JP2016126888A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
正極集電体の主面に設けられ、かつ、リチウムイオンを吸蔵または放出する正極活物質を含む正極合剤層と、
負極集電体の主面に設けられ、かつ、リチウムイオンを吸蔵または放出する負極活物質を含む負極合剤層と、
前記正極合剤層と前記負極合剤層との間に設けられた電解質層と、
前記正極集電体の主面のうち前記正極合剤層が設けられていない部分から、前記正極合剤層の厚みが漸減する漸減部の表面の一部までの領域を覆う絶縁体と、を備え、
前記正極合剤層の漸減部の表面は、当該表面に引かれた接線と接する少なくとも2つの接点の間において凹んだ形状を有し、
前記絶縁体の端は、前記2つの接点の間に位置する、
リチウムイオン二次電池である。
図1は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の一例の概略を示す斜視図である。図2は、図1に示したリチウムイオン二次電池のI−I線に沿った模式的な断面図である。本実施形態は、ラミネートフィルムで外装されたリチウムイオン二次電池である。
(1−1−1)集電体
集電体は導電性材料から構成され、その両面に活物質層が配置されて電池の電極を構成する。
正極合剤層は正極活物質を含む。正極活物質は、放電時にイオンを吸蔵し、充電時にイオンを放出する組成を有する。好ましい一例としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物であるリチウム−遷移金属複合酸化物が挙げられる。具体的には、LiCoO2等のLi・Co系複合酸化物、LiNiO2等のLi・Ni系複合酸化物、スピネル構造を有するLiMn2O4等のLi・Mn系複合酸化物、LiFeO2等のLi・Fe系複合酸化物およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したもの等が使用できる。これらリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル特性に優れ、低コストな材料である。そのためこれらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することが可能である。この他、前記正極活物質としては、LiFePO4等の遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3等の遷移金属酸化物や硫化物;PbO2、AgO、NiOOH等、を用いることもできる。上記正極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
負極合剤層は負極活物質を含む。負極活物質は、放電時にイオンを放出し、充電時にイオンを吸蔵できる組成を有する。負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵および放出できるものであれば特に制限されないが、負極活物質の例としては、SiやSn等の金属、あるいはTiO、Ti2O3、TiO2、もしくはSiO2、SiO、SnO2等の金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4もしくはLi7MnN等のリチウムと遷移金属との複合酸化物、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Li、または天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボン等の炭素材料等が好ましく挙げられる。上記負極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
本形態に係る電解質層は、セパレータに液体電解質または高分子ゲル電解質が保持されてなる。
セパレータは、電解液を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。本形態のセパレータを構成する材料は、特に制限はなく、従来公知のものを用いることができる。例えば、電解質(特に電解液)を吸収、保持、または担持することができる高分子材料からなる多孔性シートセパレータや、不織布セパレータ等が好適に用いられうる。また、これ以外にも、セルロースやセラミックからなるセパレータを用いてもよい。
液体電解質は、溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解したものである。溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4−メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、およびγ−ブチロラクトン(GBL)等が挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせた混合物として使用してもよい。
図1および図2に示すリチウムイオン二次電池においては、電池外部に電流を取り出す目的で、集電体に電気的に接続されたタブ(正極タブおよび負極タブ)が外装材であるラミネートフィルムの外部に取り出されている。
図1および図2に示すリチウムイオン二次電池1においては、負極端子リード20および正極端子リード21をそれぞれ介して、集電体はタブと電気的に接続されている。リードは、正極合剤層や負極合剤層が設けられていない集電体部分をそのまま延長したものであることが好ましい。
外装材としては、図1に示すようなラミネートフィルム22を外装材として用いて、発電要素10をパックしてもよい。ラミネートフィルムは、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンがこの順に積層されてなる3層構造として構成されうる。そのほか、従来公知の金属缶ケースを用いてもよい。
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池の断面視における正極の端部について説明する。
まず、本実施形態の正極の端部の形状について、図3を参照して説明する。図3は、図2のII線で囲まれた部分の拡大図である。
正極合剤層120は、正極集電体121の主面121aに正極活物質を含む正極合剤のペーストを吐出するコーターを用いて塗着することで形成することができる。漸減部の断面形状は、コーターのノズルから吐出されるペーストの量を調節するバルブを開閉すること(例えば、当該バルブを閉じる速度を調整すること等)によって形成される。
本実施形態の正極の端部では、正極合剤層120の漸減面120bに対して接線を引いた場合に2点と接するように漸減面120bが形成されている。当該接線Tと、漸減面120bとの2点のうち、正極集電体121の主面121a側(つまり、漸減終点Pe側)の接点P1を「第1接点」といい、正極合剤層120の上面120a側(つまり、漸減始点Ps側)の接点P2を「第2接点」という。
一方、正極合剤層120の漸減面120bのうち、漸減始点Psから絶縁体122の第1端122aまでの領域は、絶縁体122によって覆われた面(以下「非被覆面」という)である。第2接点P2は、非被覆面に含まれる。
次に、本実施形態の正極の端部におけるリチウムイオンの動きについて、図3を参照して説明する。
また、正極合剤層120のうち、垂線V1と、漸減始点Psから正極集電体121の主面121aに下ろした垂線V2と、正極集電体121の主面121aと、正極合剤層120の漸減面120bと、によって囲まれる領域A2を「第2領域」という。正極合剤層120の第2領域A2は、非被覆面に対応する。つまり、正極合剤層120の漸減面120bのうち、第2領域A2に対応する部分は絶縁体122によって覆われていない。
また、正極合剤層120のうち、正極合剤層120の上面120aと主面121aとの間の領域A3を「第3領域」という。正極合剤層120の第3領域A3の表面、つまり、正極合剤層120の上面120aは絶縁体122によって覆われていない。
一方、正極合剤層120の第2領域A2に含まれる正極活物質が放出するリチウムイオンは、正極合剤層120の漸減面120bのうち第2領域A2に対応する部分(つまり、非被覆面)から放出される。また、第1領域A1から第2領域A2に移動したリチウムイオンも、正極合剤層120の漸減面120bのうち第2領域A2に対応する非被覆面の一部から放出される。
換言すると、正極合剤層120の漸減面120bのうち第2領域A2に対応する部分(つまり、非被覆面)からは、第2領域A2に含まれる正極活物質からリチウムイオンが放出されるだけでなく、第1領域A1に含まれる正極活物質から移動したリチウムイオンも放出される。
次に、本実施形態の比較例および本実施形態の効果について、図4を参照して説明する。図4は、本実施形態の比較例の正極活物質層の端部の拡大図である。
そのため、本実施形態の第1領域A1および第2領域A2に含まれる正極活物質から放出されるリチウムイオンの量は、本実施形態の比較例の第1領域A1および第2領域A2に含まれる正極活物質から放出されるリチウムイオンの量より少ない。
したがって、本実施形態の第2領域A2から放出されるリチウムイオンの量は、本実施形態の比較例の第2領域A2から放出されるリチウムイオンの量より少ない。
正極合剤層120から放出されたリチウムイオンの量が負極活物質の上限吸蔵量を超えた場合、当該リチウムイオンは、リチウムイオン化合物となって負極の表面に析出する可能性が増大する。 負極の表面に析出したリチウム化合物は、電池性能を低下させる要因になる。すなわち、比較例のリチウムイオン二次電池は、絶縁体122の第1端122aの位置次第では、その電池性能が低下する可能性がある。
これにより、負極の表面にリチウム化合物が析出する可能性を低減することができる。その結果、負極11の表面に析出したリチウム化合物に起因する電池性能の低下を回避することができる。
特に、絶縁体122と正極合剤層120の重複幅を所定寸法確保したまま、第2領域A2から放出されるリチウムイオンの量を少なくできるので、絶縁性を確保したい領域を広くとれる 。
以下、本実施形態の変形例について、図5〜図8を参照して説明する。なお、本実施形態の変形例の正極の端部におけるリチウムイオンの動きについては、本実施形態と同様であるので、説明を省略する。
本実施形態の変形例1の正極の端部の形状について、図5を参照して説明する。図5は、本実施形態の変形例1における図2のII線で囲まれた部分の拡大図である。
・漸減終点Peと第1接点P1が一致する点
・漸減始点Psと第2接点P2が一致する点
・正極合剤層120の漸減面120bは、第1接点P1と第2接点P2との間において凹んだ形状を有し、かつ、2本の線の組み合わせによって構成される点
本実施形態の変形例2の正極の端部の形状について、図6を参照して説明する。図6は、本実施形態の変形例2における図2のII線で囲まれた部分の拡大図である。
・漸減始点Psと第2接点P2が一致する点
・正極合剤層120の漸減面120bは、第1接点P1と第2接点P2との間において凹んだ形状を有し、かつ、2本の線の組み合わせによって構成される点
本実施形態の変形例3の正極の端部の形状について、図7を参照して説明する。図7は、本実施形態の変形例3における図2のII線で囲まれた部分の拡大図である。
・漸減終点Peと第1接点P1が一致する点
・漸減始点Psと第2接点P2が一致する点
・正極合剤層120の漸減面120bは、第1接点P1と第2接点P2との間において凹んだ形状を有し、かつ、円弧によって構成される点
本実施形態の変形例4の正極の端部の形状について、図8を参照して説明する。図8は、本実施形態の変形例4における図2のII線で囲まれた部分の拡大図である。
・第1接点P1と第2接点P2との間に、接線Tに接する第3接点P3が存在する点
これにより、本実施形態と同様に、負極11の表面に析出したリチウム化合物に起因する電池性能の低下を回避することができる。
以下、本実施形態について小括する。
例えば、集電体の一方の面に正極活物質層、他方の面に負極活物質層を形成し、電解質層を介して交互に積層した双極型電池に適用してもよい。
10 :発電要素
11 :負極
12 :正極
13 :電解質層
18 :負極タブ
19 :正極タブ
20 :負極端子リード
21 :正極端子リード
22 :ラミネートフィルム
110 :負極合剤層
111 :負極集電体
120 :正極合剤層
121 :正極集電体
122 :絶縁体
Claims (1)
- 正極集電体の主面に設けられ、かつ、リチウムイオンを吸蔵または放出する正極活物質を含む正極合剤層と、
負極集電体の主面に設けられ、かつ、リチウムイオンを吸蔵または放出する負極活物質を含む負極合剤層と、
前記正極合剤層と前記負極合剤層との間に設けられた電解質層と、
前記正極集電体の主面のうちの前記正極合剤層が設けられていない部分から、前記正極合剤層の厚みが漸減する漸減部の表面の一部までの領域を覆う絶縁体と、を備え、
前記正極合剤層の漸減部の表面は、当該表面に引かれた接線と接する少なくとも2つの接点の間において凹んだ形状を有し、
前記絶縁体の端は、前記2つの接点の間に位置する、
リチウムイオン二次電池。
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