非水電解液電池
【課題】電池異常時の安全性を確保し高率放電時の容量低下を抑制することができる非水電解液電池を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池２０は、電池容器７に電極群６が収容されている。電極群６は、正極板と負極板とがセパレータＷ５を介して捲回されている。正極板は正極集電体のアルミニウム箔Ｗ１を有している。アルミニウム箔Ｗ１の両面には、正極活物質を含む正極合剤層Ｗ２が形成されている。正極合剤層Ｗ２の表面には、難燃化剤を含む難燃化剤層Ｗ６が形成されている。難燃化剤の正極合剤に対する割合は８ｗｔ％以下に設定されている。負極板は負極集電体の圧延銅箔Ｗ３を有している。圧延銅箔Ｗ３の両面には、負極活物質を含む負極合剤層Ｗ４が形成されている。高率放電時にリチウムイオンの移動抵抗が低減する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池２０は、電池容器７に電極群６が収容されている。電極群６は、正極板と負極板とがセパレータＷ５を介して捲回されている。正極板は正極集電体のアルミニウム箔Ｗ１を有している。アルミニウム箔Ｗ１の両面には、正極活物質を含む正極合剤層Ｗ２が形成されている。正極合剤層Ｗ２の表面には、難燃化剤を含む難燃化剤層Ｗ６が形成されている。難燃化剤の正極合剤に対する割合は８ｗｔ％以下に設定されている。負極板は負極集電体の圧延銅箔Ｗ３を有している。圧延銅箔Ｗ３の両面には、負極活物質を含む負極合剤層Ｗ４が形成されている。高率放電時にリチウムイオンの移動抵抗が低減する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非水電解液電池に係り、特に、活物質を含む正極合剤が集電体に塗着された正極板と、活物質を含む負極合剤が集電体に塗着された負極板とが多孔質セパレータを介して配置された非水電解液電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解液が水溶液系である二次電池としては、アルカリ蓄電池や鉛蓄電池等が知られている。これらの水溶液系二次電池に代わり、小型、軽量かつ高エネルギー密度であり、リチウム二次電池に代表される非水電解液電池が普及している。非水電解液電池に用いられる電解液には、ジメチルエーテル等の有機溶媒が含まれている。有機溶媒が可燃性を有するため、短絡等の電池異常時や火中投下時に電池温度が上昇した場合には、電池構成材料の燃焼や活物質の熱分解反応により電池挙動が激しくなるおそれがある。
【０００３】
このような事態を回避し電池の安全性を確保するために種々の安全化技術が提案されている。例えば、非水電解液に難燃化剤（難燃性付与物質）を溶解させて非水電解液を難燃化する技術（特許文献１参照）が開示されている。また、本出願人らは、正極板、負極板あるいはセパレータに難燃化剤層を形成させる技術（特許文献２参照）を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−１８４８７０号公報
【特許文献２】ＷＯ／２０１０／１０１１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、難燃化剤を含有させた非水電解液を難燃化させることができるものの、難燃化剤により、非水電解液電池内におけるリチウムイオンの移動抵抗が増大することが考えられる。特に、大容量非水電解液電池のように大型化するほど、難燃化剤によるリチウムイオンの移動抵抗は大きくなり、高率放電容量の低下の影響が大きく問題となる。また、特許文献２の技術では、難燃化剤層が形成された正極板、負極板あるいはセパレータ等の電池構成材料を難燃化することができるものの、リチウムイオンの移動性を考えれば、高率放電時の容量を十分に確保できるとはいえない。
【０００６】
本発明は上記事案に鑑み、電池異常時の安全性を確保し高率放電時の容量低下を抑制することができる非水電解液電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、活物質を含む正極合剤が集電体に塗着された正極板と、活物質を含む負極合剤が集電体に塗着された負極板とが多孔質セパレータを介して配置された非水電解液電池において、前記非水電解液電池の設計容量が４Ａｈ以上であり、前記正極板、負極板およびセパレータの少なくとも１種の片面または両面に難燃化剤を含む難燃化剤層が配されており、前記難燃化剤の前記正極合剤に対する割合が８質量％以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明において、難燃化剤層がリチウムイオン透過性を有することが好ましい。このとき、難燃化剤層が多孔化されていてもよい。また、難燃化剤が８０℃以下の温度環境で固体であることが好ましい。このような難燃化剤をホスファゼン化合物とすることができる。また、難燃化剤層は、難燃化剤が正極合剤に対して１質量％以上の割合で含有されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、正極板、負極板およびセパレータの少なくとも１種の片面または両面に難燃化剤を含む難燃化剤層を配したことで、電池異常で温度上昇したときに難燃化剤が分解するため、電池挙動を穏やかにし安全性を確保できると共に、難燃化剤の正極合剤に対する割合を８質量％以下とすることで、充放電時に正負極板間のリチウムイオンの移動抵抗が低減するので、設計容量が４Ａｈ以上の非水電解液電池において高率放電時の容量低下を抑制することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用した実施形態の円筒形リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図２】実施例および比較例における設計容量４Ａｈのリチウムイオン二次電池について、正極合剤に対する難燃化剤の配合割合と、高率放電時の放電容量との関係を示すグラフである。
【図３】実施例および比較例における設計容量９０Ａｈのリチウムイオン二次電池について、正極合剤に対する難燃化剤の配合割合と、高率放電時の放電容量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明を設計容量が４Ａｈの円筒形リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の円筒形リチウムイオン二次電池２０は、ニッケルメッキが施されたスチール製で有底円筒状の電池容器７を有している。電池容器７には、帯状の正負極板がセパレータを介して断面渦巻状に捲回された電極群６が収容されている。
【００１３】
電極群６の捲回中心には、ポリプロピレン樹脂製で中空円筒状の軸芯１が使用されている。電極群６の上側には、軸芯１のほぼ延長線上に正極板からの電位を集電するための円環状導体の正極集電リング４が配置されている。正極集電リング４は、軸芯１の上端部に固定されている。正極集電リング４の周囲から一体に張り出している鍔部周縁には、正極板から導出された正極リード片２の端部が超音波溶接で接合されている。正極集電リング４の上方には、安全弁を内蔵し正極外部端子となる円盤状の電池蓋１１が配置されている。正極集電リング４の上部は、導体リードを介して電池蓋１１に接続されている。
【００１４】
一方、電極群６の下側には負極板からの電位を集電するための円環状導体の負極集電リング５が配置されている。負極集電リング５の内周面には軸芯１の下端部外周面が固定されている。負極集電リング５の外周縁には、負極板から導出された負極リード片３の端部が溶接で接合されている。負極集電リング５の下部は、導体リードを介して電池容器７の内底部に接続されている。電池容器７の寸法は、本例では、外径４０ｍｍ、内径３９ｍｍに設定されている。
【００１５】
電池蓋１１は、絶縁性および耐熱性のＥＰＤＭ樹脂製ガスケット１０を介して電池容器７の上部にカシメ固定されている。このため、リチウムイオン二次電池２０の内部は密封されている。また、電池容器７には、非水電解液が注液されている。非水電解液には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）との体積比１：１：１の混合溶媒中にリチウム塩として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットル溶解したものが用いられている。なお、リチウムイオン二次電池２０は、所定電圧および電流で初充電を行うことで、電池機能が付与される。
【００１６】
電極群６は、正極板と負極板とが、これらの両極板が直接接触しないように、リチウムイオンが通過可能なポリエチレン製セパレータＷ５を介し、軸芯１の周囲に捲回されている。セパレータＷ５の厚さは、本例では、３０μｍに設定されている。正極リード片２と負極リード片３とが、それぞれ電極群６の互いに反対側の両端面に配置されている。下表１に示すように、電極群６の直径は、電池の設計容量によって異なり、正極板、負極板、セパレータＷ５の長さを調整することで調整される。本例では、電極群６の直径は３８ｍｍに設定されている。電極群６および正極集電リング４の鍔部周面全周には、電極群６と電池容器７との電気的接触を防止するために絶縁被覆が施されている。絶縁被覆には、ポリイミド製の基材の片面にヘキサメタアクリレートの粘着剤が塗布された粘着テープが用いられている。粘着テープは鍔部周面から電極群６の外周面に亘って一重以上巻かれている。電極群６の最大径部が絶縁被覆存在部となるように捲き数が調整され、該最大径が電池容器７の内径より僅かに小さく設定されている。
【００１７】
【表１】
【００１８】
電極群６を構成する正極板は、正極集電体としてアルミニウム箔Ｗ１を有している。アルミニウム箔Ｗ１の厚さは、本例では、２０μｍに設定されている。アルミニウム箔Ｗ１の両面には、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極合剤が実質的に均等かつ均質に塗着され正極合剤層Ｗ２が形成されている。すなわち、形成された正極合剤層Ｗ２の厚さがほぼ一様であり、かつ、正極合剤層Ｗ２内では正極合剤がほぼ一様に分散されている。リチウム遷移金属複合酸化物には、層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末のいずれかが用いられている。正極合剤には、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物の８５ｗｔ％に対して、導電材として鱗片状黒鉛の８ｗｔ％およびアセチレンブラックの２ｗｔ％と、バインダ（結着材）としてポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する。）の５ｗｔ％と、が配合されている。アルミニウム箔Ｗ１に正極合剤を塗着するときには、分散溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）が用いられる。アルミニウム箔Ｗ１の長寸方向一側の側縁には、幅３０ｍｍの正極合剤の無塗着部が形成されている。無塗着部は櫛状に切り欠かれており、切り欠き残部で正極リード片２が形成されている。隣り合う正極リード片２の間隔が２０ｍｍ、正極リード片２の幅が５ｍｍに設定されている。正極板は、乾燥後プレス加工され、幅８０ｍｍに裁断されている（表１参照）。
【００１９】
また、正極合剤層Ｗ２の表面、すなわち、正極板の両面には、難燃化剤を含む難燃化剤層Ｗ６が形成されている。難燃化剤層Ｗ６は、リチウムイオン透過性を有するように、造孔剤（孔形成剤）を配合することで多孔化されている。難燃化剤には、リンおよび窒素を基本骨格とするホスファゼン化合物が用いられている。難燃化剤の配合割合は、本例では、正極合剤に対して８ｗｔ％以下に設定されている。また、造孔剤には酸化アルミニウムが用いられている。酸化アルミニウムの配合割合は、難燃化剤層Ｗ６に形成する多孔の割合に合わせて調整することができる。この難燃化剤層Ｗ６は、次のようにして形成された
ものである。すなわち、ホスファゼン化合物とバインダのＰＶＤＦとを溶解させたＮＭＰ溶液に酸化アルミニウムを分散させる。得られた分散溶液を正極合剤層Ｗ２の表面に塗布し、乾燥後、プレス処理を施すことで正極板全体の厚さを調整する。
【００２０】
ホスファゼン化合物は、一般式（ＮＰＲ２）３または（ＮＰＲ２）４で表される環状化合物である。一般式中のＲは、フッ素や塩素等のハロゲン元素または一価の置換基を示している。一価の置換基としては、メトキシ基やエトキシ基等のアルコキシ基、フェノキシ基やメチルフェノキシ基等のアリールオキシ基、メチル基やエチル基等のアルキル基、フェニル基やトリル基等のアリール基、メチルアミノ基等の置換型アミノ基を含むアミノ基、メチルチオ基やエチルチオ基等のアルキルチオ基、および、フェニルチオ基等のアリールチオ基を挙げることができる。置換基の種類により固体または液体となるが、本例では、８０℃以下の温度環境で固体のホスファゼン化合物が用いられている。また、これらのホスファゼン化合物は、それぞれ所定温度で分解するものである。
【００２１】
一方、負極板は、負極集電体として圧延銅箔Ｗ３を有している。圧延銅箔Ｗ３の厚さは、本例では、１０μｍに設定されている。圧延銅箔Ｗ３の両面には、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵、放出可能な炭素材を含む負極合剤が、正極板と同様に実質的に均等かつ均質に塗着され負極合剤層Ｗ４が形成されている。負極活物質の炭素材には、本例では、非晶質炭素粉末が用いられている。負極合剤には、例えば、非晶質炭素粉末の９０ｗｔ％に対して、バインダとしてＰＶＤＦの１０ｗｔ％が配合されている。圧延銅箔Ｗ３に負極合剤を塗着するときには、分散溶媒のＮＭＰが用いられる。圧延銅箔Ｗ３の長寸方向一側の側縁には、正極板と同様に幅３０ｍｍの負極合剤の無塗着部が形成されており、負極リード片３が形成されている。隣り合う負極リード片３の間隔が２０ｍｍ、負極リード片３の幅が５ｍｍに設定されている。負極板は、乾燥後、プレス加工され、幅８６ｍｍに裁断されている（表１参照）。なお、負極板の長さは、正極板および負極板を捲回したときに、捲回最内周および最外周で捲回方向に正極板が負極板からはみ出すことがないように、正極板の長さより１２０ｍｍ長く設定されている。また、負極合剤層Ｗ４（合剤塗布部）の幅は、捲回方向と垂直方向において正極合剤層Ｗ２が負極合剤層Ｗ４からはみ出すことがないように、正極合剤層Ｗ２の幅より６ｍｍ長く設定されている。
【実施例】
【００２２】
次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオン二次電池２０の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例のリチウムイオン二次電池についても併記する。
【００２３】
（実施例１）
実施例１では、設計容量が４Ａｈのリチウムイオン二次電池２０を作製した。すなわち、難燃化剤のホスファゼン化合物（株式会社ブリヂストン製、商品名ホスライト（登録商標）、固体状、分解温度２５０℃以上）とＰＶＤＦとを溶解させたＮＭＰ溶液に酸化アルミニウムを分散させ分散溶液を調製した。この分散溶液を正極合剤層Ｗ２の表面に塗布した。このとき、分散溶液の塗布量を調整することで、正極合剤に対する難燃化剤の配合割合を調整した。下表２に示すように、実施例１では、難燃化剤の配合割合を１ｗｔ％に調整した。また、設計容量が２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池２０についても、各設計容量に対応するように電極群６の直径を調整し（表１参照）、同様の手順でそれぞれ作製した。
【００２４】
【表２】
【００２５】
（実施例２〜実施例６）
表２に示すように、実施例２〜実施例６では、難燃化剤の配合割合を変える以外は実施例１と同様にして、設計容量が４Ａｈ、２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池２０をそれぞれ作製した。すなわち、難燃化剤の配合割合は、実施例２では２ｗｔ％、実施例３では３ｗｔ％、実施例４では５ｗｔ％、実施例５では６ｗｔ％、実施例６では８ｗｔ％にそれぞれ調整した。
【００２６】
（比較例１〜比較例３）
表２に示すように、比較例１では、正極合剤層の表面に難燃化剤層を形成しない以外は実施例１と同様にして、設計容量が４Ａｈ、２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池をそれぞれ作製した。また、比較例２および比較例３では、難燃化剤を８ｗｔ％を超える配合割合としたこと以外は実施例１と同様にして、設計容量が４Ａｈ、２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池をそれぞれ作製した。すなわち、難燃化剤の配合割合を、比較例２では１０ｗｔ％、比較例３では１５ｗｔ％にそれぞれ調整した。
【００２７】
（試験１）
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池のうち、設計容量が４Ａｈおよび９０Ａｈのリチウムイオン二次電池についてそれぞれ放電試験を行い、放電容量を評価した。放電試験は、０．２ＣＡ、５ＣＡおよび１０ＣＡの放電電流で３．０Ｖまでの放電容量を測定した。正極合剤に対する難燃化剤の割合と、比較例１のリチウムイオン二次電池の放電容量を１００％としたときの、実施例１〜６および比較例２、３の放電容量比との関係を、設計容量毎に、図２および図３のグラフにそれぞれ示す。
【００２８】
図２、図３に示すように、０．２ＣＡの放電電流で放電容量を測定した場合、難燃化剤層が形成された実施例１〜６および比較例２、３では、設計容量が４Ａｈおよび９０Ａｈのいずれについても放電容量比が９０％以上を示し、固体難燃化剤量が増加しても放電容量が維持された。これは、難燃化剤層が多孔化されて形成されたことで、充放電時にリチウムイオンが正負極板間を十分に移動でき、電池性能が確保されたためと考えられる。
【００２９】
これに対して、５ＣＡの放電電流で放電容量を測定した場合、固体難燃化剤量が８ｗｔ％以下の実施例１〜６のリチウムイオン二次電池では、設計容量が４Ａｈおよび９０Ａｈのいずれについても放電容量比が８０％以上を示したが、固体難燃化剤量が８ｗｔ％を超える比較例２、３では、放電容量比が７０％以下を示した。また、１０ＣＡの放電電流で放電容量を測定した場合、固体難燃化剤量が５ｗｔ％以下の実施例１〜４のリチウムイオン二次電池では、設計容量が４Ａｈおよび９０Ａｈのいずれについても放電容量比が８５％以上を示したが、固体難燃化剤量が６ｗｔ％以上の実施例５、６のリチウムイオン二次電池では、固体難燃化剤量が増加するにつれ放電容量比が次第に減少した。さらに、固体難燃化剤量が１０ｗｔ％以上の比較例２、３のリチウムイオン二次電池では、放電容量比が２５％以下となり、大幅に減少した。このことから、固体難燃化剤量が同じ場合、放電電流が大きいほどリチウムイオンの移動抵抗が大きくなることが判った。これは、固体難燃化剤が高率放電のような速い反応に対して正負極板間のリチウムイオンの移動抵抗となるため、放電容量比が低下したものと考えられる。
【００３０】
また、リチウムイオン二次電池の設計容量の違いを考えると、設計容量４Ａｈのものと比較して設計容量９０Ａｈのものでは、放電電流を大きくするほど、容量低下の大きくなることが判った。さらに、設計容量２０Ａｈ、５０Ａｈのリチウムイオン二次電池についても同様の結果を示し、設計容量４Ａｈのものと９０Ａｈのものとの中間的な結果となることを確認している。従って、固体難燃化剤量を８ｗｔ％以下とすることで、設計容量が４Ａｈ以上の非水電解液電池において高率放電時の容量低下を抑制することが期待できる。
【００３１】
（試験２）
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池について、過充電試験を行い、電池表面の破裂・発火の有無を確認した。過充電試験では、電池中央部に熱電対を配置し、各リチウムイオン二次電池を０．５ＣＡの電流値で充電し続けた。過充電における破裂・発火の有無を下表３に示す。なお、表３において、矢印を表記した欄は、その上の欄と同じ結果であることを示す。
【００３２】
【表３】
【００３３】
表３に示すように、難燃化剤層が形成されていない比較例１の電池では、いずれの設計容量の電池においても、過充電試験により破裂・発火が認められた。これに対して、難燃化剤層が形成された実施例１〜６および比較例２、３の電池のうち、設計容量が４Ａｈの電池では、固体難燃化剤量が１ｗｔ％以上含まれれば、破裂・発火しないことが確認された。また、設計容量が２０Ａｈおよび５０Ａｈの電池では、固体難燃化剤量が２ｗｔ％以上、設計容量が９０Ａｈの電池では、固体難燃化剤量が３ｗｔ％以上含まれれば、破裂・発火しないことが確認された。この結果から、過充電試験における安全性を確保するためには、設計容量が大きい電池ほど固体難燃化剤量が多く必要になることが判明した。これは、設計容量の大きい電池ほど、充放電時にエネルギーが大きく、放熱性が悪化するためと考えられる。
【００３４】
（作用等）
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池２０の作用等について説明する。
【００３５】
本実施形態では、電極群６を構成する正極板の正極合剤層Ｗ２の表面に、難燃化剤としてホスファゼン化合物が含有された難燃化剤層Ｗ６が形成されている。このホスファゼン化合物は、電池異常時等の高温環境下の所定温度で分解する。難燃化剤層Ｗ６が正極合剤層Ｗ２の表面に形成されることで、ホスファゼン化合物が正極活物質の近傍に存在することとなる。このため、リチウムイオン二次電池２０が異常な高温環境下に曝されたときや電池異常が生じたときに、正極活物質の熱分解反応やその連鎖反応で電池温度が上昇すると、ホスファゼン化合物が分解する。これにより、電池構成材料の燃焼が抑制されるため、リチウムイオン二次電池２０の電池挙動を穏やかにし、安全性を確保することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、難燃化剤層Ｗ６に含まれる難燃化剤を正極合剤に対して８質量％以下に設定した。また、難燃化剤層Ｗ６はリチウムイオン透過性を有し、多孔化されている。このため、通常の電池使用時（充放電）時に正負極板間のリチウムイオンの移動抵抗が低減し、リチウムイオンが正負極板間を十分に移動することができる。従って、大型（設計容量が４Ａｈ以上）の非水電解液電池において、電池性能を確保することができ、高率放電時の容量低下を抑制することができる。更に、難燃化剤層Ｗ６が正極合剤層Ｗ２の表面に形成されているため、正極合剤層Ｗ２では、電極反応を生じさせる正極活物質の配合割合が確保されるので、リチウムイオン二次電池２０の容量や出力を確保することができる。
【００３７】
更に、本実施形態では、難燃化剤として８０℃以下の温度環境で固体のホスファゼン化合物が用いられている。このため、通常の電池使用時にはホスファゼン化合物が固体の状態で難燃化剤層Ｗ６として保持され、非水電解液中に溶出することがないので、リチウムイオン二次電池２０の電池性能を確保することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、設計容量が４Ａｈ、２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池２０をそれぞれ例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、設計容量が９０Ａｈを超える電池において、過充電試験における安全性を確保することを考慮すれば難燃化剤の配合割合が３ｗｔ％以上に制限されるものの、難燃化剤の配合割合を８ｗｔ％以下とすることで、高率放電時の容量低下を抑制することが期待できる。
【００３９】
また、本実施形態では、正極合剤層Ｗ２の表面、すなわち、正極板の両面に難燃化剤層Ｗ６を形成する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、負極板やセパレータＷ５に形成するようにしてもよい。すなわち、難燃化剤層Ｗ６が、正極板、負極板およびセパレータＷ５の少なくとも１つの片面または両面に形成されていればよい。更に、本実施形態では、バインダとしてＰＶＤＦを用いて難燃化剤層Ｗ６を形成させる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、難燃化剤層Ｗ６を形成可能であればいかなるバインダを用いてもよい。
【００４０】
更に、本実施形態では、難燃化剤層Ｗ６の形成時に、造孔剤として酸化アルミニウムを配合する例を示したが、本発明は、用いる造孔剤に制限されるものではない。また、本実施形態では、難燃化剤層Ｗ６が多孔化されている例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、通常の充放電時にリチウムイオンが通過可能であれば、難燃化剤層Ｗ６が多孔化されていなくてもよい。
【００４１】
また更に、本実施形態では、難燃化剤層Ｗ６に含まれる難燃化剤の正極合剤に対する割合を１ｗｔ％以上に設定する例を示した（実施例１〜実施例６）。難燃化剤の配合割合が１ｗｔ％に満たないと熱分解反応による温度上昇を抑制することが難しくなり、反対に、難燃化剤の配合割合が８ｗｔ％超えると、リチウムイオン移動抵抗が大きくなり、高率放電時の容量や出力を低下させることとなる。難燃化剤の配合割合が増加するほど、高率放電時の容量が低下することを考慮すれば、難燃化剤の配合割合を１〜８ｗｔ％の範囲とすることが好ましい。また、過充電時における安全性の確保を考慮すれば、設計容量が２０Ａｈ以上の電池では固体難燃化剤量が２ｗｔ％以上、設計容量が９０Ａｈ以上の電池では固体難燃化剤量が３ｗｔ％以上含まれることが好ましい。
【００４２】
更にまた、本実施形態では、難燃化剤としてホスファゼン化合物を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、所定温度で分解し活物質の熱分解反応やその連鎖反応による温度上昇を抑制することができるものであればよい。また、ホスファゼン化合物についても本実施形態で例示した化合物以外の化合物を用いることも可能である。
【００４３】
また、本実施形態では、設計容量が４Ａｈの円筒形リチウムイオン二次電池２０を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電池容量が４Ａｈを超える大型のリチウムイオン二次電池に適用することができる。また、本実施形態では、正極板、負極板を捲回した電極群６を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、矩形状の正極板、負極板を積層した電極群としてもよい。更に、電池形状についても、円筒形以外に角型等としてもよいことはもちろんである。また、正極活物質や負極活物質の種類、非水電解液の組成等についても特に制限されるものではない。
【００４４】
更に、本実施形態では、有底円筒状の電池容器７を用いたリチウムイオン二次電池２０を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、無底円筒状の電池容器を用いてもよい。電池容器に無底円筒状のものを用いた場合、２つの開口を２つの蓋体で封止すればよい。このとき、２つの蓋体の中心に穴を形成し、正極外部端子および負極外部端子を構成する２本の極柱をそれぞれ２つの蓋体の穴に嵌め込み軸芯に挿入してもよい。
【００４５】
また更に、本実施形態では、正極活物質に、層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末のいずれかを用いる例を示したが、本発明で用いることのできる正極活物質としてはリチウム遷移金属複合酸化物であればよい。また、本発明はリチウムイオン二次電池に制限されるものではなく、非水電解液を用いた非水電解液電池に適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は電池異常時の安全性を確保し高率放電時の容量低下を抑制することができる非水電解液電池を提供するため、非水電解液電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００４７】
Ｗ１ アルミニウム箔（集電体）
Ｗ２ 正極合剤層
Ｗ３ 圧延銅箔（集電体）
Ｗ４ 負極合剤層
Ｗ５ セパレータ
Ｗ６ 難燃化剤層
６ 電極群
２０ 円筒形リチウムイオン二次電池（非水電解液電池）
【技術分野】
【０００１】
本発明は非水電解液電池に係り、特に、活物質を含む正極合剤が集電体に塗着された正極板と、活物質を含む負極合剤が集電体に塗着された負極板とが多孔質セパレータを介して配置された非水電解液電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解液が水溶液系である二次電池としては、アルカリ蓄電池や鉛蓄電池等が知られている。これらの水溶液系二次電池に代わり、小型、軽量かつ高エネルギー密度であり、リチウム二次電池に代表される非水電解液電池が普及している。非水電解液電池に用いられる電解液には、ジメチルエーテル等の有機溶媒が含まれている。有機溶媒が可燃性を有するため、短絡等の電池異常時や火中投下時に電池温度が上昇した場合には、電池構成材料の燃焼や活物質の熱分解反応により電池挙動が激しくなるおそれがある。
【０００３】
このような事態を回避し電池の安全性を確保するために種々の安全化技術が提案されている。例えば、非水電解液に難燃化剤（難燃性付与物質）を溶解させて非水電解液を難燃化する技術（特許文献１参照）が開示されている。また、本出願人らは、正極板、負極板あるいはセパレータに難燃化剤層を形成させる技術（特許文献２参照）を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−１８４８７０号公報
【特許文献２】ＷＯ／２０１０／１０１１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、難燃化剤を含有させた非水電解液を難燃化させることができるものの、難燃化剤により、非水電解液電池内におけるリチウムイオンの移動抵抗が増大することが考えられる。特に、大容量非水電解液電池のように大型化するほど、難燃化剤によるリチウムイオンの移動抵抗は大きくなり、高率放電容量の低下の影響が大きく問題となる。また、特許文献２の技術では、難燃化剤層が形成された正極板、負極板あるいはセパレータ等の電池構成材料を難燃化することができるものの、リチウムイオンの移動性を考えれば、高率放電時の容量を十分に確保できるとはいえない。
【０００６】
本発明は上記事案に鑑み、電池異常時の安全性を確保し高率放電時の容量低下を抑制することができる非水電解液電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、活物質を含む正極合剤が集電体に塗着された正極板と、活物質を含む負極合剤が集電体に塗着された負極板とが多孔質セパレータを介して配置された非水電解液電池において、前記非水電解液電池の設計容量が４Ａｈ以上であり、前記正極板、負極板およびセパレータの少なくとも１種の片面または両面に難燃化剤を含む難燃化剤層が配されており、前記難燃化剤の前記正極合剤に対する割合が８質量％以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明において、難燃化剤層がリチウムイオン透過性を有することが好ましい。このとき、難燃化剤層が多孔化されていてもよい。また、難燃化剤が８０℃以下の温度環境で固体であることが好ましい。このような難燃化剤をホスファゼン化合物とすることができる。また、難燃化剤層は、難燃化剤が正極合剤に対して１質量％以上の割合で含有されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、正極板、負極板およびセパレータの少なくとも１種の片面または両面に難燃化剤を含む難燃化剤層を配したことで、電池異常で温度上昇したときに難燃化剤が分解するため、電池挙動を穏やかにし安全性を確保できると共に、難燃化剤の正極合剤に対する割合を８質量％以下とすることで、充放電時に正負極板間のリチウムイオンの移動抵抗が低減するので、設計容量が４Ａｈ以上の非水電解液電池において高率放電時の容量低下を抑制することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用した実施形態の円筒形リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図２】実施例および比較例における設計容量４Ａｈのリチウムイオン二次電池について、正極合剤に対する難燃化剤の配合割合と、高率放電時の放電容量との関係を示すグラフである。
【図３】実施例および比較例における設計容量９０Ａｈのリチウムイオン二次電池について、正極合剤に対する難燃化剤の配合割合と、高率放電時の放電容量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明を設計容量が４Ａｈの円筒形リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の円筒形リチウムイオン二次電池２０は、ニッケルメッキが施されたスチール製で有底円筒状の電池容器７を有している。電池容器７には、帯状の正負極板がセパレータを介して断面渦巻状に捲回された電極群６が収容されている。
【００１３】
電極群６の捲回中心には、ポリプロピレン樹脂製で中空円筒状の軸芯１が使用されている。電極群６の上側には、軸芯１のほぼ延長線上に正極板からの電位を集電するための円環状導体の正極集電リング４が配置されている。正極集電リング４は、軸芯１の上端部に固定されている。正極集電リング４の周囲から一体に張り出している鍔部周縁には、正極板から導出された正極リード片２の端部が超音波溶接で接合されている。正極集電リング４の上方には、安全弁を内蔵し正極外部端子となる円盤状の電池蓋１１が配置されている。正極集電リング４の上部は、導体リードを介して電池蓋１１に接続されている。
【００１４】
一方、電極群６の下側には負極板からの電位を集電するための円環状導体の負極集電リング５が配置されている。負極集電リング５の内周面には軸芯１の下端部外周面が固定されている。負極集電リング５の外周縁には、負極板から導出された負極リード片３の端部が溶接で接合されている。負極集電リング５の下部は、導体リードを介して電池容器７の内底部に接続されている。電池容器７の寸法は、本例では、外径４０ｍｍ、内径３９ｍｍに設定されている。
【００１５】
電池蓋１１は、絶縁性および耐熱性のＥＰＤＭ樹脂製ガスケット１０を介して電池容器７の上部にカシメ固定されている。このため、リチウムイオン二次電池２０の内部は密封されている。また、電池容器７には、非水電解液が注液されている。非水電解液には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）との体積比１：１：１の混合溶媒中にリチウム塩として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットル溶解したものが用いられている。なお、リチウムイオン二次電池２０は、所定電圧および電流で初充電を行うことで、電池機能が付与される。
【００１６】
電極群６は、正極板と負極板とが、これらの両極板が直接接触しないように、リチウムイオンが通過可能なポリエチレン製セパレータＷ５を介し、軸芯１の周囲に捲回されている。セパレータＷ５の厚さは、本例では、３０μｍに設定されている。正極リード片２と負極リード片３とが、それぞれ電極群６の互いに反対側の両端面に配置されている。下表１に示すように、電極群６の直径は、電池の設計容量によって異なり、正極板、負極板、セパレータＷ５の長さを調整することで調整される。本例では、電極群６の直径は３８ｍｍに設定されている。電極群６および正極集電リング４の鍔部周面全周には、電極群６と電池容器７との電気的接触を防止するために絶縁被覆が施されている。絶縁被覆には、ポリイミド製の基材の片面にヘキサメタアクリレートの粘着剤が塗布された粘着テープが用いられている。粘着テープは鍔部周面から電極群６の外周面に亘って一重以上巻かれている。電極群６の最大径部が絶縁被覆存在部となるように捲き数が調整され、該最大径が電池容器７の内径より僅かに小さく設定されている。
【００１７】
【表１】
【００１８】
電極群６を構成する正極板は、正極集電体としてアルミニウム箔Ｗ１を有している。アルミニウム箔Ｗ１の厚さは、本例では、２０μｍに設定されている。アルミニウム箔Ｗ１の両面には、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極合剤が実質的に均等かつ均質に塗着され正極合剤層Ｗ２が形成されている。すなわち、形成された正極合剤層Ｗ２の厚さがほぼ一様であり、かつ、正極合剤層Ｗ２内では正極合剤がほぼ一様に分散されている。リチウム遷移金属複合酸化物には、層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末のいずれかが用いられている。正極合剤には、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物の８５ｗｔ％に対して、導電材として鱗片状黒鉛の８ｗｔ％およびアセチレンブラックの２ｗｔ％と、バインダ（結着材）としてポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する。）の５ｗｔ％と、が配合されている。アルミニウム箔Ｗ１に正極合剤を塗着するときには、分散溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）が用いられる。アルミニウム箔Ｗ１の長寸方向一側の側縁には、幅３０ｍｍの正極合剤の無塗着部が形成されている。無塗着部は櫛状に切り欠かれており、切り欠き残部で正極リード片２が形成されている。隣り合う正極リード片２の間隔が２０ｍｍ、正極リード片２の幅が５ｍｍに設定されている。正極板は、乾燥後プレス加工され、幅８０ｍｍに裁断されている（表１参照）。
【００１９】
また、正極合剤層Ｗ２の表面、すなわち、正極板の両面には、難燃化剤を含む難燃化剤層Ｗ６が形成されている。難燃化剤層Ｗ６は、リチウムイオン透過性を有するように、造孔剤（孔形成剤）を配合することで多孔化されている。難燃化剤には、リンおよび窒素を基本骨格とするホスファゼン化合物が用いられている。難燃化剤の配合割合は、本例では、正極合剤に対して８ｗｔ％以下に設定されている。また、造孔剤には酸化アルミニウムが用いられている。酸化アルミニウムの配合割合は、難燃化剤層Ｗ６に形成する多孔の割合に合わせて調整することができる。この難燃化剤層Ｗ６は、次のようにして形成された
ものである。すなわち、ホスファゼン化合物とバインダのＰＶＤＦとを溶解させたＮＭＰ溶液に酸化アルミニウムを分散させる。得られた分散溶液を正極合剤層Ｗ２の表面に塗布し、乾燥後、プレス処理を施すことで正極板全体の厚さを調整する。
【００２０】
ホスファゼン化合物は、一般式（ＮＰＲ２）３または（ＮＰＲ２）４で表される環状化合物である。一般式中のＲは、フッ素や塩素等のハロゲン元素または一価の置換基を示している。一価の置換基としては、メトキシ基やエトキシ基等のアルコキシ基、フェノキシ基やメチルフェノキシ基等のアリールオキシ基、メチル基やエチル基等のアルキル基、フェニル基やトリル基等のアリール基、メチルアミノ基等の置換型アミノ基を含むアミノ基、メチルチオ基やエチルチオ基等のアルキルチオ基、および、フェニルチオ基等のアリールチオ基を挙げることができる。置換基の種類により固体または液体となるが、本例では、８０℃以下の温度環境で固体のホスファゼン化合物が用いられている。また、これらのホスファゼン化合物は、それぞれ所定温度で分解するものである。
【００２１】
一方、負極板は、負極集電体として圧延銅箔Ｗ３を有している。圧延銅箔Ｗ３の厚さは、本例では、１０μｍに設定されている。圧延銅箔Ｗ３の両面には、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵、放出可能な炭素材を含む負極合剤が、正極板と同様に実質的に均等かつ均質に塗着され負極合剤層Ｗ４が形成されている。負極活物質の炭素材には、本例では、非晶質炭素粉末が用いられている。負極合剤には、例えば、非晶質炭素粉末の９０ｗｔ％に対して、バインダとしてＰＶＤＦの１０ｗｔ％が配合されている。圧延銅箔Ｗ３に負極合剤を塗着するときには、分散溶媒のＮＭＰが用いられる。圧延銅箔Ｗ３の長寸方向一側の側縁には、正極板と同様に幅３０ｍｍの負極合剤の無塗着部が形成されており、負極リード片３が形成されている。隣り合う負極リード片３の間隔が２０ｍｍ、負極リード片３の幅が５ｍｍに設定されている。負極板は、乾燥後、プレス加工され、幅８６ｍｍに裁断されている（表１参照）。なお、負極板の長さは、正極板および負極板を捲回したときに、捲回最内周および最外周で捲回方向に正極板が負極板からはみ出すことがないように、正極板の長さより１２０ｍｍ長く設定されている。また、負極合剤層Ｗ４（合剤塗布部）の幅は、捲回方向と垂直方向において正極合剤層Ｗ２が負極合剤層Ｗ４からはみ出すことがないように、正極合剤層Ｗ２の幅より６ｍｍ長く設定されている。
【実施例】
【００２２】
次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオン二次電池２０の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例のリチウムイオン二次電池についても併記する。
【００２３】
（実施例１）
実施例１では、設計容量が４Ａｈのリチウムイオン二次電池２０を作製した。すなわち、難燃化剤のホスファゼン化合物（株式会社ブリヂストン製、商品名ホスライト（登録商標）、固体状、分解温度２５０℃以上）とＰＶＤＦとを溶解させたＮＭＰ溶液に酸化アルミニウムを分散させ分散溶液を調製した。この分散溶液を正極合剤層Ｗ２の表面に塗布した。このとき、分散溶液の塗布量を調整することで、正極合剤に対する難燃化剤の配合割合を調整した。下表２に示すように、実施例１では、難燃化剤の配合割合を１ｗｔ％に調整した。また、設計容量が２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池２０についても、各設計容量に対応するように電極群６の直径を調整し（表１参照）、同様の手順でそれぞれ作製した。
【００２４】
【表２】
【００２５】
（実施例２〜実施例６）
表２に示すように、実施例２〜実施例６では、難燃化剤の配合割合を変える以外は実施例１と同様にして、設計容量が４Ａｈ、２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池２０をそれぞれ作製した。すなわち、難燃化剤の配合割合は、実施例２では２ｗｔ％、実施例３では３ｗｔ％、実施例４では５ｗｔ％、実施例５では６ｗｔ％、実施例６では８ｗｔ％にそれぞれ調整した。
【００２６】
（比較例１〜比較例３）
表２に示すように、比較例１では、正極合剤層の表面に難燃化剤層を形成しない以外は実施例１と同様にして、設計容量が４Ａｈ、２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池をそれぞれ作製した。また、比較例２および比較例３では、難燃化剤を８ｗｔ％を超える配合割合としたこと以外は実施例１と同様にして、設計容量が４Ａｈ、２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池をそれぞれ作製した。すなわち、難燃化剤の配合割合を、比較例２では１０ｗｔ％、比較例３では１５ｗｔ％にそれぞれ調整した。
【００２７】
（試験１）
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池のうち、設計容量が４Ａｈおよび９０Ａｈのリチウムイオン二次電池についてそれぞれ放電試験を行い、放電容量を評価した。放電試験は、０．２ＣＡ、５ＣＡおよび１０ＣＡの放電電流で３．０Ｖまでの放電容量を測定した。正極合剤に対する難燃化剤の割合と、比較例１のリチウムイオン二次電池の放電容量を１００％としたときの、実施例１〜６および比較例２、３の放電容量比との関係を、設計容量毎に、図２および図３のグラフにそれぞれ示す。
【００２８】
図２、図３に示すように、０．２ＣＡの放電電流で放電容量を測定した場合、難燃化剤層が形成された実施例１〜６および比較例２、３では、設計容量が４Ａｈおよび９０Ａｈのいずれについても放電容量比が９０％以上を示し、固体難燃化剤量が増加しても放電容量が維持された。これは、難燃化剤層が多孔化されて形成されたことで、充放電時にリチウムイオンが正負極板間を十分に移動でき、電池性能が確保されたためと考えられる。
【００２９】
これに対して、５ＣＡの放電電流で放電容量を測定した場合、固体難燃化剤量が８ｗｔ％以下の実施例１〜６のリチウムイオン二次電池では、設計容量が４Ａｈおよび９０Ａｈのいずれについても放電容量比が８０％以上を示したが、固体難燃化剤量が８ｗｔ％を超える比較例２、３では、放電容量比が７０％以下を示した。また、１０ＣＡの放電電流で放電容量を測定した場合、固体難燃化剤量が５ｗｔ％以下の実施例１〜４のリチウムイオン二次電池では、設計容量が４Ａｈおよび９０Ａｈのいずれについても放電容量比が８５％以上を示したが、固体難燃化剤量が６ｗｔ％以上の実施例５、６のリチウムイオン二次電池では、固体難燃化剤量が増加するにつれ放電容量比が次第に減少した。さらに、固体難燃化剤量が１０ｗｔ％以上の比較例２、３のリチウムイオン二次電池では、放電容量比が２５％以下となり、大幅に減少した。このことから、固体難燃化剤量が同じ場合、放電電流が大きいほどリチウムイオンの移動抵抗が大きくなることが判った。これは、固体難燃化剤が高率放電のような速い反応に対して正負極板間のリチウムイオンの移動抵抗となるため、放電容量比が低下したものと考えられる。
【００３０】
また、リチウムイオン二次電池の設計容量の違いを考えると、設計容量４Ａｈのものと比較して設計容量９０Ａｈのものでは、放電電流を大きくするほど、容量低下の大きくなることが判った。さらに、設計容量２０Ａｈ、５０Ａｈのリチウムイオン二次電池についても同様の結果を示し、設計容量４Ａｈのものと９０Ａｈのものとの中間的な結果となることを確認している。従って、固体難燃化剤量を８ｗｔ％以下とすることで、設計容量が４Ａｈ以上の非水電解液電池において高率放電時の容量低下を抑制することが期待できる。
【００３１】
（試験２）
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池について、過充電試験を行い、電池表面の破裂・発火の有無を確認した。過充電試験では、電池中央部に熱電対を配置し、各リチウムイオン二次電池を０．５ＣＡの電流値で充電し続けた。過充電における破裂・発火の有無を下表３に示す。なお、表３において、矢印を表記した欄は、その上の欄と同じ結果であることを示す。
【００３２】
【表３】
【００３３】
表３に示すように、難燃化剤層が形成されていない比較例１の電池では、いずれの設計容量の電池においても、過充電試験により破裂・発火が認められた。これに対して、難燃化剤層が形成された実施例１〜６および比較例２、３の電池のうち、設計容量が４Ａｈの電池では、固体難燃化剤量が１ｗｔ％以上含まれれば、破裂・発火しないことが確認された。また、設計容量が２０Ａｈおよび５０Ａｈの電池では、固体難燃化剤量が２ｗｔ％以上、設計容量が９０Ａｈの電池では、固体難燃化剤量が３ｗｔ％以上含まれれば、破裂・発火しないことが確認された。この結果から、過充電試験における安全性を確保するためには、設計容量が大きい電池ほど固体難燃化剤量が多く必要になることが判明した。これは、設計容量の大きい電池ほど、充放電時にエネルギーが大きく、放熱性が悪化するためと考えられる。
【００３４】
（作用等）
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池２０の作用等について説明する。
【００３５】
本実施形態では、電極群６を構成する正極板の正極合剤層Ｗ２の表面に、難燃化剤としてホスファゼン化合物が含有された難燃化剤層Ｗ６が形成されている。このホスファゼン化合物は、電池異常時等の高温環境下の所定温度で分解する。難燃化剤層Ｗ６が正極合剤層Ｗ２の表面に形成されることで、ホスファゼン化合物が正極活物質の近傍に存在することとなる。このため、リチウムイオン二次電池２０が異常な高温環境下に曝されたときや電池異常が生じたときに、正極活物質の熱分解反応やその連鎖反応で電池温度が上昇すると、ホスファゼン化合物が分解する。これにより、電池構成材料の燃焼が抑制されるため、リチウムイオン二次電池２０の電池挙動を穏やかにし、安全性を確保することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、難燃化剤層Ｗ６に含まれる難燃化剤を正極合剤に対して８質量％以下に設定した。また、難燃化剤層Ｗ６はリチウムイオン透過性を有し、多孔化されている。このため、通常の電池使用時（充放電）時に正負極板間のリチウムイオンの移動抵抗が低減し、リチウムイオンが正負極板間を十分に移動することができる。従って、大型（設計容量が４Ａｈ以上）の非水電解液電池において、電池性能を確保することができ、高率放電時の容量低下を抑制することができる。更に、難燃化剤層Ｗ６が正極合剤層Ｗ２の表面に形成されているため、正極合剤層Ｗ２では、電極反応を生じさせる正極活物質の配合割合が確保されるので、リチウムイオン二次電池２０の容量や出力を確保することができる。
【００３７】
更に、本実施形態では、難燃化剤として８０℃以下の温度環境で固体のホスファゼン化合物が用いられている。このため、通常の電池使用時にはホスファゼン化合物が固体の状態で難燃化剤層Ｗ６として保持され、非水電解液中に溶出することがないので、リチウムイオン二次電池２０の電池性能を確保することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、設計容量が４Ａｈ、２０Ａｈ、５０Ａｈ、９０Ａｈのリチウムイオン二次電池２０をそれぞれ例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、設計容量が９０Ａｈを超える電池において、過充電試験における安全性を確保することを考慮すれば難燃化剤の配合割合が３ｗｔ％以上に制限されるものの、難燃化剤の配合割合を８ｗｔ％以下とすることで、高率放電時の容量低下を抑制することが期待できる。
【００３９】
また、本実施形態では、正極合剤層Ｗ２の表面、すなわち、正極板の両面に難燃化剤層Ｗ６を形成する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、負極板やセパレータＷ５に形成するようにしてもよい。すなわち、難燃化剤層Ｗ６が、正極板、負極板およびセパレータＷ５の少なくとも１つの片面または両面に形成されていればよい。更に、本実施形態では、バインダとしてＰＶＤＦを用いて難燃化剤層Ｗ６を形成させる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、難燃化剤層Ｗ６を形成可能であればいかなるバインダを用いてもよい。
【００４０】
更に、本実施形態では、難燃化剤層Ｗ６の形成時に、造孔剤として酸化アルミニウムを配合する例を示したが、本発明は、用いる造孔剤に制限されるものではない。また、本実施形態では、難燃化剤層Ｗ６が多孔化されている例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、通常の充放電時にリチウムイオンが通過可能であれば、難燃化剤層Ｗ６が多孔化されていなくてもよい。
【００４１】
また更に、本実施形態では、難燃化剤層Ｗ６に含まれる難燃化剤の正極合剤に対する割合を１ｗｔ％以上に設定する例を示した（実施例１〜実施例６）。難燃化剤の配合割合が１ｗｔ％に満たないと熱分解反応による温度上昇を抑制することが難しくなり、反対に、難燃化剤の配合割合が８ｗｔ％超えると、リチウムイオン移動抵抗が大きくなり、高率放電時の容量や出力を低下させることとなる。難燃化剤の配合割合が増加するほど、高率放電時の容量が低下することを考慮すれば、難燃化剤の配合割合を１〜８ｗｔ％の範囲とすることが好ましい。また、過充電時における安全性の確保を考慮すれば、設計容量が２０Ａｈ以上の電池では固体難燃化剤量が２ｗｔ％以上、設計容量が９０Ａｈ以上の電池では固体難燃化剤量が３ｗｔ％以上含まれることが好ましい。
【００４２】
更にまた、本実施形態では、難燃化剤としてホスファゼン化合物を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、所定温度で分解し活物質の熱分解反応やその連鎖反応による温度上昇を抑制することができるものであればよい。また、ホスファゼン化合物についても本実施形態で例示した化合物以外の化合物を用いることも可能である。
【００４３】
また、本実施形態では、設計容量が４Ａｈの円筒形リチウムイオン二次電池２０を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電池容量が４Ａｈを超える大型のリチウムイオン二次電池に適用することができる。また、本実施形態では、正極板、負極板を捲回した電極群６を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、矩形状の正極板、負極板を積層した電極群としてもよい。更に、電池形状についても、円筒形以外に角型等としてもよいことはもちろんである。また、正極活物質や負極活物質の種類、非水電解液の組成等についても特に制限されるものではない。
【００４４】
更に、本実施形態では、有底円筒状の電池容器７を用いたリチウムイオン二次電池２０を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、無底円筒状の電池容器を用いてもよい。電池容器に無底円筒状のものを用いた場合、２つの開口を２つの蓋体で封止すればよい。このとき、２つの蓋体の中心に穴を形成し、正極外部端子および負極外部端子を構成する２本の極柱をそれぞれ２つの蓋体の穴に嵌め込み軸芯に挿入してもよい。
【００４５】
また更に、本実施形態では、正極活物質に、層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末のいずれかを用いる例を示したが、本発明で用いることのできる正極活物質としてはリチウム遷移金属複合酸化物であればよい。また、本発明はリチウムイオン二次電池に制限されるものではなく、非水電解液を用いた非水電解液電池に適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は電池異常時の安全性を確保し高率放電時の容量低下を抑制することができる非水電解液電池を提供するため、非水電解液電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００４７】
Ｗ１ アルミニウム箔（集電体）
Ｗ２ 正極合剤層
Ｗ３ 圧延銅箔（集電体）
Ｗ４ 負極合剤層
Ｗ５ セパレータ
Ｗ６ 難燃化剤層
６ 電極群
２０ 円筒形リチウムイオン二次電池（非水電解液電池）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活物質を含む正極合剤が集電体に塗着された正極板と、活物質を含む負極合剤が集電体に塗着された負極板とが多孔質セパレータを介して配置された非水電解液電池において、前記非水電解液電池の設計容量が４Ａｈ以上であり、前記正極板、負極板およびセパレータの少なくとも１種の片面または両面に難燃化剤を含む難燃化剤層が配されており、前記難燃化剤の前記正極合剤に対する割合が８質量％以下であることを特徴とする非水電解液電池。
【請求項２】
前記難燃化剤層はリチウムイオン透過性を有することを特徴とする請求項１に記載の非水電解液電池。
【請求項３】
前記難燃化剤層は多孔化されていることを特徴とする請求項２に記載の非水電解液電池。
【請求項４】
前記難燃化剤は８０℃以下の温度環境で固体であることを特徴とする請求項１に記載の非水電解液電池。
【請求項５】
前記難燃化剤はホスファゼン化合物であることを特徴とする請求項４に記載の非水電解液電池。
【請求項６】
前記難燃化剤層は、前記難燃化剤が前記正極合剤に対して１質量％以上の割合で含有されたことを特徴とする請求項１に記載の非水電解液電池。
【請求項１】
活物質を含む正極合剤が集電体に塗着された正極板と、活物質を含む負極合剤が集電体に塗着された負極板とが多孔質セパレータを介して配置された非水電解液電池において、前記非水電解液電池の設計容量が４Ａｈ以上であり、前記正極板、負極板およびセパレータの少なくとも１種の片面または両面に難燃化剤を含む難燃化剤層が配されており、前記難燃化剤の前記正極合剤に対する割合が８質量％以下であることを特徴とする非水電解液電池。
【請求項２】
前記難燃化剤層はリチウムイオン透過性を有することを特徴とする請求項１に記載の非水電解液電池。
【請求項３】
前記難燃化剤層は多孔化されていることを特徴とする請求項２に記載の非水電解液電池。
【請求項４】
前記難燃化剤は８０℃以下の温度環境で固体であることを特徴とする請求項１に記載の非水電解液電池。
【請求項５】
前記難燃化剤はホスファゼン化合物であることを特徴とする請求項４に記載の非水電解液電池。
【請求項６】
前記難燃化剤層は、前記難燃化剤が前記正極合剤に対して１質量％以上の割合で含有されたことを特徴とする請求項１に記載の非水電解液電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−５４８９１（Ｐ２０１３−５４８９１Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９２０３８（Ｐ２０１１−１９２０３８）
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【出願人】（５９３０６３１６１）株式会社ＮＴＴファシリティーズ (475)
【出願人】（０００００１２０３）新神戸電機株式会社 (518)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【出願人】（５９３０６３１６１）株式会社ＮＴＴファシリティーズ (475)
【出願人】（０００００１２０３）新神戸電機株式会社 (518)
【Ｆターム（参考）】
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