JP2000277151A - リチウム二次電池の使用方法 - Google Patents
リチウム二次電池の使用方法Info
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温度での電池性能に優れるのみならず、通
電発熱の抑制により安全性の高いリチウム二次電池の使
用方法を提供すること。 【解決手段】 組成式LiNi1−xMxO2(M:T
i、Mn、Co、Al、Mg、Gaから選ばれる1種若
しくは2種以上の元素の組合せからなる。0≦x<1)
で表される正極活物質を用いたリチウム二次電池におい
て、充電容量の30%以上100%以下の領域で充放電
を繰り返し使用するようにした。
電発熱の抑制により安全性の高いリチウム二次電池の使
用方法を提供すること。 【解決手段】 組成式LiNi1−xMxO2(M:T
i、Mn、Co、Al、Mg、Gaから選ばれる1種若
しくは2種以上の元素の組合せからなる。0≦x<1)
で表される正極活物質を用いたリチウム二次電池におい
て、充電容量の30%以上100%以下の領域で充放電
を繰り返し使用するようにした。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
に関し、更に詳しくは、層状岩塩型結晶構造を持つリチ
ウムニッケル複合酸化物を正極活物質とするリチウム二
次電池の使用方法に関するものである。
に関し、更に詳しくは、層状岩塩型結晶構造を持つリチ
ウムニッケル複合酸化物を正極活物質とするリチウム二
次電池の使用方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】この種のリチウム二次電池は、高電圧・
高エネルギー密度が得られ、小型・軽量化が図れるとい
うことで、パソコンや携帯電話等の情報通信機器の関連
分野では既に実用化され、また資源問題や環境問題から
電気自動車やハイブリッド電気自動車に搭載される電源
用に採用することも実用的にかなり進められてきた。
高エネルギー密度が得られ、小型・軽量化が図れるとい
うことで、パソコンや携帯電話等の情報通信機器の関連
分野では既に実用化され、また資源問題や環境問題から
電気自動車やハイブリッド電気自動車に搭載される電源
用に採用することも実用的にかなり進められてきた。
【0003】そのような状況の中で、市販のリチウム二
次電池の正極活物質としては、これまでコバルト酸リチ
ウム(LiCoO2)が一般的に用いられてきたが、コ
スト・資源等の問題から、これに代わる材料としてスピ
ネル型結晶構造を持つリチウム・マンガン複合酸化物
(LiMn2O4)系材料も採用されている。このLi
Mn2O4系材料は現在までのところ、資源・コスト等
の問題がないばかりか、放電電圧がLiCoO2材料と
比べても遜色のない約4Vを維持できることが評価され
たものである。
次電池の正極活物質としては、これまでコバルト酸リチ
ウム(LiCoO2)が一般的に用いられてきたが、コ
スト・資源等の問題から、これに代わる材料としてスピ
ネル型結晶構造を持つリチウム・マンガン複合酸化物
(LiMn2O4)系材料も採用されている。このLi
Mn2O4系材料は現在までのところ、資源・コスト等
の問題がないばかりか、放電電圧がLiCoO2材料と
比べても遜色のない約4Vを維持できることが評価され
たものである。
【0004】しかし、一方でこのLiMn2O4系材料
は、初期放電容量はほぼ十分であるものの、充放電の繰
り返しによる放電容量の低下が大きく、充放電サイクル
特性が劣るという問題がある。これは、充放電の繰り返
しに伴う結晶構造中のリチウムイオンのインターカレー
ション(挿入)、デインターカレーション(脱離)挙動
によって結晶格子が伸縮し、結晶の体積変化によって格
子破壊が生じるためであると考えられている。
は、初期放電容量はほぼ十分であるものの、充放電の繰
り返しによる放電容量の低下が大きく、充放電サイクル
特性が劣るという問題がある。これは、充放電の繰り返
しに伴う結晶構造中のリチウムイオンのインターカレー
ション(挿入)、デインターカレーション(脱離)挙動
によって結晶格子が伸縮し、結晶の体積変化によって格
子破壊が生じるためであると考えられている。
【0005】そこで、この充放電の繰り返しによる放電
容量の低下を抑制し、充放電サイクル特性を向上させる
ものとして、例えば、LiMn2O4正極活物質のMn
サイトにリチウムを置換導入する(Y.Gao and J.K.Dah
n, J.Electrochem. Soc., 143, 100 (1996))、或い
は、Liサイトに2価以上の原子価の金属を置換導入す
る(特開平6−215772号公報参照)、更には、L
iMn2O4正極活物質のLiサイトとMnサイトのそ
れぞれに置換元素を導入する(特開平10−19953
2号公報)、等の技術も既に提案されている。
容量の低下を抑制し、充放電サイクル特性を向上させる
ものとして、例えば、LiMn2O4正極活物質のMn
サイトにリチウムを置換導入する(Y.Gao and J.K.Dah
n, J.Electrochem. Soc., 143, 100 (1996))、或い
は、Liサイトに2価以上の原子価の金属を置換導入す
る(特開平6−215772号公報参照)、更には、L
iMn2O4正極活物質のLiサイトとMnサイトのそ
れぞれに置換元素を導入する(特開平10−19953
2号公報)、等の技術も既に提案されている。
【0006】更に、LiCoO2と同様の層状岩塩型結
晶構造を持つリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO
2)系材料も有望視されており、未だ市販での使用実績
はないが、例えば、米国特許第4,302,518号、
或いはLiNiO2のNiの一部を他の元素(例えば、
Co等)で置換した材料として、特開平9−25992
8号公報、特開昭63−299056号公報等にそのよ
うな技術内容が開示されている。
晶構造を持つリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO
2)系材料も有望視されており、未だ市販での使用実績
はないが、例えば、米国特許第4,302,518号、
或いはLiNiO2のNiの一部を他の元素(例えば、
Co等)で置換した材料として、特開平9−25992
8号公報、特開昭63−299056号公報等にそのよ
うな技術内容が開示されている。
【0007】一方、これらのリチウム二次電池の使用方
法としては、これまで満充電から満放電まで充放電容量
の広範囲で使い切ることが基本的な使い方であり、如何
に1回の充電で長い時間使用できるかが問題とされてき
た。また、リチウム二次電池の使用方法に関する特許と
しては、例えば、特開平9−163618号公報に、満
充電したい時には低い電流領域で定電圧充電を行い、電
池温度が高い場合には、電流値(電力値)を小さくして
定電圧充電しないというように充電条件を変えて電池の
劣化を防止するというものが提案されている。
法としては、これまで満充電から満放電まで充放電容量
の広範囲で使い切ることが基本的な使い方であり、如何
に1回の充電で長い時間使用できるかが問題とされてき
た。また、リチウム二次電池の使用方法に関する特許と
しては、例えば、特開平9−163618号公報に、満
充電したい時には低い電流領域で定電圧充電を行い、電
池温度が高い場合には、電流値(電力値)を小さくして
定電圧充電しないというように充電条件を変えて電池の
劣化を防止するというものが提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
LiMn2O4系の正極活物質は、やはりサイクル寿命
特性や保存特性が悪く、特に高温度の使用環境下におけ
る寿命や保存特性に難がある。そのために、このLiM
n2O4系正極活物質は、携帯電話等の比較的使用環境
温度の低い(40℃程度以下)用途には用いられている
が、例えば電気自動車用電池のような、温度が60℃以
上にまで上昇する用途には適さないという問題が残され
ていた。
LiMn2O4系の正極活物質は、やはりサイクル寿命
特性や保存特性が悪く、特に高温度の使用環境下におけ
る寿命や保存特性に難がある。そのために、このLiM
n2O4系正極活物質は、携帯電話等の比較的使用環境
温度の低い(40℃程度以下)用途には用いられている
が、例えば電気自動車用電池のような、温度が60℃以
上にまで上昇する用途には適さないという問題が残され
ていた。
【0009】一方、LiNiO2系の正極活物質は、過
去にはサイクル寿命特性が悪いという欠点を抱えていた
が、置換体等の検討によりサイクル特性も向上し、高温
(60℃)特性も満足できるレベルになってきたとされ
ている。
去にはサイクル寿命特性が悪いという欠点を抱えていた
が、置換体等の検討によりサイクル特性も向上し、高温
(60℃)特性も満足できるレベルになってきたとされ
ている。
【0010】本発明者らは、このような事情に鑑み、種
々検討を重ねた結果、LiNiO2系の正極活物質を用
いることにより高温度での使用環境においてもサイクル
特性や保存特性に優れ、かつその電池の使用条件を制御
することにより通電発熱による電池温度の上昇が抑制さ
れ、電池の劣化が防止されるものではないか、そして例
えば、電気自動車用電池パック等においては、電池温度
の制御(例えば、空冷、水冷等)が必要とされている
が、電池温度の上昇が技術的に解決されれば、その負荷
の軽減が図れるのではないかとの考えに至ったのであ
る。
々検討を重ねた結果、LiNiO2系の正極活物質を用
いることにより高温度での使用環境においてもサイクル
特性や保存特性に優れ、かつその電池の使用条件を制御
することにより通電発熱による電池温度の上昇が抑制さ
れ、電池の劣化が防止されるものではないか、そして例
えば、電気自動車用電池パック等においては、電池温度
の制御(例えば、空冷、水冷等)が必要とされている
が、電池温度の上昇が技術的に解決されれば、その負荷
の軽減が図れるのではないかとの考えに至ったのであ
る。
【0011】本発明の解決しようとする課題は、このL
iNiO2系活物質(置換体を含む)を用いることによ
り、安価で、サイクル寿命に優れた大型電池を提供し、
更に、通電による電池の発熱を抑えるような使用方法を
提案する。これにより、従来必要とされていた大型電池
パックの温度制御(例えば、空冷、水冷)の負荷を軽減
し、更に、電池が高温になることを回避することにより
電池の寿命を延ばし、かつ、高い安全性を確保しようと
するものである。
iNiO2系活物質(置換体を含む)を用いることによ
り、安価で、サイクル寿命に優れた大型電池を提供し、
更に、通電による電池の発熱を抑えるような使用方法を
提案する。これにより、従来必要とされていた大型電池
パックの温度制御(例えば、空冷、水冷)の負荷を軽減
し、更に、電池が高温になることを回避することにより
電池の寿命を延ばし、かつ、高い安全性を確保しようと
するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明に係るリチウム二次電池の使用方法は、組成式
LiNi1−xMxO2(M:Ti、Mn、Co、A
l、Mg、Gaから選ばれる1種若しくは2種以上の元
素の組合せからなる。0≦x<1)で表される正極活物
質を用いたリチウム二次電池において、充電容量の30
%以上100%以下の領域で使用することを要旨とする
ものである。
に本発明に係るリチウム二次電池の使用方法は、組成式
LiNi1−xMxO2(M:Ti、Mn、Co、A
l、Mg、Gaから選ばれる1種若しくは2種以上の元
素の組合せからなる。0≦x<1)で表される正極活物
質を用いたリチウム二次電池において、充電容量の30
%以上100%以下の領域で使用することを要旨とする
ものである。
【0013】この場合に、リチウム二次電池の正極活物
質に組成式LiNi1-xMxO2(Mは、Ti、M
n、Co、Al、Mg、Gaから選ばれる1種若しくは
2種以上の元素の組合せからなる。0≦x<1)で表さ
れる層状岩塩型結晶構造のリチウムニッケル複合酸化物
を用いることによりスピネル型結晶構造のLiMn2O
4の欠点である高温使用環境での劣化の問題が解消され
る。
質に組成式LiNi1-xMxO2(Mは、Ti、M
n、Co、Al、Mg、Gaから選ばれる1種若しくは
2種以上の元素の組合せからなる。0≦x<1)で表さ
れる層状岩塩型結晶構造のリチウムニッケル複合酸化物
を用いることによりスピネル型結晶構造のLiMn2O
4の欠点である高温使用環境での劣化の問題が解消され
る。
【0014】そして、そのときに充電容量の30%以上
の領域で充放電を繰り返し使用するようにしたことによ
り電池使用中の通電による発熱が抑制され、電池反応の
急激な進行による過出力状態が回避される。また、温度
上昇による電池の破裂や引火等の恐れも回避されること
になる。
の領域で充放電を繰り返し使用するようにしたことによ
り電池使用中の通電による発熱が抑制され、電池反応の
急激な進行による過出力状態が回避される。また、温度
上昇による電池の破裂や引火等の恐れも回避されること
になる。
【0015】この場合、負極活物質には、リチウムイオ
ンを吸蔵、放出することができるリチウム金属、リチウ
ム合金、リチウム化合物、炭素材料等を用いることがで
きる。そして、負極活物質として用いることのできる炭
素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、カー
ボンブラック、気相成長炭素、炭素繊維、有機高分子系
化合物を炭素化した材料、又はこれらを熱処理、混合し
た材料等を挙げることができる。
ンを吸蔵、放出することができるリチウム金属、リチウ
ム合金、リチウム化合物、炭素材料等を用いることがで
きる。そして、負極活物質として用いることのできる炭
素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、カー
ボンブラック、気相成長炭素、炭素繊維、有機高分子系
化合物を炭素化した材料、又はこれらを熱処理、混合し
た材料等を挙げることができる。
【0016】また、正極と負極との間に狭装されるセパ
レータは、正極と負極とを分離し、非水系の電解液を保
持してリチウムイオンを通過させる機能を有するもので
ある。このセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピ
レン等の多孔質フィルム、不織布又は織布等を用いるこ
とができる。
レータは、正極と負極とを分離し、非水系の電解液を保
持してリチウムイオンを通過させる機能を有するもので
ある。このセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピ
レン等の多孔質フィルム、不織布又は織布等を用いるこ
とができる。
【0017】更に、非水系電解液には、上記正極活物質
及び負極活物質に対して安定であり、かつリチウムイオ
ンがこの正極活物質及び負極活物質と電気化学反応をす
るための移動を行い得る非水物質であれば、いずれも使
用することができる。通常は、電解質であるリチウム塩
を有機溶媒に溶解させて用いる。電解質に使用できる塩
は、具体的には、LiPF6、LiAsF6、LiSb
F6、LiBF4、LiClO4、LiI、LiBr、
LiCl、LiAlCl、LiHF2、LiSCN、L
iSO3CF2等が挙げられる。これらのうちで特に、
LiPF6、LiBF4、LiClO4が好適である。
及び負極活物質に対して安定であり、かつリチウムイオ
ンがこの正極活物質及び負極活物質と電気化学反応をす
るための移動を行い得る非水物質であれば、いずれも使
用することができる。通常は、電解質であるリチウム塩
を有機溶媒に溶解させて用いる。電解質に使用できる塩
は、具体的には、LiPF6、LiAsF6、LiSb
F6、LiBF4、LiClO4、LiI、LiBr、
LiCl、LiAlCl、LiHF2、LiSCN、L
iSO3CF2等が挙げられる。これらのうちで特に、
LiPF6、LiBF4、LiClO4が好適である。
【0018】この電解質を溶解する溶媒は任意に選択で
きるが、比較的高誘電率の有機溶媒が好適なものとして
用いられる。例えば、エチレンカーボネート、プロピレ
ンカーボネート等の環状カーボネート類、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
ネート等の非環状カーボネート類、テトラヒドロフラ
ン、2−メチルテトラヒドロフラン等のグライム類、γ
−ブチルラクトン等のラクトン類、スルフォラン等の硫
黄化合物、アセトニトリル等のニトリル類等の1種又は
2種以上の溶媒が挙げられる。これらのうちで特に、エ
チレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状
カーボネート類、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等の非環状カーボ
ネート類から選ばれた1種又は2種以上の混合溶媒が好
適なものとして用いられる。
きるが、比較的高誘電率の有機溶媒が好適なものとして
用いられる。例えば、エチレンカーボネート、プロピレ
ンカーボネート等の環状カーボネート類、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
ネート等の非環状カーボネート類、テトラヒドロフラ
ン、2−メチルテトラヒドロフラン等のグライム類、γ
−ブチルラクトン等のラクトン類、スルフォラン等の硫
黄化合物、アセトニトリル等のニトリル類等の1種又は
2種以上の溶媒が挙げられる。これらのうちで特に、エ
チレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状
カーボネート類、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等の非環状カーボ
ネート類から選ばれた1種又は2種以上の混合溶媒が好
適なものとして用いられる。
【0019】また、上記非水電解液に代えて固体電解質
として、上記非水電解液を例えばポリエチレンオキサイ
ド、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンオキサイ
ドのイソシアネート架橋体、フェニレンオキシド、フェ
ニレンスルフィド系ポリマー等の重合体に含浸させた有
機固体電解質、Li3N、LiBCl4、Li4SiO
4、Li3BO3等のリチウムガラスの無機固体電解質
を使用することもできる。
として、上記非水電解液を例えばポリエチレンオキサイ
ド、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンオキサイ
ドのイソシアネート架橋体、フェニレンオキシド、フェ
ニレンスルフィド系ポリマー等の重合体に含浸させた有
機固体電解質、Li3N、LiBCl4、Li4SiO
4、Li3BO3等のリチウムガラスの無機固体電解質
を使用することもできる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施の形
態を図面を参照して詳細に説明する。図1に円筒形リチ
ウム二次電池の概略構成を示す。このリチウム二次電池
10は、電池缶12内に正極シートと負極シートとをセ
パレータを介して渦巻状に巻回して構成される電極発電
体14を装着し、電池缶12内には非水系の有機電解液
15が充填されている。そして、正極シートから引き出
された正極集電リード16は、電池缶12に被着される
キャップに接続され、また負極シートから引き出された
負極集電リード18は、電池缶12に接続されるように
なっている。電池缶12の内底面にはインシュレータ
(絶縁板20)が装着される。そして、この図1に示し
たリチウム二次電池は実験装置として示したもので、こ
の電池の充放電を繰り返した時の電極発電体14の発熱
温度を検知するための熱電対22が装着されている。
態を図面を参照して詳細に説明する。図1に円筒形リチ
ウム二次電池の概略構成を示す。このリチウム二次電池
10は、電池缶12内に正極シートと負極シートとをセ
パレータを介して渦巻状に巻回して構成される電極発電
体14を装着し、電池缶12内には非水系の有機電解液
15が充填されている。そして、正極シートから引き出
された正極集電リード16は、電池缶12に被着される
キャップに接続され、また負極シートから引き出された
負極集電リード18は、電池缶12に接続されるように
なっている。電池缶12の内底面にはインシュレータ
(絶縁板20)が装着される。そして、この図1に示し
たリチウム二次電池は実験装置として示したもので、こ
の電池の充放電を繰り返した時の電極発電体14の発熱
温度を検知するための熱電対22が装着されている。
【0021】次に、この電池の作製方法について説明す
る。初めに、正極活物質には、組成式LiNi0.8C
o0.15Al0.05O 2で表される層状岩塩型ニッ
ケル酸リチウム系の複合酸化物を用いた。そして、正極
の作製には、このLiNi0.8Co0.15Al
0.05O2正極活物質粉末と炭素系導電助材を乾式に
てミキサー混合し、これに12%ポリフッ化ビニリデン
(PVDF)/n−メチル−2−ピロリドン溶液を加
え、更にn−メチル−2−ピロリドン液を加えて粘度を
調整しながら混練した。こうして得られたペーストを塗
工機にて、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布
し、乾燥させ、n−メチル−2−ピロリドン溶媒分を除
去した。そして、得られた正極シートをローラプレス機
によりプレスした。正極シートの塗工部は、片面243
cm2の面積とした。また、正極組成は、LiNi
0.8Co0.15Al0.05O 2:導電助材:PV
DFバインダ=85:5:5の重量比とした。
る。初めに、正極活物質には、組成式LiNi0.8C
o0.15Al0.05O 2で表される層状岩塩型ニッ
ケル酸リチウム系の複合酸化物を用いた。そして、正極
の作製には、このLiNi0.8Co0.15Al
0.05O2正極活物質粉末と炭素系導電助材を乾式に
てミキサー混合し、これに12%ポリフッ化ビニリデン
(PVDF)/n−メチル−2−ピロリドン溶液を加
え、更にn−メチル−2−ピロリドン液を加えて粘度を
調整しながら混練した。こうして得られたペーストを塗
工機にて、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布
し、乾燥させ、n−メチル−2−ピロリドン溶媒分を除
去した。そして、得られた正極シートをローラプレス機
によりプレスした。正極シートの塗工部は、片面243
cm2の面積とした。また、正極組成は、LiNi
0.8Co0.15Al0.05O 2:導電助材:PV
DFバインダ=85:5:5の重量比とした。
【0022】次に、負極活物質には、人造黒鉛粉末を用
い、この人造黒鉛粉末に12%PVDF/n−メチル−
2−ピロリドン溶液を加え、更にn−メチル−2−ピロ
リドン液を加えて粘度を調整しながら混練した。こうし
て得られたペーストを塗工機にて、厚さ10μmの銅箔
の両面に塗布し、乾燥させ、n−メチル−2−ピロリド
ン溶媒分を除去した。そして、得られた負極シートをロ
ーラプレス機によりプレスした。負極シートの塗工部
は、片面280cm2の面積とした。また、負極組成
は、人造黒鉛:PVDFバインダ=95:5の重量比と
した。
い、この人造黒鉛粉末に12%PVDF/n−メチル−
2−ピロリドン溶液を加え、更にn−メチル−2−ピロ
リドン液を加えて粘度を調整しながら混練した。こうし
て得られたペーストを塗工機にて、厚さ10μmの銅箔
の両面に塗布し、乾燥させ、n−メチル−2−ピロリド
ン溶媒分を除去した。そして、得られた負極シートをロ
ーラプレス機によりプレスした。負極シートの塗工部
は、片面280cm2の面積とした。また、負極組成
は、人造黒鉛:PVDFバインダ=95:5の重量比と
した。
【0023】そして、上記正極シートと負極シートはと
もに、上記塗工部以外に未塗工部を設け、その未塗工部
に集電リードを溶接し、これら正極シートと負極シート
を厚さ25μmのポリエチレン製セパレータと共に巻回
し、スパイラル状の巻き電極を作製した。この巻き電極
の大きさは、約13mmφ×58mmである。これを1
8mmφ×65mmの電池缶に挿入し、非水電解液を注
入した。電解液には、エチレンカーボネート(EC)と
ジエチルカーボネート(DEC)とを1:1の体積比で
混合した溶液中に1モルの6フッ化リン酸リチウム(L
iPF6)を溶解したものを用いた。また、巻き電極の
巻き芯部分の高さ方向ほぼ中心位置に熱電対を固定し
た。図1は、この状態を示しており、この電池を更に乾
燥アルゴンガスを封入したセパラブルフラスコに入れて
評価電池とした。
もに、上記塗工部以外に未塗工部を設け、その未塗工部
に集電リードを溶接し、これら正極シートと負極シート
を厚さ25μmのポリエチレン製セパレータと共に巻回
し、スパイラル状の巻き電極を作製した。この巻き電極
の大きさは、約13mmφ×58mmである。これを1
8mmφ×65mmの電池缶に挿入し、非水電解液を注
入した。電解液には、エチレンカーボネート(EC)と
ジエチルカーボネート(DEC)とを1:1の体積比で
混合した溶液中に1モルの6フッ化リン酸リチウム(L
iPF6)を溶解したものを用いた。また、巻き電極の
巻き芯部分の高さ方向ほぼ中心位置に熱電対を固定し
た。図1は、この状態を示しており、この電池を更に乾
燥アルゴンガスを封入したセパラブルフラスコに入れて
評価電池とした。
【0024】一方、比較用の電池として、正極活物質に
LiMn1.9Ni0.1O4を用いたものも製作し
た。この比較用電池については、正極組成をLiMn
1.9Ni0.1O4:導電助材:PVDFバインダ=
90:7:9の重量比とした以外は、負極、電解液等の
電池構成を全て同じ条件で作製した。
LiMn1.9Ni0.1O4を用いたものも製作し
た。この比較用電池については、正極組成をLiMn
1.9Ni0.1O4:導電助材:PVDFバインダ=
90:7:9の重量比とした以外は、負極、電解液等の
電池構成を全て同じ条件で作製した。
【0025】次に、評価方法を述べる。評価温度は20
℃とした。電流値は、以下、全て、正極の面積(486
cm2)当たりの電流密度で表す。まず、電流値1mA
/cm2とし、上限電圧を4.1Vとして定電流定電圧
方式で充電を行った。総充電時間は4時間とした。この
状態を充電容量SOC(state of charge)100%と
する。その後、10分間休止を行い、次に、電流値を2
mA/cm2とし、下限電圧を3.0Vとして、定電流
方式で放電を行った。この状態をSOC(state of cha
rge)0%とする。この放電における正極−負極の端子
間電圧変化と、電極発電体の温度上昇値を図2に示す。
℃とした。電流値は、以下、全て、正極の面積(486
cm2)当たりの電流密度で表す。まず、電流値1mA
/cm2とし、上限電圧を4.1Vとして定電流定電圧
方式で充電を行った。総充電時間は4時間とした。この
状態を充電容量SOC(state of charge)100%と
する。その後、10分間休止を行い、次に、電流値を2
mA/cm2とし、下限電圧を3.0Vとして、定電流
方式で放電を行った。この状態をSOC(state of cha
rge)0%とする。この放電における正極−負極の端子
間電圧変化と、電極発電体の温度上昇値を図2に示す。
【0026】また、電流値を0.5mA/cm2とし
て、3.0Vまで定電流方式で放電を行った状態で、1
時間休止させ、次に、電流値を2mA/cm2とし、上
限電圧を4.1Vとして、定電流方式で充電を行った。
この充電における正極−負極の端子間電圧変化と、電極
発電体の温度上昇値を図3に示す。
て、3.0Vまで定電流方式で放電を行った状態で、1
時間休止させ、次に、電流値を2mA/cm2とし、上
限電圧を4.1Vとして、定電流方式で充電を行った。
この充電における正極−負極の端子間電圧変化と、電極
発電体の温度上昇値を図3に示す。
【0027】また、比較電池については、上限電圧を
4.2Vとする以外は、全て同じ条件で、上記の充電、
放電を行い、端子間電圧変化と温度上昇値を測定した。
その結果を図2及び図3に併せて示す。尚、比較電池の
場合、電流値2mA/cm2、上限電圧4.2Vの定電
流方式充電では、SOC100%までは充電できず、S
OC66%までしか充電できなかった。
4.2Vとする以外は、全て同じ条件で、上記の充電、
放電を行い、端子間電圧変化と温度上昇値を測定した。
その結果を図2及び図3に併せて示す。尚、比較電池の
場合、電流値2mA/cm2、上限電圧4.2Vの定電
流方式充電では、SOC100%までは充電できず、S
OC66%までしか充電できなかった。
【0028】図2では、横軸に充電容量SOC(%)を
採り、縦軸に正極−負極の端子間電圧(V)と電極発電
体の温度上昇値ΔT(℃)とを採っている。そして、こ
の図2に示したように、電池の放電時には、評価温度2
0℃、電流密度2mA/cm 2(総電流972mA)の
通電状態において、正極−負極の端子間電圧は、本発明
電池(正極活物質:LiNi0.8Co0.15Al
0.05O2)と比較電池(正極活物質:LiMn
1.9Ni0.1O4)とでは、殆ど差異がない状態の
放電曲線となっているが、電池の温度上昇値を比べた場
合、SOC60%以下の領域で比較電池の方が本発明よ
りも温度上昇が大きくなっており、特にSOC40%以
下の領域でその温度上昇の差が顕著に現れている。
採り、縦軸に正極−負極の端子間電圧(V)と電極発電
体の温度上昇値ΔT(℃)とを採っている。そして、こ
の図2に示したように、電池の放電時には、評価温度2
0℃、電流密度2mA/cm 2(総電流972mA)の
通電状態において、正極−負極の端子間電圧は、本発明
電池(正極活物質:LiNi0.8Co0.15Al
0.05O2)と比較電池(正極活物質:LiMn
1.9Ni0.1O4)とでは、殆ど差異がない状態の
放電曲線となっているが、電池の温度上昇値を比べた場
合、SOC60%以下の領域で比較電池の方が本発明よ
りも温度上昇が大きくなっており、特にSOC40%以
下の領域でその温度上昇の差が顕著に現れている。
【0029】また、図3に示した充電時では、評価温度
20℃、電流密度2mA/cm2(総電流972mA)
の通電状態において、電池の温度上昇値を比べた場合、
本発明電池の方が比較電池よりも若干温度上昇値が高い
傾向にあるが、殆ど平行線を保った状態で推移している
ことが判る。
20℃、電流密度2mA/cm2(総電流972mA)
の通電状態において、電池の温度上昇値を比べた場合、
本発明電池の方が比較電池よりも若干温度上昇値が高い
傾向にあるが、殆ど平行線を保った状態で推移している
ことが判る。
【0030】次の表1は、上記図2及び図3に示した充
放電時の温度上昇値を20%毎の各SOC領域毎に示し
たものである。
放電時の温度上昇値を20%毎の各SOC領域毎に示し
たものである。
【0031】
【表1】
【0032】また、表1をグラフに示したのが、図4及
び図5である。図4は本発明電池(正極活物質:LiN
i0.8Co0.15Al0.05O2)の場合であ
り、図5は比較電池(正極活物質:LiMn1.9Ni
0.1O4)の場合である。この図4と図5の比較にお
いて判るように、比較電池においては、充電時と放電時
の平均の温度上昇値を見ると、SOCの全領域において
ほぼ一定している(図5)のに対し、実施例の本発明電
池では、特にSOC30%以下の領域において、充電
時、放電時とも温度上昇が大きかった。これは、LiN
iO2系正極活物質を用いた電池の特徴といえるもので
ある。したがって、LiNiO2系正極活物質を用いる
リチウム二次電池においては、このSOC30%以下の
領域での充放電を行わなければ、電池の大きな温度上昇
を抑えることができることになる。
び図5である。図4は本発明電池(正極活物質:LiN
i0.8Co0.15Al0.05O2)の場合であ
り、図5は比較電池(正極活物質:LiMn1.9Ni
0.1O4)の場合である。この図4と図5の比較にお
いて判るように、比較電池においては、充電時と放電時
の平均の温度上昇値を見ると、SOCの全領域において
ほぼ一定している(図5)のに対し、実施例の本発明電
池では、特にSOC30%以下の領域において、充電
時、放電時とも温度上昇が大きかった。これは、LiN
iO2系正極活物質を用いた電池の特徴といえるもので
ある。したがって、LiNiO2系正極活物質を用いる
リチウム二次電池においては、このSOC30%以下の
領域での充放電を行わなければ、電池の大きな温度上昇
を抑えることができることになる。
【0033】次に、別の評価方法について述べる。ま
ず、上述の本発明電池を用い、評価温度を60℃とし、
電流密度を6mA/cm2として、各SOC領域におい
てSOC20%分に相当する定容量の連続充放電を行っ
た。充電休止、放電休止は全く行わず、連続的に充放電
サイクルを行い、電池の温度上昇を調べた。その結果を
図6に示す。
ず、上述の本発明電池を用い、評価温度を60℃とし、
電流密度を6mA/cm2として、各SOC領域におい
てSOC20%分に相当する定容量の連続充放電を行っ
た。充電休止、放電休止は全く行わず、連続的に充放電
サイクルを行い、電池の温度上昇を調べた。その結果を
図6に示す。
【0034】SOC領域0〜20%で連続充放電を行う
と、著しく温度が上昇した。また、SOC領域20〜4
0%での温度上昇も大きい。しかし、SOC領域40%
以上での連続充放電の場合では、温度上昇がある程度抑
えられることが判る。
と、著しく温度が上昇した。また、SOC領域20〜4
0%での温度上昇も大きい。しかし、SOC領域40%
以上での連続充放電の場合では、温度上昇がある程度抑
えられることが判る。
【0035】このことから、LiNiO2系正極活物質
を用いた電池でSOC領域約30%以下を用いないよう
にすれば、電気自動車等の電池パックを構成した場合
に、温度制御(冷却)の負担を小さくする効果があるこ
とが判る。また、温度が大きく上昇しないことで、電池
寿命が延び、かつ、急激な温度上昇がないことから、電
池の暴走、破裂等の危険度が少なく、安全性が確保でき
る。
を用いた電池でSOC領域約30%以下を用いないよう
にすれば、電気自動車等の電池パックを構成した場合
に、温度制御(冷却)の負担を小さくする効果があるこ
とが判る。また、温度が大きく上昇しないことで、電池
寿命が延び、かつ、急激な温度上昇がないことから、電
池の暴走、破裂等の危険度が少なく、安全性が確保でき
る。
【0036】以上、実施例について説明したが、本発明
のように電池の使用領域を制限した場合には、電池のエ
ネルギー密度が低下する。この場合、携帯電話、ノート
型パソコンの用途では、1回の充電で使える時間が短く
なるし、電池のみを出力源とする電気自動車の場合に
は、走行距離が短くなるという欠点が生じる。しかし、
電池と内燃エンジンを併用するハイブリッド型電気自動
車の場合には、電池を満充電、満放電することはなく、
ある限られた領域でしか使われない。また、充電と放電
を短い時間間隔で数多く行う。そのため、本発明で提案
する発熱を抑えるための使用範囲制限の使用方法は、特
に、ハイブリッド型電気自動車用の電池に有効であり、
温度制御負荷の軽減、電池の高寿命化、高安全性の確保
に効果がある。
のように電池の使用領域を制限した場合には、電池のエ
ネルギー密度が低下する。この場合、携帯電話、ノート
型パソコンの用途では、1回の充電で使える時間が短く
なるし、電池のみを出力源とする電気自動車の場合に
は、走行距離が短くなるという欠点が生じる。しかし、
電池と内燃エンジンを併用するハイブリッド型電気自動
車の場合には、電池を満充電、満放電することはなく、
ある限られた領域でしか使われない。また、充電と放電
を短い時間間隔で数多く行う。そのため、本発明で提案
する発熱を抑えるための使用範囲制限の使用方法は、特
に、ハイブリッド型電気自動車用の電池に有効であり、
温度制御負荷の軽減、電池の高寿命化、高安全性の確保
に効果がある。
【0037】本発明は、上記した実施例に何等限定され
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々
の改変が可能である。例えば、上記実施例では正極活物
質に組成式LiNi0.8Co0.15Al0.05O
2のものを用いたが、勿論これにとらわれるものではな
く、LiNiO2或いはNiを一部他の元素Ti、M
n、Co、Al、Mg、Gaで置換した組成物にも適用
されることは本発明の趣旨より明らかである。
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々
の改変が可能である。例えば、上記実施例では正極活物
質に組成式LiNi0.8Co0.15Al0.05O
2のものを用いたが、勿論これにとらわれるものではな
く、LiNiO2或いはNiを一部他の元素Ti、M
n、Co、Al、Mg、Gaで置換した組成物にも適用
されることは本発明の趣旨より明らかである。
【0038】また、上記実施例では円筒形のリチウム二
次電池の例で説明したが、それ以外の箱型、ボタン型、
ペーパー型、カード型等各種の形態のものに適用できる
ものである。
次電池の例で説明したが、それ以外の箱型、ボタン型、
ペーパー型、カード型等各種の形態のものに適用できる
ものである。
【0039】
【発明の効果】本発明に係るリチウムイオン二次電池の
使用方法によれば、LiNiO2系の正極活物質を用い
ることにより、電池性能、特に高温度での電池性能にお
いて優れるのみならず、この電池を通電による発熱の大
きい充電容量の30%以下の領域では使用しないように
制御することにより電池の通電による発熱を少なくする
ことができる。したがって、電池温度の上昇により電池
反応が急激に進行し過出力状態になるというようなこと
はなく、電池反応の暴走や電池の破裂、引火等を引き起
こす危険も回避される。
使用方法によれば、LiNiO2系の正極活物質を用い
ることにより、電池性能、特に高温度での電池性能にお
いて優れるのみならず、この電池を通電による発熱の大
きい充電容量の30%以下の領域では使用しないように
制御することにより電池の通電による発熱を少なくする
ことができる。したがって、電池温度の上昇により電池
反応が急激に進行し過出力状態になるというようなこと
はなく、電池反応の暴走や電池の破裂、引火等を引き起
こす危険も回避される。
【0040】そのために例えば、電気自動車用電池パッ
ク等において必要とされていた電池温度の制御(空冷、
水冷)の負荷が軽減され、また電池が高温度にならない
ことにより電池の寿命も延び、かつ高い安全性を確保で
きる等の効果を有する。
ク等において必要とされていた電池温度の制御(空冷、
水冷)の負荷が軽減され、また電池が高温度にならない
ことにより電池の寿命も延び、かつ高い安全性を確保で
きる等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用される一実施形態としてのリチウ
ム二次電池の概略構成図である。
ム二次電池の概略構成図である。
【図2】図1に示したリチウム二次電池の充放電試験に
おいて放電時の充電容量(SOC)の使用領域と正極−
負極端子間電圧及び電池温度上昇値との関係(評価温度
20℃)を示した図である。
おいて放電時の充電容量(SOC)の使用領域と正極−
負極端子間電圧及び電池温度上昇値との関係(評価温度
20℃)を示した図である。
【図3】同じく充電時の関係を示した図である。
【図4】本発明電池(正極活物質:LiNi0.8Co
0.15Al0.05O2)の充放電時における各SO
C領域での温度上昇値をグラフに示した図である。
0.15Al0.05O2)の充放電時における各SO
C領域での温度上昇値をグラフに示した図である。
【図5】比較例電池(正極活物質:LiMn1.9Ni
0.1O4)の充放電時における各SOC領域での温度
上昇値をグラフに示した図である。
0.1O4)の充放電時における各SOC領域での温度
上昇値をグラフに示した図である。
【図6】図1に示したリチウム二次電池の充放電試験に
おいて評価温度60℃での連続充放電条件下における充
電容量(SOC)の使用領域と温度上昇値との関係を示
した図である。
おいて評価温度60℃での連続充放電条件下における充
電容量(SOC)の使用領域と温度上昇値との関係を示
した図である。
10 リチウム二次電池 12 電池缶 14 電極発電体 15 電解液 16 正極集電リード 18 負極集電リード 20 インシュレータ 22 熱電対
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥田 匠昭 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 本間 隆彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 則竹 達夫 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 竹内 要二 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 中野 秀之 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 佐々木 厳 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 向 和彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 Fターム(参考) 5H003 AA04 BB05 BD00 BD03 5H014 AA02 EE10 HH01 5H029 AJ05 AK03 AL06 AL07 AL08 AL12 AM03 AM05 AM07 AM14 AM16 BJ02 HJ02 HJ19
Claims (1)
- 【請求項1】 組成式LiNi1−xMxO2(M:T
i、Mn、Co、Al、Mg、Gaから選ばれる1種若
しくは2種以上の元素の組合せからなる。0≦x<1)
で表される正極活物質を用いたリチウム二次電池におい
て、充電容量の30%以上100%以下の領域で使用す
ることを特徴とするリチウム二次電池の使用方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11078317A JP2000277151A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | リチウム二次電池の使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11078317A JP2000277151A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | リチウム二次電池の使用方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000277151A true JP2000277151A (ja) | 2000-10-06 |
Family
ID=13658575
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11078317A Pending JP2000277151A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | リチウム二次電池の使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000277151A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002086993A1 (en) | 2001-04-20 | 2002-10-31 | Yuasa Corporation | Anode active matter and production method therefor, non- aqueous electrolyte secondary battery-use anode, and non-aqueous electrolyte secondary battery |
| JP2003102133A (ja) * | 2001-09-26 | 2003-04-04 | Nissan Motor Co Ltd | 2次電池の昇温制御装置 |
| JP2005203134A (ja) * | 2004-01-13 | 2005-07-28 | Yuasa Corp | 電気化学デバイス |
| US7078128B2 (en) | 2001-04-27 | 2006-07-18 | 3M Innovative Properties Company | Cathode compositions for lithium-ion batteries |
| US7211237B2 (en) | 2003-11-26 | 2007-05-01 | 3M Innovative Properties Company | Solid state synthesis of lithium ion battery cathode material |
| US7368071B2 (en) | 2001-08-07 | 2008-05-06 | 3M Innovative Properties Company | Cathode compositions for lithium ion batteries |
| US7598709B2 (en) | 2005-09-30 | 2009-10-06 | International Components Corporation | Rapid charge lithium ion battery charger |
| JP2011078147A (ja) * | 2009-09-29 | 2011-04-14 | Denso Corp | 車載電源装置 |
| US8679670B2 (en) | 2007-06-22 | 2014-03-25 | Boston-Power, Inc. | CID retention device for Li-ion cell |
| US9425644B1 (en) | 2015-06-03 | 2016-08-23 | Thor Charger Company | Method and apparatus for charging an electrically chargeable device utilizing resonating magnetic oscillations in the apparatus |
-
1999
- 1999-03-23 JP JP11078317A patent/JP2000277151A/ja active Pending
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2144314A2 (en) | 2001-04-20 | 2010-01-13 | GS Yuasa Corporation | Positive active materials and process for producing the same, positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, and non-aqueous electrolyte secondary battery |
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| US7488465B2 (en) | 2003-11-26 | 2009-02-10 | 3M Innovative Properties Company | Solid state synthesis of lithium ion battery cathode material |
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| US7683574B2 (en) | 2005-09-30 | 2010-03-23 | International Components Corporation | Rapid charge lithium ion battery charger |
| US7898220B2 (en) | 2005-09-30 | 2011-03-01 | Icc-Nexergy, Inc. | Rapid charge lithium ion battery charger |
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