JP5618324B2 - Electrochemical cell - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池や電気二重層キャパシタ等の電気化学セルに関するものである。 The present invention relates to an electrochemical cell such as a nonaqueous electrolyte secondary battery or an electric double layer capacitor.
電気化学セルは、従来から携帯電話、PDA、携帯用ゲーム機等の各種小型電子機器において、メモリのバックアップ用電源や時計機能のバックアップ用電源等として利用されている。この種の電気化学セルの1つとして、気密性に優れ、ボタンタイプよりも保存性が良好なチップ型の電気化学セルが提供されている(特許文献1参照)。 Electrochemical cells are conventionally used as a memory backup power source, a clock function backup power source, and the like in various small electronic devices such as mobile phones, PDAs, and portable game machines. As one of this type of electrochemical cell, a chip-type electrochemical cell is provided that is excellent in airtightness and better in storage stability than a button type (see Patent Document 1).
上記チップ型の電気化学セルは、凹状容器と、該凹状容器の開口部を塞ぐ封口板と、を備えている。封口板は、例えばシールリングやろう材等を利用して凹状容器に固定されており、凹状容器の内部空間を気密に封止している。そして、この気密とされた内部空間には、凹状容器の底部側から順に、正極活物質を有する正極、セパレータ及び負極活物質を有する負極が積層された状態で収納されている。 The chip-type electrochemical cell includes a concave container and a sealing plate that closes the opening of the concave container. The sealing plate is fixed to the concave container using, for example, a seal ring or a brazing material, and hermetically seals the internal space of the concave container. In this airtight internal space, a positive electrode having a positive electrode active material, a separator, and a negative electrode having a negative electrode active material are stored in order from the bottom side of the concave container.
ところで、この種の電気化学セルに用いられるセパレータは、ポリプロピレンやポリエチレン等からなるマイクロポーラスフィルム等の多孔質板や、ポリプロピレンやポリエチレン等の繊維からなる不織布が一般的に用いられていた。
しかしながら、電気化学セルをリフローにて電子機器の基板等に実装する場合には、リフロー温度に耐えられる耐熱性がセパレータにも求められている。この点、上記材料でセパレータを形成した場合には、リフロー温度に耐えられるものではなかった。
By the way, as a separator used for this type of electrochemical cell, a porous plate such as a microporous film made of polypropylene, polyethylene or the like, or a nonwoven fabric made of fiber such as polypropylene or polyethylene has been generally used.
However, when the electrochemical cell is mounted on a substrate of an electronic device or the like by reflow, the separator is also required to have heat resistance that can withstand the reflow temperature. In this regard, when the separator is formed of the above material, it cannot withstand the reflow temperature.
そこで、近年では、リフローに対応できるように、PTFE(フッ素樹脂)を利用したセパレータや、ガラス繊維(ウイスカー)を樹脂製バインダで結着させたセパレータ等を用いた電気化学セルが提供されている。 Therefore, in recent years, electrochemical cells using a separator using PTFE (fluororesin), a separator in which glass fibers (whiskers) are bound with a resin binder, or the like are provided so as to be compatible with reflow. .
しかしながら、PTFEを利用してセパレータを形成した場合、キャパシタとして電気化学セルを用いる場合には問題ないが、二次電池として用いる場合には、フッ素が金属イオンと化学反応し易いため、セパレータの材料としては不向きであった。また、300℃前後の温度でセパレータが収縮する等、変形する恐れがあるので、リフロー作業に注意を払う必要があり、使い難いものであった。 However, when a separator is formed using PTFE, there is no problem when an electrochemical cell is used as a capacitor. However, when used as a secondary battery, fluorine easily reacts with metal ions. As it was unsuitable. In addition, since the separator may be deformed, for example, at a temperature of about 300 ° C., it is necessary to pay attention to the reflow operation, which is difficult to use.
また、ガラス繊維を樹脂製バインダで結着させたセパレータの場合には、珪素の融点が低いうえ、特にバインダが熱に弱く、リフロー温度で結着部分がほぐれてしまう恐れがあった。従って、やはりリフロー作業に注意を払う必要があり、使い難いものであった。
加えて、ガラス繊維は繊維径が太いうえ繊維自体の強度が低いため、一定の機械的強度を有するセパレータに仕上げるためには厚みを厚くせざるを得なかった。そのため、正極、負極及びセパレータが収納される密閉空間内においてセパレータが占める体積割合が大きくなってしまい、その分、正極、負極のサイズを小さく設計せざるを得なかった。よって、充放電容量の低下を招き易かった。
Further, in the case of a separator in which glass fibers are bound with a resin binder, the melting point of silicon is low, and the binder is particularly vulnerable to heat, and the binding portion may be loosened at the reflow temperature. Therefore, it is necessary to pay attention to the reflow work, which is difficult to use.
In addition, since the glass fiber has a large fiber diameter and the strength of the fiber itself is low, the thickness has to be increased to finish the separator having a certain mechanical strength. Therefore, the volume ratio occupied by the separator in the sealed space in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are accommodated increases, and accordingly, the size of the positive electrode and the negative electrode has to be designed to be small. Therefore, the charge / discharge capacity is likely to decrease.
更に、ガラス繊維からなるセパレータは、厚みがあるだけでなく表面に凹凸を有する軟質のスポンジ状になり易い。そのため、セパレータを挟んで配設される正極と負極との電極間距離が全面に亘って均一にならずに、局所的にばらつきが生じてしまう恐れがあった。よって、充放電に伴う電気化学特性が変化してしまう可能性もあった。 Furthermore, the separator made of glass fiber is not only thick but also tends to be a soft sponge having irregularities on the surface. For this reason, the distance between the positive electrode and the negative electrode disposed across the separator is not uniform over the entire surface, and there is a risk that local variations may occur. Therefore, there is a possibility that the electrochemical characteristics accompanying charge / discharge change.
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、耐使用温度が向上し、注意を払うことなくリフロー作業を行うことができると共に、充放電容量が向上し、且つ電気化学特性が安定した高品質な電気化学セルを提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the purpose thereof is to improve the withstand temperature, to perform reflow work without paying attention, to improve the charge / discharge capacity, and It is to provide a high-quality electrochemical cell having stable electrochemical characteristics.
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
(1)本発明に係る電気化学セルは、第1集電体が形成されたベース部材、及び該ベース部材に対して固定されると共に第2集電体が形成されたリッド部材を有し、両部材の間に収納空間が画成された密封容器と、前記収納空間内に収納され、充放電可能な電気化学素子と、を備え、前記電気化学素子が、前記第1集電体に固定された第1電極と、該第1電極上にシート状の隔離部材を挟んで重ねられた状態で前記第2集電体に接し、電解質を通じて金属イオンを第1電極との間で移動させる第2電極と、を有し、前記隔離部材が、セラミックスの繊維体を焼結させた焼結体を有し、前記隔離部材の材質のうち、前記繊維体が占める割合は、80%から90%であることを特徴とする。
The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
(1) An electrochemical cell according to the present invention has a base member on which a first current collector is formed, and a lid member that is fixed to the base member and on which a second current collector is formed, A sealed container in which a storage space is defined between the two members; and an electrochemical element that is stored in the storage space and is chargeable / dischargeable, wherein the electrochemical element is fixed to the first current collector. A first electrode that is in contact with the second current collector in a state where the sheet-shaped isolation member is sandwiched between the first electrode and the first electrode, and metal ions are moved between the first electrode and the first electrode through the electrolyte. And the isolation member has a sintered body obtained by sintering a ceramic fiber body, and the ratio of the fiber body to the material of the isolation member is 80% to 90%. It is characterized by being.
本発明に係る電気化学セルによれば、第1集電体及び第2集電体を介して第1電極と第2電極との間に電圧を印加することで、電解質を通じて金属イオンを第1電極と第2電極との間で移動させることができ、充放電を行わせることができる。
特に、第1電極と第2電極との間に配設されて両電極を隔離している隔離部材は、リフロー温度を遥かに超える温度でセラミックスの繊維体を焼結させた焼結体を有しているので、従来よりも耐使用温度が高く、リフロー時に何ら影響を受け難い。従って、注意を払うことなくリフロー作業を行うことができる。
According to the electrochemical cell of the present invention, a voltage is applied between the first electrode and the second electrode via the first current collector and the second current collector, so that the first metal ion is passed through the electrolyte. It can be moved between an electrode and a 2nd electrode, and charging / discharging can be performed.
In particular, the separating member that is disposed between the first electrode and the second electrode and separates both electrodes has a sintered body obtained by sintering a ceramic fiber body at a temperature far exceeding the reflow temperature. Therefore, it has a higher temperature resistance than before and is not easily affected by reflow. Therefore, the reflow operation can be performed without paying attention.
また、セラミックスの繊維体は、繊維径がガラス繊維よりも細く、且つ強度がガラス繊維よりも強いので、従来のガラス繊維からなるセパレータより厚みを薄くしても十分な機械的強度を得ることができる。そして、隔離部材の厚みを薄くできるので、収納空間において隔離部材が占める体積割合を小さくでき、その分、第1電極及び第2電極のサイズを大きくすることが可能である。そのため、充放電容量の向上化を図ることができる。 Further, since the fiber body of ceramic is thinner than glass fiber and stronger than glass fiber, sufficient mechanical strength can be obtained even if the thickness is made thinner than the separator made of conventional glass fiber. it can. Further, since the thickness of the separating member can be reduced, the volume ratio occupied by the separating member in the storage space can be reduced, and the sizes of the first electrode and the second electrode can be increased accordingly. Therefore, the charge / discharge capacity can be improved.
更に、バインダ等の結着剤を用いる場合と異なり、セラミックスの繊維体を焼結によって強固に固化させた焼結体を有しているので、表面に凹凸が現れ難い硬質なシート状の隔離部材とすることができる。従って、この隔離部材を挟んで配設される第1電極と第2電極との電極間距離を全面に亘って均一にし易い。よって、充放電に伴う電気化学特性を安定化させることができ、放電時の容量を安定にしたり、充電異常等の発生を抑制したりできるので、高品質で信頼性の高い電気化学セルとすることができる。 Furthermore, unlike the case of using a binder such as a binder, it has a sintered body in which a ceramic fiber body is firmly solidified by sintering. It can be. Therefore, it is easy to make the distance between the first electrode and the second electrode disposed across the isolation member uniform over the entire surface. Therefore, the electrochemical characteristics associated with charging / discharging can be stabilized, the capacity during discharging can be stabilized, and the occurrence of abnormal charging, etc. can be suppressed, resulting in a high-quality and reliable electrochemical cell. be able to.
(2)また、上記本発明に係る電気化学セルにおいて、前記繊維体が、アルミナ又はチタニアからなっても良い。 (2) In the electrochemical cell according to the present invention, the fibrous body may be made of alumina or titania.
この場合には、アルミナやチタニアの繊維体を利用しているので、リフロー温度よりも遥かに高い1000℃〜1700℃程度の焼結温度で焼結を行った焼結体とすることができ、隔離部材の耐使用温度をさらに高めることができる。従って、より耐熱性に優れた電気化学セルとすることができる。 In this case, since a fiber body of alumina or titania is used, a sintered body that is sintered at a sintering temperature of about 1000 ° C. to 1700 ° C. that is much higher than the reflow temperature can be obtained. The withstand temperature of the separating member can be further increased. Therefore, it can be set as the electrochemical cell excellent in heat resistance.
(3)また、上記本発明に係る電気化学セルにおいて、前記電解質が、固体電解質であり、前記隔離部材には、前記固体電解質が含まれていても良い。 (3) In the electrochemical cell according to the present invention, the electrolyte may be a solid electrolyte, and the isolation member may include the solid electrolyte.
この場合には、隔離部材に固体電解質が含まれているので、第1電極と第2電極とを単に隔離させるだけでなく、該隔離部材を利用して第1電極と第2電極との間で金属イオンを移動させて充放電を確実に行わせることができる。
特に、液体の電解質を用いる必要がないので、組立性に優れており生産性を高めることができる。また、リフロー時に液体の電解質が蒸発するといった懸念がないので、リフロー作業をより効率良く行うことができる。
In this case, since the isolation member contains the solid electrolyte, not only the first electrode and the second electrode are isolated, but also between the first electrode and the second electrode using the isolation member. Thus, the metal ions can be moved to ensure charging / discharging.
In particular, since it is not necessary to use a liquid electrolyte, the assemblability is excellent and the productivity can be increased. In addition, since there is no concern that the liquid electrolyte evaporates during reflow, the reflow operation can be performed more efficiently.
(4)また、上記本発明に係る電気化学セルにおいて、前記隔離部材、前記正極及び前記負極が、互いに積層された状態で一体的に組み合わされていても良い。 (4) Moreover, in the electrochemical cell according to the present invention, the isolation member, the positive electrode, and the negative electrode may be integrally combined in a stacked state.
この場合には、固体電解質が含まれた隔離部材と正極と負極とが互いに積層された状態で一体的に組み合わされているので、さらに組立作業を容易に行うことができ、生産性をさらに高めることができる。 In this case, since the isolation member including the solid electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode are integrally combined with each other in a stacked state, the assembling work can be easily performed, and the productivity is further increased. be able to.
本発明に係る電気化学セルによれば、セラミックスの繊維体を焼結させた焼結体を有する隔離部材で第1電極と第2電極とを隔離しているので、耐使用温度が向上し、注意を払うことなくリフロー作業を行うことができると共に、充放電容量が向上し、且つ電気化学特性が安定した高品質な電気化学セルとすることができる。 According to the electrochemical cell according to the present invention, since the first electrode and the second electrode are isolated by the separating member having a sintered body obtained by sintering the ceramic fiber body, the use temperature is improved, A reflow operation can be performed without paying attention, and a high-quality electrochemical cell with improved charge / discharge capacity and stable electrochemical characteristics can be obtained.
(第1実施形態)
以下、本発明に係る電気化学セルの第1実施形態を、図1から図4を参照して説明する。なお、本実施形態では、電気化学セルの一例として、外観が略直方体のチップ形状とされた表面実施型のリチウムイオン二次電池を例に挙げて説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of an electrochemical cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. In the present embodiment, as an example of an electrochemical cell, a surface-implemented lithium ion secondary battery having a substantially rectangular parallelepiped chip shape will be described as an example.
図1に示すように、このリチウムイオン二次電池1は、非水電解質二次電池の1つであって、内部に収納空間Sを有する密封容器2と、収納空間S内に収納され、蓄充電可能な電気化学素子3と、を備えており、図示しない基板に例えばリフローによって表面実装可能とされた二次電池である。
As shown in FIG. 1, this lithium ion
密封容器2は、セラミックス、ガラスや樹脂等の材料で形成されたものであり、容器本体(ベース部材)10と、該容器本体10に対して固定された封口板(リッド部材)11と、を備えている。
容器本体10は、平板状の底壁部10a及び枠状の周壁部10bを有する有底筒状の凹状容器とされており、底壁部10aと周壁部10bとで凹部を画成している。そして、この凹部を塞ぐように上記封口板11が固定されている。
この点詳細に説明すると、容器本体10の周壁部10bの上面には凹部を径方向外側から囲繞するように金属層12が形成されており、さらに該金属層12上には導電性の接合材13が形成されている。そして、封口板11は、この接合材13を介して容器本体10に重ねられており、該接合材13の溶解によって容器本体10に対して気密に固定されている。そして、容器本体10の凹部と封口板11とで画成された空間が、気密に封止された上記収納空間Sとされている。
The sealed
The
This point will be described in detail. A
なお、接合材13は、例えば金ろう、銀ろう等のろう材や半田材等である。この際、封口板11に対するなじみやリフロー温度等を考慮して、接合材13の材質を決定すれば良い。例えば、260℃前後の温度で基板にリフローを行う場合には、260℃よりも高い温度で融解する接合材13を用いれば良く、300℃前後の接合材13を用いることができる。
更には、接合材13として、ニッケル、スズ又は金メッキを施したコバール等の金属からなるシールリングを採用しても構わない。
なお、上記金属層12及び接合材13の表面をニッケルや金等でメッキすることが、防錆特性を高めることから好ましい。
Note that the
Furthermore, a seal ring made of a metal such as nickel, tin, or kovar plated with gold may be used as the
In addition, it is preferable to plate the surfaces of the
上記金属層12は、例えば接合材13とのなじみの良いニッケルや金等から形成することが好ましい。金属層12の形成方法としては、電解メッキや無電解メッキの他、真空蒸着等の気相法等を採用しても良い。
The
収納空間Sに面した容器本体10の底壁部10aの上面には、第1集電体15が略全面に亘って形成されている。また、容器本体10の底壁部10aの下面には、一対の外部接続端子16、17が電気的に切り離された状態で形成されている。
両外部接続端子16、17のうち一方の外部接続端子16は、容器本体10の底壁部10aを上下に貫通する第1貫通電極18を介して第1集電体15に導通している。一方、他方の外部接続端子17は、容器本体10の底壁部10a及び周壁部10bを共に上下に貫通する第2貫通電極19を介して上記金属層12に導通している。
On the upper surface of the
One of the
なお、これら一対の外部接続端子16、17は、例えばメッキ法やスパッタ法等により形成された単一金属による単層膜、或いは、異なる金属が積層された積層膜である。積層膜としては、2層、3層でも構わないが、例えば基板との良好なリフローを行うために、下地層がニッケル、中間層が金、表面層が半田の3層が好ましい。
The pair of
封口板11は、導電性の基板(例えば、ニッケルを5%程度含むニッケル鉄合金で形成された基板)であり、上述したように接合材13を利用した溶接によって固定されている。なお、このときの溶接としては、ローラ電極を接触させることによるシーム溶接、レーザ溶接や超音波溶接等が挙げられる。
The sealing
なお、封口板11の材質としては、容器本体10と熱膨張係数が等しいものが望ましい。熱膨張係数を揃えることで、封口板11の封止のために加熱する際や、リチウムイオン二次電池1をリフロー等で加熱した際に、熱膨張率の違いに起因する割れや歪等が容器本体10と封口板11との間に発生してしまうことを抑制することができるので、収納空間Sの密閉性を高めることができる。
更に、容器本体10と封口板11とをパラレルシーム溶接で固定する場合、封口板11の材質を接合材13と相性の良い材料とすることが望ましい。具体的には、接合材13として電解ニッケル又は無電解ニッケルを施したコバール等の金属からなるシールリングを採用した場合、封口板11の材質もコバール等の材質に電解ニッケル又は無電解ニッケルを施すことが好ましい。これによって、パラレルシーム溶接時に、必要以上に溶接パワーを上げる必要がなくなる。
In addition, as a material of the sealing
Furthermore, when the
また、封口板11の下面には、全面に亘って第2集電体20が形成されている。但し、本実施形態の封口板11は、導電性の基板であるので該封口板11自体が第2集電体としての役割も兼用している。
A second
なお、第1集電体15及び第2集電体20は、耐食性に優れ且つ膜厚法での形成が可能なタングステン、銀や金が好ましい。
また、貴な電位を印加した際において後述する液体電解質Wに溶解するのを防止するため、バルブメタル(弁作用金属:表面に耐腐食性の不働態被膜を生成する金属)又は炭素で構成しても良い。バルブメタルとしては、アルミニウム、チタン、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム等が挙げられるが、特にアルミニウム又はチタンを採用することが望ましい。
The first
In addition, in order to prevent dissolution in the liquid electrolyte W, which will be described later, when a noble potential is applied, it is composed of valve metal (valve metal: a metal that forms a corrosion-resistant passive film on the surface) or carbon. May be. Examples of the valve metal include aluminum, titanium, tantalum, niobium, hafnium, zirconium, and the like, and it is particularly desirable to use aluminum or titanium.
更に、第1集電体15及び第2集電体20は、クロム層を下地層として、該下地層上に形成することが好ましい。下地層を形成することで、容器本体10に対する両集電体15、20の密着性を向上させることが可能である。なお、下地層としては、クロム層以外に、チタン層も好適である。このチタン層は、下地層としてではなく、集電体自体として利用することも可能である。
Furthermore, it is preferable that the first
電気化学素子3は、第1集電体15に固定された正極(第1電極)25と、該正極25上にセパレータ(隔離部材)26を挟んで重ねられ、収納空間S内に充填された液体電解質(電解質)Wを通じてリチウムイオン(金属イオン)を正極25との間で移動させる負極(第2電極)27と、を備えている。
The
正極25及び負極27は、それぞれ電気化学反応に関与する図示しない電極活物質(正極活物質、負極活物質)を有している。なお、これら正極25及び負極27は、液体電解質Wを介して両者の間でリチウムイオンが移動し、該リチウムイオンを吸蔵放出可能な金属酸化物等であれば構わない。また、電極活物質同士の電子伝導性を高めるための目的で導電助剤を添加し、さらに電極の形状を保つために結着剤を添加して、正極25及び負極27を構成しても構わない。
Each of the
両電極25、27のうち正極25は、図示しない導電性接着剤等を利用して第1集電体15上に固定されており、第1集電体15に導通している。これにより、正極25は、第1集電体15及び第1貫通電極18を介して一方の外部接続端子16に導通している。そして、この正極25上にシート状のセパレータ26及び負極27が、この順序で重ねられている。
負極27は、上面が封口板11の下面に形成された第2集電体20に接して導通している。これにより、負極27は、第2集電体20及び第2貫通電極19を介して他方の外部接続端子17に導通している。
なお、正極25と負極27との電極間距離Hは、セパレータ26の厚みとされている。
The
The
The interelectrode distance H between the
セパレータ26は、正極25と負極27とを隔離して両電極25、27の直接的な接触を規制する部材であり、仮に衝撃等を受けたとしても、両電極25、27が接触して電気的にショートしないように設計されている。
本実施形態のセパレータ26は、セラミックスであるアルミナ(Al2O3)又はチタニア(TiO2)の繊維体を1000℃〜1700℃の焼結温度で焼結させた焼結体を有している。なお、セパレータ26の材質のうちアルミナ又はチタニアの繊維体が占める割合としては、80%〜90%である。
なお、アルミナ(Al2O3)の結晶構造としては、α型、β型を用いることができ、チタニア(TiO2)の結晶構造としては、アナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型を用いることができる。
The
The
As the crystal structure of alumina (Al 2 O 3 ), α type and β type can be used, and as the crystal structure of titania (TiO 2 ), anatase type, rutile type and brookite type can be used. .
液体電解質Wは、例えば予め水分を100ppm以下に除去した有機溶媒に、同様に水分を除去したリチウム塩を溶解させた非水電解質(液)であり、収納空間S内に充填され、正極25、負極27及びセパレータ26を浸漬させている。
The liquid electrolyte W is a non-aqueous electrolyte (liquid) in which, for example, a lithium salt from which moisture has been similarly removed is dissolved in an organic solvent from which moisture has been previously removed to 100 ppm or less. The
このように構成されたリチウムイオン二次電池1によれば、一対の外部接続端子16、17を介して正極25と負極27との間に電圧が印加されると、リチウムイオンが液体電解質Wを通じて正極25と負極27との間を移動すると共に、正極活物質及び負極活物質に吸蔵放出される。これにより、電気化学反応により電荷の授受が行われ、充放電が行われる。
なお、リチウムイオンは、充電時に正極25から放出されて負極27に吸蔵され、放電時に負極27から放出されて正極25に吸蔵される。
According to the lithium ion
Note that lithium ions are released from the
特に、本実施形態のリチウムイオン二次電池1によれば、正極25と負極27とを隔離しているセパレータ26がリフロー温度を遥かに超える1000℃〜1700℃程度の焼結温度でアルミナやチタニアの繊維体を焼結させた焼結体を有しているので、従来よりも耐使用温度が高く、リフロー時に何ら影響を受け難い。従って、注意を払うことなくリフロー作業を行うことができる。
In particular, according to the lithium ion
また、アルミナやチタニアの繊維体は、繊維径がガラス繊維よりも細く、且つ強度がガラス繊維よりも強いので、従来のガラス繊維からなるセパレータより厚みを薄くしても十分な機械的強度を得ることができる。例えば、従来のガラス繊維からなるセパレータよりも1/10程度の厚みである20μm前後にすることも可能である。
そして、セパレータ26の厚みを薄くできるので、収納空間Sにおいてセパレータ26が占める体積割合を小さくでき、その分、正極25及び負極27のサイズを大きくすることが可能である。そのため、充放電容量の向上化を図ることができる。
In addition, since the fiber body of alumina or titania is thinner than the glass fiber and stronger than the glass fiber, sufficient mechanical strength can be obtained even if the separator is made thinner than the conventional glass fiber separator. be able to. For example, the thickness may be about 20 μm, which is about 1/10 of the thickness of a separator made of a conventional glass fiber.
And since the thickness of the
更に、バインダ等の結着剤を用いる場合とは異なり、アルミナやチタニアの繊維体を焼結によって強固に固化させた焼結体を有しているので、表面に凹凸が現れ難い硬質なシート状のセパレータ26とすることができる。
従って、このセパレータ26を間に挟んで配設される正極25と負極27との電極間距離を全面に亘って均一にし易い。よって、充放電に伴う電気化学特性を安定化させることができ、放電時の容量を安定にしたり、充電異常等の発生を抑制したりできるので、高品質で信頼性の高い二次電池とすることができる。
Furthermore, unlike the case of using a binder such as a binder, it has a sintered body in which alumina and titania fiber bodies are firmly solidified by sintering, so that a hard sheet shape in which irregularities do not easily appear on the surface.
Therefore, it is easy to make the distance between the
そして、本実施形態のリチウムイオン二次電池1は、例えば、ノート型パソコン、携帯電話、コードレス電話、ヘッドフォンステレオ、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯電子辞書、電卓、メモリーカード、PDA、携帯用ゲーム機器等のメモリや時計機能の電源バックアップとして好適に用いることが可能である。
The lithium ion
なお、上記第1実施形態では、封口板11自体が導電性基板とされているので、容器本体10に対して容易且つ確実に固定し易いうえ、封口板11を外部接続端子として利用することも可能である。つまり、一方外部接続端子16及び封口板11を介して、正極25と負極27との間に電圧を印加することも可能である。
なお、封口板11は、導電性基板に限られるものではなく、セラミックス、ガラスや樹脂等の材料で形成されていても構わない。この場合であっても、第2集電体20を利用して負極27と他方の外部接続端子17とを確実に導通させることが可能である。また、この場合、容器本体10と同じ材料で封口板11を形成することが好ましい。こうすることで、容器本体10と封口板11との熱膨張係数を同一にすることができる。
In the first embodiment, since the sealing
The sealing
また、上記第1実施形態において、容器本体10の材料の一例としてセラミックス、ガラスや樹脂等を挙げたが、より具体的には例えばセラミックス材料としては、アルミナ製のHTCC(High Temperature Co-fired Ceramic)や、ガラスセラミックス製のLTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)等を用いることができる。
また、ガラス材料としては、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラスや硼珪酸ガラス等を用いることができるが、加工性を考慮すると硼珪酸ガラスが望ましい。
また、樹脂材料としては、熱可塑性樹脂が望ましく、例えばPPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、LCP(液晶ポリマー)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)や、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)等を用いることができる。
In the first embodiment, ceramics, glass, resin, and the like are given as examples of the material of the
As the glass material, soda lime glass, lead glass, borosilicate glass, or the like can be used, but borosilicate glass is desirable in consideration of workability.
The resin material is preferably a thermoplastic resin. For example, PPS (polyphenylene sulfide), PEEK (polyether ether ketone), LCP (liquid crystal polymer), PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene perfluoro). Alkyl vinyl ether copolymer), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), and the like can be used.
なお、上記PPSを利用して容器本体10を形成する場合、例えば複数のPPS製フィルムを積層して形成することも可能である。このPPS製フィルムには、予めキャビティとなる凹部を設けるために、プレス等で開口部(穴)を開けておくことが可能である。また、その位置決めのために、マーキングとして開口部や印字を施すことも可能である。マーキングとして印字を行う場合には、レーザ(例えば炭酸ガスレーザやYAGレーザ等)を用いた加熱によるマーキング法や、インクジェットプリンティングを施すことができる。また、フィルム間の中間部に配線を施す場合には、リードフレーム等の金属を用いることができる。このリードフレームに用いる金属は、銅系の合金以外に、例えばステンレススチールやアルミニウム等を用いることができる。
In addition, when forming the container
また、上記アルミナを利用して容器本体10を形成する場合、例えばグリーンシートに貫通電極部分を打ち抜き、タングステン等の高融点の金属材料を含むインキでスクリーン印刷して焼成することで、両貫通電極18、19を有する容器本体10を得ることが可能である。その後、容器本体10の周壁部10bの上面に、ニッケルや金等をメッキすることで金属層12を形成すれば良い。
Further, when the
更に、低融点のガラスセラミックスを利用して容器本体10を形成する場合、例えば周壁部10b及び底壁部10aにそれぞれ導体印刷を施して配線となる部分を形成し、その後、周壁部10bと底壁部10aとを積層させて、これらを低温で焼成することで容器本体10を形成することも可能である。
詳細には、底壁部10aの上面に第1集電体15、下面に一対の外部接続端子16、17を形成すると共に、第1貫通電極18と、第2貫通電極19の一部とを予め形成しておく。そして、周壁部10bに第2貫通電極19の残りの一部を予め形成しておく。その後、これら底壁部10aと周壁部10bとを積層して焼成することで両者を一体化させることができると共に、底壁部10a側の第2貫通電極19と、周壁部10b側の第2貫通電極19とを一体化させることができる。これにより、容器本体10を得ることができる。
Further, when the
Specifically, the first
また、上記第1実施形態では、第1貫通電極18及び第2貫通電極19を共にストレート状に形成したが、断面テーパ状となるように形成しても構わない。
例えば、第1貫通電極18を、第1集電体15から外部接続端子16に向かうにしたがって漸次直径が縮径するように形成し、第2貫通電極19も同様に、金属層12から外部接続端子17に向かうにしたがって漸次直径が縮径するように形成しても構わない。
こうすることで、接合材13を溶解させて封口板11を固定する際に、液体電解質Wの蒸気圧の上昇に起因して密封容器2内の内圧が上昇し、第1貫通電極18及び第2貫通電極19に外力が作用したとしても、この外力を受けて両貫通電極18、19が抜け落ちてしまうことを抑制することができる。
Moreover, in the said 1st Embodiment, although the
For example, the first through
By so doing, when the
また、上記第1実施形態において、正極活物質の平均粒子サイズとしては、500μm以下が好ましく、より好ましくは100μm以下、特に50〜0.1μmが良い。活物質の形態としては、平均粒径0.1μm以上2.5μm以下の一次粒子が集合してなる平均粒径1μm以上20μm以下の一次粒子集合体からなることが好ましく、特に好ましくは、平均粒径0.1μm以上2.5μm以下の一次粒子が集合してなる平均粒径3.5μm以上9.5μm以下の一次粒子集合体からなることが好ましい。
更に、上記一次粒子集合体において全体積の80%以上が粒径1μm以上15μm以下であることが好ましく、更に好ましくは全体積の85%以上であり、更に好ましく全体積の90%以上である。
比表面積は、0.05〜100m2/gが好ましく、より好ましくは0.1〜50m2/g、特に0.1〜30m2/gが良い。
In the first embodiment, the average particle size of the positive electrode active material is preferably 500 μm or less, more preferably 100 μm or less, particularly 50 to 0.1 μm. The active material is preferably composed of primary particle aggregates having an average particle size of 1 μm or more and 20 μm or less formed by aggregating primary particles having an average particle size of 0.1 μm or more and 2.5 μm or less. It is preferably composed of primary particle aggregates having an average particle size of 3.5 μm or more and 9.5 μm or less formed by collecting primary particles having a diameter of 0.1 μm or more and 2.5 μm or less.
Further, in the primary particle aggregate, 80% or more of the total volume is preferably 1 μm or more and 15 μm or less, more preferably 85% or more of the total volume, and further preferably 90% or more of the total volume.
The specific surface area is preferably 0.05~100m 2 / g, more preferably 0.1 to 50 m 2 / g, especially 0.1~30m 2 / g is good.
また、正極活物質は、2種類以上を混合して用いることもできる。使用する電圧範囲を変えたり、容量の残量を電圧により検出したり場合に応用できる。 Moreover, a positive electrode active material can also be used in mixture of 2 or more types. This can be applied when changing the voltage range to be used or detecting the remaining capacity by voltage.
また、負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な周期律表のB、或いは、B及び遷移金属から選ばれる一種以上の元素の合金又は酸化物が好ましく、特にケイ素の酸化物が好ましい。
ケイ素の酸化物は、組成式LixSiOyで表され、リチウム含有量xと酸素量yがそれぞれ1.5≦x≦4、0<y<2であるリチウム含有ケイ素酸化物からなるリチウムイオン吸蔵放出可能物質を用いることができる。即ち、その結晶構造中または非晶質構造内にリチウムを含有し、非水電解質中で電気化学反応によりリチウムイオンを吸蔵及び放出可能なケイ素の酸化物であって、ケイ素原子数に対するリチウム原子数の比であるxが1.5以上且つ4.0以下であり、且つケイ素原子数に対する酸素原子数の比であるyが0より大きく且つ2より小さい組成を有する複合酸化物を用いる。
この複合酸化物中でのリチウムの状態は主としてイオンであることが好ましいが、必ずしも限定はされない。
The negative electrode active material is preferably B in the periodic table capable of occluding and releasing lithium ions, or an alloy or oxide of one or more elements selected from B and a transition metal, and particularly preferably an oxide of silicon.
The silicon oxide is represented by the composition formula LixSiOy, and lithium ion can be occluded and released from a lithium-containing silicon oxide in which the lithium content x and the oxygen content y are 1.5 ≦ x ≦ 4 and 0 <y <2, respectively. Substances can be used. That is, an oxide of silicon containing lithium in its crystal structure or amorphous structure and capable of inserting and extracting lithium ions by electrochemical reaction in a non-aqueous electrolyte, wherein the number of lithium atoms relative to the number of silicon atoms X is 1.5 or more and 4.0 or less, and a composite oxide having a composition in which y, which is a ratio of the number of oxygen atoms to the number of silicon atoms, is larger than 0 and smaller than 2.
The lithium state in the composite oxide is preferably mainly ions, but is not necessarily limited.
また、負極活物質として用いられる上記リチウム含有ケイ素酸化物LixSiOy(但し、1.5≦x≦4、0<y<2)の好ましい製造方法としては、下記の2種類の方法が上げられるが、これらに限定はされない。 Moreover, as a preferable production method of the lithium-containing silicon oxide LixSiOy (where 1.5 ≦ x ≦ 4, 0 <y <2) used as the negative electrode active material, the following two types of methods can be mentioned, These are not limited.
第1の方法は、ケイ素とリチウムとの各々の単体又はそれらの化合物を所定のモル比で混合し又は混合しながら、不活性雰囲気中や真空中等の非酸化性雰囲気中又はケイ素とリチウムとが所定の酸化数となるように酸素量を制御した雰囲気中で熱処理して、ケイ素とリチウムとの複合酸化物とする方法である。 In the first method, each simple substance of silicon and lithium or a compound thereof is mixed or mixed at a predetermined molar ratio, while in a non-oxidizing atmosphere such as in an inert atmosphere or vacuum, or when silicon and lithium are mixed. In this method, heat treatment is performed in an atmosphere in which the amount of oxygen is controlled so as to obtain a predetermined oxidation number, thereby forming a composite oxide of silicon and lithium.
出発原料となるケイ素及びリチウムのそれぞれの化合物としては、各々の酸化物、水酸化物、或いは炭酸塩、硝酸塩等の塩或いは有機化合物等々の様な、各々を非酸化性雰囲気中で熱処理することにより各々の酸化物を生成する化合物が好ましい。これらの出発原料の混合方法としては、各原料の粉末を直接乾式混合する方法の他、これらの原料を水、アルコールやその他の溶媒に溶解もしくは分散し、溶液中で均一に混合又は反応させた後、乾燥する方法や、これらの原料を加熱や電磁波、光等によりアトマイズ又はイオン化し、同時にもしくは交互に蒸着又は析出させる方法、等々の種々の方法が可能である。 Each compound of silicon and lithium as the starting material is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere, such as each oxide, hydroxide, salt such as carbonate, nitrate, or organic compound. Are preferred to produce the respective oxides. As a method for mixing these starting materials, in addition to a method of directly dry-mixing each raw material powder, these raw materials were dissolved or dispersed in water, alcohol or other solvent, and were uniformly mixed or reacted in the solution. Thereafter, various methods such as a drying method, a method in which these raw materials are atomized or ionized by heating, electromagnetic waves, light, or the like and simultaneously or alternately deposited or deposited are possible.
この様にして原料を混合した後、又は混合しながら行う熱処理の温度は、出発原料や熱処理雰囲気によっても異なるが、400℃以上で合成が可能であり、好ましくは600℃以上の温度がよい。一方、不活性雰囲気中や真空中等では800℃以上の温度でケイ素と4価のケイ素酸化物に不均化反応する場合があるため、そのような場合には600〜800℃の温度が好ましい。 The temperature of the heat treatment performed after mixing the raw materials in this manner or while mixing varies depending on the starting raw materials and the heat treatment atmosphere, but the synthesis is possible at 400 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or higher. On the other hand, since a disproportionation reaction may occur between silicon and tetravalent silicon oxide at a temperature of 800 ° C. or higher in an inert atmosphere or in a vacuum, a temperature of 600 to 800 ° C. is preferable in such a case.
これらの出発原料の組合せの中で、リチウムの供給原料として酸化リチウムLi2O、水酸化リチウムLiOH、Li2CO3又はLiNO3等の塩やそれらの水和物等々の様な熱処理により酸化リチウムを生成するリチウム化合物を用い、ケイ素の供給源としてケイ素単体もしくはケイ素の低級酸化物SiOy’(但し、0<y’<2)を用いる場合には、それらの混合物を不活性雰囲気中または真空中等の様な酸素を断った雰囲気中で熱処理することによって合成することが出来、熱処理雰囲気中の酸素量もしくは酸素分圧等の制御がし易く製造が容易であり特に好ましい。 Among these starting material combinations, as a lithium feedstock, lithium oxide by heat treatment such as a salt of lithium oxide Li 2 O, lithium hydroxide LiOH, Li 2 CO 3 or LiNO 3 or a hydrate thereof, etc. In the case where a silicon compound or a silicon lower oxide SiOy ′ (where 0 <y ′ <2) is used as a silicon source, the mixture thereof is used in an inert atmosphere or in a vacuum. It can be synthesized by heat treatment in an atmosphere in which oxygen is cut off, and the amount of oxygen or oxygen partial pressure in the heat treatment atmosphere can be easily controlled and production is easy, which is particularly preferable.
また、出発原料にケイ素の化合物として水素を有する各種のケイ酸を用いた場合やリチウム化合物として水酸化リチウム等を用いた場合には、加熱処理により水素が完全には脱離せず、熱処理後の生成物中に一部残り、リチウムと水素が共存することも可能であり、本発明に含まれる。 In addition, when various silicic acids having hydrogen as a silicon compound are used as a starting material, or when lithium hydroxide or the like is used as a lithium compound, hydrogen is not completely desorbed by heat treatment. A part of the product remains, and lithium and hydrogen can coexist and are included in the present invention.
更に、リチウムもしくはその化合物及びケイ素もしくはその化合物と共に、ナトリウム、カリウム、ルビジウム等の他のアルカリ金属、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属及び/又は鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、バナジウム、チタン、ニオブ、タングステン、モリブデン、銅、亜鉛、スズ、鉛、アルミニウム、インジウム、ビスマス、ガリウム、ゲルマニウム、炭素、ホウ素、窒素、リン等々のその他の金属または非金属元素の単体もしくはそれらの化合物等をも加えて混合し加熱処理することにより、これらのリチウム以外の金属もしくは非金属をリチウム及びケイ素と共存させることもでき、これらの場合も本発明に含まれる。 Furthermore, together with lithium or its compound and silicon or its compound, other alkali metals such as sodium, potassium and rubidium, alkaline earth metals such as magnesium and calcium, and / or iron, nickel, cobalt, manganese, vanadium, titanium, niobium In addition, other metals such as tungsten, molybdenum, copper, zinc, tin, lead, aluminum, indium, bismuth, gallium, germanium, carbon, boron, nitrogen, phosphorus, etc. By mixing and heat-treating, metals or non-metals other than lithium can coexist with lithium and silicon, and these cases are also included in the present invention.
この様にして得られたリチウム含有ケイ素酸化物は、これをそのままもしくは必要により粉砕整粒や造粒等の加工を施した後に負極活物質として用いることが出来る。また、下記の第2の方法と同様に、このリチウム含有ケイ素酸化物とリチウムもしくはリチウムを含有する物質との電気化学的反応により、このリチウム含有ケイ素酸化物に更にリチウムイオンを吸蔵させるか、又は逆にこの複合酸化物からリチウムイオンを放出させることにより、リチウム含有量を増加又は減少させたものを負極活物質として用いても良い。 The lithium-containing silicon oxide thus obtained can be used as a negative electrode active material as it is or after being subjected to processing such as pulverization and granulation as necessary. Similarly to the second method described below, the lithium-containing silicon oxide further occludes lithium ions by an electrochemical reaction between the lithium-containing silicon oxide and lithium or a lithium-containing substance, or Conversely, lithium ions may be increased or decreased by releasing lithium ions from the composite oxide, and the negative electrode active material may be used.
第2の方法は、予め、リチウムを含有しないケイ素の低級酸化物SiOy(但し、2>y>0)を合成し、得られたケイ素の低級酸化物SiOyとリチウムもしくはリチウムを含有する物質との電気化学的反応により、該ケイ素の低級酸化物SiOyにリチウムイオンを吸蔵させて、リチウムを含有するケイ素の低級酸化物LixSiOyを得る方法である。 In the second method, a silicon-containing lower oxide SiOy (where 2> y> 0) that does not contain lithium is synthesized in advance, and the obtained silicon lower oxide SiOy and a substance containing lithium or lithium are used. In this method, lithium ions are occluded in the lower oxide SiOy of silicon by electrochemical reaction to obtain a lower oxide LixSiOy of silicon containing lithium.
このようなケイ素の低級酸化物SiOyとしては、SiO1.5(Si2O3)、SiO1.33(Si3O4)、SiO及びSiO0.5(Si2O)等々の化学量論組成のものの他、yが0より大きく2未満の任意の組成のものでよい。
また、これらのケイ素の低級酸化物SiOyは、下記のような種々の公知の方法により製造することが出来る。即ち、
(1)二酸化ケイ素SiO2とケイ素Siとを所定のモル比で混合し非酸化性雰囲気中又は真空中で加熱する方法。
(2)二酸化ケイ素SiO2を水素H2等の還元性ガス中で加熱して所定量還元する方法。(3)二酸化ケイ素SiO2 を所定量の炭素Cや金属等と混合し、加熱して所定量還元する方法。
(4)ケイ素Siを酸素ガス又は酸化物と加熱して所定量酸化する方法。
(5)シランSiH4等のケイ素化合物ガスと酸素O2の混合ガスを加熱反応又はプラズマ分解反応させるCVD法又はプラズマCVD法。
等々である。
Such silicon lower oxide SiOy has a stoichiometric composition such as SiO 1.5 (Si 2 O 3 ), SiO 1.33 (Si 3 O 4 ), SiO and SiO 0.5 (Si 2 O), and y May be of any composition greater than 0 and less than 2.
These silicon lower oxides SiOy can be produced by various known methods as described below. That is,
(1) A method in which silicon dioxide SiO 2 and silicon Si are mixed at a predetermined molar ratio and heated in a non-oxidizing atmosphere or in a vacuum.
(2) A method in which silicon dioxide SiO 2 is heated in a reducing gas such as hydrogen H 2 to reduce a predetermined amount. (3) A method in which silicon dioxide SiO 2 is mixed with a predetermined amount of carbon C, metal, or the like and heated to reduce the predetermined amount.
(4) A method in which silicon Si is heated with oxygen gas or oxide to oxidize a predetermined amount.
(5) A CVD method or a plasma CVD method in which a mixed gas of a silicon compound gas such as silane SiH 4 and oxygen O 2 is heated or plasma decomposed.
And so on.
また、ケイ素の低級酸化物SiOyには、ケイ素と共に水素やナトリウム、カリウム、ルビジウム等のアルカリ金属、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属及び/又は鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、バナジウム、チタン、ニオブ、タングステン、モリブデン、銅、亜鉛、スズ、鉛、アルミニウム、インジウム、ビスマス、ガリウム、ゲルマニウム、炭素、ホウ素、窒素、リン等々のその他の金属または非金属元素を含有させることもでき、これらの場合も本発明に含まれる。 The lower oxide SiOy of silicon includes silicon, alkali metals such as hydrogen, sodium, potassium and rubidium, alkaline earth metals such as magnesium and calcium, and / or iron, nickel, cobalt, manganese, vanadium, titanium and niobium. , Tungsten, molybdenum, copper, zinc, tin, lead, aluminum, indium, bismuth, gallium, germanium, carbon, boron, nitrogen, phosphorus, etc. It is included in the present invention.
このケイ素の低級酸化物SiOyへの電気化学的反応によるリチウムイオンの吸蔵は、電池組立後電池内で、又は電池製造工程の途上において電池内もしくは電池外で行うことが出来、具体的には次の様にして行うことが出来る。即ち、
(1)ケイ素の低級酸化物又はそれらと導電剤及び結着剤等との混合合剤を所定形状に成形したものを一方の電極(作用極、正極25)とし、金属リチウム又はリチウムを含有する物質をもう一方の電極(対極、負極27)としてリチウムイオン導電性の非水電解質に接して両電極25、27を対向させて電気化学セルを構成し、作用極がカソード反応をする方向に適当な電流で通電し電気化学的にリチウムイオンを該ケイ素の低級酸化物に吸蔵させる。得られた該作用極をそのまま負極27として又は負極27を構成する負極活物質として用いて非水電解質二次電池を構成する。
The occlusion of lithium ions by electrochemical reaction of silicon with the lower oxide SiOy can be performed in the battery after the battery is assembled or in the battery manufacturing process or inside the battery or outside the battery. It can be done like this. That is,
(1) One electrode (working electrode, positive electrode 25) formed by molding a lower oxide of silicon or a mixed mixture of them with a conductive agent and a binder into a predetermined shape and containing metallic lithium or lithium The material is in contact with a lithium ion conductive non-aqueous electrolyte as the other electrode (counter electrode, negative electrode 27) and the
(2)ケイ素の低級酸化物又はそれらと導電剤及び結着剤等との混合合剤を所定形状に成形し、これにリチウムもしくはリチウムの合金等を圧着してもしくは接触させて積層電極としたものを負極27として非水電解質二次電池に組み込む。電池内でこの積層電極が電解質に触れることにより一種の局部電池を形成し、自己放電し電気化学的にリチウムが該ケイ素の低級酸化物に吸蔵される方法。
(3)ケイ素の低級酸化物を負極活物質とし、リチウムを含有しリチウムイオンを吸蔵放出可能な物質を正極活物質として用いた非水電解質二次電池を構成する。電池として使用時に充電を行うことにより正極25から放出されたリチウムイオンが該ケイ素の低級酸化物に吸蔵される方法。
(2) A lower electrode of silicon or a mixture of these with a conductive agent and a binder is formed into a predetermined shape, and lithium or an alloy of lithium is pressure-bonded or brought into contact therewith to form a laminated electrode. This is incorporated into the non-aqueous electrolyte secondary battery as the
(3) A nonaqueous electrolyte secondary battery using a lower oxide of silicon as a negative electrode active material and a material containing lithium and capable of occluding and releasing lithium ions as a positive electrode active material is configured. A method in which lithium ions released from the
本発明における電極構成要素の配合比は各電極の総重量にたいして電極活物質として30〜95重量%、導電助剤として用いる炭素質材料はとして1〜70重量%とする。混合比は活物質のリチウムイオンの吸蔵放出の体積変化、電気伝導度、電極形状等により異なる。電極活物質の組成がLiaTbLcOdで示される複合酸化物や二酸化マンガン等の遷移金属酸化物とした場合は、電極活物質として75〜95重量%、炭素質材料として2〜15重量%の範囲で用いることがより好ましい。
また、ケイ素、スズや遷移金属等の各種酸化物等を電極活物質とした場合、電極活物質は30〜70重量%、炭素質材料は70〜30重量%がより好ましい。結着剤は、電解液に不溶のものが好ましいが特に限定されるもではなく、多糖類、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴム弾性を有するポリマー等を1種またはこれらの混合物や共重合体として用いることができる。
The compounding ratio of the electrode components in the present invention is 30 to 95% by weight as the electrode active material and 1 to 70% by weight of the carbonaceous material used as the conductive auxiliary agent with respect to the total weight of each electrode. The mixing ratio varies depending on the volume change of the occlusion / release of lithium ions of the active material, electrical conductivity, electrode shape, and the like. When the composition of the electrode active material is a composite oxide represented by Li a Tb L c O d or a transition metal oxide such as manganese dioxide, the electrode active material is 75 to 95% by weight, the carbonaceous material is 2 to 2%. More preferably, it is used in the range of 15% by weight.
Moreover, when various oxides, such as a silicon, tin, and a transition metal, are used as an electrode active material, 30 to 70 weight% of an electrode active material and 70 to 30 weight% of a carbonaceous material are more preferable. The binder is preferably insoluble in the electrolytic solution, but is not particularly limited. One kind of a polysaccharide, a thermoplastic resin, a thermosetting resin, a polymer having rubber elasticity, or a mixture or It can be used as a coalescence.
また、上記第1実施形態では、第1貫通電極18を介して第1集電体15と一方の外部接続端子16とを導通させると共に、第2貫通電極19を介して第2集電体20と他方の外部接続端子17とを導通させたが、この場合に限定されるものではない。
例えば、図2に示すように、容器本体10の側面に形成した側面電極41、42を介して、第1集電体15と一方の外部接続端子16とを導通させると共に、第2集電体20と他方の外部接続端子17とを導通させても構わない。この点詳細に説明する。
In the first embodiment, the first
For example, as shown in FIG. 2, the first
第1集電体15は、一方の外部接続端子16が形成されている側の容器本体10の側面まで延設している。そして、側面まで延設された第1集電体15と外部接続端子16とを接続するように、容器本体10の側面に一方の側面電極41が形成されている。
一方、他方の側面電極42は、容器本体10の周壁部10bの上面に形成された金属層12と他方の外部接続端子17とを接続するように、容器本体10の側面に形成されている。
このように構成したリチウムイオン二次電池40であっても、外部接続端子16、17と第1集電体15及び第2集電体20との接続ルートが異なるだけで、同様の作用効果を奏効することができ、表面実装型の二次電池として利用できる。
The first
On the other hand, the
Even in the lithium ion
また、貫通電極と側面電極とを組み合わせることで、第1集電体15と一方の外部接続端子16とを導通させ、第2集電体20と他方の外部接続端子17とを導通させても構わない。
例えば、図3に示すように、容器本体10の底壁部10a上における正極25の略中心に、該正極25よりも横断面積が小さい第1集電体15を形成し、該第1集電体15と一方の側面電極41とを、底壁部10a内に形成した一方の内部電極46を利用して互いに接続させる。また、第2集電体20に導通している第2貫通電極19を底壁部10aの途中まで形成し、底壁部10a内に形成した他方の内部電極47を利用して、第2貫通電極19と他方の側面電極42とを互いに接続させる。
Further, by combining the through electrode and the side electrode, the first
For example, as shown in FIG. 3, a first
このように構成することで、一方の内部電極46及び一方の側面電極41を介して第1集電体15を一方の外部接続端子16に導通させることができる。また、第2貫通電極19、他方の内部電極47及び他方の側面電極42を介して第2集電体20を他方の外部接続端子17に導通させることができる。
このように構成したリチウムイオン二次電池45であっても、外部接続端子16、17と第1集電体15及び第2集電体20との接続ルートが異なるだけで、同様の作用効果を奏効することができ、表面実装型の二次電池として利用できる。
With this configuration, the first
Even in the lithium ion
図1から図3に示したように、第1集電体15及び第2集電体20は、一方の外部接続端子16及び他方の外部接続端子17に対して導通されていれば良く、どのような接続ルートであっても構わない。
As shown in FIG. 1 to FIG. 3, the first
また、上記第1実施形態では、ベース部材を有底筒状の容器本体10とし、リッド部材を平板状の封口板11としたが、この場合に限定されるものではなく、ベース部材とリッド部材との間に収納空間Sを画成できれば、ベース部材及びリッド部材をどのような形状に形成しても構わない。
Moreover, in the said 1st Embodiment, although the base member was made into the bottomed cylindrical container
例えば、図4に示すように、ベース部材を平板状のベース基板52とし、リッド部材を有頂筒状の蓋体53とした密封容器51としても構わない。
ベース基板52には、第1貫通電極18および第2貫通電極19がそれぞれ形成されている。
For example, as shown in FIG. 4, a sealed
A first through
蓋体53は、筒状の周壁部53aと、該周壁部53aの上端部に連設され、且つ周壁部53aを塞ぐ頂壁部53bと、周壁部53aの下端部に連設され、且つ周壁部53aの径方向外方に延びるフランジ部53cと、を備えており、フランジ部53cが金属層12及び接合材13を介してベース基板52上に重ねられている。
そして、蓋体53は、接合材13を利用した溶接によってベース基板52上に固定されている。この際、蓋体53の周壁部53a及び頂壁部53bと、ベース基板52とで画成された空間が、収納空間Sとされている。また、蓋体53の内面には、第2集電体20が形成されている。
The lid 53 is connected to the cylindrical
The lid 53 is fixed on the
このように構成されたリチウムイオン二次電池50であっても、密封容器51の形状が異なるだけで同様の作用効果を奏効することができ、表面実装型の二次電池として利用することが可能である。
Even with the lithium ion
(第2実施形態)
次に、本発明に係る第2実施形態を、図5を参照して説明する。なお、この第2実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態ではチップ型の二次電池であったのに対して、第2実施形態ではボタン型の二次電池とされている点である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that a chip-type secondary battery is used in the first embodiment, whereas a button-type secondary battery is used in the second embodiment. It is.
即ち、本実施形態のリチウムイオン二次電池60は、図5に示すように、有底筒状の正極缶(ベース部材)62、及びこの正極缶62に対してガスケット63を介して固定され、正極缶62との間に密閉された収納空間Sを画成する負極缶(リッド部材)64を有する密封容器61と、収納空間S内に収納された電気化学素子3と、を備えている。
That is, as shown in FIG. 5, the lithium ion
正極缶62は、例えばステンレスの板材を絞り加工して有底筒状に形成されたものであり、その開口端縁は平面視円形状とされている。負極缶64は、有頂筒状に形成されており、その開口端縁は正極缶62の内部に入り込んでガスケット63を正極缶62との間で挟み込んでいる。また、正極缶62の開口端縁は、径方向内側に向かって加締められており、ガスケット63を負極缶64に押し付けて封口している。
このようにして、正極缶62と負極缶64とはガスケット63を介して互いに連結固定されている。
The positive electrode can 62 is formed, for example, by drawing a stainless plate material into a bottomed cylindrical shape, and its opening edge has a circular shape in plan view. The negative electrode can 64 is formed in a cylindrical shape with an opening, and the opening edge thereof enters the inside of the positive electrode can 62 and sandwiches the
In this way, the positive electrode can 62 and the negative electrode can 64 are connected and fixed to each other via the
なお、負極缶64を、ステンレスと硬質アルミニウムとを圧延加工にて貼り合わせた2層構造としても構わない。この場合、ステンレス層が外側、硬質アルミニウム層が内側になるように成形すれば良い。 Note that the negative electrode can 64 may have a two-layer structure in which stainless steel and hard aluminum are bonded together by rolling. In this case, the stainless steel layer may be formed outside and the hard aluminum layer formed inside.
正極缶62の底面には、炭素を導電性フィラーとする導電性樹脂接着剤からなる第1集電体15が形成され、該第1集電体15を介して正極ペレット(第1電極)65が固定されている。なお、第1集電体15を介して正極ペレット65を正極缶62に接着させた後、減圧加熱乾燥を行って正極缶62と正極ペレット65とを一体化(ユニット化)させても構わない。この場合、減圧加熱乾燥は、例えば280℃で8時間程度行えば良い。
A first
なお、正極ペレット65は、例えばLiMn含有酸化物に、導電剤としてのグラファイト、結着剤としてのポリアクリル酸樹脂を、90:7:3の割合で混合して正極合剤とし、該正極合剤を加圧成形してペレット状にしたものである。具体的には、7.5mgの正極合剤を2ton/2cm2の力で加圧成形してペレット状にしたものである。
The
正極ペレット65上には、セパレータ26を介して負極となるリチウムフォイル(第2電極)66が配設されている。リチウムフォイル66は、直径2mm、厚さ0.22mmに打ち抜かれたものである。
On the
なお、本実施形態の液体電解質Wにおいて用いられる溶媒としては、好ましくはジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、テトラエチレングリコールジアルキルエーテルから選択される1種以上のポリエチレングリコールジアルキルエーテルと、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジアチルエーテルとから選択される混合溶媒である。
そして、本実施形態では、上記混合溶媒にリチウムパーフルオロメチルスルホニルイミドを1mol/lの濃度に溶解したものが5μl、収納空間Sに充填されている。
The solvent used in the liquid electrolyte W of this embodiment is preferably one or more polyethylene glycol dialkyl ethers selected from diethylene glycol dialkyl ether, triethylene glycol dialkyl ether, tetraethylene glycol dialkyl ether, and ethylene glycol dimethyl ether. And a mixed solvent selected from ethylene glycol diacyl ether.
In this embodiment, the storage space S is filled with 5 μl of lithium perfluoromethylsulfonylimide dissolved in the mixed solvent at a concentration of 1 mol / l.
このように構成されたボタン型のリチウムイオン二次電池60であっても、チップ型とボタン型というタイプが異なるだけで、同様の作用効果を奏効することができ、耐使用温度が向上し、注意を払うことなくリフロー作業を行うことができると共に、充放電容量が向上し且つ電気化学特性が安定した高品質な二次電池とすることができる。
Even with the button-type lithium ion
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に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において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記各実施形態において、正極、負極及び液体電解質のそれぞれの材料については、正極と負極との間でリチウムイオンが移動可能とされ、該リチウムイオンの吸蔵放出による電荷の授受により充放電可能とされれば適宜自由に選択して構わない。
例えば、正極活物質としてFeS、負極活物質としてSiOを用いても構わない。また、正極活物質としてリチウム含有マンガン酸化物、負極活物質としてLi−Al合金等の金属リチウムと合金をなす金属間化合物を用いても構わない。
なお、リチウムの金属間化合物としては、Li−Al以外にも、Li−In合金、Li−Sn合金、Li−Si合金等を例示できる。これらの金属間化合物は、材料の強度等を向上させる目的で、上述の元素以外に第三の添加物を加えても良く、例えば、Ca、Mg、Si、Mn、V等の元素が例示できる。
For example, in each of the above embodiments, for each material of the positive electrode, the negative electrode, and the liquid electrolyte, lithium ions can be moved between the positive electrode and the negative electrode, and charge and discharge can be performed by receiving and transferring charges by occlusion and release of the lithium ions. If so, it may be freely selected as appropriate.
For example, FeS may be used as the positive electrode active material, and SiO may be used as the negative electrode active material. Moreover, you may use the intermetallic compound which makes metal lithium and alloys, such as Li-Al alloy, as a positive electrode active material and lithium-containing manganese oxide as a negative electrode active material.
In addition, as an intermetallic compound of lithium, Li-In alloy, Li-Sn alloy, Li-Si alloy, etc. can be illustrated besides Li-Al. These intermetallic compounds may be added with a third additive in addition to the above-described elements for the purpose of improving the strength and the like of the material. Examples thereof include elements such as Ca, Mg, Si, Mn, and V. .
また、上記各実施形態では、電気化学セルの一例として、リチウムイオン二次電池を例に挙げて説明したが、この場合に限定されるものではない。例えば、負極活物質として金属リチウムや、金属リチウムとアルミニウムや錫等の他の金属との合金を用いたリチウム二次電池でも構わないし、負極活物質にリチウムイオン吸蔵可能な炭素系材料を用い、そこにリチウムイオンを予めドープさせたリチウムイオンキャパシタ等の電気二重層キャパシタでも適用可能である。 In each of the above embodiments, a lithium ion secondary battery has been described as an example of an electrochemical cell. However, the present invention is not limited to this case. For example, a lithium secondary battery using metal lithium or an alloy of metal lithium and another metal such as aluminum or tin as the negative electrode active material may be used, or a carbon-based material capable of occluding lithium ions in the negative electrode active material is used. An electric double layer capacitor such as a lithium ion capacitor in which lithium ions are doped in advance can also be applied.
また、上記各実施形態では、収納空間内に液体電解質を充填し、負極、正極及びセパレータを浸漬させた構成にしたが、必ずしも浸漬させる必要はなく、少なくともセパレータに含浸されていれば良い。この場合であっても、セパレータと正極との界面、及びセパレータと負極との界面に確実に液体電解質を存在させて電気化学反応を行わせることができる。 In each of the above embodiments, the storage space is filled with the liquid electrolyte, and the negative electrode, the positive electrode, and the separator are immersed. Even in this case, the electrochemical reaction can be performed by reliably allowing the liquid electrolyte to be present at the interface between the separator and the positive electrode and the interface between the separator and the negative electrode.
また、電解質としては、液体電解質に限定されるものではなく、固体電解質を利用しても構わない。
この場合、アルミナやチタニアの繊維体を焼結させた焼結体であるセラミックペーパーに、無機の固体電解質(Li2S、SiS2、Li4SiO4)を練りこみ、又は、ホットプレスにより電極と固体電解質とを一体化させた状態のものをセパレータの代わりに隔離部材として利用することができる。
また、電極と固体電解質とを一体化させる方法として、該固体電解質を正極と負極との間に配置し積み重ねた状態でSPS法(通電焼結=プラズマ焼結)等の物理手法を用いて、電極と固体電解質とを一体化しても構わない。また、固体電解質を、正極又は負極の表面に、レーザアブレーション堆積法やRFスパッタ法、真空蒸着等の物理手法を用いて析出させた後、正極と負極との間に挟み、重ね合わせた後、圧着等で一体化した後に利用しても良い。
この場合であっても、固体電解質を通じて例えばリチウムイオンを正極と負極との間で移動させることができるので、確実な電気化学反応を行わせることができ、電気化学セルとして用いることが可能である。
Moreover, as an electrolyte, it is not limited to a liquid electrolyte, You may utilize a solid electrolyte.
In this case, an inorganic solid electrolyte (Li 2 S, SiS 2 , Li 4 SiO 4 ) is kneaded into a ceramic paper that is a sintered body obtained by sintering a fiber body of alumina or titania, or an electrode is formed by hot pressing. And a solid electrolyte can be used as a separating member instead of a separator.
In addition, as a method of integrating the electrode and the solid electrolyte, using a physical method such as the SPS method (electric current sintering = plasma sintering) in a state in which the solid electrolyte is arranged and stacked between the positive electrode and the negative electrode, The electrode and the solid electrolyte may be integrated. In addition, after depositing the solid electrolyte on the surface of the positive electrode or the negative electrode by using a physical method such as laser ablation deposition method, RF sputtering method, vacuum deposition, etc., sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and after overlapping, It may be used after being integrated by pressure bonding or the like.
Even in this case, for example, lithium ions can be moved between the positive electrode and the negative electrode through the solid electrolyte, so that a reliable electrochemical reaction can be performed and it can be used as an electrochemical cell. .
特に、この場合には液体の電解質を用いる必要がないので、組立性に優れており生産性を高めることができる。また、リフロー時に液体の電解質が蒸発するといった懸念がないので、リフロー作業をより効率良く行うことができる。 In particular, in this case, since it is not necessary to use a liquid electrolyte, the assemblability is excellent and the productivity can be increased. In addition, since there is no concern that the liquid electrolyte evaporates during reflow, the reflow operation can be performed more efficiently.
更に、上記固体電解質シートを隔離部材として利用する場合、該固体電解質シートと正極と負極とを互いに積層した状態で予め一体的に組み合わせても構わない。こうすることで、正極、負極及び固体電解質シートを1つのユニットとして取り扱うことができるので、さらに組立作業を容易に行うことができ、生産性をさらに高めることができる。 Further, when the solid electrolyte sheet is used as a separating member, the solid electrolyte sheet, the positive electrode, and the negative electrode may be combined together in advance in a state where they are laminated with each other. By doing so, since the positive electrode, the negative electrode, and the solid electrolyte sheet can be handled as one unit, the assembling work can be further facilitated, and the productivity can be further increased.
S…収納空間
W…液体電解質(電解質)
1、40、45、50、60…リチウムイオン二次電池(電気化学セル)
2、51、61…密封容器
3…電気化学素子
10…容器本体(ベース部材)
11…封口板(リッド部材)
15…第1集電体
20…第2集電体
25…正極(第1電極)
26…セパレータ(隔離部材)
27…負極(第2電極)
52…ベース基板(ベース部材)
53…蓋体(リッド部材)
62…正極缶(ベース部材)
64…負極缶(リッド部材)
65…正極ペレット(第1電極)
66…リチウムフォイル(第2電極)
S ... Storage space W ... Liquid electrolyte (electrolyte)
1, 40, 45, 50, 60 ... lithium ion secondary battery (electrochemical cell)
2, 51, 61 ...
11. Sealing plate (lid member)
DESCRIPTION OF
26. Separator (isolation member)
27 ... Negative electrode (second electrode)
52. Base substrate (base member)
53. Lid (lid member)
62 ... Positive electrode can (base member)
64 .. Negative electrode can (lid member)
65 ... Positive electrode pellet (first electrode)
66 ... Lithium foil (second electrode)
Claims (4)
前記収納空間内に収納され、充放電可能な電気化学素子と、を備え、
前記電気化学素子は、
前記第1集電体に固定された第1電極と、
該第1電極上にシート状の隔離部材を挟んで重ねられた状態で前記第2集電体に接し、電解質を通じて金属イオンを第1電極との間で移動させる第2電極と、を有し、
前記隔離部材は、セラミックスの繊維体を焼結させた焼結体を有し、
前記隔離部材の材質のうち、前記繊維体が占める割合は、80%から90%であることを特徴とする電気化学セル。 A base member in which the first current collector is formed, and a lid member in which the second current collector is formed while being fixed to the base member, and a storage space is defined between the two members. A sealed container;
An electrochemical element housed in the housing space and chargeable / dischargeable,
The electrochemical element is
A first electrode fixed to the first current collector;
A second electrode that is in contact with the second current collector in a state of being stacked on the first electrode with a sheet-like isolation member interposed therebetween, and moves metal ions to and from the first electrode through the electrolyte. ,
The isolation member has a sintered body obtained by sintering a ceramic fiber body ,
The electrochemical cell according to claim 1 , wherein a ratio of the fibrous body to the material of the isolation member is 80% to 90% .
前記繊維体は、アルミナ又はチタニアからなることを特徴とする電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1.
The electrochemical cell is made of alumina or titania.
前記電解質は、固体電解質であり、
前記隔離部材には、前記固体電解質が含まれていることを特徴とする電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1 or 2,
The electrolyte is a solid electrolyte;
The electrochemical cell, wherein the isolation member includes the solid electrolyte.
前記隔離部材、前記正極及び前記負極は、互いに積層された状態で一体的に組み合わされていることを特徴とする電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 3,
The electrochemical cell, wherein the isolation member, the positive electrode, and the negative electrode are integrally combined in a stacked state.
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