説明

非水電解質二次電池

【課題】 安全性をより向上させた非水電解質二次電池を提供する。
【解決手段】 本発明になる非水電解質二次電池は、リチウムイオンを吸蔵放出可能なリチウム含有金属酸化物を有する正極合剤層が集電体に形成された正極と、リチウムイオンを吸蔵放出可能なホスト物質を有する負極合剤層が集電体に形成された負極と、隔離体とを備える巻回状電極体を有しており、電極体の少なくとも最外周に位置する正極又は/及び負極の集電体の厚さがその内側に位置する正極又は/及び負極の集電体の厚さよりも小さいことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】電子機器の急激な小形軽量化に伴い、その電源である電池に対して小形で軽量かつ高エネルギー密度、更に繰り返し充放電が可能な二次電池開発への要求が高まっている。また、大気汚染や二酸化炭素の増加等の環境問題により、電気自動車の早期実用化が望まれており、高効率、高出力、高エネルギー密度、軽量等の特徴を有する優れた二次電池の開発が要望されている。
【0003】これらの要求を満たす二次電池として、非水電解質を使用した二次電池が実用化されている。この電池は、従来の水溶液電解液を使用した電池の数倍のエネルギー密度を有している。その例として、非水電解質二次電池の正極にコバルト複合酸化物、ニッケル複合酸化物又はスピネル型リチウムマンガン酸化物を用い、負極にリチウムが吸蔵・放出可能な炭素材料などを用いた長寿命な4V級非水電解質二次電池が実用化されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この非水電解質二次電池では、負極に高容量のアモルファスカーボン、又は/及び酸化物などを用いた高容量の非水電解質二次電池が開発されてきており、小型高容量化の技術開発が急速に進んでいる。
【0005】このように、小型高容量化、すなわち体積エネルギー密度の飛躍的な増大にともなう、過充電、過放電の防止や内部短絡の防止等が大きな課題となっている。過充電の防止対策としては充電器による充電電圧の制御、過放電の防止対策としては放電時の終止電圧の制御を行う方法が主流となっている。
【0006】また、充電器等の制御が故障した場合、あるいは内部短絡による大電流の発生に備え、電池側に所定の電池内圧に達したときに開裂する安全弁や電流遮断手段を持たせている。
【0007】しかしながら、これらの対策を施してたとしても内部短絡時の大電流に伴う発熱などが生じることに変わりなく、根本的な解決には至っていないのが現状である。
【0008】そこで、本発明の目的とするところは、たとえ、内部短絡が生じても多大な発熱等を起こさないよう、効果的に抑止し得る非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明になる非水電解質二次電池は、リチウムイオンを吸蔵放出可能なリチウム含有金属酸化物を有する正極合剤層が集電体に形成された正極と、リチウムイオンを吸蔵放出可能なホスト物質を有する負極合剤層が集電体に形成された負極と、隔離体とを備える巻回状電極体を有する非水電解質二次電池であって、電極体の少なくとも最外周に位置する正極又は/及び負極の集電体の厚さがその内側に位置する正極又は/及び負極の集電体の厚さよりも小さいことを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】非水電解質二次電池において、先端が鋭利なもの(釘や串など)で電池を貫通させると、内部短絡を生じ、電池が発熱、最悪の場合には発火に至ることがありうる。本発明者らは、この原因を詳しく調査した結果、内部短絡箇所において生じる大電流が、その短絡部位の集電体の厚さに依存することを見出した。
【0011】そこで、本発明者らは、とくに先端が鋭利なもの(釘や串など)での貫通によって電池外部から電池に応力が加わっても、電極体最外周の正極又は/及び負極の集電体の厚みを、最外周の正極又は/及び負極よりも内側の電極体最外周の正極又は/及び負極の集電体厚みよりも小さくすることにより、その時に生じる内部短絡に起因する大電流を従来電池に比べて効果的に低減することができた。
【0012】また、本発明において、非水電解質リチウムイオン二次電池の場合、負極のホスト物質はリチウムイオンを吸蔵、放出できるものであればいかなるものでもかまわないし、たとえば、グラファイト、コークス、カーボン、アモルファスカーボン、SnO、SnO2、Sn1-xxO(M=Hg,P,B,Si,Ge又はSb、ただし0≦X<1)、Sn1-xx2(M=Hg,P,B,Si,Ge又はSb、ただし0≦X<1)、Sn32(OH)2、Sn3-xx2(OH)2(M=Mg,P,B,Si,Ge,Sb,As又はMn、ただし0≦X<3)、LiSiO2、SiO2、SiO、SiO2-x(0≦X<1)、Si1-xxO(M=Hg,P,B,Si,Ge又はSb、ただし0≦X<1)、Si1-xx2(M=Hg,P,B,Si,Ge又はSb、ただし0≦X<1)、Si1-xx2-y(M=Hg,P,B,Si,Ge又はSb、ただし0≦X<1、0≦y<1)又はLiSnO2の中から選ばれる1種又は2種以上であることを例示することができる。このように、負極の容量が大きいものを用い、高容量な電池としても、本発明を適用することによって安全性の向上が可能である。
【0013】尚、本発明になる非水電解質二次電池においては、その構成として正極、負極及びセパレータと非水電解液との組み合わせ、正極、負極、セパレータとしての有機又は無機固体電解質及び非水電解液との組み合わせ、あるいは正極、負極、セパレータ、有機又は無機固体電解質及び非水電解液との組み合わせであっても構わない。
【0014】本請求項に記載した隔離体とは、セパレータあるいはセパレータとしての有機又は無機固体電解質もしくは有機バインダーによって決着された無機固体粉末などを意味しており、いずれも公知のものの使用が可能である。また、非水電解液も公知のものの使用が可能であることはいうまでもない。加えて、正極合剤層又は/及び負極合剤層の上面に有機固体電解質(特に、PANやPEOなど)を形成させた構成であっても構わない。
【0015】以下に、好適な実施例を用いて本発明を説明する。
【0016】
【実施例1】図1は、本発明になる非水電解質二次電池の断面説明図である。
【0017】図において、1は非水電解質二次電池、2は電極群、3は正極、4は負極、5はセパレータ、7は電池ケースである。非水電解液電池1の構成は、正極板3、負極板4、セパレータ5からなる扁平巻状の電極群2及び電解液がニッケルめっきを施した鉄製の電池ケース7に収納された電池である。
【0018】10は正極リード、6は正極端子、8は電解液注液栓である。
【0019】正極3は、集電体に活物質としてリチウムコバルト複合酸化物が保持されたものである。この集電体は、厚さ20μmのアルミニウム箔である。ただし、電極体最外周に位置する集電体の部分、約90mmを厚さ12μmとしている。
【0020】正極3は、結着剤であるポリフッ化ビニリデン5部と導電剤であるアセチレンブラック5部とを活物質90部とともに混合し、適宜N−メチル−2−ピロリドンを加えてペースト状に調製した後、その集電体材料の両面に塗布、乾燥することによって製作した。
【0021】負極4の集電体は、厚さ18μmの銅箔である。ただし、電極体の最外周に位置する集電体の部分、約90mmを厚さ10μmとしている。
【0022】負極4は、その集電体の両面に、ホスト物質としてのグラファイト(黒鉛)92部と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン8部とを混合し、適宜N−メチル−2−ピロリドンを加えてペースト状に調製したものを塗布、乾燥することによって製作された。
【0023】セパレータ5は、ポリエチレン微多孔膜である。また、電解液は、LiPF6を1mol/l含むエチレンカーボネート:ジエチルカーボネート=1:1(体積比)の混合液である。
【0024】それぞれの寸法は、正極が厚さ180μm、幅29mmで、セパレータが厚さ25μm、幅33mmで、負極が厚さ170μm、幅31mmとなっており、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順になるよう重ね合わせ、ポリエチレンの長方形状の巻芯を中心として、長辺が電極体の巻き軸と平行となるよう、その周囲に巻きつけて扁平巻の電極群2とした。
【0025】次に、電池ケース6に電極群2を収納し、正極集電体と正極リード10とを、負極集電体と負極リード(図示せず)とを接続し、電池蓋をレーザー封口した。そして電解液を各電極、セパレータが十分湿潤し、電極群外にフリーな電解液が存在しない量、ここでは6mlを注液孔より真空注液した。
【0026】次に、注液孔を注液栓で塞ぎ、密封封口を行って設計容量800mAhの電池(A)を10個作製した。
【0027】また、比較用として、従来の電池B(ただし、本発明電池の構成と異なる点は、最外周の正極及び負極集電体の厚みが内側集電体の厚みと同じであるということである。)を同様に10個作製した。
【0028】[試験および結果]これらの電池A及びBそれぞれにおいて、0.5Cの電流で3時間、4.1Vまで定電流定電圧充電を行って満充電状態とした。
【0029】これらの電池20個を用いて、電池ケースの側面より直径2.5mmの鉄釘を貫通させ、様子を観察したところ、本発明電池では全てにおいて120℃以下の発熱が認められたものの、それ以外の異常は全く認められなかった。しかしながら、従来電池では電池温度が200℃以上に上昇すると同時に発煙が見られた。
【0030】本実施例においては、電極体最外周の正極及び負極のその集電体の両方を内側の集電体厚さよりも小さくしたが、正極集電体のみ、負極集電体のみの場合も上記同様の結果が得られた。また、最外周の正極、負極のうち、どちらが外側であっても上記同様の結果が得られた。
【0031】さらに、本実施例においては、最外周のみの集電体厚みを小さくしているが、最外周から内側に向かって3周目までその集電体を同様に薄くしても同様の効果が得られた。
【0032】上記実施例において、正極のリチウム含有金属酸化物としてリチウムコバルト複合酸化物を用いる場合を説明したが、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムニッケル又はリチウムニッケル系複合酸化物、二硫化チタンをはじめとしてマンガン系、たとえばスピネル型リチウムマンガン酸化物あるいは五酸化バナジウムおよび三酸化モリブデンなどの種々のものを用いることができることはいうまでもない。
【0033】加えて、前記の実施例に係る電池は角形であるが、円筒形、ペーパー形等形状はどんなものであってもよい。
【0034】また、有機溶媒も基本的に限定されるものではない。従来リチウム電池に用いられているものであれば本発明と同様の効果が得られる。例えば溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホランなどの高誘電率溶媒に1,2−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルフォルメートなどの低粘度溶媒を混合したものが用いることができる。加えて、エネルギー密度が最も高い金属リチウム又はその合金を用いたリチウム二次電池にも適用可能である。
【0035】
【発明の効果】本発明によれば、内部短絡が生じても多大な発熱等を起こさないよう、効果的に抑止し得る非水電解質二次電池を提供することができる。
【0036】さらに、高容量化が可能であるばかりでなく、安全性のさらなる向上ができうる非水電解質二次電池を提供することもできる。
【0037】よって、本発明の工業的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例1にかかる本発明品の非水電解液二次電池の断面説明図である。
【符号の説明】
1 非水電解質二次電池
2 電極群
3 正極
4 負極
5 セパレータ
7 電池ケース
10 正極リード
6 正極端子
8 電解液注液栓

【特許請求の範囲】
【請求項1】 リチウムイオンを吸蔵放出可能なリチウム含有金属酸化物を有する正極合剤層が集電体に形成された正極と、リチウムイオンを吸蔵放出可能なホスト物質を有する負極合剤層が集電体に形成された負極と、隔離体とを備える巻回状電極体を有する非水電解質二次電池であって、電極体の少なくとも最外周に位置する正極又は/及び負極の集電体の厚さがその内側に位置する正極又は/及び負極の集電体の厚さよりも小さいことを特徴とする非水電解質二次電池。

【図1】
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