JP3263198B2 - 非水電解質二次電池およびその製造法 - Google Patents
非水電解質二次電池およびその製造法Info
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- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高エネルギー密度を有
する非水電解質二次電池およびその製造法に関するもの
である。
する非水電解質二次電池およびその製造法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】リチウムまたはリチウム化合物を負極と
する非水電解質二次電池は、高電圧で高エネルギー密度
が期待され、盛んに研究がなされている。これまでに、
非水電解質二次電池の正極活物質としてV2O5、Cr2
O5、MnO2、TiS2などが知られている。近年、よ
り高エネルギー密度を有する4ボルト級の非水電解質二
次電池の正極活物質としてLiMn2O4、LiCo
O2、LiNiO2、LiFeO2などが注目されてい
る。特に、LiMn2O4、LiNiO2やLiFeO2は
低コストであることや、原料供給が安定しており、大容
量の非水電解質二次電池の活物質として活発な研究が行
われている。
する非水電解質二次電池は、高電圧で高エネルギー密度
が期待され、盛んに研究がなされている。これまでに、
非水電解質二次電池の正極活物質としてV2O5、Cr2
O5、MnO2、TiS2などが知られている。近年、よ
り高エネルギー密度を有する4ボルト級の非水電解質二
次電池の正極活物質としてLiMn2O4、LiCo
O2、LiNiO2、LiFeO2などが注目されてい
る。特に、LiMn2O4、LiNiO2やLiFeO2は
低コストであることや、原料供給が安定しており、大容
量の非水電解質二次電池の活物質として活発な研究が行
われている。
【0003】一方、負極活物質としては、安全性やレー
ト特性などの点から金属リチウムに代わり、炭素材料が
注目を集めている。特に、黒鉛化度の進んだ黒鉛粉末
は、高容量で、放電電位が金属リチウムに比べ約0.1
V貴であり電池電圧の低下が少ないという特徴を有して
おり、盛んに研究がなされている。
ト特性などの点から金属リチウムに代わり、炭素材料が
注目を集めている。特に、黒鉛化度の進んだ黒鉛粉末
は、高容量で、放電電位が金属リチウムに比べ約0.1
V貴であり電池電圧の低下が少ないという特徴を有して
おり、盛んに研究がなされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】負極に黒鉛粉末などの
リチウムイオンをインターカーレートする物質を用いた
場合、電池の充放電時にリチウムの吸蔵・放出を伴い、
極板の膨張・収縮を繰り返すことにより、極板が緩み、
負極活物質(炭素材料)間の接触が悪くなる。その結
果、極板の集電能力が低下し、電池の充放電サイクルに
伴う容量低下が生じる。この対応策として、負極に繊維
状の黒鉛などを添加し、極板の集電のネットワークを形
成し、極板の集電能力を向上させることも行われている
が、かさ高い繊維状の黒鉛を添加する場合、極板の強度
を高めるため、結着剤の増量が必要となり、電池の絶対
容量の低下を招くなどの問題が残されている。さらに、
繊維状の黒鉛などを添加しても、負極板の膨張・収縮を
抑えることにはならず、長期の充放電サイクルには、い
まだ問題が残されている。
リチウムイオンをインターカーレートする物質を用いた
場合、電池の充放電時にリチウムの吸蔵・放出を伴い、
極板の膨張・収縮を繰り返すことにより、極板が緩み、
負極活物質(炭素材料)間の接触が悪くなる。その結
果、極板の集電能力が低下し、電池の充放電サイクルに
伴う容量低下が生じる。この対応策として、負極に繊維
状の黒鉛などを添加し、極板の集電のネットワークを形
成し、極板の集電能力を向上させることも行われている
が、かさ高い繊維状の黒鉛を添加する場合、極板の強度
を高めるため、結着剤の増量が必要となり、電池の絶対
容量の低下を招くなどの問題が残されている。さらに、
繊維状の黒鉛などを添加しても、負極板の膨張・収縮を
抑えることにはならず、長期の充放電サイクルには、い
まだ問題が残されている。
【0005】もう一つの対応策として、極板群を板バネ
などの加圧部材を用いて加圧することが提案されている
(特開平4−294071号公報)。しかし、この方法
によると、極板群と加圧部材を電槽中に収納する際、圧
迫する必要があり、構造上充分な圧力をかけることは難
しい。加えて、加圧部材に板バネを用いた場合、極板面
に均一に圧力を加えることが困難で、長時間の使用では
板バネの劣化等も生じ、長期の使用には耐えられない。
従って、本発明は、負極に炭素材料を用いる非水電解質
二次電池における極板群加圧手段を改良して、充放電サ
イクル特性を向上することを目的としている。
などの加圧部材を用いて加圧することが提案されている
(特開平4−294071号公報)。しかし、この方法
によると、極板群と加圧部材を電槽中に収納する際、圧
迫する必要があり、構造上充分な圧力をかけることは難
しい。加えて、加圧部材に板バネを用いた場合、極板面
に均一に圧力を加えることが困難で、長時間の使用では
板バネの劣化等も生じ、長期の使用には耐えられない。
従って、本発明は、負極に炭素材料を用いる非水電解質
二次電池における極板群加圧手段を改良して、充放電サ
イクル特性を向上することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して
交互に重ねた極板群と並行に熱膨張性材料および熱硬化
性樹脂を電槽に充填するものである。熱膨張性材料は、
電池封口後の加熱により膨張させる。
に、本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して
交互に重ねた極板群と並行に熱膨張性材料および熱硬化
性樹脂を電槽に充填するものである。熱膨張性材料は、
電池封口後の加熱により膨張させる。
【0007】 熱膨張性の材料としては、実施例に示すも
のの他、アクリロニトリル−塩化ビニリデン系共重合樹
脂、アクリロニトリル−メタクリル酸メチル系共重合樹
脂などの各種熱可塑性樹脂を核とし、その内部にこの樹
脂の軟化点以下の温度でガス化する物質、例えばプロパ
ン、ブタン、ペンタン等の低沸点液体を封入したマイク
ロカプセルなどを用いることができる。前者の熱膨張性
樹脂とともに熱硬化性樹脂を極板群と並行になるように
充填し、加熱により前者の膨張と後者の硬化を行わせる
と、膨張樹脂による電極の圧迫状態を周囲の環境変化に
かかわらず維持できるので有利である。
のの他、アクリロニトリル−塩化ビニリデン系共重合樹
脂、アクリロニトリル−メタクリル酸メチル系共重合樹
脂などの各種熱可塑性樹脂を核とし、その内部にこの樹
脂の軟化点以下の温度でガス化する物質、例えばプロパ
ン、ブタン、ペンタン等の低沸点液体を封入したマイク
ロカプセルなどを用いることができる。前者の熱膨張性
樹脂とともに熱硬化性樹脂を極板群と並行になるように
充填し、加熱により前者の膨張と後者の硬化を行わせる
と、膨張樹脂による電極の圧迫状態を周囲の環境変化に
かかわらず維持できるので有利である。
【0008】
【作用】本発明によれば、正極板と負極板とをセパレー
タを介して交互に重ねた極板群と平行に膨張性材料を配
し、電槽に収納した後、膨張性材料を膨張させ、極板群
を機械的に加圧することができる。従って、電池の充放
電に伴う膨張・収縮による極板の緩みをおさえることが
でき、充放電サイクルに伴う容量低下を抑制することが
できる。さらに、この極板の圧迫は充填した膨張性材料
を膨張させた時から半永久的に継続するため、長期の充
放電サイクル特性においても効果がある。
タを介して交互に重ねた極板群と平行に膨張性材料を配
し、電槽に収納した後、膨張性材料を膨張させ、極板群
を機械的に加圧することができる。従って、電池の充放
電に伴う膨張・収縮による極板の緩みをおさえることが
でき、充放電サイクルに伴う容量低下を抑制することが
できる。さらに、この極板の圧迫は充填した膨張性材料
を膨張させた時から半永久的に継続するため、長期の充
放電サイクル特性においても効果がある。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 [実施例1]図1に示す構造の電池を以下の手順により
作製する。正極活物質であるLiMn1.8Co0.2O
4は、Li2CO3とMn3O4とCoCO3とを5:6:2
のモル比で混合し、900℃で加熱することによって合
成する。これを100メッシュ以下に分級し、その10
0gに対して導電剤の炭素粉末を10g、結着剤のポリ
4フッ化エチレンの水性ディスパージョンを固形分で2
0g加え混練してペースト状にし、チタンの芯材に塗
布、乾燥し、圧延して正極板とする。一方、負極板は、
活物質である黒鉛粉末100gに対して結着剤のポリフ
ッ化ビニリデン20gを加え、さらにジメチルホルムア
ミドを加え、混練してペースト状にし、ニッケルの芯材
に塗布、乾燥し圧延して作製する。
作製する。正極活物質であるLiMn1.8Co0.2O
4は、Li2CO3とMn3O4とCoCO3とを5:6:2
のモル比で混合し、900℃で加熱することによって合
成する。これを100メッシュ以下に分級し、その10
0gに対して導電剤の炭素粉末を10g、結着剤のポリ
4フッ化エチレンの水性ディスパージョンを固形分で2
0g加え混練してペースト状にし、チタンの芯材に塗
布、乾燥し、圧延して正極板とする。一方、負極板は、
活物質である黒鉛粉末100gに対して結着剤のポリフ
ッ化ビニリデン20gを加え、さらにジメチルホルムア
ミドを加え、混練してペースト状にし、ニッケルの芯材
に塗布、乾燥し圧延して作製する。
【0010】上記の正極板1と負極板2とをポリプロピ
レン製のセパレータ3を介して交互に積層し、負極板が
外側に配された極板群を構成し、さらに極板群をはさむ
ように両側に充填材9を配して縦110mm、横70m
m,幅25mmの電槽4に密に挿入する。次に、プロピ
レンカーボネートとエチレンカーボネートとを体積比
1:1の割合で混合した溶媒に1モル/lの過塩素酸リ
チウムを溶解した電解液を注入し、封口板8をケースに
接着する。
レン製のセパレータ3を介して交互に積層し、負極板が
外側に配された極板群を構成し、さらに極板群をはさむ
ように両側に充填材9を配して縦110mm、横70m
m,幅25mmの電槽4に密に挿入する。次に、プロピ
レンカーボネートとエチレンカーボネートとを体積比
1:1の割合で混合した溶媒に1モル/lの過塩素酸リ
チウムを溶解した電解液を注入し、封口板8をケースに
接着する。
【0011】なお、封口板8には負極端子5と正極端子
(図示しない)が設けてあり、これらの端子にはそれぞ
れ負極の芯材、正極の芯材に接続されたリード7、6が
スポット溶接されている。また、充填材9は、吸液膨張
性の樹脂であるポリアクリルアミドを前記セパレータと
同材質のポリプロピレン製の袋に詰め、極板群をはさむ
ように挿入する。上記のようにして作製した電池をAと
する。
(図示しない)が設けてあり、これらの端子にはそれぞ
れ負極の芯材、正極の芯材に接続されたリード7、6が
スポット溶接されている。また、充填材9は、吸液膨張
性の樹脂であるポリアクリルアミドを前記セパレータと
同材質のポリプロピレン製の袋に詰め、極板群をはさむ
ように挿入する。上記のようにして作製した電池をAと
する。
【0012】[比較例1]吸液膨張性材料を充填せず、
その分、幅を20mmと小さくしたケースを用いた他は
実施例1と同様にして電池を作製する。この電池をa1
とする。 [比較例2]黒鉛粉末100gに繊維状黒鉛5gとポリ
フッ化ビニリデン10gを加え、ジメチルホルムアミド
を用いてペースト状にし、これをニッケルの芯材に塗
布、乾燥し、圧延して得た負極を用いた他は比較例1と
同様にして電池を作製する。この電池をa2とする。
その分、幅を20mmと小さくしたケースを用いた他は
実施例1と同様にして電池を作製する。この電池をa1
とする。 [比較例2]黒鉛粉末100gに繊維状黒鉛5gとポリ
フッ化ビニリデン10gを加え、ジメチルホルムアミド
を用いてペースト状にし、これをニッケルの芯材に塗
布、乾燥し、圧延して得た負極を用いた他は比較例1と
同様にして電池を作製する。この電池をa2とする。
【0013】これら作製した電池は充放電電流2A、充
放電電圧範囲4.3V〜3.0Vの条件で充放電サイク
ル試験をした。その結果を図2に示す。ここで、1サイ
クル目の放電容量をC0、nサイクル目の放電容量をCn
として、容量維持率を次のように定義する。 容量維持率(%)=(C0−Cn)/C0 × 100 比較例の電池a1は、充放電サイクルによる容量低下が
激しく、50サイクルにおける容量維持率は48%であ
る。また、比較例の電池a2は、電池a1ほどの容量低
下はないが、100サイクルにおける容量維持率は75
%である。これに対して、本実施例の電池Aは、電池a
1、a2にくらべてサイクル性は非常に良好で、100
サイクルにおける容量維持率は93%である。
放電電圧範囲4.3V〜3.0Vの条件で充放電サイク
ル試験をした。その結果を図2に示す。ここで、1サイ
クル目の放電容量をC0、nサイクル目の放電容量をCn
として、容量維持率を次のように定義する。 容量維持率(%)=(C0−Cn)/C0 × 100 比較例の電池a1は、充放電サイクルによる容量低下が
激しく、50サイクルにおける容量維持率は48%であ
る。また、比較例の電池a2は、電池a1ほどの容量低
下はないが、100サイクルにおける容量維持率は75
%である。これに対して、本実施例の電池Aは、電池a
1、a2にくらべてサイクル性は非常に良好で、100
サイクルにおける容量維持率は93%である。
【0014】[実施例2]この例では、充填材として熱
膨張性樹脂を用いる。熱膨張性材料として、アクリロニ
トリル−酢酸ビニル共重合樹脂を核とし、その内部にプ
ロパンを封入したマイクロカプセルを用いる。このマイ
クロカプセルは、加熱によってその体積が3〜5%程度
増加するものを用いる。体積膨張率が10%を越えるよ
うなマイクロカプセルを用いた場合、マイクロカプセル
の膨張により、電池が破損するおそれがある。電池は実
施例1と同様の方法で作製し、吸液膨張性の樹脂である
ポリアクリルアミドの代わりに、熱膨張性の上記マイク
ロカプセルをポリプロピレン製の袋に詰め、充填する。
電池封口後、この電池を80℃〜90℃の間の温度で約
20分間加熱する。こうして作製した電池をBとする。
ただし、この温度での加熱は、電池自身の性能を低下さ
せる恐れがあるため、できるだけ短い方がよい。
膨張性樹脂を用いる。熱膨張性材料として、アクリロニ
トリル−酢酸ビニル共重合樹脂を核とし、その内部にプ
ロパンを封入したマイクロカプセルを用いる。このマイ
クロカプセルは、加熱によってその体積が3〜5%程度
増加するものを用いる。体積膨張率が10%を越えるよ
うなマイクロカプセルを用いた場合、マイクロカプセル
の膨張により、電池が破損するおそれがある。電池は実
施例1と同様の方法で作製し、吸液膨張性の樹脂である
ポリアクリルアミドの代わりに、熱膨張性の上記マイク
ロカプセルをポリプロピレン製の袋に詰め、充填する。
電池封口後、この電池を80℃〜90℃の間の温度で約
20分間加熱する。こうして作製した電池をBとする。
ただし、この温度での加熱は、電池自身の性能を低下さ
せる恐れがあるため、できるだけ短い方がよい。
【0015】電池Bの前記と同条件における充放電サイ
クル試験の結果を図2に示している。電池Bの100サ
イクルにおける容量維持率は約96%である。本実施例
の電池Bのサイクル性は、実施例1の電池Aよりさらに
良好であることがわかる。すなわち本実施例の充填材
は、実施例1で用いた充填材より硬度が高いため、負極
の膨張・収縮による電極の緩みをより効果的に抑制でき
るものと考えられる。
クル試験の結果を図2に示している。電池Bの100サ
イクルにおける容量維持率は約96%である。本実施例
の電池Bのサイクル性は、実施例1の電池Aよりさらに
良好であることがわかる。すなわち本実施例の充填材
は、実施例1で用いた充填材より硬度が高いため、負極
の膨張・収縮による電極の緩みをより効果的に抑制でき
るものと考えられる。
【0016】[実施例3] 充填材として熱硬化性樹脂と熱膨張性樹脂を混合したも
のを用いた例について説明する。熱硬化性樹脂としては
エポキシ樹脂を用い、熱膨張性樹脂としては実施例2と
同様にアクロニトリル−酢酸ビニル共重合樹脂を核と
し、その内部にプロパンを封入したマイクロカプセルを
用いる。電池は実施例2と同様の方法で作製し、熱膨張
性球体であるマイクロカプセルとエポキシ樹脂の混合比
を体積比で50:50としたものを充填する。電池封口
後、この電池を80℃〜90℃の間の温度で約20分間
加熱する。こうして作製した電池をCとする。電池Cの
充放電サイクル試験結果は図2に示している。電池Cの
100サイクルにおける容量維持率は約96%である。
のを用いた例について説明する。熱硬化性樹脂としては
エポキシ樹脂を用い、熱膨張性樹脂としては実施例2と
同様にアクロニトリル−酢酸ビニル共重合樹脂を核と
し、その内部にプロパンを封入したマイクロカプセルを
用いる。電池は実施例2と同様の方法で作製し、熱膨張
性球体であるマイクロカプセルとエポキシ樹脂の混合比
を体積比で50:50としたものを充填する。電池封口
後、この電池を80℃〜90℃の間の温度で約20分間
加熱する。こうして作製した電池をCとする。電池Cの
充放電サイクル試験結果は図2に示している。電池Cの
100サイクルにおける容量維持率は約96%である。
【0017】次に、電池Bと電池Cについて高温サイク
ル試験を行った。試験条件は60℃の温度雰囲気下、充
放電電流2A、充放電電圧範囲4.3V〜3.0Vであ
る。その結果を図3に示す。図3から明らかなように、
電池Bは電池Cに比べ充放電サイクルに伴う容量低下が
大きいことがわかる。これは、電池Bは60℃の温度で
充填したマイクロカプセルが、若干軟化することによっ
て電極を圧迫できなくなったために生じた結果であると
考えられる。すなわち、電池Cは熱硬化性樹脂も同時に
充填してあるため、高温サイクルにおいても電池Bのよ
うに、電極を圧迫できなくなることがなく、高温サイク
ル特性も良好になったものと思われる。
ル試験を行った。試験条件は60℃の温度雰囲気下、充
放電電流2A、充放電電圧範囲4.3V〜3.0Vであ
る。その結果を図3に示す。図3から明らかなように、
電池Bは電池Cに比べ充放電サイクルに伴う容量低下が
大きいことがわかる。これは、電池Bは60℃の温度で
充填したマイクロカプセルが、若干軟化することによっ
て電極を圧迫できなくなったために生じた結果であると
考えられる。すなわち、電池Cは熱硬化性樹脂も同時に
充填してあるため、高温サイクルにおいても電池Bのよ
うに、電極を圧迫できなくなることがなく、高温サイク
ル特性も良好になったものと思われる。
【0018】以上の実施例では、特定の非水電解質およ
び正極活物質を用いたが、本発明はこれらに限定されな
いことはいうまでもない。さらに、実施例では、電極群
をはさむように膨張材料を充填したが、両側に膨張材料
を充填する必要はなく、極板板群の垂直方向に圧力が加
わればよく、片側でも充分に効果がある。
び正極活物質を用いたが、本発明はこれらに限定されな
いことはいうまでもない。さらに、実施例では、電極群
をはさむように膨張材料を充填したが、両側に膨張材料
を充填する必要はなく、極板板群の垂直方向に圧力が加
わればよく、片側でも充分に効果がある。
【0019】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、炭素材
料を負極とする非水電解質二次電池の充放電サイクル特
性を著しく向上させることができる。
料を負極とする非水電解質二次電池の充放電サイクル特
性を著しく向上させることができる。
【図1】本発明の実施例の角型非水電解質二次電池の縦
断面図である。
断面図である。
【図2】実施例の電池と比較例の電池のサイクル特性を
示した図である。
示した図である。
【図3】実施例の電池の高温サイクル特性を示した図で
ある。
ある。
1 正極板 2 負極板 3 セパレータ 4 電槽 5 負極端子 6 正極リード 7 負極リード 8 封口板 9 膨張材料
フロントページの続き (72)発明者 美藤 靖彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 豊口 ▲吉▼徳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−294071(JP,A) 特開 平5−121101(JP,A) 特開 昭59−158070(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40
Claims (2)
- 【請求項1】 充放電に対して可逆性を有する正極と炭
素材料を主活物質とする負極とをセパレータを介して交
互に重ねてなる極板群、非水電解質、電槽、および前記
極板群と並行に電槽に充填した熱膨張性材料と熱硬化性
樹脂を具備することを特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項2】 充放電に対して可逆性を有する正極と炭
素材料を主活物質とする負極とをセパレータを介して交
互に重ねてなる極板群、および非水電解質を電槽に収納
するとともに、前記極板群と並行に、熱膨張性材料およ
び熱硬化性樹脂を電槽に充填し、封口後加熱する工程を
有することを特徴とする非水電解質二次電池の製造法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21886293A JP3263198B2 (ja) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | 非水電解質二次電池およびその製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21886293A JP3263198B2 (ja) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | 非水電解質二次電池およびその製造法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0773899A JPH0773899A (ja) | 1995-03-17 |
JP3263198B2 true JP3263198B2 (ja) | 2002-03-04 |
Family
ID=16726488
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21886293A Expired - Fee Related JP3263198B2 (ja) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | 非水電解質二次電池およびその製造法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100573097B1 (ko) * | 1999-06-30 | 2006-04-24 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차 전지 |
JP4727021B2 (ja) * | 2000-05-22 | 2011-07-20 | 株式会社クレハ | 電極及びそれを用いた非水系電池 |
CN100527520C (zh) * | 2005-06-14 | 2009-08-12 | 松下电器产业株式会社 | 非水电解质二次电池 |
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