JP7401494B2 - 二次電池および該二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
K=Wi/(VrGH2) (1)
(ここで、Wiは該二次電池の初期容量(Ah)であり、Vrは上記電池ケース内空隙量(cm3)であり、GH2は上記ガスケットの60℃におけるH2ガス透過係数(cm3・cm)/(cm2・s・cmHg)である。);
を用いて計算されるパラメータKが0.43×108以上0.59×108以下を満たすように構成されている。
下記式(1):
K=Wi/(VrGH2) (1)
(ここで、Wiは該二次電池の初期容量(Ah)であり、Vrは上記電池ケース内空隙量(cm3)であり、GH2は上記ガスケットの60℃におけるH2ガス透過係数(cm3・cm)/(cm2・s・cmHg)である。);
を用いて計算されるパラメータKが0.43×108以上0.59×108以下を満たすように設定して構築することを包含する。
図1は、一実施形態に係る二次電池10の斜視図である。図2は、図1のII-II断面図である。図2では、略直方体の電池ケース41の片側の幅広面に沿って、内部を露出させた状態が描かれている。図1、2に示される二次電池10は、いわゆる密閉型電池である。図3は、図2のIII-III断面を示す断面図である。図3では、略直方体の電池ケース41の片側の幅狭面に沿って内部を露出させた状態の部分断面図が模式的に描かれている。
そして、二次電池10は、下記式(1):
K=Wi/(VrGH2) (1)
(ここで、Wiは二次電池の初期容量(Ah)であり、Vrは電池ケース内空隙量(cm3)であり、GH2はガスケットの60℃におけるH2ガス透過係数(cm3・cm)/(cm2・s・cmHg)である。);
を用いて計算されるパラメータKが0.43×108以上0.59×108以下を満たすように構成されている。パラメータKがかかる範囲を満たすことによって、二次電池の経時的な内圧増加の度合いをより小さくすることができる。また、パラメータKが上記範囲を満たす二次電池では、内圧増加の度合いが小さくなるため、内圧増加によって物理的に電池ケースを開放する必要がない。そのため、より長い期間、二次電池の電池性能を好適な状態で使用することができる。すなわち、二次電池の耐久性能を向上させることができる。
Vr=Vt-Vs (2)
(ここで、Vtは電池ケース内の密閉空間の容積であり、Vsは該密閉空間に収容されている固体(例えば、電極体、該電極体の付属部材)の体積V1、および液体(含まれる場合。例えば、非水電解液)の体積V2の合計である。);
を用いて算出される。なお、上記固体の体積V1は、アルキメデス法によって測定される(下記実施例を参照)。また、電池ケース内空隙量Vrは、電極体における空孔容積(すなわち、電極活物質層における空孔容積、セパレータの空孔容積等)を含む。
電極体20は、絶縁フィルム(図示は省略)などで覆われた状態で、電池ケース41に収容されている。二次電池10が備える電極体20の数は、特に限定されず、1つであってもよく、複数個(2個、3個、あるいは4個以上)であってもよい。本実施形態では、電極体20が1つ収容されている。電極体20は、正極(図2では正極シート21)と、負極(図2では負極シート22)と、セパレータとしてのセパレータシート31,32とを備えている。正極シート21と、セパレータシート31、32と、負極シート22とは、それぞれ長尺の帯状の部材である。
電池ケース41は、図2に示されるように、電極体20を収容している。図1、2に示されるように、電池ケース41は、一側面が開口した略直方体の角形形状を有するケース本体41aと、開口に装着された蓋41bとを有している。この実施形態では、ケース本体41aと蓋41bは、軽量化と所要の剛性を確保するとの観点で、それぞれアルミニウムまたはアルミニウムを主とするアルミニウム合金で形成されている。
ケース本体41aは、一側面が開口した略直方体の角形形状を有している。ケース本体41aは、略矩形の底面61と、一対の幅広面62,63(図3参照)と、一対の幅狭面64,65とを有している。一対の幅広面62,63は、それぞれ底面61のうち長辺から立ち上がっている。一対の幅狭面64,65は、それぞれ底面61のうち短辺から立ち上がっている。ケース本体41aの一側面には、一対の幅広面62,63と一対の幅狭面64,65で囲まれた開口41a1が形成されている。
蓋41bは、一対の幅広面62,63(図3参照)の長辺と、一対の幅狭面64,65の短辺とで囲まれたケース本体41aの開口41a1に装着される。そして、蓋41bの周縁部が、ケース本体41aの開口41a1の縁に接合される。かかる接合は、例えば、隙間がない連続した溶接によるとよい。かかる溶接は、例えば、レーザ溶接によって実現されうる。なお、詳細な図示は省略するが、蓋41bには、注液孔とガス排出弁とが設けられうる。注液孔は、ケース本体41aに蓋41bを接合した後に非水電解液を注液するためのものである。注液孔は、封止部材により封止される。ガス排出弁は、電池ケース41の内圧が所定値以上になったときに破断して、電池ケース41内のガスを外部に排出するように構成された薄肉部である。
ガスケット71は、電池ケース41と電極端子(ここでは負極端子43)との間に挟持され、該電池ケース41と該電極端子との間を封止する部材である。具体的には、図4に示されるように、蓋41bの取付孔41b1および座面41b3に取り付けられている。この実施形態では、ガスケット71は、座部71aと、ボス部71bと、側壁71cとを備えている。座部71aは、蓋41bの取付孔41b1周りの外側面に設けられた座面41b3に装着される部位である。座部71aは、座面41b3に合わせて略平坦な面を有する。座部71aは、座面41b3の突起41b4に応じた凹みを備えている。ボス部71bは、座部71aの底面から突出している。ボス部71bは、蓋41bの取付孔41b1に装着されるように取付孔41b1の内側面に沿った外形形状を有している。ボス部71bの内側面は、外部端子43bの軸部43b2が装着される装着孔となる。側壁71cは、座部71aの周縁から上方に立ち上がっている。外部端子43bの頭部43b1は、ガスケット71の側壁71cで囲まれた部位に装着される。
インシュレータ72は、蓋41bの取付孔41b1の周りにおいて、蓋41bの内側に装着される部材である。インシュレータ72は、ベース部72aと、孔72bと、側壁72cとを備えている。ベース部72aは、蓋41bの内側面に沿って配置される部位である。この実施形態では、ベース部72aは、略平板状の部位である。ベース部72aは、蓋41bの内側面に沿って配置され、ケース本体41aに収められるように、蓋41bからはみ出ない程度の大きさを有している。孔72bは、ガスケット71のボス部71b内側面に対応して設けられた穴である。この実施形態では、孔72bは、ベース部72aの略中央部に設けられている。蓋41bの内側面に対向する側面において、孔72bの周りには凹んだ段差72b1が設けられている。段差72b1には、取付孔41b1に装着されたガスケット71のボス部71bの先端が干渉しないように収められている。側壁72cは、ベース部72aの周縁部から下方に立ち上がっている。ベース部72aには、負極の内部端子43aの一端に設けられる基部43a1が収められる。インシュレータ72には、電池ケース41の内部に配置されるため、所要の耐薬品性を備えているとよい。インシュレータ72の構成材料としては、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂(Poly Phenylene Sulfide Resin)(PPS)が使用されうる。なお、インシュレータ72に用いられる材料は、PPSに限定されない。
すなわち、上記の場合のH2ガス透過係数GH2は、
下記式(3):
H2ガス透過係数GH2
=(H2ガス透過係数GH2p+H2ガス透過係数GH2n)/2 (3)
を用いて算出することができる。
以下、図1~4を適宜参照しつつ、一実施形態に係る二次電池10の製造方法を説明する。二次電池10の製造方法では、まず、上述のような電極体20と、電池ケース41と、正極端子42および負極端子43と、ガスケット71と、を用意する。そして、二次電池10を、下記式(1):
K=Wi/(VrGH2) (1)
(ここで、Wiは二次電池の初期容量(Ah)であり、Vrは電池ケース内空隙量(cm3)であり、GH2はガスケットの60℃におけるH2ガス透過係数(cm3・cm)/(cm2・s・cmHg)である。);
を用いて計算されるパラメータKが0.43×108以上0.59×108以下を満たすように設定して構築する。かかる製造方法を実施することによって、経時的な内圧増加の度合いが低減され、耐久性能が向上された二次電池を提供することができる。
下記評価用二次電池を作製するために、ガスケットRおよびガスケットSの2種類のガスケットを用意した。
―ガスケットR-
・商品名および販売元:AP230(ダイキン工業株式会社)
・材質:PFA(テトラフルオロエチレンとテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体)
・比重:2.14
―ガスケットS-
・商品名および販売元:NP-20(ダイキン工業株式会社)
・材質:FEP(テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体)
・比重:2.15
H2ガス透過係数GH2の測定に際して、ガスケットRおよびガスケットSを用いて、それぞれ、厚さ0.2mm、直径70mm~150mmの円盤状の試験片(n=3)を準備した。この試験片を用いて、JIS K7126-1「プラスチック-フィルム及びシート-ガス透過度試験方法-第1部:差圧法」に準拠して、各試験片の厚さ方向のH2ガス透過係数GH2(cm3・cm)/(cm2・s・cmHg)を測定した。測定装置として、株式会社東洋精機製作所製のガス透過試験機「MT-C3」を使用した。測定条件は、測定温度60℃、測定セルの透過断面積38.46cm2、差圧は1次側800mmHgG-850mmHgG、検出側0mmHgGであった。なお、測定は、25℃の室内で行った。かかる測定を3個の試験片について実施し、得られた測定値の算術平均値を、ガスケットRおよびガスケットSのそれぞれのH2ガス透過係数GH2とした。
ガスケットRのH2ガス透過係数GH2は35.5×10―10(cm3・cm)/(cm2・s・cmHg)であり、ガスケットSのH2ガス透過係数GH2は51.8×10―10(cm3・cm)/(cm2・s・cmHg)であった。
<評価用二次電池の作製>
正極活物質粉末としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(LNCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、LNCM:AB:PVDF=90:8:2の質量比でN-メチルピロリドン(NMP)と混合し、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状のアルミニウム箔(長手方向の長さ:360cm、短手方向の長さ:105cm)の両面に帯状に塗布(目付量:11.0mg/cm2)して乾燥した後、プレスすることにより正極シートを作製した。
上記活性化処理後、評価用二次電池の初期容量Wiを測定した。具体的には、上記活性化処理後の評価用二次電池を25℃の温度条件下に置いて、該評価用二次電池の端子電圧が4.1Vになるまで1/3Cの電流にて定電流で充電を行った。次いで、電流値が1/50Cになるまで定電圧で充電を行い、該評価用二次電池を満充電状態(SOC100%)にした。次いで、該評価用二次電池の端子電圧が3.0Vになるまで1/3Cの電流にて定電流で放電した。このときの放電容量を測定し、初期容量Wi(Ah)とした。結果を表1の該当欄に示す。
蓋とケース本体とを封止した後であって非水電解液を注液する前の二次電池組立体を用いて、電池ケース内空隙量Vrをアルキメデス法にて測定した。具体的には、該二次電池組立体に上述の非水電解液を注液して電池ケース内を満たし、注液した非水電解液の体積を記録した。電池ケースの容積Vtから、この体積を減じて得た値を、電池ケースの密閉空間に収容された固体の体積V1とした。そして、下記式(4):
Vr=Vt-(V1+V2) (4)
を用いて電池ケース内空隙量Vrを算出した。なお、V2は、上記のとおり、非水電解液の体積である。結果を表1の該当欄に示す。
上述のようにして得られた初期容量Wi、電池ケース内空隙量Vr、およびH2ガス透過係数GH2により、上記式(1)を用いてパラメータKを算出した。結果を表1の該当欄に示す。
電極体の構成(電極活物質層形成用スラリーの目付量、電極活物質層の厚み、アルミニウム箔や銅箔の長さ等)を適宜変更して初期容量Wiおよび電池ケース内空隙量Vrを調整し(例1と同様の方法を用いて算出。表1の各該当欄を参照)、パラメータKの値を表1の該当欄に記載の数値とした。それ以外は例1と同様にして、各例に係る試験用二次電池を準備した。
ガスケットRに替えて、ガスケットSを使用した。また、電極体の構成(電極活物質層形成用スラリーの目付量、電極活物質層の厚み、アルミニウム箔や銅箔の長さ等)を適宜変更して初期容量Wiおよび電池ケース内空隙量Vrを調整し(例1と同様の方法を用いて算出。表1の各該当欄を参照)、パラメータKの値を表1の該当欄に記載の数値とした。それ以外は例1と同様にして、各例に係る試験用二次電池を準備した。
電池ケースAに替えて、電池ケースBを使用した。また、電極体の構成(電極活物質層形成用スラリーの目付量、電極活物質層の厚み、アルミニウム箔や銅箔の長さ等)を適宜変更して初期容量Wiおよび電池ケース内空隙量Vrを調整し(例1と同様の方法を用いて算出。表1の各該当欄を参照)、パラメータKの値を表1の該当欄に記載の数値とした。それ以外は例1と同様にして、各例に係る試験用二次電池を準備した。なお、電池ケースBの寸法は、幅Wが137mmであり、長さDが13.3mmであり、高さHが63.2mであった(図1参照)。
各例に係る試験用二次電池のSOCを91%に調整した。ここで、差圧計(PRESSURE GAUGE(メーカー:名古屋精機製作所))の突起を電池ケースに挿入し、下記保存前の内圧P1(MPa)を測定した。次いで、試験用二次電池を60℃に設定された恒温槽内に配置し、120日間保存した。120日経過後、上記差圧計を用いて保存後の内圧P1(MPa)を測定した。そして、
下記式(5):
S=(P2-P1)/√day (5)
を用いて内圧増加傾きSを算出した。結果を表1の該当欄に示す。なお、本実施例では、上記のとおり算出された内圧増加傾きSが0.25×10-2(MPa/√day)以下の場合、評価用二次電池の経時的な内圧増加の度合いが十分小さい、と評価している。
各例に係る試験用二次電池のSOCを80%に調整し、75℃の温度条件で所定期間保存する保存試験を行い、その後、各評価用二次電池の容量Wc(保存後の容量)を測定した。そして、下記式(6):
容量維持率(%)=(Wc/Wi)×100 (6)
を用いて求めた値を、各例における容量維持率(%)とした。結果を表1の該当欄に示す。なお、本実施例では、上記のとおり算出された容量維持率が98.0%以上の場合、評価用二次電池の耐久性能が高い、と評価している。
20 電極体
21 正極シート
21a 正極集電箔
21a1 未形成部
21b 正極活物質層
22 負極シート
22a 負極集電箔
22a1 未形成部
22b 負極活物質層
31 セパレータシート
32 セパレータシート
41 電池ケース
41a ケース本体
41a1 開口
41b 蓋
41b1 取付孔
41b2 段差
41b3 座面
41b4 突起
42 正極端子
42a 内部端子
42b 外部端子
43 負極端子
43a 内部端子
43a1 基部
43a2 接続片
43b 外部端子
43s 頭部
43s1 凹部
43t 軸部
43t1 軸部本体
43t2 フランジ部
43t3 カシメ部
61 底面
62 幅広面
63 幅広面
64 幅狭面
65 幅狭面
71 ガスケット
71a 座部
71b ボス部
71c 側壁
72 インシュレータ
72a ベース部
72b 孔
72b1 段差
72c 側壁
Claims (4)
- 正極および負極を備える電極体と、
前記電極体を収容する電池ケースと、
前記電池ケースに取り付けられ、前記電極体の各極に接続された電極端子と、
前記電池ケースと前記電極端子との間に挟持され、該電池ケースと該電極端子との間を封止するガスケットと、
カーボネート系溶媒である非水電解液と、
を備える二次電池であって、
下記式(1):
K=Wi/(VrGH2) (1)
(ここで、Wiは該二次電池の初期容量(Ah)であり、Vrは前記電池ケース内空隙量(cm3)であり、GH2は前記ガスケットの60℃におけるH2ガス透過係数(cm3・cm)/(cm2・s・cmHg)である。);
を用いて計算されるパラメータKが0.43×108以上0.59×108以下を満たすように構成されており、
前記ガスケットは、パーフルオロアルコキシアルカン、または、パーフルオロエチレンプロペンコポリマーで構成されており、
前記H 2 ガス透過係数G H2 (cm 3 ・cm)/(cm 2 ・s・cmHg)は、35.5×10 ―10 以上51.8×10 ―10 以下である、二次電池。 - エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、およびジメチルカーボネートを含む前記非水電解液を備えている、請求項1に記載の二次電池。
- 正極および負極を備える電極体と、
前記電極体を収容する電池ケースと、
前記電池ケースに取り付けられた電極端子と、
前記電池ケースと前記電極端子との間に挟持され、該電池ケースと該電極端子との間を封止するガスケットと、
非水電解液と、
を備える二次電池の製造方法であって、
該二次電池を、
下記式(1):
K=Wi/(VrGH2) (1)
(ここで、Wiは該二次電池の初期容量(Ah)であり、Vrは前記電池ケース内空隙量(cm3)であり、GH2は前記ガスケットの60℃におけるH2ガス透過係数(cm3・cm)/(cm2・s・cmHg)である。);
を用いて計算されるパラメータKが0.43×108以上0.59×108以下を満たすように設定して構築することを包含し、
前記ガスケットとして、パーフルオロアルコキシアルカン、または、パーフルオロエチレンプロペンコポリマーで構成されるとともに、前記H 2 ガス透過係数G H2 (cm 3 ・cm)/(cm 2 ・s・cmHg)が35.5×10 ―10 以上51.8×10 ―10 以下であるガスケットを選択して前記設定を行い、
カーボネート系溶媒である前記非水電解液を注液することを包含する、製造方法。 - エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、およびジメチルカーボネートを含む前記非水電解液を注液することを包含する、請求項3に記載の製造方法。
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