特許第6413752号(P6413752)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6413752
(24)【登録日】2018年10月12日
(45)【発行日】2018年10月31日
(54)【発明の名称】蓄電装置
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/0525 20100101AFI20181022BHJP
   H01M 10/0585 20100101ALI20181022BHJP
   H01M 4/133 20100101ALI20181022BHJP
   H01M 4/62 20060101ALI20181022BHJP
   H01G 11/26 20130101ALI20181022BHJP
   H01G 11/30 20130101ALI20181022BHJP
【FI】
   H01M10/0525
   H01M10/0585
   H01M4/133
   H01M4/62 Z
   H01G11/26
   H01G11/30
【請求項の数】2
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2014-258960(P2014-258960)
(22)【出願日】2014年12月22日
(65)【公開番号】特開2016-119246(P2016-119246A)
(43)【公開日】2016年6月30日
【審査請求日】2017年9月11日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003218
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】河野 聡
(72)【発明者】
【氏名】秋山 泰有
【審査官】 松嶋 秀忠
(56)【参考文献】
【文献】 特開2008−016381(JP,A)
【文献】 特開平09−237623(JP,A)
【文献】 特開2008−282613(JP,A)
【文献】 特開2014−093145(JP,A)
【文献】 特開2013−065409(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/052−0587
H01M 4/13−62
H01G 11/22−50
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極電極と負極電極とが相互に絶縁された状態で層状に重なっている電極組立体と、
前記電極組立体を収容しているケースと、
前記ケースの外部に突出し、且つ前記電極組立体と電気的に接続されている電極端子と、を備え、
前記正極電極は、金属箔と、該金属箔の少なくとも一部を覆っている正極活物質層とを有し、前記正極活物質層には正極活物質とN−メチル−2−ピロリドンとを含んでおり、
前記負極電極は、金属箔と、該金属箔の少なくとも一部を覆っている負極活物質層とを有しており、前記負極活物質層には負極活物質としての黒鉛を含んでおり、
前記負極電極は、前記負極活物質層の表面の少なくとも一部を覆い、且つ、N−メチル−2−ピロリドンを含む絶縁性の耐熱層を有し、
前記正極電極の前記正極活物質層におけるN−メチル−2−ピロリドンの含有量C1と、前記負極電極の前記負極活物質層及び前記耐熱層におけるN−メチル−2−ピロリドンの含有量C2との比(C1/C2)が1以上であり、且つ、前記正極活物質の粒径D1と前記負極活物質の粒径D2との比(D1/D2)が0.15以上0.40以下である蓄電装置。
【請求項2】
前記蓄電装置はリチウムイオン二次電池である請求項1に記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、蓄電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、EV(Electric Vehicle)やPHV(Plug in Hybrid Vehicle)などの車両には、電動機などへの供給電力を蓄える蓄電装置として、例えばリチウムイオン二次電池などが搭載されている。このような蓄電装置は、例えば特許文献1に記載されているように、正極活物質層を有する正極電極と、負極活物質層を有する負極電極とを備えている。そして、特許文献1では、粒径や比表面積を規定することにより、電極製造時における取り扱いが容易なリチウムチタン複合酸化物を提供しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2013−95647号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、蓄電装置の容量は、正極活物質及び負極活物質の物性のバランスを調節することによっても確保できると考えられ、充放電の繰り返しに伴う容量の低下を抑制することが期待されている。
【0005】
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、容量が低下することを抑制できる蓄電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決する蓄電装置は、正極電極と負極電極とが相互に絶縁された状態で層状に重なっている電極組立体と、前記電極組立体を収容しているケースと、前記ケースの外部に突出し、且つ前記電極組立体と電気的に接続されている電極端子と、を備え、前記正極電極は、金属箔と、該金属箔の少なくとも一部を覆っている正極活物質層とを有し、前記正極活物質層には正極活物質を含んでおり、前記負極電極は、金属箔と、該金属箔の少なくとも一部を覆っている負極活物質層とを有しており、前記負極活物質層には負極活物質を含んでおり、前記正極活物質の粒径D1と前記負極活物質の粒径D2との比(D1/D2)が0.15以上0.40以下であることを要旨とする。
【0007】
この構成によれば、正極活物質の粒径D1と負極活物質の粒径D2との比を0.15以上とすることで、正極活物質の粒子内におけるリチウムの移動距離を、負極活物質の粒子内におけるリチウムの移動距離と比較して小さく抑えることができる。このため、負極電極における電圧降下量と正極電極における電圧降下量とから、金属リチウム基準で負極電位が0Vを下回らないときの電極間の電位差を大きくできる。また、正極活物質の粒径D1と負極活物質の粒径D2との比を0.40以下とすることで、反応場を正極電極に偏らせ、正極電極における抵抗の増加量を、負極電極における抵抗の増加量より大きくできる。このため、蓄電装置の製造後においても、金属リチウム基準で負極電位が0Vを下回らないときの電位差が、充放電に伴って小さくなることを抑制できる。したがって、容量が低下することを抑制できる。
【0008】
上記蓄電装置において、前記正極電極におけるN−メチル−2−ピロリドンの含有量C1と、前記負極電極におけるN−メチル−2−ピロリドンの含有量C2との比(C1/C2)が1以上であることが好ましい。
【0009】
この構成によれば、反応場が正極電極に偏るため、正極電極における抵抗の増加量が負極電極における抵抗の増加量よりも大きくなり、蓄電装置の製造後においても、金属リチウム基準で負極電位が0Vを下回らないときの電位差が、充放電に伴って小さくなることをより抑制できる。
【0010】
上記蓄電装置において、前記蓄電装置はリチウムイオン二次電池であることが好ましい。この構成によれば、リチウムイオン二次電池として、製造時や製造後において、容量が低下することを向上できる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、容量が低下することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】蓄電装置の分解斜視図。
図2】電極組立体の分解斜視図。
図3】金属リチウム基準での電極電位の変化を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本実施形態の蓄電装置について説明する。
図1に示すように、本実施形態の蓄電装置10は、リチウムイオン二次電池であるが、例えばリチウムイオンキャパシタなどであってもよい。また、蓄電装置10は、乗用車や産業用車などの車載用であってもよく、定置用であってもよい。
【0014】
蓄電装置10は、ケース11と、該ケース11に収容されている電極組立体12と、を備えている。ケース11は、開口部14を有する有底筒状のケース本体13と、開口部14を塞ぐ板状の蓋15と、を有する。ケース本体13及び蓋15は、例えばステンレスやアルミニウムなどの金属製である。また、ケース11には、図示しない電解質として、電解液が収容されている。
【0015】
図2に示すように、電極組立体12は、正極電極16と負極電極17とを有しているとともに、電極組立体12では、正極電極16と負極電極17とが相互に絶縁された状態で層状に重なっている。即ち、電極組立体12は、正極電極16と負極電極17とが交互に積層された積層構造を有している。なお、電極組立体12は、帯状の正極電極16と帯状の負極電極17とが相互に絶縁された状態で捲回されていてもよい。
【0016】
また、電極組立体12は、正極電極16と負極電極17との間に介在し、正極電極16と負極電極17とを相互に絶縁している多孔質のセパレータ18を備えている。セパレータ18は、例えばポリプロピレンやポリエチレンなどの樹脂材料製であり、充放電に伴ってリチウム(リチウムイオン)が通過可能となるように微細な空孔構造を有している。
【0017】
正極電極16は、正極金属箔16aと、正極金属箔16aの少なくとも一部を覆っている正極活物質層16bと、縁部から正極金属箔16aの面方向に突出する正極集電タブ16cと、を有する。正極金属箔16aは、例えばアルミニウム箔やアルミニウム合金箔などである。正極活物質層16bは、正極用の活物質(以下、正極活物質という)、バインダ、及び必要な場合に導電助剤を含んでいる。正極活物質は、例えばLiCoO、LiNiO、LiMnO、LiFePO、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3、及びLiNi0.5Co0.2Mn0.3などである。また、正極活物質は、好ましくはニッケルを含む。
【0018】
また、正極用のバインダは、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ四フッ化エチレン、スチレンブタジエンゴムなどである。正極用のバインダには、一種類を用いてもよいし、二種類以上を併用してもよい。正極用の導電助剤は、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、鱗片状黒鉛などである。
【0019】
正極活物質層16bは、正極活物質、バインダ、導電助剤、及び溶媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を混練したペースト状の合剤を、正極金属箔16aに塗布したのちに乾燥して形成されている。このため、正極活物質層16bは、微量のNMPを含有している場合がある。
【0020】
また、負極電極17は、負極金属箔17aと、負極金属箔17aの少なくとも一部を覆っている負極活物質層17bと、縁部から負極金属箔17aの面方向に突出する負極集電タブ17cと、を有する。負極金属箔17aは、例えば銅箔や銅合金箔などである。負極活物質層17bは、負極用の活物質(以下、負極活物質という)、バインダ、及び必要な場合に導電助剤を含んでいる。
【0021】
負極活物質は、リチウム(リチウムイオン)を吸蔵及び放出可能な材料である。負極活物質は、例えば黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭素、カーボンブラック類などの炭素材料である。負極用のバインダは、例えばPVDF、ポリ四フッ化エチレン、スチレンブタジエンゴムなどである。負極用のバインダには、一種類を用いてもよいし、二種類以上を併用してもよい。負極用の導電助剤は、例えばアセチレンブラックや、ケッチェンブラックなどである。負極活物質層17bは、負極活物質、バインダ、導電助剤、及び溶媒としての水を混練したペースト状の合剤を、負極金属箔17aに塗布したのちに乾燥して形成されている。
【0022】
また、負極電極17は、負極活物質層17bの表面の少なくとも一部を覆う絶縁性の耐熱層17dを有していてもよい。耐熱層17dは、絶縁性粒子、及びバインダを含んでいる。耐熱層17dに用いられる絶縁性粒子は、例えば酸化アルミニウム(アルミナ)などのセラミック(金属酸化物)粒子である。また、バインダは、例えばPVDFなどである。
【0023】
耐熱層17dは、絶縁性粒子、バインダ、及び溶媒としてのNMPを混練したペースト状の合剤を、負極金属箔17aに形成した負極活物質層17bの表面に塗布したのちに乾燥して形成されている。このため、負極活物質層17bを耐熱層17dで覆う場合、負極活物質層17b及び耐熱層17dは、微量のNMPを含有している場合がある。
【0024】
図1に示すように、電極組立体12は、蓋15との対向面12aから突出し、複数の正極集電タブ16cが層状に重なった正極集電タブ群19を有する。正極集電タブ群19には、電極組立体12と電気を授受する電極端子としての正極端子20が接続されている。正極端子20は、蓋15に固定されているとともに、ケース11の外部に突出している。また、電極組立体12は、対向面12aから突出し、複数の負極集電タブ17cが層状に重なった負極集電タブ群21を有する。負極集電タブ群21には、電極組立体12と電気を授受する電極端子としての負極端子22が接続されている。負極端子22は、蓋15に固定されているとともに、ケース11の外部に突出している。
【0025】
そして、本実施形態において、正極活物質層16bに含まれている正極活物質の粒径D1と、負極活物質層17bに含まれている負極活物質の粒径D2との比(D1/D2)は、0.15以上0.40以下である。ここで、本明細書における「粒径」は、レーザ回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径(メジアン径)を意味する。
【0026】
ここで、正極活物質の粒径D1と負極活物質の粒径D2との比を0.15以上とすることで、正極活物質の粒子内におけるリチウムの移動距離を、負極活物質の粒子内におけるリチウムの移動距離と比較して小さく抑えることができる。また、正極活物質の粒径D1と負極活物質の粒径D2との比を0.40以下とすることで、反応場を正極電極16に偏らせ、副反応に伴う正極電極16における抵抗の増加量を、負極電極17における抵抗の増加量より大きくできる。
【0027】
図3には、充電に伴う金属リチウム基準(vsLi/Li)での各電極16,17の電位変化の様子を、初期(破線で示す)と、劣化後(実線で示す)とについて模式的に示している。上述のように、充放電を繰り返すことに伴う正極電極16における抵抗の増加量を、負極電極17における抵抗の増加量より大きくできることから、端子20,22間の電圧V(電極16,17の電位差)が基準電圧Vaとなるときの負極電位が金属リチウム基準で0V以下になることを抑制できる。即ち、金属リチウム基準で負極電位が0Vを下回らないときの電位差が、充放電を繰り返すことに伴って小さくなることを抑制できる。
【0028】
なお、一般に、負極電位が金属リチウム基準で0V以下になると、金属リチウムが析出し、蓄電装置10に悪影響を及ぼす虞がある。本実施形態の蓄電装置10では、端子20,22間の電圧が基準電圧Vaとなるように充電した場合であっても、金属リチウムが析出してしまうことを抑制できる。
【0029】
また、正極電極16におけるNMPの含有量C1と、負極電極17におけるNMPの含有量C2との比(C1/C2)は、例えば1以上であることが好ましい。このような構成により、充放電時の反応場は、正極電極16に偏ることから、正極電極16での抵抗の増加量が負極電極17での抵抗の増加量よりも大きくなる。したがって、このような構成を採用した場合には、蓄電装置10において金属リチウムが析出することをさらに抑制できる。
【0030】
なお、正極電極16におけるNMPの含有量C1は、正極活物質層16bの重量に対するNMPの重量の比率を示し、負極電極17におけるNMPの含有量C1は、負極活物質層17b及び耐熱層17dの重量に対するNMPの重量の比率を示す。NMPの含有量は、試料からNMPを溶媒(例えばジエチルカーボネートなど)で抽出するとともに、該抽出液をガスクロマトグラフィーで分析して算出した抽出液中のNMPの重量W1と、試料の重量W2との比(W1/W2)として算出できる。
【0031】
次に、本実施形態の効果について記載する。
(1)本実施形態によれば、正極活物質の粒径D1と負極活物質の粒径D2の比を0.15以上0.4以下とすることで、金属リチウム基準で負極電位が0Vを下回らないときの電極16,17間の電位差が小さくなることを抑制できる。したがって、容量が低下することを抑制できる。
【0032】
(2)本実施形態によれば、正極電極16におけるNMPの含有量C1と負極電極17におけるNMPの含有量C2との比(C1/C2)を1以上とすることで、正極電極16における抵抗の増加量を負極電極17における抵抗の増加量よりも大きくできる。したがって、金属リチウム基準で負極電位が0Vを下回らないときの電極16,17間の電位差が小さくなることを抑制できる。
【0033】
(3)本実施形態によれば、リチウムイオン二次電池として、製造時や製造後において、容量が低下することを向上できる。
【実施例】
【0034】
以下、上記実施形態をさらに具体化した実施例について説明する。
[試験1]
<試料の作製>
(試料a1)
[正極電極の作製]
正極活物質としてLiNi0.5Co0.2Mn0.3(D50=2μm)と、導電助剤として鱗片状黒鉛と、バインダとしてPVDFと、溶媒としてNMPとを混練し、ペースト状である正極用の合剤を得た。続けて、厚さ15μmのアルミニウム箔に対して正極用の合剤を塗布し、さらに乾燥させて正極活物質層を形成した後にシート状に切り出して正極電極を得た。
【0035】
[負極電極の作製]
負極活物質として黒鉛(D50=40μm)と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)と、バインダとしてスチレンブタジエンゴム(SBR)と、溶媒として水とを混練し、ペースト状である負極用の合剤を得た。続けて、厚さ10μmの銅箔に対して負極用の合剤を塗布し、さらに乾燥及びプレスしたのちにシート状に切り出し負極電極を得た。
【0036】
[評価用セルの作製]
作製した正極電極と負極電極との間にセパレータを介在させた状態で基準(参照)電極を設置して評価用セルを作製し、これを試料a1とした。基準電極としては、予め金属リチウム基準で3.43Vの電位に調整したLiFePOを用いた。
【0037】
(試料a2)
正極電極に粒径(D50)が3μmの正極活物質を用い、負極電極に粒径(D50)が30μmの負極活物質を用いて試料a2を作製した。なお、試料a2〜a6では、正極活物質及び負極活物質の粒径が試料a1と異なるものの、作製手順は試料a1と同様であるので詳細な説明を省略する。
【0038】
(試料a3)
正極電極に粒径(D50)が4μmの正極活物質を用い、負極電極に粒径(D50)が22μmの負極活物質を用いて試料a3を作製した。
【0039】
(試料a4)
正極電極に粒径(D50)が5μmの正極活物質を用い、負極電極に粒径(D50)が23μmの負極活物質を用いて、試料a4を作製した。
【0040】
(試料a5)
正極電極に粒径(D50)が7μmの正極活物質を用い、負極電極に粒径(D50)が20μmの負極活物質を用いて、試料a5を作製した。
【0041】
(試料a6)
正極電極に粒径(D50)が9μmの正極活物質を用い、負極電極に粒径(D50)が20μmの負極活物質を用いて、試料a6を作製した。
【0042】
<電位の測定(1)>
作製した試料a1〜a6について、25℃の環境温度のもと、1Cの電流レートによる充電を行うとともに、負極電位が金属リチウム基準で0Vを下回るときの電極間電圧を測定した。その結果を表1に示す。なお、負極電位が金属リチウム基準で0Vを下回るときの電極間電圧が基準電圧Va(ここでは3.93Vとした)以上である場合、合格判定とした。
【0043】
【表1】
表1に示すように、正極活物質の粒径D1と負極活物質の粒径D2との比が0.18以上である場合に、負極電位が金属リチウム基準で0Vを下回るときの電極間電圧が基準電圧Va以上となる結果が得られた。また、表1に示す結果からは、正極活物質の粒径D1と負極活物質の粒径D2との比が0.15以上である場合に好ましいことがわかる。
【0044】
<電位の測定(2)>
次に、合格判定となった試料a3〜a6を60℃の環境下で100日にわたって保存してエイジングを行ったのち、「電位の測定(1)」と同様にして、負極電位が金属リチウム基準で0Vを下回るときの電極間電圧を測定した。その結果を表2に示す。
【0045】
【表2】
表2に示すように、正極活物質の粒径D1と負極活物質の粒径D2との比が0.39以下である場合に、負極電位が金属リチウム基準で0Vを下回るときの電極間電圧が基準電圧Va以上となる結果が得られた。また、表2に示す結果からは、正極活物質の粒径D1と負極活物質の粒径D2との比が0.4以下である場合に好ましいことがわかる。
[試験2]
<試料の作製>
(試料b1)
[正極電極の作製]
正極活物質としてLiNi0.5Co0.2Mn0.3(D50=6μm)と、導電助剤として鱗片状黒鉛と、バインダとしてPVDFと、溶媒としてNMPとを混練し、ペースト状である正極用の合剤を得た。続けて、厚さ15μmのアルミニウム箔に対して正極用の合剤を塗布し、さらに乾燥させて正極活物質層を形成した後にシート状に切り出して正極電極を得た。
【0046】
[負極電極の作製]
負極活物質として黒鉛(D50=20μm)と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)と、バインダとしてスチレンブタジエンゴム(SBR)と、溶媒として水とを混練し、ペースト状である負極用の合剤を得た。続けて、厚さ10μmの銅箔に対して負極用の合剤を塗布し、さらに乾燥させて負極活物質層を形成した。
【0047】
次に、絶縁性粒子として酸化アルミニウムと、バインダとしてPVDFと、溶媒としてNMPとを混練してペースト状の合剤を得るとともに、該合剤を負極活物質層の表面に塗布し、さらに乾燥させて耐熱層を形成した。その後、シート状に切り出して負極電極を得た。
【0048】
[評価用セルの作製]
作製した正極電極と負極電極とについて、正極活物質層におけるNMPの含有量C1(ppm)と、負極活物質層及び耐熱層におけるNMPの含有量C2(ppm)との比(C1/C2)が3.2となるように乾燥させ、各電極におけるNMPの含有量を調整した。そして、作製した正極電極と負極電極との間にセパレータを介在させた状態で基準(参照)電極を設置して評価用セルを作製した。基準電極としては、予め金属リチウム基準で3.43Vの電位に調整したLiFePOを用いた。その後、60℃の環境下で100日にわたって保存してエイジングし、試料b1とした。
【0049】
(試料b2)
正極活物質層におけるNMPの含有量C1と、負極活物質層及び耐熱層におけるNMPの含有量C2との比(C1/C2)が2.5となるように調整し、試料b2を作製した。なお、試料b2〜a5では、含有量C1,C2の比(C1/C2)が試料b1と異なるものの、作製手順は試料b1と同様であるので詳細な説明を省略する。
【0050】
(試料b3)
正極活物質層におけるNMPの含有量C1と、負極活物質層及び耐熱層におけるNMPの含有量C2との比(C1/C2)が1.1となるように調整し、試料b3を作製した。
【0051】
(試料b4)
正極活物質層におけるNMPの含有量C1と、負極活物質層及び耐熱層におけるNMPの含有量C2との比(C1/C2)が0.4となるように調整し、試料b4を作製した。
【0052】
(試料b5)
正極活物質層におけるNMPの含有量C1と、負極活物質層及び耐熱層におけるNMPの含有量C2との比(C1/C2)が0.2となるように調整し、試料b5を作製した。
【0053】
<電位の測定>
作製した試料b1〜b5について、25℃の環境温度のもと、1Cの電流レートによる充電を行うとともに、負極電位が金属リチウム基準で0Vを下回るときの電極間電圧を測定した。その結果を表3に示す。なお、負極電位が金属リチウム基準で0Vを下回るときの電極間電圧が基準電圧Va(ここでは3.93Vとした)以上である場合、合格判定とした。
【0054】
【表3】
表3に示すように、正極活物質層におけるNMPの含有量C1と、負極活物質層及び耐熱層におけるNMPの含有量C2との比(C1/C2)が1.1以上である場合に、負極電位が金属リチウム基準で0Vを下回るときの電極間電圧が基準電圧Va以上となる結果が得られた。また、表3に示す結果から、正極活物質層におけるNMPの含有量C1と、負極活物質層及び耐熱層におけるNMPの含有量C2との比(C1/C2)が1以上である場合に好ましいことがわかる。
【0055】
以下、上記実施形態及び実施例から把握できる技術的思想について追記する。
(イ)上記蓄電装置において、前記正極活物質はニッケルを含み、前記負極活物質は炭素材料であることが好ましい。
【0056】
(ロ)前記粒径D1及び前記粒径D2はメジアン径であることが好ましい。
【符号の説明】
【0057】
10…蓄電装置、11…ケース、12…電極組立体、16…正極電極、16a…正極金属箔(金属箔)、16b…正極活物質層、17…負極電極、17a…負極金属箔(金属箔)、17b…負極活物質層、20…正極端子(電極端子)、22…負極端子(電極端子)。
図1
図2
図3