JP5154753B2

JP5154753B2 - 非水電解質電池および電源装置

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Publication number: JP5154753B2
Application number: JP2006007362A
Authority: JP
Inventors: 琢也中嶋; 雅敏永山; 芳幸村岡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2026-01-16
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Description

本発明は、携帯電話、パソコン等のモバイル分野、電動工具、掃除機等のパワーツール分野、電動自動車、電動産業用車両、電動バイク、電動アシスト自転車、電動車椅子、電動ロボット等の動力分野、ロードレベリング、ピークシフト、バックアップ等のシステム電源分野等に使用される非水電解質電池に関し、より詳しくはその高性能化に関する。

携帯電話、パソコン等のモバイル分野に比べて、電動工具等のパワーツール分野、電動バイク、電動アシスト自転車等の動力分野では電源に対する負荷変動が大きく、また長時間連続使用されるため、高出力で、高容量の電源が求められている。

一般に、電池において高容量と高出力は相反する性能であり、両立させることが難しい。例えば、高容量型二次電池の代表であるリチウムイオン二次電池等の非水電解質電池は０．２Ｃ程度の低負荷で長時間の連続放電が可能であるためモバイル分野等の電源装置として主に利用されているが、前記のような低負荷時の電極面積当たりの電流密度は０．０１Ａ／ｃｍ^２程度に過ぎない。このため、上記のような高容量型の非水電解質電池は電流密度が０．１Ａ／ｃｍ^２以上の大電流での放電が必要とされる電動バイク、電動アシスト自転車等の動力分野等で使用される高負荷用の電源としては不適である。また、上記のような動力分野では頻繁な電源のオン、オフが行われるため大電流のパルス放電特性が重要となるが、モバイル分野等で利用されている高容量型の非水電解質電池では十分なパルス放電容量が得られない。一方、高出力型の電源であるキャパシタ等では大電流放電は可能であるが、容量が極めて小さく長時間の連続放電が難しい。

このため、単一の電池では両特性を満足する電源を得ることが困難であり、長時間小出力型のエネルギー電源と短時間大出力型のパワー電源とを組み合わせて使用するハイブリッド電源装置が提案され、実用化に向けた試みが行われている。例えば、長時間小出力型のエネルギー電源として、鉛電池、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池や燃料電池を用い、短時間大出力型のパワー電源として、キャパシタ（コンデンサ）を用いたハイブリッド電源装置が提案されている（特許文献１〜４）。

特許文献１では、電池と大容量コンデンサと電流制御回路を具備するハイブリッド電源装置が開示されており、負荷電流が大きいときに負荷に流す電池の放電電流が、負荷電流が小さいときに負荷に流す電池の放電電流及びコンデンサへの電池の充電電流との和にできるだけ近くなるように電流制御回路で制御することによって電池の利用効率を高めている。また、特許文献２では、主電池部に並列に補助電源が接続され、その補助電源に電圧昇圧手段が直列に接続されることによって効率よく二次電池に充電する電源が提案されている。また、特許文献３では、燃料電池と、単位二次電池が直列に接続された二次電池とを備え、単位二次電池の残容量検出手段と充電制御手段を組み込んだハイブリッド電源装置が提案されている。さらに、特許文献４では、一対のキャパシタ端子を有する電気二重層キャパシタ、エネルギー貯蔵装置、及び第１と第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとを有するハイブリッド電源装置が提案されている。
特開平８−３０８１０３号公報特開２００４−４８９１３号公報ＷＯ２００２／０２５７６１パンフレット特開２００４−５６９９５号公報

しかしながら、特許文献１〜４で提案されているような従来のハイブリッド電源装置は異種電源や異種部品を組み合わせて用いるため、これら異種電源や異種部品を最適に駆動するための電流制御回路、電圧昇圧手段、残容量検出手段、充電制御手段、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ等の複雑な制御システムが必要であった。

本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、複雑な制御システムを必要とする複数種の電源からなるハイブリッド電源を用いることなく、単一の電池で、長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流のパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決した本発明とは、正極、負極及び非水電解質を有する非水電解質電池であって、前記正極が、容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈ未満の高容量型正極部と容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈ以上の高出力型正極部とを備える非水電解質電池である。

上記構成によれば、低負荷特性に優れる高容量型の正極部と高負荷特性に優れる高出力型の正極部を単一の電池内に内蔵するため、複雑な制御システムの組み込みは不要となる。また、大電流放電時には高出力型正極部がその大電流の大部分を担い、小電流放電時には両正極部から放電されるとともに、両正極部は同一電池内の正極の一部として集電部品を介して接続されているため高容量型正極部から高出力型正極部へ電位平衡が達成される電気量分の充電が行われる。これによって、電池内のリチウムイオンの分布が積極的に均一化され、パルス放電での電圧低下を低減することができる。

また、本発明の非水電解質電池は、前記正極及び負極が捲回された捲回構造の電極体を有し、前記高容量型正極部が前記高出力型正極部よりも電極体の内周側に配置されていることが好ましい。

大電流放電により高出力型正極部でジュール熱が発生するが、前記高出力型正極部を放熱が促進される外周側に配置すれば、熱による影響が防止される。

そして、本発明は、前記非水電解質電池が直列に複数個接続された電源装置である。

本発明の非水電解質電池は高容量、高出力が得られるため、この非水電解質電池を複数個直列に接続した電源装置は動力分野等の高負荷特性、高エネルギー密度が求められる用途に好適に用いることができる。

本発明によれば、単一の電池で、長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流のパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電池を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明の非水電解質電池は、容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈ未満の高容量型正極部と、２００ｃｍ^２／Ａｈ以上の高出力型正極部とを備える正極を有することを特徴とする。

モバイル分野等の低負荷用途で汎用されている正極は容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈ未満の高容量型であり、０．２Ｃでの低負荷の放電特性には優れているが、電動アシスト自転車、電動バイク等の電源として利用される場合、スタート時や坂路では５Ｃ以上の大電流での放電が要求されるため十分な放電が得られ難く、さらに負荷が大きくなると放電ができなくなる。このため、本発明の非水電解質電池は、高負荷時でも十分な放電を可能とすべく容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈ以上の高出力型正極部を正極の一部に配置し、大電流放電時には高出力型正極部がその大電流の大部分を担い、小電流放電時には高容量型正極部と高出力型正極部の両方で放電を行うとともに、集電部品を介して高容量型正極部から高出力型正極部へ電位平衡が達成される電気量分の充電が行われるように構成されている。

また、非水電解質電池で大電流放電を行うと、リチウムイオン濃度が負極近傍で増大し正極近傍で減少して不均一なリチウムイオンの分布が発生する。特に、動力分野では電源の頻繁な電源のオン、オフが繰り返されるため大電流のパルス放電が行われるが、このような場合リチウムイオンの不均一な分布が増幅され、結果として電圧降下が生じパルス放電容量が低下する。本発明の非水電解質電池では高出力型正極部は、放電オン時に大電流放電して不均一分布が生じても、放電オフ時には高容量型正極部から高出力型正極部へ充電が行われるため、等電位の単一の正極のみからなる充電が行われない電池と比較して積極的に電池内のリチウムイオンの分布が均一化される。このため、大電流のパルス放電が繰り返し行なわれても、高容量型あるいは高出力型の正極のみからなる非水電解質電池より電圧降下が低減されパルス放電容量の低下が抑制される。

本発明の高出力型正極部は高容量型正極部よりも電極面積を大きくして電池反応を潤滑化するため、容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈ以上の正極部とする必要がある。極板面積が容量当たり２００ｃｍ^２／Ａｈ未満（すなわち高容量型正極）のみである場合、単位面積当たりの電流密度が大きくなりハイレートの放電が十分得られない。一方、容量当たりの極板面積は大きいほど面積当たりの電流密度が低下するため大電流用途に適しているが、極板の安定な生産を考慮すれば８００ｃｍ^２／Ａｈ以下が好ましい。

本発明において、高容量型正極部、高出力型正極部は正極活物質の種類、正極合剤の組成等を変えることにより調整してもよいが、同一種の正極活物質を用いる場合の簡便な調整方法としては正極活物質の塗工量を変更して正極中の集電体と正極合剤の割合を変更することにより調整することができる。例えば、代表的な正極活物質であるコバルト酸リチウムを用いて容量当たりの極板面積を２００ｃｍ^２／Ａｈ未満とする場合、正極活物質の片面当たりの塗工量を１７．８ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることにより調整できる。また、高出力型正極部として容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈ以上、８００ｃｍ^２／Ａｈ以下の正極部とする場合、正極活物質の片面当たりの塗工量を４．４〜１７．７ｍｇ／ｃｍ^２とすることにより調整できる。

本発明において、高容量型正極部と高出力型正極部の容量当たりの極板面積の差は使用される機器の特性に基づいて適宜選択することができるが、１００ｃｍ^２／Ａｈ以上あることが好ましい。両正極部の容量当たりの極板面積の差を大きくすることにより、電池内のリチウムイオンの不均一な分布がより積極的に均一化されるため好ましい。

本発明の正極に用いられる構成材料としては従来から公知のものを使用することができる。正極活物質としては、具体的には、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等の遷移金属複合酸化物を用いることができる。結着剤としては、具体的には、例えば、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の他、ポリアクリル酸系誘導体ゴム粒子（商品名ＢＭ−５００Ｂ，日本ゼオン（株）社製）等のゴム系結着剤を用いることができる。ＰＴＦＥやＢＭ−５００Ｂが結着剤として使用される場合、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、変性アクリロニトリルゴム（商品名ＢＭ−７２０Ｈ，日本ゼオン（株）社製）等と組み合わせて用いることが好ましい。結着剤と増粘剤の添加量は、特に制限されるものではないが、正極活物質１００質量部当たりの結着剤量が０．１〜５質量部、増粘剤量が０．１〜５質量部であることが好ましい。また、本発明では他の任意成分として導電剤等を添加してもよい。導電剤としては、具体的には、例えば、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック、各種黒鉛等を用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

本発明の高容量型正極部及び高出力型正極部は、それぞれ上記のような正極活物質、結着剤、必要により増粘剤及び導電剤をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の溶媒を用いて混合することによりペーストを調整し、例えば、厚さ１０〜５０μｍのアルミニウム製の集電体上に正極活物質と集電体が各正極部中で所定の厚みとなるように塗布し、乾燥、圧延後、裁断することにより得られる。

本発明の負極に用いられる構成材料としては従来から公知のものを使用することができる。負極活物質としては、具体的には、例えば、各種天然黒鉛、各種人造黒鉛、シリコン含有複合材料、各種合金材料等を用いることができる。結着剤としては、具体的には、例えば、スチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）、ＳＢＲのアクリル酸変性体等を用いることができる。また、本発明では他の任意成分として水溶性高分子からなる増粘剤を併用してもよく、水溶性高分子としては、具体的には、例えば、セルロース系樹脂が挙げられ、その中でもＣＭＣが好ましい。結着剤と増粘剤の添加量は、特に制限されるものではないが、負極活物質１００質量部当たりの結着剤量が０．１〜５質量部、増粘剤量が０．１〜５質量部であることが好ましい。なお、本発明の非水電解質電池は負極容量を正極容量より大きくした正極容量規制とされる。

本発明の負極は、それぞれ上記のような負極活物質、結着剤、必要により増粘剤及び導電剤をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の溶媒を用いて混合してペーストを調整し、例えば、厚さ１０〜５０μｍの銅製の集電体上に所定厚みとなるように塗布し、乾燥、圧延後、裁断することにより得られる。

次に、上記のようにして得られる正極及び負極をセパレータを介して対向させて電極が捲回あるいは積層された構造を有する電極体が作製される。このとき高容量型正極部と高出力型正極部は必ずしも同面積とする必要はなく、使用される機器の特性に応じて正極中の高容量型正極部の占める割合を多くしたり、あるいは逆に高出力型正極部の占める割合を多くしたりすることもできる。また、高容量型正極部、高出力型正極部はそれぞれが２以上に分割されていてもよく、またその分割された各正極部で容量当たりの極板面積が異なっていてもよい。

本発明において、捲回構造の電極体を作製する場合、高容量型正極部が高出力型正極部よりも内周側に配置されていることが好ましい。非水電解質電池のサイクル維持率は、最大放電電流が大きいほど低下する傾向にある。これは、大電流放電においては正極でのジュール発熱が大きく、この熱により電池中心側に位置する正極がより劣化するためである。本発明では高出力型正極部が大電流放電を担うため、高容量型正極部よりも高出力型正極部での発熱が大きくなる。従って、高出力型正極部を電池缶に近い外周側に配置することにより、ジュール熱の外気への放熱が促進されて発熱による影響を低減することができる。

本発明の電極体は、例えば、高容量型正極部と負極とをセパレータを介して捲回し、その高容量型正極部の捲き終わり部分から、さらに高出力型正極部を負極とともにセパレータを介して捲回することにより作製される。

本発明で用いることができるセパレータとしては、融点が２００℃以下の樹脂製微多孔質フィルムが好ましい。これらの中でも、ポリエチレンやポリプロピレンもしくはポリエチレンとポリプロピレンの混合物や共重合体等からなるセパレータがより好ましい。このようなセパレータであれば電池が外部短絡した場合、セパレータが溶融することで電池の抵抗が高くなり、短絡電流が小さくなるため電池が発熱して高温になることを防ぐことができる。なお、セパレータの厚みはイオン伝導性を確保しつつエネルギー密度を維持する観点から、１０〜４０μｍの範囲が好ましい。

上記のようにして作製される電極体は各電極から集電が行われるように集電板と接続される。集電板との接続には、例えば、各電極の幅方向端部で集電体の露出部分を形成しておき、その露出部分と集電板とを多数点で接触させる方法を用いることができる。

本発明で用いることができる非水電解質としては、例えば、非水溶媒にＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４等の各種リチウム塩を溶質として１種または２種以上溶解したものが望ましい。非水溶媒としては、具体的には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等を用いることができる。非水溶媒は、１種を単独で用いることもできるが、２種以上を組み合わせて用いることが好ましい。また、正極および／または負極の活物質表面に皮膜を形成させ過充電時の安定性等を確保するために、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）、またはＶＣやＣＨＢの誘導体等を添加してもよい。なお、本発明の非水電解質は、液体電解質だけでなく、ゲル状または固体電解質を用いてもよい。

本発明の非水電解質電池は上記のようにして作製される電極体及び非水電解質を用い、これらを電池缶内に挿入し、封口する工程を経て作製される。

本発明の非水電解質電池は各種用途の電源として使用される場合、用途の出力要望に対応すべく、例えば、高電圧化のために複数個が直列に接続された電源装置とすることができる。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例
（比較例１）
コバルト酸リチウム３０ｋｇを、呉羽化学（株）製ＰＶＤＦ＃１３２０（固形分１２質量部のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液）１０ｋｇ、アセチレンブラック９００ｇおよび適量のＮＭＰとともに双腕式練合機にて撹拌し、正極ペーストを調整した。このペーストを１５μｍ厚のアルミニウム箔上に集電体と接続される露出部分を形成するため幅方向端部を除いて片面活物質量が３５．３ｍｇ／ｃｍ^２となるように両面に塗布、乾燥し、総厚が２１５μｍとなるように圧延した後、幅５６ｍｍ、長さ４１１ｍｍの寸法に裁断し、正極を作製した。

上記とは別に、人造黒鉛２０ｋｇを、日本ゼオン（株）製のＳＢＲアクリル酸変性体であるＢＭ−４００Ｂ（商品名、固形分４０質量部）７５０ｇ、ＣＭＣ３００ｇおよび適量の水とともに双腕式練合機にて撹拌し、負極ペーストを作製した。このペーストを１０μｍ厚の銅箔上に正極と同様にして幅方向端部の銅箔の露出部分を除いて片面活物質量が１６．０ｍｇ／ｃｍ^２となるように両面に塗布、乾燥し、総厚が２１５μｍとなるように圧延した後、幅５８ｍｍ、長さ４７１ｍｍの寸法に裁断し、負極を作製した。

上記の正極及び負極を、ポリエチレン製微多孔質セパレータ（旭化成社製９４２０Ｇ）を介して捲回し、円筒形の電極体を作製した。この際、電池缶に挿入したときの電極体の蓋面側には正極ペーストが塗布されていない無垢のアルミニウム箔が、底面側には負極ペーストが塗布されていない無垢の銅箔が、それぞれ露出するよう配置した。正極のアルミニウム箔部にはアルミニウム製の集電板（厚み０．３ｍｍ）を、負極の銅箔部には鉄製の集電板（厚み０．３ｍｍ）を溶接した後、直径１８ｍｍ、高さ６８ｍｍの円筒形の電池ケースに電極体を挿入した。その後、ＥＣとＥＭＣとの混合溶媒（体積比１：３）に１．０ＭのＬｉＰＦ_６を溶解させた非水電解質を５ｇ注入し、封口加工を施して、電池ケース内径に対する電極体直径が９５％、理論容量２３００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が１００ｃｍ^２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例２）
比較例１のリチウムイオン二次電池の作製において、正極を片面活物質量が２２．８ｍｇ／ｃｍ^２、圧延後の総厚が１４４μｍ、長さが５３６ｍｍ、負極を片面活物質量が１７．２ｍｇ／ｃｍ^２、総厚が１４１μｍ、長さが５９６ｍｍとなるようにした以外は、比較例１と同様にして理論容量２０００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が１５０ｃｍ^２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例３）
比較例１のリチウムイオン二次電池の作製において、正極を片面活物質量が１７．７ｍｇ／ｃｍ^２、圧延後の総厚が１１５μｍ、長さが６４３ｍｍ、負極を片面活物質量が１５．０ｍｇ／ｃｍ^２、総厚が１１１μｍ、長さが７０３ｍｍとなるようにした以外は、比較例１と同様にして理論容量１８００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例４）
比較例１のリチウムイオン二次電池の作製において、正極を片面活物質量が１１．５ｍｇ／ｃｍ^２、圧延後の総厚が８０μｍ、長さが８５８ｍｍ、負極を片面活物質量が１２．１ｍｇ／ｃｍ^２、総厚が７５μｍ、長さが９１８ｍｍとなるようにした以外は、比較例１と同様にして理論容量１６００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が３００ｃｍ^２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例５）
比較例１のリチウムイオン二次電池の作製において、正極を片面活物質量が８．９ｍｇ／ｃｍ^２、圧延後の総厚が６５μｍ、長さが１０００ｍｍ、負極を片面活物質量が１１．０ｍｇ／ｃｍ^２、総厚が６０μｍ、長さが１０６０ｍｍとなるようにした以外は、比較例１と同様にして理論容量１４００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が４００ｃｍ^２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例６）
比較例１のリチウムイオン二次電池の作製において、正極を片面活物質量が４．４ｍｇ／ｃｍ^２、圧延後の総厚が４０μｍ、長さが１５７２ｍｍ、負極を片面活物質量が８．９ｍｇ／ｃｍ^２、総厚が３４μｍ、長さが１６３２ｍｍとなるようにした以外は、比較例１と同様にして理論容量１１００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が８００ｃｍ^２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例７）
比較例４と比較例５のリチウムイオン二次電池の作製において、各正極および負極の半分の長さの電極を作製した。次に、作製した電極を用いて、まず容量当たりの極板面積３００ｃｍ^２／Ａｈの正極が電極体の内周側に位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回し、その巻き終わりから容量当たりの極板面積４００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回した以外は、比較例１と同様にして理論容量１５００ｍＡｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（比較例８）
比較例５のリチウムイオン電池７セルを直列に接続した組電池を作製した。

（実施例１）
比較例１と比較例３のリチウムイオン二次電池の作製において、各正極および負極の半分の長さの電極を作製した。次に、作製した電極を用いて、まず容量当たりの極板面積１００ｃｍ^２／Ａｈの正極が電極体の内周側に位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回し、その捲き終わりから容量当たりの極板面積２００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回した以外は、比較例１と同様にして理論容量２０５０ｍＡｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例２）
比較例１と比較例４のリチウムイオン二次電池の作製において、各正極および負極の半分の長さの電極を作製した。次に、作製した電極を用いて、まず容量当たりの極板面積１００ｃｍ^２／Ａｈの正極が電極体の内周側に位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回し、その巻き終わりから容量当たりの極板面積３００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回した以外は、比較例１と同様にして理論容量１９５０ｍＡｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例３）
比較例１と比較例５のリチウムイオン二次電池の作製において、各正極および負極の半分の長さの電極を作製した。次に、作製した電極を用いて、まず容量当たりの極板面積１００ｃｍ^２／Ａｈの正極が電極体の内周側に位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回し、その巻き終わりから容量当たりの極板面積４００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回した以外は、比較例１と同様にして理論容量１８５０ｍＡｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例４）
比較例１と比較例６のリチウムイオン二次電池の作製において、各正極および負極の半分の長さの電極を作製した。次に、作製した電極を用いて、まず容量当たりの極板面積１００ｃｍ^２／Ａｈの正極が電極体の内周側に位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回し、その巻き終わりから容量当たりの極板面積８００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回した以外は、比較例１と同様にして理論容量１７００ｍＡｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例５）
実施例４において、電極体の内周側に容量当たりの極板面積８００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置し、外周側に容量当たりの極板面積１００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置するように捲回した以外は、実施例４と同様にして理論容量１７００ｍＡｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例６）
比較例２と比較例６のリチウムイオン二次電池の作製において、各正極および負極の半分の長さの電極を作製した。次に、作製した電極を用いて、まず容量当たりの極板面積１５０ｃｍ^２／Ａｈの正極が電極体の内周側に位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回し、その巻き終わりから容量当たりの極板面積８００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回した以外は、比較例１と同様にして理論容量１５５０ｍＡｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例７）
比較例１と比較例６のリチウムイオン二次電池の作製において、比較例１の２／３の長さの正極及び負極と、比較例６の１／３の長さの正極及び負極を作製した。次に、作製した電極を用いて、まず容量当たりの極板面積１００ｃｍ^２／Ａｈの正極が電極体の内周側に位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回し、その巻き終わりから容量当たりの極板面積８００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回した以外は、比較例１と同様にして理論容量１９００ｍＡｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例８）
比較例１と比較例６のリチウムイオン二次電池の作製において、比較例１の１／３の長さの正極及び負極と、比較例６の２／３の長さの正極及び負極を作製した。次に、作製した電極を用いて、まず容量当たりの極板面積８００ｃｍ^２／Ａｈの正極が電極体の内周側に位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回し、その巻き終わりから容量当たりの極板面積１００ｃｍ^２／Ａｈの正極が位置するように正極及び負極をセパレータを介して捲回した以外は、比較例１と同様にして理論容量１５００ｍＡｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例９）
実施例４のリチウムイオン電池７セルを直列に接続した組電池を作製した。

上記のようにして作製した各リチウムイオン電池について、以下の０．２Ｃ容量、最大パルス放電電流、パルス放電容量、パルス放電効率（パルス放電容量／０．２Ｃ容量）、Ｃレート（最大パルス放電電流／０．２Ｃ容量）、放電電圧、及びサイクル特性を測定し評価した。この結果を表１に示す。

［０．２Ｃ容量］
実施例１〜８及び比較例１〜７の各リチウムイオン電池を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の０．２Ｃ放電を行い、電池電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。また、実施例９及び比較例８の各組電池は電流１Ａで２９．４Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の０．２Ｃ放電を行い、電池電圧が１７．５Ｖに達するまでの容量を測定した。

［最大パルス放電電流］
実施例１〜８及び比較例１〜７の各リチウムイオン電池を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行った。この際、パルス電流値を増加させ、放電開始時に３．０Ｖ以上の電圧を維持可能な最大パルス放電電流を測定した。また、実施例９及び比較例８の各組電池は電流１Ａで２９．４Ｖに達するまで充電を行った後、０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行い、放電開始時に２１．０Ｖ以上の電圧を維持可能な最大放電電流を測定した。

［パルス放電容量］
実施例１〜８及び比較例１〜７の各リチウムイオン電池を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、前記最大電流で０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行い、電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。また、また、実施例９及び比較例８の各組電池は電流１Ａで２９．４Ｖに達するまで充電を行った後、上記の最大パルス電流で０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行い、電源電圧が１７．５Ｖに達するまでの容量を測定した。

［パルス放電効率］
各リチウムイオン電池の０．２Ｃ容量に対するパルス放電容量の百分率をパルス放電効率とした。

［Ｃレート］
各リチウムイオン電池の０．２Ｃ容量に対する最大パルス放電電流をＣレートとして評価した。

［放電電圧］
各リチウムイオン電池の最大パルス放電電流での連続パルス放電中の放電平均電圧を測定した。

［サイクル特性評価］
実施例１〜８及び比較例１〜７の各リチウムイオン電池を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電、最大パルス電流で電圧２．５Ｖまでの連続パルス放電を５００回繰り返し、初期のパルス放電容量に対する５００サイクル後の容量維持率を測定した。また、また、実施例９及び比較例８の各組電池は電流１Ａで２９．４Ｖに達するまで充電を行った後、最大パルス電流で電圧１７．５Ｖまでの連続パルス放電を５００回繰り返し、初期のパルス放電容量に対する５００サイクル後の容量維持率を測定した。

表１に示すように、本発明の実施例１〜８のリチウムイオン二次電池は、それぞれ各電池の高容量型正極部または高出力型正極部に相当する単一の正極を有する比較例１〜６のリチウムイオン二次電池の平均よりも高いパルス放電容量が得られており、高負荷の特性が改善されていることが分かる。これは放電オン時に高出力型正極部が大電流放電し、放電オフ時には高容量型正極部から高出力型正極部に充電が行われるため、いずれか一方の単一の正極のみからなる充電が行われない電池と比較して積極的に電池内のリチウムイオンの分布が均一化されるためである。このため、大電流でのパルス放電が繰り返し行なわれても、高容量型あるいは高出力型の正極のみからなるリチウムイオン二次電池より電圧降下が低減されパルス放電容量の低下が抑制できる。なお、比較例７は容量当たりの極板面積が異なる２種の正極部を有するリチウムイオン二次電池であるが、いずれの正極部も高出力型であるため低負荷での容量も大きくなく、また高負荷でも十分な容量が得られない。

また、実施例４及び５のリチウムイオン二次電池は同一の高容量型正極部と高出力型正極部の両方を有する正極を備えているが、高出力型正極部が外周側に配置された実施例４のリチウムイオン二次電池の方がサイクル特性が優れている。これは、大電流放電により発熱を生じる高出力型正極部が外周部に配置されているため冷却が促進され劣化が抑制されるためである。

さらに、実施例４のリチウムイオン二次電池を複数個直列に接続した組電池である実施例９によれば、高負荷特性を低下することなく高電圧化できることが分かる。

以上説明されたように、本発明の非水電解質電池によれば、単一の非水電解質電池で、複雑な制御システムを使用することなく、長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流でのパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電池を提供することができる。

Claims

正極、負極及び非水電解質を有する非水電解質電池であって、前記正極は、容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈ未満の高容量型正極部と容量当たりの極板面積が２００ｃｍ^２／Ａｈ以上の高出力型正極部とを備え、高容量型正極部と高出力型正極部との容量当たりの極板面積の差は１００ｃｍ^２／Ａｈ以上であり、
前記正極及び負極が捲回された捲回構造の電極体を有し、
前記電極体は、前記高容量型正極部と負極とがセパレータを介して捲回され、前記高容量型正極部の捲き終わり部分から、さらに前記高出力型正極部と負極とがセパレータを介して捲回され、前記高容量型正極部が前記高出力型正極部よりも電極体の内周側に配置されていることを特徴とする非水電解質電池。
請求項１に記載の非水電解質電池が直列に複数個接続された電源装置。