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CN101485034B - 锂二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的主要目的在于提供在过度充电开始后电位立即急速上升，从而在安全阀工作之前就能够使充电结束的锂二次电池。本发明通过提供具有如下特征的锂二次电池而解决上述课题，即，具有：作为正极活性物质具有橄榄石结构的磷酸化合物的正极、负极、夹持于上述正极和上述负极之间的隔膜、溶解支持电解质而成的电解液以及开阀压力在25kgf/cm2～30kgf/cm2范围内的安全阀，上述正极所含的初期Li量为100时，上述电解液所含的初期Li量在5～20范围内。

Description

锂二次电池
技术领域
本发明涉及能够立即检测过度充电状态、在安全阀工作之前就能够使充电结束的锂二次电池。
背景技术
随着计算机、摄像机、手机等的小型化，在信息关联机器、通信机器的领域中，作为这些机器所使用的电源，从高能量密度的理由出发，实现了锂二次电池的实用化并广泛普及。此外，另一方面，在汽车领域中，从环境问题、资源问题出发，也加快了电动汽车的开发，作为这种电动汽车用的电源，也在研究锂二次电池。
锂二次电池由于使用化学活性高的锂、可燃性高的电解液、在充电状态下热稳定性低的氧化物正极活性物质，因此在电池操作中必需细心注意。特别是由于锂二次电池的最大优点之一是能够重复充放电，因此必须重点制定对于充电时的误使用、具体来说对于过度充电的对策。一般来说，已知如果使锂二次电池达到过度充电状态，则在正极电位超过电解液分解电位的时刻，产生电解液分解气体，伴随着该气体的产生，电池内压上升。因此，需求能够立即检测过度充电状态的锂二次电池。
另外，在专利文献1中公开了：在具有橄榄石结构的磷酸化合物的正极活性物质中，加入通过掺杂或脱掺杂而导电率显著变化的导电性调节材料而成的非水电解质二次电池。这种二次电池通过导电性调节材料导电率的降低来阻断过度充电时的电流。另一方面，在专利文献2中公开了在正极层与正极集电体层之间形成导电性高分子层的电池。这种电池在产生过度电流、过度电压等异常时，利用导电性高分子的电阻增加这一情况，将其用于电池回路的阻断手段。然而，上述电池都使用导电性高分子等，存在制造时的工序数量、成本增加等问题。
专利文献1：特开2002-216770号公报
专利文献2：特开平10-199505号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题完成的，其主要目的在于提供能够立即检测过度充电状态的锂二次电池。
为了实现上述目的，在本发明中，提供一种锂二次电池，其特征在于，具有：作为正极活性物质具有橄榄石结构的磷酸化合物的正极、负极、夹持于上述正极和上述负极之间的隔膜、溶解支持电解质而成的电解液、开阀压力在25kgf/cm2～30kfg/cm2范围内的安全阀，上述正极所含的初期Li量为100时，上述电解液所含的初期Li量在5～20的范围内。
根据本发明，通过使用橄榄石结构的磷酸化合物作为正极活性物质，可以在过度充电时使电池电位急速上升，在安全阀工作之前就能够检测过度充电状态。
在上述发明中，上述电解液所含的上述支持电解质的浓度优选在0.5mol/L～1mol/L的范围内。这是由于，支持电解质的浓度过低时，无法得到足够的电流密度，支持电解质的浓度过高时，Li不易从电解液中枯竭而使电位上升的时刻延迟，有由于电池内压上升而安全阀工作的可能性。
在本发明中，发挥可以提供安全性高的锂二次电池的效果。
附图说明
图1是说明过度充电状态的本发明锂二次电池的表现的说明图。
图2是表示实施例和比较例的结果的曲线图。
具体实施方式
以下，对本发明的锂二次电池进行详细说明。
本发明的锂二次电池的特征在于，具有：作为正极活性物质具有橄榄石结构的磷酸化合物的正极、负极、夹持于上述正极和上述负极之间的隔膜、溶解支持电解质而成的电解液、开阀压力在25kgf/cm2～30kfg/cm2范围内的安全阀，使上述正极所含的初期Li量为100时，上述电解液所含的初期Li量在5～20的范围内。
根据本发明，通过使用橄榄石结构的磷酸化合物作为正极活性物质，可以在过度充电时使电池电位急速上升，在安全阀工作之前就能够检测过度充电状态。进而，通过将电解液支持电解质的浓度设定得较低，Li在早期就从电解液中枯竭，使电池电位急速上升的时期提早，在电池内压变得过大之前，就能够使充电结束。其结果是，不使具有上述那样的开阀压力的安全阀工作就能够使充电结束，能够制成安全性高的锂二次电池。
此外，在本发明中，通过使用橄榄石结构的磷酸化合物作为正极活性物质，在过度充电时使电池电位急速上升，该现象可以认为是由于橄榄石结构的磷酸化合物在SOC100％时其中几乎没有Li的性质引起的。即，可以认为是，过度充电开始后正极中的Li立即枯竭，接着，电解液中的Li也枯竭，由此电池内的内部电阻上升，其结果是，产生电池电位急速上升的现象。
接着，用附图对过度充电状态的本发明锂二次电池的表现进行说明。本发明的锂二次电池达到过度充电状态时电位急速上升，具体如图1所示，在SOC125％附近，电位急速上升并立即达到上限电位(在图1中为12V)，因此在电池内压变得过大之前就能够使充电结束，能够制成安全性高的锂二次电池。
以下，分别对本发明的锂二次电池按各构成进行说明。
1.正极和负极
首先，对本发明所用的正极和负极进行说明。本发明所用的正极，作为正极活性物质具有橄榄石结构的磷酸化合物。本发明所用的正极通常由正极层和正极集电体构成，进而，正极层含有正极活性物质、粘结材料和根据需要的导电化材料。
作为用作上述正极活性物质的橄榄石结构的磷酸化合物，只要是在过度充电状态下电位急速上升的物质就没有特别限制，具体可以列举LiMxFe1-xPO4(0≤x≤0.5)、LiMxCo1-xPO4(0≤x≤0.5)、LiMxNi1-xPO4(0≤x≤0.5)、LiMxMn1-xPO4(0≤x≤0.5)、LiMxV1.5-xPO4(0≤x≤0.75)等，其中优选LiMxFe1-xPO4(0≤x≤0.5)。此外，M表示Fe、Co、Ni、Mn和V中的至少一种。
在本发明中，对于正极活性物质是橄榄石结构的磷酸化合物的鉴定通过X射线衍射进行。
在本发明中，作为正极层中所含的橄榄石结构的磷酸化合物的量，只要在过度充电状态下使电位急速上升就没有特别限定，通常在70重量％～95重量％的范围内，尤其优选75重量％～95重量％的范围内，特别优选80重量％～90重量％的范围内。
作为上述粘结材料，可以使用与一般的锂二次电池中使用的粘结材料  相同的材料，没有特别限定，具体可以列举聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等。
作为上述导电化材料，可以使用与一般的锂二次电池中使用的导电化材料相同的材料，没有特别限定，具体可以列举炭黑、乙炔黑、石墨等碳物质等。
作为上述正极集电体，可以使用与一般的锂二次电池中使用的正极集电体相同的正极集电体，没有特别限定，具体可以列举将铝、不锈钢等金属加工成板状的箔等。
另一方面，本发明所用的负极通常由负极层和负极集电体构成，进而，负极层含有负极活性物质、粘结材料和根据需要的导电化材料。
作为上述负极活性物质，只要是能够以低于正极活性物质的电位插入脱离Li离子的物质就没有特别限定，可列举例如Li4Ti5O12、Sn、Si、Li金属和石墨等碳材料等。
能够在负极层中使用的粘结材料和导电化材料等的种类，由于与上述的正极层中使用的相同，因此在此省略说明。
作为上述负极集电体，可以使用与一般的锂二次电池中使用的负极集电体相同的负极集电体，没有特别限定，具体可以列举将铜、镍等金属加工成板状的箔等。
作为正极和负极的制造方法，通常使用将活性物质、粘结材料和导电化材料等溶解、分散于适当的溶剂中制作浆料，将该浆料涂布到集电体上，然后进行干燥的方法等。
2.电解液
接着，对本发明所用的电解液进行说明。本发明所用的电解液通常具有含有Li的支持电解质和使该支持电解质溶解的溶剂。在本发明中，其特征之一是：将正极所含的初期Li量设为100时，电解液所含的初期Li量在5～20的范围内。其中，在本发明中，将正极所含的初期Li量设为100时，电解液所含的初期Li量优选在5～15的范围内，特别优选在5～10的范围内。这是因为，如果电解液所含的初期Li量过少，则无法获得足够的电流密度，如果电解液所含的初期Li量过多，则Li不易从电解液中枯竭而电位上升的时刻延迟，有由于电池内压上升而安全阀工作的可能性。
应说明的是，所谓“正极所含的初期Li量”，是指即将组装锂二次电池前正极所具有的Li量。该值可以由正极活性物质的化学组成和使用量算出。另一方面，所谓“电解液所含的初期Li量”，是指即将组装锂二次电池前电解液所具有的Li量。该值可以由Li离子浓度、电解液重量、电解液比重算出。
作为电解液所含的支持电解质的浓度，没有特别限定，例如优选在0.5mol/L～1.0mol/L的范围内，尤其优选0.5mol/L～0.75mol/L的范围内。这是因为，支持电解质的浓度过低时，无法获得足够的电流密度，支持电解质的浓度过高时，Li不易从电解液中枯竭而电位上升的时刻延迟，有由于电池内压上升而安全阀工作的可能性。
对于本发明所用的支持电解质和溶剂的种类等，可以使用与一般的锂二次电池同样的物质，没有特别限定。具体而言，作为上述支持电解质，可以列举LiPF6、LiTFSI(双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂)和LiBF4等。另一方面，作为上述溶剂，可以列举EC(碳酸乙二醇酯)、DMC(碳酸二甲酯)、DEC(碳酸二乙酯)、DMC(碳酸二甲酯)以及它们的混合物等。
3.安全阀
接着，对本发明所用的安全阀进行说明。本发明所用的安全阀的特征之一在于，开阀压力在25kgf/cm2～30kgf/cm2的范围内。作为本发明所用的安全阀，是检测到异常压力而开放阀从而使电池内压降低的类型，只要开阀压力是上述的值则不限种类。
4.隔膜
接着，对本发明所用的隔膜进行说明。本发明所用的隔膜只要具有将正极和负极分离并保持电解液的功能就没有特别限定。具体可以列举聚乙烯、聚丙烯等多孔膜等。
5.锂二次电池
作为本发明的锂二次电池的形状，没有特别限定，具体可以列举圆筒形、硬币形、层合形等，其中优选圆筒形。进而，作为圆筒形的锂二次电池，具体可以列举18650型(直径18mm、高65mm)、17670型(直径17mm、高67mm)等，其中优选18650型。
此外，在上述的图1中，电池电位在达到12V的时刻结束，这样的上限电位通常在10V～20V的范围内。
应说明的是，本发明并不限于上述实施方式。上述实施方式为示例，具有与本发明的权利要求书所记载的技术思想实质上相同的构成、发挥同样作用效果的任一种实施方式都包括在本发明的技术范围内。
实施例
以下示出实施例进一步具体说明本发明。
[实施例1]
(正极制作)
在溶解有5g作为粘结材料的聚偏氟乙烯(PVDF)的溶剂n-甲基吡咯烷酮溶液125mL中，导入作为正极活性物质的磷酸铁锂(LiFePO4)粉末85g和作为导电化材料的炭黑10g，混炼到混合均匀，制成浆料。接着，将该浆料涂布到厚15μm的Al集电箔的两面上，然后进行干燥，由此制作电极。电极的单位面积涂敷量为12mg/cm2(单面6mg/cm2)。接着，对该电极加压，使浆料厚度为70μm、密度为1.7g/cm3。然后，将该电极以电极涂敷部的尺寸为宽52mm、长680mm的方式切出，得到正极。
(负极制作)
在溶解有5g作为粘结材料的聚偏氟乙烯(PVDF)的溶剂n-甲基吡咯烷酮溶液125mL中，导入作为负极活性物质的钛酸锂(Li4Ti5O12)粉末85g和作为导电化材料的炭黑10g，混炼到混合均匀，制成浆料。接着，将该浆料涂布到厚15μm的Al集电箔的两面上，然后进行干燥，由此制作电极。电极的单位面积涂敷量为14mg/cm2(单面7mg/cm2)。接着，对该电极加压，使浆料厚度为90μm、密度为1.6g/cm3。然后，将该电极以电极涂敷部的尺寸为宽55mm、长720mm的方式切出，得到负极。
(电池制作)
在上述正极和上述负极中熔接导线，在正极与负极之间配置并卷入25微米的聚乙烯制多孔膜作为隔膜。接着，将该卷绕物收容于18650电池筒中，熔接负极导线和筒、以及正极导线和盖。接着，在18650筒中的电极、隔膜中注入电解质。作为电解质，使用在分别将EC(碳酸乙二醇酯)、DMC(碳酸二甲酯)、EMC(碳酸甲乙酯)以体积比例3∶3∶4混合而成的混合物中以0.75mol/L的浓度混合作为支持电解质的六氟磷酸锂(LiPF6)而得到的混合物。最后，将盖铆接封闭于筒上，由此得到锂二次电池。应说明的是，正极所含的初期Li量为100时，电解液所含的初期Li量为15。此外，锂二次电池中设置的安全阀的开阀压力为25kfg/cm2。
[比较例1]
除了使作为支持电解质使用的六氟磷酸锂(LiPF6)为1.0mol/L以外，与实施例1同样地得到锂二次电池。应说明的是，正极所含的初期Li量为100时，电解液所含的初期Li量为22。
[结果]
对于实施例1和比较例1，在图2中示出过度充电时的电池电压、电流、电池温度。
过度充电试验条件：
(1)电池电压达到12V时，使充电电流结束。
(2)电流为5C(2.5A)。
其结果为，虽然均达到12V而充电电流结束，但与在比较例1中阀工作至此的情况相对，实施例1在比比较例早的SOC(充电状态)下电位就急速上升到12V，充电电流结束。确认其间阀不工作，安全性得到提高。

Claims (2)

1.一种锂二次电池，其特征在于，
具有：作为正极活性物质具有橄榄石结构的磷酸化合物的正极、负极、夹持于所述正极和所述负极之间的隔膜、溶解支持电解质而成的电解液、以及开阀压力在25kgf/cm2～30kgf/cm2范围内的安全阀，
即将组装所述锂二次电池前所述正极所具有的Li量为100时，即将组装所述锂二次电池前所述电解液所具有的Li量在5～20的范围内。
2.根据权利要求1所述的锂二次电池，其特征在于，所述电解液所含的所述支持电解质的浓度在0.5mol/L～1mol/L范围内。
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