負極の使用例について説明する。ここで、電気化学デバイスの一例として二次電池を例に挙げると、上記した負極は、以下のようにして二次電池に用いられる。
【0075】
(第1の二次電池)
図4および図5は第1の二次電池の断面構成を表しており、図5では図4に示したV−V線に沿った断面を示している。ここで説明する二次電池は、例えば、負極22の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池である。
【0076】
この二次電池は、主に、電池缶11の内部に、扁平な巻回構造を有する電池素子20が収納されたものである。
【0077】
電池缶11は、例えば、角型の外装部材である。この角型の外装部材とは、図5に示したように、長手方向における断面が矩形型あるいは略矩形型(一部に曲線を含む)の形状を有するものであり、矩形状の角型電池だけでなくオーバル形状の角型電池も構成するものである。すなわち、角型の外装部材とは、矩形状あるいは円弧を直線で結んだ略矩形状(長円形状)の開口部を有する有底矩形型あるいは有底長円形状型の器状部材である。なお、図5では、電池缶11が矩形型の断面形状を有する場合を示している。この電池缶11を含む電池構造は、いわゆる角型と呼ばれている。
【0078】
この電池缶11は、例えば、鉄、アルミニウム(Al)あるいはそれらの合金などの金属材料によって構成されており、電極端子としての機能を有している場合もある。この場合には、充放電時に電池缶11の固さ(変形しにくさ)を利用して二次電池の膨れを抑えるために、アルミニウムよりも固い鉄が好ましい。電池缶11が鉄によって構成される場合には、例えば、ニッケル(Ni)などの鍍金が施されていてもよい。
【0079】
また、電池缶11は、一端部および他端部がそれぞれ閉鎖および開放された中空構造を有しており、その開放端部に絶縁板12および電池蓋13が取り付けられて密閉されている。絶縁板12は、電池素子20と電池蓋13との間に、その電池素子20の巻回周面に対して垂直に配置されており、例えば、ポリプロピレンなどによって構成されている。電池蓋13は、例えば、電池缶11と同様の材料によって構成されており、それと同様に電極端子としての機能を有していてもよい。
【0080】
電池蓋13の外側には、正極端子となる端子板14が設けられており、その端子板14は、絶縁ケース16を介して電池蓋13から電気的に絶縁されている。この絶縁ケース16は、例えば、ポリブチレンテレフタレートなどによって構成されている。また、電池蓋13のほぼ中央には貫通孔が設けられており、その貫通孔には、端子板14と電気的に接続されると共にガスケット17を介して電池蓋13から電気的に絶縁されるように正極ピン15が挿入されている。このガスケット17は、例えば、絶縁材料によって構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
【0081】
電池蓋13の周縁付近には、開裂弁18および注入孔19が設けられている。開裂弁18は、電池蓋13と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などに起因して電池の内圧が一定以上となった場合に、電池蓋13から切り離されて内圧を開放するようになっている。注入孔19は、例えば、ステンレス鋼球からなる封止部材19Aにより塞がれている。
【0082】
電池素子20は、セパレータ23を介して正極21と負極22とが積層および巻回されたものであり、電池缶11の形状に応じて扁平状になっている。正極21の端部(例えば内終端部)にはアルミニウムなどの金属材料によって構成された正極リード24が取り付けられており、負極22の端部(例えば外終端部)にはニッケルなどの金属材料によって構成された負極リード25が取り付けられている。正極リード24は、正極ピン15の一端に溶接されて端子板14と電気的に接続されており、負極リード25は、電池缶11に溶接されて電気的に接続されている。
【0083】
正極21は、例えば、一対の面を有する正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられたものである。ただし、正極活物質層21Bは、正極集電体21Aの片面だけに設けられていてもよい。
【0084】
正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されている。
【0085】
正極活物質層21Bは、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか1種あるいは2種以上を含んでおり、必要に応じて、正極結着剤や正極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。なお、正極結着剤および正極導電剤に関する詳細は、負極結着剤および負極導電剤について説明した場合と同様である。
【0086】
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。このリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。中でも、遷移金属元素としてコバルト、ニッケル、マンガンおよび鉄からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。その化学式は、例えば、Lix M1O2 あるいはLiy M2PO4 で表される。式中、M1およびM2は、1種類以上の遷移金属元素を表す。xおよびyの値は、充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10である。
【0087】
リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物(Lix CoO2 )、リチウムニッケル複合酸化物(Lix NiO2 )、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(Lix Ni1-z Coz O2 (z<1))、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(Lix Ni(1-v-w) Cov Mnw O2 (v+w<1))、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2 O4 )などが挙げられる。中でも、コバルトを含む複合酸化物が好ましい。高い容量が得られると共に、優れたサイクル特性も得られるからである。また、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4 )あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe1-u Mnu PO4 (u<1))などが挙げられる。
【0088】
この他、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物や、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物や、セレン化ニオブなどのカルコゲン化物や、硫黄、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子も挙げられる。
【0089】
もちろん、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料は、上記以外のものであってもよい。また、上記した一連の正極材料は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。
【0090】
負極22は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、一対の面を有する負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられたものである。負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bの構成は、それぞれ上記した負極における負極集電体1および負極活物質層2の構成と同様である。この負極22では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料における充電可能な容量が、正極21の放電容量よりも大きくなっているのが好ましい。
【0091】
この負極22の満充電状態における最大利用率(負極利用率)は、特に限定されないが、中でも、正極21の容量と負極22の容量との割合を調整することにより、20%以上80%以下であるのが好ましく、30%以上70%以下であるのがより好ましい。優れたサイクル特性および初回充放電特性が得られるからである。詳細には、負極利用率が20%よりも小さいと、初回充放電効率が低下する可能性がある。また、負極利用率が80%よりも大きいと、充放電時において負極活物質層22Bの膨張および収縮が抑制されにくくなるため、その負極活物質層22Bが脱落する可能性がある。
【0092】
上記した「負極利用率」とは、負極22の満充電状態における単位面積当たりのリチウムの吸蔵量をXとし、負極22が単位面積当たりにおいて電気化学的に吸蔵することが可能なリチウムの量をYとしたとき、負極利用率(%)=(X/Y)×100で表される。なお、負極材料が、リチウムと合金を形成することが可能な金属元素あるいは半金属元素を有する材料である場合には、上記した「吸蔵」とは、負極材料がリチウムと合金化することを意味する。
【0093】
吸蔵量Xについては、例えば、以下の手順によって求めることができる。最初に、満充電状態となるまで二次電池を充電したのち、その二次電池を解体して、負極22のうちの正極21と対向している部分を検査負極として切り出す。続いて、検査負極を用いて、金属リチウムを対極とした評価電池を組み立てる。最後に、評価電池を放電させて初回放電時の放電容量を調べたのち、その放電容量を検査負極の面積で割って吸蔵量Xを算出する。この場合の「放電」とは、検査負極からリチウムイオンが放出される方向へ通電することを意味する。
【0094】
一方、吸蔵量Yについては、例えば、上記した放電済みの評価電池を電池電圧が0Vになるまで定電流定電圧充電して充電容量を調べたのち、その充電容量を検査負極の面積で割って算出する。この場合の「充電」とは、検査負極にリチウムイオンが吸蔵される方向へ通電することを意味する。
【0095】
上記した吸蔵量X,Yを求める際の充放電条件としては、例えば、電流密度を1mA/cm2 とし、電池電圧が1.5Vに到達するまで放電すると共に、電池電圧を0Vとしながら電流値が0.05mA以下になるまで定電圧充電する。
【0096】
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながら電極反応物質のイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂からなる多孔質膜や、セラミックからなる多孔質膜などによって構成されており、これらの2種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。
【0097】
このセパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、溶媒と、それに溶解された電解質塩とを含んでいる。
【0098】
溶媒は、例えば、有機溶剤などの非水溶媒の1種あるいは2種以上を含有している。以下で説明する一連の溶媒は、任意に組み合わされてもよい。
【0099】
非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチル、あるいはジメチルスルホキシドなどが挙げられる。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性が得られるからである。中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルからなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。この場合には、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度(高誘電率)溶媒(例えば、比誘電率ε≧30)と炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば、粘度≦1mPa・s)との組み合わせがより好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。
【0100】
特に、溶媒は、化1で表されるハロゲンを構成元素として有する鎖状炭酸エステルおよび化2で表されるハロゲンを構成元素として有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。充放電時において負極22の表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応が抑制されるからである。
【0101】
【化1】
(R11〜R16は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
【0102】
【化2】
(R17〜R20は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
【0103】
化1中のR11〜R16は、同一でもよいし、異なってもよい。すなわち、R11〜R16の種類については、上記した一連の基の範囲内において個別に設定可能である。化2中のR17〜R20についても、同様である。
【0104】
ハロゲンの種類は、特に限定されないが、中でも、フッ素、塩素あるいは臭素が好ましく、フッ素がより好ましい。高い効果が得られるからである。他のハロゲンと比較して、高い効果が得られるからである。
【0105】
ただし、ハロゲンの数は、1つよりも2つが好ましく、さらに3つ以上であってもよい。保護膜を形成する能力が高くなり、より強固で安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応がより抑制されるからである。
【0106】
化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルなどが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、炭酸ビス(フルオロメチル)が好ましい。高い効果が得られるからである。
【0107】
化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルとしては、例えば、化3および化4で表される一連の化合物が挙げられる。すなわち、化3に示した(1)の4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(2)の4−クロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(3)の4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(4)のテトラフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(5)の4−クロロ−5−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(6)の4,5−ジクロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(7)のテトラクロロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(8)の4,5−ビストリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(9)の4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(10)の4,5−ジフルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(11)の4,4−ジフルオロ−5−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(12)の4−エチル−5,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。また、化4に示した(1)の4−フルオロ−5−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(2)の4−メチル−5−トリフルオロ−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(3)の4−フルオロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(4)の5−(1,1−ジフルオロエチル)−4,4−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(5)の4,5−ジクロロ−4,5−ジメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、(6)の4−エチル−5−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(7)の4−エチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(8)の4−エチル−4,5,5−トリフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、(9)の4−フルオロ−4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどである。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
【0108】
【化3】
【0109】
【化4】
【0110】
中でも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンが好ましく、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンがより好ましい。特に、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとしては、シス異性体よりもトランス異性体が好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。
【0111】
また、溶媒は、化5〜化7で表される不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有しているのが好ましい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
【0112】
【化5】
(R21およびR22は水素基あるいはアルキル基である。)
【0113】
【化6】
(R23〜R26は水素基、アルキル基、ビニル基あるいはアリル基であり、それらのうちの少なくとも1つはビニル基あるいはアリル基である。)
【0114】
【化7】
(R27はアルキレン基である。)
【0115】
化5に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニレン系化合物である。この炭酸ビニレン系化合物としては、例えば、炭酸ビニレン(1,3−ジオキソール−2−オン)、炭酸メチルビニレン(4−メチル−1,3−ジオキソール−2−オン)、炭酸エチルビニレン(4−エチル−1,3−ジオキソール−2−オン)、4,5−ジメチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4,5−ジエチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4−フルオロ−1,3−ジオキソール−2−オン、あるいは4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソール−2−オンなどが挙げられ、中でも、炭酸ビニレンが好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。
【0116】
化6に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニルエチレン系化合物である。炭酸ビニルエチレン系化合物としては、例えば、炭酸ビニルエチレン(4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン)、4−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−エチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4−n−プロピル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、5−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、あるいは4,5−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられ、中でも、炭酸ビニルエチレンが好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。もちろん、R23〜R26としては、全てがビニル基でもよいし、全てがアリル基でもよいし、ビニル基とアリル基とが混在していてもよい。
【0117】
化7に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸メチレンエチレン系化合物である。炭酸メチレンエチレン系化合物としては、4−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジメチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オン、あるいは4,4−ジエチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンなどが挙げられる。この炭酸メチレンエチレン系化合物としては、1つのメチレン基を有するもの(化7に示した化合物)の他、2つのメチレン基を有するものであってもよい。
【0118】
なお、不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、化5〜化7に示したものの他、ベンゼン環を有する炭酸カテコール(カテコールカーボネート)などであってもよい。
【0119】
また、溶媒は、スルトン(環状スルホン酸エステル)や酸無水物を含有しているのが好ましい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。
【0120】
スルトンとしては、例えば、プロパンスルトンあるいはプロペンスルトンなどが挙げられ、中でも、プロペンスルトンが好ましい。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。溶媒中におけるスルトンの含有量は、例えば、0.5重量%以上5重量%以下である。
【0121】
酸無水物としては、例えば、コハク酸無水物、グルタル酸無水物あるいはマレイン酸無水物などのカルボン酸無水物や、エタンジスルホン酸無水物あるいはプロパンジスルホン酸無水物などのジスルホン酸無水物や、スルホ安息香酸無水物、スルホプロピオン酸無水物あるいはスルホ酪酸無水物などのカルボン酸とスルホン酸との無水物などが挙げられ、中でも、コハク酸無水物あるいはスルホ安息香酸無水物が好ましい。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。溶媒中における酸無水物の含有量は、例えば、0.5重量%以上3重量%以下である。
【0122】
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩のいずれか1種あるいは2種以上を含有している。以下で説明する一連の電解質塩は、任意に組み合わせてもよい。
【0123】
リチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウム、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6 H5 )4 )、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3 SO3 )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4 )、六フッ化ケイ酸二リチウム(Li2 SiF6 )、塩化リチウム(LiCl)、あるいは臭化リチウム(LiBr)などが挙げられる。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性が得られるからである。
【0124】
中でも、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムからなる群のうちの少なくとも1種が好ましく、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。
【0125】
特に、電解質塩は、化8〜化10で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有しているのが好ましい。上記した六フッ化リン酸リチウム等と一緒に用いられた場合に、より高い効果が得られるからである。なお、化8中のR31およびR33は、同一でもよいし、異なってもよい。このことは、化9中のR41〜R43および化10中のR51およびR52についても同様である。
【0126】
【化8】
(X31は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素、またはアルミニウムである。M31は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。R31はハロゲン基である。Y31は−(O=)C−R32−C(=O)−、−(O=)C−C(R33)2 −あるいは−(O=)C−C(=O)−である。ただし、R32はアルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基あるいはハロゲン化アリーレン基である。R33はアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基あるいはハロゲン化アリール基である。なお、a3は1〜4の整数であり、b3は0、2あるいは4であり、c3、d3、m3およびn3は1〜3の整数である。)
【0127】
【化9】
(X41は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素である。M41は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。Y41は−(O=)C−(C(R41)2 )b4−C(=O)−、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−C(=O)−、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−C(R43)2 −、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−S(=O)2 −、−(O=)2 S−(C(R42)2 )d4−S(=O)2 −あるいは−(O=)C−(C(R42)2 )d4−S(=O)2 −である。ただし、R41およびR43は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それぞれのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R42は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a4、e4およびn4は1あるいは2であり、b4およびd4は1〜4の整数であり、c4は0〜4の整数であり、f4およびm4は1〜3の整数である。)
【0128】
【化10】
(X51は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素である。M51は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。Rfはフッ素化アルキル基あるいはフッ素化アリール基であり、いずれの炭素数も1〜10である。Y51は−(O=)C−(C(R51)2 )d5−C(=O)−、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−C(=O)−、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−C(R52)2 −、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−S(=O)2 −、−(O=)2 S−(C(R51)2 )e5−S(=O)2 −あるいは−(O=)C−(C(R51)2 )e5−S(=O)2 −である。ただし、R51は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R52は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、そのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a5、f5およびn5は1あるいは2であり、b5、c5およびe5は1〜4の整数であり、d5は0〜4の整数であり、g5およびm5は1〜3の整数である。)
【0129】
なお、長周期型周期表とは、IUPAC(国際純正・応用化学連合)が提唱する無機化学命名法改訂版によって表されるものである。具体的には、1族元素とは、水素、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムおよびフランシウムである。2族元素とは、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびラジウムである。13族元素とは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウムである。14族元素とは、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズおよび鉛である。15族元素とは、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスである。
【0130】
化8に示した化合物としては、例えば、化11の(1)〜(6)で表される化合物などが挙げられる。化9に示した化合物としては、例えば、化12の(1)〜(8)で表される化合物などが挙げられる。化10に示した化合物としては、例えば、化13で表される化合物などが挙げられる。なお、化8〜化10に示した構造を有する化合物であれば、化11〜化13に示した化合物に限定されないことは言うまでもない。
【0131】
【化11】
【0132】
【化12】
【0133】
【化13】
【0134】
また、電解質塩は、化14〜化16で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有していてもよい。上記した六フッ化リン酸リチウム等と一緒に用いられた場合に、より高い効果が得られるからである。なお、化14中のmおよびnは、同一でもよいし、異なってもよい。このことは、化16中のp、qおよびrについても同様である。
【0135】
【化14】
(mおよびnは1以上の整数である。)
【0136】
【化15】
(R61は炭素数2以上4以下の直鎖状あるいは分岐状のパーフルオロアルキレン基である。)
【0137】
【化16】
(p、qおよびrは1以上の整数である。)
【0138】
化14に示した鎖状の化合物としては、例えば、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )2 )、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(C2 F5 SO2 )2 )、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C2 F5 SO2 ))、(トリフルオロメタンスルホニル)(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C3 F7 SO2 ))、あるいは(トリフルオロメタンスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C4 F9 SO2 ))などが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
【0139】
化15に示した環状の化合物としては、例えば、化17で表される一連の化合物が挙げられる。すなわち、化17に示した(1)の1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミドリチウム、(2)の1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミドリチウム、(3)の1,3−パーフルオロブタンジスルホニルイミドリチウム、(4)の1,4−パーフルオロブタンジスルホニルイミドリチウムなどである。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミドリチウムが好ましい。高い効果が得られるからである。
【0140】
【化17】
【0141】
化16に示した鎖状の化合物としては、例えば、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド(LiC(CF3 SO2 )3 )などが挙げられる。
【0142】
電解質塩の含有量は、溶媒に対して0.3mol/kg以上3.0mol/kg以下であるのが好ましい。この範囲外では、イオン伝導性が極端に低下する可能性があるからである。
【0143】
この二次電池は、例えば、以下の手順によって製造される。
【0144】
まず、正極21を作製する。最初に、正極活物質と、正極結着剤と、正極導電剤とを混合して正極合剤としたのち、有機溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、ドクタブレードあるいはバーコータなどを用いて正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させる。最後に、必要に応じて加熱しながら、ロールプレス機などを用いて塗膜を圧縮成型して正極活物質層21Bを形成する。この場合には、圧縮成型を複数回に渡って繰り返してもよい。
【0145】
次に、上記した負極の作製手順と同様の手順により、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを形成して負極22を作製する。
【0146】
次に、正極21および負極22を用いて電池素子20を作製する。最初に、正極集電体21Aに正極リード24を溶接などして取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード25を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ23を介して正極21と負極22とを積層させたのち、長手方向において巻回させる。最後に、扁平な形状となるように巻回体を成型する。
【0147】
二次電池の組み立ては、以下のようにして行う。最初に、電池缶11の内部に電池素子20を収納したのち、その電池素子20上に絶縁板12を配置する。続いて、正極リード24を正極ピン15に溶接などして接続させると共に、負極リード25を電池缶11に溶接などして接続させたのち、レーザ溶接などによって電池缶11の開放端部に電池蓋13を固定する。最後に、注入孔19から電池缶11の内部に電解液を注入してセパレータ23に含浸させたのち、その注入孔19を封止部材19Aで塞ぐ。これにより、図4および図5に示した二次電池が完成する。
【0148】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して正極21に吸蔵される。
【0149】
この角型の二次電池によれば、負極22が上記した負極と同様の構成を有しているので、充放電時において負極活物質層22Bの脱落が抑制されると共にその厚さの増加が抑制される。この場合には、負極22における電解液の含浸性も向上する。したがって、サイクル特性および膨れ特性を向上させることができる。
【0150】
特に、負極利用率が20%以上80%以下であれば、優れたサイクル特性、膨れ特性および初回充放電特性を得ることができる。
【0151】
また、電解液の溶媒が、化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルおよび化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種や、化5〜化7に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種や、スルトンや、酸無水物を含有していれば、より高い効果を得ることができる。
【0152】
また、電解質塩の電解質塩が、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムからなる群のうちの少なくとも1種や、化8〜化10に示した化合物からなる群のうちの少なくとも1種や、化14〜化16に示した化合物からなる群のうちの少なくも1種を含有していれば、より高い効果を得ることができる。
【0153】
また、電池缶11が固い金属製であれば、柔らかいフィルム製である場合と比較して、負極活物質層22Bが膨張および収縮した際に負極22が破損しにくくなる。したがって、サイクル特性をより向上させることができる。この場合には、電池缶11がアルミニウムよりも固い鉄製であれば、より高い効果を得ることができる。
【0154】
この二次電池に関する上記以外の効果は、上記した負極と同様である。
【0155】
(第2の二次電池)
図6および図7は第2の二次電池の断面構成を表しており、図7では図6に示した巻回電極体40の一部を拡大して示している。
【0156】
第2の二次電池は、例えば、上記した第1の二次電池と同様に、リチウムイオン二次電池である。この二次電池は、主に、ほぼ中空円柱状の電池缶31の内部に、セパレータ43を介して正極41と負極42とが積層および巻回された巻回電極体40と、一対の絶縁板32,33とが収納されたものである。この電池缶31を含む電池構造は、いわゆる円筒型と呼ばれている。
【0157】
電池缶31は、例えば、上記した第1の二次電池における電池缶11と同様の金属材料によって構成されており、その一端部および他端部はそれぞれ閉鎖および開放されている。一対の絶縁板32,33は、巻回電極体40を上下から挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。
【0158】
電池缶31の開放端部には、電池蓋34と、その内側に設けられた安全弁機構35および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient:PTC素子)36とが、ガスケット37を介してかしめられることによって取り付けられている。これにより、電池缶31の内部は密閉されている。電池蓋34は、例えば、電池缶31と同様の金属材料によって構成されている。安全弁機構35は、熱感抵抗素子36を介して電池蓋34と電気的に接続されている。この安全弁機構35では、内部短絡、あるいは外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板35Aが反転して電池蓋34と巻回電極体40との間の電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子36は、温度の上昇に応じて抵抗が増大することによって電流を制限し、大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット37は、例えば、絶縁材料によって構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
【0159】
巻回電極体40の中心には、センターピン44が挿入されていてもよい。この巻回電極体40では、アルミニウムなどの金属材料によって構成された正極リード45が正極41に接続されていると共に、ニッケルなどの金属材料によって構成された負極リード46が負極42に接続されている。正極リード45は、安全弁機構35に溶接などされて電池蓋34と電気的に接続されており、負極リード46は、電池缶31に溶接などされて電気的に接続されている。
【0160】
正極41は、例えば、一対の面を有する正極集電体41Aの両面に正極活物質層41Bが設けられたものである。負極42は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、一対の面を有する負極集電体42Aの両面に負極活物質層42Bが設けられたものである。正極集電体41A、正極活物質層41B、負極集電体42A、負極活物質層42Bおよびセパレータ43の構成、ならびに電解液の組成は、それぞれ上記した第1の二次電池における正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよびセパレータ23の構成、ならびに電解液の組成と同様である。
【0161】
この二次電池は、例えば、以下の手順によって製造される。
【0162】
まず、例えば、上記した第1の二次電池における正極21および負極22の作製手順と同様の手順により、正極集電体41Aの両面に正極活物質層41Bを形成して正極41を作製すると共に、負極集電体42Aの両面に負極活物質層42Bを形成して負極42を作製する。続いて、正極41に正極リード45を溶接などして取り付けると共に、負極42に負極リード46を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ34を介して正極41と負極42とを積層および巻回させて巻回電極体40を作製したのち、その巻回中心にセンターピン44を挿入する。続いて、一対の絶縁板32,33で挟みながら巻回電極体40を電池缶31の内部に収納すると共に、正極リード45の先端部を安全弁機構35に溶接し、負極リード46の先端部を電池缶31に溶接する。続いて、電池缶31の内部に電解液を注入してセパレータ43に含浸させる。最後に、電池缶31の開口端部に電池蓋34、安全弁機構35および熱感抵抗素子36をガスケット37を介してかしめて固定する。これにより、図6および図7に示した二次電池が完成する。
【0163】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極41からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極42に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極42からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極41に吸蔵される。
【0164】
この円筒型の二次電池によれば、負極42が上記した負極と同様の構成を有しているので、サイクル特性および膨れ特性を向上させることができる。この二次電池に関する上記以外の効果は、第1の二次電池と同様である。
【0165】
(第3の二次電池)
図8は第3の二次電池の分解斜視構成を表しており、図9は図8に示したIX−IX線に沿った断面を拡大して示している。
【0166】
第3の二次電池は、例えば、上記した第1の二次電池と同様に、リチウムイオン二次電池である。この二次電池は、主に、フィルム状の外装部材60の内部に、正極リード51および負極リード52が取り付けられた巻回電極体50が収納されたものである。この外装部材60を含む電池構造は、いわゆるラミネートフィルム型と呼ばれている。
【0167】
正極リード51および負極リード52は、例えば、外装部材60の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード51は、例えば、アルミニウムなどの金属材料によって構成されており、負極リード52は、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されている。これらの金属材料は、例えば、薄板状あるいは網目状になっている。
【0168】
外装部材60は、例えば、ナイロンフィルム、アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムがこの順に貼り合わされたアルミラミネートフィルムによって構成されている。この外装部材60は、例えば、ポリエチレンフィルムが巻回電極体50と対向するように、2枚の矩形型のアルミラミネートフィルムの外縁部同士が融着あるいは接着剤によって互いに接着された構造を有している。
【0169】
外装部材60と正極リード51および負極リード52との間には、外気の侵入を防止するために密着フィルム61が挿入されている。この密着フィルム61は、正極リード51および負極リード52に対して密着性を有する材料によって構成されている。このような材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。
【0170】
なお、外装部材60は、上記したアルミラミネートフィルムに代えて、他の積層構造を有するラミネートフィルムによって構成されていてもよいし、ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムによって構成されていてもよい。
【0171】
巻回電極体50は、セパレータ55および電解質56を介して正極53と負極54とが積層および巻回されたものであり、その最外周部は、保護テープ57によって保護されている。
【0172】
正極53は、例えば、一対の面を有する正極集電体53Aの両面に正極活物質層53Bが設けられたものである。負極54は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、一対の面を有する負極集電体54Aの両面に負極活物質層54Bが設けられたものである。正極集電体53A、正極活物質層53B、負極集電体54A、負極活物質層54Bおよびセパレータ55の構成は、それぞれ上記した第1の二次電池における正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよびセパレータ23の構成と同様である。
【0173】
電解質56は、電解液と、それを保持する高分子化合物とを含んでおり、いわゆるゲル状の電解質である。ゲル電解質は、高いイオン伝導率(例えば、室温で1mS/cm以上)が得られると共に漏液が防止されるので好ましい。
【0174】
高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとポリヘキサフルオロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレン、あるいはポリカーボネートなどが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。電気化学的に安定だからである。
【0175】
電解液の組成は、第1の二次電池における電解液の組成と同様である。ただし、ゲル状の電解質である電解質56において、電解液の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。したがって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。
【0176】
なお、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質56に代えて、電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液がセパレータ55に含浸される。
【0177】
このゲル状の電解質56を備えた二次電池は、例えば、以下の3種類の手順によって製造される。
【0178】
第1の製造方法では、最初に、例えば、上記した第1の二次電池における正極21および負極22の作製手順と同様の手順により、正極集電体53Aの両面に正極活物質層53Bを形成して正極53を作製すると共に、負極集電体54Aの両面に負極活物質層54Bを形成して負極54を作製する。続いて、電解液と、高分子化合物と、溶剤とを含む前駆溶液を調製して正極53および負極54に塗布したのち、溶剤を揮発させてゲル状の電解質56を形成する。続いて、正極集電体53Aに正極リード51を取り付けると共に、負極集電体54Aに負極リード52を取り付ける。続いて、電解質56が形成された正極53と負極54とをセパレータ55を介して積層および巻回したのち、その最外周部に保護テープ57を接着させて巻回電極体50を作製する。最後に、例えば、2枚のフィルム状の外装部材60の間に巻回電極体50を挟み込んだのち、その外装部材60の外縁部同士を熱融着などで接着させて巻回電極体50を封入する。この際、正極リード51および負極リード52と外装部材60との間に、密着フィルム61を挿入する。これにより、図8および図9に示した二次電池が完成する。
【0179】
第2の製造方法では、最初に、正極53に正極リード51を取り付けると共に、負極54に負極リード52を取り付ける。続いて、セパレータ55を介して正極53と負極54とを積層して巻回させたのち、その最外周部に保護テープ57を接着させて、巻回電極体50の前駆体である巻回体を作製する。続いて、2枚のフィルム状の外装部材60の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を熱融着などで接着させて、袋状の外装部材60の内部に巻回体を収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製して袋状の外装部材60の内部に注入したのち、外装部材60の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とすることにより、ゲル状の電解質56を形成する。これにより、二次電池が完成する。
【0180】
第3の製造方法では、最初に、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ55を用いることを除き、上記した第2の製造方法と同様に、巻回体を形成して袋状の外装部材60の内部に収納する。このセパレータ55に塗布する高分子化合物としては、例えば、フッ化ビニリデンを成分とする重合体、すなわち単独重合体、共重合体あるいは多元共重合体などが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデンや、フッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレンを成分とする二元系共重合体や、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンを成分とする三元系共重合体などである。なお、高分子化合物は、上記したフッ化ビニリデンを成分とする重合体と共に、他の1種あるいは2種以上の高分子化合物を含んでいてもよい。続いて、電解液を調製して外装部材40の内部に注入したのち、その外装部材60の開口部を熱融着などで密封する。最後に、外装部材60に加重をかけながら加熱し、高分子化合物を介してセパレータ55を正極53および負極54に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸し、その高分子化合物がゲル化して電解質56が形成されるため、二次電池が完成する。
【0181】
この第3の製造方法では、第1の製造方法と比較して、二次電池の膨れが抑制される。また、第3の製造方法では、第2の製造方法と比較して、高分子化合物の原料であるモノマーや溶媒などが電解質56中にほとんど残らず、しかも高分子化合物の形成工程が良好に制御されるため、正極53、負極54およびセパレータ55と電解質56との間において十分な密着性が得られる。
【0182】
このラミネートフィルム型の二次電池によれば、負極54が上記した負極と同様の構成を有しているので、サイクル特性および膨れ特性を向上させることができる。この二次電池に関する上記以外の効果は、第1の二次電池と同様である。
【実施例】
【0183】
本発明の実施例について詳細に説明する。
【0184】
(実施例1−1)
以下の手順により、図8および図9に示したラミネートフィルム型の二次電池を製造した。この際、負極54の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池となるようにした。
【0185】
まず、正極53を作製した。最初に、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを0.5:1のモル比で混合したのち、空気中において900℃で5時間焼成することにより、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。続いて、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物91質量部と、正極導電剤としてグラファイト6質量部と、正極結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤としたのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーとした。最後に、帯状のアルミニウム箔(厚さ=12μm)からなる正極集電体53Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型することにより、正極活物質層53Bを形成した。
【0186】
次に、負極54を作製した。まず、粗面化された電解銅箔からなる負極集電体54A(厚さ=15μm,十点平均粗さRz=3μm)を準備した。続いて、負極活物質としてケイ素粉末(メジアン径=5μm)と、負極結着剤の前駆体であるポリアミック酸溶液とを80:20の乾燥重量比で混合したのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状にし、所定の粘度を有する負極合剤スラリーとした。続いて、コーティング装置を用いて負極集電体54Aの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、必要に応じてロールプレス機を用いて塗膜を圧縮成形した。最後に、真空雰囲気中において400℃×1時間の条件で塗膜を熱処理した。これにより、負極結着剤としてポリイミド(PI)が生成されると共に、そのポリイミドの一部が炭化して、負極活物質層54Bが形成された。この負極活物質層54Bを形成する場合には、負極54について水銀の浸入量の変化率の分布を測定した場合に1つのピークだけが存在するようにし、そのピークの孔径を30nmとした。また、空隙率を20%とした。なお、上記した水銀の浸入量の変化率を測定するためには、Micromeritics 社製の水銀ポロシメータ(オートポア9500シリーズ)を用い、25mm×350mmのサイズにカットした負極54について測定した。
【0187】
次に、溶媒として炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)とを混合したのち、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を溶解させて、電解液を調製した。この際、溶媒の組成(EC:DEC)を重量比で50:50とし、電解質塩の含有量を溶媒に対して1mol/kgとした。
【0188】
最後に、正極53および負極54と共に電解液を用いて二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体53Aの一端にアルミニウム製の正極リード51を溶接すると共に、負極集電体54Aの一端にニッケル製の負極リード52を溶接した。続いて、正極53と、多孔性ポリプロピレンを主成分とするフィルムによって多孔性ポリエチレンを主成分とするフィルムが挟まれた3層構造のセパレータ55(厚さ=23μm)と、負極54と、上記したセパレータ55とをこの順に積層してから長手方向に巻回させたのち、粘着テープからなる保護テープ57で巻き終わり部分を固定して、巻回電極体50の前駆体である巻回体を形成した。続いて、外側から、ナイロンフィルム(厚さ=30μm)と、アルミニウム箔(厚さ=40μm)と、無延伸ポリプロピレンフィルム(厚さ=30μm)とが積層された3層構造のラミネートフィルム(総厚=100μm)からなる外装部材60の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺を除く外縁部同士を熱融着して、袋状の外装部材60の内部に巻回体を収納した。続いて、外装部材60の開口部から電解液を注入してセパレータ55に含浸させて巻回電極体50を作製した。最後に、真空雰囲気中において外装部材60の開口部を熱融着して封止することにより、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。
【0189】
この二次電池については、正極活物質層53Bの厚さを調節して、満充電時において負極54にリチウム金属が析出しないようにした。また、正極53の容量と負極54の容量との比率を調整して、負極利用率を50%とした。
【0190】
(実施例1−2〜1−11)
ピークの孔径を50μm(実施例1−2)、100μm(実施例1−3)、200μm(実施例1−4)、500μm(実施例1−5)、700μm(実施例1−6)、1000μm(実施例1−7)、2000μm(実施例1−8)、5000μm(実施例1−9)、7000μm(実施例1−10)、あるいは10000μm(実施例1−11)に変更したことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。この際、負極活物質層54B中における負極結着剤の含有量、圧縮成形時のプレス圧、あるいは熱処理温度などの条件を調整することにより、ピークの孔径を変化させた。
【0191】
(比較例1−1〜1−3)
ピークの孔径を15μm(比較例1−1)、25μm(比較例1−2)、あるいは20000μm(比較例1−3)に変更したことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。
【0192】
これらの実施例1−1〜1−11および比較例1−1〜1−3の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表1および図10に示した結果が得られた。なお、実施例1−5の負極54について水銀の浸入量の変化率の分布を測定した結果は、図11に示した通りである。
【0193】
サイクル特性を調べる際には、サイクル試験を行って放電容量維持率を求めた。具体的には、最初に、電池状態を安定化させるために23℃の雰囲気中において充放電させたのち、再び充放電させて、2サイクル目の放電容量を測定した。続いて、同雰囲気中において99サイクル充放電させて、101サイクル目の放電容量を測定した。最後に、放電容量維持率(%)=(101サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100を算出した。この際、充電条件としては、3mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が4.2Vに到達するまで充電したのち、引き続き4.2Vの定電圧で電流密度が0.3mA/cm2 に到達するまで充電した。また、放電条件としては、3mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が2.5Vに到達するまで放電した。
【0194】
膨れ特性を調べる際には、上記したサイクル試験を行って膨れ率を求めた。具体的には、最初に、電池状態を安定化させるために23℃の雰囲気中において充放電させたのち、サイクル試験前の厚さを測定した。続いて、サイクル試験を行ったのち、サイクル試験後の厚さを測定した。最後に、膨れ率(%)=[(サイクル試験後の厚さ−サイクル試験前の厚さ)/サイクル試験前の厚さ]×100を算出した。
【0195】
なお、サイクル特性および膨れ特性を調べる際の手順および条件は、以降の一連の実施例および比較例に関する同特性の評価についても同様である。
【0196】
【表1】
【0197】
表1および図10に示したように、水銀の浸入量の変化率が1つのピークだけを示すように分布する場合には、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例1−1〜1−11において、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。この結果は、水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布すると、負極活物質層43Bの内部に予備スペースを確保するために必要十分な数および孔径の細孔が得られることを表している。これにより、充放電時において、負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されると共に、それに伴う内部応力が緩和されるため、膨れ率が増加することを抑えつつ、放電容量維持率が増加する。
【0198】
特に、実施例1−1〜1−11では、ピークの孔径が100nm以上であると、膨れ率が著しく小さくなった。この場合には、ピークの孔径が5000nm以下であると、膨れ率を最低にしつつ、高い放電容量維持率が得られた。
【0199】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質(ケイ素)および負極結着剤(ポリイミド)を含む負極活物質層54Bが複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が1つのピークだけを示すように分布する場合に、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すことにより、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すようにすれば、両特性がより向上することも確認された。
【0200】
(実施例2−1〜2−16)
水銀の浸入量の変化率が2つのピークを示すようにすると共に、その2つのピークの孔径を調整したことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。具体的には、2つのピークの孔径を15nmおよび700nm(実施例2−1)、25nmおよび1000nm(実施例2−2)、100nmおよび500nm(実施例2−3)、200nmおよび500nm(実施例2−4)、100nmおよび700nm(実施例2−5)、200nmおよび700nm(実施例2−6)、100nmおよび1000nm(実施例2−7)、150nmおよび1300nm(実施例2−8)、500nmおよび1000nm(実施例2−9)、700nmおよび6000nm(実施例2−10)、900nmおよび1500nm(実施例2−11)、1000nmおよび5000nm(実施例2−12)、15nmおよび700nm(実施例2−13)、100nmおよび500nm(実施例2−14)、200nmおよび700nm(実施例2−15)、あるいは700nmおよび6000nm(実施例2−16)とした。この際、負極活物質層54B中における負極結着剤の含有量、圧縮成形時のプレス圧、あるいは熱処理温度などの条件を調整することにより、ピークの数および孔径を変化させた。
【0201】
(比較例2−1,2−2)
2つのピークの孔径を15nmおよび25nm(比較例2−1)、あるいは20000nmおよび30000nm(比較例2−2)としたことを除き、実施例2−1〜2−16と同様の手順を経た。
【0202】
これらの実施例2−1〜2−16および比較例2−1,2−2の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表2に示した結果が得られた。なお、実施例2−7,2−10,2−11の負極54について水銀の浸入量の変化率の分布を測定した結果は、それぞれ図12〜図14に示した通りである。
【0203】
【表2】
【0204】
表2に示したように、水銀の浸入量の変化率が2つのピークを示す場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、2つのピークうち、1つあるいは2つのピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例2−1〜2−16では、2つのピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0205】
特に、実施例2−1〜2−16では、2つのピークのうち、最大ピーク(最大値を示すピーク)の孔径が100nm以上5000nm以下である実施例2−1〜2−12において、最大ピークの孔径が100nm未満あるいは5000nm超である実施例2−13〜2−16と比較して、放電容量維持率が高くなると共に、膨れ率がより小さくなった。
【0206】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質(ケイ素)および負極結着剤(ポリイミド)を含む負極活物質層54Bが複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が2つのピークを示すように分布する場合においても、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すことにより、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、2つのピークのうち、最大ピークが100nm以上5000nm以下の孔径に存在すれば、両特性がより向上することも確認された。
【0207】
(実施例3−1〜3−3)
負極活物質としてケイ素に代えてケイ素合金、具体的にはケイ素鉄合金(実施例3−1)、ケイ素チタン合金(実施例3−2)、あるいはケイ素コバルト合金(実施例3−3)を用いたことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。このケイ素合金を形成する場合には、最初に、ケイ素粉末に金属元素粉末(鉄、チタンあるいはコバルト)を加えて乾式混合した。この際、金属元素粉末の添加量は、鉄について5原子数%、チタンについて10原子数%、コバルトについて20原子数%とした。続いて、伊藤製作所製の遊星ボールミルの反応容器中に、上記した混合物10gを直径9mmの鋼玉約400gと一緒にセットした。続いて、反応容器中をアルゴン雰囲気に置換したのち、毎分250回転の回転速度による10分間の運転と10分間の休止とを運転時間の合計が20時間になるまで繰り返した。続いて、反応容器を室温まで冷却してケイ素合金を取り出したのち、280メッシュのふるいを通して粗粉を取り除いた。
【0208】
これらの実施例3−1〜3−3の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表3に示した結果が得られた。
【0209】
【表3】
【0210】
表3に示したように、負極活物質としてケイ素合金を用いた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例3−1〜3−3では、実施例1−6と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0211】
特に、ケイ素合金を用いた実施例3−1〜3−3では、ケイ素を用いた実施例1−6と比較して、膨れ率が一定に維持されたまま、放電容量維持率が高くなった。
【0212】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質(ケイ素合金)および負極結着剤(ポリイミド)を含む負極活物質層54Bが複数の細孔を有する場合においても、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すことにより、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、負極活物質としてケイ素合金を用いれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0213】
(実施例4−1〜4−11)
負極活物質層54Bの空隙率を2%(実施例4−1)、3%(実施例4−2)、4%(実施例4−3)、5%(実施例4−4)、8%(実施例4−5)、10%(実施例4−6)、30%(実施例4−7)、50%(実施例4−8)、70%(実施例4−9)、75%(実施例4−10)、あるいは80%(実施例4−11)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。この際、負極活物質層54B中における負極結着剤の含有量、圧縮成形時のプレス圧、あるいは熱処理温度などの条件を調整することにより、空隙率を変化させた。
【0214】
これらの実施例4−1〜4−11の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表4および図15に示した結果が得られた。
【0215】
【表4】
【0216】
表4および図15に示したように、負極活物質層54Bの空隙率を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例4−1〜4−11では、実施例1−6と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、60%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、ほぼ10%以下の小さい膨れ率が得られた。
【0217】
特に、実施例4−1〜4−11では、空隙率が大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少すると共に膨れ率が減少する傾向を示した。この場合には、空隙率が4%以上70%以下であると、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。また、空隙率が20%以上30%以下であると、放電容量維持率がほぼ最大となり、膨れ率がほぼ最小となった。
【0218】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質層54Bの空隙率を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、空隙率が4%以上70%以下、好ましくは20%以上30%以下であれば、両特性がより向上することも確認された。
【0219】
(実施例5−1〜5−8)
負極活物質のメジアン径を0.2μm(実施例5−1)、0.3μm(実施例5−2)、0.5μm(実施例5−3)、1μm(実施例5−4)、10μm(実施例5−5)、20μm(実施例5−6)、30μm(実施例5−7)、あるいは40μm(実施例5−8)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0220】
これらの実施例5−1〜5−8の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表5および図16に示した結果が得られた。
【0221】
【表5】
【0222】
表5および図16に示したように、負極活物質のメジアン径を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例5−1〜5−8では、実施例1−6と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0223】
特に、実施例5−1〜5−8では、メジアン径が大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少すると共に、膨れ率がほぼ一定となる傾向を示した。この場合には、メジアン径が0.5μm以上20μm以下であると、80%以上の高い放電容量維持率が得られた。
【0224】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質のメジアン径を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、メジアン径が0.5μm以上20μm以下であれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0225】
(実施例6−1〜6−5)
熱処理温度を500℃(実施例6−1)、600℃(実施例6−2)、700℃(実施例6−3)、800℃(実施例6−4)、あるいは900℃(実施例6−5)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0226】
これらの実施例6−1〜6−5の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表6に示した結果が得られた。
【0227】
【表6】
【0228】
表6に示したように、熱処理温度を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例6−1〜6−5では、実施例1−6と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−1〜1−3と比較して、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0229】
特に、実施例6−1〜6−5では、熱処理温度が高くなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少すると共に膨れ率が一定となる傾向を示した。この場合には、熱処理温度が800℃以下であると、その熱処理温度が高くなるにしたがって放電容量維持率が増加した。
【0230】
これらのことから、本発明の二次電池では、熱処理温度を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、熱処理温度を800℃以下の範囲内で高くすれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0231】
(実施例7−1〜7−3)
負極活物質層54B中における負極結着剤の含有量を30重量%(実施例7−1)、40重量%(実施例7−2)、あるいは50重量%(実施例7−3)に変更したことを除き、実施例6−3と同様の手順を経た。
【0232】
これらの実施例7−1〜7−3の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表7に示した結果が得られた。
【0233】
【表7】
【0234】
表7に示したように、負極結着剤の含有量を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例7−1〜7−3では、実施例6−3と同等の放電容量維持率および膨れ率が得られた。
【0235】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極結着剤の含有量を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。
【0236】
(実施例8−1〜8−3)
ポリアミック酸溶液に代えてポリアミド溶液を用い、負極結着剤としてポリアミド(PA)を生成したことを除き、実施例1−3,1−6,1−11と同様の手順を経た。
【0237】
(実施例8−4〜8−6)
ポリアミック酸溶液に代えてポリアミドイミド溶液を用い、負極結着剤としてポリアミドイミド(PAI)を生成したことを除き、実施例1−3,1−6,1−11と同様の手順を経た。
【0238】
(実施例8−7〜8−9)
負極結着剤としてポリイミドに代えてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いたことを除き、実施例1−3,1−6,1−11と同様の手順を経た。
【0239】
(比較例3−1,3−2)
実施例8−1〜8−3と同様に負極結着剤としてポリアミドを用いたことを除き、比較例1−2,1−3と同様の手順を経た。
【0240】
(比較例3−3,3−4)
実施例8−4〜8−6と同様に負極結着剤としてポリアミドイミドを用いたことを除き、比較例1−2,1−3と同様の手順を経た。
【0241】
(比較例3−5,3−6)
実施例8−7〜8−9と同様に負極結着剤としてポリフッ化ビニリデンを用いたことを除き、比較例1−2,1−3と同様の手順を経た。
【0242】
これらの実施例8−1〜8−9および比較例3−1〜3−6の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表8に示した結果が得られた。
【0243】
【表8】
【0244】
表8に示したように、負極結着剤の種類を変更した場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例8−1〜8−9では、実施例1−3,1−6,1−11と同様に、ピークの孔径が30nm未満あるいは10000nm超である比較例1−2,1−3,3−1〜3−6と比較して、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0245】
特に、実施例1−3,1−6,1−11,8−1〜8−9では、ポリイミド、ポリアミドあるいはポリアミドイミドを用いた場合において、ポリフッ化ビニリデンを用いた場合よりも放電容量維持率が高くなった。また、ポリイミド、ポリアミドあるいはポリアミドイミドを用いた場合には、その順に放電容量維持率が高くなった。
【0246】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極結着剤の種類を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、ポリイミド、ポリアミドあるいはポリアミドイミドを用いれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0247】
(実施例9−1〜9−3)
負極導電剤として鱗片状の人造黒鉛(メジアン径=5μm)を加え、その含有量を1重量%(実施例9−1)、5重量%(実施例9−2)、あるいは10重量%(実施例9−3)としたことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0248】
(実施例9−4〜9−6)
負極導電剤としてカーボンブラック(メジアン径=5μm)を加え、その含有量を1重量%(実施例9−4)、5重量%(実施例9−5)、あるいは10重量%(実施例9−6)としたことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0249】
これらの実施例9−1〜9−6の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表9に示した結果が得られた。
【0250】
【表9】
【0251】
表9に示したように、負極導電剤を加えた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例9−1〜9−6では、実施例1−6と同様に、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0252】
特に、負極導電剤を加えた実施例9−1〜9−6では、それを加えなかった実施例1−6と比較して、膨れ率が一定に維持されたまま、放電容量維持率が高くなった。この放電容量維持率は、負極導電剤の含有量が多くなるにしたがって増加した。
【0253】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極導電剤を加えた場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、負極導電剤を加えれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0254】
(実施例10−1〜10−7)
負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを0.1μm(実施例10−1)、0.5μm(実施例10−2)、1μm(実施例10−3)、2μm(実施例10−4)、4μm(実施例10−5)、6.5μm(実施例10−6)、あるいは7μm(実施例10−7)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0255】
これらの実施例10−1〜10−7の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表10および図17に示した結果が得られた。
【0256】
【表10】
【0257】
表10および図17に示したように、負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例10−1〜10−7では、実施例1−6と同様に、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0258】
特に、実施例1−6,10−1〜10−7では、十点平均粗さRzが大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少すると共に膨れ率がほぼ一定となる傾向を示した。この場合には、十点平均粗さRzが0.5μm以上6.5μm以下であると、80%以上の高い放電容量維持率が得られた。
【0259】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、十点平均粗さRzが0.5μm以上6.5μm以下であれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0260】
(実施例11−1)
溶媒として、ECに代えて、化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルである4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)を用いたことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0261】
(実施例11−2)
電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )を加えると共に、溶媒として酸無水物であるスルホ安息香酸無水物(SBAH)を加えたことを除き、実施例11−1と同様の手順を経た。この際、六フッ化リン酸リチウムの含有量を溶媒に対して0.9mol/kg、四フッ化ホウ酸リチウムの含有量を溶媒に対して0.1mol/kgとし、溶媒中におけるSBAHの含有量を1重量%とした。
【0262】
(実施例11−3)
溶媒として炭酸プロピレン(PC)を加えたことを除き、実施例11−2と同様の手順を経た。この際、溶媒の組成(PC:FEC:DEC)を重量比で20:30:50とした。
【0263】
(実施例11−4)
溶媒として、化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルである4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を加えたことを除き、実施例11−3と同様の手順を経た。この際、溶媒の組成(PC:FEC:DFEC:DEC)を重量比で30:10:10:50とした。
【0264】
(実施例11−5)
溶媒としてFECを用いなかったことを除き、実施例11−4と同様の手順を経た。この際、溶媒の組成(PC:DFEC:DEC)を重量比で40:10:50とした。
【0265】
これらの実施例11−1〜11−5の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表11に示した結果が得られた。
【0266】
【表11】
【0267】
表11に示したように、溶媒の組成や電解質塩の種類を変更した場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例11−1〜11−5では、実施例1−6と同様に、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0268】
特に、溶媒としてハロゲンを有する環状炭酸エステル(FECあるいはDFEC)や酸無水物などを加えたり、電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウムを加えた実施例11−1〜11−5では、それらを加えなかった実施例1−6と比較して、膨れ率が小さく抑えられたまま、放電容量維持率が高くなった。また、ハロゲンを有する環状炭酸エステルを用いた場合には、FECよりもDFECにおいて放電容量維持率が高くなった。
【0269】
なお、ここでは、溶媒として化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルを用いた場合の結果だけを示しており、化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルを用いた場合の結果を示していない。しかしながら、ハロゲンを有する鎖状炭酸エステルは、ハロゲンを有する環状炭酸エステルと同様に放電容量維持率を増加させる機能を果たすため、前者を用いた場合においても後者を用いた場合と同様の結果が得られることは明らかである。このことは、化5〜化7に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルやスルトンについても同様である。
【0270】
また、ここでは、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムあるいは四フッ化ホウ酸リチウムを用いた場合の結果だけを示しており、過塩素酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウム、または化8〜化10あるいは化14〜化16に示した化合物を用いた場合の結果を示していない。しかしながら、過塩素酸リチウム等は、六フッ化リン酸リチウム等と同様に放電容量維持率を増加させる機能を果たすため、前者を用いた場合においても後者を用いた場合と同様の結果が得られることは明らかである。
【0271】
これらのことから、本発明の二次電池では、溶媒の組成や電解質塩の種類を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、溶媒として化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルおよび化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種や、化5〜化7に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルや、スルトンや、酸無水物を用いれば、サイクル特性がより向上することも確認された。また、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウム、化8〜化10に示した化合物、あるいは化14〜化16に示した化合物を用いれば、サイクル特性がより向上することも確認された。
【0272】
(実施例12−1〜12−9)
負極利用率を10%(実施例12−1)、20%(実施例12−2)、30%(実施例12−3)、40%(実施例12−4)、60%(実施例12−5)、70%(実施例12−6)、80%(実施例12−7)、90%(実施例12−8)、あるいは100%(実施例12−9)に変更したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0273】
これらの実施例12−1〜12−9の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表12および図18に示した結果が得られた。
【0274】
なお、実施例1−6,12−1〜12−9の二次電池については、サイクル特性および膨れ特性の他に、初回充放電特性も調べた。この初回充放電特性を調べる際には、最初に、電池状態を安定化させるために23℃の雰囲気中で充放電させてから、同雰囲気中において再び充電させて、充電容量を測定した。続いて、同雰囲気中において放電させて、放電容量を測定した。最後に、初期効率(%)=(放電容量/充電容量)×100を算出した。この際、充放電条件としては、1mA/cm2 の定電流密度で電流値が0.05mAに絞られるまで定電圧充電したのち、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が1.5Vに到達するまで放電した。
【0275】
【表12】
【0276】
表12および図18に示したように、負極利用率を変化させた場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例12−1〜12−9では、実施例1−6と同様に、70%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0277】
特に、実施例1−6,12−1〜12−9では、負極利用率が大きくなるにしたがって、放電容量維持率および膨れ率が減少すると共に初期効率が増加する傾向を示した。この場合には、負極利用率が20%以上80%以下であると、80%以上の高い放電容量維持率および初期効率が得られた。
【0278】
これらのことから、本発明の二次電池では、負極利用率を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、負極利用率が20%以上80%以下であれば、優れたサイクル特性および膨れ特性だけでなく、優れた初回充放電特性も得られることが確認された。
【0279】
(実施例13−1)
以下の手順により、ラミネートフィルム型の二次電池に代えて、図4および図5に示した角型の二次電池を製造したことを除き、実施例1−6と同様の手順を経た。
【0280】
まず、正極21および負極22を作製したのち、正極集電体21Aおよび負極集電体22Aにそれぞれアルミニウム製の正極リード24およびニッケル製の負極リード25を溶接した。続いて、正極21と、セパレータ23と、負極22とをこの順に積層し、長手方向において巻回させたのち、扁平状に成形することにより、電池素子20を作製した。続いて、アルミニウム製の電池缶11の内部に電池素子20を収納したのち、その電池素子20上に絶縁板12を配置した。続いて、正極リード24および負極リード25をそれぞれ正極ピン15および電池缶11に溶接したのち、電池缶11の開放端部に電池蓋13をレーザ溶接して固定した。最後に、注入孔19を通じて電池缶11の内部に電解液を注入し、その注入孔19を封止部材19Aで塞ぐことにより、角型電池が完成した。
【0281】
(実施例13−2)
アルミニウム製の電池缶11に代えて、鉄製の電池缶11を用いたことを除き、実施例13−1と同様の手順を経た。
【0282】
これらの実施例13−1,13−2の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表13に示した結果が得られた。
【0283】
【表13】
【0284】
表13に示したように、電池構造を変更した場合においても、表1と同様の結果が得られた。すなわち、ピークの孔径が30nm以上10000nm以下である実施例13−1,13−2では、実施例1−6と同様に、80%以上の高い放電容量維持率が得られたと共に、10%未満の小さい膨れ率が得られた。
【0285】
特に、電池構造が角型である13−1,13−2では、ラミネートフィルム型である実施例1−6と比較して、放電容量維持率が高くなると共に、膨れ率が小さくなった。また、角型の場合には、電池缶11がアルミニウム製である場合よりも鉄製である場合において、放電容量維持率が高くなると共に、膨れ率が小さくなった。
【0286】
なお、ここでは具体的な実施例を挙げて説明しないが、外装部材が金属材料からなる角型である場合において、フィルムからなるラミネートフィルム型である場合よりも放電容量維持率が増加すると共に膨れ率が減少したことから、外装部材が金属材料からなる円筒型の二次電池においても同様の結果が得られることは明らかである。
【0287】
これらのことから、本発明の二次電池では、電池構造を変更した場合においても、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。この場合には、電池構造が角型あるいは円筒型であれば、両特性がより向上することも確認された。
【0288】
上記した表1〜表13および図10〜図18の結果から、本発明の二次電池では、負極活物質および負極結着剤を含む負極活物質層が複数の細孔を有し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率が30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布することにより、負極活物質の種類、溶媒の組成、電解質塩の種類あるいは電池構造などに依存せずに、サイクル特性および膨れ特性が向上することが確認された。
【0289】
特に、ケイ素などの高容量化材料、すなわちリチウムを吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を有する材料は、充放電時において膨張および収縮しやすい。よって、本発明の二次電池では、負極活物質としてケイ素などの高容量化材料を用いた場合において、大きな効果を発揮する。
【0290】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明の負極の使用用途は、必ずしも二次電池に限らず、二次電池以外の他の電気化学デバイスであっても良い。他の用途としては、例えば、キャパシタなどが挙げられる。
【0291】
また、上記した実施の形態および実施例では、二次電池の種類として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。本発明の二次電池は、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に伴う容量とリチウムの析出および溶解に伴う容量とを含み、かつ、それらの容量の和によって表される二次電池についても、同様に適用可能である。この二次電池では、負極活物質としてリチウムを吸蔵および放出することが可能な材料が用いられ、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料における充電可能な容量が正極の放電容量よりも小さくなるように設定される。
【0292】
また、上記した実施の形態および実施例では、電池構造が角型、円筒型あるいはラミネートフィルム型である場合、ならびに電池素子が巻回構造を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明の二次電池は、コイン型あるいはボタン型などの他の電池構造を有する場合や、電池素子が積層構造などの他の構造を有する場合についても同様に適用可能である。
【0293】
また、上記した実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他の1族元素や、マグネシウム(Mg)あるいはカルシウム(Ca)などの2族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属を用いてもよい。これらの場合においても、負極活物質として、上記した実施の形態で説明した負極材料を用いることが可能である。
【0294】
また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の負極あるいは二次電池に関し、水銀圧入法によって測定される複数の細孔への水銀の浸入量の変化率がピークを示す孔径について、実施例の結果から導き出された適正範囲(30nm以上10000nm以下)を説明しているが、その説明は、孔径が上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、孔径が上記した範囲から多少外れてもよい。このことは、最大ピークが示す孔径や、負極活物質層の空隙率や、負極活物質のメジアン径や、負極集電体の表面の十点平均粗さRzや、負極利用率などについても、同様である。
【図面の簡単な説明】
【0295】
【図1】本発明の一実施の形態に係る負極の構成を表す断面図である。
【図2】水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図3】水銀の浸入量の変化率の他の分布を表す図である。
【図4】本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第1の二次電池の構成を表す断面図である。
【図5】図4に示した第1の二次電池のV−V線に沿った断面図である。
【図6】本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第2の二次電池の構成を表す断面図である。
【図7】図6に示した巻回電極体の一部を拡大して表す断面図である。
【図8】本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第3の二次電池の構成を表す断面図である。
【図9】図8に示した巻回電極体のIX−IX線に沿った断面図である。
【図10】ピークの孔径と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。
【図11】実施例1−5の負極について測定した水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図12】実施例2−7の負極について測定した水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図13】実施例2−10の負極について測定した水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図14】実施例2−11の負極について測定した水銀の浸入量の変化率の分布を表す図である。
【図15】空隙率と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。
【図16】メジアン径と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。
【図17】十点平均粗さRzと放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。
【図18】負極利用率と放電容量維持率、膨れ率および初期効率との間の相関を表す図である。
【符号の説明】
【0296】
1,22A,42A,54A…負極集電体、2,22B,42B,54B…負極活物質層、11,31…電池缶、12,32,33…絶縁板、13,34…電池蓋、14…端子板、15…正極ピン、16…絶縁ケース、17,37…ガスケット、18…開裂弁、19…注入孔、19A…封止部材、20…電池素子、21,41,53…正極、21A,41A,53A…正極集電体、21B,41B,53B…正極活物質層、22,42,54…負極、23,43,55…セパレータ、24,45,51…正極リード、25,46,52…負極リード、35…安全弁機構、35A…ディスク板、36…熱感抵抗素子、40,50…巻回電極体、44…センターピン、56…電解質、57…保護テープ、61…密着フィルム、60…外装部材。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
負極集電体上に、複数の細孔を有する負極活物質層を有し、
前記負極活物質層は、負極活物質および負極結着剤を含み、
水銀圧入法によって測定される前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布する
ことを特徴とする負極。
【請求項2】
前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すことを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項3】
前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、複数のピークを示し、そのピークのうちの最大ピークは、100nm以上5000nm以下の孔径に存在することを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項4】
前記負極活物質層の空隙率は、4%以上70%以下であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項5】
前記負極活物質は、複数の粒子状をなし、そのメジアン径は、0.5μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項6】
前記負極活物質は、ケイ素の単体、合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項7】
前記負極活物質層は、塗布法および焼結法のうちの少なくとも1種によって形成されていることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項8】
前記負極結着剤は、ポリイミド、ポリアミドよびポリアミドイミドからなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項9】
前記負極結着剤のうちの少なくとも一部は、炭化していることを特徴とする請求項8記載の負極。
【請求項10】
前記負極集電体の表面の十点平均粗さRzは、0.5μm以上6.5μm以下であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項11】
正極および負極と共に電解液を備えた二次電池であって、
前記負極は、負極集電体上に、複数の細孔を有する負極活物質層を有し、
前記負極活物質層は、負極活物質および負極結着剤を含み、
水銀圧入法によって測定される前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布する
ことを特徴とする二次電池。
【請求項12】
前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項13】
前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、複数のピークを示し、そのピークのうちの最大ピークは、100nm以上5000nm以下の孔径に存在することを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項14】
前記負極活物質層の空隙率は、4%以上70%以下であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項15】
前記負極活物質は、複数の粒子状をなし、そのメジアン径は、0.5μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項16】
前記負極活物質は、ケイ素の単体、合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項17】
前記負極活物質層は、塗布法および焼結法のうちの少なくとも1種によって形成されていることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項18】
前記負極結着剤は、ポリイミド、ポリアミドよびポリアミドイミドからなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項19】
前記負極結着剤のうちの少なくとも一部は、炭化していることを特徴とする請求項18記載の二次電池。
【請求項20】
前記負極集電体の表面の十点平均粗さRzは、0.5μm以上6.5μm以下であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項21】
前記電解液は、化1で表されるハロゲンを有する鎖状炭酸エステルおよび化2で表されるハロゲンを有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種を含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【化1】
(R11〜R16は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
【化2】
(R17〜R20は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
【請求項22】
前記化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルは、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルであり、前記化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルは、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンであることを特徴とする請求項21記載の二次電池。
【請求項23】
前記電解液は、化3〜化5で表される不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【化3】
(R21およびR22は水素基あるいはアルキル基である。)
【化4】
(R23〜R26は水素基、アルキル基、ビニル基あるいはアリル基であり、それらのうちの少なくとも1つはビニル基あるいはアリル基である。)
【化5】
(R27はアルキレン基である。)
【請求項24】
前記化3に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニレンであり、前記化4に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニルエチレンであり、前記化5に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸メチレンエチレンであることを特徴とする請求項23記載の二次電池。
【請求項25】
前記電解液は、スルトンを含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項26】
前記電解液は、酸無水物を含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項27】
前記電解液は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、過塩素酸リチウム(LiClO4 )および六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6 )からなる群のうちの少なくとも1種を含有する電解質塩を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項28】
前記電解液は、化6〜化8で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有する電解質塩を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【化6】
(X31は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素、またはアルミニウム(Al)である。M31は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。R31はハロゲン基である。Y31は−(O=)C−R32−C(=O)−、−(O=)C−C(R33)2 −あるいは−(O=)C−C(=O)−である。ただし、R32はアルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基あるいはハロゲン化アリーレン基である。R33はアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基あるいはハロゲン化アリール基である。なお、a3は1〜4の整数であり、b3は0、2あるいは4であり、c3、d3、m3およびn3は1〜3の整数である。)
【化7】
(X41は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素である。M41は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。Y41は−(O=)C−(C(R41)2 )b4−C(=O)−、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−C(=O)−、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−C(R43)2 −、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−S(=O)2 −、−(O=)2 S−(C(R42)2 )d4−S(=O)2 −あるいは−(O=)C−(C(R42)2 )d4−S(=O)2 −である。ただし、R41およびR43は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それぞれのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R42は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a4、e4およびn4は1あるいは2であり、b4およびd4は1〜4の整数であり、c4は0〜4の整数であり、f4およびm4は1〜3の整数である。)
【化8】
(X51は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素である。M51は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。Rfはフッ素化アルキル基あるいはフッ素化アリール基であり、いずれの炭素数も1〜10である。Y51は−(O=)C−(C(R51)2 )d5−C(=O)−、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−C(=O)−、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−C(R52)2 −、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−S(=O)2 −、−(O=)2 S−(C(R51)2 )e5−S(=O)2 −あるいは−(O=)C−(C(R51)2 )e5−S(=O)2 −である。ただし、R51は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R52は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、そのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a5、f5およびn5は1あるいは2であり、b5、c5およびe5は1〜4の整数であり、d5は0〜4の整数であり、g5およびm5は1〜3の整数である。)
【請求項29】
前記化6に示した化合物は、化9の(1)〜(6)で表される化合物であり、前記化7に示した化合物は、化10の(1)〜(8)で表される化合物であり、前記化8に示した化合物は、化11で表される化合物であることを特徴とする請求項28記載の二次電池。
【化9】
【化10】
【化11】
【請求項30】
前記電解液は、化12〜化14で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有する電解質塩を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【化12】
(mおよびnは1以上の整数である。)
【化13】
(R61は炭素数2以上4以下の直鎖状あるいは分岐状のパーフルオロアルキレン基である。)
【化14】
(p、qおよびrは1以上の整数である。)
【請求項31】
前記負極の満充電状態における負極利用率は、20%以上80%以下であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項32】
前記正極、前記負極および前記電解液は、円筒型あるいは角型の外装部材の内部に収納されていることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項33】
前記外装部材は、鉄あるいは鉄合金を含有することを特徴とする請求項32記載の二次電池。
【請求項1】
負極集電体上に、複数の細孔を有する負極活物質層を有し、
前記負極活物質層は、負極活物質および負極結着剤を含み、
水銀圧入法によって測定される前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布する
ことを特徴とする負極。
【請求項2】
前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すことを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項3】
前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、複数のピークを示し、そのピークのうちの最大ピークは、100nm以上5000nm以下の孔径に存在することを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項4】
前記負極活物質層の空隙率は、4%以上70%以下であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項5】
前記負極活物質は、複数の粒子状をなし、そのメジアン径は、0.5μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項6】
前記負極活物質は、ケイ素の単体、合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項7】
前記負極活物質層は、塗布法および焼結法のうちの少なくとも1種によって形成されていることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項8】
前記負極結着剤は、ポリイミド、ポリアミドよびポリアミドイミドからなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項9】
前記負極結着剤のうちの少なくとも一部は、炭化していることを特徴とする請求項8記載の負極。
【請求項10】
前記負極集電体の表面の十点平均粗さRzは、0.5μm以上6.5μm以下であることを特徴とする請求項1記載の負極。
【請求項11】
正極および負極と共に電解液を備えた二次電池であって、
前記負極は、負極集電体上に、複数の細孔を有する負極活物質層を有し、
前記負極活物質層は、負極活物質および負極結着剤を含み、
水銀圧入法によって測定される前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、30nm以上10000nm以下の孔径にピークを示すように分布する
ことを特徴とする二次電池。
【請求項12】
前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、100nm以上5000nm以下の孔径にピークを示すことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項13】
前記複数の細孔への水銀の浸入量の変化率は、複数のピークを示し、そのピークのうちの最大ピークは、100nm以上5000nm以下の孔径に存在することを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項14】
前記負極活物質層の空隙率は、4%以上70%以下であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項15】
前記負極活物質は、複数の粒子状をなし、そのメジアン径は、0.5μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項16】
前記負極活物質は、ケイ素の単体、合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項17】
前記負極活物質層は、塗布法および焼結法のうちの少なくとも1種によって形成されていることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項18】
前記負極結着剤は、ポリイミド、ポリアミドよびポリアミドイミドからなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項19】
前記負極結着剤のうちの少なくとも一部は、炭化していることを特徴とする請求項18記載の二次電池。
【請求項20】
前記負極集電体の表面の十点平均粗さRzは、0.5μm以上6.5μm以下であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項21】
前記電解液は、化1で表されるハロゲンを有する鎖状炭酸エステルおよび化2で表されるハロゲンを有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種を含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【化1】
(R11〜R16は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
【化2】
(R17〜R20は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。)
【請求項22】
前記化1に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルは、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルであり、前記化2に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルは、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンであることを特徴とする請求項21記載の二次電池。
【請求項23】
前記電解液は、化3〜化5で表される不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【化3】
(R21およびR22は水素基あるいはアルキル基である。)
【化4】
(R23〜R26は水素基、アルキル基、ビニル基あるいはアリル基であり、それらのうちの少なくとも1つはビニル基あるいはアリル基である。)
【化5】
(R27はアルキレン基である。)
【請求項24】
前記化3に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニレンであり、前記化4に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニルエチレンであり、前記化5に示した不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸メチレンエチレンであることを特徴とする請求項23記載の二次電池。
【請求項25】
前記電解液は、スルトンを含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項26】
前記電解液は、酸無水物を含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項27】
前記電解液は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、過塩素酸リチウム(LiClO4 )および六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6 )からなる群のうちの少なくとも1種を含有する電解質塩を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項28】
前記電解液は、化6〜化8で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有する電解質塩を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【化6】
(X31は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素、またはアルミニウム(Al)である。M31は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。R31はハロゲン基である。Y31は−(O=)C−R32−C(=O)−、−(O=)C−C(R33)2 −あるいは−(O=)C−C(=O)−である。ただし、R32はアルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基あるいはハロゲン化アリーレン基である。R33はアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基あるいはハロゲン化アリール基である。なお、a3は1〜4の整数であり、b3は0、2あるいは4であり、c3、d3、m3およびn3は1〜3の整数である。)
【化7】
(X41は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素である。M41は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。Y41は−(O=)C−(C(R41)2 )b4−C(=O)−、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−C(=O)−、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−C(R43)2 −、−(R43)2 C−(C(R42)2 )c4−S(=O)2 −、−(O=)2 S−(C(R42)2 )d4−S(=O)2 −あるいは−(O=)C−(C(R42)2 )d4−S(=O)2 −である。ただし、R41およびR43は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それぞれのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R42は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a4、e4およびn4は1あるいは2であり、b4およびd4は1〜4の整数であり、c4は0〜4の整数であり、f4およびm4は1〜3の整数である。)
【化8】
(X51は長周期型周期表における1族元素あるいは2族元素である。M51は遷移金属元素、または長周期型周期表における13族元素、14族元素あるいは15族元素である。Rfはフッ素化アルキル基あるいはフッ素化アリール基であり、いずれの炭素数も1〜10である。Y51は−(O=)C−(C(R51)2 )d5−C(=O)−、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−C(=O)−、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−C(R52)2 −、−(R52)2 C−(C(R51)2 )d5−S(=O)2 −、−(O=)2 S−(C(R51)2 )e5−S(=O)2 −あるいは−(O=)C−(C(R51)2 )e5−S(=O)2 −である。ただし、R51は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。R52は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、そのうちの少なくとも1つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、a5、f5およびn5は1あるいは2であり、b5、c5およびe5は1〜4の整数であり、d5は0〜4の整数であり、g5およびm5は1〜3の整数である。)
【請求項29】
前記化6に示した化合物は、化9の(1)〜(6)で表される化合物であり、前記化7に示した化合物は、化10の(1)〜(8)で表される化合物であり、前記化8に示した化合物は、化11で表される化合物であることを特徴とする請求項28記載の二次電池。
【化9】
【化10】
【化11】
【請求項30】
前記電解液は、化12〜化14で表される化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含有する電解質塩を含むことを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【化12】
(mおよびnは1以上の整数である。)
【化13】
(R61は炭素数2以上4以下の直鎖状あるいは分岐状のパーフルオロアルキレン基である。)
【化14】
(p、qおよびrは1以上の整数である。)
【請求項31】
前記負極の満充電状態における負極利用率は、20%以上80%以下であることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項32】
前記正極、前記負極および前記電解液は、円筒型あるいは角型の外装部材の内部に収納されていることを特徴とする請求項11記載の二次電池。
【請求項33】
前記外装部材は、鉄あるいは鉄合金を含有することを特徴とする請求項32記載の二次電池。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図2】
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【図12】
【図13】
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【図16】
【図17】
【図18】
【公開番号】特開2009−252580(P2009−252580A)
【公開日】平成21年10月29日(2009.10.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−100186(P2008−100186)
【出願日】平成20年4月8日(2008.4.8)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年10月29日(2009.10.29)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年4月8日(2008.4.8)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
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