DE112011105588T5

DE112011105588T5 - Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten

Info

Publication number: DE112011105588T5
Application number: DE112011105588.9T
Authority: DE
Inventors: Yukihiro Okada; Tomoyoshi Ueki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: US9219292B2; CN103765630A; JP5828342B2; CN103765630B; WO2013031012A1; US20140220402A1; JPWO2013031012A1; DE112011105588B4

Abstract

Eine Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten ist mit einer Elektrodenwickeleinheit versehen, in der eine Positivelektrodenlage und eine Negativelektrodenlage mit einer dazwischen angeordneten porösen Separatorlage (30) gewickelt sind. Auf einer Seite der Separatorlage (30) ist eine Füllstoffschicht (40) ausgebildet, die einen anorganischen Füllstoff und ein Bindemittel umfasst. Die Füllstoffschicht (40) ist in der Wickelrichtung der Separatorlage (30) zusammenhängend vom Wickelstartende (38A) bis zum Wickelabschlussende (38B) dieser Lage vorgesehen. Die Separatorlage (30) hat in Bereichen, die eine vorgeschriebene Breite (WA, WB) vom Wickelstartende (38A) und/oder Wickelabschlussende (38B) der Lage zur Mitte der Lage hin haben, Bereiche geringer Porosität (36A, 36B), die eine geringere Porosität als eine Stelle (35) außerhalb dieser Bereiche haben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten und insbesondere auf eine Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten, in der auf einer Seite eines Separators eine Füllstoffschicht vorgesehen ist.
Stand der Technik
Lithiumsekundärbatterien, Nickelhydridbatterien und andere Sekundärbatterien haben in den letzten Jahren als an einem Fahrzeug montierte Stromquellen und als Stromquellen für Personalcomputer und tragbare und mobile Elektrogeräte Verwendung gefunden. Insbesondere wächst die Bedeutung von Lithiumsekundärbatterien, die leicht sind und eine hohe Energiedichte liefern, als Hochleistungsfahrzeugstromquellen. Eine typische Gestaltung für diese Art von Lithiumsekundärbatterie ist mit einer Elektrodeneinheit versehen, die einen Aufbau hat, in dem lagenförmige Elektroden in einer Spiralform gewickelt sind (Elektrodenwickeleinheit). Um diese Elektrodenwickeleinheit auszubilden, werden zum Beispiel eine Positivelektrodenlage mit einem Aufbau, in dem eine Positivelektroden-Aktivmaterialschicht, die ein Positivelektroden-Aktivmaterial enthält, auf beiden Seiten eines Positivelektroden-Stromkollektors getragen wird, und eine Negativelektrodenlage mit einem Aufbau, in dem eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht, die ein Negativelektroden-Aktivmaterial enthält, auf beiden Seiten eines Negativelektroden-Stromkollektors getragen wird, in einer Spiralgestaltung mit einer dazwischen liegenden Separatorlage gewickelt werden.
Als die Separatorlage ist eine poröse Harzlage verwendet worden, die z. B. Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) umfasst. Diese Separatorlage, die porös ist, unterliegt einer Wärmeschrumpfung, wenn die Temperatur höher wird. Dies wird dazu genutzt, eine Abschaltfunktion zu erzeugen. Wenn jedoch eine große Wärmeschrumpfung stattfindet, wird durch zum Beispiel einen Filmriss ein lokaler Kurzschluss erzeugt, und von dieser Stelle aus kann sich zusätzlicher Kurzschluss ausbreiten. Um eine Wärmeschrumpfung durch die Separatorlage zu verhindern, ist somit die Ausbildung einer Füllstoffschicht (poröse wärmebeständige Schicht) auf der Oberfläche der Separatorlage vorgeschlagen worden (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
Entgegenhaltungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2001-043842 A

Kurzdarstellung der Erfindung
Allerdings tendieren Separatorlagen dazu, leicht eine Dehnung und Kontraktion zu erfahren, während Füllstoffschichten dazu tendieren, sich einer Dehnung und Kontraktion zu widersetzen. Wenn eine Füllstoffschicht nur auf einer Seite einer Separatorlage 90 angeordnet ist, wie in den 9 und 10 gezeigt ist, rollt sich infolgedessen – aufgrund der Unterschiede bei der Dehnung/Kontraktion zwischen der Separatorlage 90 und der Füllstoffschicht – das Ende der Separatorlage 90 zusammen, wenn die Umgebung, z. B. die thermische Umgebung oder Feuchtigkeit, eine Änderung erfährt, und an der innersten Umfangsfläche und der äußersten Umfangsfläche einer Elektrodenwickeleinheit 94 wird dann ein Kringel (eine Krümmungsverformung) 92 erzeugt. Dieser Kringel verschlechtert die Einführbarkeit während des Einführens der Elektrodenwickeleinheit 94 in das Batteriegehäuse und während des Einführens des Wickelkerns in die Elektrodeneinheit 94 und kann somit Produktionsfehler hervorrufen.
Wenn darüber hinaus eine flache Elektrodenwickeleinheit angefertigt wird, indem die Elektrodenwickeleinheit 94, wie in 11 gezeigt ist, in eine flache Form gepresst wird, wird der Kringelbereich 92 durch dieses Pressen gequetscht, und an der innersten Umfangsfläche und der äußersten Umfangsfläche der Elektrodenwickeleinheit 94 kann eine Höhendifferenz 96 ausgebildet werden. Wenn eine solche Höhendifferenz 96 erzeugt wird, kann sich der Druck (die Flächenpressung), der von der Elektrodenwickeleinheit 94 aufgrund der Rückhaltelast (zum Beispiel die Rückhaltelast, die aufgebracht wird, um die Batterie am Anschwellen zu hindern) aufgenommen wird, zwischen der Höhendifferenz 96 und den umgebenden Bereichen unterscheiden. Eine Ungleichmäßigkeit dieses Lastdrucks ist ungünstig, da er eine Ungleichmäßigkeit der Stärke des Drucks innerhalb der Wicklung erzeugen kann, die wiederum eine Ungleichmäßigkeit der Verteilung der Batteriebestandteile, z. B. des Elektrolyten und so weiter, innerhalb der Wicklung erzeugen kann und infolgedessen das Zyklusverhalten der Batterie verschlimmern kann. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen.
Die erfindungsgemäße Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten ist eine Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten, die mit einer Elektrodenwickeleinheit (vorzugsweise in abgeflachter Gestaltung) versehen ist, in der eine Positivelektrodenlage und eine Negativelektrodenlage mit einer dazwischen liegenden porösen Separatorlage gewickelt sind. Auf einer der Oberflächen dieser Separatorlage ist eine Füllstoffschicht ausgebildet, die einen anorganischen Füllstoff und ein Bindemittel aufweist. Die Füllstoffschicht ist in der Wickelrichtung der Separatorlage zusammenhängend von einem Wickelstartende bis zu einem Wickelabschlussende der Lage angeordnet. Diese Separatorlage hat in einem Bereich, der vom Wickelstartende und/oder vom Wickelabschlussende der Lage aus zur Mitte der Lage hin eine vorgeschriebene Breite hat, einen Bereich geringer Porosität, der eine Porosität hat, die geringer als an einer Stelle außerhalb dieses Bereichs ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Bereichs geringer Porosität in dem Bereich, der vom Wickelstartende und/oder vom Wickelabschlussende der Separatorlage aus zur Mitte der Lage hin eine vorgeschriebene Breite hat, zeigt die Separatorlage in diesem Bereich geringer Porosität einen geringen Grad an Dehnung/Kontraktion, und es gibt somit auch dann, wenn sich die Umgebung, z. B. die thermische Umgebung, die Feuchtigkeit und so weiter, ändert, einen geringen Unterschied in der Dehnung/Kontraktion zwischen der Separatorlage und der Füllstoffschicht. Aufgrund dessen wird die Spannung, die ein Kringeln (eine Krümmungsverformung) hervorruft und die von diesem Ende ausgeht, abgebaut und die Erzeugung von Kringeln in der Separatorlage wird unterdrückt. Die Verwendung einer solchen Separatorlage ermöglicht die Fertigung einer Hochleistungssekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten, in der die verschiedenen durch Kringeln hervorgerufenen Fehler beseitigt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der hier offenbarten Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten ist der Bereich geringer Porosität durch eine Komprimierung des Bereichs ausgebildet, der von dem Ende der Separatorlage aus eine vorgeschriebene Weite hat. Der Bereich geringer Porosität kann bei Verwendung einer solchen Umsetzung leicht ausgebildet werden. Oder der Bereich geringer Porosität kann durch Füllen der Poren in der Separatorlage mit einem Harz ausgebildet sein.
In einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel der hier offenbarten Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten erfüllt der durch X = [(H2 – H1)/H2] × 100 gegebene Porositätsverringerungsprozentsatz X 5 ≤ X ≤ 90, wobei H1 die Porosität des Bereichs geringer Porosität der Separatorlage ist und H2 die Porosität an einer Stelle außerhalb dieses Bereichs ist. Wenn dieser Porositätsverringerungsprozentsatz X zu klein ist, wird die oben beschriebene Kringelhemmwirkung nicht in zufriedenstellendem Maße erzielt. Wenn der Porositätsverringerungsprozentsatz X andererseits zu groß ist, ist dies aufgrund einer Verringerung der Kringelhemmwirkung beinahe ohne Vorteil, und zusätzlich können aufgrund einer Verringerung der Flexibilität in dem Bereich neben dem Ende der Separatorlage Fehler wie Wickelfehler erzeugt werden, wenn die Separatorlage während der Anfertigung der Elektrodenwickeleinheit gewickelt wird.
Die Breite des Bereichs geringer Porosität beträgt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der hier beschriebenen Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten 2 mm bis 40 mm. Es kann ein zufriedenstellender Ausdruck der Kringelhemmwirkung erzielt werden, wenn die Breite, über der der Bereich geringer Porosität angeordnet ist, mindestens 2 mm (vorzugsweise mindestens 5 mm und besser mindestens 10 mm) beträgt. Wenn der Bereich geringer Porosität zu breit ist, können andererseits die Kosten aufgrund einer Zunahme des unproduktiven Teils der Separatorlage zunehmen. Von der Kostensenkung her gesehen sind nicht mehr als etwa 40 mm günstig und sind zum Beispiel nicht mehr als 30 mm besonders vorzuziehen.
Die Dicke der Füllstoffschicht beträgt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der hier offenbarten Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten nicht mehr als 5 μm. Eine Füllstoffschichtdicke von nicht mehr als 5 μm ist hinsichtlich einer Erhöhung der Ionendurchlässigkeit der Füllstoffschicht vorteilhaft. Andererseits ist bei dieser Gestaltung die Formhaltekraft aufgrund der Füllstoffschicht geringer und die Separatorlage ist dann recht anfällig für ein Kringeln. Somit kann sich die Wirkung, die durch den erfindungsgemäßen Aufbau erzeugt wird, d. h. eine Hemmung des Kringelns durch das Anordnen eines Bereichs geringer Porosität in einem Bereich, der von dem Ende der Separatorlage aus eine vorgeschriebene Breite hat, besonders gut äußern, wenn die Dicke der Füllstoffschicht nicht mehr als 5 μm beträgt.
Das Material des anorganischen Füllstoffs unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, umfasst aber vorzugsweise mindestens eine anorganische Verbindung, die aus der aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirconiumoxid, Siliciumoxid, Böhmit und Titanoxid bestehenden Gruppe gewählt ist. Als anorganische Füllstoffe (typischerweise Partikel), die an die Aufgaben der Erfindung angepasst sind, werden vorzugsweise diese anorganischen Verbindungen verwendet, da sie hohe Schmelzpunkte und hervorragende Wärmebeständigkeiten haben.
Die die Füllstoffschicht tragende Separatorlage hat in einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel der hier offenbarten Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten die folgende Eigenschaft: Wenn der Bereich geringer Porosität der Separatorlage abgeschnitten und entfernt wird und die Separatorlage dann eine Stunde lang auf einer horizontalen Oberfläche gehalten wird, beträgt der Kringelwinkel, der als der Winkel definiert ist, der zwischen der horizontalen Oberfläche und der Bahn ausgebildet ist, die von der Spitze des abgeschnittenen Endes der Lage beschrieben wird, die sich von der horizontalen Fläche erhoben hat, mindestens 90°. Eine Separatorlage, die diese Eigenschaft hat, ist recht anfällig für Kringeln und die Anwendung der Erfindung bei einer solchen Separatorlage ist daher von besonderer Bedeutung.
Sämtliche der hier offenbarten Sekundärbatterien mit nichtwässrigem Elektrolyten sind, da sie wenig Kringeln zeigen und somit eine hervorragende Batterieleistung (zum Beispiel ein hervorragendes Zyklusverhalten) zeigen, gut als zum Beispiel an einem Fahrzeug montierte Sekundärbatterien mit nichtwässrigem Elektrolyten (zum Beispiel Lithiumsekundärbatterien) in zum Beispiel Kraftfahrzeugen geeignet. Dementsprechend kann die Erfindung ein Fahrzeug (zum Beispiel ein Kraftfahrzeug) zur Verfügung stellen, in dem als Stromquelle (typischerweise eine Stromquelle für ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug) die Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten montiert ist (möglicherweise als ein Batteriepack gestaltet, in dem eine Vielzahl der Sekundärbatterien mit nichtwässrigem Elektrolyten verbunden ist).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht, die schematisch eine Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie II-II in 1;
3 ist eine schematische Darstellung, um eine Elektrodenwickeleinheit zu beschreiben, die in einer Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
4 ist eine Darstellung, die schematisch eine Elektrodenwickeleinheit darstellt, die in einer Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
5 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Separatorlage darstellt, die in einer Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
6 ist eine Draufsicht auf 5;
7 ist eine Darstellung, um das Kringelausmaß zu erläutern;
8 ist eine Seitenansicht, die ein Fahrzeug darstellt, in dem eine Batterie montiert ist;
9 ist eine Darstellung, die schematisch eine herkömmliche Separatorlage darstellt;
10 ist ein Diagramm, das schematisch eine herkömmliche Elektrodenwickeleinheit darstellt; und
11 ist eine Darstellung, die schematisch eine herkömmliche flache Elektrodenwickeleinheit darstellt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beschrieben. In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen sind Bauteilen und Positionen, die die gleiche Funktion ausüben, mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Abmessungszusammenhänge (Länge, Breite, Dicke und so weiter) in den einzelnen Zeichnungen geben nicht die tatsächlichen Abmessungszusammenhänge wieder. Darüber hinaus können Fragen, die für die Durchführung der Erfindung nötig sind, aber nicht besonders in dieser Beschreibung beschrieben werden (zum Beispiel die Verfahren zum Herstellen des Positivelektroden-Aktivmaterials und des Negativelektroden-Aktivmaterials, der Aufbau und die Herstellung des Separators und Elektrolyten und die allgemeine Technologie zur Anfertigung von Sekundärbatterien mit nichtwässrigem Elektrolyten) beruhend auf der herkömmlichen Technik auf dem einschlägigen Gebiet als Gestaltungsfragen für den einzelnen Fachmann verstanden werden.
Die Erfindung wird im Folgenden ausführlich unter Verwendung des Beispiels einer Lithiumsekundärbatterie beschrieben, die eine Gestaltung hat, in der ein nichtwässriger Elektrolyt und eine Elektrodeneinheit, die gewickelt worden ist (eine Elektrodenwickeleinheit), in einem rechteckigen Batteriegehäuse untergebracht sind, doch soll dies keine besondere Beschränkung darstellen.
- Lithiumsekundärbatterie -
In den 1 bis 4 ist der Aufbau der Lithiumsekundärbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Lithiumsekundärbatterie 100 hat einen Aufbau, in dem eine Elektrodeneinheit (Elektrodenwickeleinheit) 80 – die eine lange Positivelektrodenlage 10 und eine lange Negativelektrodenlage 20 umfasst, die mit einer langen Separatorlage 30 dazwischen aufeinander gestapelt und gewickelt worden sind – mit einem nichtwässrigen Elektrolyten (nicht gezeigt) in einem Batteriegehäuse 50 untergebracht ist, das eine Form (Kastenform) hat, die die Elektrodenwickeleinheit 80 aufnehmen kann.
Das Batteriegehäuse 50 ist mit einem kastenförmigen Gehäusehauptkörper 52, der ein offenes oberes Ende hat, und mit einem Deckel 54 versehen, der diese Öffnung verschließt. Als das Material, das das Batteriegehäuse 50 bildet, wird vorzugsweise ein Metall wie Aluminium, Stahl, vernickelter SUS und so weiter verwendet. Oder das Batteriegehäuse 50 kann durch Formen eines Harzes wie PPS, Polyimidharz und so weiter hergestellt werden. Auf der Oberseite (das heißt im Deckel 54) des Batteriegehäuses 50 sind ein Positivelektrodenanschluss 70, der elektrisch mit der positiven Elektrode 10 der Elektrodenwickeleinheit 80 verbunden ist, und ein Negativelektrodenanschluss 72, der elektrisch mit der negativen Elektrode 20 der Elektrodenwickeleinheit 80 verbunden ist, angeordnet. Die Elektrodenwickeleinheit 80 ist innerhalb des Batteriegehäuses 50 zusammen mit einem nichtwässrigen Elektrolyten (nicht gezeigt) untergebracht.
- Elektrodenwickeleinheit -
Die Elektrodenwickeleinheit 80 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist mit Ausnahme des Aufbaus der Separatorlage 30, siehe unten, die gleiche wie der Elektrodenwickelaufbau in einer gewöhnlichen Lithiumsekundärbatterie, und er hat, wie in 3 gezeigt ist, in der Stufe vor dem Zusammenbau der Elektrodenwickeleinheit 80 einen langen Lagenaufbau (lagenförmige Elektrodeneinheit).
Die Positivelektrodenlage 10 hat einen Aufbau, in dem eine Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 14, die ein Positivelektroden-Aktivmaterial umfasst, auf beiden Seiten einer langen, lagenförmigen Folie eines Positivelektroden-Stromkollektors 12 getragen wird. Allerdings ist die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 14 nicht an einer Seitenkante (am unteren Kantenbereich in der Figur) entlang eines in der Breitenrichtung verlaufenden Rands der Positivelektrodenlage 10 vorhanden, wodurch ein von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freier Bereich ausgebildet wird, in dem der Positivelektroden-Stromkollektor 12 über eine vorgeschriebene Breite frei liegt.
Wie die Positivelektrodenlage 10 hat auch die Negativelektrodenlage 20 einen Aufbau, in dem eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 24, die ein Negativelektroden-Aktivmaterial umfasst, auf beiden Seiten einer langen, lagenförmigen Folie eines Negativelektroden-Stromkollektors 22 getragen wird. Allerdings ist die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 24 nicht an einer Seitenkante (am oberen Kantenbereich in der Figur) entlang eines in der Breitenrichtung verlaufenden Bereichs der Negativelektrodenlage 20 vorhanden, wodurch ein von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freier Bereich ausgebildet wird, in dem der Negativelektroden-Stromkollektor 22 über eine vorgeschriebene Breite frei liegt.
Während der Fertigung der Elektrodenwickeleinheit 80 wird eine lagenförmige Elektrodeneinheit angefertigt, indem, wie in 3 gezeigt ist, eine Positivelektrodenlage 10 mit einer Negativelektrodenlage 20 mit zwei dazwischen liegenden Separatorlagen 30 gestapelt wird. Dabei erfolgt das Stapeln mit der etwas in der Breitenrichtung verschobenen Positivelektrodenlage 10 und Negativelektrodenlage 20, sodass sich der von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich auf der Positivelektrodenlage 10 und der von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich auf der Negativelektrodenlage 20 jeweils von den zwei in der Breitenrichtung liegenden Seiten der Separatorlage 30 aus erstrecken. Die durch dieses Stapeln angefertigte lagenförmige Elektrodeneinheit kann gewickelt werden, um die Elektrodenwickeleinheit 80 anzufertigen.
Im zentralen Bereich in der Richtung der Wickelachse der Elektrodenwickeleinheit 80 ist ein gewickelter Kernbereich 82 ausgebildet (d. h. der Bereich, in dem die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 14 der Positivelektrodenlage 10, die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 24 der Negativelektrodenlage 20 und die Separatorlage 30 dicht geschichtet sind). Außerdem erstrecken sich die von der Elektrodenaktivmaterialschicht freien Bereiche auf der Positivelektrodenlage 10 und der Negativelektrodenlage 20 jeweils an den in der Richtung der Wickelachse der Elektrodenwickeleinheit 80 liegenden zwei Kanten von dem gewickelten Kernbereich 82 aus zur Außenseite. An dem vorstehenden Bereich 84 auf der Seite der positiven Elektrode (d. h. dem Bereich, in dem die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 14 nicht ausgebildet ist) und dem vorstehenden Bereich 86. auf der Seite der negativen Elektrode (d. h. dem Bereich, an dem die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 24 nicht ausgebildet ist) sind jeweils ein Positivelektrodenleitungsanschluss 74 und ein Negativelektrodenleitungsanschluss 76 angebracht und jeweils elektrisch mit dem Positivelektrodenanschluss 70 und dem Negativelektrodenanschluss 72 verbunden.
- Positivelektrodenlage -
Mit Ausnahme der Separatorlage 30 können die strukturellen Elemente, die die Elektrodenwickeleinheit 80 bilden, die gleichen wie für eine Elektrodenwickeleinheit in einer herkömmlichen Lithiumsekundärbatterie sein und sie unterliegen keinen besonderen Beschränkungen. Zum Beispiel kann die Positivelektrodenlage 10 ausgebildet werden, indem auf einem langen Positivelektroden-Stromkollektor 12 eine Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 14 angebracht wird, deren Hauptbestandteil ein Positivelektroden-Aktivmaterial für den Einsatz in Lithiumsekundärbatterien ist. Für den Positivelektroden-Stromkollektor 12 wird günstiger Weise eine Aluminiumfolie oder eine andere Metallfolie verwendet, die für den Einsatz in einer positiven Elektrode geeignet ist. Als das Positivelektroden-Aktivmaterial können ohne besondere Beschränkung ein oder zwei oder mehr der bislang in Lithiumionenbatterien verwendeten Substanzen verwendet werden. Positivelektroden-Aktivmaterialien, in denen der Hauptbestandteil ein Oxid ist, das als seine konstituierenden Metallelemente Lithium und ein Übergangsmetallelement enthält (ein Lithium-Übergangsmetalloxid), z. B. Lithium-Nickeloxide (zum Beispiel LiNiO₂), Lithium-Cobaltoxide (zum Beispiel LiCoO₂) und Lithium-Manganoxide (zum Beispiel LiMn₂O₄), sind bevorzugte Beispiele für den Einsatz der hier offenbarten Technologie.
- Negativelektrodenlage -
Die Negativelektrodenlage 20 kann ausgebildet werden, indem auf einen langen Negativelektroden-Stromkollektor 22 eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 24 angebracht wird, die als ihren Hauptbestandteil ein Negativelektroden-Aktivmaterial für den Einsatz in Lithiumsekundärbatterien hat. Für den Negativelektroden-Stromkollektor 22 wird günstiger Weise eine Kupferfolie oder eine andere Metallfolie verwendet, die für den Einsatz in einer negativen Elektrode geeignet ist. Als das Negativelektroden-Aktivmaterial können ohne besondere Beschränkung ein oder zwei oder mehr der bislang in Lithiumsekundärbatterien verwendeten Substanzen verwendet werden. Günstige Beispiele sind kohlenstoffhaltige Materialien wie Graphitkohlenstoff und amorpher Kohlenstoff, lithiumhaltige Übergangsmetalloxide und lithiumhaltige Übergangsmetallnitride.
- Separatorlage -
Als das Material der Separatorlage 30, die zwischen der Positivelektrodenlage 10 und der Negativelektrodenlage 20 verwendet wird, kann zum Beispiel günstiger Weise ein Polyolefinharz, z. B. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und so weiter, verwendet werden. Der Aufbau der Separatorlage 30 kann ein einschichtiger Aufbau oder ein mehrschichtiger Aufbau sein. Die Separatorlage 30 setzt sich in diesem Fall aus einem Harz auf PE-Basis zusammen. Als dieses Harz auf PE-Basis wird vorzugsweise Ethylenhomopolymer verwendet. Außerdem kann dieses Harz auf PE-Basis ein Harz sein, das mindestens 50 Masse% von Ethylen abgeleiteter, sich wiederholender Einheiten enthält, oder ein Copolymer, das durch die Polymerisation von Ethylen mit einem copolymerisierbaren α-Olefin bereitgestellt wird, oder ein Copolymer, das durch die Polymerisation von Ethylen mit mindestens einem copolymerisierbaren Monomer bereitgestellt wird. Für das α-Olefin kann Propylen als Beispiel genannt werden. Für das andere Monomer können konjugierte Diene (zum Beispiel Butadien), Acrylsäure und so weiter als Beispiele genannt werden.
Die Separatorlage 30 setzt sich vorzugsweise aus einem PE zusammen, das eine Abschalttemperatur weit unter der Wärmebeständigkeitstemperatur (zum Beispiel mindestens ungefähr 200°C) der Batterie hat. Für dieses PE können im Allgemeinen Polyolefine als Beispiele genannt werden, die als Polyethylen hoher Dichte, geradkettiges (lineares) Polyethylen geringer Dichte und so weiter bekannt sind. Oder es können die verschiedenen verzweigten Polyethylene mittlerer Dichte und geringer Dichte verwendet werden. Falls nötig, können verschiedene Additive, z. B. Weichmacher, Antioxidationsmittel und so weiter, eingebaut werden.
Für die Separatorlage 30 kann günstiger Weise eine monoaxial verstreckte oder biaxial verstreckte poröse Harzlage verwendet werden. Unter diesen wird eine poröse Harzlage, die monoaxial in der Längsrichtung (Maschinenrichtung oder MD) verstreckt worden ist, besonders bevorzugt, da sie wenig Wärmeschrumpfung in der Breitenrichtung zeigt, während sie für eine zufriedenstellende Festigkeit sorgt. Wenn eine Separatorlage verwendet wird, die eine solche Harzlage hat, die in der Längsrichtung monoaxial verstreckt worden ist, kann die Wärmeschrumpfung in der Längsrichtung zum Beispiel auch bei der Gestaltung unterdrückt werden, bei der sie mit einer langen, lagenförmigen positiven Elektrode und negativen Elektrode gewickelt ist. Dementsprechend ist eine poröse Harzlage, die monoaxial in der Längsrichtung verstreckt worden ist, ein besonders günstiges Material für die Separatorlage, die ein Bestandteil der betrachteten Elektrodenwickeleinheit ist.
Die Dicke der Separatorlage 30 beträgt vorzugsweise ungefähr 10 μm bis 30 μm und besser ungefähr 15 μm bis 25 μm. Die Ionendurchlässigkeit der Separatorlage 30 kann sich verringern, wenn die Separatorlage 30 zu dick ist. Andererseits kann ein Filmriss auftreten, wenn die Separatorlage 30 zu dünn ist. Die Dicke der Separatorlage 30 kann ermittelt werden, indem an einem Bild, das unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM) durch Fotografie erzielt wurde, eine Bildanalyse durchgeführt wird.
Die Separatorlage 30 kann einen einlagigen Aufbau haben, der eine PE-Lage verwendet, oder eine Separatorlage, die einen mehrlagigen Aufbau hat. Zum Beispiel kann sie einen dreilagigen Aufbau aus einer PP-Schicht, einer auf dieser PP-Schicht laminierten PE-Schicht und einer auf der PE-Schicht laminierten PP-Schicht haben. In diesem Fall kann die Füllstoffschicht 40 auf einer der PP-Lagen aufgeschichtet sein. Die Anzahl an Schichten in einer Separatorlage mit einem mehrlagigen Aufbau ist nicht auf drei beschränkt und kann zwei oder vier oder mehr betragen.
Wie in 3 gezeigt ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einer Seite der in der Elektrodenwickeleinheit vorhandenen Separatorlage 30 eine Füllstoffschicht 40 ausgebildet. Die Füllstoffschicht 40 ist in der Längsrichtung (Wickelrichtung) der Separatorlage 30 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Füllstoffschicht 40 an der Grenzfläche zwischen der Positivelektrodenlage 10 und der Separatorlage 30 angeordnet. Diese Füllstoffschicht 40 umfasst einen anorganischen Füllstoff (typischerweise Partikel) und ein Bindemittel. Das Bindemittel dient dazu, den anorganischen Füllstoff an der Oberfläche der Separatorlage 30 zu verankern und auch Kohäsion mit dem anorganischen Füllstoff herbeizuführen. An den Stellen, an denen das Bindemittel nicht festhaftet, ist zwischen benachbarten anorganischen Füllstoffelementen eine Vielzahl von Lücken ausgebildet. Indem ein nichtwässriger Elektrolyt (in diesem Fall eine nichtwässrige Elektrolytlösung) dazu gebracht wird, in diesen Lücken gehalten zu werden (indem die Füllstoffschicht 40 mit der nichtwässrigen Elektrolytlösung getränkt wird), kann eine Li-Ionen-Bewegung zwischen den zwei Elektroden 10, 20 sichergestellt werden und eine zufriedenstellende Batterieleistung erzielt werden.
Der anorganische Füllstoffbestandteil der Füllstoffschicht ist vorzugsweise ein Material, das hohes elektrisches Isoliervermögen und einen Schmelzpunkt oberhalb dem der Separatorlage 30 hat. Dieses Material kann zum Beispiel ein Metalloxid, Metallhydroxid, Metallnitrid und so weiter sein. Die Form des anorganischen Materials kann zum Beispiel partikelförmig, faserförmig oder flockenförmig sein. Die Verwendung eines partikelförmigen anorganischen Materials wird im Allgemeinen bevorzugt. Günstiger Weise können Partikel eines anorganischen Oxids oder eines anorganischen Hydroxyds verwendet werden. Beispiele hierfür sind Aluminiumoxid, Böhmit, Magnesiumoxid, Titandioxid, Siliciumoxid und Zirconiumoxid. Aluminiumoxid, Böhmit, Magnesiumoxid und Titanoxid sind besonders bevorzugte anorganische Verbindungen. Eine einzelne dieser anorganischen Verbindungen kann für sich selbst verwendet werden, oder zwei oder mehr von ihnen können in Kombination verwendet werden. Die Verwendung dieser anorganischen Verbindungen kann günstiger Weise die Wärmebeständigkeit und mechanische Festigkeit sicherstellen. Der auf einer Laserbeugungs-/-streumethode beruhende, volumenbasierte mittlere Teilchendurchmesser (D50) der anorganischen Verbindung kann zum Beispiel 0,1 μm bis 1 μm betragen.
Das in der Füllstoffschicht verwendete Bindemittel wird dazu verwendet, den anorganischen Füllstoff zu binden, und es können ohne besondere Beschränkung für das Material selbst, das das Bindemittel bildet, ganz allgemein verschiedene Materialien verwendet werden. Wenn der die Füllstoffschicht bildende Aufstrich zum Beispiel ein wässriges Lösungsmittel ist (eine Lösung, in der das Dispersionsmedium für das Bindemittel Wasser ist, oder ein Lösungsmittelgemisch, in dem der Hauptbestandteil Wasser ist), kann ein Polymer verwendet werden, das in wässrigen Lösungsmitteln Dispersion oder Auflösung erfährt. Acrylharze sind ein Beispiel von Polymeren, die dazu imstande sind, in wässrigen Lösungen dispergiert oder aufgelöst zu werden. Als dieses Acrylharz werden vorzugsweise Homopolymere verwendet, die durch die Polymerisation eines einzelnen Monomers, z. B. Acrylsäure, Methacrylsäure, Acrylamid, Methacrylamid, 2-Hydroxyethylacrylat, 2-Hydroxyethylmethacrylat, Methylmethacrylat, Ethylhexylacrylat, Butylacrylat und so weiter, bereitgestellt werden. Das Acrylharz kann auch ein Copolymer sein, das durch die Polymerisation von zwei oder mehr der oben genannten Monomere bereitgestellt wird. Es kann auch ein Gemisch von zwei oder mehr Auswahlen aus diesen Homopolymeren und Copolymeren sein. Neben diesen Acrylharzen können zum Beispiel auch Styrol-Butadien-Kautschuke (SBR), Polyolefinharze wie Polyethylen (PE) und Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet werden. Ein einzelnes dieser Polymere kann für sich selbst verwendet werden, oder es kann eine Kombination von zwei oder mehr verwendet werden. Unter den vorstehenden Harzen wird die Verwendung eines Acrylharzes bevorzugt. Die Form des Bindemittels unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, und es können Partikel (Pulver) als solches verwendet werden, oder es kann ein als Lösung oder Emulsion formuliertes Bindemittel verwendet werden. Wenn zwei oder mehr Bindemittel verwendet werden, kann jedes von ihnen eine andere Form einnehmen.
Die Füllstoffschicht 40 kann bei Bedarf ein Material oder Materialien enthalten, das/die von dem zuvor beschriebenen anorganischen Füllstoff und Bindemittel verschieden ist/sind. Für dieses Material können die verschiedenen Polymermaterialien als Beispiel genannt werden, die als ein Verdickungsmittel für den die Füllstoffschicht bildenden Aufstrich unten dienen können. Im besonderen Fall der Verwendung eines wässrigen Lösungsmittels wird vorzugsweise ein Polymer eingebaut, das als ein solches Verdickungsmittel dient. Als dieses Polymer, das als ein solches Verdickungsmittel dient, werden vorzugsweise Carboxymethylcellulose (CMC) und Methylcellulose (MC) verwendet.
Dies ist zwar nicht als besondere Beschränkung gedacht, doch beträgt der Anteil des anorganischen Füllstoffs in der Füllstoffschicht insgesamt geeigneter Weise mindestens etwa 50 Masse% (zum Beispiel 50 Masse% bis 99 Masse%) und vorzugsweise mindestens 80 Masse% (zum Beispiel 80 Masse% bis 99 Masse%) und besser etwa 90 Masse% bis 99 Masse%. Außerdem beträgt der Anteil des Bindemittels in der Füllstoffschicht 40 geeigneter Weise nicht mehr als etwa 40 Masse% und vorzugsweise nicht mehr als 10 Masse% und besser nicht mehr als 5 Masse% (zum Beispiel etwa 0,5 Masse% bis 3 Masse%). Wenn ein anderer die Füllstoffschicht bildender Bestandteil als der anorganische Füllstoff und das Bindemittel vorhanden ist, wenn zum Beispiel ein Verdickungsmittel vorhanden ist, beträgt der Gehalt dieses Verdickungsmittels vorzugsweise nicht mehr als etwa 3 Masse% und besser nicht mehr als etwa 2 Masse% (zum Beispiel etwa 0,5 Masse% bis 1 Masse%).
Die Dicke der Füllstoffschicht 40 beträgt vorzugsweise etwa 0,5 μm bis 10 μm und besser etwa 0,5 μm bis 5 μm. Es besteht das Risiko, dass die Ionendurchlässigkeit der Füllstoffschicht 40 zurückgeht, wenn die Füllstoffschicht 40 zu dick ist. Wenn die Füllstoffschicht 40 zu dünn ist, kann andererseits die Festigkeit (Formstabilität) zurückgehen und ein Filmriss auftreten. Die Dicke der Füllstoffschicht 40 kann ermittelt werden, indem an einem Bild, das unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM) durch Fotografie erzielt wurde, eine Bildanalyse durchgeführt wird.
Die Porosität der Füllstoffschicht 40 beträgt vorzugsweise im Allgemeinen etwa 40% bis 70% und zum Beispiel besser etwa 50% bis 60%. Wenn die Porosität der Füllstoffschicht 40 zu groß ist, kann die Festigkeit unzufriedenstellend sein und das Risiko bestehen, dass es leicht zum Filmriss kommt. Wenn andererseits die Porosität der Füllstoffschicht 40 zu gering ist, kann nur eine geringe Menge Elektrolytlösung in der Füllstoffschicht 40 gehalten werden und dann kann die Ionendurchlässigkeit zurückgehen.
Die Separatorlage 30 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird nun genauer unter Hinzunahme der 5 und 6 beschrieben. 5 ist eine schematische Schnittdarstellung, die in einer vergrößerten Ansicht einen Teil des Querschnitts zeigt, der in der Längsrichtung (Wickelrichtung) der langen Separatorlage 30 verläuft, wie sie in der Stufe vor der Herstellung der Elektrodenwickeleinheit vorliegt, und sie zeigt eine Separatorlage 30 und eine Füllstoffschicht 40, die auf einer Seite dieser Separatorlage 30 angeordnet ist. 6 ist eine Draufsicht auf 5. Die linke Seite in diesen Figuren ist die Wickelstartendenseite (Wickelmittenseite) und die rechte Seite ist die Wickelabschlussendenseite (Wickelaußenumfangsseite).
Wie in 5 gezeigt ist, ist die Füllstoffschicht 40 so ausgebildet, dass sie sich in der Wickelrichtung (Längsrichtung) der Separatorlage 30 erstreckt. Die Füllstoffschicht 40 ist in der Wickelrichtung der Separatorlage 30 vom Wickelstartende 38A dieser Lage bis zu ihrem Wickelabschlussende 38B zusammenhängend angeordnet. Die Separatorlage 30 hat in Bereichen vorgeschriebener Breite W_A und W_B, die von dem Wickelstartende 38A und dem Wickelabschlussende 38B aus zur Lagenmitte laufen, Bereiche geringer Porosität 36A, 36B, die eine Porosität haben, die geringer als die einer Stelle (typischerweise des in der Wickelrichtung mittleren Bereichs der Separatorlage) 35 außerhalb dieser Bereiche ist. Die Bereiche geringer Porosität 36A, 36B werden ausgebildet durch zum Beispiel Heißkomprimierung (Pressen) der Bereiche vorgeschriebener Breite von dem Wickelstartende 38A und dem Wickelabschlussende 38b der Separatorlage aus.
Aufgrund der gemäß diesem Aufbau erfolgenden Ausbildung der Bereiche geringer Porosität 36A, 36B in den Bereichen vorgeschriebener Breite W_A, W_B, die von dem Wickelstartende 38A und dem Wickelabschlussende 38B der Separatorlage 30 aus zur Lagenmitte gerichtet sind, zeigt die Separatorlage 30 in diesen Bereichen geringer Porosität 36A, 36B wenig Dehnung/Kontraktion, und somit gibt es selbst dann wenig Unterschied in der Dehnung/Konzentration zwischen der Separatorlage 30 und der Füllstoffschicht 40, wenn die Umgebung, z. B. die thermische Umgebung oder Feuchtigkeit, eine Änderung erfährt. Aufgrund dessen wird die Spannung, die Kringeln (Krümmungsverformung) hervorruft und von diesen Enden 38A, 38B ausgeht, abgeschwächt, und die Kringelerzeugung in der Separatorlage 30 kann unterdrückt werden. Die Verwendung einer solchen Separatorlage 30 macht somit die Anfertigung einer Lithiumsekundärbatterie hoher Leistung möglich, in der die verschiedenen durch Kringeln hervorgerufenen Fehler beseitigt sind.
Dies kann zum Beispiel die schlechtere Einführbarkeit während des Einführens der Elektrodeneinheit in das Batteriegehäuse und des Einführens des Wickelkerns in die Elektrodeneinheit verhindern, wie sie auftreten kann, wenn Kringeln an der innersten Umfangsfläche und der äußersten Umfangsfläche einer Elektrodenwickeleinheit 80 erzeugt wird, die eine Elektrodenwickeleinheit 80 ist, die unter Verwendung einer Separatorlage 30 wie in dem herkömmlichen Batterieaufbau angefertigt wurde, der in den 10 und 11 gezeigt ist. Darüber hinaus kann dies die Ungleichmäßigkeit bei der Rückhaltelast (Flächenpressung) verhindern, wie sie auftreten kann, wenn die Elektrodenwickeleinheit in eine flache Gestaltung gepresst wird und an der innersten Umfangsfläche und der äußersten Umfangsfläche der Elektrodenwickeleinheit aufgrund des Quetschens des Kringelbereichs eine Höhendifferenz ausgebildet wird. Wenn eine Ungleichmäßigkeit bei der Rückhaltelast (Flächenpressung) vorkommt, wird die Elektrolytverteilung (Elektrolytlösungsverteilung) in Übereinstimmung mit der Ungleichmäßigkeit der Stärke, mit der auf das Innere der Elektrodenwickeleinheit Druck aufgebracht wird, ungleichmäßig, und während des Ladens/Entladens werden dann Bereiche hoher Last erzeugt und das Zyklusverhalten (Lebensdauer) kann sich verschlechtern.
Da andererseits gemäß der obigen Beschreibung auch dann kein Kringeln in der Separatorlage 30 in der Lithiumsekundärbatterie 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzeugt wird, wenn die Umgebung, z. B. die thermische Umgebung oder Feuchtigkeit, eine Änderung erfährt, werden an der innersten Umfangsfläche und der äußersten Umfangsfläche der Elektrodenwickeleinheit dann keine Höhendifferenzen aufgrund eines Quetschens des Kringelbereichs ausgebildet, und die auf die Elektrodenwickeleinheit (flache Oberfläche) aufgebrachte Flächenpressung kann dadurch gleichmäßig gestaltet werden. Infolgedessen werden keine Fehler aufgrund von Ungleichmäßigkeiten bei der Rückhaltelast (Flächenpressung) erzeugt und es können dann ein hervorragendes Zyklusverhalten, hervorragende Leistungskennwerte und eine lange Lebensdauer realisiert werden.
Bei der hier offenbarten Technologie erfüllt der durch X = [(H2 – H1)/H2] × 100 gegebene Porositätsverringerungsprozentsatz X vorzugsweise 5 ≤ X ≤ 90, besser 10 ≤ X ≤ 90 und insbesondere 15 ≤ X ≤ 65, wobei H1[%] die Porosität der Bereiche geringer Porosität 36A, 36B der Separatorlage 30 ist und H2[%] die Porosität an einer Stelle 35 außerhalb dieser Bereiche ist. Wenn der Porositätsverringerungsprozentsatz X zu klein ist, kann es unmöglich sein, die oben beschriebene Kringelhemmwirkung in zufriedenstellendem Maß zu erzielen. Ein Porositätsverringerungsprozentsatz X, der zu groß ist, bietet andererseits aufgrund einer Verringerung dieser Kringelhemmwirkung keinen zusätzlichen Vorteil und kann auch aufgrund einer Verringerung der Flexibilität des Bereichs neben dem Separatorlagenende während der Anfertigung der Elektrodenwickeleinheit Fehler (zum Beispiel Wickelfehler) erzeugen, wenn eine solche Separatorlage 30 gewickelt wird. Vom Standpunkt der stabilen Anfertigung der Elektrodenwickeleinheit aus gesehen wird vorzugsweise 5 ≤ X ≤ 90 (insbesondere 5 ≤ X ≤ 65) erfüllt. Unter der Perspektive, dass die Kringelhemmwirkung in gutem Ausgleich mit der Herstellungsstabilität steht, sind Bereiche geringer Porosität günstig, in denen dieser Porositätsverringerungsprozentsatz X mindestens 10% und nicht mehr als 65% beträgt.
Es gibt keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Porosität H1 in diesen Bereichen geringer Porosität, doch beträgt sie im Allgemeinen vorzugsweise ungefähr 5% bis 40% und besser zum Beispiel ungefähr 5% bis 30%. Wenn die Porosität H1 in diesem Bereich liegt, kann Kringeln geeignet gestoppt werden. Außerdem beträgt die Porosität H2 an der von den Bereichen geringer Porosität verschiedenen Stelle 35 im Allgemeinen vorzugsweise ungefähr 40% bis 60% und zum Beispiel besser ungefähr 45% bis 55%. Wenn die Porosität H2 an der Stelle 35 außerhalb der Bereiche geringer Porosität zu gering ist, kann nur eine geringe Menge Elektrolytlösung in der Separatorlage 30 gehalten werden und dann kann die Ionendurchlässigkeit zurückgehen. Wenn die Porosität H2 zu groß ist, kann die Separatorlage 30 andererseits eine unzureichende Festigkeit haben und es kann ein Filmriss auftreten.
In günstigen Beispielen der hier offenbarten Separatorlage liegt die Porosität H1 in den Bereichen geringer Porosität im Bereich von 5% bis 40% und die Porosität H2 in dem Bereich außerhalb dieser Bereiche im Bereich von 40% bis 60%, oder die Porosität H1 in den Bereichen geringer Porosität beträgt 5% bis 30% und die Porosität H2 in den Bereichen außerhalb dieser Bereiche beträgt 45% bis 55%. Die Verwendung einer Separatorlage mit solchen Porositäten H1, H2 ermöglicht es, das Auftreten von Kringeln günstig zu unterdrücken, während eine hervorragende Ionendurchlässigkeit aufrechterhalten wird.
Die Porosität H2[%] der Separatorlage 30 (ohne die Bereiche geringer Porosität) kann wie folgt bestimmt werden. Wenn Va [cm³] das scheinbare Volumen einer Flächeneinheit (Größe) der Separatorlage ist, W [g] die Masse dieser Separatorlage ist und Vb das Verhältnis zwischen dieser Masse W und der wahren Dichte ρ [g/cm³] des die Separatorlage bildenden Harzmaterials ist, d. h. wenn Vb W/ρ ist, dann kann die Porosität H2 der Separatorlage aus [(Va – Vb)/Va] × 100 berechnet werden. Die Porosität H1[%] der Bereiche geringer Porosität 36A, 36B kann unter Verwendung von H1 = 100 – (d2/d1) × (100 – H2) anhand der Porosität H2[%] und der Dicke d1[μm] der Bereiche geringer Porosität 36A, 36B und der Dicke d2[μm] der von diesen Bereichen verschiedenen Stelle 35, wie sie mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) ermittelt werden, berechnet werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der hier offenbarten Technik betragen die Breiten W_A, W_B der Bereiche geringer Porosität geeigneter Weise mindestens ungefähr 2 mm und vorzugsweise mindestens 5 mm und insbesondere mindestens 10 mm. Wenn diese Breiten W_A, W_B zu schmal sind, kann die betrachtete Kringelhemmwirkung unzureichend sein. Wenn diese Breiten W_A, W_B, über die die Bereiche geringer Porosität angeordnet sind, zu breit sind, nimmt andererseits der unproduktive Bereich der Separatorlage zu und können die Kosten hoch getrieben werden. Aus der Perspektive der Kostensenkung betrachtet werden nicht mehr als ungefähr 40 mm bevorzugt und nicht mehr als 30 mm werden zum Beispiel besonders bevorzugt. Unter der Perspektive, dass die Kringelhemmwirkung in gutem Ausgleich mit der Kostensenkung steht, sind zum Beispiel Bereiche geringer Porosität günstig, in denen diese Breiten W_A, W_B mindestens 5 mm, aber nicht mehr als 40 mm (insbesondere mindestens 10 mm, aber nicht mehr als 20 mm) betragen. Die Breite W_A des Bereichs geringer Porosität auf der Wickelstartendseite kann die gleiche wie die Breite W_B des Bereichs geringer Porosität auf der Wickelabschlussendseite sein oder sich von ihr unterscheiden. Die Breiten W_A, W_B der Bereiche geringer Porosität können passend in Übereinstimmung mit zum Beispiel den Bedingungen der Batterienutzung gewählt werden.
Darüber hinaus verwendet das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel das Beispiel der Anordnung der Bereiche geringer Porosität 36A, 36B auf sowohl der Wickelstartendenseite als auch der Wickelabschlussendenseite, doch gibt es keine Beschränkung darauf. Ein Bereich geringer Porosität kann auf nur der Wickelstartendenseite oder nur der Wickelabschlussendenseite angeordnet sein. Allerdings ist unter dem Standpunkt, dass die durch Kringeln hervorgerufenen Probleme dadurch noch günstiger gestoppt werden, die Anordnung der Bereiche geringer Porosität 36A, 36B an sowohl der Wickelstartendenseite als auch der Wickelabschlussendenseite wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel vorzuziehen.
Als bevorzugtes Ziel für den Einsatz der hier offenbarten Technik kann als Beispiel eine Separatorlage genannt werden, bei der die die Füllstoffschicht 40 tragende Separatorlage 30, wie in 7 gezeigt ist, die folgende Eigenschaft hat: Wenn die Bereiche geringer Porosität 36A, 36B der Separatorlage 30 abgeschnitten und entfernt werden und die Separatorlage dann eine Stunde lang auf einer horizontalen Oberfläche 68 gehalten wird, beträgt der Kringelwinkel θ, der als der Winkel definiert ist, der zwischen der horizontalen Oberfläche 68 und der Bahn 64 ausgebildet ist, die von der Spitze 62 des abgeschnittenen Endes der Lage 30 beschrieben wird, die sich von der horizontalen Oberfläche 68 aus erhoben hat, mindestens 90° (vorzugsweise mindestens 180°). Da eine Separatorlage 30, die eine solche Eigenschaft zeigt, besonders anfällig gegenüber Kringeln ist, ist die Verwendung dieses Aufbaus mit einer solchen Separatorlage 30 besonders bedeutsam.
Es werden nun Verfahren zum Ausbilden der Füllstoffschicht 40 und der Bereiche 36A, 36B beschrieben. Als ein die Füllstoffschicht bildender Aufstrich zum Ausbilden der Füllstoffschicht 40 wird eine Paste (was Schlicker und Tinten einschließt; dies trifft auch im Folgenden zu) bereitgestellt, indem der Füllstoff, das Bindemittel und ein Lösungsmittel gemischt und dispergiert werden. Die Füllstoffschicht 40 kann ausgebildet werden, indem eine geeignete Menge dieses pastenförmigen Aufstrichs auf eine Seite der Separatorlage 30 aufgebracht und getrocknet wird.
Das Lösungsmittel, das in diesem die Füllstoffschicht bildenden Aufstrich verwendet wird, kann zum Beispiel Wasser oder ein Lösungsmittelgemisch sein, das hauptsächlich Wasser ist. Das von Wasser verschiedene Lösungsmittel, das in einem solchen Lösungsmittelgemisch verwendet wird, kann eine oder zwei oder mehr geeignete Auswahlen aus organischen Lösungsmitteln sein, die gleichmäßig mit Wasser gemischt werden können (zum Beispiel niedere Alkohole, niedere Ketone, und so weiter). Oder das Lösungsmittel, das in diesem die Füllstoffschicht bildenden Aufstrich verwendet wird, kann ein organisches Lösungsmittel sein, z. B. N-Methylpyrrolidon (NMP), Pyrrolidon, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Cyclohexanon, Toluol, Dimethylformamid, Dimethylacetamid und so weiter, oder eine Kombination von zwei oder mehr davon. Der Gehalt des Lösungsmittels in dem die Füllstoffschicht bildenden Aufstrich unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, beträgt aber vorzugsweise 40 bis 90 Masse% des Aufstrichs insgesamt und insbesondere etwa 50 Masse% des Aufstrichs insgesamt.
Neben dem Füllstoff und Bindemittel kann dieser die Füllstoffschicht bildende Aufstrich ein oder zwei oder mehr Materialien enthalten, die auf einer optionalen Basis verwendet werden können. Für diese Materialien können Polymere als Beispiele genannt werden, die als Verdickungsmittel für Aufstriche dienen, die anorganische Füllschichten bilden. Insbesondere wenn ein wässriges Lösungsmittel verwendet wird, wird der Einbau eines Polymers bevorzugt, das als ein solches Verdickungsmittel dienen kann. Als dieses Polymer, das als ein Verdickungsmittel dienen kann, werden vorzugsweise Carboxylmethylcellulose (CMC) und Polyethylenoxid (PEO) verwendet.
Der Vorgang des Einmischens des Füllstoffs und Bindemittels in das Lösungsmittel kann unter Verwendung eines geeigneten Mischers erfolgen, z. B. einer Dispermill, eines Clearmix, eines FILMIX, einer Kugelmühle, eines Homogenizing Dispers, eines Ultraschall-Dispergierers und so weiter. Die Füllstoffschicht 40 kann ausgebildet werden, indem der die Füllstoffschicht bildende Aufstrich auf einer Seite der Separatorlage 30 als Schicht aufgebracht und getrocknet wird.
Der Vorgang des Beschichtens der einen Seite der Separatorlage 30 mit dem die Füllstoffschicht bildenden Aufstrich kann ohne Beschränkung darauf unter Verwendung jeder üblichen herkömmlichen Aufbringungseinrichtung implementiert werden. Zum Beispiel kann die Beschichtung erfolgen, indem unter Verwendung eines geeigneten Applikators (zum Beispiel eines Tiefdruckbeschichters, Schlitzbeschichters, Düsenbeschichters, Kommabeschichters und von Tauchbeschichten) auf einer Seite der Separatorlage 30 eine vorgeschriebene Menge des die Füllstoffschicht bildenden Aufstrichs in einer gleichmäßigen Dicke über die gesamte Länge in der Längsrichtung (von einem Ende zum anderen Ende) der Separatorlage 30 als Schicht aufgebracht wird. Das Lösungsmittel in dem die Füllstoffschicht bildenden Aufstrich wird dann entfernt, indem der Aufstrich unter Verwendung einer geeigneten Trocknungseinrichtung getrocknet wird (das Trocknen erfolgt typischerweise bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Separatorlage 30 von zum Beispiel bei oder unterhalb von 110°C bei zum Beispiel einer Temperatur von 50 bis 80°C). Die Füllstoffschicht 40, die den anorganischen Füllstoff und das Bindemittel umfasst, kann ausgebildet werden, indem das Lösungsmittel aus dem die Füllstoffschicht bildenden Aufstrich entfernt wird.
Nachdem die Füllstoffschicht 40 in der oben beschriebenen Weise auf der einen Seite der Separatorlage 30 ausgebildet wurde, werden dann die Bereiche geringer Porosität 36A, 36B in den Bereichen vorgeschriebener Breite von den Enden 38A, 38B der Separatorlage aus zur Separatormitte hin ausgebildet.
Es gibt keine besonderen Beschränkungen für das Verfahren zum Ausbilden der Bereiche geringer Porosität 36A, 36B in der Separatorlage 30. Zum Beispiel kann die Ausbildung durch Heißkomprimierung (Pressen) der Bereiche vorgeschriebener Breite von den Enden 38A, 38B der Separatorlage aus erfolgen. An diesem Punkt wird nur die Separatorlage 30 selektiv beruhend auf dem Zusammenhang zwischen der Härte der Füllstoffschicht 40 und der Härte der Separatorlage 30 komprimiert. Auf diese Weise können die Bereiche geringer Porosität 36A, 36B bequem ausgebildet werden. Wenn die Bereiche geringer Porosität 36A, 36B durch Heißkomprimierung ausgebildet werden, ist die Heiztemperatur vorzugsweise eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Separatorlage 30 und beträgt im Allgemeinen nicht mehr als 180°C und vorzugsweise ungefähr 50°C bis 120°C. Der Druck kann im Allgemeinen ungefähr 0,1 MPa bis 2 MPa betragen. Die Behandlungsdauer kann im Allgemeinen ungefähr 0,5 Sekunden bis 3 Sekunden betragen. Die Ausführung der Heißkomprimierung (des Pressens) unter diesen Bedingungen kann verhindern, dass die Separatorlage schmilzt und fest wird. Bei Bedarf kann eine Pressung bei normaler Temperatur (ohne die Aufbringung von Wärme) erfolgen.
Oder anstelle der Heißkomprimierung (des Pressens) kann ein anderer Vorgang zum Verringern der Porosität durchgeführt werden. Zum Beispiel kann die Porosität verringert werden, indem in die Poren der Separatorlage ein Harz gefüllt wird. Es gibt keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich des Harzes, das verwendet wird, um dieses Füllen zu bewerkstelligen. Es kann zum Beispiel das Harz sein, das die Separatorlage 30 bildet (zum Beispiel PE) oder ein Harz, das auch als ein Bindemittel dienen kann, z. B. Polyvinylidenfluorid (PVdF). Die Bereiche geringer Porosität 36A, 36B können ausgebildet werden, indem dieses Harz in einem geeigneten Lösungsmittel dispergiert wird, gefolgt von der Aufbringung (dem Tränken) der Bereiche vorgeschriebener Breite von den Enden 38A, 38B der Separatorlage aus und einem Trocknen. Die Ausbildung der Bereiche geringer Porosität 36A, 36B kann nach der oben beschriebenen Ausbildung der Füllstoffschicht 40 oder vor der Ausbildung der Füllstoffschicht 40 erfolgen.
Sobald die Bereiche geringer Porosität 36A, 36B in der beschriebenen Weise in den vorgeschriebenen Bereichen der Separatorlage 30 ausgebildet worden sind, werden zwei der Separatorlagen 30, wie in 3 gezeigt ist, mit einer separat angefertigten Positivelektrodenlage 10 und Negativelektrodenlage 20 gestapelt. Dabei erfolgt das Stapeln mit der etwas in Breitenrichtung verschobenen Positivelektrodenlage 10 und Negativelektrodenlage 20, sodass sich der von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich auf der Positivelektrodenlage 10 und der von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich auf der Negativelektrodenlage 20 jeweils von den in der Breitenrichtung der Separatorlage 30 liegenden zwei Seiten aus erstrecken. Außerdem wird die zwischen der Positivelektrodenlage 10 und der Negativelektrodenlage 20 eingezwängte Separatorlage 30 so angeordnet, dass die auf der einen Seite der Separatorlage 30 ausgebildete Füllstoffschicht 40 der Positivelektrodenlage 10 zugewandt ist. Außerdem wird die auf die Unterseite der Negativelektrodenlage 20 gestapelte Separatorlage 30 derart angeordnet, dass die auf der einen Seite der Separatorlage 30 ausgebildete Füllstoffschicht 40 von der Negativelektrodenlage 20 weg weist. Indem die Separatorlage 30, die Negativelektrodenlage 20, die Separatorlage 30 und die Positivelektrodenlage 10 auf diese Weise gestapelt und diese Lagen in der Längsrichtung gewickelt werden, während auf jede Lage Zug aufgebracht wird, kann eine Wickeleinheit angefertigt werden. Eine flache Elektrodenwickeleinheit 80 kann dann angefertigt werden, indem diese Wickeleinheit von der Seitenrichtung aus abgeflacht wird.
Außerdem wird die Elektrodenwickeleinheit 80, wie in den 1 und 2 gezeigt ist, über das offene obere Ende des Gehäusehauptkörpers 52 in diesen Hauptkörper 52 eingeführt, und außerdem wird ein Elektrolyt, der ein geeignetes Trägersalz umfasst, in den Gehäusehauptkörper 52 eingebracht (eingefüllt). Das Trägersalz ist zum Beispiel ein Lithiumsalz wie LiPF₆. Ein Elektrolyt (typischerweise ein flüssiger Elektrolyt, d. h. eine Elektrolytlösung) kann verwendet werden, wie er durch die Auflösung einer geeigneten Menge (zum Beispiel einer Konzentration von 1 M) eines Lithiumsalzes wie LiPF₆ in einem Lösungsgemisch aus Ethylencarbonat, Ethylmethylcarbonat, und Dimethylcarbonat (in zum Beispiel einem Massenverhältnis von 3:4:3) bereitgestellt wird.
Die Einheit der Lithiumsekundärbatterie 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird anschließend fertig gestellt, indem die Öffnung durch zum Beispiel Schweißen mit dem Deckel 54 abgedichtet wird. Der Vorgang des Abdichtens des Batteriegehäuses 50 und der Vorgang der Elektrolyteinbringung (Einfüllung) können die gleichen wie bei der Anfertigung von herkömmlichen Lithiumsekundärbatterien sein und sind keine kennzeichnenden Merkmale der Erfindung. Dieses Vorgehen beendet die Anfertigung der Lithiumsekundärbatterie 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
Unten werden Versuchsbeispiele der Erfindung präsentiert, doch sollten diese nicht so verstanden werden, dass sie die Erfindung auf das beschränken, was in diesen Versuchsbeispielen angegeben ist.
- Ausbildung der Füllstoffschicht -
In diesem Beispiel wurde ein die Füllstoffschicht bildender Aufstrich angefertigt, indem ein α-Aluminiumoxidpulver (mittlerer Teilchendurchmesser (D50) = 0,7 μm) als der anorganische Füllstoff und PVdF als das Bindemittel in NMP mit einem Massenverhältnis zwischen diesen Materialien von 9:6:4 gemischt wurden. Dieser die Füllstoffschicht bildende Aufstrich wurde unter Verwendung einer Tiefdruckwalze auf einem vorgeschriebenen Bereich auf einer Seite einer Separatorlage (es wurde poröses PE verwendet, das eine Dicke von 18 μm und eine Porosität von 50% hatte) als Schicht aufgebracht, und das Trocknen sorgte dann für eine Separatorlage, die auf einer Seite der Separatorlage eine Füllstoffschicht ausgebildet hatte. In diesem Beispiel wurden insgesamt drei Muster (Separatorlagen 1 bis 3) angefertigt, die verschiedene mittlere Dicken für die Füllstoffschicht hatten. Die mittlere Dicke der Füllstoffschicht in jedem Muster ist in Tabelle 1 angegeben.
- Messung des Kringelwinkels -
Aus den Separatorlagen 1 bis 3, die wie oben beschrieben erzielt wurden, wurden Versuchskörper mit einer Breite von 6 cm und einer Länge von 10 cm entnommen und bei Ruhe auf einer horizontalen Oberfläche gehalten. Nach Ablauf von einer Stunde wurde der Kringelwinkel (°) an den Versuchskörpern gemessen. Wie in 7 gezeigt ist, ist dieser Kringelwinkel als der Winkel θ definiert, der, nachdem der Versuchskörper 60 eine Stunde lang auf der horizontalen Oberfläche 68 gelassen wurde, zwischen der horizontalen Oberfläche 68 und der Bahn 64 ausgebildet ist, die von der Spitze 62 des abgeschnittenen Endes des Versuchskörpers 60 beschrieben wird, die sich von der horizontalen Oberfläche 68 erhoben hat. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. [Tabelle 1]
Unter diesen Separatorlagen 1 bis 3 wurde unter Verwendung der Separatorlage 3, die einen Kringelwinkel von mehr als 180° aufwies, eine Elektrodenwickeleinheit angefertigt. Die Anfertigung dieser Elektrodenwickeleinheit erfolgte wie folgt.
- Beispiel 1 -
Unter Verwendung einer Heißpresse (Walzenpresse), die auf 120°C eingestellt war, wurden durch Heißkomprimierung mit einer vorgeschriebenen Breite von beiden Enden in der Längsrichtung der Separatorlage 3 zur Lagenmitte hin die Bereiche geringer Porosität ausgebildet. Die Breite der Bereiche geringer Porosität betrug ungefähr 2 mm. Der Porositätverringerungsprozentsatz X für diese Bereiche geringer Porosität wurde unter Verwendung der zuvor beschriebenen Formel X = [(H2 – H1)/H2] × 100 mit ungefähr 40% berechnet.
- Anfertigung der Positivelektrodenlage -
Eine Aluminiumfolie (Positivelektroden-Stromkollektor) wurde angefertigt, und die Positivelektrodenlage wurde angefertigt, indem auf einen vorgeschriebenen Bereich auf der Oberfläche der Aluminiumfolie unter Verwendung eines gewöhnlichen Verfahrens eine Positivelektroden-Aktivmaterialschicht (eine Schicht, die 85 Masse% Lithium-Nickel-Cobalt-Manganat (LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂) als das Positivelektroden-Aktivmaterial, 10 Masse% AB als elektrisch leitendes Material und 5 Masse% PVdF als Bindemittel enthält) ausgebildet wurde.
- Anfertigung der Negativelektrodenlage -
Eine Kupferfolie (Negativelektroden-Stromkollektor) wurde angefertigt, und die Negativelektrodenlage wurde angefertigt, indem auf einem vorgeschriebenen Bereich auf der Oberfläche der Kupferfolie unter Verwendung eines üblichen Verfahrens eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht (eine Schicht, die 98 Masse% Graphit als das Negativelektroden-Aktivmaterial, 1 Masse% SBR als Bindemittel und 1 Masse% CMC als Verdickungsmittel enthält) ausgebildet wurde.
- Herstellung der Elektrodenwickeleinheit -
Die Positivelektrodenlage und die Negativelektrodenlage wurden mit den zwei dazwischen liegenden Separatorlagen gestapelt und gewickelt. Dabei wurde die zwischen der Positivelektrodenlage und der Negativelektrodenlage eingezwängte Separatorlage so angeordnet, dass die auf der einen Oberfläche der Separatorlage ausgebildete Füllstoffschicht der Positivelektrodenlage zugewandt war. Andererseits wurde die auf der Unterseite der Negativelektrodenlage aufgestapelte Separatorlage so angeordnet, dass die auf der einen Seite der Separatorlage ausgebildete Füllstoffschicht von der Negativelektrodenlage weg wies. Dieser Stapel wurde dann gewickelt, und die sich ergebende Wickeleinheit wurde von der Seitenrichtung aus gepresst, um eine flache Elektrodenwickeleinheit herzustellen.
- Beispiel 2 -
Eine Elektrodenwickeleinheit wurde angefertigt, indem wie im Beispiel 1 vorgegangen wurde, aber für die Breite der Bereiche geringer Porosität auf der Separatorlage wurden 5 mm verwendet.
- Beispiel 3 -
Eine Elektrodenwickeleinheit wurde angefertigt, indem wie im Beispiel 1 vorgegangen wurde, aber für die Breite der Bereiche geringer Porosität auf der Separatorlage wurden 10 mm verwendet.
- Beispiel 4 -
Eine Elektrodenwickeleinheit wurde angefertigt, indem wie im Beispiel 1 vorgegangen wurde, aber für die Breite der Bereiche geringer Porosität auf der Separatorlage wurden 20 mm verwendet.
- Vergleichsbeispiel 1 -
Eine Elektrodenwickeleinheit wurde angefertigt, indem wie im Beispiel 1 vorgegangen wurde, aber ohne in der Separatorlage die Bereiche geringer Porosität zu platzieren.
- Vergleichsbeispiel 2 -
Eine Elektrodenwickeleinheit wurde angefertigt, indem wie im Beispiel 1 vorgegangen wurde, aber indem die Separatorlage 2 verwendet wurde und ohne in der Separatorlage die Bereiche geringer Porosität zu platzieren.
- Beurteilung -
Von jedem Beispiel wurden 10 der flachen Elektrodenwickeleinheiten angefertigt und optisch auf das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit von Separatorquetschungen (Kringelknicke, Höhendifferenzen) überprüft. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. [Tabelle 2]
Wie in Tabelle 2 angegeben ist, wurden in sämtlichen Elektrodenwickeleinheiten im Vergleichsbeispiel 1, dem Bereiche geringer Porosität in der Separatorlage fehlten, Quetschungen erzeugt. Andererseits wurde in den Beispielen 1 bis 4, in denen in Bereichen vorgeschriebener Breite von den Enden der Separatorlage aus Bereiche geringer Porosität platziert waren, das Erscheinen von Quetschungen verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1 gehemmt. Bei den hier untersuchten Elektrodenwickeleinheiten wurde die Häufigkeit des Auftretens von Quetschungen auf 10% oder weniger verringert, wenn die Breite des Bereichs geringer Porosität 5 mm oder mehr betrug. Insbesondere wurde das Erscheinen von Quetschungen in sämtlichen Elektrodenwickeleinheiten verhindert, wenn die Breite des Bereichs geringer Porosität 10 mm oder mehr betrug. Im Vergleichsbeispiel 2, das die Separatorlage 2 verwendete, die einen kleineren Kringelwinkel als die Separatorlage 3 hatte, hielt sich die Häufigkeit des Auftretens von Quetschungen bei 60%, obwohl in der Separatorlage kein Bereich geringer Porosität platziert war. Basierend darauf konnte bestätigt werden, dass die Wirkungen aufgrund des Aufbaus der Erfindung besonders gut bei Separatorlagen zum Ausdruck gebracht werden konnten, für die der Kringelwinkel mehr als 90° betrug.
Es wurden insgesamt vier Arten von flachen Elektrodenwickeleinheiten angefertigt (Beispiele 5 bis 8), die die Breite der Bereiche geringer Porosität wie im Beispiel 3 konstant bei 10 mm hielten, während der Porositätsverringerungsprozentsatz X unter diesen Arten wie in Tabelle 3 angegeben geändert wurde; es wurden von jeder Art flacher gewickelter Elektrodeneinheit zehn angefertigt. Die Elektrodenwickeleinheiten wurden angefertigt, indem wie im Beispiel 3 vorgegangen wurde, aber es wurde der Porositätsverringerungsprozentsatz X wie in der Tabelle 3 geändert. Das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit von Separatorquetschungen (Kringelknicke, Höhendifferenzen) wurde optisch überprüft. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben. [Tabelle 3]
Wie in Tabelle 3 angegeben ist, ging die Häufigkeit des Auftretens von Quetschungen zurück, als der Porositätsverringerungsprozentsatz zunahm. Bei den hier untersuchten Elektrodenwickeleinheiten konnte die Häufigkeit des Auftretens von Quetschungen auf 10% oder weniger verringert werden, wenn der Porositätsverringerungsprozentsatz 15% oder mehr betrug. Insbesondere konnten Quetschungen in sämtlichen Elektrodenwickeleinheiten verhindert werden, wenn der Porositätsverringerungsprozentsatz 40% oder mehr betrug. Basierend auf diesen Ergebnissen beträgt der Porositätsverringerungsprozentsatz günstiger Weise im Allgemeinen mindestens 5% (zum Beispiel mindestens 5% und nicht mehr als 90%) und vorzugsweise mindestens 10% (zum Beispiel mindestens 10% und nicht mehr als 90%), besser mindestens 15% (zum Beispiel mindestens 15% und nicht mehr als 90%) und insbesondere mindestens 40% (zum Beispiel mindestens 40% und nicht mehr als 90%).
Die Erfindung ist zuvor unter Verwendung geeigneter Ausführungsbeispiele beschrieben worden, doch ist diese Beschreibung nicht beschränkend und es sind eindeutig verschiedene Abwandlungen möglich. Zum Beispiel ist die Batterieart nicht auf die zuvor beschriebene Lithiumsekundärbatterie beschränkt und sie kann eine beliebige von zuvor ausgearbeiteten Batterien sein, die verschiedene Elektrolyten und verschiedene Materialien für die Elektrodeneinheit haben, zum Beispiel Nickelhydridbatterien, Nickel-Cadmium-Batterien und elektrische Doppelschichtkondensatoren.
Solange die hier offenbarte Separatorlage verwendet wird, die eine auf einer Seite ausgebildete Füllstoffschicht hat, gibt es darüber hinaus keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Form (äußere Form und Größe) der Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten, die angefertigt wird. Die äußere Umhüllung kann eine Dünnblechbauart sein, die aus zum Beispiel einem Laminatfilm aufgebaut ist, oder die Batterie kann ein zylindrisches oder rechtwinklig parallelepipedförmiges Batterieaußengehäuse haben, oder es kann eine kleine Knopfform verwendet werden.
Außerdem betreffen die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele Beispiele, in denen die Füllstoffschicht auf der Positivelektrodenlagenseite der Separatorlage ausgebildet ist, doch gibt es keine Beschränkung darauf. Die Füllstoffschicht kann auf der Negativelektrodenlagenseite ausgebildet sein.
Alle der hier offenbarten Sekundärbatterien mit nichtwässrigem Elektrolyten 100 sind mit einem Leistungsvermögen versehen, das gut an den Einsatz als eine an einem Fahrzeug montierte Batterie angepasst ist (zum Beispiel kann ein hervorragendes Zyklusverhalten erzielt werden). Dementsprechend stellt die Erfindung, wie in 8 gezeigt ist, ein Fahrzeug zur Verfügung, das mit einer beliebigen der hier offenbarten Sekundärbatterien mit nichtwässrigem Elektrolyten 100 ausgestattet ist. Insbesondere ist ein Fahrzeug 1 (zum Beispiel ein Kraftfahrzeug) vorgesehen, in dem diese Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten 100 als eine Antriebsstromquelle (typischerweise eine Antriebsstromquelle für ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug) angeordnet ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Der erfindungsgemäße Aufbau kann eine Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten zur Verfügung stellen, in der die durch Kringeln hervorgerufenen Fehler beseitigt werden können.

Claims

Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten, die mit einer Elektrodenwickeleinheit versehen ist, in der eine Positivelektrodenlage und eine Negativelektrodenlage mit einer dazwischen liegenden porösen Separatorlage gewickelt sind, wobei auf einer der Oberflächen der Separatorlage eine Füllstoffschicht ausgebildet ist, die einen anorganischen Füllstoff und ein Bindemittel aufweist, die Füllstoffschicht in der Wickelrichtung der Separatorlage zusammenhängend von einem Wickelstartende bis zu einem Wickelabschlussende der Lage angeordnet ist und die Separatorlage in einem Bereich, der von dem Wickelstartende und/oder von dem Wickelabschlussende der Lage aus zur Mitte der Lage hin eine vorgeschriebene Breite hat, einen Bereich geringer Porosität hat, der eine Porosität hat, die geringer als an einer Stelle außerhalb dieses Bereichs ist.
Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei der Bereich geringer Porosität durch eine Komprimierung des Bereichs, der von dem Ende der Separatorlage aus eine vorgeschriebene Breite hat, ausgebildet ist.
Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten nach Anspruch 1 oder 2, wobei der durch die Formel (1) angegebene Porositätsverringerungsprozentsatz X 5 ≤ X ≤ 90 erfüllt, wobei H1 die Porosität des Bereichs geringer Porosität der Separatorlage ist und H2 die Porosität an einer Stelle außerhalb dieses Bereichs ist: X = [(H2 – H1)/H2] × 100 (1).
Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Breite des Bereichs geringer Porosität 2 mm bis 40 mm beträgt.
Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der Füllstoffschicht nicht mehr als 5 μm beträgt.
Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der anorganische Füllstoff mindestens eine anorganische Verbindung umfasst, die aus der aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirconiumoxid, Siliciumoxid, Böhmit und Titanoxid bestehenden Gruppe gewählt ist.
Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Elektrodenwickeleinheit eine flache Elektrodenwickeleinheit ist.
Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die die Füllstoffschicht tragende Separatorlage die folgende Eigenschaft hat: Wenn der Bereich geringer Porosität der Separatorlage abgeschnitten und entfernt wird und die Separatorlage dann eine Stunde lang auf einer horizontalen Oberfläche gehalten wird, beträgt der Kringelwinkel, der als der Winkel definiert ist, der zwischen der horizontalen Oberfläche und der Bahn ausgebildet ist, die von der Spitze des abgeschnittenen Endes der Lage beschrieben wird, die sich von der horizontalen Oberfläche erhoben hat, mindestens 90°.