JP3518484B2

JP3518484B2 - リチウムイオン電池

Info

Publication number: JP3518484B2
Application number: JP2000147395A
Authority: JP
Inventors: 賢治中井; 賢二原; 佳正小石川; 健介弘中
Original assignee: 新神戸電機株式会社
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2004-04-12
Anticipated expiration: 2020-05-19
Also published as: JP2001325948A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はリチウムイオン電池
に係り、特に正極集電体の両面にリチウム遷移金属複酸
化物を正極活物質とする正極活物質合剤が実質的に均等
かつ均質に塗布された正極と、負極集電体の両面に炭素
質物質を負極活物質とする負極活物質合剤が実質的に均
等かつ均質に塗布された負極と、がセパレータを介して
配置された電極群を電池容器内に非水電解液に浸潤させ
て収容したリチウムイオン電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】リチウムイオン二次電池は、高エネルギ
ー密度であるメリットを活かして、主にＶＴＲカメラや
ノートパソコン、携帯電話等のポータブル機器用の電源
のみならず、電気自動車用電源としても注目されてい
る。すなわち、自動車産業界においては環境問題に対応
すべく、排出ガスのない、動力源を完全に電池のみとし
た電気自動車と、内燃機関エンジン及び電池の両方を動
力源とするハイブリッド（電気）自動車の開発が加速さ
れ、一部実用段階に到達している。

【０００３】リチウムイオン電池はその形状で円筒形と
角形とに分類されるが、電気自動車用電源としては現時
点で円筒形のものが多く用いられている。円筒形リチウ
ムイオン電池の内部は、正極及び負極の両電極が共に活
物質が金属箔に塗着された帯状であり、セパレータを挟
んでこれら両電極が直接接触しないように断面が渦巻状
に捲回され、捲回群が形成された捲回式の構造とされて
いる。そして、捲回群が円筒形の電池缶内に収納され、
電解液注液後、封口されている。

【０００４】このような背景から、電気自動車等の電源
となる電池には、当然高出力、高エネルギーが得られる
特性が要求され、この要求にマッチした電池としてリチ
ウムイオン電池の開発が進められている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、より高出力な
リチウムイオン電池が得られれば、電気自動車及びハイ
ブリッド自動車の普及は加速するものと思われる。ま
た、電気自動車及びハイブリッド自動車にリチウムイオ
ン電池が搭載されるためには、高出力のみならず、長寿
命のリチウムイオン電池の実現が必要である。

【０００６】本発明は、上記事案に鑑み、高出力かつ長
寿命のリチウムイオン電池を提供することを課題とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、正極集電体の両面にリチウム遷移金属複
酸化物を正極活物質とする正極活物質合剤が実質的に均
等かつ均質に塗布された正極と、負極集電体の両面に炭
素質物質を負極活物質とする負極活物質合剤が実質的に
均等かつ均質に塗布された負極と、がセパレータを介し
て配置された電極群を電池容器内に非水電解液に浸潤さ
せて収容したリチウムイオン電池において、前記正極集
電体両面の正極活物質合剤層の厚さをｘ_ｐμｍ、該正極
活物質合剤層の空隙率をｙ_ｐ体積％としたときに、２０
０μｍ≦ｘ_ｐ≦３００μｍの範囲において、前記空隙率
ｙ_ｐを下記式（１）で１５≦ｂ_ｐ≦２０として設定した
ことを特徴とする。

【０００８】

【数３】

【０００９】本発明では、正極集電体両面の正極活物質
合剤層の厚さをｘ_ｐμｍ、正極活物質合剤層の空隙率を
ｙ_ｐ体積％としたときに、２００μｍ≦ｘ_ｐ≦３００μ
ｍの範囲において、空隙率ｙ_ｐが式（１）で１５≦ｂ_ｐ
≦２０として設定される。空隙率ｙ_ｐを式（１）に示す
ように正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐと一定の比例関係を
持たせｂ_ｐを所定範囲とすることにより、空隙率ｙ_ｐは
正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐに応じて適正な値に設定さ
れ、正極活物質合剤層の空隙には正極活物質との化学反
応を促進する適量の非水電解液が含浸されるので、リチ
ウムイオン電池の出力を高めることができる。

【００１０】この場合において、前記負極集電体両面の
負極活物質合剤層の厚さをｘ_ｎμｍ、該負極活物質合剤
層の空隙率をｙ_ｎ体積％としたときに、１４０μｍ≦ｘ
_ｎ≦２８０μｍの範囲において、前記空隙率ｙ_ｎを下記
式（１）で２５≦ｂ_ｎ≦３０として設定するようにすれ
ば、空隙率ｙ_ｎは負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎに応じて
適正な値に設定され、負極活物質合剤層の空隙には負極
活物質との化学反応を促進する適量の非水電解液が含浸
されるので、リチウムイオン電池の出力を更に高めるこ
とができる。

【００１１】

【数４】

【００１２】このとき、正極活物質をリチウムマンガン
複酸化物とすることが好ましく、更に、負極活物質を非
晶質炭素とすれば、リチウムイオン電池の高出力化に加
え長寿命化を図ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明をハ
イブリッド自動車に搭載される円筒形リチウムイオン電
池に適用した実施の形態について説明する。

【００１４】＜正極板の作製＞正極活物質であるマンガ
ン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）粉末やコバルト酸リチ
ウム（ＬｉＣｏＯ_２）粉末と、導電剤として鱗片状黒鉛
（平均粒径：２０μｍ）及びアセチレンブラックと、結
着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）と、を重
量比で８５：８：２：５の割合で混合し、これに分散溶
媒のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混
練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極
集電体）の両面に実質的に均等かつ均質となるように塗
布すると共に、正極板長寸方向の一方の側縁に幅５０ｍ
ｍの未塗布部を残した。

【００１５】その後乾燥、プレス、裁断して幅３００ｍ
ｍ、所定長さ、正極集電体両面の（正極集電体の厚さを
含まない）正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（単位：μｍ）
及び空隙率ｙ_ｐ（単位：体積％）の帯状の正極板を得
た。このとき、正極板の正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐを
２００μｍ≦ｘ_ｐ≦３００μｍの範囲とし、空隙率ｙ_ｐ
を下記式（１）で示されるｂ_ｐが１５≦ｂ_ｐ≦２０の範
囲となるように設定した。プレス時の圧力を変えること
によって、正極活物質合剤層のかさ密度を変えることが
でき、正極活物質合剤層の空隙率ｙ_ｐを変えることがで
きる。

【００１６】

【数５】

【００１７】正極板のスラリ未塗布部に切り欠きを入
れ、切り欠き残部をリード片とした。また、隣り合うリ
ード片を２０ｍｍ間隔とし、リード片の幅は１０ｍｍと
した。

【００１８】＜負極板の作製＞ビーズ状黒鉛である大阪
ガスケミカル株式会社（以下、大阪ガスケミカルとい
う。）製のＭＣＭＢ（商品名）粉末や、非晶質炭素であ
る呉羽化学工業株式会社（以下、呉羽化学という。）製
カーボトロンＰ（商品名）粉末９２重量部に結着剤とし
て８重量部のポリフッ化ビニリデンを添加し、これに分
散溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドンを添加、混練した
スラリを、厚さ１０μｍの圧延銅箔（負極集電体）の両
面に実質的に均等かつ均質となるように塗布すると共
に、負極板長寸方向の一方の側縁に幅５０ｍｍの未塗布
部を残した。

【００１９】その後乾燥、プレス、裁断して幅３０６ｍ
ｍ、所定長さ、負極集電体両面の（負極集電体の厚さを
含まない）負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（単位：μ
ｍ、）及び空隙率ｙ_ｎ（単位：体積％）の帯状の負極板
を得た。このとき、負極板の負極活物質合剤層の厚さｘ
_ｎを１４０μｍ≦ｘ_ｎ≦２８０μｍの範囲とし、空隙率
ｙ _ｎを下記式（２）で示されるｂ_ｎが２５≦ｂ_ｎ≦３０
の範囲をとなるように設定した。正極同様、プレス時の
圧力を変えることによって、負極活物質合剤層のかさ密
度を変えることができ、負極活物質合剤層の空隙率ｙ_ｎ
を変えることができる。

【００２０】

【数６】

【００２１】負極板のスラリ未塗布部に正極板と同様に
切り欠きを入れ、切り欠き残部をリード片とした。ま
た、隣り合うリード片を２０ｍｍ間隔とし、リード片の
幅を１０ｍｍとした。

【００２２】＜電池の作製＞上記作製した帯状の正極板
と負極板とを、これら両極板が直接接触しないように厚
さ４０μｍのリチウムイオンが通過可能なポリエチレン
製セパレータを介して捲回した。このとき、正極板及び
負極板のリード片（図１の符号９参照）が、それぞれ捲
回群の互いに反対側の両端面に位置するようにした。捲
回群径を、正極板、負極板、セパレータの長さを調整
し、６５±０．１ｍｍとした。また、正極板及び負極板
を捲回したときに、捲回最内周では捲回方向に正極板が
負極板からはみ出すことがなく、また最外周でも捲回方
向に正極板が負極板からはみ出すことがないように、負
極板の長さを正極板の長さよりも１８ｃｍ長くなるよう
にした。捲回方向と垂直方向においても正極活物質塗布
部が負極活物質塗布部からはみ出すことがないよう、負
極活物質塗布部の幅を、正極活物質塗布部の幅よりも６
ｍｍ長くした。

【００２３】図１に示すように、正極板から導出されて
いるリード片９を変形させ、その全てを、軸芯１１のほ
ぼ延長線上にある極柱（正極外部端子１）周囲から一体
に張り出している鍔部７周面付近に集合、接触させた
後、リード片９と鍔部７周面とを超音波溶接してリード
片９を鍔部７周面に接続し固定した。また、負極外部端
子１’と負極板から導出されているリード片９との接続
操作も、正極外部端子１と正極板から導出されているリ
ード片９との接続操作と同様に行った。

【００２４】その後、正極外部端子１及び負極外部端子
１’の鍔部７周面全周に絶縁被覆８を施した。この絶縁
被覆８は、捲回群６外周面全周にも及ぼした。絶縁被覆
８には、基材がポリイミドで、その片面にヘキサメタア
クリレートからなる粘着剤を塗布した粘着テープを用い
た。この粘着テープを鍔部７周面から捲回群６外周面に
亘って何重にも巻いて絶縁被覆８とした。捲回群６の最
大径部が絶縁被覆８存在部となるように巻き数を調整
し、該最大径をステンレス製の電池容器５の内径より僅
かに小さくして捲回群６を電池容器５内に挿入した。電
池容器５の外径は６７ｍｍ、内径は６６ｍｍである。

【００２５】そして、アルミナ製で円盤状電池蓋４裏面
と当接する部分の厚さ２ｍｍ、内径１６ｍｍ、外径２５
ｍｍの第２のセラミックワッシャ３’を、図１に示すよ
うに、先端が正極外部端子１を構成する極柱、先端が負
極外部端子１’を構成する極柱にそれぞれ嵌め込んだ。
また、アルミナ製で厚さ２ｍｍ、内径１６ｍｍ、外径２
８ｍｍの平板状の第１のセラミックワッシャ３を電池蓋
４に載置し、正極外部端子１、負極外部端子１’をそれ
ぞれ第１のセラミックワッシャ３に通した。その後、電
池蓋４周端面を電池容器５開口部に嵌合し、双方の接触
部全域をレーザ溶接した。このとき、正極外部端子１、
負極外部端子１’は、電池蓋４の中心に形成された穴を
貫通して電池蓋４外部に突出している。そして、図１に
示すように、第１のセラミックワッシャ３、金属製ナッ
ト２底面よりも平滑な金属ワッシャ１４を、この順に正
極外部端子１、負極外部端子１’にそれぞれ嵌め込ん
だ。なお、電池蓋４には電池の内圧上昇に応じて開裂す
る開裂弁１０が設けられている。開裂弁１０の開裂圧
は、１３０〜１８０ｋＰａとした。

【００２６】次いで、ナット２を正極外部端子１、負極
外部端子１’にそれぞれ螺着し、第２のセラミックワッ
シャ３’、第１のセラミックワッシャ３、金属ワッシャ
１４を介して電池蓋４を鍔部７とナット２の間で締め付
けにより固定した。このときの締め付けトルク値は７Ｎ
・ｍとした。なお、締め付け作業が終了するまで金属ワ
ッシャ１４は回転しなかった。この状態で、電池蓋４裏
面と鍔部７の間に介在させたゴム（ＥＰＤＭ）製Ｏリン
グ１６の圧縮により電池容器５内部の発電要素は外気か
ら遮断される。

【００２７】その後、電池蓋４に設けた注液口１５から
電解液を所定量電池容器５内に注入し、その後注液口１
５を封止することにより円筒形リチウムイオン電池２０
を完成させた。

【００２８】電解液には、エチレンカーボネートとジメ
チルカーボネートとジエチルカーボネートの体積比１：
１：１の混合溶液中へ６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰ
Ｆ_６）を１モル／リットル溶解したものを用いた。な
お、円筒形リチウムイオン電池２０には、電池容器５の
内圧の上昇に応じて電流を遮断する電流遮断機構は設け
られていない。

【００２９】次に、本実施形態に従って作製した円筒形
リチウムイオン電池２０の実施例について説明する。な
お、比較のために作製した比較例の円筒形リチウムイオ
ン電池についても併記する。

【００３０】（実施例１）下表１に示すように、実施例
１では、正極活物質に日本化学工業株式会社製コバルト
酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）粉末、商品名セルシードＣ
−１０を用い、正極活物質合剤層（正極活物質塗布部）
の厚さｘ_ｎ（正極集電体の厚さは含まない。）を２００
μｍ、空隙率ｙ_ｐを２６．１体積％（以下単に％と記
す。）とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は
１６．１となる。ここで空隙率ｙ_ｐは、正極活物質合剤
層の厚さｘ_ｎと、塗布重量及び正極活物質層構成材料の
比重（真密度）とから計算される値を用いた。各活物質
層構成材料の比重は、例えばピクノメータを用いて測定
することができる（負極板についても同じ）。なお、本
実施例並びに以下の実施例及び比較例の電池を構成する
電極において、各活物質層構成材料の比重は、コバルト
酸リチウム５．１、マンガン酸リチウム４．２８、導電
剤の黒鉛２．２２、アセチレンブラック１．３１、ＰＶ
ＤＦ１．７７、ＭＣＭＢ２．２、非晶質炭素カーボトロ
ンＰ１．５２である。

【００３１】また、負極活物質に大阪ガスケミカル製ビ
ーズ状黒鉛のＭＣＭＢを用い、負極活物質合剤層（活物
質塗布部）の厚さｘ_ｎ（負極集電体の厚さは含まな
い。）を１７８μｍ、空隙率ｙ_ｎを３２．５％とした負
極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２３．６とな
る。

【００３２】上記正極板及び負極板を組み合わせて円筒
形リチウムイオン電池２０を作製し、実施例１の電池と
した。

【００３３】

【表１】

【００３４】（実施例２）実施例２では、表１に示すよ
うに、正極活物質にコバルト酸リチウム粉末セルシード
Ｃ−１０を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体
厚さは含まない。）を２０４μｍ、空隙率ｙ_ｐを２９．
８％とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１
９．７となる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製
ＭＣＭＢを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体
厚さは含まない。）を１９９μｍ、空隙率ｙ_ｎを４１．
８％とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は３
１．８となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形
リチウムイオン電池２０を作製し、実施例２の電池とし
た。

【００３５】（実施例３）実施例３では、表１に示すよ
うに、正極活物質にコバルト酸リチウム粉末セルシード
Ｃ−１０を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体
厚さは含まない。）を２００μｍ、空隙率ｙ_ｐを２５．
１％とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１
５．１となる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製
ＭＣＭＢを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体
厚さは含まない。）を１９３μｍ、空隙率ｙ_ｎを３４．
８％とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２
５．２となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形
リチウムイオン電池２０を作製し、実施例３の電池とし
た。

【００３６】（実施例４）実施例４では、表１に示すよ
うに、正極活物質にコバルト酸リチウム粉末セルシード
Ｃ−１０を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体
厚さは含まない。）を２５０μｍ、空隙率ｙ_ｐを２９．
６％とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１
７．１となる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製
ＭＣＭＢを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体
厚さは含まない。）を２３６μｍ、空隙率ｙ_ｎを３９．
５％とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２
７．７となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形
リチウムイオン電池２０を作製し、実施例４の電池とし
た。

【００３７】（実施例５）実施例５では、表１に示すよ
うに、正極活物質にコバルト酸リチウム粉末セルシード
Ｃ−１０を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体
厚さは含まない。）を３００μｍ、空隙率ｙ_ｐを３５．
０％とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は２
０．０となる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製
ＭＣＭＢを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体
厚さは含まない。）を２７９μｍ、空隙率ｙ_ｎを４３．
２％とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２
９．３となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形
リチウムイオン電池２０を作製し、実施例５の電池とし
た。

【００３８】（実施例６）実施例６では、表１に示すよ
うに、正極活物質に三井金属株式会社（以下、三井金属
という。）製マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）粉
末を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さは
含まない。）を２００μｍ、空隙率ｙ_ｐを２５．０％と
した正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１５．０
となる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製ＭＣＭ
Ｂを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さは
含まない。）を１６２μｍ、空隙率ｙ_ｎを３３．４％と
した負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２５．３
となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形リチウ
ムイオン電池２０を作製し、実施例６の電池とした。

【００３９】（実施例７）実施例７では、表１に示すよ
うに、正極活物質に三井金属製マンガン酸リチウム粉末
を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さは含
まない。）を２５０μｍ、空隙率ｙ_ｐを２９．５％とし
た正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１７．０と
なる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製ＭＣＭＢ
を用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さは含
まない。）を２０１μｍ、空隙率ｙ _ｎを３７．１％とし
た負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２７．０と
なる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形リチウム
イオン電池２０を作製し、実施例７の電池とした。

【００４０】（実施例８）実施例８では、表１に示すよ
うに、正極活物質に三井金属製マンガン酸リチウム粉末
を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さは含
まない。）を３００μｍ、空隙率ｙ_ｐを３５．０％とし
た正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は２０．０と
なる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製ＭＣＭＢ
を用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さは含
まない。）を２４２μｍ、空隙率ｙ _ｎを４２．１％とし
た負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は３０．０と
なる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形リチウム
イオン電池２０を作製し、実施例８の電池とした。

【００４１】（実施例９）実施例９では、表１に示すよ
うに、正極活物質に三井金属製マンガン酸リチウム粉末
を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さは含
まない。）を２００μｍ、空隙率ｙ_ｐを２５．０％とし
た正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１５．０と
なる。また、負極活物質に呉羽化学製非晶質炭素、カー
ボトロンＰ（表１ではＰＩＣと略記する。）を用い、負
極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さは含まない。）
を１４８μｍ、空隙率ｙ_ｎを３２．４％とした負極板を
作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２５．０となる。正極
板及び負極板を組み合わせて円筒形リチウムイオン電池
２０を作製し、実施例９の電池とした。

【００４２】（実施例１０）実施例１０では、表１に示
すように、正極活物質に三井金属製マンガン酸リチウム
粉末を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さ
は含まない。）を２５０μｍ、空隙率ｙ_ｐを２９．５％
とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１７．
０となる。また、負極活物質に非晶質炭素のカーボトロ
ンＰを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さ
は含まない。）を１４８μｍ、空隙率ｙ_ｎを３４．４％
とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２７．
０となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形リチ
ウムイオン電池２０を作製し、実施例１０の電池とし
た。

【００４３】（実施例１１）実施例１１では、表１に示
すように、正極活物質に三井金属製マンガン酸リチウム
粉末を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さ
は含まない。）を３００μｍ、空隙率ｙ_ｐを３５．０％
とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は２０．
０となる。また、負極活物質に非晶質炭素のカーボトロ
ンＰを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さ
は含まない。）を１７５μｍ、空隙率ｙ_ｎを３８．７％
とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は３０．
０となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形リチ
ウムイオン電池２０を作製し、実施例１１の電池とし
た。

【００４４】（実施例１２）実施例１２では、表１に示
すように、正極活物質に三井金属製マンガン酸リチウム
粉末を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さ
は含まない。）を２５０μｍ、空隙率ｙ_ｐを２８．５％
とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１６．
０となる。また、負極活物質に非晶質炭素のカーボトロ
ンＰを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さ
は含まない。）を１４３μｍ、空隙率ｙ_ｎを３１．２％
とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２４．
１となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形リチ
ウムイオン電池２０を作製し、実施例１２の電池とし
た。

【００４５】（実施例１３）実施例１３では、表１に示
すように、正極活物質に三井金属製マンガン酸リチウム
粉末を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さ
は含まない。）を２５０μｍ、空隙率ｙ_ｐを２８．５％
とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１６．
０となる。また、負極活物質に非晶質炭素のカーボトロ
ンＰを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さ
は含まない。）を１６１μｍ、空隙率ｙ_ｎを３９．０％
とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は３１．
０となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形リチ
ウムイオン電池２０を作製し、実施例１３の電池とし
た。

【００４６】（比較例１）比較例１では、表１に示すよ
うに、正極活物質にコバルト酸リチウム粉末セルシード
Ｃ−１０を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体
厚さは含まない。）を１９５μｍ、空隙率ｙ_ｐを２９．
６％とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１
９．８となる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製
ＭＣＭＢを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体
厚さは含まない。）を１３８μｍ、空隙率ｙ_ｎを２０．
９％とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は１
４．０となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形
リチウムイオン電池を作製し、比較例１の電池とした。

【００４７】（比較例２）比較例２では、表１に示すよ
うに、正極活物質にコバルト酸リチウム粉末セルシード
Ｃ−１０を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体
厚さは含まない。）を２０１μｍ、空隙率ｙ_ｐを２３．
９％とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１
３．９となる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製
ＭＣＭＢを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体
厚さは含まない。）を１９７μｍ、空隙率ｙ_ｎを３７．
１％とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２
７．３となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形
リチウムイオン電池を作製し、比較例２の電池とした。

【００４８】（比較例３）比較例３では、表１に示すよ
うに、正極活物質にコバルト酸リチウム粉末セルシード
Ｃ−１０を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体
厚さは含まない。）を３０４μｍ、空隙率ｙ_ｐを３４．
３％とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１
９．１となる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製
ＭＣＭＢを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体
厚さは含まない。）を２９９μｍ、空隙率ｙ_ｎを４３．
２％とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２
８．２となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形
リチウムイオン電池を作製し、比較例３の電池とした。

【００４９】（比較例４）比較例４では、表１に示すよ
うに、正極活物質にコバルト酸リチウム粉末セルシード
Ｃ−１０を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体
厚さは含まない。）を２０７μｍ、空隙率ｙ_ｐを３１．
１％とした正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は２
０．７となる。また、負極活物質に大阪ガスケミカル製
ＭＣＭＢを用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体
厚さは含まない。）を１８６μｍ、空隙率ｙ_ｎを３４．
８％とした負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２
５．５となる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形
リチウムイオン電池を作製し、比較例４の電池とした。

【００５０】（比較例５）比較例５では、表１に示すよ
うに、正極活物質に三井金属製マンガン酸リチウムを用
い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さは含まな
い。）を２５０μｍ、空隙率ｙ_ｐを２６．５％とした正
極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は１４．０とな
る。また、負極活物質に非晶質炭素のカーボトロンＰを
用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さは含ま
ない。）を１５５μｍ、空隙率ｙ_ｎを３４．８％とした
負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２７．０とな
る。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形リチウムイ
オン電池を作製し、比較例５の電池とした。

【００５１】（比較例６）比較例６では、表１に示すよ
うに、正極活物質に三井金属製マンガン酸リチウム粉末
を用い、正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ（集電体厚さは含
まない。）を２５０μｍ、空隙率ｙ_ｐを３４．５％とし
た正極板を作製した。この場合、ｂ_ｐの値は２２．０と
なる。また、負極活物質に非晶質炭素のカーボトロンＰ
を用い、負極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ（集電体厚さは含
まない。）を１４２μｍ、空隙率ｙ _ｎを３６．４％とし
た負極板を作製した。この場合、ｂ_ｎの値は２９．４と
なる。正極板及び負極板を組み合わせて円筒形リチウム
イオン電池を作製し、比較例６の電池とした。

【００５２】＜試験・評価＞ [試験]次に、以上のように作製した実施例及び比較例の
各電池について、室温で充電した後放電し、放電容量を
測定した。充電条件は、４．２Ｖ定電圧、制限電流３０
Ａ、４．５時間とした。放電条件は、１０Ａ定電流、終
止電圧２．７Ｖとした。

【００５３】その後、得られた放電容量を基準に、４．
２Ｖ充電状態の各電池を、０．２Ｃ、０．５Ｃ、１．０
Ｃで各１０秒間連続放電した。横軸電流に対して、各１
０秒目の電圧を縦軸にプロットし、３点を直線近似した
直線が、終止電圧である２．７Ｖと交差する点の電流値
を読み取り、この電流値と２．７Ｖとの積をその電池の
出力とした。

【００５４】更にその後、各電池を２５±２°Ｃの雰囲
気で下記条件により充放電を１００サイクル繰り返して
１００サイクル目の出力を初期の出力と同様にして求
め、初期の出力に対する１００サイクル目の出力の百分
率（出力維持率）を算出した。充電：４．２Ｖ定電圧、
制限電流０．５ＣＡ、４．５時間放電：０．５ＣＡ定電
流、終止電圧２．７Ｖ

【００５５】[試験結果]下表２にこれら一連の試験の試
験結果を示す。

【００５６】

【表２】

【００５７】[評価]表１及び表２に示すように、すべて
の実施例の電池では、ｂ_ｐの値を１５〜２０としたこと
で、高い出力が得られている。しかし、比較例１の電池
のように正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐが２００μｍを下
回ると、たとえｂ_ｐの値が１５〜２０の範囲に入ってい
たとしても、高出力は得られない。また、比較例３の電
池のように正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐが３００μｍを
超えると、たとえｂ_ｐの値が１７〜２８の範囲に入って
いたとしても、高出力は得られない。逆に、比較例２、
５の電池のように、ｂ_ｐの値が１３．９や１４．０と１
５を下回っても、また、比較例４、６の電池のようにｂ
_ｐの値が２０．７、２２．０と２０を超えても高出力は
得られない。

【００５８】とりわけ中でも、実施例３〜１１の電池で
は、ｂ_ｎの値を２５〜３０としたので、より高出力が得
られている。しかし、比較例１の電池のように負極活物
質合剤層の厚さｘ_ｎが１４０μｍを下回ると、高出力は
得られない。また逆に、比較例３の電池のように負極活
物質合剤層の厚さｘ_ｎが２８０μｍを超えると、たとえ
ｂ_ｎの値が２５〜３０の範囲に入っていたとしても、高
出力は得られない。逆に、実施例１２の電池のように、
ｂ_ｎの値が２５を下回り、２４．１となっても、また実
施例２や実施例１３の電池のようにｂ_ｎの値が３０を超
え３１．８や３１．０となっても高出力化の効果はそれ
程大きくはない。

【００５９】実施例６〜１１の電池では、正極活物質に
マンガン酸リチウムを用いているので、より出力が大き
い。これらの電池中でも、実施例９〜１１の電池は負極
活物質に非晶質炭素を用いているので、更に出力が大き
い。また、正極及び負極活物質にそれぞれマンガン酸リ
チウム及び非晶質炭素を用いた、実施例９〜１３及び比
較例５、６の電池においては、充放電サイクルを繰り返
した後の出力維持率が最も高いレベルにある。

【００６０】従って、リチウムイオン電池２０の高出力
化を図るためには、上述した式（１）において、２００
μｍ≦（正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐ）≦３００μｍの
範囲で、ｂ_ｐの範囲が１５≦ｂ_ｐ≦２０であることが好
ましく、上述した式（２）において、１４０μｍ≦（負
極活物質合剤層の厚さｘ_ｎ）≦２８０μｍの範囲で、ｂ
_ｎの範囲が２５≦ｂ_ｎ≦３０であることが更に好ましい
ことが分かる。また、リチウムイオン電池２０の高出力
化と併せて長寿命化を図るためには、正極活物質にリチ
ウム遷移金属複酸化物のうちリチウムマンガン複酸化物
を、負極活物質に炭素質物質のうち非晶質炭素を用いる
ことが好ましいことが分かる。

【００６１】以上のように、本実施形態の円筒形リチウ
ムイオン電池２０は、高出力でありながら長寿命である
ので、特に電気自動車及びハイブリッド自動車用の電源
に適している。

【００６２】なお、本実施形態では、ハイブリッド自動
車の電源に用いられる大形の二次電池について例示した
が、電池の用途や大きさ、電池容量には限定されないこ
とはいうまでもない。また、有底筒状容器（缶）に電池
上蓋がカシメによって封口されている構造の円筒形リチ
ウムイオン電池にも本発明の適用が可能である。更に、
円筒形電池に限らず、例えば捲回群を角形に捲回した角
形リチウムイオン電池にも適用が可能である。

【００６３】更に、本実施形態では、電流遮断機構を備
えない円筒形リチウムイオン電池について例示したが、
本発明は電流遮断機構を備えた電池に適用するようにし
てもよい。このようにすれば、車両衝突事故等の異常時
に電気系の電流遮断機構が作動しなくても機械系の開裂
弁１０等の内圧低減機構が作動するので、車載電池のよ
り高い安全性が確保される。

【００６４】また、本実施形態では、絶縁被覆８に、基
材がポリイミドで、その片面にヘキサメタアクリレート
からなる粘着剤を塗布した粘着テープを用いたが、これ
に限定されるものではなく、例えば、基材がポリプロピ
レンやポリエチレン等のポリオレフィンで、その片面又
は両面にヘキサメタアクリレートやブチルアクリレート
等のアクリル系粘着剤を塗布した粘着テープや、粘着剤
を塗布しないポリオレフィンやポリイミドからなるテー
プ等を好適に使用することができる。

【００６５】更に、本実施形態では、リチウムイオン電
池用の正極にコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウ
ム、負極に黒鉛質炭素や非晶質炭素、電解液にエチレン
カーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボ
ネートの体積比１：１：１の混合液中へ６フッ化リン酸
リチウムを１モル／リットル溶解したものを用いたが、
本発明の電池の製造方法には特に制限はなく、また結着
剤、負極活物質、非水電解液も通常用いられているいず
れのものも使用可能である。電気自動車等の用途で高出
力かつ長寿命のリチウムイオン電池とするためには、正
極活物質としてリチウム・コバルト複合酸化物やリチウ
ム・ニッケル複合酸化物を用いるよりも、リチウムマン
ガン複酸化物であるマンガン酸リチウムを用いることが
より望ましい。

【００６６】また、本実施形態ではポリフッ化ビニリデ
ンを結着剤として使用したが、リチウムイオン電池用極
板活物質結着剤としては、テフロン（登録商標）、ポリ
エチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴ
ム、ニトリルゴム、スチレン／ブタジエンゴム、多硫化
ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各
種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ
化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン
等の重合体及びこれらの混合体等を用いてもよい。

【００６７】更に、本実施形態に示した以外のリチウム
二次電池用正極活物質としては、リチウムを挿入・脱離
可能な材料であり、予め十分な量のリチウムを挿入した
リチウムマンガン複酸化物が好ましく、スピネル構造を
有したマンガン酸リチウムや、結晶中のマンガンやリチ
ウムの一部をそれら以外の元素で置換又はドープした材
料を使用してもよい。

【００６８】また更に、本実施形態に示した以外のリチ
ウムイオン電池用負極活物質を使用しても本発明の適用
は制限されない。例えば、天然黒鉛や、人造の各種黒鉛
材、コークスなどの炭素質材料等を使用してもよく、そ
の粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状
等、特に制限されるものではない。

【００６９】また、電解液としては、一般的なリチウム
塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解した電解液を使
用してもく、リチウム塩や有機溶媒にも特に制限される
ものではない。例えば、電解質としては、ＬｉＣｌ
Ｏ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ
（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ
等やこれらの混合物を用いることができる。

【００７０】そして、本実施形態以外の非水電解液有機
溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカー
ボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエト
キシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラ
ン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオ
キソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスル
ホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル等又はこれ
ら２種類以上の混合溶媒を用いることができ、更に、混
合配合比についても限定されるものではない。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
空隙率ｙ_ｐを正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐと一定の比例
関係を持たせｂ_ｐを所定範囲とすることにより、空隙率
ｙ_ｐは正極活物質合剤層の厚さｘ_ｐに応じて適正な値に
設定され、正極活物質合剤層の空隙には正極活物質との
化学反応を促進する適量の非水電解液が含浸されるの
で、リチウムイオン電池の出力を高めることができる、
という効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用した実施形態の円筒形リチウムイ
オン電池の断面図である。

【符号の説明】

５電池容器６捲回群（電極群）２０円筒形リチウムイオン電池（リチウムイオン電
池）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者弘中健介東京都中央区日本橋本町二丁目８番７号新神戸電機株式会社内 (56)参考文献特開平10−214617（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 4/00 - 4/62 H01M 10/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】正極集電体の両面にリチウム遷移金属複
酸化物を正極活物質とする正極活物質合剤が実質的に均
等かつ均質に塗布された正極と、負極集電体の両面に炭
素質物質を負極活物質とする負極活物質合剤が実質的に
均等かつ均質に塗布された負極と、がセパレータを介し
て配置された電極群を電池容器内に非水電解液に浸潤さ
せて収容したリチウムイオン電池において、前記正極集
電体両面の正極活物質合剤層の厚さをｘ_ｐμｍ、該正極
活物質合剤層の空隙率をｙ_ｐ体積％としたときに、２０
０μｍ≦ｘ_ｐ≦３００μｍの範囲において、前記空隙率
ｙ_ｐを下記式（１）で１５≦ｂ_ｐ≦２０として設定した
ことを特徴とするリチウムイオン電池。【数１】
【請求項２】前記負極集電体両面の負極活物質合剤層
の厚さをｘ_ｎμｍ、該負極活物質合剤層の空隙率をｙ_ｎ
体積％としたときに、１４０μｍ≦ｘ_ｎ≦２８０μｍの
範囲において、前記空隙率ｙ_ｎを下記式（２）で２５≦
ｂ_ｎ≦３０として設定したことを特徴とする請求項１に
記載のリチウムイオン電池。【数２】
【請求項３】前記正極活物質がリチウムマンガン複酸
化物であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記
載のリチウムイオン電池。
【請求項４】前記負極活物質が非晶質炭素であること
を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記
載のリチウムイオン電池。