JP6770687B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本発明者が鋭意検討した結果、特許文献1に記載のように、リチウム元素と全遷移金属元素とのモル比(リチウム元素/全遷移金属元素)が大きい正極活物質をリチウムイオン二次電池に用いた場合には、過充電時の温度上昇は抑制できるものの、低温かつ低充電時における出力が低く、一方、リチウム元素と全遷移金属元素とのモル比(リチウム元素/全遷移金属元素)が小さい正極活物質をリチウムイオン二次電池に用いた場合には、低温かつ低充電時における出力が高くなるものの、過充電時の温度上昇の抑制の程度が小さいことを見出した。また、過充電時の温度上昇を抑制するために、リチウムイオン二次電池の電極体の内部に熱容量の大きい部材を配置する方法も考えられるが、このような方法では、低温かつ低充電時における出力が低いことを見出した。
このような構成によれば、過充電時の温度上昇の抑制効果の高い、リチウム以外の金属元素に対するリチウム元素の比の大きい正極活物質を、熱のこもり易い電極体(積層体)の内層部の正極に含有させることができ、また低温かつ低充電時での出力特性に優れる、リチウム以外の金属元素に対するリチウム元素の比の小さい正極活物質を電極体(積層体)の外層部の正極に含有させることができる。したがって、これにより低温かつ低充電時における出力特性と過充電時の温度上昇抑制性とがバランスよく高いリチウムイオン二次電池を提供することができる。
以下、扁平角型のリチウムイオン二次電池を例にして、本発明について詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。
非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。具体例として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F−DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)等が例示される。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4等のリチウム塩(好ましくはLiPF6)を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。
正極活物質層54Aに含まれる正極活物質は、リチウム(Li)とリチウム以外の金属元素(M)とを含有する。正極活物質は、例えば、一般式:LixMO2で表される化合物である(xは好ましくは1≦x<1.25を満たす)。Mは、例えば、Mn,Co,Ni,Al,Fe,Mg,Ti,Cu,Zn,Ga,In,Sn,La,Ta,Ce等からなる群より選ばれる一種または二種以上の金属(特に遷移金属)である。また、正極活物質は、P,Si,F等の非金属元素をさらに含んでいてもよい。正極活物質の具体例としては、LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2(1≦x<1.25)、LixNiO2(1≦x<1.25)、LixCoO2(1≦x<1.25)、LixFeO2(1≦x<1.25)、LixMn2O4(1≦x<1.25)等が挙げられる。
正極活物質層54Aは、活物質以外の成分、例えば導電材やバインダ等を含み得る。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(例、グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。
具体的に例えば、内層部22Aとして、積層体の積層方向の中央部であって全層数(正極シート50A、負極シート60A、セパレータシート70Aの総枚数)のうちの15%以上30%以下の層数(枚数)に該当する部分において、正極シート50Aの正極活物質のLi/M比を、1.15超1.25未満(特に1.18以上1.22以下)にする。そして、外層部24Aとして、残りの部分の正極シート50Aの正極活物質のLi/M比を、1.0以上1.15以下(特に1.0以上1.10以下)にする。
その一例として、内層部22Aとして、積層体の積層方向の中央部であって全層数のうちの20%の層数に該当する部分において、正極シート50Aの正極活物質のLi/M比を、1.20にする。そして、外層部24Aとして、残りの部分、すなわち積層体の積層方向の各側端部であって全層数のうちの40%の層数に該当する部分のそれぞれにおいて、正極シート50Aの正極活物質のLi/M比を、1.05にする。
次に、本実施形態の変形例について説明する。上記の例では、電極体として積層型電極体を用いているが、本変形例では、電極体として捲回電極体を用いる点が異なる。よって、捲回電極体を用いる以外のリチウムイオン二次電池の構成、および電極体を構成する材料は、上記の例と同様であるため、これらの説明については省略し、捲回電極体についてのみ説明する。
電極体20Bは、扁平形状を有しており、その扁平部において捲回軸方向(上記長手方向に直交するシート幅方向)に垂直な方向において、正極50Bと負極60Bとが、セパレータ70Bがその間に介在しつつ積層されている(なお、特に、捲回の始点において、正極50Bまたは負極60Bは、2枚連続で重なっていてもよい)。
このようにして電極体20Bは、正極50B層と、負極60B層と、セパレータ70B層を有する積層体を形成している。電極体20Bの捲回軸方向の両端から外方にはみ出すように、正極活物質層非形成部分52Baと負極活物質層非形成部分62Baとが形成されている。
具体的に例えば、内層部22Bとして、積層体の積層方向の中央部であって全層数(正極50B層、負極60B層、セパレータ60B層の総数)のうちの15%以上30%以下の層数に該当する部分において、正極50Bの正極活物質のLi/M比を、1.15超1.25未満(特に1.18以上1.22以下)にする。そして、外層部24Bとして、残りの部分の正極50B層の正極活物質のLi/M比を、1.0以上1.15以下(特に1.0以上1.10以下)にする。
より具体的に例えば、内層部22Bとして、積層体の積層方向の中央部(すなわち内周部)であって全層数のうちの20%の層数に該当する部分において、正極50B層の正極活物質のLi/M比を、1.20にする。そして、外層部24Bとして、残りの部分、すなわち積層体の外周部であって、全層数のうちの80%の層数に該当する部分において、正極50B層の正極活物質のLi/M比を、1.05にする。
22A,22B 内層部
24A,24B 外層部
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50A,50B 正極シート(正極)
52A,52B 正極集電体
52Aa、52Ba 正極活物質層非形成部分
54A,54B 正極活物質層
60A,60B 負極シート(負極)
62A,62B 負極集電体
62Aa,62Ba 負極活物質層非形成部分
64A,64B 負極活物質層
70A,70B セパレータシート(セパレータ)
100 リチウムイオン二次電池
Claims (1)
- 電極体として正極と負極とセパレータとが積層されている積層体と、
非水電解質と、
を備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極は、正極活物質を含有する正極活物質層を備え、
前記正極活物質は、リチウム(Li)と、リチウム以外の金属元素(M)とを含有し、
前記正極活物質は、Li x MO 2 で表される化合物(xは1≦x<1.25を満たす)であり、
前記積層体の内層部の前記正極の正極活物質に含まれるリチウム以外の金属元素に対するリチウム元素の比(Li/M)が、前記積層体の外層部の前記正極の正極活物質に含まれるリチウム以外の金属元素に対するリチウム元素の比(Li/M)よりも大きいことを特徴とする、
リチウムイオン二次電池。
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