JP7006693B2 - 電極、電池、電池パック、車両、蓄電システム、電動工具及び電子機器 - Google Patents
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- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
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Description
本技術に係る電極において、前記空孔の平均孔径が0.07μm~1.5μmでよい。
本技術に係る電極において、前記電極活物質層の全質量に対して、前記導電剤の含有量が0.3質量%~3質量%でよい。
本技術に係る電極において、前記電極活物質層の密度が3.8g/cm3~4.3g/cm3でよい。
本技術に係る電極において、前記電極活物質の平均粒径(D50)が3μm~40μmでよい。
本技術に係る電極において、前記電極活物質層の平均曲路率の平均値が1.1~2.5でよい。
本技術に係る電池を備える、電池パックを提供し、
本技術に係る電池と、該電池の使用状態を制御する制御部と、該制御部の指示に応じて該電池の使用状態を切り換えるスイッチ部と、を備える、電池パックを提供し、
本技術に係る電池と、該電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する駆動力変換装置と、該駆動力に応じて駆動する駆動部と、車両制御装置と、を備える、車両を提供し、
本技術に係る電池を有する蓄電装置と、該電池から電力が供給される電力消費装置と、該電池からの該電力消費装置に対する電力供給を制御する制御装置と、該電池を充電する発電装置と、を備える、蓄電システムを提供し、
本技術に係る電池と、該電池から電力が供給される可動部と、を備える、電動工具を提供し、
本技術に係る電池を備え、該電池から電力の供給を受ける、電子機器を提供する。
1.本技術の概要
2.第1の実施形態(電極の例)
3.第2の実施形態(電池の例)
4.電池の用途
4-1.電池の用途の概要
4-2.第3の実施形態(電池パックの例)
4-3.第4の実施形態(車両の例)
4-4.第5の実施形態(蓄電システムの例)
4-5.第6の実施形態(電動工具の例)
4-6.第7の実施形態(電子機器の例)
まず、本技術の概要について説明をする。
本技術に係る第1の実施形態(電極の例)の電極は、電極活物質層を備え、電極活物質層が、少なくとも、電極活物質と、ポリフッ化ビニリデンと、ヘキサフルオロプロピレンと、導電剤と、を含み、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの合計質量に対して、ヘキサフルオロプロピレンの質量が5質量%~50質量%であり、ヘキサフルオロプロピレンの質量に対する導電剤の質量の質量比(導電剤の質量/ヘキサフルオロプロピレンの質量)が0.095~50である、電極である。
るものではない。
(式中、M1は、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。f、g、h、jおよびkは、0.8≦f≦1.2、0<g<0.5、0≦h≦0.5、g+h<1、-0.1≦j≦0.2、0≦k≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、fの値は完全放電状態における値を表している。)
(式中、M2は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。m、n、pおよびqは、0.8≦m≦1.2、0.005≦n≦0.5、-0.1≦p≦0.2、0≦q≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、mの値は完全放電状態における値を表している。)
(式中、M3は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。r、s、tおよびuは、0.8≦r≦1.2、0≦s<0.5、-0.1≦t≦0.2、0≦u≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、rの値は完全放電状態における値を表している。)
(式中、M4は、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。v、w、xおよびyは、0.9≦v≦1.1、0≦w≦0.6、3.7≦x≦4.1、0≦y≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、vの値は完全放電状態における値を表している。)
(式中、M5は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、タングステン(W)およびジルコニウム(Zr)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。zは、0.9≦z≦1.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、zの値は完全放電状態における値を表している。)
本技術に係る第2の実施形態(電池の例)の電池は、本技術に係る第1の実施形態の電極を少なくとも備える、電池である。
本技術に係る電池の用途について下記に詳細に説明する。
本技術に係る電池の用途は、その電池を駆動用の電源または電力蓄積用の電力貯蔵源などとして利用可能な機械、機器、器具、装置およびシステム(複数の機器などの集合体)などであれば、特に限定されない。電源として使用される電池は、主電源(優先的に使用される電源)でもよいし、補助電源(主電源に代えて、または主電源から切り換えて使用される電源)でもよい。本技術に係る電池を補助電源として利用する場合には、主電源の種類は電池及び電池モジュールに限られない。
本技術に係る第3の実施形態の電池パックは、本技術に係る第2の実施形態の電池を備える。例えば、本技術に係る第3の実施形態の電池パックは、本技術に係る第2の実施形態の電池と、電池の使用状態を制御する制御部と、制御部の指示に応じて、電池の使用状態を切り換えるスイッチ部と、を備える、電池パックである。本技術に係る第3の実施形態の電池パックは、優れた電池特性や優れた信頼性を有する本技術に係る第2の実施形態の電池を備えているので、電池パックの性能や信頼性の向上につながる。
本技術に係る第4の実施形態の車両は、本技術に係る第2の実施形態の電池と、電池から供給された電力を駆動力に変換する駆動力変換装置と、駆動力に応じて駆動する駆動部と、車両制御装置と、を備える、車両である。本技術に係る第4の実施形態の車両は、優れた電池特性や優れた信頼性を有する本技術に係る第2の実施形態の電池を備えているので、車両の性能や信頼性の向上につながる。
本技術に係る第5の実施形態の蓄電システムは、本技術に係る第2の実施形態の電池を有する蓄電装置と、電池から電力が供給される電力消費装置と、電池からの該電力消費装置に対する電力供給を制御する制御装置と、電池を充電する発電装置と、を備える、蓄電システムである。本技術に係る第5の実施形態の蓄電システムは、優れた電池特性や優れた信頼性を有する本技術に係る第2の実施形態の電池を備えているので、蓄電システムの性能や信頼性の向上につながる。
本技術に係る第6の実施形態の電動工具は、本技術に係る第2の実施形態の電池と、電池から電力が供給される可動部とを備える、電動工具である。本技術に係る第6の実施形態の電動工具は、優れた電池特性や優れた信頼性を有する本技術に係る第2の実施形態の電池を備えているので、電動工具の性能や信頼性の向上につながる。
本技術に係る第7の実施形態の電子機器は、本技術に係る第2の実施形態の電池を備え、電池から電力の供給を受ける、電子機器である。上述したように、本技術に係る第7の実施形態の電子機器は、電池を駆動用の電源(電力供給源)として各種機能を発揮する機器である。本技術に係る第7の実施形態の電子機器は、優れた電池特性や優れた信頼性を有する本技術に係る第2の実施形態の電池を備えているので、電子機器の性能や信頼性の向上につながる。
空孔率は(1-(電極活物質層密度/電極活物質層真密度))×100により算出した。電極活物質層真密度は、電極活物質層中に存在する電極活物質、導電剤及びバインダーの密度にそれぞれの組成比を乗じたものの総和である。なお、電極活物質層の密度は下記に従って算出した。
集電体(集電箔でもよい。)と、集電体の片面に塗布した電極とをΦ15mmの円形に打ち抜き、集電体及び電極の重量と厚さとを測定した。その後、下式により電極密度を測定した。
(電極密度)=(電極重量-集電体重量)÷(Π*0.75*0.75)÷(電極厚さ-集電体厚さ)。
平均細孔径は以下のようにして求めた。
細孔径分布を得るため、Micromeritics Instrument Corporation製オートポアIV9500シリーズ[V1.0]により0.2PSIA~60000PSIAの圧力範囲で水銀圧入試験をおこなった。得られた細孔容積と比表面積とから平均細孔径を算出した。平均細孔径は(4×総細孔容積)/比表面積により算出した。
D50とは、粒子サイズが、最小である粒子から最大である粒子の順序に累積させた分布曲線において、全体粒子個数を100%にしたとき最小粒子から50%に該当する粒径を意味する。D50は、当業者に周知の方法で測定され、例えば、粒度分析機で測定したり、TEM(透過型電子顕微鏡)写真またはSEM(走査型電子顕微鏡)写真から測定したりすることができる。他の方法の例としては、動的光散乱法を利用した測定装置を用いて測定した後、データ分析を実施し、それぞれのサイズ範囲に対して、粒子数を計数し、それによって、計算を介してD50を容易に得ることができる。
平均曲路率は以下のように算出した。まずFEI社製Helios 400SによりFIBでの断面出し加工とSEMによる断面像取得を繰り返し、取得した像を再構築することで立体的な構造モデルを得た。得られた構造モデルをMath2Market社製GeoDictにより電極活物質、導電剤及びバインダー部と空隙部とに二値化し、曲路率を算出した。
剥離強度はInstron社製5564型引っ張り試験機により180°剥離試験を行い測定した。幅50mm、長さ150mmのSUS板中央に幅25mm、長さ100mmの両面粘着テープ(Dexerials社製G9000)を貼り、幅25mm、長さ50mmの電極を活物質層と両面粘着テープが接着するように張り付けた。試験片の一端を3mm剥離し、幅25mm、長さ100mmの紙片と繋ぎ合わせ、紙片を引っ張り試験機のチャックに固定した。引っ張り角度が180°となるように引張速度100mm/minで紙片を引っ張り、測定開始20mmから50mmの荷重の平均を剥離強度(mN/mm)とした。
充電上限電圧4.5V、充電電流0.2C、放電終了電圧3.0V、温度23℃において、放電電流レート0.2C及び0.5Cの条件で、リチウムイオン電池の放電容量を測定し、0.2Cに対する0.5Cの容量を放電負荷特性とした。
正極として、94.8質量%のLiCoO2、5.18質量%のバインダー(結着剤)、及び0.025質量%のケッチェンブラック(導電剤)を所定量のNMP(N-メチル-2-ピロリドン)と混合し、自公転式ミキサーにて混練し、分散することで正極合剤塗料を得た。なお、バインダーは、95質量%のポリフッ化ビニリデン(PVdF)と5質量%のヘキサフルオロプロピレン(HFP)とから構成されている。この正極合剤塗料を厚さ15μmのアルミニウム箔に塗布し、120℃で乾燥後、正極活物質層を形成し、ハンドプレス機にて3.9g/ccになるまで圧力をかけた上、真空乾燥することで正極を作製した。
実施例2~20については、下記の表1に記載されている、LiCoO2、バインダー(結着剤)、ケッチェンブラック(導電剤)、及びヘキサフルオロプロピレン(HFP)(ポリフッ化ビニリデン(PVdF))の量、並びに導電剤量/HFP量にした以外は、実施例1に記載されている方法と全く同様な方法で、正極及び単極ラミネートセルを作製した。
本技術に係る電池は、図6に示すように、プリント回路基板1202(Print circuit board、以下「PCB」と称する。)上に充電回路等と共に実装することができる。例えば、PCB1202上に、本技術に係る電池(図6中では、本技術に係る電池のうち、二次電池1203を示す。以下同じ。)及び充電回路等の電子回路をリフロー工程でもって実装することができる。PCB1202上に二次電池1203及び充電回路等の電子回路が実装されたものを電池モジュール1201と称する。電池モジュール1201は、必要に応じてカード型の構成とされ、携帯可能なカード型モバイルバッテリとして構成することができる。
A.ウェアラブル機器(スポーツウオッチ、時計、補聴器等)、
B.IoT端末(センサネットワーク端末等)、
C.アミューズメント機器(ポータブルゲーム端末、ゲームコントローラ)、
D.IC基板埋め込み電池(リアルタイムクロックIC)、
E.環境発電機器(太陽光発電、熱電発電、振動発電等の発電素子用の蓄電素子)。
現在、複数枚のクレジットカードを持ち歩いている人が多い。しかしながら、クレジットカードの枚数が多くなるほど、紛失、盗難等の危険性が増す問題がある。そこで、複数枚のクレジットカードやポイントカードなどの機能を1枚のカードに集約した、ユニバーサルクレジットカードと呼ばれるカードが実用化されている。このカードの中には、例えば、様々なクレジットカードやポイントカードの番号や有効期限等の情報を取り込むことができるので、そのカード1枚を財布等の中の入れておけば、好きな時に好きなカードを選択して利用することができる。
ウェアラブル端末の一例として、リストバンド型電子機器がある。その中でも、リストバンド型活動量計は、スマートバンドとも呼ばれ、腕に巻き付けておくのみで、歩数、移動距離、消費カロリー、睡眠量、心拍数などの人の活動に関するデータを取得することができるものである。さらに、取得されたデータをスマートフォンで管理することもできる。さらに、メールの送受信機能を備えることもでき、例えば、メールの着信をLED(Light Emitting Diode)ランプ及び/又はバイブレーションでユーザに知らせる通知機能を有するものが使用されている。
スマートウオッチは、既存の腕時計のデザインと同様ないし類似の外観を有し、腕時計と同様にユーザの腕に装着して使用するものであり、ディスプレイに表示される情報で、電話や電子メールの着信などの各種メッセージをユーザに通知する機能を有する。さらに、電子マネー機能、活動量計等の機能を有するスマートウオッチも提案されている。スマートウオッチは、電子機器の本体部分の表面にディスプレイが組み込まれ、ディスプレイに様々な情報が表示される。また、スマートウオッチは、例えば、通信端末(スマートフォン等)とBluetooth(登録商標)などの近距離無線通信を行うことによって、通信端末等の機能やコンテンツ等と連携することも可能である。
図12は、バンド型電子機器2000の内部構成の一部を示す。例えば3個のセグメント2170、2180、2190、2200、2210の内部を示す。バンド型電子機器2000では、連続した5個のセグメント2170~2210の内部にフレキシブル回路基板2400が配置される。セグメント2170内には、種々の電子部品が配置され、セグメント2190、2210には、本技術に係る電池から構成されるバッテリー2411、2421が配置され、これらの部品がフレキシブル回路基板2400で電気的に接続される。セグメント2170とセグメント2190との間のセグメント2180は、比較的小さなサイズであり、蛇行状態のフレキシブル回路基板2400が配置される。セグメント2180の内部では、防水部材に挟まれた状態でフレキシブル回路基板2400が配置される。なお、セグメント2170~2210の内部は、防水構造とされている。
図13は、バンド型電子機器2000の回路構成を示すブロック図である。バンド型電子機器2000の内部の回路は、時計本体3000とは独立した構成である。時計本体3000は、文字盤3100に配置された針を回転させるムーブメント部3200を備える。ムーブメント部3200には、バッテリー3300が接続されている。これらのムーブメント部3200やバッテリー3300は、時計本体3000の筐体内に内蔵されている。
以下に説明するメガネ型端末は、目の前の風景にテキスト、シンボル、画像等の情報を重畳して表示することができるものである。すなわち、透過式メガネ型端末専用の軽量且つ薄型の画像表示装置ディスプレイモジュールを搭載している。代表的なものとして、頭部装着型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ(HMD))がある。
[1]
電極活物質層を備え、
該電極活物質層が、少なくとも、電極活物質と、ポリフッ化ビニリデンと、ヘキサフルオロプロピレンと、導電剤と、を含み、
該ポリフッ化ビニリデンと該ヘキサフルオロプロピレンとの合計質量に対して、該ヘキサフルオロプロピレンの質量が5質量%~50質量%であり、
該ヘキサフルオロプロピレンの質量に対する該導電剤の質量の質量比(導電剤の質量/ヘキサフルオロプロピレンの質量)が0.095~50である、電極。
[2]
前記電極活物質層が空孔を有し、前記電極活物質層の全体積に対して、該空孔の体積が、10体積%~25体積%である、[1]に記載の電極。
[3]
前記空孔の平均孔径が0.07μm~1.5μmである、[2]に記載の電極。
[4]
前記電極活物質層の全質量に対して、前記導電剤の含有量が0.3質量%~3質量%である、[1]から[3]のいずれか1つ記載の電極。
[5]
前記電極活物質層の密度が3.8g/cm3~4.3g/cm3である、[1]から[4]のいずれか1つに記載の電極。
[6]
前記電極活物質の平均粒径(D50)が3μm~40μmである、[1]~[5]のいずれか1つに記載の電極。
[7]
前記電極活物質層の平均曲路率の平均値が1.1~2.5である、[1]~[6]のいずれか1つに記載の電極。
[8]
集電体を更に備え、
前記電極活物質層と該集電体との剥離強度が、20N/m~80N/mである、[1]から[7]のいずれか1つに記載の電極。
[9]
[1]から[8]のいずれか1つに記載の電極を少なくとも備える、電池。
[10]
[9]に記載の電池を備える、電池パック。
[11]
[9]に記載の電池と、
該電池の使用状態を制御する制御部と、
該制御部の指示に応じて該電池の使用状態を切り換えるスイッチ部と、を備える、電池パック。
[12]
[9]に記載の電池と、
該電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する駆動力変換装置と、
該駆動力に応じて駆動する駆動部と、
車両制御装置と、を備える、車両。
[13]
[9]に記載の電池を有する蓄電装置と、
該電池から電力が供給される電力消費装置と、
該電池からの該電力消費装置に対する電力供給を制御する制御装置と、
該電池を充電する発電装置と、を備える、蓄電システム。
[14]
[9]に記載の電池と、
該電池から電力が供給される可動部と、を備える、電動工具。
[15]
[9]に記載の電池を備え、
該電池から電力の供給を受ける、電子機器。
Claims (13)
- 電極活物質層を備え、
該電極活物質層が、少なくとも、電極活物質と、ポリフッ化ビニリデンと、ヘキサフルオロプロピレンと、導電剤と、を含み、
該ポリフッ化ビニリデンと該ヘキサフルオロプロピレンとの合計質量に対して、該ヘキサフルオロプロピレンの質量が6.0質量%~40.0質量%であり、
該ヘキサフルオロプロピレンの質量に対する該導電剤の質量の質量比(導電剤の質量/ヘキサフルオロプロピレンの質量)が0.155~3.409であり、
該電極活物質層が空孔を有し、該電極活物質層の全体積に対して、該空孔の体積が、10体積%~25体積%であり、
前記電極活物質層の密度が3.8g/cm 3 ~4.3g/cm 3 である、電極。 - 前記空孔の平均孔径が0.07μm~1.5μmである、請求項1に記載の電極。
- 前記電極活物質層の全質量に対して、前記導電剤の含有量が0.3質量%~3質量%である、請求項1又は2に記載の電極。
- 前記電極活物質の平均粒径(D50)が3μm~40μmである、請求項1から3のいずれか一項に記載の電極。
- 前記電極活物質層の平均曲路率の平均値が1.1~2.5である、請求項1から4のいずれか一項に記載の電極。
- 集電体を更に備え、
前記電極活物質層と該集電体との剥離強度が、20N/m~80N/mである、請求項1から5のいずれか一項に記載の電極。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の電極を少なくとも備える、電池。
- 請求項7に記載の電池を備える、電池パック。
- 請求項7に記載の電池と、
該電池の使用状態を制御する制御部と、
該制御部の指示に応じて該電池の使用状態を切り換えるスイッチ部と、を備える、電池パック。 - 請求項7に記載の電池と、
該電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する駆動力変換装置と、
該駆動力に応じて駆動する駆動部と、
車両制御装置と、を備える、車両。 - 請求項7に記載の電池を有する蓄電装置と、
該電池から電力が供給される電力消費装置と、
該電池からの該電力消費装置に対する電力供給を制御する制御装置と、
該電池を充電する発電装置と、を備える、蓄電システム。 - 請求項7に記載の電池と、
該電池から電力が供給される可動部と、を備える、電動工具。 - 請求項7に記載の電池を備え、
該電池から電力の供給を受ける、電子機器。
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