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技術 負極、電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム

出願人 株式会社村田製作所
発明者 宗岡高敏
出願日 2016年4月14日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2017-525791
公開日 2018年4月19日 (2年7ヶ月経過) 公開番号 WO2017-002288
状態 特許登録済
技術分野 電池の電極及び活物質 電池等の充放電回路 電池及び電池容器の装着・懸架 炭素・炭素化合物 二次電池の保守(充放電、状態検知)
主要キーワード 近傍粒子 コネクタ付きリード線 反応元素 電子パス 充電ロス フレキシブル電池 ポータブルオーディオプレイヤ 無人飛行機
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題・解決手段

サイクル特性の向上が可能な負極、電池電池パック電子機器電動車両蓄電装置および電力システムを提供する。図1

概要

背景

近年、携帯電話機器などのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、ポータブル電子機器の電源として、リチウムイオン二次電池などの電池の開発が進められている。

リチウムイオン二次電池では、負極活物質として炭素材料が広く用いられている。最近では、ポータブル電子機器の高性能化に伴い、エネルギー密度をさらに向上することが求められているため、負極活物質として、炭素材料に代えて理論容量の大きいケイ素、スズなどを用いることが検討されている。

下記特許文献1には、Si含有負極活物質粒子、第1の導電剤および繊維状の第2の導電剤を含む負極を備え、第1の導電剤によって表面が覆われた少なくとも2つのSi含有負極活物質粒子に、第2の導電剤が接触した非水電解質電池が記載されている。

概要

サイクル特性の向上が可能な負極、電池、電池パック電子機器電動車両蓄電装置および電力システムを提供する。

目的

特開2008−117761号公報






本技術の目的は、サイクル特性の向上が可能な負極、電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

負極活物質と、第1炭素繊維および第2炭素繊維とを含み、前記第1炭素繊維は、繊維径70nm以上150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満のものであり、前記第2炭素繊維は、繊維径150nm以上、または、繊維長10μm以上のものである負極。

請求項2

前記負極活物質は、非炭素材料および炭素材料の少なくとも一つを含む請求項1に記載の負極。

請求項3

前記非炭素材料は、ケイ素を含む材料およびスズを含む材料の少なくとも一つを含み、前記炭素材料は、黒鉛を含む請求項2に記載の負極。

請求項4

前記ケイ素を含む材料は、ケイ素の単体、ケイ素の合金およびケイ素の化合物の少なくとも一つを含み、前記スズを含む材料は、スズの単体、スズの合金およびスズの化合物の少なくとも一つを含む請求項3に記載の負極。

請求項5

前記第1炭素繊維の比表面積は、50m2/g未満であり、前記第2炭素繊維の比表面積は、50m2/g未満である請求項1に記載の負極。

請求項6

前記第1炭素繊維および前記第2炭素繊維の合計質量は、負極構成材料の全質量に対して、0.1wt%以上10wt%未満である請求項1に記載の負極。

請求項7

正極と、負極と、電解質とを備え、前記負極は、負極活物質と、第1炭素繊維および第2炭素繊維とを含み、前記第1炭素繊維は、繊維径70nm以上150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満のものであり、前記第2炭素繊維は、繊維径150nm以上、または、繊維長10μm以上のものである電池

請求項8

請求項7に記載の電池と、前記電池を制御する制御部とを有する電池パック

請求項9

請求項7に記載の電池から電力の供給を受ける電子機器

請求項10

請求項7に記載の電池と、前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置とを有する電動車両

請求項11

請求項7に記載の電池を有し、前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置

請求項12

他の機器ネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を有し、前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う請求項11に記載の蓄電装置。

請求項13

請求項7に記載の電池から電力の供給を受ける電力システム

請求項14

発電装置または電力網から前記電池に電力が供給される請求項13に記載の電力システム。

技術分野

0001

本技術は、負極、電池電池パック電子機器電動車両蓄電装置および電力システムに関する。

背景技術

0002

近年、携帯電話機器などのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、ポータブル電子機器の電源として、リチウムイオン二次電池などの電池の開発が進められている。

0003

リチウムイオン二次電池では、負極活物質として炭素材料が広く用いられている。最近では、ポータブル電子機器の高性能化に伴い、エネルギー密度をさらに向上することが求められているため、負極活物質として、炭素材料に代えて理論容量の大きいケイ素、スズなどを用いることが検討されている。

0004

下記特許文献1には、Si含有負極活物質粒子、第1の導電剤および繊維状の第2の導電剤を含む負極を備え、第1の導電剤によって表面が覆われた少なくとも2つのSi含有負極活物質粒子に、第2の導電剤が接触した非水電解質電池が記載されている。

先行技術

0005

特開2008−117761号公報

発明が解決しようとする課題

0006

本技術の目的は、サイクル特性の向上が可能な負極、電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システムを提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

上述した課題を解決するために、本技術は、負極活物質と、第1炭素繊維および第2炭素繊維とを含み、第1炭素繊維は、繊維径70nm以上150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満のものであり、第2炭素繊維は、繊維径150nm以上、または、繊維長10μm以上のものである負極である。

0008

本技術は、正極と、負極と、電解質とを備え、負極は、負極活物質と、第1炭素繊維および第2炭素繊維とを含み、第1炭素繊維は、繊維径70nm以上150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満のものであり、第2炭素繊維は、繊維径150nm以上、または、繊維長10μm以上のものである電池である。

0009

本技術の電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システムは、上述の電池を備えたものである。

発明の効果

0010

本技術の負極によれば、サイクル特性の向上を可能にする。本技術の電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システムにおいても同様の効果を得ることができる。

図面の簡単な説明

0011

図1は本技術の実施の形態に係る電池の構成を示す断面図である。
図2図1に示した巻回電極体の一部を拡大して示す断面図である。
図3は本技術の実施の形態に係る電池の一構成例を示す分解斜視図である。
図4図3に示す巻回電極体のI−I線に沿った断面構成を表す断面図である。
図5は本技術の実施の形態に係る電池パックの一構成例を示す斜視図である。
図6図5に示した電池パックの一構成例を示すブロック図である。
図7は本技術の実施の形態に係る電子機器の一構成例を示すブロック図である。
図8は本技術の実施の形態に係る蓄電システムの一構成例を示す概略図である。
図9は本技術の実施の形態に係る電動車両の一構成例を示す概略図である。

0012

以下、本技術の実施の形態について説明する。説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(円筒型の電池の例)
2.第2の実施の形態(ラミネートフィルム型の電池の例)
3.第3の実施の形態(電池パックの例)
4.第4の実施の形態(電子機器の例)
5.第5の実施の形態(蓄電システムの例)
6.第6の実施の形態(電動車両の例)
7.他の実施の形態(変形例)
なお、以下に説明する実施の形態などは本技術の好適な具体例であり、本技術の内容がこれらの実施の形態などに限定されるものではない。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また、例示した効果と異なる効果が存在することを否定するものではない。

0013

1.第1の実施の形態
(1−1)非水電解質電池の構成例
本技術の第1の実施の形態では、一例として円筒型の非水電解質二次電池(以下、「非水電解質電池」または単に「電池」という)について、図1および図2を参照しながら説明する。

0014

図1に示すように、この非水電解質電池は、主に、ほぼ中空円柱状電池缶11の内部に、巻回電極体20および一対の絶縁板12、13が収納されたものである。このような電池缶11を用いた電池構造は、円筒型と呼ばれている。

0015

電池缶11は、例えば、一端部が閉鎖されると共に他端部が開放された中空構造を有しており、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)またはそれらの合金などにより構成されている。なお、電池缶11が鉄により構成される場合には、例えば、電池缶の11の表面にニッケル(Ni)などが鍍金されていてもよい。一対の絶縁板12、13は、巻回電極体20を上下から挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。

0016

電池缶11の開放端部には、電池蓋14、安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient :PTC素子)16がガスケット17を介してかしめられており、その電池缶11は、密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15および熱感抵抗素子16は、電池蓋14の内側に設けられている。

0017

安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されている。この安全弁機構15では、内部短絡、または外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との間の電気的接続を切断するようになっている。

0018

熱感抵抗素子16は、温度の上昇に応じて抵抗が増大する(電流を制限する)ことにより、大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面には、例えば、アスファルトが塗布されている。

0019

巻回電極体20は、セパレータ23を介して正極21と負極22とが積層および巻回されたものである。この巻回電極体20の中心には、センターピン24が挿入されていてもよい。

0020

巻回電極体20の正極21には正極リード25が接続されており、負極22には負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。

0021

正極リード25は、例えば、薄板状の導電部材であり、例えば、アルミニウムなどにより構成されている。負極リード26は、例えば、薄板状の導電部材であり、銅(Cu)、ニッケルまたはステンレス(SUS)などにより構成されている。

0022

(正極)
正極21は、例えば、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられたものである。なお、正極21は、正極集電体21Aの片面のみに正極活物質層21Bが設けられた領域を有していてもよい。

0023

正極集電体21Aとしては、例えば、アルミニウム箔ニッケル箔、またはステンレス箔などの金属箔を用いることができる。

0024

正極活物質層21Bは、正極活物質を含む。正極活物質層21Bは、必要に応じて、導電剤、結着剤などの他の材料を含んでいてもよい。

0025

(正極活物質)
正極活物質としては、例えば、リチウム吸蔵および放出可能な材料を用いることができる。正極活物質としては、例えば、リチウム含有化合物を用いることができる。

0026

リチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物(「リチウム遷移金属複合酸化物」という)、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物(「リチウム遷移金属リン酸化合物」という)などが挙げられる。リチウム含有化合物としては、遷移金属元素としてコバルト(Co)、ニッケル、マンガン(Mn)および鉄の少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。

0027

リチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、層状岩塩型構造のリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型構造のリチウム遷移金属複合酸化物などが挙げられる。

0028

層状岩塩型構造のリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、一般式LixM1O2(式中、M1は1種類以上の遷移金属元素を含む元素を表す。xの値は、一例として、0.05≦x≦1.10である。xの値は電池の充放電状態によって異なる。なお、xの値はこれに限定されるものではない。)で表されるリチウム含有化合物などが挙げられる。より具体的には、例えば、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2)、リチウムニッケル複合酸化物(LixNiO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(LixNi1-zCozO2(0<z<1))、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LixNi(1-v-w)CovMnwO2(0<v+w<1、v>0、w>0))、リチウムコバルトアルミニウムマグネシウム複合酸化物(LixCo(1-p-q)AlpMgqO2(0<p+q<1、p>0、q>0))などが挙げられる。

0029

スピネル型構造のリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)、リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2-tNitO4(0<t<2))などが挙げられる。

0030

リチウム遷移金属リン酸化合物としては、例えば、オリビン型構造のリチウム遷移金属リン酸化合物などが挙げられる。

0031

オリビン型構造のリチウム遷移金属リン酸化合物としては、例えば、一般式LiyM2PO4(式中、M2は1種類以上の遷移金属元素を含む元素を表す。yの値は、一例として、0.05≦y≦1.10である。yの値は電池の充放電状態によって異なる。なお、yの値はこの範囲に限定されるものではない。)で表されるリチウム含有化合物などが挙げられる。より具体的には、例えば、リチウム鉄リン酸化合物(LiyFePO4)、リチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiyFe1-uMnuPO4(0<u<1))などが挙げられる。

0032

正極活物質としては、上述したリチウム含有化合物の粒子と、リチウム含有化合物の粒子の表面の少なくとも一部に設けられた被覆層とを有する被覆粒子を用いてもよい。このような被覆粒子を用いることで、電池特性をより向上できる。

0033

被覆層は、母材となるリチウム含有化合物の粒子(母材粒子)の表面の少なくとも一部に設けられたものであり、母材粒子とは異なる組成元素または組成比を有するものである。被覆層としては、例えば、酸化物遷移金属化合物などを含むものが挙げられる。具体的には、被覆層としては、例えば、リチウムとニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも一方とを含む酸化物、または、ニッケル、コバルト、マンガン、鉄、アルミニウム、マグネシウム(Mg)および亜鉛(Zn)からなる群のうちの少なくとも1種と、酸素(O)と、リン(P)とを含む化合物などを含む。被覆層は、フッ化リチウムなどのハロゲン化物または酸素以外のカルコゲン化物を含むようにしてよい。

0034

被覆層の存在は、正極活物質の表面から内部に向かって構成元素濃度変化を調べることで、確認することができる。例えば、濃度変化は、被覆層が設けられたリチウム含有化合物の粒子をスパッタリングなどにより削りながらその組成オージェ電子分光分析(Auger Electron Spectroscopy :AES)またはSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry ;二次イオン質量分析)により測定することが可能である。また、被覆層が設けられたリチウム含有化合物の粒子を酸性溶液中などでゆっくり溶解させ、その溶出分時間変化誘導結合高周波プラズマ(Inductively Coupled Plasma :IPC)分光分析などにより測定することも可能である。

0035

その他、正極活物質としては、例えば、酸化物、二硫化物、リチウムを含有しないカルコゲン化物(特に層状化合物スピネル型化合物)、導電性高分子などを用いることができる。酸化物としては、例えば、酸化バナジウム(V2O5)、二酸化チタン(TiO2)、二酸化マンガン(MnO2)などが挙げられる。二硫化物としては、例えば、二硫化鉄(FeS2)、二硫化チタン(TiS2)、二硫化モリブデン(MoS2)などが挙げられる。リチウムを含有しないカルコゲン化物としては、例えば、二セレン化ニオブ(NbSe2)などが挙げられる。導電性高分子としては、硫黄ポリアニリンポリチオフェンポリアセチレンまたはポリピロールなどが挙げられる。

0036

正極活物質は、上記で例示した正極活物質以外であってもよい。また、上記で例示した正極活物質は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。

0037

(導電剤)
導電剤としては、例えば、炭素材料などを用いることができる。炭素材料としては、例えば、グラファイトカーボンブラックまたはアセチレンブラックなどが挙げられる。なお、導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料または導電性高分子などでもよい。

0038

(結着剤)
結着剤としては、例えば、樹脂材料などを用いることができる。樹脂材料としては、ポリフッ化ビニリデンPVdF)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリテトラフルオロエチレンPTFE)、ポリアクリロニトリル(PAN)、スチレンブタジエンゴムSBR)またはカルボキシメチルセルロースCMC)などが挙げられる。

0039

(負極)
負極22は、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。なお、負極22は、負極集電体22Aの片面のみに負極活物質層22Bが設けられた領域を有していてもよい。

0040

負極集電体22Aとしては、例えば、銅箔などの金属箔を用いることができる。

0041

負極活物質層22Bは、少なくとも、負極活物質および炭素繊維を含む。負極活物質層22Bは、必要に応じて、導電剤、結着剤などの他の材料を含んでいてもよい。導電剤および結着剤としては、正極21の導電剤および結着剤と同様の材料などを用いることができる。

0042

(負極活物質)
負極活物質としては、例えば、リチウムを吸蔵および放出可能な材料を用いることができる。負極活物質は、炭素材料および非炭素材料の少なくとも一つを含むことが好ましい。

0043

(炭素材料)
炭素材料は、例えば、黒鉛を含む。なお、黒鉛の種類は、特に限定されない。すなわち、黒鉛の種類は、例えば、天然黒鉛でもよいし、人造黒鉛でもよいし、双方でもよい。また、黒鉛の形状は、例えば、繊維状、球状、粒状および鱗片状などの1種または2種以上であってもよい。黒鉛の表面は、ピッチおよび樹脂などの1種または2種以上により被覆または部分修飾されていてもよい。

0044

天然黒鉛は、例えば、鱗片状黒鉛鱗状黒鉛および土状黒鉛などの1種または2種以上である。人造黒鉛は、例えば、メソカーボンマイクロビーズMCMB)などの1種または2種以上である

0045

(非炭素材料)
非炭素材料は、金属系材料を含む。この「金属系材料」とは、電極反応物質と反応可能である元素(以下、「反応元素」という。)の1種または2種以上を構成元素として含む材料である。ただし、炭素は、ここで説明する反応元素から除かれる。この反応元素の種類は、特に限定されないが、具体的には、ケイ素およびスズなどの1種または2種以上である。

0046

「電極反応物質」とは、活物質を用いた二次電池において電極反応充放電反応)に用いられる物質であり、例えば、リチウム二次電池ではリチウム(Li)である。

0047

金属系材料は、上記したように、反応元素の1種または2種以上を構成元素として含む材料であるため、単体でもよいし、合金でもよいし、化合物でもよいし、それらの2種以上でもよい。すなわち、金属系材料は、ケイ素の単体、ケイ素の合金およびケイ素の化合物の1種または2種以上でもよい。また、金属系材料は、スズの単体、スズの合金およびスズの化合物の1種または2種以上でもよい。もちろん、金属系材料は、上記した一連の金属系材料の候補のうちの2種以上でもよい。なお、本技術において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体共晶共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。

0048

中でも、金属系材料は、ケイ素およびスズのうちの一方または双方を構成元素として含む材料であることが好ましく、ケイ素を構成元素として含む材料であることがより好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。

0049

ケイ素の合金およびケイ素の化合物に関する詳細は、以下の通りである。

0050

ケイ素の合金は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム(In)、銀(Ag)、チタン(Ti)、ゲルマニウム(Ge)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)およびクロム(Cr)などの1種または2種以上を含んでいる。ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、炭素および酸素などの1種または2種以上を含んでいる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、上記したケイ素以外の構成元素の1種または2種以上を含んでいてもよい。

0051

ケイ素の合金およびケイ素の化合物の具体例は、SiB4、SiB6、Mg2Si、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、NiSi2、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si3N4、Si2N2O、SiOv(0<v≦2)およびLiSiOなどである。なお、SiOvにおけるvは、0.2<v<1.4でもよい。なお、ケイ素の合金は、液相法気相法および固相法などの1種または2種以上を用いて、低結晶カーボン、高結晶カーボンおよび黒鉛などの1種または2種以上により被覆または部分修飾されていてもよい。このように被覆または部分修飾されていてもよいことは、ケイ素の化合物に関しても同様である。

0052

スズの合金およびスズの化合物に関する詳細は、ケイ素に代えてスズを用いると共に、スズ以外の構成元素にケイ素も含まれることを除き、上記したケイ素の合金およびケイ素の化合物に関する詳細と同様である。スズの合金およびスズの化合物の具体例は、SnOx(0<x≦2)、SnSiO3、LiSnOおよびMg2Snなどである。

0053

ただし、スズの合金およびスズの化合物には、以下で説明する材料も含まれる。この材料は、例えば、第1構成元素であるスズと共に第2および第3構成元素を含む材料(Sn含有材料)である。第2構成元素は、例えば、コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム(V)、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム(Ga)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、銀、インジウム、セシウム(Ce)、ハフニウムタンタルタングステン、ビスマスおよびケイ素などの1種または2種以上である。第3構成元素は、例えば、ホウ素(B)、炭素、アルミニウムおよびリンなどの1種または2種以上である。

0054

中でも、Sn含有材料は、スズ、コバルトおよび炭素を構成元素として含む材料(SnCoC含有材料)であることが好ましい。このSnCoC含有材料では、例えば、炭素の含有量が9.9wt%〜29.7wt%、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))が20wt%〜70wt%である。高いエネルギー密度が得られるからである。

0055

SnCoC含有材料は、スズ、コバルトおよび炭素を含む相を有しており、その相は、低結晶性または非晶質であることが好ましい。この相は、電極反応物質と反応可能な相(反応相)であるため、その反応相の存在により優れた特性が得られる。X線回折により得られる反応相の回折ピーク半値幅回折角2θ)は、特定X線としてCuKα線を用いると共に挿引速度を1°/minとした場合において、1°以上であることが好ましい。電極反応物質がより円滑に吸蔵放出されると共に、電解質との反応性が低減するからである。なお、SnCoC含有材料は、低結晶性または非晶質の相に加えて、各構成元素の単体または一部が含まれている相を含んでいる場合もある。

0056

X線回折により得られた回折ピークが電極反応物質と反応可能な相(反応相)に対応するか否かは、電極反応物質との電気化学的反応の前後におけるX線回折チャートを比較すれば、容易に判断できる。例えば、電極反応物質との電気化学的反応の前後において回折ピークの位置が変化すれば、電極反応物質と反応可能な相に対応する。この場合には、例えば、低結晶性または非晶質の反応相の回折ピークが2θ=20°〜50°の範囲に検出される。この反応相は、例えば、上記した各構成元素を含んでおり、主に、炭素の存在に起因して低結晶化または非晶質化していると考えられる。

0057

SnCoC含有材料では、構成元素である炭素のうちの少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合していることが好ましい。スズなどの凝集または結晶化が抑制されるからである。元素の結合状態に関しては、例えば、X線光電子分光(XPS)法を用いて確認可能である。市販の装置では、例えば、軟X線としてAl−Kα線またはMg−Kα線などが用いられる。炭素のうちの少なくとも一部が金属元素または半金属元素などと結合している場合には、炭素の1s軌道(C1s)の合成波ピークが284.5eVよりも低い領域に現れる。なお、金原子の4f軌道(Au4f)のピークは、84.0eVに得られるようにエネルギー較正されていることとする。この際、通常、物質表面に表面汚染炭素が存在しているため、その表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとして、そのピークをエネルギー基準とする。XPS法を用いた分析測定において、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとSnCoC含有材料中における炭素のピークとを含んだ形で得られる。このため、例えば、市販のソフトウェアを用いて解析することで、両者のピークを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。

0058

なお、SnCoC含有材料は、構成元素がスズ、コバルトおよび炭素だけである材料(SnCoC)に限られない。このSnCoC含有材料は、例えば、スズ、コバルトおよび炭素に加えて、さらにケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムおよびビスマスなどの1種または2種以上を構成元素として含んでいてもよい。

0059

SnCoC含有材料の他、スズ、コバルト、鉄および炭素を構成元素として含む材料(SnCoFeC含有材料)も好ましい。このSnCoFeC含有材料の組成は、任意でよい。一例を挙げると、鉄の含有量を少なめに設定する場合は、炭素の含有量が9.9wt%〜29.7wt%、鉄の含有量が0.3wt%〜5.9wt%、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))が30wt%〜70wt%である。また、鉄の含有量を多めに設定する場合は、炭素の含有量が11.9wt%〜29.7wt%、スズ、コバルトおよび鉄の含有量の割合((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))が26.4wt%〜48.5wt%、コバルトおよび鉄の含有量の割合(Co/(Co+Fe))が9.9wt%〜79.5wt%である。この組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。なお、SnCoFeC含有材料の物性(半値幅など)は、上記したSnCoC含有材料の物性と同様である。

0060

なお、負極活物質は、さらに、他の材料を1種または2種以上含んでいてもよい。

0061

他の材料は、例えば、金属酸化物および高分子化合物などの材料の1種または2種以上である。ただし、金属系材料は、ここで説明する金属酸化物から除かれる。金属酸化物は、例えば、酸化鉄酸化ルテニウムおよび酸化モリブデンなどである。高分子化合物は、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンおよびポリピロールなどである。ただし、他の材料は、上記以外であってもよい。

0062

負極活物質は、上記で例示した負極活物質以外であってもよい。また、上記で例示した負極活物質は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。

0063

(炭素繊維)
炭素繊維は繊維状の炭素物質であり、少なくとも第1炭素繊維および第2炭素繊維を含む。負極活物質とともに第1炭素繊維および第2炭素繊維を用いることで、負極活物質粒子近傍、および、負極活物質層全体に良好な導電ネットワークを形成でき、負極活物質の充放電に伴う膨張収縮による負極活物質粒子間の導電パス崩落を抑制できる。この結果、サイクル特性を向上できる。負極活物質として、ケイ素を含む材料およびスズを含む材料の少なくとも一つなどを用いた場合には、充放電に伴う膨張収縮が激しいため、第1炭素繊維および第2炭素繊維を用いることが特に効果的である。

0064

(第1炭素繊維)
第1炭素繊維としては、繊維径70nm以上150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満の炭素繊維を用いることができる。

0065

この第1炭素繊維は、細径(70nm以上150nm未満)且つ短尺(1μm以上10μm未満)であるため、負極活物質の粒子表面に吸着しやすい。第1炭素繊維は、負極活物質(例えば、ケイ素を含む材料などの非炭素材料)粒子表面に吸着しやすく、粒子表面および近傍の電子パスを確保でき、サイクルに伴う負極活物質の膨張収縮に追従し、粒子表面および近傍の電子パス崩落を抑制できる。このような特性を有する第1炭素繊維を負極活物質と共に負極活物質層22Bに含ませることによって、サイクル特性を向上できる。

0066

なお、炭素繊維の繊維径および繊維長は、例えば、TEM(Transmission Electron Microscope)やSEM(Scanning Electron Microscope)といった電子顕微鏡などによりある個体数(例えば、20個など)の炭素繊維の繊維長および繊維径を測定し、平均値を算出することで規定できる。

0067

(第2炭素繊維)
第2炭素繊維としては、繊維径150nm以上、または、繊維長10μm以上の炭素繊維を用いることができる。

0068

この第2炭素繊維は、太径(150nm以上)または長尺(10μm以上)であるため、長期的なサイクル進行に伴い、負極活物質粒子間距離がより広がった環境下でも粒子間の導電ネットワークに寄与できる。このような特性を有する第2炭素繊維を負極活物質および第1炭素繊維と共に用いることによって、さらなるサイクル特性改善を実現できる。なお、第2炭素繊維の繊維径および繊維長の上限を規定する場合には、第2炭素繊維としては、例えば、繊維径150nm以上300nm以下、または、繊維長10μm以上50μm以下の炭素繊維が好ましい。

0069

(第1炭素繊維および第2炭素繊維の比表面積
第1炭素繊維の比表面積は50m2/g未満であることが好ましい。同様に、第2炭素繊維の比表面積は50m2/g未満であることが好ましい。充電時の負極反応面積を抑制でき、被膜形成時に消失する可逆Li量を抑制できるため、比表面積が大きい導電剤を使用した場合と比較して初回効率を向上できるからである。また、材料の低比表面積化により、負極合剤スラリー作製時の溶媒量を抑制できるため、乾燥工程の短縮化乾燥過程での材料偏析抑制、塗工性改善にも効果がある。なお、比表面積の測定はBET法を用いることができる。

0070

(第1炭素繊維および第2炭素繊維の含有量)
第1炭素繊維および第2炭素繊維の合計質量は、より優れた効果を得ることができる観点から、負極構成材料の全質量に対して、0.1wt%以上10wt%未満であることが好ましい。なお、「負極構成材料の全質量」とは、負極活物質層22Bを構成する材料の全質量のことをいい、例えば、負極活物質、第1炭素繊維および第2炭素繊維(導電剤、結着剤などの他の材料を含む場合にはこれを含む)の全質量のことをいう。

0071

(セパレータ)
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触に起因する電流の短絡ショート)を防止しながらリチウムイオンを通過させるものである。

0072

セパレータ23は、例えば、樹脂を含む多孔質膜である。この樹脂を含む多孔質膜は、例えば、樹脂材料を延伸開孔法相分離法などで成形することにより得られる。なお、樹脂を含む多孔質膜の製造方法は、これらに限定されるものではない。

0073

セパレータ23を構成する樹脂材料には、例えば、ポリプロピレンもしくはポリエチレンなどのポリオレフィン樹脂アクリル樹脂スチレン樹脂ポリエステル樹脂またはナイロン樹脂などを用いることができる。

0074

セパレータ23は、樹脂を含む多孔質膜を2以上積層した構造を有するものであってもよい。樹脂を含む多孔質膜は、2種以上の樹脂材料が混合されたもの(2種以上の樹脂材料を溶融混練して形成したもの)であってもよい。ポリオレフィン樹脂を含む多孔質膜は、正極21と負極22との分離性に優れ、内部短絡の発生をより低減できるので、好ましい。

0075

セパレータ23は、不織布であってもよい。不織布は、繊維を織ったり編んだりしないで、繊維間を接合もしくは絡合、または接合および絡合した構造体である。不織布の原料には繊維に加工できるほとんどの物質を使用することができ、繊維長や太さなどの形状を調整することで、目的、用途に応じた機能を持たせることができる。

0076

不織布としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)繊維を用いた透気性膜(ポリエチレンテレフタレート不織布)などが挙げられる。なお、透気性膜とは、透気性を有する膜のことをいう。その他、不織布としては、アラミド繊維ガラス繊維セルロース繊維ポリオレフィン繊維、または、ナイロン繊維などを用いたものなどが挙げられる。不織布は、2種以上の繊維を用いたものであってもよい。

0077

セパレータ23は、無機粒子有機粒子などの粒子を含むものであってもよい。例えば、このようなセパレータ23としては、基材と、基材の両方の主面のうちの少なくとも一方に表面層が形成されたものなどである。基材は、例えば、上記した樹脂を含む多孔質膜、不織布などである。表面層は、例えば、樹脂材料と粒子とを含む多孔質層などである。樹脂材料は、例えば、フィブリル化し、フィブリルが相互連続的に繋がった三次元的なネットワーク構造を有していてもよい。

0078

(粒子)
粒子としては、例えば、無機粒子および有機粒子の少なくとも一つを用いることができる。無機粒子としては、具体的には、電気絶縁性の無機粒子である金属酸化物、金属酸化物水和物金属水酸化物金属窒化物金属炭化物金属硫化物鉱物などが挙げられる。

0079

金属酸化物または金属酸化物水和物としては、酸化アルミニウムアルミナ、Al2O3)、ベーマイト(Al2O3・H2OまたはAlOOH)、酸化マグネシウムマグネシア、MgO)、酸化チタンチタニア、TiO2)、酸化ジルコニウムジルコニア、ZrO2)、酸化ケイ素シリカ、SiO2)または酸化イットリウムイットリア、Y2O3)、酸化亜鉛(ZnO)などが挙げられる。

0080

金属窒化物としては、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)または窒化チタン(TiN)などが挙げられる。金属炭化物としては、炭化ケイ素(SiC)または炭化ホウ素(B4C)などが挙げられる。金属硫化物としては、硫酸バリウム(BaSO4)などが挙げられる。

0081

金属水酸化物としては水酸化アルミニウム(Al(OH)3)などが挙げられる。鉱物としては、ゼオライト(M2/nO・Al2O3・xSiO2・yH2O、Mは金属元素、x≧2、y≧0)などの多孔質アルミノケイ酸塩、タルク(Mg3Si4O10(OH)2)などの層状ケイ酸塩チタン酸バリウム(BaTiO3)またはチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)などが挙げられる。

0082

その他の無機粒子としては、リチウム化合物の粒子、炭素材料の粒子などが挙げられる。リチウム化合物としては、Li2O4、Li3PO4、LiFなどが挙げられる。炭素材料としては、黒鉛、カーボンナノチューブダイヤモンドなどが挙げられる。

0083

これら無機粒子は、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。無機粒子の形状は特に限定されるものではなく、球状、繊維状、針状、鱗片状または板状などであってもよい。

0084

有機粒子を構成する材料としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンなどの含フッ素樹脂、フッ化ビニリデンテトラフルオロエチレン共重合体エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体などの含フッ素ゴムスチレンブタジエン共重合体またはその水素化物アクリロニトリル−ブタジエン共重合体またはその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエンスチレン共重合体またはその水素化物、メタクリル酸エステルアクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体、エチレンプロピレンラバーポリビニルアルコールポリ酢酸ビニルなどのゴム類エチルセルロースメチルセルロースヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体ポリフェニレンエーテルポリスルホンポリエーテルスルホンポリフェニレンスルフィドポリエーテルイミドポリイミド全芳香族ポリアミドアラミド)などのポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリエーテルアクリル酸樹脂またはポリエステルなどの融点およびガラス転移温度の少なくとも一方が180℃以上の高い耐熱性を有する樹脂などが挙げられる。

0085

これら材料は、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。有機粒子の形状は特に限定されるものではなく、球状、繊維状、針状、鱗片状または板状などであってもよい。

0086

電解液
セパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。電解液は、例えば、電解質塩と、この電解質塩を溶解する非水溶媒とを含む非水電解液である。非水電解液は、必要に応じて添加剤などを含んでいてもよい。

0087

非水溶媒としては、炭酸エチレンまたは炭酸プロピレンなどの環状の炭酸エステルを用いることができ、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンのうちの一方、特に両方を混合して用いることが好ましい。サイクル特性を向上できるからである。

0088

非水溶媒としては、また、これらの環状の炭酸エステルに加えて、炭酸ジエチル炭酸ジメチル炭酸エチルメチルまたは炭酸メチルプロピルなどの鎖状の炭酸エステルを混合して用いることが好ましい。高いイオン伝導性を得ることができるからである。

0089

非水溶媒としては、さらにまた、2,4−ジフルオロアニソールまたは炭酸ビニレンを含むこと好ましい。2,4−ジフルオロアニソールは放電容量を向上させることができ、また、炭酸ビニレンはサイクル特性を向上させることができるからである。よって、これらを混合して用いれば、放電容量およびサイクル特性を向上させることができるので好ましい。

0091

なお、これらの非水溶媒の少なくとも一部の水素フッ素置換した化合物は、組み合わせる電極の種類によっては、電極反応の可逆性を向上させることができる場合があるので、好ましい場合もある。

0092

電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属化合物の1種または2種以上を含有している。このリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6H5)4)、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3SO3)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4)、六フッ化ケイ酸二リチウム(Li2SiF6)、塩化リチウム(LiCl)または臭化リチウム(LiBr)などが挙げられる。中でも、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムからなる群のうちの少なくとも1種が好ましく、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。

0093

(非水電解質電池の動作)
この非水電解質電池では、充電時において、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電時において、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して正極21に吸蔵される。

0094

この非水電解質電池は、完全充電時における開回路電圧(すなわち電池電圧)が、例えば、3.60V以上6.00V以下、好ましくは4.25V以上6.00V以下、さらに好ましくは4.30V以上4.50V以下の範囲内になるように設計されていてもよい。完全充電時における開回路電圧が、例えば正極活物質として層状岩塩型リチウム複合酸化物などを用いた電池において4.25V以上とされる場合は、4.20Vの電池と比較して、同じ正極活物質であっても単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなるので、それに応じて正極活物質と負極活物質との量が調整され、高いエネルギー密度が得られるようになっている。

0095

(1−2)非水電解質電池の製造方法
この非水電解質電池は、例えば、以下の手順により製造される。

0096

まず、正極21を作製する。最初に、正極活物質と、必要に応じて結着剤および導電剤などとを混合して正極合剤としたのち、例えば、有機溶剤などに分散させてペースト状またはスラリー状の正極合剤スラリーとする。

0097

続いて、正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布してから乾燥させて、正極活物質層21Bを形成する。最後に、必要に応じて加熱しながら、ロールプレス機などを用いて正極活物質層21Bを圧縮成型する。この場合には、複数回に渡って圧縮成型を繰り返してもよい。

0098

次に、上記した正極21と同様の手順により、負極22を作製する。最初に、負極活物質と、第1炭素繊維および第2炭素繊維と、必要に応じて結着剤および導電剤などとを混合して負極合剤としたのち、例えば、有機溶剤などに分散させてペースト状またはスラリー状の負極合剤スラリーとする。なお、この際、炭素繊維の質量比が負極合剤に対して10%以上にするとスラリー性状および初回効率が悪化する傾向にあるため、10%未満とすることが望ましい。

0099

こののち、負極集電体22Aの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布してから乾燥させて、負極活物質層22Bを形成したのち、その負極活物質層22Bを圧縮成型する。

0100

最後に、正極21および負極22を用いて非水電解質電池を組み立てる。最初に、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などして取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ23を介して正極21と負極22とを積層および巻回させて巻回電極体20を作製したのち、その巻回中心にセンターピン24を挿入する。

0101

続いて、一対の絶縁板12、13で挟みながら、巻回電極体20を電池缶11の内部に収納する。この場合には、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接などして取り付けると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接などして取り付ける。続いて、電池缶11の内部に電解液を注入して、セパレータ23に含浸させる。最後に、ガスケット17を介して電池缶11の開口端部に電池蓋14、安全弁機構15および熱感抵抗素子16をかしめる。これにより、図1および図2に示した非水電解質電池が完成する。

0102

(効果)
本技術の第1の実施の形態に係る電池では、負極が、負極活物質と共に第1炭素繊維および第2炭素繊維を含む。第1炭素繊維は、負極活物質表面に吸着しやすく、負極活物質表面および近傍の電子パスを確保でき、サイクルに伴う負極活物質の膨張収縮に追従し、負極活物質表面および近傍の電子パス崩落を抑制できる。これにより、サイクル特性を向上できる。第2炭素繊維は、長期的なサイクル進行に伴い、負極活物質間の距離がより広がった環境下でも粒子間の導電ネットワークに寄与できる。これにより、さらなるサイクル特性改善を実現できる。

0103

なお、上述した特許文献1(特開2008−117761号公報)に記載の非水電解質電池では、第1の導電剤が平均径5nm以上、60nm以下のものであるため、Si含有負極活物質粒子表面の導電性は向上できるが、近傍粒子間の導電ネットワークには貢献できない。また、第1の導電剤は比表面積が200〜800m2/gと極め大きいものであるため、充電ロス増加による容量低下が懸念される。

0104

2.第2の実施の形態
(2−1)ラミネートフィルム型の電池の構成例
本技術の第2の実施の形態では、一例として、ラミネートフィルム型の電池について、図3および図4を参照しながら説明する。

0105

非水電解質電池は、外装部材40の内部に、巻回電極体30が収納されたものである。巻回電極体30には、正極リード31および負極リード32が取り付けられている。正極リード31および負極リード32は、例えば、外装部材40の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。

0106

(外装部材)
外装部材40は、フィルム状の部材である。外装部材40は、例えば、融着層金属層および表面保護層がこの順に積層されたラミネートフィルムである。融着層は、例えば、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂などで構成される。金属層は、例えば、アルミニウムなどで構成される。表面保護層は、例えば、ナイロンまたはポリエチレンテレフタレートなどで構成される。外装部材40は、他の積層構造を有するラミネートフィルムでもよく、高分子フィルム単体または金属フィルム単体でもよい。

0107

外装部材40と正極リード31との間には、密着フィルム41が介在されている。同様に、外装部材40と負極リード32との間には、密着フィルム41が介在されている。密着フィルム41は、例えば、金属材料との接着性が高い材料などで構成されている。この材料としては、例えば、ポリオレフィン樹脂などの樹脂材料が挙げられる。

0108

(正極、負極およびセパレータ)
巻回電極体30は、セパレータ35および電解質層36を介して正極33と負極34とが積層および巻回されたものであり、その最外周部は、保護テープ37により保護されている。なお、巻回電極体30は、セパレータ35を省略したものであってもよい。

0109

正極33は、例えば、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bが設けられたものである。正極集電体33Aおよび正極活物質層33Bの構成は、それぞれ第1の実施の形態の正極集電体21Aおよび正極活物質層21Bと同様である。負極34は、例えば、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bが設けられたものである。負極集電体34Aおよび負極活物質層34Bの構成は、それぞれ第1の実施の形態の負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bの構成と同様である。セパレータ35の構成は、第1の実施の形態のセパレータ23の構成と同様である。

0110

(電解質層)
電解質層36は、電解液が高分子化合物により保持されたものであり、必要に応じて、各種添加剤などの他の材料を含んでいてもよい。この電解質層36は、例えば、いわゆるゲル状の電解質である。ゲル状の電解質は、高いイオン伝導率(例えば、室温で1mS/cm以上)が得られると共に電解液の漏液が防止されるので好ましい。

0111

高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレンポリエチレンオキサイドポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼンポリシロキサン、ポリフッ化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチルポリアクリル酸ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴムニトリル−ブタジエンゴムポリスチレンポリカーボネート、またはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体などが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、ポリフッ化ビニリデン、またはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体が好ましい。電気化学的に安定だからである。

0112

電解液は、第1の実施の形態と同様である。ただし、ゲル状の電解質である電解質層36において、電解液の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。よって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。

0113

なお、電解液が高分子化合物により保持されたゲル状の電解質層36に代えて、電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液がセパレータ35に含浸される。

0114

(粒子を含む電解質層)
電解質層36は、粒子を含むものであってもよい。粒子としては、上述した無機粒子、有機粒子と同様のものを用いることができる。

0115

(2−2)非水電解質電池の製造方法
非水電解質電池は、例えば、以下の3種類の手順により製造される。

0116

(第1の製造方法)
第1の製造方法では、最初に、第1の実施の形態と同様にして、正極33および負極34を作製する。電解液を、非水溶媒に対して電解質塩を溶解させて調製する。

0117

次に、電解液、高分子化合物および溶剤を含む前駆溶液を調製して正極33および負極34に塗布したのち、その溶剤を揮発させてゲル状の電解質層36を形成する。続いて、正極集電体33Aに正極リード31を溶接などして取り付けると共に、負極集電体34Aに負極リード32を溶接などして取り付ける。

0118

次に、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層および巻回したのち、その最外周部に保護テープ37を接着させて、巻回電極体30を作製する。

0119

最後に、2枚のフィルム状の外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込んだのち、その外装部材40の外縁部同士を熱融着などで接着させて、巻回電極体30を封入する。この際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間に、密着フィルム41を挿入する。これにより、図3および図4に示した非水電解質電池が完成する。

0120

(第2の製造方法)
第2の製造方法では、最初に、正極33に正極リード31を取り付けると共に、負極34に負極リード32を取り付ける。続いて、セパレータ35を介して正極33と負極34とを積層して巻回させたのち、その最外周部に保護テープ37を接着させて、巻回電極体30の前駆体である巻回体を作製する。

0121

次に、2枚のフィルム状の外装部材40の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺外周縁部を除いた残りの外周縁部を熱融着などで接着させて、袋状の外装部材40の内部に巻回体を収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製して袋状の外装部材40の内部に注入したのち、その外装部材40の開口部を熱融着などで密封する。

0122

最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とし、ゲル状の電解質層36を形成する。これにより、非水電解質電池が完成する。

0123

(第3の製造方法)
第3の製造方法では、最初に、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ35を用いることを除き、上記した第2の製造方法と同様に、巻回体を形成して袋状の外装部材40の内部に収納する。

0124

次に、電解液を調製して外装部材40の内部に注入したのち、その外装部材40の開口部を熱融着などで密封する。最後に、外装部材40に加重をかけながら加熱して、高分子化合物を介してセパレータ35を正極33および負極34に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸し、その高分子化合物がゲル化して電解質層36が形成されるため、非水電解質電池が完成する。

0125

(効果)
本技術の第2の実施の形態に係る電池では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

0126

3.第3の実施の形態
本技術の第3の実施の形態では、電池パックの構成の一例について、図5および図6を参照しながら説明する。

0127

この電池パックは、1つの二次電池(単電池)を用いた簡易型の電池パック(いわゆるソフトパック)であり、例えば、スマートフォンに代表される電子機器などに内蔵される。電池パックは、電池セル111と、電池セル111に接続される回路基板116とを備えている。電池セル111は、例えば、第2の実施の形態に係るラミネートフィルム型の二次電池である。

0128

電池セル111の両側面には、一対の粘着テープ118、119が貼り付けられている。回路基板116には、保護回路PCM:ProtectionCircuit Module)が形成されている。この回路基板116は、電池セル111の正極リード112および負極リード113に対して一対のタブ114、115を介して接続されていると共に、外部接続用コネクタ付きリード線117に接続されている。なお、回路基板116が電池セル111に接続された状態において、その回路基板116は、ラベル120および絶縁シート131により上下から保護されている。ラベル120が貼り付けられることで、回路基板116および絶縁シート131などが固定されている。

0129

また、電池パックは、図6に示すように、電源に相当する電池セル111と、回路基板116とを備えている。回路基板116は、例えば、制御部121と、スイッチ部122と、PTC123と、温度検出部124とを備えている。電池セル111は、正極端子125および負極端子127を介して外部と接続可能であるため、その電池セル111は、正極端子125および負極端子127を介して充放電される。温度検出部124は、温度検出端子(いわゆるT端子)126を用いて温度を検出可能である。

0130

制御部121は、電池パック全体の動作(電池セル111の使用状態を含む)を制御するものであり、例えば、中央演算処理装置(CPU)およびメモリなどを含んでいる。

0131

この制御部121は、例えば、電池電圧が過充電検出電圧に到達すると、スイッチ部122を切断させることで、電池セル111の電流経路充電電流が流れないようにする。また、制御部121は、例えば、充電時において大電流が流れると、スイッチ部122を切断させて、充電電流を遮断する。

0132

この他、制御部121は、例えば、電池電圧が過放電検出電圧に到達すると、スイッチ部122を切断させることで、電池セル111の電流経路に放電電流が流れないようにする。また、制御部121は、例えば、放電時において大電流が流れると、スイッチ部122を切断させることで、放電電流を遮断する。

0133

なお、二次電池の過充電検出電圧の一例としては、4.20V±0.05Vなどである。過放電検出電圧の一例としては、2.4V±0.1Vなどである。

0134

スイッチ部122は、制御部121の指示に応じて、電池セル111の使用状態(電池セル111と外部機器との接続の可否)を切り換えるものである。このスイッチ部122は、例えば、充電制御スイッチおよび放電制御スイッチなどを含んでいる。充電制御スイッチおよび放電制御スイッチは、例えば、金属酸化物半導体を用いた電界効果トランジスタMOSFET)などの半導体スイッチである。なお、充放電電流は、例えば、スイッチ部122のON抵抗に基づいて検出される。

0135

温度検出部124は、電池セル111の温度を測定して、その測定結果を制御部121に出力するものであり、例えば、サーミスタなどの温度検出素子を含んでいる。なお、温度検出部124による測定結果は、異常発熱時において制御部121が充放電制御を行う場合や、制御部121が残容量の算出時において補正処理を行う場合などに用いられる。

0136

なお、回路基板116は、PTC123を備えていなくてもよい。この場合には、別途、回路基板116にPTC素子が付設されていてもよい。

0137

4.第4の実施の形態
本技術の第4の実施の形態では、電子機器の構成の一例について、図7を参照しながら説明する。

0138

電子機器300は、電子機器本体の電子回路301と、電池パック200とを備える。電池パック200は、正極端子231aおよび負極端子231bを介して電子回路301に対して電気的に接続されている。電子機器300は、例えば、ユーザにより電池パック200を着脱自在な構成を有している。なお、電子機器300の構成はこれに限定されるものではなく、ユーザにより電池パック200を電子機器300から取り外しできないように、電池パック200が電子機器300内に内蔵されている構成を有していてもよい。

0139

電池パック200の充電時には、電池パック200の正極端子231a、負極端子231bがそれぞれ、充電器(図示せず)の正極端子、負極端子に接続される。一方、電池パック200の放電時(電子機器300の使用時)には、電池パック200の正極端子231a、負極端子231bがそれぞれ、電子回路301の正極端子、負極端子に接続される。

0141

(電子回路)
電子回路301は、例えば、CPU、周辺ロジック部、インターフェース部および記憶部などを備え、電子機器300の全体を制御する。

0142

(電池パック)
電池パック200は、組電池201と、充放電回路202とを含む組電池の電池パックである。組電池201は、複数の二次電池201aを直列および/または並列に接続して構成されている。複数の二次電池201aは、例えばn並列m直列(n、mは正の整数)に接続される。なお、図7では、6つの二次電池201aが2並列3直列(2P3S)に接続された例が示されている。二次電池201aとしては、第1の実施の形態に係る電池が用いられる。

0143

充電時には、充放電回路202は、組電池201に対する充電を制御する。一方、放電時(すなわち電子機器300の使用時)には、充放電回路202は、電子機器300に対する放電を制御する。

0144

電池パック200に代えて、第1の実施の形態もしくは第2の実施の形態に係る電池または第3の実施の形態に係る単電池の電池パックを用いてもよい。

0145

5.第5の実施の形態
本技術の第5の実施の形態では、第1の実施の形態または第2の実施の形態に係る電池を蓄電装置に備える蓄電システムの例について説明する。

0146

この蓄電システムは、電力を使用するものである限り、どのようなものであってもよく、単なる電力装置も含む。この電力システムは、例えば、スマートグリッド家庭用エネルギー管理システムHEMS)、車両などを含み、蓄電も可能である。

0147

蓄電装置(蓄電モジュール)は、例えば、住宅をはじめとする建築物用または発電設備用の電力貯蔵用電源などに適用されるものである。蓄電装置の一例としては、複数の電池が並列および直列の少なくとも一つで接続された電池ブロックと、これらの電池ブロックの充電および放電を制御する制御部とを含む蓄電モジュールが挙げられる。蓄電装置の構成の一例は、例えば、複数の電池ブロックが外装ケースに収納されものである。電池には、第1の実施の形態に係る電池を用いることができる。

0148

蓄電システムの例としては、例えば、以下の第1〜第5の蓄電システムなどが挙げられる。第1の蓄電システムは、再生可能エネルギーから発電を行う発電装置によって蓄電装置が充電される蓄電システムである。第2の蓄電システムは、蓄電装置を有し、蓄電装置に接続される電子機器に電力を供給する蓄電システムである。第3の蓄電システムは、蓄電装置から、電力の供給を受ける電子機器を含む蓄電システムである。これらの蓄電システムは、外部の電力供給網協働して電力の効率的な供給を図るシステムとして実施される。

0149

第4の蓄電システムは、他の機器ネットワークを介して信号を送受信する電力情報送受信部とを備え、送受信部が受信した情報に基づき、上述した蓄電装置の充放電制御を行う電力システムである。第5の蓄電システムは、上述した蓄電装置から、電力の供給を受け、または発電装置または電力網から蓄電装置に電力を供給する電力システムである。以下、住宅および電動車両に適用される蓄電システムについて説明する。

0150

(蓄電システムの構成)
以下、図8を参照して、第5の実施の形態に係る蓄電システム(電力システム)400の構成例について説明する。この蓄電システム400は、住宅用の蓄電システムであり、火力発電402a、原子力発電402b、水力発電402cなどの集中型電力系統402から電力網409、情報網412、スマートメータ407、パワーハブ408などを介し、電力が蓄電装置403に供給される。これと共に、家庭内発電装置404などの独立電源から電力が蓄電装置403に供給される。蓄電装置403に供給された電力が蓄電される。蓄電装置403を使用して、住宅401で使用する電力が給電される。住宅401に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。

0151

住宅401には、家庭内発電装置404、電力消費装置405、蓄電装置403、各装置を制御する制御装置410、スマートメータ407、パワーハブ408、各種情報を取得するセンサ411が設けられている。各装置は、電力網409および情報網412によって接続されている。家庭内発電装置404として、太陽電池燃料電池などが利用され、発電した電力が電力消費装置405および/または蓄電装置403に供給される。電力消費装置405は、冷蔵庫405a、空調装置405b、テレビジョン受信機405c、風呂405dなどである。さらに、電力消費装置405には、電動車両406が含まれる。電動車両406は、電気自動車406a、ハイブリッドカー406b、電気バイク406cなどである。

0152

蓄電装置403は、第1の実施の形態または第2の実施の形態に係る電池を1以上含む。スマートメータ407は、商用電力の使用量を測定し、測定された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。電力網409は、直流給電交流給電非接触給電の何れか一つまたは複数の組み合わせであってもよい。

0153

各種のセンサ411は、例えば人感センサ照度センサ物体検知センサ消費電力センサ、振動センサ接触センサ温度センサ赤外線センサなどである。各種のセンサ411により取得された情報は、制御装置410に送信される。センサ411からの情報によって、気象の状態、人の状態などが把握されて電力消費装置405を自動的に制御してエネルギー消費を最小とすることができる。さらに、制御装置410は、住宅401に関する情報を、インターネットを介して外部の電力会社などに送信することができる。

0154

パワーハブ408によって、電力線分岐直流交流変換などの処理がなされる。制御装置410と接続される情報網412の通信方式としては、UART(Universal Asynchronous Receiver-Transceiver:非同期シリアル通信送受信回路)などの通信インターフェースを使う方法、Bluetooth(登録商標)、ZigBee、Wi−Fiなどの無線通信規格によるセンサーネットワークを利用する方法がある。Bluetooth(登録商標)方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ZigBeeは、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.15.4の物理層を使用するものである。IEEE802.15.4は、PAN(Personal Area Network)またはW(Wireless)PANと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格名称である。

0155

制御装置410は、外部のサーバ413と接続されている。このサーバ413は、住宅401、電力会社、およびサービスプロバイダーのいずれかによって管理されていてもよい。サーバ413が送受信する情報は、たとえば、消費電力情報生活パターン情報電力料金天気情報天災情報、電力取引に関する情報である。これらの情報は、家庭内の電力消費装置(たとえばテレビジョン受信機)から送受信してもよいが、家庭外の装置(たとえば、携帯電話機など)から送受信してもよい。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビジョン受信機、携帯電話機、PDAなどに、表示されてもよい。

0156

各部を制御する制御装置410は、CPU、RAM、ROMなどで構成され、この例では、蓄電装置403に格納されている。制御装置410は、蓄電装置403、家庭内発電装置404、電力消費装置405、各種のセンサ411、サーバ413と情報網412により接続され、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、電力市場で電力取引を行う機能などを備えていてもよい。

0157

以上のように、電力が火力発電402a、原子力発電402b、水力発電402cなどの集中型電力系統402のみならず、家庭内発電装置404(太陽光発電風力発電)の発電電力を蓄電装置403に蓄えることができる。したがって、家庭内発電装置404の発電電力が変動しても、外部に送出する電力量を一定にしたり、または、必要なだけ放電するといった制御を行うことができる。例えば、太陽光発電で得られた電力を蓄電装置403に蓄えると共に、夜間は料金が安い深夜電力を蓄電装置403に蓄え、昼間の料金が高い時間帯に蓄電装置403によって蓄電した電力を放電して利用するといった使い方もできる。

0158

なお、この例では、制御装置410が蓄電装置403内に格納される例を説明したが、スマートメータ407内に格納されてもよいし、単独で構成されていてもよい。さらに、蓄電システム400は、集合住宅における複数の家庭を対象として用いられてもよいし、複数の戸建て住宅を対象として用いられてもよい。

0159

6.第6の実施の形態
本技術の第6の実施の形態では、第1の実施の形態または第2の実施の形態に係る電池を備える電動車両の一例について説明する。電動車両としては、鉄道車両ゴルフカート電動カート、電気自動車(ハイブリッド自動車を含む)、農耕用作業車両トラクタコンバインなど)などが挙げられる。以下では、電気自動車の例について説明する。

0160

図9を参照して、本技術の第6の実施の形態に係る電動車両の構成例について説明する。このハイブリッド車両500は、シリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両である。シリーズハイブリッドシステムは、エンジンで動かす発電機で発電された電力、またはそれをバッテリーに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置503で走行する車である。

0161

このハイブリッド車両500には、エンジン501、発電機502、電力駆動力変換装置503、駆動輪504a、駆動輪504b、車輪505a、車輪505b、バッテリー508、車両制御装置509、各種センサ510、充電口511が搭載されている。バッテリー508としては、第1の実施の形態または第2の実施の形態に係る電池が用いられる。

0162

ハイブリッド車両500は、電力駆動力変換装置503を動力源として走行する。電力駆動力変換装置503の一例は、モータである。バッテリー508の電力によって電力駆動力変換装置503が作動し、この電力駆動力変換装置503の回転力が駆動輪504a、504bに伝達される。なお、必要な個所直流交流(DC−AC)または逆変換(AC−DC変換)を用いることによって、電力駆動力変換装置503が交流モータでも直流モータでも適用可能である。各種センサ510は、車両制御装置509を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブ開度スロットル開度)を制御したりする。各種センサ510には、速度センサ加速度センサエンジン回転数センサなどが含まれる。

0163

エンジン501の回転力は発電機502に伝えられ、その回転力によって発電機502により生成された電力をバッテリー508に蓄積することが可能である。

0164

図示しない制動機構によりハイブリッド車両500が減速すると、その減速時の抵抗力が電力駆動力変換装置503に回転力として加わり、この回転力によって電力駆動力変換装置503により生成された回生電力がバッテリー508に蓄積される。

0165

バッテリー508は、充電口511を介してハイブリッド車両500の外部の電源に接続されることで、その外部電源から充電口511を入力口として電力供給を受け、受けた電力を蓄積することも可能である。

0166

図示しないが、電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう情報処理装置を備えていてもよい。このような情報処理装置としては、例えば、電池の残量に関する情報に基づき、電池残量表示を行う情報処理装置などがある。

0167

なお、以上は、エンジンで動かす発電機で発電された電力、またはそれをバッテリーに一旦貯めておいた電力を用いて、モータで走行するシリーズハイブリッド車を例として説明した。しかしながら、エンジンとモータの出力をいずれも駆動源とし、エンジンのみで走行、モータのみで走行、エンジンとモータ走行という3つの方式を適宜切り替えて使用するパラレルハイブリッド車に対しても本技術は有効に適用可能である。さらに、エンジンを用いず駆動モータのみによる駆動で走行する所謂、電動車両に対しても本技術は有効に適用可能である。

0168

以下、実施例により本技術を詳細に説明する。なお、本技術は、下記の実施例の構成に限定されるものではない。

0169

(炭素繊維の繊維径および繊維長)
以下の実施例および比較例における炭素繊維の繊維径および繊維長は、電子顕微鏡(TEMまたはSEM)を用いて、ある個体数(20個)の炭素繊維の繊維径および繊維長を測定することにより得た測定値から算出した平均値である。なお、繊維長については、例えば繊維長1μm以上10μm未満などのように数値範囲で表しているが、これは測定値から算出した繊維長の平均値がこの範囲内に含まれていたことを意味する。

0170

<実施例1>
(正極の作製)
正極活物質(LiCoO2)98質量部と、導電剤(カーボンブラック)1質量部と、結着剤(ポリフッ化ビニリデン:PVdF)1質量部とを混合して、正極合剤とした。続いて、正極合剤を有機溶剤(N−メチル−2−ピロリドン:NMP)に分散させて、ペースト状の正極合剤スラリーとした。続いて、コーティング装置を用いて正極集電体(アルミニウム箔)に正極合剤スラリーを塗布してから乾燥させて、正極活物質層を形成した。最後に、プレス機を用いて正極活物質層を圧縮成型した。以上により正極を得た。

0171

(負極の作製)
負極活物質としてケイ素酸化物および黒鉛と、2種類の炭素繊維(第1炭素繊維および第2炭素繊維)と、結着剤としてPVdFとを混合したのち、その混合物をNMPで希釈して、ペースト状の負極合剤スラリーとした。続いて、コーティング装置を用いて負極集電体(銅箔)の両面に負極合剤スラリーを塗布してから乾燥させた。以上により負極を得た。
なお、第1炭素繊維および第2炭素繊維の繊維径および繊維長、並びに、各材料の配合比は、下記の通りである。
第1炭素繊維:
繊維径70nm、繊維長1μm以上10μm未満の炭素繊維(比表面積25m2/g)
第2炭素繊維:
繊維径150nm、繊維長1μm以上10μm未満の炭素繊維(比表面積1325m2/g)
配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/第1炭素繊維/第2炭素繊維/結着剤)=10/81/1/2/6(wt%)

0172

(電解液の調製)
溶媒(炭酸エチレンおよび炭酸プロピレン)に電解質塩(LiPF6)を溶解させることにより、電解液を調製した。なお、溶媒の組成を質量比で炭酸エチレン:炭酸プロピレン=50:50とし、電解質塩の含有量を溶媒に対して1mol/kgとした。

0173

評価用セルの作製)
評価用セルは以下のようにして作製した。

0174

(電解質層の形成)
まず、電解液と、電解質用高分子化合物(PVdF)と、溶媒として有機溶剤(NMP)とを含む前駆溶液を調製した。次に、前駆溶液を正極および負極に塗布した後乾燥し、これにより正極および負極のそれぞれの両面にゲル状の電解質層を形成した。

0175

(巻回電極体の作製)
次に、溶接法を用いて正極集電体および負極集電体のそれぞれにリードを取り付けた。次に、セパレータを介して電解質層が形成された正極と負極とを積層してから巻回したのち、その最外周部に保護テープを貼り付けた。これにより巻回電極体を得た。

0176

(電池の組み立て)
次に、2枚のフィルム状の外装部材に巻回電極体を挟み込んだのち、熱融着法を用いて外装部の外周縁部同士を接着させて、外装部材の内部に巻回電極体を封入した。以上により、目的とする評価用セル(ラミネートフィル型電池)を得た。

0177

<実施例2>
第2炭素繊維を繊維径70nm、繊維長10μm以上50μm未満の炭素繊維(比表面積28m2/g)に変えた。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、的とする評価用セルを得た。

0178

<実施例3>
負極活物質をケイ素および黒鉛に変えた。配合比(ケイ素/黒鉛/第1炭素繊維/第2炭素繊維/結着剤)=5/86/1/2/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0179

<実施例4>
負極活物質をケイ素合金および黒鉛に変えた。配合比(ケイ素合金/黒鉛/第1炭素繊維/第2炭素繊維/結着剤)=10/81/1/2/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0180

<実施例5>
負極活物質をケイ素に変えた。結着剤をポリアミドイミドに変えた。配合比(ケイ素/第1炭素繊維/第2炭素繊維/結着剤)=89/1/2/8(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0181

<実施例6>
負極活物質をケイ素酸化物に変えた。結着剤をポリアミドイミドに変えた。配合比(ケイ素酸化物/第1炭素繊維/第2炭素繊維/結着剤)=89/1/2/8(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0182

<実施例7>
負極活物質をケイ素合金に変えた。結着剤をポリアミドイミドに変えた。配合比(ケイ素合金/第1炭素繊維/第2炭素繊維/結着剤)=89/1/2/8(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0183

<比較例1>
第2炭素繊維を用いず、第1炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/第1炭素繊維/結着剤)=10/83/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0184

<比較例2>
第1炭素繊維に代えて、他の炭素繊維として、繊維径20nm、繊維長1μm以上10μm未満の炭素繊維(比表面積250m2/g)を用いた。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/他の炭素繊維/結着剤)=10/83/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、比較例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0185

<比較例3>
第1炭素繊維に代えて、第2炭素繊維として、繊維径150nm、繊維長1μm以上10μm未満の炭素繊維(比表面積13m2/g)を用いた。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/第2の炭素繊維/結着剤)=10/83/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、比較例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0186

<比較例4>
第1炭素繊維に代えて、第2炭素繊維として、繊維径70nm、繊維長10μm以上50μm未満の炭素繊維(比表面積28m2/g)を用いた。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/第2の炭素繊維/結着剤)=10/83/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、比較例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0187

<比較例5>
第1炭素繊維に代えて、導電剤として、平均粒径40nmのカーボンブラック(比表面積50m2/g)を用いた。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/カーボンブラック/結着剤)=10/83/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、比較例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0188

<比較例6>
第1炭素繊維に代えて、導電剤として、平均粒径3μm(3000nm)の黒鉛系導電剤(比表面積20m2/g)を用いた。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/黒鉛系導電剤/結着剤)=10/83/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、比較例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0189

<比較例7>
第2炭素繊維に代えて、導電剤として、平均粒径40nmのカーボンブラック(比表面積50m2/g)を用いた。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/第1炭素繊維/カーボンブラック/結着剤)=10/81/1/2/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0190

<比較例8>
第2炭素繊維に代えて、導電剤として、平均粒径3μm(3000nm)の黒鉛系導電剤(比表面積20m2/g)を用いた。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/第1炭素繊維/黒鉛系導電剤/結着剤)=10/81/1/2/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0191

<比較例9>
第1炭素繊維に代えて、第2の炭素繊維として、繊維径150nm、繊維長1μm以上10μm未満の炭素繊維(比表面積13m2/g)を用いた。すなわち、第2炭素繊維として、繊維径150nm、繊維長1μm以上10μm未満の炭素繊維その1(比表面積13m2/g)および繊維径70nm、繊維長10μm以上50μm未満の炭素繊維その2(比表面積28m2/g)の2種を用いた。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/炭素繊維その1/炭素繊維その2/結着剤)=10/81/1/2/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0192

<比較例10>
第1炭素繊維および第2炭素繊維を用いなかった。配合比(ケイ素酸化物/黒鉛/PVdF)=10/84/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0193

<比較例11>
負極活物質をケイ素および黒鉛に変えた。第2炭素繊維を用いずに、第1炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素/黒鉛/第1炭素繊維/結着剤)=5/88/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0194

<比較例12>
負極活物質をケイ素および黒鉛に変えた。第1炭素繊維を用いずに、第2炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素/黒鉛/第2炭素繊維/結着剤)=5/88/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0195

<比較例13>
負極活物質をケイ素合金および黒鉛に変えた。第2炭素繊維を用いずに、第1炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素合金/黒鉛/第1炭素繊維/結着剤)=10/83/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0196

<比較例14>
負極活物質をケイ素合金および黒鉛に変えた。第1炭素繊維を用いずに、第2炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素合金/黒鉛/第2炭素繊維/結着剤)=10/83/1/6(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例1と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0197

<比較例15>
第2炭素繊維を用いずに、第1炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素/第1炭素繊維/結着剤)=91/1/8(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例5と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0198

<比較例16>
第1炭素繊維を用いずに、第2炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素/第2炭素繊維/結着剤)=91/1/8(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例5と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0199

<比較例17>
負極活物質をケイ素酸化物に変えた。第2炭素繊維を用いずに、第1炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素酸化物/第1炭素繊維/結着剤)=91/1/8(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例5と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0200

<比較例18>
負極活物質をケイ素酸化物に変えた。第1炭素繊維を用いずに、第2炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素酸化物/第2炭素繊維/結着剤)=91/1/8(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例5と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0201

<比較例19>
負極活物質をケイ素合金に変えた。第2炭素繊維を用いずに、第1炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ合金/第1炭素繊維/結着剤)=91/1/8(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例5と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0202

<比較例20>
負極活物質をケイ素合金に変えた。第1炭素繊維を用いずに、第2炭素繊維のみを用いた。配合比(ケイ素合金/第2炭素繊維/結着剤)=91/1/8(wt%)にした。以上のこと以外は、実施例5と同様にして、目的とする評価用セルを得た。

0203

(評価)
作製した評価用セルを用いて、下記の測定を行った。

0204

(初回効率の測定)
23℃環境下、定電流定電圧充電(条件:電流0.2C、充電終止電圧4.35V)にて充電を1回行い、その後、定電流放電(条件:電流0.2C、放電終止電圧3.0V)にて放電を1回行って、充電容量および放電容量を計測し、(「放電容量」/「充電容量」)×100[%]で計算される初回効率を算出した。

0205

(サイクル特性評価)
23℃環境下、定電流定電圧充電(条件:電流0.5C、充電終止電圧4.35V)と、定電流放電(条件:電流0.5C、放電終止電圧3.0V)とを繰り返す、サイクル試験を行い、1サイクル時の放電容量に対する10サイクル時、100サイクル時および200サイクル時の放電容量維持率を求めた。

0206

負極の構成を下記の表1に示し、測定結果を下記の表2に示す。

0207

0208

0209

測定結果によれば、初回効率については、比較例2、比較例5、比較例7で低下傾向にあった。これは炭素繊維もしくは導電剤の比表面積が大きいため、充電時の負極反応面積が増え、被膜形成時に多くの可逆Liを消失することに起因する。よって、初回効率の観点からは炭素繊維および導電剤の比表面積を50m2/g未満に抑えることが望ましい。

0210

サイクル毎の放電容量維持率については、まず、サイクル初期である10サイクル時点では、実施例1〜実施例7、比較例1〜比較例2、比較例7〜比較例8、比較例11、比較例13、比較例15、比較例17、比較例19が良好であった。

0211

これらの実施例および比較例は、繊維径150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満の第1炭素繊維または他の繊維を使用したものである。測定結果は、細径かつ短尺な第1炭素繊維が、ケイ素またはその化合物(ケイ素酸化物、ケイ素合金)粒子表面に吸着しやすく、粒子表面および近傍の電子パスを確保でき、サイクルに伴うケイ素又はその化合物の膨張収縮に追従し、粒子表面および近傍の電子パス崩落を抑制したことに起因するものである。

0212

次に、10サイクル時点の改善が見られたものについて、サイクル中期である100サイクル時点を比較すると、比較例2のみ劣化傾向にあった。これは炭素繊維の繊維径が20nmと極めて細い他の炭素繊維を用いているため、サイクル進行に伴い活物質の膨張収縮に起因して粒子間が広がり接触不良が生じた際に電子パスを維持できないことに起因する。また炭素繊維の繊維径が細くなると比表面積が増大し、上記のように初回効率が低下するため望ましくない。よって、平均繊維径70nm以上150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満の第1炭素繊維を用いることが好ましいことがわかる。

0213

最後に、サイクル長期である200サイクル時点では、実施例1〜実施例7が高い放電容量維持率を示した。これは、サイクルがさらに進行した場合には粒子間距離がより広がるため、太径や長尺な第2炭素繊維が長距離の電子パスに寄与できることに起因するものである。

0214

以上の結果から、繊維径70nm以上150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満の第1炭素繊維および繊維径150nm以上、または、繊維長10μm以上の第2炭素繊維を使用することが最良であることが確認できた。

0215

7.他の実施の形態(変形例)
以上、本技術を各実施の形態および実施例によって説明したが、本技術はこれらに限定されるものではなく、本技術の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

0216

例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、形状、材料、原料、製造プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、形状、材料、原料、製造プロセスなどを用いてもよい。

0217

上述の実施の形態および実施例の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本技術の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。

0218

本技術に係る負極は、角型などの他の電池構造を有する場合についても、同様に適用可能である。第1〜第2の実施の形態において、巻回型電極体に代えて、積層型の電極体を用いてもよい。本技術に係る負極は、例えば、スマートウォッチ、ヘッドマウントディスプレイ、iGlass(登録商標)などのウェアラブル端末に搭載されるフレキシブル電池などにも適用可能である。本技術に係る負極は、例えば、航空機無人飛行機などの飛行体などに搭載される電池にも適用可能である。

実施例

0219

本技術は以下の構成を採用することもできる。
[1]
負極活物質と、
第1炭素繊維および第2炭素繊維と
を含み、
前記第1炭素繊維は、繊維径70nm以上150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満のものであり、
前記第2炭素繊維は、繊維径150nm以上、または、繊維長10μm以上のものである負極。
[2]
前記負極活物質は、非炭素材料および炭素材料の少なくとも一つを含む[1]に記載の負極。
[3]
前記非炭素材料は、ケイ素を含む材料およびスズを含む材料の少なくとも一つを含み、
前記炭素材料は、黒鉛を含む[2]に記載の負極。
[4]
前記ケイ素を含む材料は、ケイ素の単体、ケイ素の合金およびケイ素の化合物の少なくとも一つを含み、
前記スズを含む材料は、スズの単体、スズの合金およびスズの化合物の少なくとも一つを含む[3]に記載の負極。
[5]
前記第1炭素繊維の比表面積は、50m2/g未満であり、
前記第2炭素繊維の比表面積は、50m2/g未満である[1]〜[4]の何れか一つに記載の負極。
[6]
前記第1炭素繊維および前記第2炭素繊維の合計質量は、負極構成材料の全質量に対して、0.1wt%以上10wt%未満である[1]〜[5]の何れか一つに記載の負極。
[7]
正極と、
負極と、
電解質と
を備え、
前記負極は、負極活物質と、第1炭素繊維および第2炭素繊維と
を含み、
前記第1炭素繊維は、繊維径70nm以上150nm未満、且つ、繊維長1μm以上10μm未満のものであり、
前記第2炭素繊維は、繊維径150nm以上、または、繊維長10μm以上のものである電池。
[8]
[7]に記載の電池と、
前記電池を制御する制御部と、
を有する電池パック。
[9]
[7]に記載の電池から電力の供給を受ける電子機器。
[10]
[7]に記載の電池と、
前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置と
を有する電動車両。
[11]
[7]に記載の電池を有し、前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置。
[12]
他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を有し、
前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う[11]に記載の蓄電装置。
[13]
[7]に記載の電池から電力の供給を受ける電力システム。
[14]
発電装置または電力網から前記電池に電力が供給される[13]に記載の電力システム。

0220

11・・・電池缶
12、13・・・絶縁板
14・・・電池蓋
15A・・・ディスク板
15・・・安全弁機構
16・・・熱感抵抗素子
17・・・ガスケット
20・・・巻回電極体
21・・・正極
21A・・・正極集電体
21B・・・正極活物質層
22・・・負極
22A・・・負極集電体
22B・・・負極活物質層
23・・・セパレータ
24・・・センターピン
25・・・正極リード
26・・・負極リード
30・・・巻回電極体
31・・・正極リード
32・・・負極リード
33・・・正極
34・・・負極
35・・・セパレータ
36・・・電解質層
111・・・電池セル(電源)
121・・・制御部
200・・・電池パック
201・・・組電池
201a・・・二次電池
300・・・電子機器
400・・・蓄電システム
403・・・蓄電装置
404・・・発電装置
406・・・電動車両
409・・・電力網
410・・・制御装置
412・・・情報網
503・・・電力駆動力変換装置
508・・・バッテリー
509・・・車両制御装置

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