JP2000090983A - リチウム二次電池 - Google Patents
リチウム二次電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 内部抵抗を低減することで良好な充放電特性
を有し、かつ、高出力、大電流を得ることができるリチ
ウム二次電池を提供する。 【解決手段】 正極板２と負極板３とがセパレータ４を
介して直接に接触しないように捲回されてなる内部電極
体１および有機電解液を用いたリチウム二次電池であ
る。電極基板の総厚（μｍ）を電極活物質層の総厚（μ
ｍ）で除した比を総厚比とし、この総厚比を０．０４５
以上０．３１以下とした。
を有し、かつ、高出力、大電流を得ることができるリチ
ウム二次電池を提供する。 【解決手段】 正極板２と負極板３とがセパレータ４を
介して直接に接触しないように捲回されてなる内部電極
体１および有機電解液を用いたリチウム二次電池であ
る。電極基板の総厚（μｍ）を電極活物質層の総厚（μ
ｍ）で除した比を総厚比とし、この総厚比を０．０４５
以上０．３１以下とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、特に電気自動車
等のモータ駆動用として好適に用いられるリチウム二次
電池に係り、更に詳しくは、内部電極体の形状パラメー
タを所定条件に納めることにより、内部抵抗を低減し、
良好な充放電特性及び高出力、大電流を得ることができ
るリチウム二次電池に関する。
等のモータ駆動用として好適に用いられるリチウム二次
電池に係り、更に詳しくは、内部電極体の形状パラメー
タを所定条件に納めることにより、内部抵抗を低減し、
良好な充放電特性及び高出力、大電流を得ることができ
るリチウム二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】 近年、環境保護運動の高まりを背景と
して、二酸化炭素その他有害物質を含む排気ガスの排出
規制が切に望まれる中、自動車業界ではガソリン車等の
化石燃料を使用する自動車に替えて、電気自動車（Ｅ
Ｖ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入を促進
する動きが活発になっている。
して、二酸化炭素その他有害物質を含む排気ガスの排出
規制が切に望まれる中、自動車業界ではガソリン車等の
化石燃料を使用する自動車に替えて、電気自動車（Ｅ
Ｖ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入を促進
する動きが活発になっている。
【０００３】 このＥＶ、ＨＥＶのモータ駆動用電池と
しては、エネルギー密度の大きいリチウム二次電池が有
望視されているが、所定の加速性能、登坂性能、継続走
行性能等を得る為に、リチウム二次電池には、大容量、
高出力といった特性が要求される。例えば、ＨＥＶで
は、加速時にはモータが出力をアシストするモードとな
っている為、モータを駆動させる電池には高出力が必要
とされる。ここで、電池１本当たりの電圧は電池を構成
する材料により決まっており、リチウム二次電池では、
その電圧は高々４．２Ｖ程度であるから、出力が大きい
ことは大電流が流れることを意味する。
しては、エネルギー密度の大きいリチウム二次電池が有
望視されているが、所定の加速性能、登坂性能、継続走
行性能等を得る為に、リチウム二次電池には、大容量、
高出力といった特性が要求される。例えば、ＨＥＶで
は、加速時にはモータが出力をアシストするモードとな
っている為、モータを駆動させる電池には高出力が必要
とされる。ここで、電池１本当たりの電圧は電池を構成
する材料により決まっており、リチウム二次電池では、
その電圧は高々４．２Ｖ程度であるから、出力が大きい
ことは大電流が流れることを意味する。
【０００４】 一方、モータを駆動させる為に、駆動に
必要な電圧を確保すべく、複数の電池は直列に接続して
用いられる為、各電池に同じ大きさの電流が流れること
となる。実際に、ＨＥＶ等においては、１００Ａ以上の
電流が流れることも頻繁に起こり得る。従って、こうし
た高出力特性、大電流特性を実現する為には、電池の内
部抵抗をできる限り低減することが重要である。
必要な電圧を確保すべく、複数の電池は直列に接続して
用いられる為、各電池に同じ大きさの電流が流れること
となる。実際に、ＨＥＶ等においては、１００Ａ以上の
電流が流れることも頻繁に起こり得る。従って、こうし
た高出力特性、大電流特性を実現する為には、電池の内
部抵抗をできる限り低減することが重要である。
【０００５】 ここで、電池の内部抵抗は、電池の構成
部材の抵抗値で決定されるが、特に、電池の本質部分と
もいうべき内部電極体（充放電部）の抵抗を低減するこ
とが極めて重要である。
部材の抵抗値で決定されるが、特に、電池の本質部分と
もいうべき内部電極体（充放電部）の抵抗を低減するこ
とが極めて重要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、実用
化されている電子機器用のリチウム二次電池は電池容量
が大きいものではなく、また使用時に大電流が必要とさ
れる場合が殆どない為に、電池の内部電極体の抵抗に関
する詳細な検討はこれまで行われていなかった。
化されている電子機器用のリチウム二次電池は電池容量
が大きいものではなく、また使用時に大電流が必要とさ
れる場合が殆どない為に、電池の内部電極体の抵抗に関
する詳細な検討はこれまで行われていなかった。
【０００７】 例えば、第２７０１３４７号特許公報に
は、帯状正極と帯状負極を捲回してなる捲回体を用いた
リチウム二次電池において、帯状正極を構成する正極活
物質層と帯状負極を構成する負極活物質層が、所定の厚
みを有し、かつそれぞれの厚みの比が所定の範囲内にあ
ることを特徴としたリチウム二次電池が開示されてい
る。
は、帯状正極と帯状負極を捲回してなる捲回体を用いた
リチウム二次電池において、帯状正極を構成する正極活
物質層と帯状負極を構成する負極活物質層が、所定の厚
みを有し、かつそれぞれの厚みの比が所定の範囲内にあ
ることを特徴としたリチウム二次電池が開示されてい
る。
【０００８】 この第２７０１３４７号特許公報開示の
リチウム二次電池は、その内部電極体の構成要素の形態
を規定したものであるが、それにもかかわらず内部電極
体の抵抗については検討されていない。つまり、電極活
物質層の厚みが内部電極体の抵抗に影響を与える一因子
であるにしても、その厚み規定が抵抗低減に与える影響
について触れられておらず、また、帯状電極を構成する
に不可欠な電極基板（集電体（金属箔））自体及び帯状
電極自体の抵抗が内部電極体の抵抗に与える影響につい
ても、何ら考慮されていない。
リチウム二次電池は、その内部電極体の構成要素の形態
を規定したものであるが、それにもかかわらず内部電極
体の抵抗については検討されていない。つまり、電極活
物質層の厚みが内部電極体の抵抗に影響を与える一因子
であるにしても、その厚み規定が抵抗低減に与える影響
について触れられておらず、また、帯状電極を構成する
に不可欠な電極基板（集電体（金属箔））自体及び帯状
電極自体の抵抗が内部電極体の抵抗に与える影響につい
ても、何ら考慮されていない。
【０００９】 また、第２７０１３４７号特許公報開示
のリチウム二次電池は、電子機器電源としての用途を主
として、その高容量化の要求を満たすこと、つまりエネ
ルギー密度の向上を主目的とし、また、電極におけるク
ラックの発生防止を目的としてなされたものであり、従
って、第２７０１３４７号特許公報中に高出力化を目的
とした旨の記載はない。
のリチウム二次電池は、電子機器電源としての用途を主
として、その高容量化の要求を満たすこと、つまりエネ
ルギー密度の向上を主目的とし、また、電極におけるク
ラックの発生防止を目的としてなされたものであり、従
って、第２７０１３４７号特許公報中に高出力化を目的
とした旨の記載はない。
【００１０】 このように、小型電池の開発は高エネル
ギー密度化を主体として進められてきた為に、出力を重
視したリチウム二次電池を提供するに関して、これまで
内部電極体における正負各極の電極基板の厚さと電極活
物質層の厚さとの関係が、内部電極体の抵抗に与える影
響について、あまりよく判っていなかった。また、巻密
度、即ち、内部電極体の径方向の単位長さ当たりにおけ
る当該正極板若しくは当該負極板の捲回数についても同
様であった。
ギー密度化を主体として進められてきた為に、出力を重
視したリチウム二次電池を提供するに関して、これまで
内部電極体における正負各極の電極基板の厚さと電極活
物質層の厚さとの関係が、内部電極体の抵抗に与える影
響について、あまりよく判っていなかった。また、巻密
度、即ち、内部電極体の径方向の単位長さ当たりにおけ
る当該正極板若しくは当該負極板の捲回数についても同
様であった。
【００１１】 更に、第２７０１３４７号特許公報に
は、開示されたリチウム二次電池が前述したようにエネ
ルギー密度の向上を主目的としてなされたものであるこ
とから、正極活物質としてリチウム容量の大きいコバル
ト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）を用いることが好ましい
旨、記載されている。
は、開示されたリチウム二次電池が前述したようにエネ
ルギー密度の向上を主目的としてなされたものであるこ
とから、正極活物質としてリチウム容量の大きいコバル
ト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）を用いることが好ましい
旨、記載されている。
【００１２】 しかしながら、内部電極体の抵抗低減を
図り、高出力化を主目的とした場合には、正極活物質の
リチウム容量は所定量が確保できる範囲で少なくとも構
わず、代わりに正極活物質層の抵抗が小さくなるような
正極活物質を用いることの方が重要視される。
図り、高出力化を主目的とした場合には、正極活物質の
リチウム容量は所定量が確保できる範囲で少なくとも構
わず、代わりに正極活物質層の抵抗が小さくなるような
正極活物質を用いることの方が重要視される。
【００１３】 ところで、上述した高出力化を主目的と
したＥＶ用等の大容量のリチウム二次電池であっても、
電池容量が同じであるなら、その重量が軽量であること
が好ましいことはいうまでもない。また、電池の大きさ
が小さければ、自動車への載置スペースが小さくなるこ
とで、空間設計の自由度が増す為に好ましい。更に不要
に多くの材料を用いることはコスト的にも不利である。
したＥＶ用等の大容量のリチウム二次電池であっても、
電池容量が同じであるなら、その重量が軽量であること
が好ましいことはいうまでもない。また、電池の大きさ
が小さければ、自動車への載置スペースが小さくなるこ
とで、空間設計の自由度が増す為に好ましい。更に不要
に多くの材料を用いることはコスト的にも不利である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】 本発明は、上述した従
来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、即ち、本
発明によれば、正極板と負極板とがセパレータを介して
直接に接触しないように捲回されてなる内部電極体及び
有機電解液を用いたリチウム二次電池であって、電極基
板の総厚（μｍ）を電極活物質層の総厚（μｍ）で除し
た比を総厚比としたとき、当該総厚比が０．０４５以上
０．３１以下であることを特徴とするリチウム二次電
池、が提供される。ここで、この比の値は、０．０５以
上０．２５以下であればより好ましい。
来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、即ち、本
発明によれば、正極板と負極板とがセパレータを介して
直接に接触しないように捲回されてなる内部電極体及び
有機電解液を用いたリチウム二次電池であって、電極基
板の総厚（μｍ）を電極活物質層の総厚（μｍ）で除し
た比を総厚比としたとき、当該総厚比が０．０４５以上
０．３１以下であることを特徴とするリチウム二次電
池、が提供される。ここで、この比の値は、０．０５以
上０．２５以下であればより好ましい。
【００１５】 また、本発明によれば、正極板と負極板
とがセパレータを介して直接に接触しないように捲回さ
れてなる内部電極体及び有機電解液を用いたリチウム二
次電池であって、当該内部電極体の径方向の単位長さ当
たりの当該正極板若しくは当該負極板の捲回数（回／ｃ
ｍ）と電極活物質層の総厚（ｃｍ）との積を補正捲回密
度（回）としたとき、当該補正捲回密度が０．７３
（回）以上であることを特徴とするリチウム二次電池、
が提供される。
とがセパレータを介して直接に接触しないように捲回さ
れてなる内部電極体及び有機電解液を用いたリチウム二
次電池であって、当該内部電極体の径方向の単位長さ当
たりの当該正極板若しくは当該負極板の捲回数（回／ｃ
ｍ）と電極活物質層の総厚（ｃｍ）との積を補正捲回密
度（回）としたとき、当該補正捲回密度が０．７３
（回）以上であることを特徴とするリチウム二次電池、
が提供される。
【００１６】 上述した本発明のリチウム二次電池にお
いては、正極板に用いられる正極活物質として、ＬｉＭ
ｎ2Ｏ4スピネルを用いることが好ましく、このとき、Ｌ
ｉＭｎ2Ｏ4スピネルにおけるＬｉ／Ｍｎ比が、０．５超
のものを用いるとより好ましい。一方、負極板に用いら
れる負極活物質としては、高黒鉛化炭素材料が好適に用
いられ、繊維質の形態を有するものを用いることがより
好ましい。本発明のリチウム二次電池は、電池の内部抵
抗が低減され高出力化が図られていることから、電気自
動車（ＥＶ）用若しくはハイブリッド電気自動車（ＨＥ
Ｖ）用として好適に用いられる。また、高出力化の効果
が顕著に現れる電池容量が５Ａｈ以上のものに好適に適
用される。
いては、正極板に用いられる正極活物質として、ＬｉＭ
ｎ2Ｏ4スピネルを用いることが好ましく、このとき、Ｌ
ｉＭｎ2Ｏ4スピネルにおけるＬｉ／Ｍｎ比が、０．５超
のものを用いるとより好ましい。一方、負極板に用いら
れる負極活物質としては、高黒鉛化炭素材料が好適に用
いられ、繊維質の形態を有するものを用いることがより
好ましい。本発明のリチウム二次電池は、電池の内部抵
抗が低減され高出力化が図られていることから、電気自
動車（ＥＶ）用若しくはハイブリッド電気自動車（ＨＥ
Ｖ）用として好適に用いられる。また、高出力化の効果
が顕著に現れる電池容量が５Ａｈ以上のものに好適に適
用される。
【００１７】
【発明の実施の形態】 本発明におけるリチウム二次電
池（以下、「電池」という。）の内部電極体は、正極板
と負極板とが多孔性ポリマーフィルムからなるセパレー
タを介して直接に接触しないように捲回して構成され
る。具体的には、図１に示すように、内部電極体１は、
正極板２と負極板３とをセパレータ４を介して捲回して
形成され、正負各電極板２・３（以下、「電極板２・
３」という。）のそれぞれにタブ５が設けられる。この
タブ５の電極板２・３への取付は、電極板２・３をセパ
レータ４と共に捲回する時点で、超音波溶接等の手段に
より行うことができる。なお、各タブ５の、電極板２・
３と接続された反対側の端部は、出力端子（図示せず）
若しくは出力端子に導通する電流取出端子（図示せず）
に取り付けられる。
池（以下、「電池」という。）の内部電極体は、正極板
と負極板とが多孔性ポリマーフィルムからなるセパレー
タを介して直接に接触しないように捲回して構成され
る。具体的には、図１に示すように、内部電極体１は、
正極板２と負極板３とをセパレータ４を介して捲回して
形成され、正負各電極板２・３（以下、「電極板２・
３」という。）のそれぞれにタブ５が設けられる。この
タブ５の電極板２・３への取付は、電極板２・３をセパ
レータ４と共に捲回する時点で、超音波溶接等の手段に
より行うことができる。なお、各タブ５の、電極板２・
３と接続された反対側の端部は、出力端子（図示せず）
若しくは出力端子に導通する電流取出端子（図示せず）
に取り付けられる。
【００１８】 電極板２・３は、正極板２についてはア
ルミニウム、チタン等、負極板３については銅、ニッケ
ル等の金属箔を電極基板（集電体）とし、それぞれの金
属箔の両面に電極活物質を塗布して電極活物質層を形成
することにより作製される。また、タブ５はこのような
金属箔の一辺に配設され、一般的に、内部電極体１を作
製した際に、電極板２・３のタブ５が取り付けられた部
分が外周側へ膨らむことのないように薄帯状のものが用
いられる。このとき、１つのタブ５が電極板２・３にお
ける一定面積からの集電を行うように、ほぼ等間隔に配
設されることが好ましく、タブ５の材質はタブ５が取り
付けられる金属箔と同材質とされる場合が多い。
ルミニウム、チタン等、負極板３については銅、ニッケ
ル等の金属箔を電極基板（集電体）とし、それぞれの金
属箔の両面に電極活物質を塗布して電極活物質層を形成
することにより作製される。また、タブ５はこのような
金属箔の一辺に配設され、一般的に、内部電極体１を作
製した際に、電極板２・３のタブ５が取り付けられた部
分が外周側へ膨らむことのないように薄帯状のものが用
いられる。このとき、１つのタブ５が電極板２・３にお
ける一定面積からの集電を行うように、ほぼ等間隔に配
設されることが好ましく、タブ５の材質はタブ５が取り
付けられる金属箔と同材質とされる場合が多い。
【００１９】 正極板２の形成に使用される正極活物質
としては、本発明においては、マンガン酸リチウム（Ｌ
ｉＭｎ2Ｏ4）スピネルが最も好適に用いられる。ＬｉＭ
ｎ2Ｏ4スピネルは、空間群Ｆｄ３ｍに属し、Ｌｉイオン
の拡散が三次元的に起こる性質を有する為、例えば、空
間群Ｒ（−３）ｍ（「−」は回反を示す。）に属し、層
状構造を有するコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）の
ようにＬｉイオンの拡散が二次元的に起こる物質を用い
た場合よりも、電池反応におけるＬｉイオンの拡散抵抗
が小さく、抵抗低減・高出力化の目的に適している。ま
た、ＬｉＭｎ2Ｏ4スピネルは、そのものが電子伝導性に
優れている為、正極板２の抵抗低減にも顕著な効果を奏
する。
としては、本発明においては、マンガン酸リチウム（Ｌ
ｉＭｎ2Ｏ4）スピネルが最も好適に用いられる。ＬｉＭ
ｎ2Ｏ4スピネルは、空間群Ｆｄ３ｍに属し、Ｌｉイオン
の拡散が三次元的に起こる性質を有する為、例えば、空
間群Ｒ（−３）ｍ（「−」は回反を示す。）に属し、層
状構造を有するコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）の
ようにＬｉイオンの拡散が二次元的に起こる物質を用い
た場合よりも、電池反応におけるＬｉイオンの拡散抵抗
が小さく、抵抗低減・高出力化の目的に適している。ま
た、ＬｉＭｎ2Ｏ4スピネルは、そのものが電子伝導性に
優れている為、正極板２の抵抗低減にも顕著な効果を奏
する。
【００２０】 更に、ＬｉＭｎ2Ｏ4スピネルを用いた電
池では、放電が進んだ状態、つまり放電深度が深い状態
であっても抵抗が小さいという優れた特徴を有してお
り、高出力放電が要求される用途における電池材料とし
て特に優れている。
池では、放電が進んだ状態、つまり放電深度が深い状態
であっても抵抗が小さいという優れた特徴を有してお
り、高出力放電が要求される用途における電池材料とし
て特に優れている。
【００２１】 ＬｉＭｎ2Ｏ4スピネルについては、更に
好ましくはＬｉ／Ｍｎ比が０．５超（Ｌｉ／Ｍｎ比＞
０．５）、即ち化学量論組成よりもＬｉ過剰となってい
る組成のものを用いると、より顕著に抵抗の低減が図ら
れ、好ましい。このようなＬｉ過剰組成のＬｉＭｎ2Ｏ4
スピネルとしては、Ｍｎの一部をＬｉで置換した組成Ｌ
ｉＬｉXＭｎ2-XＯ4スピネル（Ｌｉ／Ｍｎ＝（１＋Ｘ）
／（２−Ｘ）＞０．５）や、Ｍｎの一部を他の金属元素
Ｍで置換したＬｉＭXＭｎ2-XＯ4（Ｌｉ／Ｍｎ＝１／
（２−Ｘ）＞０．５）が挙げられる。
好ましくはＬｉ／Ｍｎ比が０．５超（Ｌｉ／Ｍｎ比＞
０．５）、即ち化学量論組成よりもＬｉ過剰となってい
る組成のものを用いると、より顕著に抵抗の低減が図ら
れ、好ましい。このようなＬｉ過剰組成のＬｉＭｎ2Ｏ4
スピネルとしては、Ｍｎの一部をＬｉで置換した組成Ｌ
ｉＬｉXＭｎ2-XＯ4スピネル（Ｌｉ／Ｍｎ＝（１＋Ｘ）
／（２−Ｘ）＞０．５）や、Ｍｎの一部を他の金属元素
Ｍで置換したＬｉＭXＭｎ2-XＯ4（Ｌｉ／Ｍｎ＝１／
（２−Ｘ）＞０．５）が挙げられる。
【００２２】 なお、置換元素Ｍとしては、元素記号で
列記すると、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｓ
ｉ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｐ、Ｖ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ
が挙げられる。また、上述した各種のＬｉＭｎ2Ｏ4スピ
ネルについての酸素量は、化学量論組成上は４である
が、陽イオンの価数や格子欠陥等の存在により結晶構造
が維持される限りにおいて、変化していても構わない。
列記すると、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｓ
ｉ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｐ、Ｖ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ
が挙げられる。また、上述した各種のＬｉＭｎ2Ｏ4スピ
ネルについての酸素量は、化学量論組成上は４である
が、陽イオンの価数や格子欠陥等の存在により結晶構造
が維持される限りにおいて、変化していても構わない。
【００２３】 ところで、正極活物質としては、ＬｉＭ
ｎ2Ｏ4スピネル以外に、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏ
Ｏ2）やニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）といったリ
チウム遷移金属複合酸化物を用いることも可能ではある
が、これらは前述したように、Ｌｉイオンの拡散が二次
元的であって抵抗が大きい問題がある。なお、前記いず
れの正極活物質を用いた場合であっても、正極活物質の
導電性を更に向上させて抵抗を低減させる為に、アセチ
レンブラックやグラファイト粉末等のカーボン粉末を電
極活物質に混合することも好ましい。
ｎ2Ｏ4スピネル以外に、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏ
Ｏ2）やニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）といったリ
チウム遷移金属複合酸化物を用いることも可能ではある
が、これらは前述したように、Ｌｉイオンの拡散が二次
元的であって抵抗が大きい問題がある。なお、前記いず
れの正極活物質を用いた場合であっても、正極活物質の
導電性を更に向上させて抵抗を低減させる為に、アセチ
レンブラックやグラファイト粉末等のカーボン粉末を電
極活物質に混合することも好ましい。
【００２４】 一方、負極活物質としては、ソフトカー
ボン、ハードカーボンといったアモルファス系炭素質材
料や、人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛化炭素材料を用いる
ことができるが、本発明においては、特に高黒鉛化炭素
材料を用いることが好ましく、より好ましくは繊維質の
形態を有するものが好適に用いられる。
ボン、ハードカーボンといったアモルファス系炭素質材
料や、人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛化炭素材料を用いる
ことができるが、本発明においては、特に高黒鉛化炭素
材料を用いることが好ましく、より好ましくは繊維質の
形態を有するものが好適に用いられる。
【００２５】 負極活物質は、材料によってＬｉ容量に
差があり、また正極活物質が同じ場合に負極活物質が異
なると、電位曲線にも変化が観察され、所望する電池特
性が得られない場合が生じ得る。例えば、前述した第２
７０１３４７号特許公報に開示されたリチウム二次電池
では、負極活物質としてピッチコークス（ハードカーボ
ン）が好適に使用されているが、ピッチコークスを用い
た場合にあっては、放電深度が深い状態で高出力を得る
ことは困難であり、本発明の目的に適さない。
差があり、また正極活物質が同じ場合に負極活物質が異
なると、電位曲線にも変化が観察され、所望する電池特
性が得られない場合が生じ得る。例えば、前述した第２
７０１３４７号特許公報に開示されたリチウム二次電池
では、負極活物質としてピッチコークス（ハードカーボ
ン）が好適に使用されているが、ピッチコークスを用い
た場合にあっては、放電深度が深い状態で高出力を得る
ことは困難であり、本発明の目的に適さない。
【００２６】 前述したように、正極活物質としてＬｉ
Ｍｎ2Ｏ4スピネルを用いた場合にあっては、特に負極活
物質として高黒鉛化炭素繊維を用いた場合に、放電深度
が深い状態でも内部抵抗が小さく維持され、高出力放電
を容易に行うことが可能となり、電池特性上、極めて好
ましいものが得られる。
Ｍｎ2Ｏ4スピネルを用いた場合にあっては、特に負極活
物質として高黒鉛化炭素繊維を用いた場合に、放電深度
が深い状態でも内部抵抗が小さく維持され、高出力放電
を容易に行うことが可能となり、電池特性上、極めて好
ましいものが得られる。
【００２７】 さて、これらの各極の電極活物質は、一
般的には種々の溶剤やバインダと混合されてスラリー化
された後、所定の電極基板表面へ塗布、固着され、電極
板２・３が作製される。
般的には種々の溶剤やバインダと混合されてスラリー化
された後、所定の電極基板表面へ塗布、固着され、電極
板２・３が作製される。
【００２８】 セパレータ４としては、マイクロポアを
有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィルム
を、多孔性のリチウムイオン透過性のポリプロピレンフ
ィルムで挟んだ三層構造としたものが好適に用いられ
る。これは、内部電極体１の温度が上昇した場合に、ポ
リエチレンフィルムが約１３０℃で軟化してマイクロポ
アが潰れてリチウムイオンの移動、即ち電池反応を抑制
する安全機構を兼ねたものである。そして、このポリエ
チレンフィルムを、より軟化温度の高いポリプロピレン
フィルムで挟持することによって、ポリエチレンが軟化
した場合においても、セパレータ４と電極板２・３との
接触・溶着を防止することができ、確実に電池反応を抑
制することが可能となる。
有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィルム
を、多孔性のリチウムイオン透過性のポリプロピレンフ
ィルムで挟んだ三層構造としたものが好適に用いられ
る。これは、内部電極体１の温度が上昇した場合に、ポ
リエチレンフィルムが約１３０℃で軟化してマイクロポ
アが潰れてリチウムイオンの移動、即ち電池反応を抑制
する安全機構を兼ねたものである。そして、このポリエ
チレンフィルムを、より軟化温度の高いポリプロピレン
フィルムで挟持することによって、ポリエチレンが軟化
した場合においても、セパレータ４と電極板２・３との
接触・溶着を防止することができ、確実に電池反応を抑
制することが可能となる。
【００２９】 なお、電解液としては、エチレンカーボ
ネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジ
メチルカーボネート（ＤＭＣ）といった炭酸エステル系
のもの、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やγ−ブチロ
ラクトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル等の有
機溶媒の単独溶媒若しくは混合溶媒に、電解質としての
ＬｉＰＦ6やＬｉＢＦ4等のリチウム錯体フッ素化合物、
或いはＬｉＣｌＯ4といったリチウムハロゲン化物等を
１種類若しくは２種類以上を溶解した非水系の有機電解
液が好適に用いられる。このような電解液は、電池ケー
ス内に充填されると共に、内部電極体１に含浸される。
ネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジ
メチルカーボネート（ＤＭＣ）といった炭酸エステル系
のもの、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やγ−ブチロ
ラクトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル等の有
機溶媒の単独溶媒若しくは混合溶媒に、電解質としての
ＬｉＰＦ6やＬｉＢＦ4等のリチウム錯体フッ素化合物、
或いはＬｉＣｌＯ4といったリチウムハロゲン化物等を
１種類若しくは２種類以上を溶解した非水系の有機電解
液が好適に用いられる。このような電解液は、電池ケー
ス内に充填されると共に、内部電極体１に含浸される。
【００３０】 さて、上述した材料等を用いて作製され
る内部電極体１において、特に電極板２・３における電
極基板の厚さと、各極の電極基板に塗布される電極活物
質層との関係は、電池の内部抵抗に大きな影響を及ぼす
ものと考えられ、本発明においてはこの点に着目した。
図２は、内部電極体１の捲回軸に垂直な断面の一部を示
す拡大図であるが、本発明において、正極用電極基板１
１の厚さと負極用電極基板１２の厚さとの和を電極基板
の総厚とし、正極板２に形成された正極活物質層１３の
両面の合計厚さと負極板３に形成された負極活物質層１
４の両面の合計厚さとを加えた厚さを電極活物質層の総
厚として、電極基板の総厚（μｍ）を電極活物質層の総
厚（μｍ）で除した比を総厚比と定義したとき、この総
厚比が０．０４５以上０．３１以下とされる。なお、電
極基板の総厚と電極活物質層の総厚の単位は、同じであ
れば「μｍ」に限定されるものでないことはいうまでも
ない。
る内部電極体１において、特に電極板２・３における電
極基板の厚さと、各極の電極基板に塗布される電極活物
質層との関係は、電池の内部抵抗に大きな影響を及ぼす
ものと考えられ、本発明においてはこの点に着目した。
図２は、内部電極体１の捲回軸に垂直な断面の一部を示
す拡大図であるが、本発明において、正極用電極基板１
１の厚さと負極用電極基板１２の厚さとの和を電極基板
の総厚とし、正極板２に形成された正極活物質層１３の
両面の合計厚さと負極板３に形成された負極活物質層１
４の両面の合計厚さとを加えた厚さを電極活物質層の総
厚として、電極基板の総厚（μｍ）を電極活物質層の総
厚（μｍ）で除した比を総厚比と定義したとき、この総
厚比が０．０４５以上０．３１以下とされる。なお、電
極基板の総厚と電極活物質層の総厚の単位は、同じであ
れば「μｍ」に限定されるものでないことはいうまでも
ない。
【００３１】 表１に、この総厚比を種々に変えた内部
電極体の構成と、一定の直径を有する電池に組み上げた
ときに得られた特性とを示す。なお、電池の作製に使用
した各種の共通材料については表２に記した。表１から
も判る通り、電池の作製に当たっては、電極基板の厚さ
及び電極活物質層の厚さのみを変化させた。但し、正極
活物質層の厚さと負極活物質層の厚さの比は一定とし
た。これは、正極活物質層の厚さと負極活物質層の厚さ
の比が、電池容量に影響を与えて電極基板の厚さと内部
抵抗との関係を不明瞭とすることを回避する為である。
また、電池サイズを一定とした。これにより、電極板の
厚さが変われば当然に捲回数が変化する。なお、電極板
の捲回時の捲回圧力は全ての電池で一定とし、捲回圧力
が内部抵抗に与える影響を排除した。
電極体の構成と、一定の直径を有する電池に組み上げた
ときに得られた特性とを示す。なお、電池の作製に使用
した各種の共通材料については表２に記した。表１から
も判る通り、電池の作製に当たっては、電極基板の厚さ
及び電極活物質層の厚さのみを変化させた。但し、正極
活物質層の厚さと負極活物質層の厚さの比は一定とし
た。これは、正極活物質層の厚さと負極活物質層の厚さ
の比が、電池容量に影響を与えて電極基板の厚さと内部
抵抗との関係を不明瞭とすることを回避する為である。
また、電池サイズを一定とした。これにより、電極板の
厚さが変われば当然に捲回数が変化する。なお、電極板
の捲回時の捲回圧力は全ての電池で一定とし、捲回圧力
が内部抵抗に与える影響を排除した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】 図３（ａ）、（ｂ）は、表１における総
厚比と、電池の内部抵抗及びエネルギー密度との関係を
グラフ化したものである。図３（ａ）、（ｂ）より、総
厚比が大きくなるに従って、エネルギー密度は小さくな
る傾向が現れている。総厚比が大きいということは、電
極基板の総厚が厚いか、及び／又は電極活物質層の総厚
が薄いことを意味しているが、このことは、いずれの場
合であっても、単位重量当たりの電極活物質の量が少な
くなることを意味していることを考えれば当然の結果で
ある。従って、エネルギー密度の点からは、総厚比は小
さいことが好ましいが、大電流の放電という現象を考え
た場合には、このエネルギー密度よりも内部抵抗特性の
方が重要視される。
厚比と、電池の内部抵抗及びエネルギー密度との関係を
グラフ化したものである。図３（ａ）、（ｂ）より、総
厚比が大きくなるに従って、エネルギー密度は小さくな
る傾向が現れている。総厚比が大きいということは、電
極基板の総厚が厚いか、及び／又は電極活物質層の総厚
が薄いことを意味しているが、このことは、いずれの場
合であっても、単位重量当たりの電極活物質の量が少な
くなることを意味していることを考えれば当然の結果で
ある。従って、エネルギー密度の点からは、総厚比は小
さいことが好ましいが、大電流の放電という現象を考え
た場合には、このエネルギー密度よりも内部抵抗特性の
方が重要視される。
【００３５】 そこで、総厚比と内部抵抗との関係をみ
ると、図３（ａ）、（ｂ）のいずれにおいても、総厚比
がある特定範囲内の値であるときに内部抵抗が小さくな
る傾向が顕著に現れている。例えば、総厚比が０．０４
２の場合は、総厚比が０．０５の場合よりも約１０％ほ
ど内部抵抗が大きくなっている。これは、電極基板が薄
すぎると、電極基板の抵抗が大きくなることに起因して
いると考えられる。
ると、図３（ａ）、（ｂ）のいずれにおいても、総厚比
がある特定範囲内の値であるときに内部抵抗が小さくな
る傾向が顕著に現れている。例えば、総厚比が０．０４
２の場合は、総厚比が０．０５の場合よりも約１０％ほ
ど内部抵抗が大きくなっている。これは、電極基板が薄
すぎると、電極基板の抵抗が大きくなることに起因して
いると考えられる。
【００３６】 一方、総厚比が０．３３の場合には、総
厚比が０．３０６の場合と比較して、内部抵抗は約５％
増大している。この場合には、電極基板が厚くなったこ
とで捲回数が減少し、その結果、電池反応に寄与する充
放電面積が減少して電極反応部分の抵抗が上昇したこと
に起因すると考えられる。これに対し、総厚比が０．０
４５以上０．３１以下の範囲では内部抵抗に大きな変化
がみられない。
厚比が０．３０６の場合と比較して、内部抵抗は約５％
増大している。この場合には、電極基板が厚くなったこ
とで捲回数が減少し、その結果、電池反応に寄与する充
放電面積が減少して電極反応部分の抵抗が上昇したこと
に起因すると考えられる。これに対し、総厚比が０．０
４５以上０．３１以下の範囲では内部抵抗に大きな変化
がみられない。
【００３７】 このような結果から、内部抵抗の急激な
変化が起こらない範囲、即ち、総厚比が０．０４５以上
０．３１以下の範囲、より好ましくは０．０５以上０．
２５以下の範囲が、同時に内部抵抗を小さく抑えること
ができる範囲でもあり、好ましい。内部抵抗の低減によ
り、大電流の放電が安定して可能となるばかりでなく、
充放電時のエネルギーロスも小さくなり、充放電サイク
ル特性が向上する。
変化が起こらない範囲、即ち、総厚比が０．０４５以上
０．３１以下の範囲、より好ましくは０．０５以上０．
２５以下の範囲が、同時に内部抵抗を小さく抑えること
ができる範囲でもあり、好ましい。内部抵抗の低減によ
り、大電流の放電が安定して可能となるばかりでなく、
充放電時のエネルギーロスも小さくなり、充放電サイク
ル特性が向上する。
【００３８】 次に、内部電極体１の径方向の単位長さ
当たりにおける正極板２若しくは負極板３の捲回数（回
／ｃｍ）と電極活物質層の総厚（ｃｍ）との積を補正捲
回密度（回）と定義したときに、この補正捲回密度と内
部抵抗及びエネルギー密度との関係を図４（ａ）、
（ｂ）のグラフに示す。補正捲回密度が大きくなるに従
って、エネルギー密度は大きくなる傾向にある。これ
は、内部電極体１の径方向の単位長さ当たりにおける電
極板２・３の捲回数が多ければ、及び／又は電極活物質
の総厚が厚ければ、電池反応に寄与する電極活物質の量
が多くなることに起因する。
当たりにおける正極板２若しくは負極板３の捲回数（回
／ｃｍ）と電極活物質層の総厚（ｃｍ）との積を補正捲
回密度（回）と定義したときに、この補正捲回密度と内
部抵抗及びエネルギー密度との関係を図４（ａ）、
（ｂ）のグラフに示す。補正捲回密度が大きくなるに従
って、エネルギー密度は大きくなる傾向にある。これ
は、内部電極体１の径方向の単位長さ当たりにおける電
極板２・３の捲回数が多ければ、及び／又は電極活物質
の総厚が厚ければ、電池反応に寄与する電極活物質の量
が多くなることに起因する。
【００３９】 しかしながら、図４（ｂ）に顕著に現れ
ているように、補正捲回密度が０．７０（回）の場合に
は、補正捲回密度が０．７３（回）の場合と比較して内
部抵抗は約９％増大している。また、補正捲回密度が
０．７３（回）以上では、内部抵抗の大きな変化はな
く、しかも小さな値に抑えられている。これは補正捲回
密度が電極活物質層の厚さに依存せず、電極基板の厚さ
に依存するパラメータであって、補正捲回密度が小さい
ことは電極基板が厚い場合を意味するからであり、従っ
て、補正捲回密度と内部抵抗との関係については、前述
した総厚比と内部抵抗との関係と同様の議論が成り立
つ。
ているように、補正捲回密度が０．７０（回）の場合に
は、補正捲回密度が０．７３（回）の場合と比較して内
部抵抗は約９％増大している。また、補正捲回密度が
０．７３（回）以上では、内部抵抗の大きな変化はな
く、しかも小さな値に抑えられている。これは補正捲回
密度が電極活物質層の厚さに依存せず、電極基板の厚さ
に依存するパラメータであって、補正捲回密度が小さい
ことは電極基板が厚い場合を意味するからであり、従っ
て、補正捲回密度と内部抵抗との関係については、前述
した総厚比と内部抵抗との関係と同様の議論が成り立
つ。
【００４０】 図４（ａ）では、図４（ｂ）より顕著で
はないが、補正捲回密度が０．６９（回）以下となる状
態で内部抵抗が大きくなっている。一方、補正捲回密度
が０．６９（回）以上では内部抵抗に大きな変化はない
が、内部抵抗の値自体をみた場合には、補正捲回密度は
０．７３（回）以上であることが好ましいと判断され
る。従って、以上の結果から、本発明においては、補正
捲回密度が０．７３（回）以上であることが、電池の内
部抵抗を低減することができ、好ましいと判断される。
はないが、補正捲回密度が０．６９（回）以下となる状
態で内部抵抗が大きくなっている。一方、補正捲回密度
が０．６９（回）以上では内部抵抗に大きな変化はない
が、内部抵抗の値自体をみた場合には、補正捲回密度は
０．７３（回）以上であることが好ましいと判断され
る。従って、以上の結果から、本発明においては、補正
捲回密度が０．７３（回）以上であることが、電池の内
部抵抗を低減することができ、好ましいと判断される。
【００４１】 なお、補正捲回密度は、電池の作製時に
おいて、捲回圧力を変化させた場合には、この捲回圧力
に従って変化するものである。しかし、補正捲回密度の
上限については、電極板に所定の厚さがある為に、捲回
圧力を大きくしても自ずと限界があることはいうまでも
ない。また、捲回圧力を大きくしすぎると、電極板が破
損したり、後に内部電極体の内部に電解液が浸透しにく
くなり、その結果として電池反応が良好に進行しなくな
って内部抵抗が増大するといった事態を招くおそれがあ
る。これに対し、捲回圧力が不足する場合には、内部電
極体を一定の形状に保持することができないといった問
題を生ずる。従って、電池作製上、捲回圧力は結果的に
所定の条件に設定されることとなる。
おいて、捲回圧力を変化させた場合には、この捲回圧力
に従って変化するものである。しかし、補正捲回密度の
上限については、電極板に所定の厚さがある為に、捲回
圧力を大きくしても自ずと限界があることはいうまでも
ない。また、捲回圧力を大きくしすぎると、電極板が破
損したり、後に内部電極体の内部に電解液が浸透しにく
くなり、その結果として電池反応が良好に進行しなくな
って内部抵抗が増大するといった事態を招くおそれがあ
る。これに対し、捲回圧力が不足する場合には、内部電
極体を一定の形状に保持することができないといった問
題を生ずる。従って、電池作製上、捲回圧力は結果的に
所定の条件に設定されることとなる。
【００４２】 上述した本発明のリチウム二次電池の構
成は、電池容量が５Ａｈ以上の大容量電池に好適に適用
され、その場合に内部抵抗の低減の効果が顕著に現れ
る。但し、５Ａｈ以下の容量の電池に用いてもよいこと
はいうまでもない。こうして、内部抵抗が小さいことに
起因して、大電流の放電を支障なく行うことが可能とな
ることから、本発明のリチウム二次電池は、電気自動車
（ＥＶ）用若しくはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）
用として好適に用いられる。
成は、電池容量が５Ａｈ以上の大容量電池に好適に適用
され、その場合に内部抵抗の低減の効果が顕著に現れ
る。但し、５Ａｈ以下の容量の電池に用いてもよいこと
はいうまでもない。こうして、内部抵抗が小さいことに
起因して、大電流の放電を支障なく行うことが可能とな
ることから、本発明のリチウム二次電池は、電気自動車
（ＥＶ）用若しくはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）
用として好適に用いられる。
【００４３】 以上、本発明のリチウム二次電池につい
て詳述してきたが、本発明と前述した第２７０１３４７
号特許公報に開示の発明とを比較した場合に、その構
成、効果、作用のいずれもが相違するものであることは
明らかである。
て詳述してきたが、本発明と前述した第２７０１３４７
号特許公報に開示の発明とを比較した場合に、その構
成、効果、作用のいずれもが相違するものであることは
明らかである。
【００４４】
【発明の効果】 上述の通り、本発明のリチウム二次電
池においては、電極板における電極基板と電極活物質層
との厚み比が、電池の内部電極体の抵抗が低減される好
適な比に設定されている為、ＥＶ、ＨＥＶ用電池用等の
大電流の放電を頻繁に行う用途に支障なく用いることが
できる。また、本発明によれば、充放電ロスが低減され
ジュール熱の発生が抑えられる為に、電池の劣化が抑制
されると共に、充放電サイクル特性を向上させることが
できるといった優れた効果が得られる。更に、電極活物
質として低抵抗な材料を使用することにより、放電深度
が深い状態でも高出力特性が維持される特徴を有する。
加えて、電池の内部電極体の形状を、必要な電池容量を
確保できる範囲内においてコンパクトとすることが可能
となり、電池載置のスペースユーティリティが向上し、
また作製コストの低減にも図られる効果を奏する。
池においては、電極板における電極基板と電極活物質層
との厚み比が、電池の内部電極体の抵抗が低減される好
適な比に設定されている為、ＥＶ、ＨＥＶ用電池用等の
大電流の放電を頻繁に行う用途に支障なく用いることが
できる。また、本発明によれば、充放電ロスが低減され
ジュール熱の発生が抑えられる為に、電池の劣化が抑制
されると共に、充放電サイクル特性を向上させることが
できるといった優れた効果が得られる。更に、電極活物
質として低抵抗な材料を使用することにより、放電深度
が深い状態でも高出力特性が維持される特徴を有する。
加えて、電池の内部電極体の形状を、必要な電池容量を
確保できる範囲内においてコンパクトとすることが可能
となり、電池載置のスペースユーティリティが向上し、
また作製コストの低減にも図られる効果を奏する。
【図１】 捲回型内部電極体の構造を示す斜視図であ
る。
る。
【図２】 内部電極体の捲回軸に垂直な断面の一部を示
す拡大図である。
す拡大図である。
【図３】 総厚比と電池の内部抵抗及びエネルギー密度
との関係を示すグラフである。
との関係を示すグラフである。
【図４】 補正捲回密度と電池の内部抵抗及びエネルギ
ー密度との関係を示すグラフである。
ー密度との関係を示すグラフである。
１…内部電極体、２…正極板、３…負極板、４…セパレ
ータ、５…タブ、１１…正極用電極基板、１２…負極用
電極基板、１３…正極活物質層、１４…負極活物質層。
ータ、５…タブ、１１…正極用電極基板、１２…負極用
電極基板、１３…正極活物質層、１４…負極活物質層。
Claims (9)
- 【請求項１】 正極板と負極板とがセパレータを介して
直接に接触しないように捲回されてなる内部電極体及び
有機電解液を用いたリチウム二次電池であって、 電極基板の総厚（μｍ）を電極活物質層の総厚（μｍ）
で除した比を総厚比としたとき、当該総厚比が０．０４
５以上０．３１以下であることを特徴とするリチウム二
次電池。 - 【請求項２】 前記総厚比が、０．０５以上０．２５以
下であることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次
電池。 - 【請求項３】 正極板と負極板とがセパレータを介して
直接に接触しないように捲回されてなる内部電極体及び
有機電解液を用いたリチウム二次電池であって、 当該内部電極体の径方向の単位長さ当たりの当該正極板
若しくは当該負極板の捲回数（回／ｃｍ）と電極活物質
層の総厚（ｃｍ）との積を補正捲回密度（回）としたと
き、当該補正捲回密度が０．７３（回）以上であること
を特徴とするリチウム二次電池。 - 【請求項４】 前記正極板に用いられる正極活物質が、
ＬｉＭｎ2Ｏ4スピネルであることを特徴とする請求項１
〜３のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。 - 【請求項５】 前記ＬｉＭｎ2Ｏ4スピネルにおけるＬｉ
／Ｍｎ比が、０．５超であることを特徴とする請求項４
記載のリチウム二次電池。 - 【請求項６】 前記負極板に用いられる負極活物質が、
高黒鉛化炭素材料であることを特徴とする請求項１〜５
のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。 - 【請求項７】 前記高黒鉛化炭素材料が、繊維質の形態
を有することを特徴とする請求項６記載のリチウム二次
電池。 - 【請求項８】 電池容量が５Ａｈ以上であることを特徴
とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のリチウム二
次電池。 - 【請求項９】 電気自動車又はハイブリッド電気自動車
に用いられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか
一項に記載のリチウム二次電池。
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