WO2018179897A1 - 非水電解質二次電池及び電池モジュール - Google Patents

非水電解質二次電池及び電池モジュール Download PDF

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WO2018179897A1
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elastic sheet
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electrolyte secondary
secondary battery
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卓也 岡
八木 弘雅
遊馬 神山
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery and a battery module.
  • Patent Document 1 discloses a cylindrical battery in which a gap is formed by disposing a spacer made of a foam between an outer periphery of an electrode body and a battery case in order to allow expansion of the electrode body. Yes. Patent Document 1 describes that by providing the gap, a battery having high capacity and high output, but having high safety and reliability can be obtained.
  • the binding force of the electrode body is weaker than that of a cylindrical battery.
  • the battery case is pressed with a predetermined force from both sides in the stacking direction of the electrodes constituting the electrode body. It is necessary to keep the distance between the electrodes constant. In this case, due to the expansion of the electrode body accompanying charging, a stress that tends to push the battery case outward and a reaction force to counter the stress are generated.
  • reaction force In order to maintain good battery performance, it is important to adjust this reaction force to an appropriate range.
  • the volume change of the electrode body accompanying charging / discharging becomes large, so it is not easy to adjust the reaction force to an appropriate range.
  • the reaction force becomes too large, the electrolytic solution may not easily enter between the electrodes, and the battery reaction may be inhibited. It is also assumed that an internal short circuit is likely to occur.
  • the reaction force becomes too small, the battery reaction becomes non-uniform, which may lead to a decrease in capacity and output, a decrease in cycle life, and the like.
  • An object of the present disclosure is to maintain a reaction force acting on an electrode body in an appropriate range in a non-aqueous electrolyte secondary battery having a square battery case and having a mass energy density of 200 Wh / kg or more, thereby reducing battery performance. It is to suppress.
  • a nonaqueous electrolyte secondary battery which is one embodiment of the present disclosure includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and an electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are stacked with the separator interposed therebetween, and a nonaqueous electrolyte And a rectangular battery case that accommodates the electrode body and the nonaqueous electrolyte, and is a nonaqueous electrolyte secondary battery having a mass energy density of 200 Wh / kg or more.
  • the non-aqueous electrolyte secondary battery further includes a non-foaming elastic sheet interposed between the electrode body and the battery case, and the elasticity at 100% SOC with respect to the thickness (B) of the elastic sheet at SOC 0%.
  • the sheet thickness (A) ratio (A / B) is 0.05 to 0.3.
  • a battery module includes a battery group in which a plurality of the nonaqueous electrolyte secondary batteries are arranged in the stacking direction of the positive electrode and the negative electrode, and an adjacent nonaqueous electrolyte secondary battery, respectively.
  • the reaction force acting on the electrode body can be maintained in an appropriate range, Battery performance can be realized.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 and shows a state where the SOC is 0%.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 and shows a state where the SOC is 100%.
  • the ratio (A / B) of the elastic sheet thickness (A) at SOC 100% to the elastic sheet thickness (B) at SOC 0% is 0.05 to 0.3.
  • the reaction force acting on the electrode body is controlled within an appropriate range. For example, since a reaction force of 0.2 MPa or more can be ensured even during full discharge, it is possible to prevent problems such as non-uniform distance between electrodes and electrode displacement due to vibration. In addition, since the reaction force can be suppressed to 2.0 MPa or less even in a fully charged state, it is possible to prevent problems such as the battery reaction being hindered and the occurrence of an internal short circuit.
  • the elastic sheet a non-foamed sheet that does not absorb or substantially does not absorb the electrolytic solution is used. If the elastic sheet is a porous foam, the electrolyte solution enters and exits, so the response of deformation of the elastic sheet deteriorates especially when using a highly viscous electrolyte solution, and the reaction force must be maintained within an appropriate range. Becomes difficult.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a non-aqueous electrolyte secondary battery 10 which is an example of an embodiment.
  • 2 and 3 are cross-sectional views taken along the line AA in FIG. 1 and show a state where the SOC of the battery is 0% and a state where the SOC of the battery is 100%, respectively.
  • the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 includes an electrode body 11 and a nonaqueous electrolyte (not shown).
  • the electrode body 11 includes a positive electrode 20, a negative electrode 21, and a separator 22, and has a structure in which the positive electrode 20 and the negative electrode 21 are stacked via the separator 22.
  • the electrode body 11 includes a plurality of positive electrodes 20, negative electrodes 21, and separators 22, and has a stacked structure in which the positive electrodes 20 and the negative electrodes 21 are alternately stacked via the separators 22.
  • a laminated structure may be configured by using a single separator 22.
  • the electrode body 11 may have a winding structure in which the positive electrode 20 and the negative electrode 21 are wound in a spiral shape with the separator 22 interposed therebetween.
  • the non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent.
  • Non-aqueous solvents include, for example, esters such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), ethers such as 1,3-dioxolane, and nitriles such as acetonitrile.
  • esters such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), ethers such as 1,3-dioxolane, and nitriles such as acetonitrile.
  • Amides such as dimethylformamide, and a mixed solvent of two or more thereof.
  • the non-aqueous solvent may contain a halogen-substituted product in which at least a part of hydrogen in these solvents is substituted with a halogen atom such as fluorine, for example, fluoroethylene carbonate (FEC), methyl fluoropropionate (FMP), or the like.
  • a halogen atom such as fluorine, for example, fluoroethylene carbonate (FEC), methyl fluoropropionate (FMP), or the like.
  • FEC fluoroethylene carbonate
  • FMP methyl fluoropropionate
  • electrolyte salt for example, a lithium salt such as LiPF 6 is used.
  • the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is a lithium ion battery, for example, and has a mass energy density of 200 Wh / kg or more.
  • An example of the mass energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is 200 Wh / kg to 400 Wh / kg.
  • the mass energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is, for example, a value obtained by dividing the energy obtained by multiplying the average voltage when discharged at a current of 0.2 C by the current capacity value by the mass of the battery.
  • the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 includes a rectangular battery case 14 that houses the electrode body 11 and the nonaqueous electrolyte.
  • the battery case 14 is pressed with a predetermined force from both sides of the positive electrode 20 and the negative electrode 21 in the stacking direction ⁇ (hereinafter may be simply referred to as “stacking direction ⁇ ”), whereby the distance between the electrodes is kept constant.
  • the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is modularized, and is pressed from both sides in the stacking direction ⁇ (see FIG. 4 described later).
  • the stress which tries to push the battery case 14 outward is generated by the expansion of the electrode body 11 accompanying charging, and a reaction force against the stress is generated.
  • the non-aqueous electrolyte secondary battery 10 includes a non-foaming elastic sheet 25 interposed between the electrode body 11 and the battery case 14.
  • the elastic sheet 25 is elastically deformed as the volume of the electrode body 11 changes, and moderates the stress generated by the expansion of the electrode body 11, thereby maintaining the reaction force against the stress in an appropriate range.
  • the ratio (A / B) of the thickness (A) at 100% SOC to the thickness (B) at 0% SOC is 0.05 to 0.3.
  • the states of SOC 100% and 0% differ depending on the type of the battery, but in this embodiment, the state of charge with a battery voltage of 4.30V is changed to SOC 100% (fully charged state), and the battery voltage is 2.5V. Is set to SOC 0% (full discharge state).
  • the battery case 14 is a rectangular metal case constituted by a substantially box-shaped case body 15 and a sealing body 16 that closes the opening of the case body 15.
  • a positive electrode terminal 12 electrically connected to each positive electrode 20 and a negative electrode terminal 13 electrically connected to each negative electrode 21 are provided.
  • a positive lead portion is connected to the positive terminal 12 directly or via another conductive member.
  • the negative electrode lead portion 13 is connected to the negative electrode terminal 13 directly or via another conductive member.
  • the direction in which the positive electrode terminal 12 and the negative electrode terminal 13 are arranged is referred to as a “lateral direction” of the battery case 14 or the like, and the direction orthogonal to the stacking direction ⁇ and the horizontal direction is referred to as “vertical direction”.
  • the case body 15 has a flat shape that is longer in the lateral direction and the vertical direction than the stacking direction ⁇ .
  • the case body 15 and the sealing body 16 are made of, for example, a metal material mainly composed of aluminum, and an electrode body holder may be attached to the inner surface of the case body 15 and the sealing body 16 in order to ensure insulation.
  • the electrode body holder is a plate having a thickness of 0.05 mm to 0.5 mm formed of a resin such as polypropylene.
  • the sealing body 16 has, for example, a substantially rectangular shape that is long in the lateral direction, and its peripheral edge is welded to the peripheral edge of the opening of the case body 15.
  • Through holes are formed on both sides of the sealing body 16 in the lateral direction, and the positive terminal 12 and the negative terminal 13 are inserted into the battery case 14 from the through holes.
  • the positive electrode terminal 12 and the negative electrode terminal 13 are respectively fixed to the sealing body 16 via an insulating member 17 installed in a through hole, for example.
  • the sealing body 16 is provided with a gas discharge mechanism (not shown).
  • FIG. 4 is a perspective view of a battery module 30 configured using a plurality of nonaqueous electrolyte secondary batteries 10.
  • the battery module 30 includes a battery group 31 configured by arranging a plurality of nonaqueous electrolyte secondary batteries 10 in the stacking direction ⁇ , a plurality of spacers 32, and a pair of end plates 33.
  • the spacers 32 are insulating members that are respectively interposed between adjacent nonaqueous electrolyte secondary batteries 10.
  • the end plate 33 is a member that presses the electrode group 31 with a predetermined force from both sides in the stacking direction ⁇ .
  • the pressing force (predetermined force) by the end plate 33 is, for example, 0.1 MPa to 10 MPa.
  • the battery module 30 is fixed to a pair of end plates 33 that sandwich the battery group 31 from both sides in the stacking direction ⁇ (the direction in which the plurality of nonaqueous electrolyte secondary batteries 10 are arranged), and binds the batteries constituting the battery group 31.
  • Bind bars 35 and 36 are provided.
  • the bind bars 35 and 36 have a function of maintaining the battery in a bundled state together with the end plate 33 and holding each battery.
  • the bind bar 35 is attached to one side of the battery group 31 along the stacking direction ⁇ , and the bind bar 36 is attached to the other side of the battery group 31 along the stacking direction ⁇ .
  • the same non-aqueous electrolyte secondary battery 10 is arranged in a different direction, and adjacent batteries are arranged so that the lateral positions of the positive and negative terminals are opposite to each other.
  • the positive electrode terminals 12 and the negative electrode terminals 13 are alternately arranged along the stacking direction ⁇ .
  • the battery module 30 includes a bus bar 34 that electrically connects adjacent nonaqueous electrolyte secondary batteries 10 to each other.
  • each nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is connected in series by the bus bar 34, but the connection form of each battery is not limited to this.
  • the bind bars 35 and 36 are fixed to the pair of end plates 33 and the end plates 33 are pressed against the battery group 31 to bind the nonaqueous electrolyte secondary batteries 10 constituting the battery group 31. Pressing.
  • the end plate 33 is a resin plate, for example, and is formed to be slightly larger than the nonaqueous electrolyte secondary battery 10.
  • bolt holes for fastening the bind bars 35 and 36 are formed in the end plate 33.
  • the volume change of the battery case 14 due to charging / discharging of each battery can be absorbed to some extent by the spacer 32 interposed between the adjacent nonaqueous electrolyte secondary batteries 10. It is difficult to adjust the force to an appropriate range. For example, when the spacer 32 that is elastically deformed greatly like the elastic sheet 25 is used, the distance between the electrode terminals varies greatly between the batteries, which may cause a problem in electrical connection by the bus bar 34. .
  • the positive electrode 20 includes a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer formed on the current collector.
  • a metal foil that is stable in the potential range of the positive electrode 20 such as aluminum, a film in which the metal is disposed on the surface layer, or the like can be used.
  • the positive electrode mixture layer includes a positive electrode active material, a conductive material, and a binder.
  • the positive electrode mixture layer is generally formed on both surfaces of the positive electrode current collector.
  • the positive electrode 20 is formed by applying a positive electrode mixture slurry containing a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and the like onto a positive electrode current collector, drying the coating film, and rolling to collect a positive electrode mixture layer. It can be produced by forming on both sides of the electric body.
  • a lithium-containing transition metal oxide for the positive electrode active material.
  • the metal element constituting the lithium-containing transition metal oxide include magnesium (Mg), aluminum (Al), calcium (Ca), scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), germanium (Ge), yttrium (Y), zirconium (Zr), tin It is at least one selected from (Sn), antimony (Sb), tungsten (W), lead (Pb), and bismuth (Bi). Among these, it is preferable to include at least one selected from Co, Ni, Mn, and Al.
  • Examples of the conductive material include carbon materials such as carbon black (CB), acetylene black (AB), ketjen black, and graphite.
  • Examples of the binder include fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyimide resins, acrylic resins, and polyolefin resins. It is done. These may be used alone or in combination of two or more.
  • the negative electrode 21 includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer formed on the current collector.
  • a metal foil that is stable in the potential range of the negative electrode 21 such as copper, a film in which the metal is disposed on the surface layer, or the like can be used.
  • the negative electrode mixture layer is composed of a negative electrode active material and a binder.
  • the negative electrode mixture layer is generally formed on both surfaces of the negative electrode current collector.
  • the negative electrode 21 is formed by applying a negative electrode mixture slurry containing a negative electrode active material, a binder, and the like onto a negative electrode current collector, drying the coating film, and rolling the negative electrode mixture layer on both sides of the current collector. It can produce by forming to.
  • the negative electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly store and release lithium ions.
  • carbon materials such as natural graphite and artificial graphite, lithium and alloys such as silicon (Si) and tin (Sn), etc. Or an alloy containing a metal element such as Si or Sn, a composite oxide, or the like can be used.
  • a negative electrode active material may be used independently and may be used in combination of 2 or more types.
  • fluorine resin As the binder contained in the negative electrode mixture layer, fluorine resin, PAN, polyimide resin, acrylic resin, polyolefin resin and the like can be used as in the case of the positive electrode 20.
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • CMC carboxymethylcellulose
  • PAA polyacrylic acid
  • PVA polyvinyl alcohol
  • a porous sheet having ion permeability and insulating properties is used.
  • the porous sheet include a microporous thin film, a woven fabric, and a nonwoven fabric.
  • the material of the separator 22 is preferably olefin resin such as polyethylene, polypropylene, a copolymer containing at least one of ethylene and propylene, cellulose, and the like.
  • the separator 22 may be a laminate having a cellulose fiber layer and a thermoplastic resin fiber layer such as an olefin resin.
  • the multilayer separator containing a polyethylene layer and a polypropylene layer may be sufficient, and what applied the aramid resin etc. to the surface of the separator 22 may be used.
  • a heat-resistant layer containing an inorganic compound filler may be formed at the interface between the separator 22 and at least one of the positive electrode 20 and the negative electrode 21.
  • the elastic sheet 25 is preferably arranged in the case body 15 so as to sandwich the electrode body 11 from both sides in the stacking direction ⁇ .
  • the elastic sheet 25 By sandwiching the electrode body 11 from both sides in the stacking direction ⁇ by the elastic sheet 25, the stress generated by the expansion of the electrode body 11 can be efficiently absorbed.
  • the volume of the electrode body 11 changes due to charging / discharging of the battery, and the thickness mainly increases or decreases.
  • the elastic sheet 25 elastically deforms following the change in the thickness of the electrode body 11 and moderates the generated stress appropriately.
  • the elastic sheet 25 may be configured by bending a single sheet so as to sandwich the electrode body 11, but is preferably disposed on each side of the electrode body 11 in the stacking direction ⁇ . It is preferable to use the same sheet for the two elastic sheets 25.
  • the electrode body 11 when manufacturing the non-aqueous electrolyte secondary battery 10, the electrode body 11 is swollen by the electrolytic solution injected into the case body 15, and stress that presses the elastic sheet 25 is generated. Before the electrode body 11 swells, the sum of the thickness of the two elastic sheets 25 and the thickness of the electrode body 11 (the length along the stacking direction ⁇ ) is within the case body 15 along the stacking direction ⁇ . It is set thinner than the dimension (Y). Accordingly, the electrode body 11 sandwiched between the two elastic sheets 25 can be inserted into the battery case 14.
  • the inner dimension of the battery case 14 (case body 15) means an inner dimension along the stacking direction ⁇ .
  • the internal dimension between the electrode body holders along the stacking direction ⁇ is the internal dimension of the battery case 14.
  • the electrode body holder may also serve as the elastic sheet 25.
  • the elastic sheet 25 preferably has a ratio (X / Y) of the thickness (X) of the sheet to the inner dimension (Y) of the battery case 14 (case body 15) of 0.03 to 0.07.
  • the thickness (X) of the elastic sheet 25 means the thickness in the initial state, and is substantially equal to the thickness when the sheet is taken out from the battery case 14 and restored to the original shape.
  • the elastic sheet 25 is arrange
  • the thickness of one elastic sheet 25 is, for example, 0.4 mm to 0.8 mm.
  • the elastic sheet 25 is formed to be slightly larger than the positive electrode 20 and the negative electrode 21 constituting the electrode body 11. And it is preferable that the elastic sheet 25 always exists in the range which overlaps the positive electrode 20 and the negative electrode 21 in the lamination direction (alpha). That is, the positive electrode 20 and the negative electrode 21 do not protrude outward from the upper and lower and left and right ends of the elastic sheet 25. In this case, the generated stress can be efficiently absorbed without causing distortion or damage to the electrode body 11.
  • the ratio (A / B) of the thickness (A) at 100% SOC to the thickness (B) at 0% SOC is 0.05 to 0.3. That is, when the SOC of the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is changed from 0% to 100%, the thickness of the elastic sheet 25 is reduced by at least 70% or more, and is reduced by 95% at the maximum.
  • the thickness ratio (A / B) may be, for example, 0.05 to 0.29, or 0.05 to 0.28.
  • a preferred example of the thickness ratio (A / B) is 0.15 to 0.30.
  • the reaction force acting on the electrode body 11 can be maintained in an appropriate range in both the fully charged state and the fully discharged state. Thereby, generation
  • An appropriate range of the reaction force is, for example, 0.2 MPa to 2.0 MPa, and preferably 0.4 MPa to 1.8 MPa.
  • the thickness (A, B) of the elastic sheet 25 can be measured using, for example, a laser displacement meter, or is calculated based on measurement by a universal testing machine.
  • the elastic modulus of the elastic sheet 25 is preferably 0.5 MPa to 2.0 MPa, more preferably 0.7 MPa to 1.7 MPa, and particularly preferably 0.9 MPa to 1.5 MPa. If the elastic modulus of the elastic sheet 25 is within the range, it is easy to maintain the reaction force in an appropriate range.
  • the elastic modulus in this specification means a compression elastic modulus.
  • the elastic modulus of the elastic sheet 25 is measured by a method according to JIS K6272.
  • the material of the elastic sheet 25 is not particularly limited, but the elastic sheet 25 is made of a resin having the above-described elastic modulus and elastically deforming following the increase and decrease of the thickness of the electrode body 11 and having excellent electrolytic solution resistance. It is preferable.
  • the resin constituting the elastic sheet 25 include pure rubbers such as chloroprene rubber, silicon rubber, acrylonitrile butadiene rubber, styrene butadiene rubber, butadiene rubber, butyl rubber, and ethylene propylene rubber, or blended rubbers thereof.
  • the elastic sheet 25 is preferably a non-foamed material and does not substantially absorb the electrolytic solution.
  • the elastic sheet 25 is a non-porous sheet that does not have pores of, for example, 10 ⁇ m or more.
  • the elastic sheet 25 preferably has a liquid absorption rate of the solvent constituting the nonaqueous electrolyte of less than 5% of the sheet mass, and particularly preferably less than 1%.
  • Example 1 [Production of positive electrode] 97 parts by mass of a lithium transition metal oxide represented by LiNi 0.55 Co 0.20 Mn 0.25 O 2 as a positive electrode active material, 2 parts by mass of acetylene black (AB), and 1 part by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) After mixing, an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to prepare a positive electrode mixture slurry. Next, the said positive mix slurry was apply
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • Ethylene carbonate (EC), methyl ethyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 3: 3: 4.
  • LiPF 6 was dissolved in the mixed solvent at a concentration of 1.2 mol / L to prepare a non-aqueous electrolyte.
  • the non-aqueous electrolyte was injected in a non-aqueous environment with the cells pressed from both sides in the stacking direction.
  • the electrode body absorbed the electrolyte solution and swelled, and the elastic sheet contacted the inner wall of the case main body to generate stress and reaction force.
  • the lead part of each electrode was connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal provided on the sealing body, respectively, and the opening of the case body was closed with the sealing body to produce a square test cell and a test module.
  • the mass energy density of the test cell is 273 Wh / kg.
  • the elastic sheet S1 accommodated in the battery case is a non-foamed resin sheet composed mainly of chloroprene rubber, and the liquid absorption rate of the electrolyte measured by the above liquid absorption rate measurement method is Less than 1%.
  • the ratio of the thickness of the two elastic sheets S1 to the inner dimension of the case body in the stacking direction ⁇ was 0.038.
  • Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 to 4> A square battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that an elastic sheet having the thickness and elastic modulus shown in Table 1 was used instead of the elastic sheet S1.
  • reaction force in SOC0% minimum reaction force
  • reaction force in SOC100% maximum reaction force
  • the charge / discharge conditions are as follows. ⁇ Constant current charge up to 4.25V at 1/3 It (21.5A) and low voltage charge up to 3A. -Constant current discharge to 2.5V at 1/3 It (21.5A).
  • the minimum reaction force was a value less than 0.2 MPa.
  • the reaction force is appropriate only when the ratio (A / B) of the elastic sheet thickness (A) at SOC 100% to the elastic sheet thickness (B) at SOC 0% is 0.05 to 0.3. Can be kept in range.

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Abstract

実施形態の一例である非水電解質二次電池は、電極体及び非水電解質を収容する角形の電池ケースを備え、質量エネルギー密度が200Wh/kg以上の二次電池である。非水電解質二次電池は、電極体と電池ケースとの間に介在する非発泡型の弾性シートを備える。SOC0%における弾性シートの厚み(B)に対する、SOC100%における弾性シートの厚み(A)の比率(A/B)は0.05~0.3である。

Description

非水電解質二次電池及び電池モジュール
 本開示は、非水電解質二次電池及び電池モジュールに関する。
 リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池では、充放電に伴って電極体が膨張、収縮する。特に、高容量の電池では、電極体の膨張、収縮の程度が大きくなる。例えば、特許文献1には、電極体の膨張を許容するために、電極体の外周部と電池ケースとの間に発泡体からなるスペーサを配置して空隙を形成した円筒形電池が開示されている。特許文献1には、当該空隙を設けることで、高容量、高出力でありながら、安全性及び信頼性の高い電池が得られる、と記載されている。
特開2001-143759号公報
 ところで、角形の電池ケースを備えた角形電池では、円筒形電池と比べて電極体の拘束力が弱いため、例えば電極体を構成する電極の積層方向両側から電池ケースを所定の力で押圧して電極間距離を一定に維持する必要がある。この場合、充電に伴う電極体の膨化により電池ケースを外側に押し広げようとする応力及びこれに対抗する反力が発生する。
 良好な電池性能を維持するためには、この反力を適切な範囲に調整することが重要である。しかし、高容量の電池では、充放電に伴う電極体の体積変化が大きくなるため、反力を適切な範囲に調整することは容易ではない。例えば、反力が大きくなり過ぎると、電解液が電極間に入り込み難くなり、電池反応が阻害される場合がある。また、内部短絡が発生し易くなることも想定される。一方、反力が小さくなり過ぎると、電池反応が不均一となり、容量や出力の低下、サイクル寿命の低下等を招く場合がある。
 本開示の目的は、角形の電池ケースを備えた質量エネルギー密度が200Wh/kg以上の非水電解質二次電池において、電極体に作用する反力を適切な範囲に維持し、電池性能の低下を抑制することである。
 本開示の一態様である非水電解質二次電池は、正極と、負極と、セパレータとを有し、前記正極と前記負極とが前記セパレータを介して積層されてなる電極体と、非水電解質と、前記電極体及び前記非水電解質を収容する角形の電池ケースとを備え、質量エネルギー密度が200Wh/kg以上の非水電解質二次電池である。前記非水電解質二次電池は、前記電極体と前記電池ケースとの間に介在する非発泡型の弾性シートをさらに備え、SOC0%における前記弾性シートの厚み(B)に対する、SOC100%における前記弾性シートの厚み(A)の比率(A/B)が0.05~0.3であることを特徴とする。
 本開示の一態様である電池モジュールは、上記非水電解質二次電池を前記正極及び前記負極の積層方向に複数並べて構成された電池群と、隣り合う前記非水電解質二次電池の間にそれぞれ介在する複数のスペーサと、前記電池群を前記正極及び前記負極の積層方向の両側から押圧する一対のエンドプレートとを備えることを特徴とする。
 本開示の一態様によれば、角形の電池ケースを備えた質量エネルギー密度が200Wh/kg以上の非水電解質二次電池において、電極体に作用する反力を適切な範囲に維持でき、良好な電池性能を実現できる。
実施形態の一例である非水電解質二次電池の外観を示す斜視図である。 図1中のAA線断面図であって、SOCが0%の状態を示す図である。 図1中のAA線断面図であって、SOCが100%の状態を示す図である。 実施形態の一例である電池モジュールを示す斜視図である。
 上述のように、質量エネルギー密度が200Wh/kg以上のような高容量の角形電池において、電極体に作用する反力を適切な範囲に維持することは容易ではない。本発明者らは、かかる課題を解決すべく鋭意検討した結果、電極体と電池ケースとの間に、電池のSOC(State Of Charge:充電率)に応じて特定の厚み範囲で変形する非発泡型の弾性シートを設けることによって、高容量の角形電池においても反力を適切な範囲に維持することに成功した。弾性シートを設けることで、電極体の膨化により発生した応力に応じて弾性シートが押し潰されて弾性変形し、当該応力を適度に緩和することができる。
 本開示に係る非水電解質二次電池では、SOC0%における弾性シートの厚み(B)に対する、SOC100%における弾性シートの厚み(A)の比率(A/B)が0.05~0.3に制御され、これにより電極体に作用する反力が適切な範囲に維持される。例えば、満放電時においても0.2MPa以上の反力を確保できるので、電極間距離が不均一になる、振動により電極のズレが発生するといった不具合を防止できる。また、満充電状態においても反力を2.0MPa以下に抑えることができるので、電池反応が阻害される、内部短絡が発生するといった不具合を防止できる。
 弾性シートには、電解液を吸収し難い、又は実質的に吸収しない非発泡型のシートが用いられる。弾性シートが多孔質の発泡体であると、電解液が出入りするため、特に高粘度の電解液を用いた場合に弾性シートの変形のレスポンスが悪くなり、反力を適切な範囲に維持することが難しくなる。
 以下、本開示に係る非水電解質二次電池及び電池モジュールの実施形態の一例について詳細に説明する。実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
 図1は、実施形態の一例である非水電解質二次電池10を示す斜視図である。図2及び図3は、図1中のAA線断面図であって、それぞれ、電池のSOCが0%の状態と、電池のSOCが100%の状態とを示している。図1~図3に例示するように、非水電解質二次電池10は、電極体11と、非水電解質(図示せず)とを備える。電極体11は、正極20と、負極21と、セパレータ22とを有し、正極20と負極21とがセパレータ22を介して積層された構造を有する。
 本実施形態では、電極体11が、正極20、負極21、及びセパレータ22をそれぞれ複数含み、正極20と負極21がセパレータ22を介して交互に積層された積層構造を有するが、つづら折りされた1枚のセパレータ22を用いて積層構造が構成されてもよい。また、電極体11は、正極20と負極21とがセパレータ22を介して渦巻状に巻回されてなる巻回構造を有していてもよい。
 非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等のエステル類、1,3-ジオキソラン等のエーテル類、アセトニトリル等のニトリル類、ジメチルホルムアミド等のアミド類、及びこれらの2種以上の混合溶媒等を用いることができる。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体、例えばフルオロエチレンカーボネート(FEC)、フルオロプロピオン酸メチル(FMP)等を含有していてもよい。電解質塩には、例えばLiPF6等のリチウム塩が用いられる。
 非水電解質二次電池10は、例えばリチウムイオン電池であって、200Wh/kg以上の質量エネルギー密度を有する。非水電解質二次電池10の質量エネルギー密度の一例は、200Wh/kg~400Wh/kgである。非水電解質二次電池10の質量エネルギー密度は、例えば、0.2Cの電流で放電したときの平均電圧と、電流容量値を掛け合わせたエネルギーを電池の質量で割った値である。
 非水電解質二次電池10は、電極体11及び非水電解質を収容する角形の電池ケース14を備える。電池ケース14は、正極20及び負極21の積層方向α(以下、単に「積層方向α」という場合がある)の両側から所定の力で押圧され、これにより電極間距離が一定に維持される。本実施形態では、非水電解質二次電池10がモジュール化されることで、積層方向αの両側から押圧されている(後述の図4参照)。なお、充電に伴う電極体11の膨化により電池ケース14を外側に押し広げようとする応力が発生し、当該応力に対抗する反力が発生する。
 さらに、非水電解質二次電池10は、電極体11と電池ケース14との間に介在する非発泡型の弾性シート25を備える。弾性シート25は、電極体11の体積変化に伴って弾性変形し、電極体11の膨化により発生する応力を適度に緩和することで、当該応力に対抗する反力を適切な範囲に維持する。詳しくは後述するが、弾性シート25は、SOC0%における厚み(B)に対する、SOC100%における厚み(A)の比率(A/B)が0.05~0.3である。
 ここで、SOC100%及び0%の状態は、電池の種類等によっても異なるが、本実施形態では、電池電圧が4.30Vの充電状態をSOC100%(満充電状態)、電池電圧が2.5Vの放電状態をSOC0%(満放電状態)とする。
 電池ケース14は、略箱形状のケース本体15と、ケース本体15の開口を塞ぐ封口体16とによって構成される角型の金属製ケースである。封口体16上には、各正極20と電気的に接続された正極端子12と、各負極21と電気的に接続された負極端子13とが設けられている。正極端子12には、正極のリード部が直接、又は他の導電部材を介して接続される。負極端子13には、負極のリード部が直接、又は他の導電部材を介して接続される。以下では、説明の便宜上、正極端子12と負極端子13が並ぶ方向を電池ケース14等の「横方向」、積層方向α及び横方向に直交する方向を「上下方向」とする。
 ケース本体15は、積層方向αよりも横方向及び上下方向に長い扁平な形状を有する。ケース本体15及び封口体16は、例えばアルミニウムを主成分とする金属材料から構成され、その内面には絶縁性を確保するために電極体ホルダが装着されていてもよい。電極体ホルダは、例えばポリプロピレン等の樹脂で成形された厚み0.05mm~0.5mmの板である。封口体16は、例えば横方向に長い略長方形状を有し、その周縁部がケース本体15の開口の周縁部に溶接されている。
 封口体16の横方向両側には、図示しない貫通孔がそれぞれ形成されており、正極端子12及び負極端子13は当該各貫通孔から電池ケース14内に挿入される。正極端子12及び負極端子13は、例えば貫通孔に設置される絶縁部材17を介して封口体16にそれぞれ固定される。なお、一般的に封口体16にはガス排出機構(図示せず)が設けられている。
 図4は、複数の非水電解質二次電池10を用いて構成された電池モジュール30の斜視図である。図4に例示するように、電池モジュール30は、非水電解質二次電池10を積層方向αに複数並べて構成された電池群31と、複数のスペーサ32と、一対のエンドプレート33とを備える。スペーサ32は、隣り合う非水電解質二次電池10の間にそれぞれ介在する絶縁性の部材である。エンドプレート33は、電極群31を積層方向αの両側から所定の力で押圧する部材である。エンドプレート33による押圧力(所定の力)は、例えば0.1MPa~10MPaである。
 電池モジュール30は、積層方向α(複数の非水電解質二次電池10が並ぶ方向)の両側から電池群31を挟む一対のエンドプレート33に固定され、電池群31を構成する各電池を結束するためのバインドバー35,36を備える。バインドバー35,36は、エンドプレート33と共に各電池の結束状態を維持し、各電池を保持する機能を有する。バインドバー35は積層方向αに沿って電池群31の横方向一方側に、バインドバー36は積層方向αに沿って電池群31の横方向他方側にそれぞれ取り付けられている。
 本実施形態では、同じ非水電解質二次電池10の向きを変えて配置しており、隣り合う電池同士は、正負端子の横方向の位置が互いに逆となるように配置されている。この場合、積層方向αに沿って正極端子12と負極端子13が交互に並んだ状態となる。電池モジュール30は、隣り合う非水電解質二次電池10同士を電気的に接続するバスバー34を備える。図1に示す例では、バスバー34により各非水電解質二次電池10が直列に接続されているが、各電池の接続形態はこれに限定されない。
 電池モジュール30では、一対のエンドプレート33にバインドバー35,36を固定して各エンドプレート33を電池群31に押し付けることで、電池群31を構成する各非水電解質二次電池10を結束し押圧している。エンドプレート33は、例えば樹脂製の板状体であって、非水電解質二次電池10よりも一回り大きく形成される。エンドプレート33には、例えばバインドバー35,36を締結するためのボルト孔が形成されている。
 なお、電池モジュール30では、隣り合う非水電解質二次電池10の間に介在するスペーサ32によって、各電池の充放電に伴う電池ケース14の体積変化をある程度吸収できるが、スペーサ32のみで上記反力を適切な範囲に調整することは困難である。例えば、弾性シート25のように大きく弾性変形するスペーサ32を用いた場合は、各電池の間で電極端子同士の距離が大きく変化し、バスバー34による電気的接続に不具合を生じさせる可能性がある。
 以下、電極体11及び弾性シート25の構成について、さらに詳説する。
 [正極]
 正極20は、正極集電体と、当該集電体上に形成された正極合剤層とを備える。正極集電体には、アルミニウムなどの正極20の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合剤層は、正極活物質と、導電材と、結着材とで構成される。正極合剤層は、一般的に正極集電体の両面に形成される。正極20は、例えば正極集電体上に正極活物質、導電材、及び結着材等を含む正極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して正極合剤層を集電体の両面に形成することにより作製できる。
 正極活物質には、リチウム含有遷移金属酸化物を用いることが好ましい。リチウム含有遷移金属酸化物を構成する金属元素は、例えばマグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、錫(Sn)、アンチモン(Sb)、タングステン(W)、鉛(Pb)、およびビスマス(Bi)から選択される少なくとも1種である。中でも、Co、Ni、Mn、Alから選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
 導電材の例としては、カーボンブラック(CB)、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料などが挙げられる。また、結着材の例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
 [負極]
 負極21は、負極集電体と、当該集電体上に形成された負極合剤層とを備える。負極集電体には、銅などの負極21の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合剤層は、負極活物質と、結着材とで構成される。負極合剤層は、一般的に負極集電体の両面に形成される。負極21は、例えば負極集電体上に負極活物質、結着材等を含む負極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して負極合剤層を集電体の両面に形成することにより作製できる。
 負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出できるものであれば特に限定されず、例えば天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料、ケイ素(Si)、錫(Sn)等のリチウムと合金化する金属、又はSi、Sn等の金属元素を含む合金、複合酸化物などを用いることができる。負極活物質は、単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
 負極合剤層に含まれる結着材としては、正極20の場合と同様にフッ素系樹脂、PAN、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等を用いることができる。水系溶媒を用いて負極合剤スラリーを調製する場合は、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)又はその塩、ポリアクリル酸(PAA)又はその塩、ポリビニルアルコール(PVA)等を用いてもよい。
 [セパレータ]
 セパレータ22には、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータ22の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン及びプロピレンの少なくとも一方を含む共重合体等のオレフィン系樹脂、セルロースなどが好適である。セパレータ22は、セルロース繊維層及びオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂繊維層を有する積層体であってもよい。また、ポリエチレン層及びポリプロピレン層を含む多層セパレータであってもよく、セパレータ22の表面にアラミド系樹脂等が塗布されたものを用いてもよい。また、セパレータ22と正極20及び負極21の少なくとも一方との界面には、無機化合物のフィラーを含む耐熱層が形成されていてもよい。
 [弾性シート]
 図2及び図3に示すように、弾性シート25は、積層方向αの両側から電極体11を挟持するようにケース本体15内に配置されることが好ましい。弾性シート25によって積層方向αの両側から電極体11を挟むことで、電極体11の膨化により発生する応力を効率良く吸収できる。電極体11は、電池の充放電により体積変化し、主に厚みが増減するが、弾性シート25は電極体11の厚みの変化に追従して弾性変形し、発生する応力を適度に緩和する。弾性シート25は、電極体11を挟むように1枚のシートを折り曲げて構成されてもよいが、好ましくは電極体11の積層方向αの両側に1枚ずつ配置される。2枚の弾性シート25には、同じシートを用いることが好適である。
 なお、非水電解質二次電池10の製造時において、ケース本体15内に注入される電解液により電極体11が膨潤し、弾性シート25を押圧する応力が発生する。電極体11が膨潤する前において、2枚の弾性シート25の厚みと、電極体11の厚み(積層方向αに沿った長さ)との合計は、積層方向αに沿ったケース本体15の内寸(Y)よりも薄く設定される。これにより、2枚の弾性シート25で挟持された電極体11を、電池ケース14内に挿入することができる。以下、特に断らない限り、電池ケース14(ケース本体15)の内寸とは、積層方向αに沿った内寸を意味する。なお、電池ケース14に電極体ホルダが装着されている場合は、積層方向αに沿った電極体ホルダの間の内寸を、電池ケース14の内寸とする。電極体ホルダは、弾性シート25を兼ねていてもよい。
 弾性シート25は、電池ケース14(ケース本体15)の内寸(Y)に対する、当該シートの厚み(X)の比率(X/Y)が0.03~0.07であることが好ましい。弾性シート25の厚み(X)は、初期状態の厚みを意味し、当該シートを電池ケース14から取り出して元の形状に復元したときの厚みと略等しい。また、電極体11の積層方向αの両側に弾性シート25が配置される場合は、当該両側の厚みの合計が厚み(X)である。比率(X/Y)が当該範囲内であれば、高い容量と良好な反力調整機能とを両立し易くなる。弾性シート25の1枚の厚みは、例えば0.4mm~0.8mmである。
 弾性シート25は、電極体11を構成する正極20及び負極21よりも一回り大きく形成される。そして、積層方向αに正極20及び負極21と重なる範囲には、必ず弾性シート25が存在することが好ましい。即ち、正極20及び負極21は、弾性シート25の上下、左右の端から外側にはみ出さない。この場合、電極体11に歪みや、損傷等を発生させることなく、発生した応力を効率良く吸収できる。
 弾性シート25は、SOC0%における厚み(B)に対する、SOC100%における厚み(A)の比率(A/B)が0.05~0.3である。即ち、非水電解質二次電池10のSOCが0%から100%となったときに、弾性シート25の厚みは少なくとも70%以上減少し、最大で95%減少する。厚み比(A/B)は、例えば0.05~0.29、又は0.05~0.28であってもよい。厚み比(A/B)の好適な一例は、0.15~0.30である。
 SOCに応じた弾性シート25の厚みの変化量を上記範囲内に制御することで、満充電状態及び満放電状態のいずれにおいても、電極体11に作用する反力を適切な範囲に維持できる。これにより、反力の過大、過小による不具合の発生を抑制し、良好な電池性能を確保できる。なお、反力の適切な範囲は、例えば0.2MPa~2.0MPaであり、好ましくは0.4MPa~1.8MPaである。弾性シート25の厚み(A,B)は、例えばレーザー変位計を用いて計測でき、又は万能試験機による測定に基づいて算出される。
 弾性シート25の弾性率は、0.5MPa~2.0MPaであることが好ましく、0.7MPa~1.7MPaがより好ましく、0.9MPa~1.5MPaが特に好ましい。弾性シート25の弾性率が当該範囲内であれば、反力を適切な範囲に維持することが容易になる。本明細書における弾性率は、圧縮弾性率を意味する。弾性シート25の弾性率は、JIS K6272に準拠する方法で測定される。
 弾性シート25の材質は特に限定されないが、弾性シート25は、上記弾性率を有し、電極体11の厚みの増減に追従して弾性変形すると共に、耐電解液性に優れる樹脂で構成されることが好ましい。弾性シート25を構成する樹脂としては、クロロプレンゴム、シリコンゴム、アクリルニトリルブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴムなどの純ゴム、あるいはこれらの配合ゴムなどが例示できる。
 弾性シート25は、上述の通ように、非発泡体であって実質的に電解液を吸収しないことが好ましい。弾性シート25は、例えば10μm以上の孔を有さない非多孔性シートである。弾性シート25は、非水電解質を構成する溶媒の吸液率が当該シート質量の5%未満であることが好適であり、1%未満が特に好適である。電解液を吸収しない弾性シート25を用いることで、高粘度の電解液を用いた場合であっても弾性シート25の変形のレスポンスが良好になり、反力を適切な範囲に維持することが容易になる。弾性シート25の電解液の吸液率は、弾性シート試験片を一定時間電解液に浸漬した後の質量変化を計測することにより測定される。
 以下、実施例により本開示をさらに詳説するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。
 <実施例1>
 [正極の作製]
 正極活物質としてLiNi0.55Co0.20Mn0.252で表されるリチウム遷移金属酸化物を97質量部と、アセチレンブラック(AB)を2質量部と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を1質量部とを混合し、さらにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量加えて、正極合剤スラリーを調製した。次に、当該正極合剤スラリーをアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、塗膜を乾燥させた。ローラーを用いて塗膜を圧延した後、所定の電極サイズに切断し、正極集電体の両面に正極合剤層が順に形成された正極を作製した。
 [負極の作製]
 黒鉛粉末を98.7質量部と、カルボキシメチルセルロース(CMC)を0.7質量部と、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)を0.6質量部とを混合し、さらに水を適量加えて、負極合剤スラリーを調製した。次に、当該負極合剤スラリーを銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、塗膜を乾燥させた。ローラーを用いて塗膜を圧延した後、所定の電極サイズに切断し、負極集電体の両面に負極合剤層が形成された負極を作製した。
 [非水電解液の調製]
 エチレンカーボネート(EC)と、メチルエチルカーボネート(EMC)と、ジメチルカーボネート(DMC)を、3:3:4の体積比で混合した。当該混合溶媒に、LiPF6を1.2mol/Lの濃度で溶解させて非水電解液を調製した。
 [試験セル及び試験モジュールの作製]
 上記正極と上記負極をポリエチレン製のセパレータを介して交互に積層することにより、積層型の電極体を作製した。なお、電極体の厚み(積層方向長さ)は22.8mm、電極体が収容される電池ケース(ケース本体)の内寸は24.8mmであり、電極体ホルダ間は24.5mmである。次に、電極体を積層方向αの両側から、厚みが0.47mm、弾性率が1.5MPaの2枚の弾性シートS1で挟んだ状態として略箱形状のケース本体に収容した後、ケース本体に上記非水電解液を注入した。なお、非水電解液の注入は、積層方向の両側からセルを押圧した状態で、非水環境下で行った。このとき、電極体が電解液を吸収して膨潤し、弾性シートがケース本体の内壁に接触して応力及び反力が発生した。次に、各電極のリード部を封口体に設けられた正極端子及び負極端子にそれぞれ接続し、封口体によりケース本体の開口部を塞ぎ、角形の試験セル及び試験モジュールを作製した。試験セルの質量エネルギー密度は、273Wh/kgである。
 電池ケース内に収容された弾性シートS1は、クロロプレンゴムを主成分として構成される非発泡型の樹脂製シートであって、上述の吸液率測定方法により測定された電解液の吸液率は1%未満である。ケース本体の積層方向αの内寸に対する、弾性シートS1の2枚分の厚みの比率は0.038であった。
 <実施例2~4及び比較例1~4>
 弾性シートS1の代わりに、表1に示す厚み及び弾性率を有する弾性シートを用いたこと以外は、実施例1と同様にして角形電池を作製した。
 実施例及び比較例の各試験セルについて、SOC0%における反力(最低反力)及びSOC100%における反力(最大反力)を下記の方法で測定し、弾性シートの厚み及び弾性率と共に、測定結果を表1に示した。なお、最低反力が0.2MPa以上、最大反力が2.0MPa以下である場合に、良好な電池性能が得られる。
 [反力の測定]
 上記試験セルを2枚のSUS板(140×75mm)で挟持し、万能試験機AG-Xplus(SHIMADZU)を用いて荷重変位曲線を取得し、厚みがケース本体の厚み(26.5mm)の際の荷重を反力とした。初期の容量確認後の試験セルを放電状態にし、反力の測定を行った。次に、同試験セルをSOC100%まで充電し、同様に加重変位曲線を取得した。
 なお、充放電条件は下記の通りである。
・1/3It(21.5A)で4.25Vまで定電流充電、3Aになるまで低電圧充電。
・1/3It(21.5A)で2.5Vまで定電流放電。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示すように、実施例の試験セルはいずれも、最低反力が0.2MPa以上であり、最大反力が2.0MPa以下であった。一方、比較例1~4の試験セルでは、0.2MPa以上の最低反力を確保できるものの、最大反力が2.0MPaを超える値となった。
 また、比較例5の試験セルでは、最大反力を2.0MPa以下に抑えることができたものの、最低反力が0.2MPaを下回る値であった。つまり、SOC0%における弾性シートの厚み(B)に対する、SOC100%における弾性シートの厚み(A)の比率(A/B)を0.05~0.3とした場合にのみ、反力を適切な範囲に維持することができる。
 10 非水電解質二次電池
 11 電極体
 12 正極端子
 13 負極端子
 14 電池ケース
 15 ケース本体
 16 封口体
 17 絶縁部材
 20 正極
 21 負極
 22 セパレータ
 25 弾性シート
 30 電池モジュール
 31 電池群
 32 スペーサ
 33 エンドプレート
 34 バスバー
 35,36 バインドバー

Claims (8)

  1.  正極と、負極と、セパレータとを有し、前記正極と前記負極とが前記セパレータを介して積層されてなる電極体と、
     非水電解質と、
     前記電極体及び前記非水電解質を収容する角形の電池ケースと、
     を備え、質量エネルギー密度が200Wh/kg以上の非水電解質二次電池であって、
     前記電極体と前記電池ケースとの間に介在する非発泡型の弾性シートをさらに備え、
     SOC0%における前記弾性シートの厚み(B)に対する、SOC100%における前記弾性シートの厚み(A)の比率(A/B)が0.05~0.3である、非水電解質二次電池。
  2.  前記電池ケースは、前記正極及び前記負極の積層方向の両側から押圧される、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
  3.  前記弾性シートは、前記正極及び前記負極の積層方向の両側から前記電極体を挟持するように配置される、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池。
  4.  前記弾性シートの弾性率が0.9MPa~1.5MPaである、請求項1~3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
  5.  前記正極及び前記負極の積層方向に沿った前記電池ケースの内寸(Y)に対する、前記弾性シートの厚み(X)の比率(X/Y)が0.03~0.07である、請求項1~4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
  6.  前記弾性シートは、前記非水電解質を構成する溶媒の吸液率が当該シート質量の5%未満である、請求項1~5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
  7.  前記電極体は、前記正極及び前記負極をそれぞれ複数有し、前記正極と前記負極とが前記セパレータを介して交互に積層された構造を有する、請求項1~6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
  8.  請求項1~7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池を前記正極及び前記負極の積層方向に複数並べて構成された電池群と、
     隣り合う前記非水電解質二次電池の間にそれぞれ介在する複数のスペーサと、
     前記電池群を前記正極及び前記負極の積層方向の両側から押圧する一対のエンドプレートと、
     を備えた、電池モジュール。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021057483A1 (zh) * 2019-09-27 2021-04-01 宁德时代新能源科技股份有限公司 二次电池及含有该二次电池的电池模组、电池包、装置
WO2021153292A1 (ja) * 2020-01-31 2021-08-05 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池及び二次電池モジュール
JP7383510B2 (ja) 2020-02-12 2023-11-20 パナソニックホールディングス株式会社 非水電解質二次電池及び二次電池モジュール

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023093114A (ja) 2021-12-22 2023-07-04 プライムプラネットエナジー&ソリューションズ株式会社 セパレータ及びこれを備える非水電解液二次電池並びに組電池

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10326627A (ja) * 1997-05-26 1998-12-08 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 角形非水電解液二次電池
JP2009533833A (ja) * 2006-04-17 2009-09-17 中信国安盟固利新能源科技有限公司 リチウムイオン蓄電池
JP2014216086A (ja) * 2013-04-23 2014-11-17 株式会社日本自動車部品総合研究所 電池
WO2016031501A1 (ja) * 2014-08-26 2016-03-03 株式会社 豊田自動織機 蓄電装置、および蓄電装置の製造方法
JP2016189301A (ja) * 2015-03-30 2016-11-04 トヨタ自動車株式会社 電池
JP2017076476A (ja) * 2015-10-13 2017-04-20 株式会社豊田自動織機 蓄電装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11339853A (ja) * 1998-05-28 1999-12-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 角形非水電解液二次電池の製造方法とその製造方法により製造した角形非水電解液二次電池
JP4436485B2 (ja) * 1999-06-11 2010-03-24 パナソニック株式会社 非水電解液二次電池の製造法
JP4055307B2 (ja) 1999-11-15 2008-03-05 新神戸電機株式会社 円筒形リチウムイオン電池
JP4894083B2 (ja) * 2000-09-28 2012-03-07 日産自動車株式会社 全固体ポリマー電池およびその製造方法
KR101001325B1 (ko) * 2007-07-16 2010-12-14 주식회사 엘지화학 무지부에 탄성부재가 부착된 구조의 젤리-롤 및 이를포함하고 있는 이차전지
WO2011051386A1 (de) * 2009-10-28 2011-05-05 Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag & Co Kg Batteriezellenanordnung
FR3011776B1 (fr) * 2013-10-16 2017-04-14 Blue Solutions Ensemble de stockage d'energie electrique et procede d'assemblage d'un tel ensemble
CN103647105A (zh) * 2013-12-12 2014-03-19 奇瑞汽车股份有限公司 一种动力电池
CN110233210B (zh) * 2014-05-16 2022-04-26 株式会社半导体能源研究所 具有二次电池的电子设备
WO2016115404A1 (en) * 2015-01-15 2016-07-21 Envia Systems, Inc. Positive electrode active materials with composite coatings for high energy density secondary batteries and corresponding processes
CN106427936B (zh) * 2015-08-04 2020-04-24 岳秀兰 监控工作站、换电池站和电动汽车通过物联网组成的电池箱更换***
CN206022539U (zh) * 2016-08-31 2017-03-15 天津市捷威动力工业有限公司 一种新型单并电芯block结构

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10326627A (ja) * 1997-05-26 1998-12-08 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 角形非水電解液二次電池
JP2009533833A (ja) * 2006-04-17 2009-09-17 中信国安盟固利新能源科技有限公司 リチウムイオン蓄電池
JP2014216086A (ja) * 2013-04-23 2014-11-17 株式会社日本自動車部品総合研究所 電池
WO2016031501A1 (ja) * 2014-08-26 2016-03-03 株式会社 豊田自動織機 蓄電装置、および蓄電装置の製造方法
JP2016189301A (ja) * 2015-03-30 2016-11-04 トヨタ自動車株式会社 電池
JP2017076476A (ja) * 2015-10-13 2017-04-20 株式会社豊田自動織機 蓄電装置

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021057483A1 (zh) * 2019-09-27 2021-04-01 宁德时代新能源科技股份有限公司 二次电池及含有该二次电池的电池模组、电池包、装置
JP2022536811A (ja) * 2019-09-27 2022-08-18 寧徳時代新能源科技股▲分▼有限公司 二次電池及び該二次電池を備える電池モジュール、電池パック、装置
JP7216869B2 (ja) 2019-09-27 2023-02-01 寧徳時代新能源科技股▲分▼有限公司 二次電池及び該二次電池を備える電池モジュール、電池パック、装置
US11658294B2 (en) 2019-09-27 2023-05-23 Contemporary Amperex Technology Co., Limited Secondary battery and battery module, battery pack and apparatus comprising the secondary battery
WO2021153292A1 (ja) * 2020-01-31 2021-08-05 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池及び二次電池モジュール
JP7383510B2 (ja) 2020-02-12 2023-11-20 パナソニックホールディングス株式会社 非水電解質二次電池及び二次電池モジュール

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