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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】
(24)【登録日】2022-11-22
(45)【発行日】2022-12-01
(54)【発明の名称】非水電解質二次電池
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/0525 20100101AFI20221124BHJP
   H01M 4/62 20060101ALI20221124BHJP
   H01M 4/525 20100101ALI20221124BHJP
   H01M 4/485 20100101ALI20221124BHJP
   H01M 4/131 20100101ALI20221124BHJP
   H01M 50/417 20210101ALI20221124BHJP
   H01M 10/0568 20100101ALI20221124BHJP
   H01M 10/0569 20100101ALI20221124BHJP
【FI】
H01M10/0525
H01M4/62 Z
H01M4/525
H01M4/485
H01M4/131
H01M50/417
H01M10/0568
H01M10/0569
【請求項の数】 11
(21)【出願番号】P 2019040794
(22)【出願日】2019-03-06
(65)【公開番号】P2020087903
(43)【公開日】2020-06-04
【審査請求日】2022-01-11
(31)【優先権主張番号】P 2018218078
(32)【優先日】2018-11-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000002325
【氏名又は名称】セイコーインスツル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100126664
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 慎吾
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(72)【発明者】
【氏名】三浦 研
【審査官】結城 佐織
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2018/092895(WO,A1)
【文献】特開2009-037937(JP,A)
【文献】特開2013-054973(JP,A)
【文献】特開2014-143152(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/0525
H01M 4/62
H01M 4/525
H01M 4/485
H01M 4/131
H01M 50/417
H01M 10/0568
H01M 10/0569
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極と、負極と、支持塩及び有機溶媒を含む電解液と、セパレータとが、正極缶と負極缶によって構成された収容容器に収容されてなる非水電解質二次電池であって、
前記正極は、コバルト酸リチウムからなる正極活物質と、導電助剤と、バインダとを含み、
前記負極は、チタン酸リチウムからなる負極活物質と、グラファイトからなる導電助剤と、バインダとを含み、
前記負極は、前記導電助剤を、前記負極の全質量に対して7質量%以上10質量%未満で含むことを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項2】
前記負極は、前記導電助剤を、前記負極の全質量に対して8~9質量%で含むことを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池。
【請求項3】
前記正極に含まれる前記バインダがフッ素樹脂からなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の非水電解質二次電池。
【請求項4】
前記正極に含まれる前記バインダが、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、又はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなることを特徴とする請求項3に記載の非水電解質二次電池。
【請求項5】
前記正極に含まれる前記導電助剤の平均粒子径(D50)が、前記正極活物質の平均粒子径(D50)よりも小さいことを特徴とする請求項1~請求項4の何れか一項に記載の非水電解質二次電池。
【請求項6】
前記正極に含まれる前記導電助剤の平均粒子径(D50)が、前記正極活物質の平均粒子径(D50)に対して55~67%の粒子径であることを特徴とする請求項5に記載の非水電解質二次電池。
【請求項7】
前記正極に含まれる前記導電助剤の比表面積が13~425m/gであることを特徴とする請求項1~請求項6の何れか一項に記載の非水電解質二次電池。
【請求項8】
前記電解液は、前記有機溶媒が、環状カーボネート溶媒であるプロピレンカーボネート(PC)、環状カーボネート溶媒であるエチレンカーボネート(EC)、及び、鎖状カーボネート溶媒であるエチルメチルカーボネート(EMC)を含有してなる混合溶媒であることを特徴とする請求項1~請求項7の何れか一項に記載の非水電解質二次電池。
【請求項9】
前記有機溶媒は、前記プロピレンカーボネート(PC)、前記エチレンカーボネート(EC)及び前記エチルメチルカーボネート(EMC)の混合比が、体積比で{PC:EC:EMC}=1~5:1~5:6~12の範囲であることを特徴とする請求項8に記載の非水電解質二次電池。
【請求項10】
前記電解液は、前記支持塩が六フッ化燐酸リチウム(LiPF)であることを特徴とする請求項1~請求項9の何れか一項に記載の非水電解質二次電池。
【請求項11】
前記セパレータがポリプロピレン樹脂からなることを特徴とする請求項1~請求項10の何れか一項に記載の非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、非水電解質二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウム二次電池等の非水電解質二次電池は、電子機器の電源部、発電装置の発電量の変動を吸収する蓄電部などに利用されている。また、リチウム二次電池としては、正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO)を用い、負極活物質としてチタン酸リチウム(LiTi12)を用いた、所謂CTL電池が挙げられる(例えば、特許文献1を参照)。
【0003】
上記のようなCTL電池は、動作電圧が2V以上と高く、また、高容量であることから、例えば、アラーム等の各種機能を備えたウォッチや、各種小型電子機器等の電源用途で幅広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平7-335261号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記のようなCTL電池は、動作電圧や放電容量に加えて、CTL電池が備えられる各種電子機器等に大電流を供給することが可能な放電特性も求められる。しかしながら、特に、ウォッチ向けの小型サイズのCTL電池では、容量を大きくするだけでは、充分な大電流を供給可能な放電特性が得られないという問題がある。一方、電極中に含まれる導電剤を増量する等して低抵抗化を図り、大電流を確保した場合には、逆に、充分な放電容量を得られないという問題があった。
【0006】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、小型サイズであっても、充分な放電容量が得られ、且つ、大電流を供給することが可能な非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意実験検討を積み重ねた。この結果、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用い、負極活物質としてチタン酸リチウムを用いた構成において、負極中に含まれる導電助剤をグラファイトとし、且つ、その含有量を最適化することにより、小型サイズの電池であっても、充分な放電容量を確保しつつ、大電流を供給可能な放電特性が得られることを見いだし、本発明を完成させた。
【0008】
即ち、本発明の非水電解質二次電池は、正極と、負極と、支持塩及び有機溶媒を含む電解液と、セパレータとが、正極缶と負極缶によって構成された収容容器に収容されてなる非水電解質二次電池であって、前記正極は、コバルト酸リチウムからなる正極活物質と、導電助剤と、バインダとを含み、前記負極は、チタン酸リチウムからなる負極活物質と、グラファイトからなる導電助剤と、バインダとを含み、前記負極は、前記導電助剤を、前記負極の全質量に対して7質量%以上10質量%未満で含むことを特徴とする。
【0009】
本発明によれば、正極活物質としてコバルト酸リチウムを、負極活物質としてチタン酸リチウムをそれぞれ用い、さらに、負極中に含まれるグラファイトからなる導電助剤の含有量を上記範囲に規定することで、充分な容量が確保されつつ、負極中における電流の流れが良好になる。これにより、小型サイズであっても、充分な放電容量が得られ、且つ、大電流を供給することが可能になる。
【0010】
また、上記構成の非水電解質二次電池において、前記負極は、前記導電助剤を、前記負極の全質量に対して8~9質量%で含むことがより好ましい。
負極中における導電助剤の含有量を上記範囲とすることにより、充分な放電容量がより効果的に確保されつつ、負極中における電流の流れもより良好になる。これにより、小型サイズであっても、さらに充分な放電容量が得られ、且つ、さらに大きな電流を供給することが可能になる。
【0011】
また、上記構成の非水電解質二次電池において、前記正極に含まれる前記バインダがフッ素樹脂からなることが好ましい。
また、前記正極に含まれる前記バインダが、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、又はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなることがより好ましい。
【0012】
正極に含まれるバインダを上記のフッ素樹脂から構成することにより、このバインダが、正極活物質と導電助剤とを効果的に繋げる作用が得られる。これにより、充分な放電容量がより効果的に確保されつつ、負極中における電流の流れもより良好になるので、小型サイズであっても、さらに充分な放電容量が得られ、且つ、さらに大きな電流を供給することが可能になる。
【0013】
また、上記構成の非水電解質二次電池において、前記正極に含まれる前記導電助剤の平均粒子径(D50)が、前記正極活物質の平均粒子径(D50)よりも小さいことが好ましい。
さらに、上記構成において、前記正極に含まれる前記導電助剤の平均粒子径(D50)が、前記正極活物質の平均粒子径(D50)に対して55~67%の粒子径であることがより好ましい。
【0014】
正極に含まれる導電助剤の平均粒子径(D50)を正極活物質の平均粒子径(D50)よりも小さい粒子径とすることで、正極活物質と導電助剤との接触面積が大きくなり、電池の内部抵抗を低減できるので、重負荷特性、即ち、大電流における放電特性がさらに向上する。
さらに、導電助剤の平均粒子径(D50)が、正極活物質の平均粒子径(D50)に対して上記範囲の粒子径であることで、電池の内部抵抗をより効果的に低減でき、上記の重負荷特性の向上効果がより顕著に得られる。
【0015】
また、上記構成の非水電解質二次電池において、前記正極に含まれる前記導電助剤の比表面積が13~425m/gであることが好ましい。
【0016】
正極に含まれる導電助剤の比表面積が上記範囲であることで、上記同様、正極活物質と導電助剤との接触面積が大きくなり、電池の内部抵抗を低減できるので、重負荷特性がさらに向上する。
【0017】
また、上記構成の非水電解質二次電池において、前記電解液は、前記有機溶媒が、環状カーボネート溶媒であるプロピレンカーボネート(PC)、環状カーボネート溶媒であるエチレンカーボネート(EC)、及び、鎖状カーボネート溶媒であるエチルメチルカーボネート(EMC)を含有してなる混合溶媒であることが好ましい。
【0018】
上記構成のように、電解液に用いる有機溶媒を、上記各組成物の混合溶媒とすることにより、幅広い温度領域において充分な放電容量が得られ、且つ、大きな電流を供給することが可能になる。
具体的には、まず、環状カーボネート溶媒として、誘電率が高く、支持塩の溶解性が高いPC及びECを用いることにより、大きな放電容量を得ることが可能となる。また、PC及びECは、沸点が高いことから、例えば、高温環境下で使用又は保管した場合でも揮発し難い電解液が得られる。さらに、環状カーボネート溶媒として、ECよりも融点が低いPCを、ECと混合して用いることにより、低温特性を向上させることが可能となる。また、鎖状カーボネート溶媒として、融点の低いEMCを用いることにより、低温特性が向上する。
【0019】
また、上記構成の非水電解質二次電池において、前記有機溶媒は、前記プロピレンカーボネート(PC)、前記エチレンカーボネート(EC)及び前記エチルメチルカーボネート(EMC)の混合比が、体積比で{PC:EC:EMC}=1~5:1~5:6~12の範囲であることがより好ましい。
【0020】
上記構成のように、電解液に用いる有機溶媒の配合比率を適正範囲に規定することにより、幅広い温度範囲において充分な放電容量が得られ、且つ、大きな電流を供給することが可能になる。
【0021】
また、上記構成の非水電解質二次電池において、前記電解液は、前記支持塩が六フッ化燐酸リチウム(LiPF)であることが好ましい。
電解液に用いられる支持塩を上記のリチウム化合物とすることにより、電解液の耐熱性が高められ、高温時の容量の減少が抑制できる。
【0022】
また、上記構成の非水電解質二次電池において、前記セパレータがポリプロピレン樹脂からなる構成を採用してもよい。
セパレータを、多孔性高分子材料であるポリプロピレン樹脂から構成することにより、充分な機械強度を確保しながら、大きなイオン透過度を有するセパレータが得られることから、非水電解質二次電池の内部抵抗が低減されて放電容量がさらに向上する。
【発明の効果】
【0023】
本発明の非水電解質二次電池によれば、上記のように、正極活物質としてコバルト酸リチウムを、負極活物質としてチタン酸リチウムをそれぞれ用い、さらに、負極中に含まれるグラファイトからなる導電助剤の含有量を7質量%以上10質量%未満に規定することで、充分な容量が確保されつつ、負極中における電流の流れが良好になる。これにより、小型サイズであっても、充分な放電容量が得られ、且つ、大電流を供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
図1図1は、本発明の実施形態である非水電解質二次電池を模式的に示す断面図である。
図2図2は、本発明の実施形態である非水電解質二次電池の実施例について説明する図であり、負極におけるグラファイトからなる導電助剤の含有量と、放電開始から10秒後の電圧との関係を示すグラフである。
図3図3は、本発明の実施形態である非水電解質二次電池の実施例について説明する図であり、負極におけるグラファイトからなる導電助剤の含有量と、放電開始から電圧が1.4Vとなるまでの時間との関係を示すグラフである。
図4図4は、本発明の実施形態である非水電解質二次電池の実施例について説明する図であり、負極におけるグラファイトからなる導電助剤の含有量と、放電開始から電圧が1.2Vとなるまでの時間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】
【0025】
以下、本発明の実施形態である非水電解質二次電池の例を挙げ、その構成について図1を参照しながら詳述する。なお、本発明で説明する非水電解質二次電池とは、具体的には、正極または負極として用いる活物質と電解液とが容器内に収容されてなる非水電解質二次電池である。
【0026】
[非水電解質二次電池]
図1に示す本実施形態の非水電解質二次電池1は、いわゆるコイン(ボタン)型の電池である。この非水電解質二次電池1は、収納容器2内に、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極10と、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極20と、正極10と負極20との間に配置されたセパレータ30と、少なくとも支持塩及び有機溶媒を含む電解液50とを備える。
より具体的には、本実施形態の非水電解質二次電池1は、有底円筒状の正極缶12と、正極缶12の開口部12aにガスケット40を介在して固定され、正極缶12との間に収容空間を形成する有蓋円筒状(ハット状)の負極缶22とを有し、正極缶12の開口部12aの周縁を内側、即ち負極缶22側にかしめることで収容空間を密封する収納容器2を備える。
【0027】
また、本実施形態の非水電解質二次電池1は、正極10が、コバルト酸リチウムからなる正極活物質と、導電助剤と、バインダとを含み、負極20が、チタン酸リチウムからなる負極活物質と、グラファイトからなる導電助剤と、バインダとを含んで構成される、所謂CTL電池である。そして、非水電解質二次電池1は、負極20が、導電助剤を、負極20の全質量に対して7質量%以上10質量%未満で含んでなる構成とされている。
【0028】
収納容器2によって密封された収容空間には、正極缶12側に設けられる正極10と、負極缶22側に設けられる負極20とがセパレータ30を介して対向配置され、さらに、電解液50が充填されている。
また、図1に示すように、ガスケット40は、正極缶12の内周面に沿って狭入されるとともに、セパレータ30の外周と接続され、セパレータ30を保持している。
また、正極10、負極20及びセパレータ30には、収納容器2内に充填された電解液50が含浸している。
【0029】
図1に示す例の非水電解質二次電池1においては、正極10が、正極集電体14を介して正極缶12の内面に電気的に接続され、負極20が、負極集電体24を介して負極缶22の内面に電気的に接続されている。本実施形態においては、図1に例示するような正極集電体14及び負極集電体24を備えた非水電解質二次電池1を例に挙げて説明しているが、これには限定されず、例えば、正極缶12が正極集電体を兼ねるとともに、負極缶22が負極集電体を兼ねた構成を採用しても構わない。
【0030】
本実施形態の非水電解質二次電池1は、上記のように概略構成されることにより、正極10と負極20の一方から他方へリチウムイオンが移動することで、電荷を蓄積(充電)したり電荷を放出(放電)したりすることができるものである。
【0031】
(正極缶及び負極缶)
本実施形態において、収納容器2を構成する正極缶12は、上述したように、有底円筒状に構成され、平面視で円形の開口部12aを有する。このような正極缶12の材質としては、従来公知のものを何ら制限無く用いることができ、例えば、NAS64等のステンレス鋼が挙げられる。
【0032】
また、負極缶22は、上述したように、有蓋円筒状(ハット状)に構成され、その先端部22aが、開口部12aから正極缶12に入り込むように構成される。このような負極缶22の材質としては、正極缶12の材質と同様、従来公知のステンレス鋼が挙げられ、例えば、SUS304-BA等を用いることができる。また、負極缶22には、例えば、ステンレス鋼に銅やニッケル等を圧接してなるクラッド材を用いることもできる。
【0033】
図1に示すように、正極缶12と負極缶22とは、ガスケット40を介在させた状態で、正極缶12の開口部12aの周縁を負極缶22側にかしめることで固定され、非水電解質二次電池1を、収容空間が形成された状態で密封保持する。このため、正極缶12の最大内径は、負極缶22の最大外径よりも大きい寸法とされている。
【0034】
なお、正極缶12や負極缶22に用いられる金属板材の板厚は、一般に0.1~0.3mm程度であり、例えば、正極缶12や負極缶22の全体における平均板厚で0.20mm程度として構成することができる。
【0035】
また、図1に示す例においては、負極缶22の先端部22aが折り返し形状とされているが、これには限定されず、例えば、金属板材の端面が先端部22aとされた、折り返し形状を有しない形状においても、本発明を適用することが可能である。
【0036】
また、本実施形態で詳述する構成を適用することが可能な非水電解質二次電池としては、例えば、コイン型非水電解質二次電池の一般的なサイズである920サイズ(外径φ9.5mm×高さ2.0mm)や621サイズ(外形φ6.8mm×高さ2.1mm)の他、各種サイズの電池を挙げることができる。
【0037】
(ガスケット)
ガスケット40は、図1に示すように、正極缶12の内周面に沿って円環状に形成され、その環状溝41の内部に負極缶22の先端部22aが配置される。
また、ガスケット40は、例えば、その材質が、熱変形温度が230℃以上の樹脂であることが好ましい。ガスケット40に用いる樹脂材料の熱変形温度が230℃以上であれば、非水電解質二次電池1を高温環境下で使用又は保管した場合や、非水電解質二次電池1の使用中における発熱が生じた場合でも、ガスケットが著しく変形して電解液50が漏出するのを防止できる。
【0038】
このようなガスケット40の材質としては、例えば、ポリプロピレン樹脂(PP)、ポリフェニルサルファイド(PPS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド、液晶ポリマー(LCP)、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)、ポリエーテルニトリル樹脂(PEN)、ポリエーテルケトン樹脂(PEK)、ポリアリレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂(PBT)、ポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂(PES)、ポリアミノビスマレイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フッ素樹脂等のプラスチック樹脂が挙げられる。これらの中でも、ガスケット40に、PP、PPS、PEEKのうちの何れかを用いることが、高温環境下における使用や保管時にガスケットが著しく変形するのを防止でき、非水電解質二次電池の封止性がさらに向上する観点から好ましい。
【0039】
また、ガスケット40には、上記材料にガラス繊維、マイカウイスカー、セラミック微粉末等を、30質量%以下の添加量で添加したものも好適に用いることができる。このような材質を用いることで、高温によってガスケットが著しく変形し、電解液50が漏出するのを防止できる。
【0040】
また、ガスケット40の環状溝の内側面には、さらに、シール剤を塗布してもよい。このようなシール剤としては、アスファルト、エポキシ樹脂、ポリアミド系樹脂、ブチルゴム系接着剤等を用いることができる。また、シール剤は、環状溝41の内部に塗布した後、乾燥させて用いる。
【0041】
なお、ガスケット40は、正極缶12と負極缶22との間に挟まれ、その少なくとも一部が圧縮された状態となるが、この際の圧縮率は特に限定されず、非水電解質二次電池1の内部を確実に封止でき、且つ、ガスケット40に破断が生じない範囲とすればよい。
【0042】
(電解液)
本実施形態の非水電解質二次電池1は、電解液50として、少なくとも有機溶媒及び支持塩を含むものを用いる。そして、電解液50は、有機溶媒として、環状カーボネート溶媒であるプロピレンカーボネート(PC)、環状カーボネート溶媒であるエチレンカーボネート(EC)、及び、鎖状カーボネート溶媒であるエチルメチルカーボネート(EMC)を含有してなる混合溶媒を用いることが好ましい。
このような電解液は、通常、支持塩を、有機溶媒等の非水溶媒に溶解させたものからなり、電解液に求められる耐熱性や粘度等を勘案して、その特性が決定される。
【0043】
本実施形態では、電解液50に用いる有機溶媒を、環状カーボネート溶媒であるPC、EC、及び、鎖状カーボネート溶媒であるEMCを含有してなる混合溶媒とすることにより、幅広い温度領域において充分な放電容量が得られ、且つ、大きな電流を供給することが可能な非水電解質二次電池1が実現できる。
具体的には、まず、環状カーボネート溶媒として、誘電率が高く、支持塩の溶解性が高いPC及びECを用いることにより、大きな放電容量を得ることが可能となる。また、PC及びECは、沸点が高いことから、例えば、高温環境下で使用又は保管した場合でも揮発し難い電解液が得られる。
さらに、環状カーボネート溶媒として、ECよりも融点が低いPCを、ECと混合して用いることにより、低温特性を向上させることが可能となる。
また、鎖状カーボネート溶媒として、融点の低いEMCを用いることにより、低温特性が向上する。
【0044】
環状カーボネート溶媒は、下記(化学式1)で表される構造を有してなり、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、トリフロロエチレンカーボネート(TFPC)、クロロエチレンカーボネート(ClEC)、トリフロロエチレンカーボネート(TFEC)、ジフロロエチレンカーボネート(DFEC)、ビニレンカーボネート(VEC)等が挙げられる。本実施形態においては、特に、負極20上への電極上の皮膜形成の容易性や、低温特性向上の観点に加え、さらに、高温下における容量維持率を向上させる観点から、下記(化学式1)で表される構造の環状カーボネート溶媒として、PC及びECの2種類を用いることが好ましい。
【0045】
【化1】
【0046】
但し、上記(化学式1)中において、R1、R2、R3、R4は、水素、フッ素、塩素、炭素数1~3のアルキル基、フッ素化されたアルキル基の何れかを表す。また、上記(化学式1)中におけるR1、R2、R3、R4は、それぞれ同一であっても、異なっていても良い。
【0047】
本実施形態では、上述したように、環状カーボネート溶媒として、誘電率が高く、支持塩の溶解性が高いPC及びECを用いることにより、充分な放電容量が得られるとともに、大きな電流を供給することが可能になる。また、PC及びECは沸点が高いことから、高温環境下で使用又は保管した場合でも揮発し難い電解液が得られる。さらに、環状カーボネート溶媒として、ECよりも融点が低いPCを、ECと混合して用いることにより、優れた低温特性が得られる。
【0048】
鎖状カーボネート溶媒は、下記(化学式2)で表される構造を有してなり、例えば、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、トリフロロメチルエチルカーボネート(TFMEC)等が挙げられる。本発明においては、特に、充分な放電容量の確保及び大電流の供給の実現に加え、低温特性向上の観点から、下記(化学式2)で表される構造の鎖状カーボネート溶媒として、融点の低いEMCを採用することが好ましい。
【0049】
【化2】
【0050】
但し、上記(化学式2)中において、R5、R6は、水素、フッ素、塩素、炭素数1~3のアルキル基、フッ素化されたアルキル基の何れかを表す。また、R5、R6はそれぞれ同一であっても、異なっていても良い。
【0051】
本実施形態では、上述したように、鎖状カーボネート溶媒として、融点が低いEMCを用いることにより、優れた低温特性が得られる。また、EMCは低粘度なので、電解液の電気伝導性が向上する。さらに、EMCは化学的に安定なので、非水電解質二次電池としての耐圧性が向上する効果が得られる。
【0052】
電解液50において、有機溶媒中の各溶媒の配合比率は、特に限定されないが、例えば、体積比で{PC:EC:EMC}=1~5:1~5:6~12の範囲であることが好ましい。また、上記の体積比は、{PC:EC:EMC}=2~4:2~4:7~11の範囲であることがより好ましく、概ね{PC:EC:EMC}={1:1:3}であることが最も好ましい。
有機溶媒の配合比率が上記範囲であると、上述したような、幅広い温度範囲において充分な放電容量が得られ、且つ、大きな電流を供給することが可能になる効果がより顕著に得られる。
【0053】
詳細には、環状カーボネート溶媒であるプロピレンカーボネート(PC)の配合比率が上記範囲の下限以上であれば、ECよりも融点が低いPCと、ECとを混合して用いることで、充分な放電容量を確保できるとともに、低温特性を向上できる効果が得られる。さらに、PC及びECは沸点が高いことから、例えば、高温環境下で使用又は保管した場合でも揮発し難い電解液が得られる。
一方、PCは、ECに較べて誘電率が低いことから支持塩の濃度を高められないため、含有量が多過ぎると大きな放電容量が得られ難くなる可能性があることから、その配合比率を上記範囲の上限以下に制限することが好ましい。
【0054】
また、有機溶媒中において、環状カーボネート溶媒であるエチレンカーボネート(EC)の配合比率が上記範囲の下限以上であれば、電解液50の誘電率及び支持塩の溶解性が高められ、非水電解質二次電池としての大きな放電容量を得ることが可能となる。
一方、ECは、粘度が高いことから電気伝導性に乏しく、また、融点が高いことから含有量が多過ぎると低温特性が低下する可能性があるため、その配合比率を上記範囲の上限以下に制限することが好ましい。
【0055】
また、有機溶媒中において、鎖状カーボネート溶媒であるエチルメチルカーボネート(EMC)の配合比率を上記範囲の下限以上とすれば、融点の低いEMCが所定量で有機溶媒中に含まれることにより、低温特性を向上できる効果が顕著に得られる。
また、EMCは粘度が低いことから、電解液50の電気伝導性が向上するとともに、大きな放電容量を得ることが可能になる。
さらに、EMCは化学的に安定なので、非水電解質二次電池としての耐圧性が向上する効果が得られる。
一方、EMCの含有量が多過ぎると、大きな放電容量が得られ難くなる可能性があることから、その配合比率を上記範囲の上限以下に制限することが好ましい。
【0056】
電解液50に用いられる支持塩としては、非水電解質二次電池において、電解液に支持塩として添加される公知のLi化合物を用いることができ、特に限定されない。例えば、支持塩としては、熱的安定性等を考慮し、六フッ化燐酸リチウム(LiPF)、リチウムテトラフルオロボレート、リチウムビスパーフルオロメチルスルホニルイミド、リチウムビスパーフルオロエチルスルホニルイミド、リチウムビストリフルオロメタンスルホンイミド(Li(CFSON)等が挙げられる。これらの中でも、特に、Li(CFSON、又は、LiPFを支持塩として用いることが、電解液の耐熱性が高められ、高温時の容量の減少が抑制できる点から好ましい。
また、支持塩は、上記のうちの1種を単独で用いてもよく、あるいは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
【0057】
電解液50中の支持塩の含有量は、支持塩の種類等を勘案するとともに、後述の正極活物質の種類を勘案して決定でき、例えば、1~2mol/Lが好ましく、1.2~1.8mol/Lがより好ましく、概ね1.5mol/Lとすることが特に好ましい。
なお、電解液50中の支持塩濃度が高過ぎても、あるいは低過ぎても、電導度の低下が起き、電池特性に悪影響を及ぼすおそれがあることから、電解液50中の支持塩の含有量は、上記範囲に規制することが好ましい。
【0058】
本実施形態の非水電解質二次電池1は、詳細を後述するように、正極活物質としてコバルト酸リチウムを、負極活物質としてチタン酸リチウムを用い、さらに、負極中に含まれる導電助剤の含有量を最適範囲に制限したうえで、上記組成の電解液50を用いることにより、幅広い温度範囲において充分な放電容量が得られ、且つ、大きな電流を供給することが可能になる。
【0059】
(正極)
本実施形態の非水電解質二次電池1においては、正極10として、コバルト酸リチウム(LiCoO)からなる正極活物質と、導電助剤と、バインダとを含むものを用いる。
【0060】
正極10に、コバルト酸リチウムからなる正極活物質を用いるとともに、後述する負極20を、負極活物質としてチタン酸リチウム(LiTi12)を含むものとすることで、動作電圧が2V以上と高く、また、高容量であるCTL電池を構成することができる。
【0061】
正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いる場合、その粒子径(D50)は、特に限定されず、例えば、2~10μmが好ましく、4~8μmがより好ましい。
正極活物質の粒子径(D50)が、上記好ましい範囲の下限値未満であると、非水電解質二次電池が高温に曝された際に反応性が高まるために扱いにくくなり、また、上限値を超えると、放電レートが低下するおそれがある。
なお、本発明における「正極活物質の粒子径(D50)」とは、レーザー回折法を用いて測定される粒子径であってメジアン径を意味する。
【0062】
正極10中の正極活物質の含有量は、非水電解質二次電池1に要求される放電容量等を勘案して決定され、例えば、50~95質量%の範囲が好ましい。正極活物質の含有量が、上記好ましい範囲の下限値以上であれば、充分な放電容量が得られやすく、好ましい上限値以下であれば、正極10を成形しやすい。
【0063】
正極10は、導電助剤(以下、正極10に用いられる導電助剤を「正極導電助剤」ということがある)を含有する。
正極導電助剤としては、例えば、グラファイト、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の炭素質材料が挙げられる。
正極導電助剤は、上記のうちの1種を単独で用いてもよく、あるいは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、正極10中の正極導電助剤の含有量は、4~40質量%が好ましく、10~25質量%がより好ましい。正極導電助剤の含有量が、上記好ましい範囲の下限値以上であれば、充分な導電性が得られやすい。加えて、電極をペレット状に成型する場合に成型しやすくなる。一方、正極10中の正極導電助剤の含有量が、上記好ましい範囲の上限値以下であれば、正極10に充分な放電容量が得られやすい。
【0064】
正極10に含まれる導電助剤の平均粒子径(D50)は、特に限定されないが、上記の正極活物質の平均粒子径(D50)よりも小さい粒子径であることが好ましい。
さらに、正極10に含まれる導電助剤の平均粒子径(D50)は、正極活物質の平均粒子径(D50)に対して55~67%の粒子径であることがより好ましい。
【0065】
正極10に含まれる導電助剤の平均粒子径(D50)を正極活物質の平均粒子径(D50)よりも小さい粒子径とすることで、正極活物質と導電助剤との接触面積が大きくなる。これにより、電池の内部抵抗が低減されるので、重負荷特性、即ち、大電流における放電特性がさらに向上する効果が得られる。
さらに、正極10に含まれる導電助剤の平均粒子径(D50)が、正極活物質の平均粒子径(D50)に対して上記範囲の粒子径であることで、電池の内部抵抗をより効果的に低減でき、上記の重負荷特性の向上効果がより顕著に得られる。
なお、本発明における「導電助剤の平均粒子径(D50)」とは、レーザー回折法を用いて測定される粒子径であってメジアン径を意味する。
【0066】
また、正極10に含まれる導電助剤の比表面積は、13~425m/gであることが好ましい。正極10に含まれる導電助剤の比表面積が上記範囲であることで、上記同様、正極活物質と導電助剤との接触面積が大きくなる。これにより、電池の内部抵抗を低減できるので、重負荷特性がさらに向上する効果が得られる。
【0067】
正極10は、バインダ(以下、正極10に用いられるバインダを「正極バインダ」ということがある。)を含有する。
正極バインダとしては、従来公知の物質を用いることができ、例えば、フッ素樹脂からなるバインダを用いることができる。
また、正極バインダは、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、又はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)であることが好ましい。正極バインダにPVDFを用いることで、 この正極バインダが、正極活物質を包みながら、導電助剤を引っ張るという作用が得られるので、正極活物質と導電助剤とが効果的に結合する。また、正極バインダにPTFEを用いることで、繊維状のPTFEにより、正極活物質と導電助剤とが効果的に結合する。従って、正極バインダとして、PVDF、又は、PTFEを用いることで、充分な放電容量が得られ、且つ、大きな電流を供給することが可能になる。このような効果がより顕著に得られる観点からは、正極バインダとしてPTFEを用いることがより好ましい。
【0068】
また、正極バインダは、上記のうちの1種を単独で用いてもよく、あるいは、2種を組み合わせて用いてもよい。
正極10中の正極バインダの含有量は、例えば、1~20質量%とすることができる。
【0069】
正極10の大きさは、非水電解質二次電池1の大きさに応じて決定される。
また、正極10の厚さも、非水電解質二次電池1の大きさに応じて決定され、非水電解質二次電池1が、各種電子機器向けのコイン型のものであれば、例えば、300~1000μm程度とされる。
【0070】
正極10は、従来公知の製造方法により製造できる。
例えば、正極10の製造方法としては、正極活物質と、必要に応じて正極導電助剤、及び/又は、正極バインダとを混合して正極合剤とし、この正極合剤を任意の形状に加圧成形する方法が挙げられる。
上記の加圧成形時の圧力は、正極導電助剤の種類等を勘案して決定され、例えば0.2~5ton/cmとすることができる。
【0071】
正極集電体14としては、従来公知のものを用いることができ、炭素を導電性フィラーとする導電性樹脂接着剤等が挙げられる。
【0072】
(負極)
本実施形態の非水電解質二次電池1においては、負極20として、チタン酸リチウム(LiTi12)からなる負極活物質と、グラファイトからなる導電助剤と、バインダとを含むものを用いる。
【0073】
負極20に、チタン酸リチウムからなる負極活物質を用いるとともに、正極10として、コバルト酸リチウムからなる正極活物質を含むものを用いることで、動作電圧が2V以上と高く、また、高容量であるCTL電池を構成することができる。
【0074】
負極活物質としてチタン酸リチウムを用いる場合、その粒子径(D50)は、特に限定されず、例えば、3~7μmが好ましく、4~6μmがより好ましい。
負極活物質の粒子径(D50)が、上記好ましい範囲の下限値未満であると、非水電解質二次電池が高温に曝された際に反応性が高まるために扱いにくくなり、また、上限値を超えると、放電レートが低下するおそれがある。
【0075】
負極20中の負極活物質の含有量は、非水電解質二次電池1に要求される放電容量等を勘案して決定され、50質量%以上が好ましく、60~80質量%がより好ましい。
負極20において、上記材料からなる負極活物質の含有量が、上記好ましい範囲の下限値以上であれば、充分な放電容量が得られやすく、また、上限値以下であれば、負極20を成形しやすい。
【0076】
負極20は、導電助剤(以下、負極20に用いられる導電助剤を「負極導電助剤」ということがある)として、グラファイトを、負極20の全質量に対して7質量%以上10質量%未満で含む。本実施形態の非水電解質二次電池1は、正極10における正極活物質としてコバルト酸リチウムを、負極20における負極活物質としてチタン酸リチウムをそれぞれ用い、さらに、負極中に含まれるグラファイト(導電助剤)の含有量を上記範囲に制限することで、非水電解質二次電池1としての充分な容量を確保しつつ、負極中における電流の流れが良好になる。これにより、小型サイズであっても、充分な放電容量が得られ、且つ、大電流を供給することが可能になる。
【0077】
なお、負極20中におけるグラファイト(導電助剤)の含有量が7質量%未満だと、導電性が低下し、放電電流特性も低下する。
一方、負極20中におけるグラファイト(導電助剤)の含有量が10質量%以上だと、負極20中における負極活物質の含有量が相対的に減少するため、放電容量が低下する。
また、上記の作用がより顕著に得られる観点から、負極10中における、グラファイトからなる導電助剤の含有量は、負極20の全質量に対して8~9質量%の範囲であることがより好ましい。
【0078】
負極20は、バインダ(以下、負極20に用いられるバインダを「負極バインダ」ということがある)を含有する。
負極バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸(PA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド(PI)、ポリイミドアミド(PAI)等が挙げられ、中でも、PA等のアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。
【0079】
また、負極バインダは、1種を単独で用いてもよく、あるいは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、負極バインダにPAを用いる場合には、このPAを、予め、pH3~10に調整しておくことが好ましい。この場合のpHの調整には、例えば、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物や水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属水酸化物を用いることができる。
負極20中の負極バインダの含有量は、例えば1~20質量%とされる。
【0080】
なお、負極20の大きさ、厚さについては、正極10の大きさ、厚さと同様である。
【0081】
負極20を製造する方法としては、例えば、負極活物質として上記材料を用い、必要に応じて負極導電助剤、及び/又は、負極バインダとを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤を任意の形状に加圧成形する方法を採用することができる。
この場合の加圧成形時の圧力は、負極導電助剤の種類等を勘案して決定され、例えば0.2~5ton/cmとすることができる。
【0082】
また、負極集電体24は、正極集電体14と同様の材料を用いて構成することができる。
【0083】
(セパレータ)
セパレータ30は、正極10と負極20との間に介在され、大きなイオン透過度を有するとともに耐熱性に優れ、かつ、所定の機械的強度を有する絶縁膜が用いられる。
セパレータ30としては、従来から非水電解質二次電池のセパレータに用いられ、上記特性を満たす材質からなるものを何ら制限無く適用でき、例えば、アルカリガラス、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、鉛ガラス等のガラス、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド、ポリイミド(PI)、アラミド、セルロース、フッ素樹脂、セラミックス等の樹脂からなる不織布や繊維等が挙げられる。セパレータ30としては、上記の中でも、ポリプロピレン(PP)樹脂のような多孔性高分子材料からなるものが、充分な機械強度を確保しながら、大きなイオン透過度を有するセパレータが得られ、非水電解質二次電池の内部抵抗が低減されて放電容量がさらに向上することから、特に好ましい。
セパレータ30の厚さは、非水電解質二次電池1の大きさや、セパレータ30の材質等を勘案して決定され、例えば、5~300μm程度とすることができる。
【0084】
[非水電解質二次電池の用途]
本実施形態の非水電解質二次電池1は、上述したように、小型サイズであっても、充分な放電容量が得られ、且つ、大電流を供給することが可能なものなので、例えば、アラーム等の各種機能を備えたウォッチや、各種小型電子機器等の電源用途において好適に用いられる。
【0085】
[作用効果]
以上説明したように、本発明の実施形態である非水電解質二次電池1によれば、正極10における正極活物質としてコバルト酸リチウムを、負極20における負極活物質としてチタン酸リチウムをそれぞれ用い、さらに、負極20中に含まれるグラファイトからなる導電助剤の含有量を7質量%以上10質量%未満に規定している。これにより、非水電解質二次電池としての充分な容量が確保されつつ、負極20中における電流の流れが良好になるので、小型サイズであっても、充分な放電容量が得られ、且つ、大電流を供給することが可能になる。
【実施例
【0086】
次に、本発明の実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお本発明は、本実施例によってその範囲が制限されるものではなく、本発明に係る非水電解質二次電池は、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【0087】
[実験例1~6]
実験例1~6においては、非水電解質二次電池として、図1に示すようなコイン型の非水電解質二次電池を作製した。なお、本実施例では、正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO)、負極活物質としてチタン酸リチウム(LiTi12)を用いて、図1に示す断面図において、外径が6.8mm、厚さが2.1mmのコイン型(621サイズ)の非水電解質二次電池(リチウム二次電池)を作製し、放電特性を評価した。
【0088】
(電池の作製)
正極10として、まず、市販のコバルト酸リチウム(LiCoO)に、導電助剤としてグラファイトを、バインダとしてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を、コバルト酸リチウム:グラファイト:PTFE=93:6:1(質量比)の割合で混合して正極合剤とした。
次いで、得られた正極合剤35mgを、2ton/cmの加圧力で加圧成形し、直径4.0mmの円盤形ペレットに加圧成形した。
【0089】
次に、得られたペレット(正極10)を、ステンレス鋼(NAS64:t=0.20mm)製の正極缶12の底面12cに、炭素を含む導電性樹脂接着剤を用いて接着し、これらを一体化して正極ユニットを得た。その後、この正極ユニットを、大気中で120℃・11時間の条件で減圧加熱乾燥した。
そして、そして、正極ユニットにおける正極缶12の開口部12aの内側面にシール剤を塗布した。
【0090】
次に、負極20として、まず、市販のチタン酸リチウム(LiTi12)を負極活物質として準備し、この負極活物質に、導電剤としてグラファイトを、バインダとしてアクリル系ポリマー(和光純薬工業株式会社製・HW105)を混合して負極合剤とした。この際、混合比{チタン酸リチウム:グラファイト:アクリル系ポリマー}を、質量比で、それぞれ、{97:2:1}(グラファイト:2%;実験例1)、{95:4:1}(グラファイト:4%;実験例2)、{93:6:1}(グラファイト:6%;実験例3)、{90:8:2}(グラファイト:8%;実験例4)、{88:10:2}(グラファイト:10%;実験例5)、{86:12:2}(グラファイト:12%;実験例6)とした。
次いで、得られた負極合剤26mgを、それぞれ、2ton/cm加圧力で加圧成形し、直径3.8mmの円盤形ペレットに加圧成形した。
【0091】
次に、得られたペレット(負極20)を、それぞれ、ステンレス鋼(SUS304-BA:t=0.20mm)製の負極缶22の内面に、炭素を導電性フィラーとする導電性樹脂接着剤を用いて接着し、これらを一体化して負極ユニットを得た。その後、この負極ユニットを、大気中で160℃・11時間の条件で減圧加熱乾燥した。
【0092】
上述したように、本実施例においては、図1中に示す正極集電体14及び負極集電体24を設けず、正極缶12に正極集電体の機能を持たせるとともに、負極缶22に負極集電体の機能を持たせた構成として、非水電解質二次電池作製した。
【0093】
次に、ポリプロピレン樹脂からなる不織布を、直径7mmの円盤型に打ち抜いてセパレータ30とした。そして、このセパレータ30を負極20上に載置し、負極缶22の開口部に、ポリプロピレン製のガスケット40を配置した。
【0094】
次に、以下の配合比率(体積%)に従って有機溶媒を調整し、この有機溶媒に支持塩を溶解させることで電解液を調整した。この際、有機溶媒として、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、及び、エチルメチルカーボネート(EMC)、体積比で{PC:EC:EMC}={1:1:3}の割合で混合することで、混合溶媒を調整した。また、有機溶媒に溶解させる支持塩として、六フッ化燐酸リチウム(LiPF)を用いた。
そして、正極缶12及び負極缶22に、上記手順で調整した電解液50を、電池1個あたりの合計で40μL充填した。
【0095】
次に、セパレータ30が正極10に当接するように、負極ユニットを正極ユニットにかしめた。この際、正極缶12の開口部12aにおけるかしめ先端部12bを、負極缶22の先端部22aよりも、負極缶22の内側方向に配置するとともに、正極缶12の側面部12dが、開口部12a側において曲面状となるようにかしめ加工を行った。
【0096】
そして、正極缶12の開口部を嵌合することで正極缶12と負極缶22とを密封した後、25℃で7日間静置して、実験例1~6の非水電解質二次電池を作製した。
【0097】
(放電電圧及び放電電流の評価)
上記手順で得られた実験例1~6の非水電解質二次電池に対して、以下に説明するような試験を行うことにより、放電開始時から所定時間後の放電電圧、及び、放電開始時から所定電圧に低下するまでの時間を調べ、評価した。
具体的には、まず、得られた非水電解質二次電池を、25℃の環境下、定電流1mA(放電電流)で電圧1.5Vになるまで放電し、次いで、25℃の環境下、電圧2.3Vで48時間印加した。
【0098】
その後、-10℃の低温環境下、定電流1mA(放電電流)で放電し、10秒後の放電電圧(V)を調べた。
また、上記とは別に、-10℃の低温環境下、定電流1mA(放電電流)で放電し、放電電圧(V)が1.4V、及び、1.2Vになるまでの時間を調べた。
【0099】
そして、上記の結果を下記表1に示すとともに、負極におけるグラファイト(導電助剤)の含有量と、各放電電圧又は放電時間との関係について、図2~4のグラフに示した。ここで、図2は、負極におけるグラファイトの含有量と、放電開始から10秒後の電圧との関係を示すグラフである。また、図3は、負極におけるグラファイトの含有量と、放電開始から電圧が1.4Vとなるまでの時間との関係を示すグラフである。また、図4は、負極におけるグラファイトの含有量と、放電開始から電圧が1.2Vとなるまでの時間との関係を示すグラフである。
【0100】
【表1】
【0101】
(放電容量の評価)
上記手順で得られた実験例1~6の非水電解質二次電池に対して、以下に説明するような試験を行うことにより、所定電圧になるまで放電したときの容量を測定した。
具体的には、まず、非水電解質二次電池を電圧1.5Vになるまで放電し、次いで、25℃の環境下、電圧2.3Vで48時間印加した。
【0102】
その後、実験例1~6の非水電解質二次電池について、-10℃の低温環境下、定電流1mA(放電電流)で電圧が1.5Vになるまで放電したときの容量を測定し、この値を放電容量(mAh)として下記表2中に示した。
【0103】
【表2】
【0104】
[実験例7~14]
実験例7~14においては、正極10として、平均粒子径(D50)が5.8μmである市販のコバルト酸リチウム(LiCoO)を正極活物質に用いるとともに、平均粒子径(D50)、正極活物質との平均粒子径(D50)の比、及び比表面積が下記表3中に示す値とされたグラファイトを導電助剤に用いたものを準備した。また、バインダとしてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用い、コバルト酸リチウム:グラファイト:PTFE=90:8:2(質量比)の割合で混合して正極合剤とし、正極10を作製した。
なお、実験例7においては、正極10に含まれる導電助剤として、グラファイトからなる繊維径が150nmのカーボンナノチューブを用いているため、下記表3中の平均粒子径(D50)及び正極活物質との平均粒子径(D50)の比の欄においては、記載を省略している。
【0105】
また、負極20として、上記同様、市販のチタン酸リチウム(LiTi12)を負極活物質に用い、この負極活物質に、導電剤としてグラファイトを、バインダとしてアクリル系ポリマー(和光純薬工業株式会社製・HW105)を混合した負極合剤を用いたものを準備した。この際、混合比{チタン酸リチウム:グラファイト:アクリル系ポリマー}を、質量比で、それぞれ、{88:10:2}(グラファイト:10%)とし、負極20を作製した。
そして、上記の点以外については、実験例1~6と同様の手順及び条件により、図1に示すようなコイン型の非水電解質二次電池(リチウム二次電池)を作製した。
【0106】
また、実験例7~14の非水電解質二次電池について、上記同様、25℃の環境下、定電流1mA(放電電流)で電圧1.5Vになるまで放電し、次いで、25℃の環境下、電圧2.3Vで48時間印加した。
その後、-10℃の低温環境下、定電流3mA(放電電流)で放電し、10秒後の放電電圧(V)を調べ、この結果を下記表3に示した。
【0107】
【表3】
【0108】
[評価結果]
表1及び図2のグラフに示すように、正極における正極活物質としてコバルト酸リチウムを、負極における負極活物質としてチタン酸リチウムをそれぞれ用いた非水電解質二次電池において、負極中に含まれるグラファイトの含有量が7質量%以上であることで、定電流1mA(放電電流)での放電開始から10秒後の放電電圧が約1.35V以上と、充分に高い電圧を確保できることがわかる。また、表1及び図3,4のグラフに示すように、負極中に含まれるグラファイトの含有量が7質量%以上であることで、定電流1mA(放電電流)での放電による、放電電圧が1.4Vまで低下する時間が約10秒以上、放電電圧が1.2Vまで低下する時間が約20秒以上であり、定電流での放電開始から長時間にわたり、所定の放電電圧を確保できることがわかる。
【0109】
また、表2に示すように、負極中に含まれるグラファイトの含有量が10質量%未満であることで、放電後の容量維持率に優れ、大容量を確保できることがわかる。
【0110】
また、表3に示すように、正極10に含まれる導電助剤の平均粒子径(D50)が、正極活物質の平均粒子径(D50)よりも小さな粒子径である実験例8,9は、導電助剤の平均粒子径(D50)が正極活物質の平均粒子径(D50)よりも大きな粒子径である実験例10~14に比べて、放電後の電圧降下が小さいことが確認できた。
また、正極10に含まれる導電助剤の比表面積が13m/g以上である実験例7~9は、導電助剤の比表面積が13m/g未満である実験例10~14に比べて、放電後の電圧降下が小さいことが確認できた。
これにより、本発明に係る非水電解質二次電池においては、特に、導電助剤の平均粒子径(D50)又は比表面積を特定の範囲に制限した場合には、重負荷特性、即ち、大電流における放電特性がさらに向上することが明らかである。
【0111】
以上説明した実施例の結果より、正極における正極活物質としてコバルト酸リチウムを、負極における負極活物質としてチタン酸リチウムをそれぞれ用いた非水電解質二次電池において、負極中に含まれるグラファイトの含有量が7質量%以上10質量%未満であることで、充分な放電容量が得られ、且つ、大電流を供給することが可能になることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【0112】
本発明の非水電解質二次電池によれば、上記構成を採用することで、小型サイズであっても、充分な放電容量が得られ、且つ、大電流を供給することが可能になる。従って、本発明を、例えば、アラーム等の各種機能を備えたウォッチや、各種小型電子機器等の分野において用いられる非水電解質二次電池に適用することで、各種機器類の性能向上にも貢献できるものである。
【符号の説明】
【0113】
1…非水電解質二次電池、
2…収納容器、
10…正極、
12…正極缶
12a…開口部、
12b…かしめ先端部、
12c…底部、
12d…側面部
14…正極集電体、
20…負極、
22…負極缶、
22a…先端部、
24…負極集電体、
30…セパレータ、
40…ガスケット、
41…環状溝、
50…電解液
図1
図2
図3
図4