JP7313391B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
容器は、電解液と電極体と多孔質部材とを収納している。容器は天面と底面と側面とを含む。底面は天面と対向している。側面は天面と底面とを接続している。
電極体は正極板と負極板とセパレータとを含む。セパレータは正極板と負極板とを分離している。電極体の輪郭面は、第1領域と第2領域とを含む。第1領域においては、正極板および負極板の少なくとも一方が露出している。第2領域においては、正極板および負極板が露出していない。第1領域および第2領域の少なくとも一方は、第3領域を含む。第3領域は、底面に面している。
多孔質部材は、輪郭面に沿って、底面と天面とを結ぶ方向に延びる部分を含む。多孔質部材は、第1領域の少なくとも一部を覆っている。
下記式(A)、(B)および(C):
5.00×10-2<Vp/Ve<2.00×10-1 …(A)
2.00×10-1<Sp1/Se1 …(B)
Sp2/Se2<1.00×10-1 …(C)
の関係が満たされている。
上記式(A)中、Veは電極体の体積を示す。Vpは多孔質部材の体積を示す。
上記式(B)中、Se1は第1領域の面積を示す。Sp1は、多孔質部材と第1領域との接触面積を示す。
上記式(C)中、Se2は第2領域の面積を示す。Sp2は、多孔質部材と第2領域との接触面積を示す。
2.00<Sp1/Ve …(D)
の関係がさらに満たされていてもよい。
Sp4/Se3<5.00×10-1 …(E)
の関係がさらに満たされていてもよい。
上記式(E)中、Se3は第3領域の面積を示す。Sp4は、多孔質部材と第3領域との接触面積を示す。
5.00×10 -1<Sp3/Ve …(F)
の関係がさらに満たされていてもよい。
上記式(F)中、Sp3は多孔質部材と底面との接触面積を示す。
本明細書において、「備える、含む(comprise, include)」、「有する(have)」およびこれらの変形〔例えば「から構成される(be composed of)」、「包含する(encompass,involve)」、「含有する(contain)」、「担持する(carry, support)」、「保持する(hold)」等〕の記載は、オープンエンド形式である。オープンエンド形式は必須要素に加えて、追加要素をさらに含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。「からなる(consist of)」との記載はクローズド形式である。「実質的に…からなる(consist essentially of)」との記載はセミクローズド形式である。セミクローズド形式は、本技術の目的を阻害しない範囲で、必須要素に加えて追加要素をさらに含んでいてもよい。例えば、本技術の属する分野において通常想定される要素(例えば不可避不純物等)が、追加要素として含まれていてもよい。
本明細書における「二次電池」は、電解液を含み、かつ充電可能な電池を示す。電解液を含み、かつ充電可能である限り、二次電池は任意の電池系であり得る。二次電池は、例えば、非水系電池(リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池等)であってもよいし、水系電池(ニッケル水素電池等)であってもよい。
図1は、第1電池を示す概略図である。
第1電池100は、第1容器110と、第1電解液120と、第1電極体130と、第1多孔質部材140とを含む。
第1容器110は、例えば金属製の缶等であってもよい。第1容器110は、例えば、アルミニウム(Al)合金製であってもよい。第1容器110は、例えば角形(直方体状)であってもよい。第1容器110は、天面110aと底面110bと側面110cとを含む。底面110bは天面110aと対向している。側面110cは天面110aと底面110bとを接続している。例えば、第1容器110は蓋付き容器であってもよい。蓋が天面110aを含んでいてもよい。容器本体が底面110bと側面110cとを含んでいてもよい。第1容器110は密封されていてもよい。例えばレーザ加工により、蓋と容器本体とが接合されていてもよい。蓋には、正極端子111および負極端子112が設けられていてもよい。蓋には、注液孔、ガス排出弁等がさらに設けられていてもよい。第1容器110は、第1電解液120と第1電極体130と第1多孔質部材140とを収納している。
第1電解液120の一部は、第1電極体130に含浸されている。第1電解液120の一部は貯留液である。貯留液は底面110bの少なくとも一部と接触している。貯留液は、側面110cの一部と接触していてもよい。例えば第1電池100がリチウムイオン電池である場合、第1電解液は有機溶媒と支持電解質(リチウム塩等)とを含んでいてもよい。
第1容器110は、1個の第1電極体130を単独で収納していてもよいし、複数個の第1電極体130を収納していてもよい。すなわち第1電池100は、複数個の第1電極体130を含んでいてもよい。第1電池100は、例えば2~5個の第1電極体130を含んでいてもよい。
第1電極体130は積層型である。すなわち第1電極体130は、電極板とセパレータとが交互に積層されることにより形成されている。電極板は正極板と負極板とを含む。正極板および負極板の各々は、例えば、板状、シート状等であってもよい。正極板および負極板の各々は、例えば、矩形状の平面形状を有していてもよい。
第1電極体130の輪郭面は、第1領域130aと第2領域130bとを含む。第1領域130aは露出面である。第1領域130aにおいては、正極板および負極板の少なくとも一方が露出している。すなわち第1領域130aにおいては、正極板および負極板の少なくとも一方の側面が、セパレータから露出している。側面は少なくとも一部が露出していればよい。例えば、正極板または負極板の側面が、セパレータから露出していてもよい。例えば、正極板または負極板が、袋状のセパレータに包まれていてもよい。例えば、正極板および負極板の両方の側面が、セパレータから露出していてもよい。「電極板の側面」は、電極板の主面と交差する端面を示す。電極板の側面は、傾斜していてもよいし、平坦でなくてもよい。XZ平面において、第1領域130aは、第1電極体130の全周にわたって形成されている。
第1領域130aは第3領域130cを含む。すなわち第1領域130aおよび第2領域130bの少なくとも一方は第3領域130cを含む。第3領域130cは、底面110bに面している。すなわち第3領域130cは、底面110b側からZ軸方向と平行な視線で第1電極体130を見た時に見える領域を示す。第1電池100の使用時、第3領域130cは、貯留液と接触していてもよいし、貯留液の液面よりも低い位置にあってもよい。第3領域130cは、底面110bと接触していてもよい。
第1多孔質部材140は第1領域130a(露出面)の少なくとも一部を覆っている。第1多孔質部材140は、実質的に第1領域130aの全部を覆っていてもよい。第1多孔質部材140は、第2領域130b(非露出面)の一部を覆っていてもよい。第1多孔質部材140は、第1電極体130の輪郭面に沿って、高さ方向(Z軸方向)に延びる部分を含む。
第1電池100における「Vp/Ve(無次元量)」は、第1電極体130の体積(Ve)に対する、第1多孔質部材140の体積(Vp)の分率である。第1容器110内に複数個の第1電極体130が収納されている場合、全部の第1電極体130の合計体積がVeとみなされる。Vp/Veは、第1電極体130と第1多孔質部材140との間における、第1電解液120の配分等に影響を与えると考えられる。
第1電池100における「Sp1/Se1(無次元量)」は、第1領域130a(露出面)の面積(Se1)に対する、第1多孔質部材140と第1領域130aとの接触面積(Sp1)の分率である。第1容器110内に複数個の第1電極体130が収納されている場合、全部の第1電極体130における第1領域130aの合計面積がSe1とみなされる。Sp1/Se1が大きい程、第1電解液120が第1電極体130内に戻りやすいと考えられる。
第1電池100における「Sp2/Se2(無次元量)」は、第2領域130b(非露出面)の面積(Se2)に対する、第1多孔質部材140と第2領域130bとの接触面積(Sp2)の分率である。第1容器110内に複数個の第1電極体130が収納されている場合、全部の第1電極体130における第2領域130bの合計面積がSe2とみなされる。Sp2/Se2が大きくなると、帰還経路以外の領域に滞留する電解液が増加すると考えられる。「帰還経路」は、第1電解液120が第1電極体130に戻る経路を示す。
第1電池100における「Sp1/Ve(次元 L-1)」は、第1電極体130の体積(Ve)に対する、第1多孔質部材140と第1領域130a(露出面)との接触面積(Sp1)の分率である。Sp1/Veが大きくなるほど、第1電解液120の帰還経路が多くなることが期待される。第1電池100においては、例えば「式(D):2.00<Sp1/Ve」の関係が満たされていてもよい。後述の第2電池200、第3電池300および第4電池400においても同様である。Sp1/Veは、例えば3.70以上であってもよいし、6.15以上であってもよい。Sp1/Veは、例えば7.41以下であってもよい。Sp1/Veがこれらの範囲内であることにより、例えばサイクル耐久性の改善が期待される。
第1電池100における「Sp4/Se3(無次元量)」は、第3領域130cの面積(Se3)に対する、第1多孔質部材140と第3領域130cとの接触面積(Sp4)の分率を示す。第1電池100の使用時、第3領域130cは、鉛直方向において最も低い位置になり得る。第3領域130cの周囲に滞留する第1電解液120は、第1電極体130に戻り難いと考えられる。Sp4/Se3が小さい程、第1電解液120の滞留量が減少することが期待される。第1電池100においては、例えば「式(E):Sp4/Se3<5.00×10-1」の関係が満たされていてもよい。後述の第2電池200、第3電池300および第4電池400においても同様である。Sp4/Se3は、例えば3.33×10-1以下であってもよいし、0~1.00×10-1であってもよい。
第1電池100における「Sp3/Ve(次元 L-1)」は、第1電極体130の体積(Ve)に対する、第1多孔質部材140と底面110bとの接触面積(Sp3)の分率を示す。接触面積(Sp3)は、第1多孔質部材140と貯留液との実効的な接触面積とも考えられる。第1電池100においては、例えば「式(F):5.00×10-1<Sp3/Ve」の関係が満たされていてもよい。後述の第2電池200、第3電池300および第4電池400においても同様である。Sp3/Veは、例えば、1.03以上であってもよいし、3.70以上であってもよい。Sp3/Veは、例えば、1.07×102以下であってもよいし、4.07×101以下であってもよいし、1.74×101以下であってもよい。
図3は、第2電池を示す概略図である。
第2電池200は、第2容器210と、第2電解液220と、第2電極体230と、第2多孔質部材240とを含む。第2容器210は、前述の第1容器110と同様の構造を有し得る。第2電解液220は、第1電解液120と同様の構成を有し得る。第2電池200は、1個の第2電極体230を単独で含んでいてもよいし、複数個の第2電極体230を含んでいてもよい。
図4は、第2電極体と第2多孔質部材とを示す概略図である。
第2電極体230は巻回型である。例えば電極板とセパレータとが積層されることにより、積層体が形成され得る。さらに積層体が渦巻状に巻回されることにより、第2電極体230が形成され得る。第2電極体230は扁平状に成形されていてもよい。
第2多孔質部材240は第1領域230a(露出面)の一部を覆っている。第2多孔質部材240は、第2電極体230の輪郭面に沿って、高さ方向(Z軸方向)に延びる部分を含む。さらに第2多孔質部材240は、第2電極体230の輪郭面に沿って、幅方向(X軸方向)に延びる部分も含む。第2多孔質部材240は、幅方向に延びる部分において、第1領域230aを覆っている。第2電解液220は、底面210b付近から吸い上げられ、天面210aに対向する第1領域230aから第2電極体230内に戻され得る。
図5は、第3電池を示す概略図である。
第3電池300は、第3容器310と、第3電解液320と、第3電極体330と、第3多孔質部材340とを含む。第3容器310は、前述の第1容器110と同様の構造を有し得る。第3電解液320は、第1電解液120と同様の構成を有し得る。第3電池300は、1個の第3電極体330を単独で含んでいてもよいし、複数個の第3電極体330を含んでいてもよい。
図6は、第3電極体と第3多孔質部材とを示す概略図である。
第3電極体330は巻回型である。正極板と正極端子311との接続部(不図示)は、例えばX軸方向に導出され得る。負極板と負極端子312との接続部(不図示)は、例えばX軸方向に導出され得る。
第3多孔質部材340は第1領域330a(露出面)の一部を覆っている。第3多孔質部材340は、第3電極体330の輪郭面に沿って、高さ方向(Z軸方向)に延びる部分を含む。第3電解液320は、底面310b付近から吸い上げられ、側面310cに対向する第1領域330aから第3電極体330内に戻され得る。
図7は、第4電池を示す第1概略図である。
第4電池400は、第4容器410と、第4電解液(不図示)と、第4電極体430と、第4多孔質部材440とを含む。第4電池400は、1個の第4電極体430を単独で含んでいてもよいし、複数個の第4電極体430を含んでいてもよい。
第4電池400は、いわゆる「パウチ型(ラミネート型とも称される。)」である。第4容器410はパウチを含む。第4容器410は、実質的にパウチからなっていてもよい。パウチは、例えばAlラミネートフィルム製であってもよい。XY平面において、第4容器410の周縁が熱溶着されることにより、第4容器410が密封され得る。
図8は、第4電極体と第4多孔質部材とを示す概略図である。
第4電極体430は積層型である。第4電極体430の輪郭面は、第1領域430aと第2領域430bとを含む。第1領域430aは露出面である。XY平面において、第1領域430aは、第4電極体430の全周にわたって形成されている。第2領域430bは非露出面である。第2領域430bは、電極板の積層方向(図8のZ軸方向)における第4電極体430の両端面である。
第4多孔質部材440は第1領域430a(露出面)の一部を覆っている。第4多孔質部材440は、第4電極体430の輪郭面に沿って、高さ方向(Z軸方向)に延びる部分を含む。第4電解液は、底面410b付近から吸い上げられ、側面410cに対向する第1領域430aから第4電極体430内に戻され得る。
上記式(A)~(C)の関係が満たされる限り、第4多孔質部材440は、例えば、底面410bと第4電極体430(第3領域430c)との間に介在する部分を含んでいてもよい。
《二次電池の製造》
No.1-1~1-3に係る試験電池(リチウムイオン電池)が製造された。No.1-1~1-3に係る試験電池は、第1電池100に従う構造を有していた(図1、図2参照)。第1容器110は、Al合金製の角形缶であった。第1容器110は「W148mm×H91mm×D26.5mm(幅×高さ×奥行)」の外形寸法を有していた。定格容量は50Ahであった。各部の寸法関係は、下記表1に示される。下記表1、2中、例えば「2.44E-04」は「2.44×10-4」を示す。例えば「1.74E+01」は「1.74×101」を示す。
25℃の温度環境下において、充放電サイクルが1000サイクル実施された。1サイクルは下記「充電→休止→放電」の一巡を示す。1000サイクル目の放電容量が、1サイクル目の放電容量で除されることにより、容量維持率が求められた。容量維持率は下記表2に示される。容量維持率が高い程、サイクル耐久性が良好であると考えられる。
休止:60秒
放電:放電電流=1It、カットオフ電圧=2.5V
「1It」は、定格容量を1時間で流し切る電流と定義される。
No.1-1に係る試験電池は良好なサイクル耐久性を示した。No.1-1に係る試験電池においては、上記式(A)~(C)の関係が満たされている。
《二次電池の製造》
No.2-1~2-3に係る試験電池(リチウムイオン電池)が製造された。No.2-1~2-3に係る試験電池は、第2電池200に従う構造を有していた(図3、図4参照)。第2容器210は、Al合金製の角形缶であった。第2容器210は「W148mm×H91mm×D26.5mm(幅×高さ×奥行)」の外形寸法を有していた。定格容量は50Ahであった。各部の寸法関係は、下記表1に示される。
第1試験と同様にサイクル耐久性が評価された。
No.2-1に係る試験電池は良好なサイクル耐久性を示した。No.2-1に係る試験電池においては、上記式(A)~(C)の関係が満たされている。
《二次電池の製造》
No.3-1~3-3に係る試験電池(リチウムイオン電池)が製造された。No.3-1~3-3に係る試験電池は、第3電池300に従う構造を有していた(図5、図6参照)。第3容器310は、Al合金製の角形缶であった。第3容器310は「W148mm×H91mm×D26.5mm(幅×高さ×奥行)」の外形寸法を有していた。定格容量は37Ahであった。各部の寸法関係は、下記表1に示される。
第1試験と同様にサイクル耐久性が評価された。
No.3-1に係る試験電池は良好なサイクル耐久性を示した。No.3-1に係る試験電池においては、上記式(A)~(C)の関係が満たされている。
No.4-1~4-8に係る試験電池(リチウムイオン電池)が製造された。No.4-1~4-5に係る試験電池は、第4電池400に従う構造を有していた(図7、図8参照)。第4容器410はAlラミネートフィルム製のパウチであった。第4容器410は「W90mm×H16mm×D280mm(幅×高さ×奥行)」の外形寸法を有していた。定格容量は50Ahであった。各部の寸法関係は、下記表1に示される。
第1試験と同様にサイクル耐久性が評価された。
No.4-1に係る試験電池は良好なサイクル耐久性を示した。No.4-1に係る試験電池においては、上記式(A)~(C)の関係が満たされている。
Claims (4)
- 容器と電解液と電極体と多孔質部材とを含み、
前記容器は、前記電解液と前記電極体と前記多孔質部材とを収納しており、
前記容器は天面と底面と側面とを含み、
前記底面は、前記天面と対向しており、
前記側面は、前記天面と前記底面とを接続しており、
前記電解液は、有機溶媒と支持電解質とを含み、
前記電極体は、正極板と負極板とセパレータとを含み、
前記セパレータは、前記正極板と前記負極板とを分離しており、
前記電極体の輪郭面は、第1領域と第2領域とを含み、
前記第1領域においては、前記正極板および前記負極板の少なくとも一方が露出しており、
前記第2領域においては、前記正極板および前記負極板が露出しておらず、
前記第1領域および前記第2領域の少なくとも一方は、第3領域を含み、
前記第3領域は、前記底面に面しており、
前記多孔質部材は、前記輪郭面に沿って、前記底面と前記天面とを結ぶ方向に延びる部分を含み、
前記多孔質部材は、前記第1領域の少なくとも一部を覆っており、
前記多孔質部材は、50%以上の空孔率を有し、
式(A)、(B)および(C):
5.00×10-2<Vp/Ve<2.00×10-1 …(A)
2.00×10-1<Sp1/Se1 …(B)
Sp2/Se2<1.00×10-1 …(C)
の関係が満たされており、
前記式(A)中、Veは前記電極体の体積を示し、Vpは前記多孔質部材の体積を示し、
前記式(B)中、Se1は前記第1領域の面積を示し、Sp1は、前記多孔質部材と前記第1領域との接触面積を示し、
前記式(C)中、Se2は前記第2領域の面積を示し、Sp2は、前記多孔質部材と前記第2領域との接触面積を示す、
二次電池。 - 式(D):
2.00<Sp1/Ve …(D)
の関係がさらに満たされている、
請求項1に記載の二次電池。 - 式(E):
Sp4/Se3<5.00×10-1 …(E)
の関係がさらに満たされており、
前記式(E)中、Se3は前記第3領域の面積を示し、Sp4は、前記多孔質部材と前記第3領域との接触面積を示す、
請求項1または請求項2に記載の二次電池。 - 式(F):
5.00×10 -1<Sp3/Ve …(F)
の関係がさらに満たされており、
前記式(F)中、Sp3は前記多孔質部材と前記底面との接触面積を示す、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の二次電池。
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