JP6136027B2 - 電極組立体、これを含む電池セル及びデバイス - Google Patents
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Description
Nn/Pn≦Nn/Pn+1 …[式1]
Nn/Pn≦Nn/Pn+1≦Nn+1/Pn+1≦Nn+1/Pn+2 …[式2]
Nn/Pn+2≦Nn+1/Pn+2 …[式3]
dNn/dPn≦dNn/dPn+1 …[式4]
dNn/dPn≦dNn/dPn+1≦dNn+1/dPn+1≦dNn+1/dPn+2 …[式5]
dNn/dPn+2≦dNn+1/dPn+2 …[式6]
Nn/Pn≦Nn/Pn+1 …[式1]
評価しようとする正極を半電池(Half Cell)にした後、相対電極をリチウム金属で構成し、0.1Cの定電流下で充電して作用電極電位が4.25Vに達したときの電気容量を測定した。その後、測定された電気容量を正極半電池の活物質の重量で割った値を単位重量当たりの正極の充電容量とする。
評価しようとする負極を半電池(Half Cell)にした後、相対電極をリチウム金属で構成し、0.1Cの定電流下で充電して作用電極電位が1.6Vに達したときの電気容量を測定した。その後、測定された電気容量を負極半電池の活物質の重量で割った値を単位重量当たりの負極の充電容量とする。
評価しようとする負極を半電池(Half Cell)にした後、相対電極をリチウム金属で構成し、0.1Cの定電流下で充電して作用電極電位が1.6Vに達した後0.1Cの定電流下で放電して作用電極電位が0Vのときの電気容量を測定した。その後、測定された電気容量を負極半電池の活物質の重量で割った値を単位重量当たりの負極の充電容量とする。
上記のような方式で測定された負極の充電容量と放電容量の差を負極半電池の活物質の重量で割った値である。
1≦Nn/Pn≦Nn/Pn+1 …[式1‐1]
1≦Nn/Pn≦Nn/Pn+1≦1.2 …[式1‐2]
Nn/Pn≦Nn/Pn+1≦Nn+1/Pn+1≦Nn+1/Pn+2 …[式2]
1≦Nn/Pn≦Nn/Pn+1≦Nn+1/Pn+1≦Nn+1/Pn+2 …[式2‐1]
1≦Nn/Pn≦Nn/Pn+1≦Nn+1/Pn+1≦Nn+1/Pn+2≦1.2 …[式2‐2]
Nn/Pn+2≦Nn+1/Pn+2 …[式3]
dNn/dPn≦dNn/dPn+1 …[式4]
0.5≦dNn/dPn≦dNn/dPn+1≦2 …[式4‐1]
0.6≦dNn/dPn≦dNn/dPn+1≦1.9 …[式4‐2]
1.0≦dNn/dPn≦dNn/dPn+1≦1.5 …[式4‐3]
dNn/dPn≦dNn/dPn+1≦dNn+1/dPn+1≦dNn+1/dPn+2 …[式5]
0.5≦dNn/dPn≦dNn/dPn+1≦dNn+1/dPn+1≦dNn+1/dPn+2≦2 …[式5‐1]
0.6≦dNn/dPn≦dNn/dPn+1≦dNn+1/dPn+1≦dNn+1/dPn+2≦1.9 …[式5‐2]
1.0≦dNn/dPn≦dNn/dPn+1≦dNn+1/dPn+1≦dNn+1/dPn+2≦1.5 …[式5‐3]
dNn/dPn+2≦dNn+1/dPn+2 …[式6]
正極活物質としてLiCoO2、バインダーとしてPVDF(PolyVinyliDene Fluoride)を用い、上記正極活物質とバインダーをN‐メチル‐2‐ピロリドン(N‐Methyl‐2‐Pyrrolidone、NMP)に溶かした後、ミキシングして正極ペーストを製造した。上記正極ペーストを15μmの厚さのアルミニウムホイル集電体の両面に塗布した後、150℃のオーブンで乾燥しプレスして正極Aを製造した。製造された正極Aは、厚さが100μm、空隙率が21%、可逆容量が335mAhであった。
正極の厚さが110μmとなるようにした点を除いて製造例1と同じ方法で正極Bを製造した。製造された正極Bは、厚さが110μm、空隙率が21%、可逆容量が375mAhであった。
負極活物質として天然黒鉛と人造黒鉛をブレンドした材料、バインダーとしてスチレン‐ブタジエンゴム(Styrene‐Butadiene Rubber、SBR)及びカルボキシメチルセルロース(Carboxymethyl Cellulose、CMC)を用い、上記負極活物質とバインダーを蒸留水に溶かした後に混合して負極ペーストを製作した。このように得られたペーストを10μmの厚さの銅ホイル集電体の両面に塗布した後、100℃のオーブンで熱処理しプレスして負極Aを製造した。製造された負極Aは、厚さが105μm、空隙率が27%、可逆容量が348mAhであった。
負極の厚さが108μmとなるようにした点を除いて製造例3と同じ方法で負極Bを製造した。製造された負極Bは、厚さが105μm、空隙率が27%、可逆容量が359mAhであった。
負極の厚さが118.8μmとなるようにした点を除いて製造例3と同じ方法で負極Cを製造した。製造された負極Cは、厚さが118.8μm、空隙率が27%、可逆容量が400mAhであった。
負極の厚さが90μmとなるようにした点を除いて製造例3と同じ方法で負極Dを製造した。製造された負極Dは、厚さが90μm、空隙率が27%、可逆容量が294mAhであった。
負極の厚さが140μmとなるようにした点を除いて製造例3と同じ方法で負極Eを製造した。製造された負極Eは、厚さが140μm、空隙率が27%、可逆容量が465mAhであった。
正極A及び負極Aを100mm×150mmに裁断した後に分離膜を介在して積層して製造された大面積電極ユニット上に、正極A及び負極Aを80mm×120mmに裁断した後に分離膜を介在して積層して製造された小面積電極ユニットを積層して、電極組立体を製造した。
正極A及び負極Aを100mm×150mmに裁断した後に分離膜を介在して積層して製造された大面積電極ユニット上に、正極A及び負極Bを80mm×120mmに裁断した後に分離膜を介在して積層して製造された小面積電極ユニットを積層して、電極組立体を製造した。
正極A及び負極Bを100mm×150mmに裁断した後に分離膜を介在して積層して製造された大面積電極ユニット上に、正極B及び負極Cを80mm×120mmに裁断した後に分離膜を介在して積層して製造された小面積電極ユニットを積層して、電極組立体を製造した。
正極A及び負極Dを100mm×150mmに裁断した後に分離膜を介在して積層して製造された電極ユニット上に、正極A及び負極Aを80mm×120mmに裁断した後に分離膜を介在して積層して製造された電極ユニットを積層して、電極組立体を製造した。
上記実施例1〜2及び比較例1〜2により製造された電極組立体を500回充放電させた時の電気容量及び厚さ変化を測定した。
正極Aと負極Eを80mm×120mmにそれぞれ裁断した後、分離膜を介在して積層して小面積電極ユニットを製造した。
40、40' 正極
50、50' 負極
60、60' 分離膜
70 シート型分離フィルム
100 電極組立体
110、120、130、210、220、310、320、330、410、420、510、520、530 電極ユニット
710、810、810' 電極単位体
820、820' 電極構造体
900 電池セル
910 電池ケース
920、930 電極リード
Claims (31)
- 面積の相違する2種以上の電極ユニットの組み合わせを含み、前記電極ユニット間に段差が形成されるように積層された電極組立体であって、
前記電極ユニット間の界面において正極と負極が対向するように形成され、n番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの正極および負極の厚さとn+1番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの正極および負極の厚さとが異なり、下記式2−2及び式4−1を満たす、電極組立体。
[数1]
1≦Nn/Pn≦Nn/Pn+1≦Nn+1/Pn+1≦Nn+1/Pn+2≦1.2 …[式2−2]
[数2]
1.0≦dNn/dPn<dNn/dPn+1≦1.5 …[式4−1]
前記式2−2及び前記式4−1において、nは1以上の整数、Nnはn番目に大きな面積を有する電極ユニットの負極の単位面積当たりの可逆容量、Nn+1はn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットの負極の単位面積当たりの可逆容量、Pnはn番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の単位面積当たりの可逆容量、Pn+1はn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の単位面積当たりの可逆容量、Pn+2はn+2番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の単位面積当たりの可逆容量、dNnはn番目に大きな面積を有する電極ユニットのうち負極の厚さ、dPnはn番目に大きな面積を有する電極ユニットのうち正極の厚さ、dPn+1はn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットのうち正極の厚さである。 - 前記面積の相違する電極ユニット間の界面において相対的に面積の大きい電極ユニットの負極と相対的に面積の小さい電極ユニットの正極が対向するように形成される、請求項1に記載の電極組立体。
- 前記面積の相違する電極ユニット間の界面において対向する正極の単位面積当たりの可逆容量に対する負極の単位面積当たりの可逆容量の比が1以上である、請求項1または2に記載の電極組立体。
- 下記式5を満たす、請求項1から3の何れか1項に記載の電極組立体。
[数3]
dNn/dPn<dNn/dPn+1≦dNn+1/dPn+1≦dNn+1/dPn+2 …[式5]
前記式5において、nは1以上の整数、dNnはn番目に大きな面積を有する電極ユニットの負極の厚さ、dNn+1はn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットの負極の厚さ、dPnはn番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の厚さ、dPn+1はn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の厚さ、dPn+2はn+2番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の厚さである。 - 下記式5‐1を満たす、請求項1から4の何れか1項に記載の電極組立体。
[数4]
1.0≦dNn/dPn<dNn/dPn+1≦dNn+1/dPn+1≦dNn+1/dPn+2≦2 …[式5‐1]
前記式5‐1において、nは1以上の整数、dNnはn番目に大きな面積を有する電極ユニットの負極の厚さ、dNn+1はn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットの負極の厚さ、dPnはn番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の厚さ、dPn+1はn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の厚さ、dPn+2はn+2番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の厚さである。 - 前記電極組立体は、n+2番目に大きな面積を有する電極ユニットがn番目に大きな面積を有する電極ユニットとn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットの間に介在され、下記式6を満たす、請求項4に記載の電極組立体。
[数5]
dNn/dPn+2≦dNn+1/dPn+2 …[式6]
前記式6において、nは1以上の整数、dNnはn番目に大きな面積を有する電極ユニットの負極の厚さ、dNn+1はn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットの負極の厚さ、dPn+1はn+1番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の厚さ、dPn+2はn+2番目に大きな面積を有する電極ユニットの正極の厚さである。 - 面積の相違する3種以上の電極ユニットの組み合わせを含み、
前記電極ユニット間の界面において対向する正極の単位面積当たりの可用容量に対する負極の単位面積当たりの可逆容量の比は同じであるか又は前記電極ユニット間の接触面積が小さくなるほど増加する、請求項1から6の何れか1項に記載の電極組立体。 - 前記正極の空隙率が10〜30%、前記負極の空隙率が15〜50%である、請求項1から7の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極ユニットは、単一電極;少なくとも1個の正極、少なくとも1個の負極、少なくとも1個の分離膜を含む少なくとも1個以上の単位セル;又はこれらの組み合わせからなる、請求項1から8の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記単位セルは、ゼリーロール型、スタック型、ラミネーションアンドスタック型、及びスタックアンドフォールディング型単位セルからなる群から選択される、請求項9に記載の電極組立体。
- 前記電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部又は全部が少なくとも1個のシート型分離フィルムによって覆われている構造からなる、請求項1から10の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記単位セルは、最外郭の両面に配置される電極の極性が同じである、請求項9に記載の電極組立体。
- 前記単位セルは、最外郭の両面に配置される電極の極性が相違する、請求項9に記載の電極組立体。
- 前記電極ユニットのそれぞれは、その断面形状が四角形、少なくとも1個のコーナーが曲線状の四角形又は少なくとも1個以上の辺が曲線状である、請求項1から13の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体は、断面形状の相違する電極ユニットの組み合わせからなる、請求項1から14の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体は、断面形状の同じ電極ユニットの組み合わせからなる、請求項1から14の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極ユニットは少なくとも1個以上の電極タブを有し、前記電極タブは同じ極性の電極同士が電気的に連結される、請求項1から16の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極タブは、相違するサイズを有する、請求項17に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの面積が小さくなる配列で積層される、請求項1から18の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの面積が大きくなる配列で積層される、請求項1から18の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極ユニットのうち面積の最も大きい電極ユニットが前記電極組立体の中間層に配置される配列で積層される、請求項1から18の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が一致する配列で積層されている、請求項1から21の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が所定の間隔で離隔している配列で積層されている、請求項1から21の何れか1項に記載の電極組立体。
- 前記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの1個のコーナーが一致する配列で積層されている、請求項1から23の何れか1項に記載の電極組立体。
- 請求項1から24の何れか1項に記載の電極組立体が電池ケースに内蔵されている、電池セル。
- 前記電池ケースはポーチ型ケースである、請求項25に記載の電池セル。
- 前記電池ケースは、電極組立体の形状に対応する形状からなる、請求項25または26に記載の電池セル。
- 前記電池セルはリチウムイオン二次電池又はリチウムイオンポリマー二次電池である、請求項25から27の何れか1項に記載の電池セル。
- 請求項25から28の何れか1項に記載の電池セルを1個以上含む、デバイス。
- 前記電池セルの剰余空間にデバイスのシステム部品が位置する、請求項29に記載のデバイス。
- 前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピューター、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、LEV(Light Electronic Vehicle)、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車又は電力貯蔵装置である、請求項29または30に記載のデバイス。
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