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JP2004519078A - 穿孔された電極及びこれを利用する再充電可能なリチウム２次電池 - Google Patents

穿孔された電極及びこれを利用する再充電可能なリチウム２次電池 Download PDF

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Abstract

本発明は穿孔された電極及びこれを利用するリチウム２次電池に関し、特に電池の寿命、容量と電池の安全性を向上させることができる穿孔された電極とこれを利用する再充電可能なリチウム２次電池に関する。
本発明では再充電可能なリチウム２次電池の内部を構成する電極群の正極、正極・負極、または正極・負極・分離膜に穿孔をすることにより、電解液の含浸速度を高めて含浸程度を均一にして電池の寿命、容量、レート（Ｒａｔｅ）特性などの性能を向上させ、電極反応が均一に行われるようにすることによりリチウム析出を防止して電池の安全性を向上させることができる。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は穿孔された電極及びこれを利用するリチウム２次電池に関し、特に電池の寿命、容量と電池の安全性を向上させることができる穿孔された電極とこれを利用する再充電可能なリチウム２次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、携帯用、電子機器の爆発的な需要増加により２次電池の需要も急激に増加しつつあり、特にリチウム２次電池は最も大きな役割を果たしてきた。また、携帯型、電子機器が高機能化、小型化形態に変わって行くことにより電池の高性能化と同時に小型化及び多様な形態が要求されている。特に、パソコンの場合、電池の大きさがパソコンの厚さに大きな影響を与える理由で高容量、高性能と共に電池の形態におけるパソコンの厚さを縮少するために様々な形態が試みられている。また、環境問題が深刻に惹起されながら地球温暖化現象に対する解決方案が慎重で持続的に議論されている。
【０００３】
このような問題を解決するための方案として、地球温暖化の主因である自動車の石油燃料の使用を減らして環境親和的な電気自動車を義務的に使用するようにする法案が議論されたことがあり、一部は今後施行される予定である。また、前記公害問題を解決するために電気自動車（ＨＥＶ、ＥＶ）に対する研究開発が持続的に行われており、現在商品化されたものもある。この場合、大容量の電池が必要であって、また、熱的安定性及び安全性に対しても新たな取り組みが必要となった。これを満足させるために電池の幅と高さを増大させて解決する方法が試みられることもあった。しかし、このような試みは容量を増大させて電池形態を簡単にするのには長所があるが、電極の面積が広くなることにより電解液が電極全面積を均一に湿潤（Ｗｅｔｔｉｎｇ）させ充放電サイクルが行われても電極全面積で均一な電極反応が起こるようにするのに難しさがあって、均一な電池性能に妨害要素として作用する可能性がある。つまり、電極状態が良好であるのにもかかわらず電解質の欠乏により電極退化が加速されて電池の寿命が短縮されることがある。また、電極状態の不均一が深化する場合、電極反応が局部的に集中するようになり、この場合、局部的にリチウム金属が析出して安全性にも問題を起こす可能性もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記従来技術での問題点を考慮して、電解液の含浸を円滑にし、充放電サイクル後にも孔の間に残存する電解液が電極全体を均等に湿潤（Ｗｅｔｔｉｎｇ）させて電池の均一な性能確保及び電池の寿命を向上させることができるリチウム２次電池用電極を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明の他の目的は前記電極を含むリチウム２次電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するために、正極、負極、及び分離膜を含むリチウム２次電池用電極において、前記正極が穿孔される電極を提供する。
【０００７】
さらに詳しくは、前記正極が穿孔されて、正極と負極が穿孔され、または正極と負極及び分離膜が全て穿孔される電極を提供する。
【０００８】
また、本発明は前記電極を含むリチウム２次電池を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１０】
本発明は電極を構成する正極、負極、分離膜に各々一定の大きさで穿孔した電極とそれを含む再充電可能なリチウム２次電池に関する。このような方法は電解液の含浸速度を高めて含浸程度を均一にして、電池の寿命、容量、レート（Ｒａｔｅ）特性などの性能を向上させ、リチウム析出を防止して電池の安全性を向上させることができる。
【００１１】
一般に再充電可能なリチウムイオン２次電池は正極にリチウムコバルトオキシド活物質を使用し、負極にカーボン系活物質を使用する電極、及びアルミニウムが積層された包装紙で構成されている。このようなリチウムイオン電池の構成図は図１のようであり、前記電極はスタッキング（Ｓｔａｃｋｉｎｇ）形態を有している（図２）。この時、電極は正極の場合アルミニウムフォイルに活物質をコーティングして使用し、負極の場合銅フォイルに活物質をコーティングして使用する。このような構造的な形態により電解液は電極面の垂直方向には含浸が不可能であり、電極の角部から毛細管（ｃａｐｉｌｌａｒｙ）現象によって電極の全面積に含浸される。この時、電極の面積が小さい場合このような構造は大きな問題を招かないが、電極の面積が大きな場合には電解液の供給及び含浸が難しくなる。また、従来の大容量電池の場合電極サイズが大きくなることによって同一電池内でも熱伝逹の差により位置による温度差が発生するため電池性能に悪影響を及ぼす問題があった。
【００１２】
したがって、本発明は前記問題を解決するために、電極群を構成する正極に穿孔したり、または正極／負極に穿孔したり、または正極／負極／分離膜の全てに一定の大きさで穿孔することで、電解液の供給を円滑にして電池の性能を向上させる。
【００１３】
つまり、本発明は電極に穿孔を実施することによって、電極面の垂直方向にも電解質移動を可能にして電極の湿潤（Ｗｅｔｔｉｎｇ）速度を増大させて電解液を電極全面積に均一に供給して電池性能を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明によれば電解液を電極全面積に均一に供給すると同時に穿孔された位置に余分の電解液を残存させることによって、充放電による電解液の不均一な分布を防止して、サイクル進行後にも電解液による不均一な電極反応を防止することができるので早期の電極退化を防止して電池の寿命を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明の穿孔された電極は従来の電池に比べて熱伝逹を円滑にすることにより温度による悪影響を減らして電極全面積の均一な反応を可能にして電池性能向上も期待することができる。また、穿孔された位置を基準に電極をスタッキング（Ｓｔａｃｋｉｎｇ）することことによって電極の製造を容易にする。
【００１６】
この時、本発明で前記正極を穿孔する場合には下記数式１で表示される条件で実施する。
【００１７】
［数式１］
Ａ−Ｂ＞Ｂ
【００１８】
前記数式１で、Ａは正極の全面積であり、Ｂは正極の穿孔された部分の面積である。
【００１９】
また、前記負極を穿孔する場合には下記数式２で表示される条件で実施する。
【００２０】
［数式２］
Ｃ−Ｄ＞Ｄ
【００２１】
前記数式２で、Ｃは負極の全面積であり、Ｄは負極の穿孔された部分の面積である。
【００２２】
また、前記分離膜を穿孔する場合には下記数式３で表示される条件で実施する。
【００２３】
［数式３］
Ｅ−Ｆ＞Ｆ
【００２４】
前記数式３で、Ｅは分離膜の全面積であり、Ｆは穿孔された部分の面積である。
【００２５】
そして、前記正極と負極、または正極と負極及び分離膜に穿孔する場合、その位置は同一な位置で実施する。例えば、円形の穿孔である場合、各孔の中心を同一にする。
【００２６】
本発明は前記のような条件によって穿孔された正極、負極、分離膜を含む電極；正極／負極端子；及びアルミニウムが積層された包装紙を含む再充電可能なリチウム２次電池を提供する。
【００２７】
また、本発明の再充電可能なリチウム２次電池は穿孔された正極、穿孔された負極、分離膜を含む電極；正極・負極端子；及びアルミニウムが積層された包装紙を含む再充電可能なリチウム２次電池を含む。
【００２８】
また、本発明は穿孔された正極、穿孔された負極、穿孔された分離膜を含む電極；正極・負極端子；及びアルミニウムが積層された包装紙を含む再充電可能なリチウム２次電池を含む。
【００２９】
以上のように、本発明による穿孔された電極を利用する再充電可能なリチウム２次電池は一般電池に比べて電解液の含浸速度が速くて均一に含浸され、電池の容量も優れている。
【００３０】
以下、本発明を次の実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明がこれらによって限られるわけではない。
【００３１】
［比較例１］
正極にリチウム酸化コバルト、負極にカーボン活物質を使用した電極を穿孔せずにオレフィン系電解膜で分離した電極（図２）を製造した。
【００３２】
［実施例１］
前記比較例１と同一な正極をスタッキング（Ｓｔａｃｋｉｎｇ）される位置の中心線を基準に同一な位置に同一な中心を有する孔を穿孔した。この時正極の場合、直径２ｍｍの孔をあけた。その後、前記比較例１と同様な方法で電極を製造した。
【００３３】
［実施例２］
前記比較例１と同一な正極及び負極をスタッキング（Ｓｔａｃｋｉｎｇ）される位置の中心線を基準に同一な位置に同一な中心を有する孔を穿孔した（図３）。この時、正極の場合直径２ｍｍの孔を、負極の場合直径１ｍｍの孔をあけた。その後、前記比較例１と同様な方法で電極群を製造した。
【００３４】
［実施例３］
前記実施例２と同様な方法で電極を製造するものの、電極が穿孔された位置と同一な位置、同一な中心にレーザーを利用して、分離膜に直径０．５ｍｍの孔を穿孔した（図４）。
【００３５】
［実施例４］
前記比較例１と実施例２、３で製作した電極をアルミニウム包装紙（図１〜３）に投入した後、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、リチウム塩（ＬｉＰＦ６）で構成された電解液の同一量を同時に注入し、包装紙で覆った後、縁を加熱密封（Ｈｅａｔ Ｓｅａｌｉｎｇ）してリチウムイオン電池を製作した。このように製造された電池を２時間、６時間、１日、２日、１週間各々含浸させた後、電池を分解して電極の重量を測定し含浸された電解液量を測定してそれらを比較した。
【００３６】
図５は時間の経過による夫々の電池に含浸された電解液の量を示すグラフである。実施例３の場合が一般的な電極を使用した場合（比較例１）に比べて最も多量の電解液が最も速い速度で含浸されていることが分かる。つまり、図５を見ると、含浸された電解液量は初期には実施例３、実施例２、比較例１の順に多く、時間が経過することによりその量の差は減少した。これによって正極／負極／分離膜の全てを穿孔した場合が電解液含浸速度が最も速いということが分かった。また、時間が経過することによって含浸された電解液の量の差は減少したが、１週間後にもその量に差があることから見て実施例３の場合が最も均一に含浸されたことが分かる。
【００３７】
［実施例５］
前記比較例１及び実施例２、３で製作した再充電可能なリチウムイオン電池を充放電試験器を利用して充放電条件０．５Ｃ／１．０Ｃで充放電を実施し、それぞれの場合で放電容量とＡＣインピーダンスを測定した。その後、充放電を繰り返した後、もう一度ＡＣインピーダンスを測定し、それぞれの試料のサイクルによる放電容量結果を比較した。
【００３８】
図６は１Ｃ条件で充放電した比較例１と実施例２及び３の１０回目の放電曲線を比較したグラフである。図６から見れば、ＡＣインピーダンスを測定した結果、比較例１の場合が実施例２、３の場合より大きく、それは電解質の電極に対する湿潤（Ｗｅｔｔｉｎｇ）速度が遅くて電極全体に湿潤が十分に行われていないことに起因したものと考えられる。前記比較例１の場合が実施例２、３より電圧降下が相対的に大きいことはＡＣインピーダンス測定値とも一致する結果である。一般的な電極を使用した場合（比較例１）より穿孔された電極を使用した場合（実施例２、３）がサイクル進行による容量減少速度が相対的に少なく、各実施例間の放電容量の差は１Ｃである場合が０．５Ｃである場合より大きかったことからも電極の湿潤（Ｗｅｔｔｉｎｇ）が比較例１で最も不均一でハイレート（Ｈｉ−Ｒａｔｅ）の放電容量が小さいことが分かる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明では再充電可能なリチウム２次電池の内部を構成する電極の正極、正極・負極、または正極・負極・分離膜に穿孔をすることにより、電解液の含浸速度を高めて含浸程度を均一にして電池の寿命、容量、レート（Ｒａｔｅ）特性などの性能を向上させ、電極反応が均一に行われるようにすることによりリチウム析出を防止して電池の安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】再充電可能なリチウム２次電池の構造を示す図である。
【図２】電極の構造図である。
【図３】実施例２の電極の構成図である。
【図４】実施例３の電極の構成図である。
【図５】穿孔されていない電極を使用した電池（比較例１）と穿孔された電極群を使用した電池（実施例２、３）間の電解液含浸速度を比較した結果である。
【図６】穿孔されていない電極群を使用した電池（比較例１）と穿孔された電極群を使用した電池（実施例２、３）間の１０回目のサイクルの放電曲線を比較した結果を示した図である。

Claims (7)

  1. 正極、負極、及び分離膜を含み
    前記正極が穿孔されていることを特徴とする電極。
  2. 前記負極が穿孔されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極。
  3. 前記正極、負極及び分離膜が全て穿孔されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極。
  4. 前記正極が下記数式１で表示される条件で穿孔されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の電極。
    ［数式１］
    Ａ−Ｂ＞Ｂ
    前記数式１で、Ａは正極の全面積であり、Ｂは正極の穿孔された部分の面積である。
  5. 前記負極が下記数式２で表示される条件で穿孔されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の電極。
    ［数式２］
    Ｃ−Ｄ＞Ｄ
    前記数式２で、Ｃは負極の全面積であり、Ｄは負極の穿孔された部分の面積である。
  6. 前記分離膜が下記数式３で表示される条件で穿孔されていることを特徴とする、請求項３に記載の電極。
    ［数式３］
    Ｅ−Ｆ＞Ｆ
    前記数式３で、Ｅは分離膜の全面積であり、Ｆは分離膜の穿孔された部分の面積である。
  7. 請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の電極を含むリチウム２次電池。
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