DE112011105851T5

DE112011105851T5 - Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie

Info

Publication number: DE112011105851T5
Application number: DE112011105851.9T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Fukumoto; Masahiro Morita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2031-11-16
Also published as: US10446824B2; KR20140096359A; US20140322600A1; KR101636633B1; JPWO2013073012A1; WO2013073012A1; CN103947032B; DE112011105851B4; JP5861894B2; CN103947032A

Abstract

Eine nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Elektrodenkörper 20, der eine positive Elektrode 30 und eine negative Elektrode 50 beinhaltet, und einem nicht-wässrigen Elektrolyt ausgestattet. Der Elektrodenkörper 20 ist durch eine Mehrzahl von unterschiedlichen Konstitutionselementen konstituiert. Zumindest zwei Konstitutionselemente aus der Mehrzahl an Konstitutionselementen, die den Elektrodenkörper 20 konstituieren, beinhalten jeweilig teilchenförmige Polymere 38, 78 mit einem Schmelzpunkt innerhalb eines Temperaturbereichs von 80°C bis 120°C, wobei sich diese zwei Elemente voneinander unterscheiden. Der Elektrodenkörper 20 ist mit der positiven Elektrode 30, die eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 auf einem Positivelektrodenstromabnehmer 32 beinhaltet, der negativen Elektrode 50, die eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 auf einem Negativelektrodenstromabnehmer 52 beinhaltet, Separatoren 70A, 70B, die zwischen der positiven Elektrode 30 und der negativen Elektrode 50 eingefügt sind, und einem nicht-wässrigen Elektrolyt ausgestattet. Es ist bevorzugt, dass zwei oder alle aus der positiven Elektrode 30, der negativen Elektrode 50 und den Separatoren 70A, 70B die teilchenförmigen Polymere 38, 78 beinhalten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie und spezifischer auf eine nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie mit einer Abschaltfunktion bezüglich einer abnormalen Wärmeerzeugung in der Batterie.
Bisheriger Stand der Technik
Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterien (typischerweise Lithium-Ionen-Batterien) erlangten jüngst Wichtigkeit als Hochleistungsquellen zur Installation in Fahrzeugen und Leistungsquellen für Leistungsspeicherungssysteme, da diese Batterien leichtgewichtig sind und eine hohe Energiedichte bereitstellen. Verschiedene Verbesserungen wurden getätigt, um die Kapazität und Energiedichte der Batterien weiter zu erhöhen.
In der nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ist ein Separator, der zwischen eine positive Elektrode und eine negative Elektrode eingefügt ist, mit einer Funktion zum Verhindern eines Kurzschlusses bereitgestellt, der durch Kontakt zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode verursacht wird (Kurzschlussverhinderungsfunktion), mit dem Ziel, die Sicherheit der Batterie und des Geräts, wo die Batterie installiert ist, zu gewährleisten. Zusätzlich zu der Kurzschlussverhinderungsfunktion erhöht der Separator auch den Widerstand durch Abschalten des Ionen-Leitfähigkeitspfades, wenn die Temperatur innerhalb der Batterie einen vorherbestimmten Temperaturbereich (typischerweise den Erweichungspunkt oder Schmelzpunkt des Separators) erreicht. Der Separator ist auch ausgestattet mit einer Funktion zum Stoppen des Ladens und Entladens und Verhinderns eines thermischen Durchgehens der Batterie durch solch eine Erhöhung des Widerstands (Abschaltfunktion). In einem typischen Separator ist der Schmelzpunkt des Harzes, wie etwa einem Polyolefin, welches ein konstituierendes Material ist, eine Abschalttemperatur, und wo der Separator diese Temperatur erreicht, verschließen sich feine Poren des Separators durch Schmelzen oder Erweichen, und der Widerstand erhöht sich.
Verschiedene Modi der Abschaltfunktion solcher nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterien wurden vorgeschlagen. Zum Beispiel offenbart Patentliteratur 1 einen Separator, der durch einen porösen Film konstituiert ist, der ein Harz mit einem Schmelzpunkt innerhalb eines Bereichs von 80°C bis 130°C, Füllstoffteilchen und ein poröses Substrat beinhaltet. Es wird angezeigt, dass der Separator mit solch einer Konfiguration selbst in einem Hochtemperaturzustand über dem Schmelzpunkt die Form stabil beibehalten kann (Abschalttemperatur).
Patentliteratur 2 offenbart die Konfiguration, in welcher die positive Elektrode einer nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ein Bindemittel zusammen mit einer Polymerverbindung mit einem Schmelzpunkt von 90°C bis 130°C und einer Schmelzwärme gleich zu oder größer als 30 J/g als einen Wärmeabsorber beinhaltet. Es wird angezeigt, dass mit solch einer Konfiguration, selbst wenn die Julewärme durch einen Kurzschluss erzeugt wird, diese Wärme im Wesentlichen durch den Wärmeabsorber, der in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht enthalten ist, als die Schmelzwärme absorbiert wird und daher der Anstieg in der Batterietemperatur verhindert werden kann.
Zitatliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2007-157723
Patentliteratur 2: Japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. H10-064549

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Allerdings besteht das Problem, das mit der in Patentliteratur 1 vorgeschlagenen Technik assoziiert ist, darin, dass sich, wenn der Gehalt des Harzes zum Verbessern der Abschaltfunktion erhöht wird, die Porosität der porösen Membran abnimmt und die Batterieoutput verschlechtert sich. Ein ähnliches Problem ist auch mit der in Patentliteratur 2 vorgeschlagenen Technik assoziiert. Daher verringert sich das Verhältnis des Positivelektrodenaktivmaterials, wenn der Gehalt der Polymerverbindung erhöht wird, und die Batterieausgabeleistung verringert sich.
Die vorliegende Erfindung wurde getätigt, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie bereitzustellen, in welcher ein signifikanter Verlust in der Batterieleistungsfähigkeit verhindert wird, selbst wenn die Abschaltfunktion verbessert wird.
Lösung des Problems
Die nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Elektrodenkörper, der eine positive Elektrode und eine negative Elektrode beinhaltet, und einem nicht-wässrigen Elektrolyt ausgestattet. In der nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ist der Elektrodenkörper durch eine Mehrzahl von unterschiedlichen Konstitutionselementen konstituiert. Zumindest zwei Konstitutionselemente aus der Mehrzahl von Konstitutionselementen, die den Elektrodenkörper konstituieren, beinhalten jeweilig teilchenförmige Polymere mit einem Schmelzpunkt innerhalb eines Temperaturbereichs von 80°C bis 120°C, wobei sich diese zwei Elemente voneinander unterscheiden.
Mit solch einer Konfiguration funktionieren die teilchenförmigen Polymere als die so genannten Abschalt-Harze, die den Ionenleitfähigkeitspfad abschalten und den inneren Widerstand der Batterie durch Schmelzen bei einem Schmelzpunkt davon erhöhen. Ferner können in der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie, da die teilchenförmigen Polymere getrennt in zwei oder mehr Konstitutionselementen, die den Elektrodenkörper konstituieren, beinhaltet sind, die als die Abschalt-Harze dienenden teilchenförmigen Polymere in einer größeren Menge in der gesamten Batterie beinhaltet sein, während die Abnahme in der Batterieleistungsfähigkeit inhibiert wird, und sowohl die Batterieleistungsfähigkeit als auch die Abschaltfunktion kann verbessert werden.
In dem bevorzugten Modus der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ist der Elektrodenkörper mit der positiven Elektrode, die eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht auf einem Positivelektrodenstromabnehmer beinhaltet, der negativen Elektrode, die eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht auf einem Negativelektrodenstromabnehmer beinhaltet, und einem Separator, der zwischen die positive Elektrode und die negative Elektrode eingefügt ist, ausgestattet. Zwei oder alle aus der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und dem Separator beinhalten die teilchenförmigen Polymere.
Das teilchenförmige Polymer erweicht oder schmilzt, wenn sich die Temperatur des Konstitutionselements, das das teilchenförmige Polymer beinhaltet, zu dem Erweichungspunkt oder Schmelzpunkt davon erhöht. Daher kann, weil die teilchenförmigen Polymere dispergiert innerhalb der Batterie in irgendwelchen zwei oder allen aus der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und dem Separator in der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie beinhaltet sind, die Abschaltfunktion in einer schrittförmigen Art und Weise gemäß der Position des Konstitutionselements, wo der Anstieg in der Temperatur innerhalb der Batterie beginnt und dem Timing davon, ausgeübt werden. Als ein Ergebnis ist es möglich, eine nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie zu realisieren, in welcher die Erhöhung der Batterietemperatur durch abnormale Wärmeerzeugung verlässlicher verhindert werden kann. Zum Beispiel ist es durch Erhöhen des Widerstands innerhalb der Batterie und Inhibieren des Ladens und Entladens zu einem frühen Stadium während einer abnormalen Wärmeerzeugung möglich, den beschleunigten Ausbruch in der Wärmeerzeugung (thermisches Durchgehen) in der Batterie zu verhindern.
In dem bevorzugten Modus der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie weist die positive Elektrode als Konstitutionselemente den Positivelektrodenstromabnehmer, die Positivelektrodenaktivmaterialschicht und eine leitfähige Zwischenschicht, die ein leitfähiges Material und ein Bindemittel beinhaltet, zwischen dem Positivelektrodenstromabnehmer und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht auf, und der Separator weist als Konstitutionselemente einen Separatorhauptkörper und eine Wärmeresistenzschicht, die einen anorganischen Füllstoff und ein Bindemittel beinhaltet, auf zumindest einer Oberfläche des Hauptkörpers auf. Das teilchenförmige Polymer ist, aus den Konstitutionselementen, zumindest in der leitfähigen Zwischenschicht und der Wärmeresistenzschicht beinhaltet.
Mit solch einer Konfiguration kann die positive Elektrode mit einer Abschaltfunktion ausgestattet werden, während die Verschlechterung der Batteriecharakteristiken, wie etwa die Batteriekapazität und der Batteriewiderstand, verhindert werden kann. Ferner kann dem Separator eine Abchaltfunktion verliehen werden, die bei einer niedrigeren Temperatur ausgeübt wird. Überdies, wo der Ort der abnormalen Wärmeerzeugung und der Ausbreitungsmodus der erzeugten Wärme berücksichtigt werden, erhöht das Merkmal des Compoundierens des teilchenförmigen Polymers in einer Kombination der leitfähigen Zwischenschicht und der Wärmeresistenzschicht aus den verschiedenen Konstitutionselementen, die die Batterie konstituieren, vorteilhaft die Effizienz zum Erhöhen des inneren Widerstands der Batterie und dem Effekt davon.
In dem bevorzugten Modus der hier offenbarten der nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie unterscheiden sich das teilchenförmige Polymer, das in der leitfähigen Zwischenschicht enthalten ist, und das teilchenförmige Polymer, das in der Wärmeresistenzschicht enthalten ist, voneinander, und der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers, das in der leitfähigen Zwischenschicht enthalten ist, ist niedriger als der Schmelzpunkt des leitfähigen Polymers, das in der Wärmeresistenzschicht enthalten ist. Mit solch einer Konfiguration wird die Abschaltfunktion, die durch das teilchenförmige Polymer ausgeübt wird, das in der leitfähigen Zwischenschicht der positiven Elektrode enthalten ist, bei einer Temperatur initiiert, die niedriger ist als die Initiationstemperatur der Abschaltfunktion, die durch das teilchenförmige Polymer ausgeübt wird, das in der Wärmeresistenzschicht des Separators enthalten ist. Daher kann der innere Widerstand der Batterie zu einem frühen Stadium erhöht werden, nachdem die abnormale Wärmeerzeugung in der positiven Elektrode begonnen hat, und die Abschaltfunktion in dem Separator (Wärmeresistenzschicht und Separatorhauptkörper) wird nachfolgend ausgeübt. Als ein Ergebnis kann die abnormale Wärmeerzeugung in einer geplanten Art und Weise vor einem thermischen Durchgehen inhibiert werden.
In dem bevorzugten Modus der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ist das Verhältnis des teilchenförmigen Polymers, das in der leitfähigen Zwischenschicht enthalten ist, 10 Massen-% bis 30 Massen-%, wenn das Gesamtgehaltsverhältnis der leitfähigen Zwischenschicht 100 Massen-% ist. Mit solch einer Konfiguration ist es, durch das Beinhalten des leitförmigen Polymers in der leitfähigen Zwischenschicht, möglich, eine große Menge des teilchenförmigen Polymers zu beinhalten, ohne das Gehaltsverhältnis der Positivelektrodenaktivmaterials zu erniedrigen und die Batteriecharakteristiken exzessiv zu verschlechtern. Ferner ist es zum Beispiel durch Beinhalten des teilchenförmigen Polymers in der leitfähigen Zwischenschicht anstelle des dispergierten Compoundierens des teilchenförmigen Polymers in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht möglich, den Leitfähigkeitspfad während des Abschaltens effektiver abzuschalten und die Abschaltfunktion kann effizienter ausgeübt werden.
In dem bevorzugten Modus der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ist das Verhältnis des teilchenförmigen Polymers, das in der Wärmeresistenzschicht enthalten ist, 10 Massen-% bis 40 Massen-%, wenn das Gesamtgehaltsverhältnis der Wärmeresistenzschicht als 100 Massen-% genommen wird. Mit solch einer Konfiguration kann eine größere Menge des teilchenförmigen Polymers beinhaltet sein, ohne die Poren des Separatorhauptkörpers zu verstopfen. Ferner ist es zum Beispiel durch Beinhalten des teilchenförmigen Polymers in der Wärmeresistenzschicht anstelle des dispergierten Compoundierens des teilchenförmigen Polymers in dem Separatorhauptkörper möglich, den Leitfähigkeitspfad während des Abschaltens effizienter abzuschalten und die Abschaltfunktion kann effizienter ausgeübt werden.
In dem bevorzugten Modus der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ist der D₅₀-Teilchendurchmesser des anorganischen Füllstoffs, der in der Wärmeresistenzschicht enthalten ist, 0,5 μm bis 5,0 μm, und der D₅₀-Teilchendurchmesser des teilchenförmigen Polymers ist 0,1 μm bis 3,0 μm. Ferner ist die Porosität des Separators, der die Wärmewiderstandschicht beinhaltet, 30% bis 70%. Mit solch einer Konfiguration wird das Abschaltverhalten des teilchenförmigen Polymers während abnormaler Wärmeerzeugung frühzeitig ausgeübt und der disperse Zustand des anorganischen Füllstoffs und des teilchenförmigen Polymers in der Wärmewiderstandschicht kann vorteilhaft beibehalten werden. Ferner kann eine gute Batterieleistungsfähigkeit beibehalten werden, ohne den Widerstand des gesamten Separators zu erhöhen.
In dem bevorzugten Modus der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ist die Porosität des gesamten Separators 30% bis 70%. In der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ist das teilchenförmige Polymer in dem Separator in der Wärmeresistenzschicht anstelle des Separatorhauptkörpers angeordnet. Daher kann die oben beschriebene adäquate Porosität des gesamten Separators beibehalten werden. Als ein Ergebnis kann die Abschaltfunktion des Separators verbessert werden, ohne die Porosität des gesamten Separators zu reduzieren und die Batteriecharakteristiken zu verschlechtern.
Der durch die oben beschriebenen Konfigurationen ausgeübte Effekt kann durch die Verwendung der Konfigurationen, zum Beispiel, in einer nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie, die eine hohe Energiedichte aufweist und bei einer hohen Rate verwendet werden kann, maximiert werden. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist in Batteriepacks, in welchen Wärmeableitung leicht vereitelt werden kann, weil eine Mehrzahl an nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterien verbunden ist. Da solch eine nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie während einer abnormalen Wärmeerzeugung, wie oben beschrieben, große Sicherheit aufweist, kann sie als eine Leistungsquelle z. B. für ein Hybridfahrzeug, ein Plug-In Hybridfahrzeug und dergleichen verwendet werden. Daher wird vorteilhafterweise ein Fahrzeug bereitgestellt, das mit der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie ausgestattet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die äußere Erscheinung der Lithium-Ionen-Batterie gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Querschnittsansicht, die entlang der II-II Linie in 1 genommen wurde.
3 ist eine schematische Zeichnung, die einen gewickelten Elektrodenkörper gemäß der Ausführungsform zeigt.
4 ist eine partielle Querschnittsansicht, die die positive Elektrode, die negative Elektrode und den Separator zeigt, die den gewickelten Elektrodenkörper gemäß der Ausführungsform konstituieren.
5 zeigt Veränderungen in dem inneren Widerstand, die durch die Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie verursacht werden.
6 ist eine Seitenansicht, die ein Fahrzeug zeigt, das die Lithium-Ionen-Batterie gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung trägt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Die ”Sekundärbatterie”, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, ist ein allgemeiner Begriff für eine wiederholt aufladbare Batterie, wie etwa eine Lithiumsekundärbatterie und eine Nickelhybridbatterie. Ferner ist die ”Lithium-Sekundärbatterie”, auf die in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, ein allgemeiner Begriff für eine wiederholt aufladbare Batterie unter Verwendung von Lithium-Ionen als Ladungsträgern und beinhaltet typischerweise eine Lithium-Ionen-Batterie und eine Lithium-Polymer-Batterie.
Ferner bedeutet das ”Aktivmaterial”, auf das in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, eine Substanz, die chemische Spezies (z. B. Lithium-Ionen in einer Lithium-Sekundärbatterie), die als Ladungsträger in einer Sekundärbatterie dienen, reversibel speichert und freisetzt (typischerweise absorbiert und desorbiert).
Spezifische Merkmale der nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung werden auf der Grundlage eines strukturellen Beispiels einer Lithium-Ionen-Batterie als einer Ausführungsform beschrieben. In den unteren Zeichnungen werden die Elemente und Teile, die ähnliche Effekte ausüben, mit ähnlichen Bezugszeichen besetzt. Die dimensionalen Verhältnisse (Länge, Breite, Dicke und dergleichen) in den Figuren spiegeln nicht notwendigerweise die tatsächlichen dimensionalen Verhältnisse wieder, es sei denn, dies wird anderweitig spezifisch genannt. Ferner können Sachen, die notwendig sind zum Implementieren der vorliegenden Erfindung (z. B. Materialien und Herstellungsverfahren für die Aktivmaterialien, den Separatorhauptkörper, und den Elektrolyt, allgemeine Techniken, die sich auf die Konstruktion von nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterien beziehen und dergleichen), die sich von den spezifisch in der vorliegenden Beschreibung genannten unterscheiden, durch einen Fachmann auf der Grundlage des Standes der Technik in dem technischen Gebiet als Ausgestaltungsgegenstand erlangt werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die die äußere Erscheinung einer Lithium-Ionen-Batterie 10 zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der II-II Linie in 1 genommen ist. Wie in 2 gezeigt, ist die Lithium-Ionen-Batterie 10 mit einem gewickelten Elektrodenkörper 20 und einem Batteriegehäuse 80 ausgestattet. 3 zeigt die Konfiguration des gewickelten Elektrodenkörpers 20. 4 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur des gewickelten Elektrodenkörpers 20 zeigt.
Wie in 3 und 4 gezeigt, ist der gewickelte Elektrodenkörper 20 durch Überlagern einer Band-geformten positiven Elektrode (hiernach bezeichnet als ein Positivelektrodensheet) 30, einer Band-geformten negativen Elektrode (hiernach bezeichnet als ein Negativelektrodensheet) 50, und Separatoren 70A, 70B, als Konstitutionselemente davon, konfiguriert.
Die positive Elektrode 30 ist mit einem Positivelektrodenstromabnehmer 32 und einer Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 auf der Oberfläche des Positivelektrodenstromabnehmers 32, als Konstitutionselemente davon, bereitgestellt. Die positive Elektrode 30, die in 4 gezeigt ist, ist auch mit einer leitfähigen Zwischenschicht 36 als einem Konstitutionselement zwischen dem Positivelektrodenstromabnehmer 32 und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 bereitgestellt. Die leitfähige Zwischenschicht 36 ist eine funktionale Schicht, die wirkt, um die elektrische Leitfähigkeit zwischen der positiven Elektrode 30 und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 zu erhöhen. Die negative Elektrode 50 ist mit einem Negativelektrodenstromabnehmer 52 und einer Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 auf der Oberfläche des Negativelektrodenstromabnehmers 52 als Konstitutionselemente bereitgestellt.
Separatoren 70A, 70B sind poröse Elemente, die die Isolierung der positiven Elektrode 30 und der negativen Elektrode 50 beibehalten und die Ionenleitfähigkeit zwischen der positiven Elektrode 30 und der negativen Elektrode 50 gewähleisten. Die Separatoren 70A, 70B, die in 4 gezeigt sind, werden mit einem Separatorhauptkörper 74 und einer Wärmeresistenzschicht (HRL) 72 auf der Oberfläche davon, als Konstitutionselemente davon, bereitgestellt. Die Wärmeresistenzschicht 72 ist ein poröser Körper, der einen anorganischen Füllstoff mit einer Wärmeresistenz beinhaltet und ist im Wesentlichen eine funktionale Schicht, die auf einer oder beiden Oberflächen der Separatoren 70A, 70B bereitgestellt ist, um die Wärmeresistenz der Separatoren 70A, 70B zu erhöhen, mit dem Ziel des Verhinderns des inneren Kurzschlusses der Separatoren 70A, 70B, verursacht durch beigemengte metallische Fremdstoffe, Oxidation und Zersetzung, und der Verschlechterung von Batteriecharakteristiken.
Zum Beispiel kann ein Körper, der eine laminierte Struktur aufweist (z. B. eine Dreischichtstruktur), die durch Laminieren von porösen Sheet-geformten Polyolefinharzen (typischerweise Polypropylen (PP), Polyethylen (PE)) erhalten ist und eine Abschaltfunktion des Erweichens oder Schmelzens und ein Abschalten des elektrischen Strom ausüben kann, vorteilhaft als der Separatorhauptkörper 74 verwendet werden.
Wegen des Herstellungsverfahrens davon (z. B. uniaxiales Dehnen), weist ein Sheet-geformtes Polyolefinharz einen vergleichbar hohen Schmelzpunkt gleich zu oder höher als ungefähr 130°C auf. Der Separatorhauptkörper 74, der durch solch ein poröses Sheet-geformtes Polyolefinharz konstituiert ist, erhöht schnell den inneren Widerstand einer Batterie und schaltet den elektrischen Strom durch Schmelzen während abnormaler Wärmeerzeugung in einer typischen Batterie ab. Allerdings ist, z. B. wenn die Batterie 10 eine hohe Energiedichtecharakteristik aufweist, die Wärmestrahlfähigkeit niedriger als die der typischen Batterie aufgrund solch einer hohen Energiedichtecharakteristik, die erzeugte Wärme kann sich während einem Überladen akkumulieren und die Batterietemperatur kann rasch ansteigen. Unter solchen Umständen, selbst wenn der Separatorhauptkörper 74 schmilzt und den elektrischen Strom temporär abschneidet (abschaltet), steigt die Temperatur der Batterie 10 weiterhin an und die Wärmewiderstandsgrenze der Separatoren 70A, 70B kann überschritten werden.
Demgemäß beinhalten in der hier offenbarten Lithium-Ionen-Batterie 10 zumindest zwei Konstitutionselemente aus der Mehrzahl von Konstitutionselementen, die den gewickelten Elektrodenkörper 20 konstituieren, wobei sich die zwei Elemente unterscheiden, entsprechende teilchenförmige Polymere 38, 78 mit einem Schmelzpunkt innerhalb eines Temperaturbereichs von 80°C bis 120°C.
Die teilchenförmigen Polymere 38, 78 sind elektrisch isolierende Polymere und weisen üblicherweise eine teilchenförmige Form auf (mit einem geringeren Oberflächenbereich). Bei einer Temperatur gleich zu oder höher als dem oben beschriebenen Schmelzpunkt, schmelzen die Polymere, der Oberflächenbereich davon erhöht sich, und der Ionenleitfähigkeitspfad wird abgeschaltet, wodurch sich der innere Widerstand der Batterie 10 erhöht. Daher funktionieren die teilchenförmigen Polymere 38, 78 als das so genannte Abschalt-Harz.
Der Schmelzpunkt der teilchenförmigen Polymere 38, 78 wird auf einen Temperaturbereich von 80°C bis 120°C eingestellt. Der Schmelzpunkt der teilchenförmigen Polymere 38, 78 wird gleich zu oder höher als 80°C eingestellt, weil das Auftreten von abnormaler Wärmeerzeugung in der Lithium-Ionen-Batterie 10 durch einen Zustand bestimmt werden kann, in welchem die Batterietemperatur gleich zu oder höher als 80°C wird. Der Schmelzpunkt der teilchenförmigen Polymere 38, 78 wird gleich zu oder niedriger als 120°C eingestellt, um die Abschalt-Funktion mit den teilchenförmigen Polymeren 38, 78 auszuüben, bevor die Abschalt-Funktion durch das Sheet-geformte Polyolefinharz in den oben beschriebenen Separatoren 70A, 70B ausgeübt wird. Um das Auftreten von abnormaler Wärmeerzeugung zuverlässiger zu bestimmen und die Abschalt-Funktion ausreichend auszuüben, bevor die Abschalt-Funktion durch das Sheet-geformte Polyolefinharz der Separatoren 70A, 70B ausgeübt wird, ist es stärker bevorzugt, dass der Schmelzpunkt der teilchenförmigen Polymere 38, 78 innerhalb eines Temperaturbereichs von 90°C bis 110°C ist. Mit solch einer Konfiguration können zumindest zwei Konstitutionselemente, die den oben beschriebenen gewickelten Elektrodenkörper 20 konstituieren, mit der Abschalt-Funktion ausgestattet werden, vollständig getrennt von und vor der Abschalt-Funktion, die durch das Sheet-geformte Polyolefinharz der Separatoren 70A, 70B ausgeübt wird.
Die Konstitutionselemente, die solche teilchenförmigen Polymere 38, 78 beinhalten, sind nicht auf verschiedene Konstitutionselemente, die zuvor mittels spezifischer Beispiele beschrieben sind, beschränkt, und verschiedene andere Konstitutionselemente, welche den gewickelten Elektrodenkörper 20 konstituieren können, können in Betracht kommen. Die Auswahl der Konstitutionselemente, die die teilchenförmigen Polymere 38, 78 und Kombinationen davon beinhalten, sind nicht besonders beschränkt, und die teilchenförmigen Polymere 38, 78 können in den gewünschten Konstitutionselementen angeordnet werden. Zum Beispiel können die teilchenförmigen Polymere 38, 78 in zwei (oder mehr als zwei) Konstitutionselementen in der positiven Elektrode 30 angeordnet werden, die teilchenförmigen Polymere 38, 78 können in zwei oder mehr als zwei) Konstitutionselementen in der negativen Elektrode 50 angeordnet werden, die teilchenformigen Polymere 38, 78 können in zwei (oder mehr als zwei) Konstitutionselementen in den Separatoren 70A, 70B angeordnet werden, und es ist selbstverständlich, dass die teilchenförmigen Polymere in irgendwelchen zwei aus der positiven Elektrode 30, der negativen Elektrode 50 und den Separatoren 70A, 70B angeordnet werden können.
Unter diesen Optionen sind in dem bevorzugten Beispiel der hier offenbarten Lithium-Ionen-Batterie 10 die teilchenförmigen Polymere 38, 78 in irgendwelchen zwei oder allen aus den Konstitutionselemente unter der positiven Elektrode 30, der negativen Elektrode 50 und den Separatoren 70A, 70B beinhaltet.
Zum Beispiel können die teilchenförmigen Polymere 38, 78 spezifischer in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34, der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 und den Separatoren 70A, 70B, wie oben beschrieben, beinhaltet sein, oder die teilchenförmigen Polymere können in verschiedenen funktionalen Schichten beinhaltet sein, die auf der Oberfläche des Positivelektrodenstromabnehmers 32, des Negativelektrodenstromabnehmers 52 und den Separatoren 70A, 70B bereitgestellt sind.
Da die teilchenförmigen Polymere 38, 78 elektrisch isolierend sind, können sich die Batteriecharakteristiken während normaler Verwendung (z. B. Batteriekapazität und innerer Widerstand) stark verschlechtern, wenn die Menge davon, die ausreicht für ein Abschalten während abnormaler Wärmeerzeugung, die durch Überladen oder dergleichen verursacht wird, in einem der oben beschriebenen Konstitutionselementen beinhaltet sein soll. Umgekehrt, wo die teilchenförmigen Polymere in einem der oben beschriebenen Orte beinhaltet sein soll ohne die Batteriecharakteristiken während der normalen Verwendung signifikant zu verschlechtern, ist die Menge, die compoundiert werden kann, auf eine sehr geringe Menge begrenzt. Daher benötigen die Batteriecharakteristiken und die Abschalt-Leistung wechselseitig verschiedene Konfigurationen, und die zwei Bedingungen können schwierig gleichzeitig erfüllt werden. Dies wird insbesondere ein signifikantes Problem in dem Fall von großen Batterien mit schlechter Wärmeableitung.
Allerdings sind die teilchenförmigen Polymere 38, 78 in der Lithium-Ionen-Batterie 10 in irgendwelchen zwei oder mehr der oben beschriebenen Konstitutionselemente dispergiert beinhaltet. Als ein Ergebnis kann eine größere Menge an teilchenförmigen Polymeren 38, 78 in der gesamten Lithium-Ionen-Batterie beinhaltet sein, ohne eine große Menge der teilchenförmigen Polymere 38, 78 in ein einziges Konstitutionselement zu compoundieren, was eine signifikante Verschlechterung von Batteriecharakteristiken während der normalen Verwendung verursacht. Zusätzlich ist es durch Anordnen der teilchenförmigen Polymere 38, 78 in zwei oder mehr Konstitutionselemente innerhalb der Lithium-Ionen-Batterie 10 möglich, die Abschalt-Funktion in einer schrittförmigen Art und Weise gemäß der Position des Konstitutionselements, wo der Anstieg in der Temperatur innerhalb der Batterie 10 beginnt und dem Timing davon, ausgeübt werden.
Mit solch einer Konfiguration ist das teilchenförmige Polymer 38 oder 78, das in dem Konstitutionselement angeordnet ist, welches näher ist zu dem Ort, wo die abnormale Wärmeerzeugung durch Überladen oder dergleichen auftritt, das erste das schmilzt, der innere Widerstand der Batterie erhöht sich beginnend zu einem frühen Stadium, und exzessives Akkumulieren von erzeugter Wärme wird inhibiert. Dann schmelzen die teilchenförmigen Polymere 38 oder 78, die in einem weit entfernten Konstitutionselement angeordnet sind, und der innere Widerstand der Batterie wird ferner erhöht, wodurch es möglich ist, den Ausbruch des Überladens zu inhibieren. Wo der innere Widerstand somit beginnend von dem initialen Zustand abnormaler Wärmeerzeugung erhöht wird und die beschleunigte Erhöhung der Temperatur verhindert wird, kann die Erhöhung der Temperatur der Batterie 10 durch die Abschalt-Funktion, die durch die Sheet-geformten Polyolefinharze, die die oben beschriebenen Separatoren 70A, 70B konstituieren, zuverlässiger ausgeführt werden, selbst wenn die Temperatur weiter ansteigt.
In solch einer Lithium-Ionen-Batterie 10 sind die teilchenförmigen Polymere 38, 78 bevorzugt zumindest in der leitfähigen Zwischenschicht 36 der positiven Elektrode 30 und der Wärmewiderstandschicht 72 der Separatoren 70A, 70B, wie z. B. in 4 gezeigt, beinhaltet.
Wenn das teilchenförmige Polymer 38 in der positiven Elektrode 30 enthalten ist, sollte, wo das teilchenförmige Polymer in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 beinhaltet sein soll, die Compoundierungsmenge des Positivelektrodenaktivmaterials gemäß der Menge des teilchenförmigen Polymers 38 reduziert werden. Daher beeinträchtigt das Compoundieren des teilchenförmigen Polymers 38 direkt die Batteriekapazität, und der innere Widerstand der Batterie 10 erhöht sich. Als ein Ergebnis ist es schwierig eine ausreichende Menge des teilchenförmigen Polymers 38 in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 zu beinhalten. Allerdings, wo die positive Elektrode 30 mit der leitfähigen Zwischenschicht 36 bereitgestellt ist, und das teilchenförmige Polymer 38 darin beinhaltet ist, erniedrigt sich die Batteriekapazität nicht und die elektrische Leitfähigkeit des Konstitutionselements, das das teilchenförmige Polymer 38 beinhaltet, kann auch gewährleistet werden.
Ferner kann, z. B. wo der Separatorhauptkörper 74 in den Separatoren 70A, 70B durch ein Sheet-geformten Polyolefinharz konstituiert ist, der Separatorhauptkörper 74 selbst mit der Abschalt-Funktion bereitgestellt sein. Durch Bereitstellen der Wärmeresistenzschicht 72, die das teilchenförmige Polymer 78 auf der Oberfläche des Separatorhauptkörpers 74 beinhaltet, ist es auch möglich, die Abschalt-Funktion, die durch die Wärmeresistenzschicht 72 ausgeübt wird, getrennt von der des Separatorhauptkörpers 74 bereitzustellen. In diesem Fall ist der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 78 niedriger als der des Sheet-geformten Polyolefinharzes, das den Separatorhauptkörper 74 konstituiert. Dadurch wird das Abschalten durch die Separatoren 70A, 70B initial in der Wärmeresistenzschicht 72 ausgeübt, und dann gewährleistet der Separatorhauptkörper 74 das kontinuierliche Abschalten bei den nachfolgenden Stadien.
Die oben beschriebene leitfähige Zwischenschicht 36 und die Wärmeresistenzschicht 72 weisen typischerweise eine Dicke so schmal wie ungefähr mehrere Mikrons (μm) (z. B. weniger als 10 μm, typischerweise ungefähr 1 bis 7 μm) auf. Dadurch können die teilchenförmigen Polymere 38, 78, selbst wenn die Compoundierungsmenge der teilchenförmigen Polymere 38, 78 vergleichsweise gering ist, dispergiert und einheitlich in solchen Schichten bei einem hohen Compoundierungsverhältnis angeordnet werden. Dadurch wird während der abnormalen Wärmeerzeugung das Abschalt-Verhalten rasch ausgeübt und ein dichterer Widerstandskörper mit weniger Brüchen kann nach dem Abschalten gebildet werden. Mit anderen Worten schmelzen die teilchenförmigen Polymere 38, 78 und bilden einen Widerstandskörper, welcher in der Form näher zu einer Schicht ist, und der innere Widerstand der Batterie 10 kann effektiv erhöht werden.
Ferner tritt die abnormale Wärmeerzeugung typischerweise in der negativen Elektrode 50 oder der positiven Elektrode 30 auf, und die erzeugte Wärme kann sich zu den Separatoren 70A, 70B ausbreiten. Dadurch ist es bevorzugt, unter Berücksichtigung der Position der Konstitutionselemente, wo die Temperatur innerhalb der Batterie 10 beginnt anzusteigen und dem Timing solch einer Erhöhung der Temperatur, dass die Abschaltfunktion zu zumindest einer Kombination der positiven Elektrode 30 oder der negativen Elektrode 50 und den Separatoren 70A, 70B, aus den verschiedenen Konstitutionselementen, die die Batterie 10 konstituieren, bereitgestellt wird. Darüber hinaus ist es, wo der Effekt in Betracht gezogen wird, der durch die oben beschriebene leitfähige Zwischenschicht 36 oder die Wärmeresistenzschicht 72 produziert wird, stärker bevorzugt, dass die leitfähigen Polymere 38, 78 in der Kombination der leitfähigen Zwischenschicht 36 der positiven Elektrode 30 und der Wärmeresistenzschicht 72 der Separatoren 70a, 70B beinhaltet sind, weil in diesem Fall die teilchenförmigen Polymere 38, 78 effektiver funktionieren können. In solch einer Lithium-Ionen-Batterie 10 wird die Ausbreitungsform der innerhalb der Batterie 10 erzeugten Wärme aktiver und in einer stärker geplanten Art und Weise kontrolliert und die abnormale Wärmeerzeugung während des Überladens wird zuverlässiger inhibiert.
Die gleichen oder zueinander verschiedene teilchenförmige Polymere können für das teilchenförmige Polymer 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 enthalten ist, und das teilchenförmige Polymer 78, das in der Wärmeresistenzschicht 72 enthalten ist, verwendet werden. Zum Beispiel können Polymere verwendet werden, die sowohl in der Zusammensetzung als auch dem Schmelzpunkt unterschiedlich sind, und die Polymere der gleichen Zusammensetzung, die sich in dem Schmelzpunkt voneinander unterscheiden, können auch verwendet werden. Bezüglich der teilchenförmigen Polymere 38, 78 ist es z. B. bevorzugt, dass der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 enthalten ist, niedriger als der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 78 ist, das in der Wärmeresistenzschicht 72 enthalten ist, aber solch ein Merkmal ist nicht besonders beschränkend.
Solch eine Beziehung zwischen den Schmelzpunkten ist bevorzugt, weil, wie oben beschrieben, die abnormale Wärmeerzeugung hauptsächlich in der negativen Elektrode 50 oder der positiven Elektrode 30 auftritt, und sich die erzeugte Wärme hauptsächlich zu den Separatoren 70A, 70B ausbreitet. Daher ist es bevorzugt, dass die Wärmeerzeugung in der positiven Elektrode 30 in einem frühen Stadium inhibiert wird, nachdem die Wärmeerzeugung als abnormal bestimmt wurde, das heißt, wenn die Temperatur der positiven Elektrode 30 noch vergleichsweise niedrig ist. Als ein Ergebnis kann das Ausüben der Abschalt-Funktion durch das teilchenförmige Polymer 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 der positiven Elektrode 30 enthalten ist, bei einer Temperatur gestartet werden, die niedriger als die ist, bei welcher das teilchenförmige Polymer 78, das in der Wärmeresistenzschicht 72 der Separatoren 70A, 70B enthalten ist, die Abschalt-Funktion ausübt, und das Ausbreiten von erzeugter Wärme von der positiven Elektrode 30 innerhalb der Batterie 10 kann zu einem frühen Stadium inhibiert werden. Ferner wird die Abschalt-Funktion des teilchenförmigen Polymers 78, das in der Wärmeresistenzschicht 72 der Separatoren 70A, 70B enthalten ist, nach der Abschalt-Funktion durch das teilchenförmige Polymer 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 der positiven Elektrode 30 enthalten ist, ausgeübt, und die Abschalt-Funktion des Separatorhauptkörpers 74 wird dann kontinuierlich ausgeübt.
5 ist ein konzeptionelles Diagramm, das das Abschalt-Verhalten einer nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie erklärt. Die Temperatur innerhalb der Batterie ist auf die X-Achse aufgetragen und der innere Widerstand der Batterie ist auf die Y-Achse aufgetragen. Die grafische Darstellung (1) in der Figur zeigt, wie sich der innere Widerstand abhängig von der Temperatur der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie verändert, und die grafische Darstellung (2) zeigt, wie sich der innere Widerstand abhängig von der Temperatur der nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie, die kein teilchenförmiges Polymer enthält, verändert.
Wo der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 38, 78 wie oben beschrieben eingestellt wird, verändert sich der innere Widerstand der Batterie 10 z. B. wie durch die grafische Darstellung (1) gezeigt. Demnach wird, wo die abnormale Wärmeerzeugung beginnt, die Abschalt-Funktion des teilchenförmigen Polymers 38 initial bei dem Schmelzpunkt (in 5 ist diese Temperatur durch einen Pfeil in der Nähe von 100°C gezeigt) des teilchenförmigen Polymers 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 enthalten ist, ausgeübt, und der innere Widerstand der Batterie 10 erhöht sich. Als ein Ergebnis, obwohl der elektrische Strom inhibiert wird, steigt die Temperatur der Batterie 10 weiter, und wenn die Temperatur zu dem Schmelzpunkt (in 5 ist diese Temperatur durch einen Pfeil in der Nähe von 110°C gezeigt) des teilchenförmigen Polymers 78 in der Wärmeresistenzschicht 72 ansteigt, übt das teilchenförmige Polymer 78 die Abschalt-Funktion aus. In diesem Fall erhöht sich der innere Widerstand der Batterie weiter und der elektrische Strom wird weiter inhibiert. Wenn die Temperatur der Batterie 10 weiter ansteigt und den Schmelzpunkt (in 5 ist diese Temperatur durch einen Pfeil in der Nähe von 130°C gezeigt) des Sheet-geformten Polyolefins, das den Separatorhauptkörper 74 konstituiert, erreicht, wird die Abschalt-Funktion durch das Sheet-geformte Polyolefin ausgeübt, der innere Widerstand der Batterie erhöht sich in hohem Maße, und der elektrische Strom wird abgeschaltet. Als ein Ergebnis werden die chemischen Reaktionen in der Batterie 10 gestoppt und die Temperatur der Batterie 10 erniedrigt sich danach graduell.
Indes erhöht sich der innere Widerstand in der Batterie 10, die keine teilchenförmigen Polymere 38, 78 beinhaltet, was durch die grafische Darstellung (2) illustriert ist, nicht, bevor der Schmelzpunkt des Sheet-geformten Polyolefinharzes erreicht wird, selbst wenn die abnormale Wärmeerzeugung gestartet ist, und die Abschalt-Funktion wird zum ersten Mal ausgeübt und der innere Widerstand der Batterie 10 erhöht sich rasch nur bei dem Schmelzpunkt des Polyolefins. In dem Fall von abnormaler Wärmeerzeugung in einer typischen Batterie, wo der Batteriestrom in dieser Art und Weise abgeschalten wird, kann die Temperatur der Batterie 10 danach, wie in der grafischen Darstellung (2) gezeigt, graduell erniedrigt werden. Allerdings, wo die Batterie eine Struktur aufweist, die die erzeugte Wärme einfach akkumulieren kann, wie etwa eine großformatige Batteriestruktur, kann sich die Batterietemperatur offenkundig beschleunigend erhöhen (das so genannte thermische Durchgehen), bevor die Batterietemperatur den Schmelzpunkt des Polyolefins erreicht. In solch einem Fall steigt die Temperatur weiter an, selbst nachdem der elektrische Strom abgeschaltet wurde und kann offenkundig auch z. B. 250°C oder höher und selbst auf über 300°C ansteigen. Daher ist das Erhöhen des inneren Widerstands der Batterie 10 und das Inhibieren des elektrischen Stroms von einem frühen Stadium bevor das thermische Durchgehen erreicht wird, ein sehr effektives Verfahren zum Verhindern der Initiation des thermischen Durchgehens in dem Fall von abnormaler Wärmeerzeugung.
Die hier offenbarte nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie ist durch Ausführen der oben beschriebenen Schritte (in einer schrittförmigen Art und Weise) daran gehindert, den Zustand des thermischen Durchgehens zu erreichen.
In solch einer Lithium-Ionen-Batterie 10 ist das Verhältnis des teilchenförmigen Polymers 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 enthalten ist, bevorzugt 10 Massen-% bis 30 Massen-%, wenn der Gesamtgehalt der leitfähigen Zwischenschicht 36, d. h. in diesem spezifischen Fall die Gesamtmenge des leitfähigen Materials, des Bindemittels und des teilchenförmigen Polymers 38, die in der leitfähigen Zwischenschicht 36 enthalten sind, als 100 Massen-% genommen werden.
Der innere Widerstand der Batterie 10 kann während der abnormalen Wärmeerzeugung erhöht werden, durch Beinhalten selbst einer geringen Menge des teilchenförmigen Polymers 38 in der leitfähigen Zwischenschicht 36, und der Effekt davon erhöht sich mit der Erhöhung in der Compoundierungsmenge. Allerdings ist es bei einer Compoundierungsmenge von weniger als 10 Massen-% schwierig, den inneren Widerstand während der abnormalen Wärmeerzeugung effektiv zu erhöhen. Indes, wo die Compoundierungsmenge des teilchenförmigen Polymers 38 30 Massen-% übersteigt, erhöht sich der innere Widerstand während der normalen Verwendung der Batterie 10 und die Batteriekapazität erniedrigt sich, was in unnötiger Verschlechterung von Batteriecharakteristiken resultiert. Angesichts dessen ist es gewünscht, dass die Compoundierungsmenge des teilchenförmigen Polymers 38 in der leitfähigen Zwischenschicht 36 ungefähr 10 Massen-% bis 30 Massen-%, stärker bevorzugt ungefähr 15 Massen-% bis 20 Massen-% ist. Als ein Ergebnis wird die Abschalt-Funktion des teilchenförmigen Polymers in der leitfähigen Zwischenschicht 36 effektiv ausgeübt und die abnormale Wärmeerzeugung in der Batterie 10 kann in einem frühen Stadium inhibiert werden.
Ferner ist in der Lithium-Ionen-Batterie 10 das Verhältnis des teilchenförmigen Polymers 78, das in der Wärmeresistenzschicht 72 enthalten ist, bevorzugt 10 Massen-% bis 40 Massen-%, wo der Gesamtgehalt der Wärmeresistenzschicht 72, d. h. in diesem speziellen Fall die Gesamtmenge des anorganischen Füllstoffs, des Bindemittels und des teilchenförmigen Polymers 78, die in der Wärmeresistenzschicht 72 enthalten sind, als 100 Massen-% genommen wird.
Der innere Widerstand der Batterie 10 kann während der abnormalen Wärmeerzeugung erhöht werden, durch Beinhalten einer niedrigen Menge des teilchenförmigen Polymers 78 in der Wärmeresistenzschicht 72, und der Effekt davon erhöht sich mit der Erhöhung in der Compoundierungsmenge. Allerdings ist es bei einer Compoundierungsmenge von weniger als 10 Massen-% schwierig, den inneren Widerstand während der abnormalen Wärmeerzeugung effektiv zu erhöhen, und die Temperatur der Batterie 10 steigt auf ein vergleichsweise hohes Niveau an. Indes erhöht sich der innere Widerstand während der normalen Verwendung der Batterie 10, wo die Compoundierungsmenge des teilchenförmigen Polymers 78 40 Massen-% übersteigt, was in einer unnötigen Verschlechterung von Batteriecharakteristiken resultiert. Angesichts dessen ist es gewünscht, dass die Compoundierungsmenge des teilchenförmigen Polymers 78 in der Wärmeresistenzschicht 72 ungefähr 10 Massen-% bis 40 Massen-%, stärker bevorzugt ungefähr 20 Massen-% bis 30 Massen-% ist. Als ein Ergebnis wird die Abschalt-Funktion des teilchenförmigen Polymers 78 in der Wärmeresistenzschicht 72 effektiv ausgeübt und die abnormale Wärmeerzeugung in der Batterie 10 kann in einem frühen Stadium gestoppt werden.
Der mittlere Teilchendurchmesser des anorganischen Füllstoffs, der in der Wärmeresistenzschicht 72 enthalten ist, beträgt bevorzugt 0,5 μm bis 5 μm, und der mittlere Teilchendurchmesser des teilchenförmigen Polymers beträgt 0,1 μm bis 3 μm. Der ”mittlere Teilchendurchmesser”, auf den hier Bezug genommen wird, bezieht sich auf einen Teilchendurchmesser bei einem integrierten Wert von 50% in der Teilchendurchmesserverteilung bestimmt auf einer Volumenbasis (kann hiernach einfach als mittlerer Teilchendurchmesser oder D₅₀ bezeichnet werden), wie durch das Laser-Beugungs-Streuungs-Verfahren gemessen. Durch Einstellen des mittleren Teilchendurchmessers des anorganischen Füllstoffs auf 0,5 μm bis 5,0 μm ist es möglich, den durch die Wärmeresistenzschicht 72 ausgeübten Effekt zum Verhindern der Oxidation und Verschlechterung der Separatoren 70A, 70B und der Verschlechterung von Batteriecharakteristiken weiter zu erhöhen. Durch Einstellen des mittleren Teilchendurchmessers des teilchenförmigen Polymers auf 0,1 μm bis 3,0 μm ist es möglich, die Reaktivität des teilchenförmigen Polymers während der abnormalen Wärmeerzeugung zu erhöhen und das Schmelzen davon weiter zu beschleunigen. Ferner kann ein homogenerer und einheitlicherer Dispersionszustand des anorganischen Füllstoffs und des teilchenförmigen Polymers in der Wärmeresistenzschicht beibehalten werden und eine vorteilhafte Wärmeresistenzschicht 72 kann realisiert werden.
Die Porosität des gesamten Separators 70A, 70B in solch einer Lithium-Ionen-Batterie ist bevorzugt von 30% bis 70%. Diese Porosität bedeutet ein Volumenverhältnis von Poren in dem gesamten Separator 70A, 70B, der die Wärmeresistenzschicht 72 und den Separatorhauptkörper 74 beinhaltet. Da die Wärmeresistenzschicht 72 auf der Oberfläche der Separatoren 70A, 70B bereitgestellt ist, sollte die Wärmeresistenzschicht in der gleichen Art und Weise wie die Separatoren 70A, 70B Poren aufweisen, um Ionenleitfähigkeit zwischen der positiven Elektrode 30 und der negativen Elektrode 50 zu gewährleisten. Demgemäß ist es, um Ionenleitfähigkeit zu gewährleisten und um zu verhindern, dass sich der Widerstand der Separatoren 70A, 70B erniedrigt, bevorzugt, dass die Porosität des gesamten Separators 70A, 70B gleich zu oder größer als 30% ist. Ferner ist es, um die Stärke und Haltbarkeit der Separatoren 70A, 70B zu erhalten, bevorzugt, dass die Porosität gleich zu oder weniger als 70% ist. Zum Beispiel ist es stärker bevorzugt, dass die Porosität von ungefähr 40% bis 60% ist. Die Porosität kann vorteilhafterweise durch Einstellen des Verfahrens zum Bilden der Wärmeresistenzschicht 72 oder den Teilchendurchmesser des anorganischen Füllstoffs und des teilchenförmigen Polymers 78, die in der Wärmeresistenzschicht 72 enthalten sind, kontrolliert werden.
Wie oben beschrieben sind die teilchenförmigen Polymere 38, 78, die ohne exzessives Verschlechtern der Charakteristiken der Lithium-Ionen-Batterie 10 compoundiert werden können, im Bezug auf die Menge und die Compoundierungsform davon in den Konstitutionselementen beschränkt. In der Lithium-Ionen-Batterie 10, wie oben angezeigt, sind die teilchenförmigen Polymere 38, 78 dispergiert und in geeigneten Mengen in zumindest der leitfähigen Zwischenschicht 36 der positiven Elektrode 30 und der Wärmeresistenzschicht 72 der Separatoren 70A, 70B beinhaltet. Als ein Ergebnis kann die Menge der verwendeten teilchenförmigen Polymere 38, 78 zu der Maximalgrenzmenge erhöht werden, was keine Verschlechterung von Charakteristiken der Batterie 10 verursacht, und die Effektivität des Abschaltens, das durch die teilchenförmigen Polymere 38, 78 ausgeführt wird, kann maximiert werden. Dadurch kann thermisches Durchgehen während der abnormalen Wärmeerzeugung zuverlässiger verhindert werden.
Im Gegensatz dazu, wo die gleiche Abschalt-Funktion erreicht werden soll nur von dem teilchenförmigen Polymer 78, das in der Wärmeresistenzschicht 72 der Separatoren 70A, 70B beinhaltet ist, ohne Compoundieren des teilchenförmigen Polymers 38 in die leitfähige Zwischenschicht 36 der positiven Elektrode 30, sollte das Verhältnis des teilchenförmigen Polymers 78 in der Wärmeresistenzschicht 72 gleich zu oder höher als 50 Massen-% sein. Solch eine Compoundierungsmenge macht es schwierig, die Separatorporosität bei oder höher als 30% beizubehalten, und behindert das Design. Umgekehrt kann z. B. die gleiche Abschalt-Funktion nicht erhalten werden nur von dem teilchenförmigen Polymer 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 der positiven Elektrode 30 beinhaltet ist, ohne Compoundieren des teilchenförmigen Polymers 78 in der Wärmeresistenzschicht 72 der Separatoren 70A, 70B, weil die Batteriecharakteristiken während der normalen Verwendung verschlechtert werden. Daher sind in solch einer Lithium-Ionen-Batterie 10 die teilchenförmigen Polymere 38, 78 in dem geeigneten Zustand und den geeigneten Mengen in adäquateren Orten (Konstitutionselementen) innerhalb der Batterie 10 beinhaltet.
Die gesamte Konfiguration der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie wird wird nachfolgend in mehr Details mit dem Beispiel der Lithium-Ionen-Batterie 10 erklärt, welche eine Ausführungsform ist, durch Bezugnehmen auf, wie geeignet, auf 1 bis 4. Ein typisches Verfahren zum Herstellen der nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie wird auch in einer einfachen Art und Weise erklärt. Die Lithium-Ionen-Batterie 10 weist eine Konfiguration auf, in welcher die teilchenförmigen Polymere 38, 78 in der leitfähigen Zwischenschicht 36 der positiven Elektrode 30 und der Wärmeresistenzschicht der Separatoren 70A, 70B beinhaltet sind.
<<Positive Elektrode>>
Wie oben beschrieben, ist die positive Elektrode (Positivelektrodensheet) 30 mit der leitfähigen Zwischenschicht 36 und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 auf dem Band-geformten Positivelektrodenabnehmer 32 bereitgestellt.
Eine Metallfolie, die für positive Elektroden geeignet ist, kann vorteilhaft als der Positivelektrodenstromabnehmer 32 verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Stab-geformter Körper, ein Platten-geformter Körper, ein Folien-geformter Körper oder ein Netz-geformter Körper basierend auf Aluminium, Nickel, Titan oder Edelstahl verwendet werden. In der Ausführungsform wird eine Band-geformte Aluminiumfolie, welche eine Dicke von ungefähr 1 μm und eine vorherbestimmte Breite aufweist, für den Positivelektrodenstromabnehmer 32 verwendet. In dem Positivelektrodenstromabnehmer 32 ist ein unbeschichteter Abschnitt 33 entlang des Rands auf einer Seite in der Breiterichtung bereitgestellt. Die leitfähige Zwischenschicht 36 und die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 sind auf beiden Oberflächen des Positivelektrodenstromabnehmers 32 gebildet, mit Ausnahme des unbeschichteten Abschnitts 33, der auf dem Positivelektrodenstromabnehmer 32 eingerichtet wurde.
Die leitfähige Zwischenschicht 36 beinhaltet zumindest ein elektrisch leitfähiges Material und das teilchenförmige Polymer 38. In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die leitfähige Zwischenschicht 36 ein elektrisch leitfähiges Material und das teilchenförmige Polymer 38, und diese Komponenten sind mit einem Bindemittel fest auf den oben beschriebenen Positivelektrodenstromabnehmer 32 angebracht. Die leitfähige Zwischenschicht 36 wird typischerweise durch Beschichten einer Zusammensetzung, die dieses elektrisch leitfähige Material, teilchenförmiges Polymer 38 und das Bindemittel beinhaltet, auf dem Positivelektrodenstromabnehmer 32 gebildet.
Verschiedene teilchenförmige Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit können als das elektrisch leitfähige Material verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Kohlenstoffpulver vorteilhaft verwendet werden. Spezifische Beispiele beinhalten Kohlenstoffpulver, wie etwa verschiedene Arten von Kohlenstoffschwarz (z. B. Acetylenschwarz, Ofenruß, graphitiertes Kohlenstoffschwarz und Ketjen Black) und Graphitpulver. Alterntativ kann ein elektrisch leitfähiges Metallpulver, wie etwa ein Nickelpulver, verwendet werden.
Die Zusammensetzung des teilchenförmigen Polymers 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 enthalten ist, kann ohne eine bestimmte Beschränkung verwendet werden, vorausgesetzt, dass das teilchenförmige Polymer einen Schmelzpunkt innerhalb eines Temperaturbereichs von 80°C bis 120°C aufweist. Solch teilchenförmiges Polymer 38 schmilzt und der Oberflächenbereich davon erhöht sich, wenn die Temperatur der leitfähigen Zwischenschicht 36 ansteigt, wodurch der Leitfähigkeitspfad, der durch das elektrisch leitfähige Material gebildet wird, unterbrochen wird. Als ein Ergebnis erhöht sich der innere Widerstand in der leitfähigen Zwischenschicht 36, die Bewegung der Ladungsträger (Bewegung der Elektrolytlösung) wird beschränkt, und die Reaktionen in der Batterie 10 werden beschränkt (Abschalten in der leitfähigen Zwischenschicht 36).
Ein Harz mit dem gewünschten Schmelzpunkt und Eigenschaften kann wie geeignet ausgewählt werden zur Verwendung als das teilchenförmige Polymer 38, z. B. von Polyolefinharzen. Es ist bevorzugt, dass eine oder zwei oder mehrere Verbindungen, ausgewählt aus Polyethylen (PE) und Ethylen-Vinyl Monomer Copolymer, welche einfach beschafft werden können und deren Schmelzpunkt vergleichsweise einfach eingestellt werden können, als das teilchenförmige Polymer 38 verwendet werden. Zum Beispiel verändert sich die Dichte von Polyethylen (PE) und Ethylen-Vinyl Monomer Copolymer typischerweise abhängig von dem Molekulargewicht und der molekularen Struktur, und der Schmelzpunkt kann zu der gewünschten Temperatur durch Einstellen der Dichte kontrolliert werden. Ferner kann das Verhältnis des teilchenförmigen Polymers in der leitfähigen Zwischenschicht 36 von ungefähr 10 Massen-% bis 30 Massen-% (Gewicht als Feststoffe) sein. Der mittlere Teilchendurchmesser (D₅₀) des teilchenförmigen Polymers 38 beeinflusst die Charakteristiken der Batterie nicht direkt und ist daher nicht besonders beschränkt. Allerdings ist es unter dem Gesichtspunkt der Prozessierbarkeit davon bevorzugt, dass der mittlere Teilchendurchmesser z. B. innerhalb eines Bereichs von 0,1 μm bis 3,0 μm liegt.
Das Bindemittel dient zum festen Anbringen des oben beschriebenen elektrisch leitfähigen Materials und des teilchenförmigen Polymers 38 zueinander, wodurch die leitfähige Zwischenschicht 36 gebildet wird, und auch zum festen Anfügen des elektrisch leitfähigen Materials und des teilchenförmigen Polymers 38 zu dem Positivelektrodenstromabnehmer 32.
Ein Polymer, das in einem Lösungsmittel löslich oder dispergierbar ist, das verwendet wird, wenn die leitfähige Zwischenschicht 36 gebildet wird, kann als das Bindemittel verwendet werden. Wenn die leitfähige Zwischenschicht 36 unter Verwendung eines wässrigen Lösungsmittels gebildet wird, können z. B. wasserlösliche oder wasserdispergierbare Polymere vorteilhaft verwendet werden, spezifische Beispiele davon beinhalten Zellulosepolymere wie etwa Carboxymethylcellulose (CMC) und Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), Polyvinylalkohol (PVA), Fluorharze, wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) und Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP), Vinylacetat-Copolymere und Gummis wie etwa Styrol-Butadien-Gummi (SBR) und Acrylsäure-modifiziertes SBR-Harz (SBR-Latex). Wenn die leitfähige Zwischenschicht 36 unter Verwendung eines nicht-wässrigen Lösungsmittels gebildet wird, können Polymere wie etwa Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylchlorid (PVdC) und Polyacrylnitril (PAN) vorteilhaft verwendet werden. Der Schmelzpunkt von diesem Polymermaterialien ist im Wesentlichen höher eingestellt als der des teilchenförmigen Polymers 38.
Die leitfähige Zwischenschicht 36 kann z. B. gebildet werden durch Herstellen einer pastenähnlichen (aufschlämmungsähnlichen) Zusammensetzung, in welcher das oben beschriebene elektrisch leitfähige Material, teilchenförmige Polymer 38 und Bindemittel zu einem Lösungsmittel oder Vehikel zugemischt werden, Beschichten der Zusammensetzung auf den Positivelektrodenstromabnehmer 32, und Trocknen. In diesem Fall kann ein wässriges Lösungsmittel oder ein nicht-wässriges Lösungsmittel als das Lösungsmittel der Zusammensetzung verwendet werden. N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) ist ein typisches vorteilhaftes Beispiel des nicht-wässrigen Lösungsmittels. Die Polymermaterialien, die oben mittels Beispiel als das Bindemittel präsentiert wurden, können auch mit dem Ziel des Ausübens der Funktionen eines Verdickungsmittels oder anderer Additive zu der Zusammensetzung verwendet werden, zusätzlich zu den Funktionen als das Bindemittel.
Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 beinhaltet zumindest das Positivelektrodenaktivmaterial. In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 ein teilchenförmiges Positivelektrodenaktivmaterial als die Hauptkomponente und auch ein elektrisch leitfähiges Material zum Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit, und diese Komponenten werden mit dem Bindemittel fest zu der oben beschriebenen leitfähigen Zwischenschicht 36 angebracht. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 wird typischerweise gebildet durch Beschichten der Zusammensetzung zum Bilden der Positivelektrodenaktivmaterialschicht, welche das Positivelektrodenaktivmaterial, elektrisch leitfähiges Material und Bindemittel beinhaltet, auf die leitfähige Zwischenschicht 36. Hohlräume, durch welche die Elektrolytlösung zwischen den Positivelektrodenaktivmaterialteilchen eindringen kann, werden in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 gebildet, die in der oben beschriebenen Art und Weise gebildet wird.
Verschiedene Substanzen, die als das Positivelektrodenaktivmaterial für die Lithium-Ionen-Batterie 10 geeignet sind, können als das Positivelektrodenaktivmaterial verwendet werden. Spezifischer kann ein Material, das zum Speichern und Freisetzen von Lithium fähig ist, als das Positivelektrodenaktivmaterial verwendet werden, und ein oder zwei oder mehr Substanzen, die konventionell in Lithium-Sekundärbatterien verwendet wurden, können ohne eine besondere Beschränkung verwendet werden. Lithiumübergangsmetalloxide (typischerweise teilchenförmig) können vorteilhaft als das Positivelektrodenaktivmaterial verwendet werden. Typischerweise ein Oxid einer geschichteten Struktur oder ein Oxid einer Spinellstruktur können wie geeignet ausgewählt und verwendet werden. Zum Beispiel ist es bevorzugt, dass eines oder zwei oder mehrere Lithiumübergangsmetalloxide ausgewählt aus Lithiumnickeloxiden (typischerweise LiNiO₂), Lithiumkobaltoxiden (typischerweise LiCoO₂) und Lithiummanganoxiden (typischerweise LiMn₂O₄) verwendet werden.
Das ”Lithiumnickeloxid”, wie es hier verwendet wird, bedeutet, dass Oxide, die Li und Ni als die Konstitutionsmetallelemente beinhalten, und auch Komplexoxide, die ein oder zwei oder mehr Metallelemente beinhalten (d. h. ein Übergangsmetallelement und/oder ein typisches Metallelement, das sich von Li und Ni unterscheidet) zusätzlich zu Li und Ni bei einem Verhältnis weniger als das von Ni (wenn zwei oder mehr Metallelemente, die sich von Li und Ni unterscheiden, enthalten sind, ist das kombinierte Verhältnis davon weniger als das von Ni (berechnet als die Anzahl an Atomen)), mit eingeschlossen sind. Beispiele von solchen Metallelementen beinhalten ein oder zwei oder mehr Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Co, Al, Mn, Cr, Fe, V, Mg, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Cu, Zn, Ga, In, Sn, La und Ce.
Andere geeignete Beispiele beinhalten Lithiumreiche Übergangsmetalloxide, in welchen Lithium im Überschuss in Magnesiumstellen in dem so genannten Ternärsystem enthalten sein können, beinhaltend Übergangsmetalloxide von drei Arten, wie dargestellt durch die allgemeine Formel: Li(Li_aMn_xCo_yNi_z)O₂ (a, x, y und z in der Formel erfüllen die Bedingung: a + x + y + z = 1), und ein lithiumreiches Übergangsmetalloxid des so genannten Festlösungstyps, welches durch die allgemeine Formel dargestellt ist: xLi[Li_1/3Mn_2/3]O₂·(1 – x)LiMeO₂ (Me in der Formel ist ein oder zwei oder mehr Übergangsmetalle, und x erfüllt die Bedingung: 0 < x ≤ 1). Durch Verwendung z. B. eines lithiumreichen Übergangsmetalloxids eines Festlösungstyps als das Positivelektrodenaktivmaterial ist es möglich, eine Lithium-Ionen-Batterie zu konstruieren, die eine hoch-Output-Charakteristik mit einer Hochraten-Charakteristik kombiniert.
Eine Polyanionenverbindung, das durch die allgemeine Formel LiMAO₄ dargestellt ist (wobei M zumindest ein Metallelement ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe, Co, Ni und Mn ist; und A ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus P, Si, S und V ist), ist ein anderes Beispiel für das Positivelektrodenaktivmaterial.
Die Verbindung, die solch ein Positivelektrodenaktivmaterial konstituiert, kann z. B. durch bekannte Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel können Rohmaterialverbindungen, die wie gewünscht gemäß der Zielzusammensetzung des Positivelektrodenaktivmaterials ausgewählt sind, bei vorherbestimmten Verhältnissen gemischt werden, und die Mischung wird durch geeignete Mittel calciniert. Als ein Ergebnis ist es möglich, z. B. ein Oxid als eine Verbindung herzustellen, die das Positivelektrodenaktivmaterial konstituiert. Das Verfahren zum Herstellen des Positivelektrodenaktivmaterials (typischerweise ein Lithiumübergangsmetalloxid) spezifiziert selbst die vorliegende Erfindung in keinerlei Weise.
Zum Beispiel ist die Form des Positivelektrodenaktivmaterials nicht besonders beschränkt, und das Positivelektrodenaktivmaterial, das wie oben beschrieben hergestellt wird, kann durch geeignete Mittel gemahlen, gesiebt und klassifiziert werden. Zum Beispiel kann ein Lithiumübergangsmetalloxid, das im Wesentlichen durch Sekundärteilchen mit einem mittleren Durchmesser innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1 μm bis 25 μm (typischerweise ungefähr 2 μm bis 15 μm) konstituiert ist, vorteilhafterweise als das Positivelektrodenaktivmaterial in der hier offenbarten Technik verwendet werden. Als ein Ergebnis ist es möglich, ein teilchenförmiges Positivelektrodenaktivmaterialpulver zu erhalten, das im Wesentlichen durch Sekundärteilchen konstituiert ist, die den gewünschten mittleren Teilchendurchmesser und/oder Teilchendurchmesserverteilung aufweisen.
Das elektrisch leitfähige Material spielt eine Rolle zum Gewährleisten eines Leitfähigkeitspfads zwischen dem Positivelektrodenaktivmaterial, welches keine hohe Leitfähigkeit aufweist, und dem Positivelektrodenstromabnehmer 32. Verschiedene leitfähige Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit können als das elektrisch leitfähige Material verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Kohlenstoffmaterial, wie etwa ein Kohlenstoffpulver oder Faser-geformter Kohlenstoff vorteilhaft verwendet werden. Spezifische Beispiele beinhalten Kohlenstoffpulver, wie etwa Kohlenstoffschwarz von verschiedenen Arten (z. B. Acetylenschwarz, Ofenschwarz, graphitisierter Kohlenstoffschwarz, und Ketjen Black) und Graphitpulver, und Faser-geformten Kohlenstoff, wie etwa Nadelgraphit und Dampf-gewachsene Kohlenstofffasern (VGCF). Diese Materialien können individuell oder in Kombination von zwei oder mehr davon verwendet werden. Alterantiv kann ein leitfähiges Metallpulver, wie etwa ein Nickelpulver, verwendet werden.
Ein Bindemittel, dass das gleiche Bindemittel ist, das in der oben beschriebenen leitfähigen Zwischenschicht 36 verwendet wird, kann als das oben beschriebene Bindemittel verwendet werden. Zum Beispiel können typischerweise Polymere, wie etwa Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Gummi (SBR) und Polyvinylidenfluorid (PVdF) verwendet werden.
Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 kann durch Anfertigen einer pastenähnlichen (aufschlämmungsähnlichen) Zusammensetzung zum Bilden einer Positivelektrodenaktivmaterialschicht, in welcher das oben beschriebene Positivelektrodenaktivmaterial und leitfähiges Material mit einem Lösungsmittel oder Vehikel gemischt sind, Beschichten der angefertigten Zusammensetzung auf die leitfähige Zwischenschicht 36, Trocknen, und Rollen hergestellt werden. in diesem Fall kann ein wässriges Lösungsmittel oder nicht-wässriges Lösungsmittel als das Lösungsmittel für die Zusammensetzung zum Bilden der Positivelektrodenaktivmaterialschicht verwendet werden. N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) ist typischerweise das bevorzugte Beispiel des nicht-wässrigen Lösungsmittels. Die Polymermaterialien, die oben als Beispiel des Bindemittels dargestellt sind, können auch mit dem Ziel des Ausübens der Funktionen eines Verdickungsmittels oder anderer Additive zu der Zusammensetzug zum Bilden der Positivelektrodenaktivmaterialschicht verwendet werden, zusätzlich zu den Funktionen des Bindemittels.
Zum Beispiel ist die verwendete Menge des elektrisch leitfähigen Materials 1 Massenteil bis 20 Massenteilen (bevorzugt 5 Massenteilen bis 15 Massenteilen) bezüglich 100 Massenteilen des Positivelektrodenaktivmaterials, aber diese Menge ist nicht besonders beschränkend. Das Bindemittel kann in einer Menge von 0,5 Massenteilen bis 10 Massenteilen bezüglich 100 Massenteilen des Positivelektrodenaktivmaterials verwendet werden.
<<Negative Elektrode>>
Die negative Elektrode (Negativelektrodensheet) 50 wird mit der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54, welche ein Negativelektrodenaktivmaterial beinhaltet, auf dem Band-geformten Negativelektrodenstromabnehmer 52 bereitgestellt.
Eine Metallfolie, die für negative Elektroden geeignet ist, kann vorteilhafterweise als der Negativelektrodenstromabnehmer 52 verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Stab-geformter Körper, ein Platten-geformter Körper, ein Folien-geformter Körper oder ein Netz-geformter Körper basierend auf Kupfer, Nickel, Titan oder Edelstahl verwendet werden. In dem Beispiel wird eine Band-geformte Kupferfolie mit einer Dicke von ungefähr 10 μm und einer vorherbestimmten Breite als der Negativelektrodenstromabnehmer 52 verwendet. In dem Negativelektrodenstromabnehmer 52 wird ein unbeschichteter Abschnitt 53 entlang des Rands auf einer Seite in der Breitenrichtung eingerichtet. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 wird auf beiden Oberflächen des Negativelektrodenstromabnehmers 52 gebildet, mit der Ausnahme des unbeschichteten Abschnitts 53, der auf dem Negativelektrodenstromabnehmer 52 eingerichtet wurde.
In der Ausführungsform beinhaltet die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 55 ein teilchenförmiges Positivelektrodenaktivmaterial als die Hauptkomponente, und das Negativelektrodenaktivmaterial wird fest zu dem Negativelektrodenstromabnehmer 52 mit einem Bindemittel angebracht. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 wird typischerweise durch Beschichten einer Zusammensetzung zum Bilden einer Negativelektrodenaktivmaterialschicht, die das Negativelektrodenaktivmaterial und das Bindemittel beinhaltet, auf den Negativelektrodenstromabnehmer 52 gebildet. Hohlräume, durch welche die Elektrolytlösung zwischen den Negativelektrodenaktivmaterialteilchen eindringen kann, werden in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 gebildet, die in der oben beschriebenen Art und Weise gebildet wird.
Materialien von einer oder zwei oder mehr Arten, die konventionell in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wurden, können ohne eine besondere Beschränkung als das Negativelektrodenaktivmaterial verwendet werden. Zum Beispiel kann ein teilchenförmiges Kohlenstoffmaterial (Kohlenstoffteilchen), das zumindest teilweise eine Graphitstruktur (geschichtete Struktur) beinhaltet, verwendet werden. Spezifischer kann das Negativelektrodenaktivmaterial natürlicher Graphit, natürlicher Graphit beschichtet mit einem amorphem Kohlenstoffmaterial, ein graphitähnliches Material (Graphit), ein hart graphitisierter Kohlenstoff (Hartkohlenstoff), ein einfach graphitisierter Kohlenstoff (Weichkohlenstoff) oder ein Kohlenstoffmaterial sein, in welchem diese Materialien kombiniert sind. Ferner können z. B. Metallverbindungen (bevorzugt Silizide und Metalloxide), die Si, Ge, Sn, Pb, Al, Ga, In, As, Sb und Bi als das Konstitutionsmetallelement beinhalten, verwendet werden. LTO (Lithiumtitanat) kann als die Negativelektrodenaktivmaterialteilchen verwendet werden. In dem Negativelektrodenaktivmaterial, das durch eine Metallverbindung konstituiert ist, kann z. B. die Oberfläche der Metallverbindung ausreichend mit einem Kohlenstofffilm beschichtet sein, um ein teilchenförmiges Material zu erhalten, das in elektrischer Leitfähigkeit hervorsticht. In diesem Fall kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht kein elektrisch leitfähiges Material beinhalten, oder das Gehaltsverhältnis des oben beschriebenen elektrisch leitfähigen Materials kann reduziert werden bezüglich dem in den konventionellen Konfigurationen. Zusätzliche Aspekte dieser Negativelektrodenaktivmaterialien und der Form davon, wie etwa Teilchendurchmesser, können wie geeignet gemäß der gewünschten Eigenschaften ausgewählt werden.
Wenn ein isolierendes Material oder ein Material mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit als das Negativelektrodenaktivmaterial verwendet wird, kann z. B. die gleiche leitfähige Zwischenschicht 36, wie die die in der positiven Elektrode 30 bereitgestellt ist, zwischen dem Negativelektrodenstromabnehmer 52 und der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 bereitgestellt werden. Daher kann z. B. ein teilchenförmiges Polymer mit einem Schmelzpunkt innerhalb eines Bereichs von 80°C bis 120°C in der leitfähigen Zwischenschicht beinhaltet sein. Dies macht es auch möglich, die Lithium-Ionen-Batterie 10 zu realisieren, in welcher die abnormale Wärmeerzeugung der Batterie zuverlässiger und sicherer inhibiert werden kann.
Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 kann ein elektrisch leitfähiges Material beinhalten, aber solch eine Konfiguration ist nicht besonders beschränkt. Das elektrisch leitfähige Material spielt eine Rolle zum gewährleisten eines Leitfähigkeitspfads zwischen dem Negativelektrodenaktivmaterial, welches keine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, und dem Negativelektrodenstromabnehmer 52. Ein elektrisch leitfähiges Material der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 kann ähnlich verwendet werden wie solch ein elektrisch leitfähiges Material.
Materialien, die oben mittels eines Beispiels als das Bindemittel, Lösungsmittel und Verdickungsmittel der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 präsentiert wurden, können in ähnlicher Weise als das Bindemittel, Lösungsmittel und Verdickungsmittel der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 verwendet werden.
Jedes der wässrigen Lösungsmittel und nicht-wässrigen Lösungsmittel, die für die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 geeignet sind, können auch als das oben beschriebene Lösungsmittel verwendet werden. N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) ist ein Beispiel des bevorzugten nicht-wässrigen Lösungsmittels.
Die Polymermaterialien, die oben mittels eines Beispiels als das Bindemittel der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 präsentiert wurden, können auch mit dem Ziel des Ausübens der Funktionen eines Verdickungsmittels oder anderer Additive zu der Zusammensetzung zum Binden der Negativelektrodenaktivmaterialschicht, zusätzlich zu den Funktionen des Bindemittels, verwendet werden.
Die Menge des verwendeten elektrisch leitfähigen Materials kann ungefähr 1 Massenteil bis 30 Massenteile (bevorzugt ungefähr 2 Massenteile bis 20 Massenteile, z. B. ungefähr 5 Massenteile bis 10 Massenteile) pro 100 Massenteilen des Negativelektrodenaktivmaterials betragen. Die Menge des verwendeten Bindemittels kann z. B. 0,5 Massenteile bis 10 Massenteile pro 100 Massenteilen des Negativelektrodenaktivmaterials betragen.
<<Separator>>
Wie in 2 bis 4 gezeigt, sind die Separatoren 70A, 70B Konstitutionselemente, die das Positivelektrodensheet 30 und das Negativelektrodensheet 50 isolieren und es dem Elektrolyten ermöglichen, sich hindurch zu bewegen. In dem in 4 gezeigten Beispiel sind die Separatoren 70A, 70B mit der Wärmeresistenzschicht 72 auf der Oberfläche auf einer Seite des Separatorhauptkörpers 74 bereitgestellt. Das Material, das den Separatorhauptkörper 74 konstituiert, ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass die an die Separatoren 70A, 70B gestellten Anforderungen erfüllt sind. Daher kann ein Separator als der Separatorhauptkörper 74 verwendet werden, der der gleiche ist wie im Stand der Technik. Typscherweise können poröse Körper, Fließstoff-geformte Körper, Gewebe-geformte Körper mit feinen Poren, durch welche sich Lithiumionen bewegen können, verwendet werden. Zum Beispiel kann ein poröses Sheet, das durch ein Harz konstituiert ist, (microporöses Harzsheet) vorteilhaft verwendet werden. Polyolefinharze, wie etwa Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polystyrol sind als Konstitutionsmaterialen solcher porösen Sheets bevorzugt. Insbesondere kann ein poröses Polyolefinsheet, wie etwa ein PE-Sheet, ein PP-Sheet, ein Sheet einer zweilagigen Struktur, in welcher eine PE-Schicht und eine PP-Schicht laminiert sind, ein Sheet einer Dreischichtstruktur, in welcher eine PE-Schicht zwischen zwei PP-Schichten gesandwitcht ist, vorteilhaft verwendet werden. In diesem Beispiel wird ein Band-geformtes Sheetmaterial einer vorbestimmten Breite mit einer Mehrzahl an feinen Löchern als der Separatorhauptkörper 74 verwendet. Wie in 2 bis 4 gezeigt, ist die Breite b1 der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 ein wenig größer als die Breite a1 der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34. Die Breite c1, c2 der Separatoren 70, 72 ist ein wenig größer als die Breite b1 der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 (c1, c2 > b1 > a1). Solch ein Separatorhauptkörper 74 ist mit einer Wärmeresistenzschicht, die einen anorganischen Füllstoff beinhaltet, auf zumindest einer Oberfläche bereitgestellt. Die Porosität des gesamten Separators 70A, 70B, beinhaltend die Wärmwiderstandschicht, ist z. B. bevorzugt von 30% bis 70% (stärker bevorzugt von 40% bis 60%). Wenn ein Festelektrolyt oder ein gelähnlicher Elektrolyt in der hier offenbarten Lithium-Ionen-Batterie 10, verwendet wird, ist der Separator manchmal unnötig (d. h., in diesem Fall fungiert der Elektrolyt selbst als ein Separator).
Die Dicke der Wärmewiderstandschicht 72, die in den Separatoren 70A, 70B bereitgestellt ist, ist nicht besonders beschränkt und kann generell gleich zu oder weniger als 10 μm, typischerweise 0,5 μm bis 7 μm, stärker beschränkend von ungefähr 2 μm bis 6 μm sein. Die Wärmewiderstandschicht 72 beinhaltet einen anorganischen Füllstoff, ein teilchenförmiges Polymer 78 mit einem Schmelzpunkt innerhalb eines Temperaturbereichs von 80°C bis 120°C und ein Bindemittel. Der Schmelzpunkt der Materialien, die sich von dem teilchenförmigen Polymer 78 unterscheiden, die die Seperatoren 70A, 70B konstituieren (z. B. in diesem bestimmten Fall die Polyolefinfasern, der anorganische Füllstoff und das Bindemittel als das Separatormaterial) wird höher eingestellt als der des teilchenförmigen Polymers 78. Daher, wenn die Lithium-Ionen-Batterie 10 aus einem Grund Wärme erzeugt und die Temperatur der Separatoren 70A, 70B den Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 78 erreicht, schmilzt das teilchenförmige Polymer 78, das in den Separatoren 70A, 70B enthalten ist. Das geschmolzene teilchenförmige Polymer 78 verschließt die feinen Poren in den Separatoren 70A, 70B und unterbricht (schaltet ab) den Ionen-Leitfähigkeitspfad von Lithiumionen, welche die Ladungsträger sind. Als ein Ergebnis kann z. B. verhindert werden, dass die Batterie abnormale Wärme erzeugt.
Verschiedene Arten von isolierenden Materialien können als der anorganische Füllstoff verwendet werden. Zum Beispiel können ein oder zwei oder mehrere Materialien ausgewählt aus Füllstoffen, wie etwa Metalloxiden und Metallhydroxiden mit elektrisch isolierender Eigenschaft, Glas, verschiedene anorganische Mineralien und anorganische Farbstoffe verwendet werden. Spezifische Beispiele beinhalten Aluminiumoxid (Al₂O₃), Böhmit (Al₂O₃·H₂O), Magnesiumoxid (MgO), Glimmer, Talk, Titanoxid, Glaskugeln und Glasfasern. Es ist bevorzugt, dass Aluminiumoxid (Al₂O₃), Böhmit (Al₂O₃·H₂O) und Magnesiumoxid (MgO) als der anorganische Füllstoff verwendet werden, weil diese eine stabile Qualität aufweisen und zu geringen Kosten beschafft werden können. Der mittlere Teilchendurchmesser (D₅₀) des anorganischen Füllstoffs beträgt wünschenswerter Weise von 0,5 μm bis 5,0 μm.
Die Zusammensetzung des teilchenförmigen Polymers, das als das teilchenförmige Polymer 78, das in den Separatoren 70A, 70B enthalten ist, ist nicht besonders beschränkt, vorausgesetzt, dass dieses teilchenförmige Polymer einen Schmelzpunkt innerhalb des Temperaturbereichs von 80°C bis 120°C aufweist. Solches teilchenförmige Polymer 78 schmilzt und der Oberflächenbereich davon erhöht sich, wenn die Temperatur der Wärmewiderstandschicht 72, die auf der Oberfläche der Separatoren 70A, 70B bereitgestellt ist, höher wird als der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 78, wodurch sich die Poren in der Wärmeresistenzschicht 72 und der Separatoren 70A, 70B füllen und den Leitfähigkeitspfad abschalten. Als ein Ergebnis erhöht sich der innere Widerstand der Wärmeresistenzschicht 72 und der Separatoren 70A, 70B, die Bewegung der Ladungsträger (Bewegung der Elektrolytlösung) wird inhibiert, und die Reaktionen in der Batterie 10 werden unterdrückt (Abschalten in der Wärmeresistenzschicht 72).
Solch teilchenförmiges Polymer 78 kann wie gewünscht ausgewählt werden aus den teilchenförmigen Polymeren ähnlich zu dem teilchenförmigen Polymer 38 in der oben beschriebenen leitfähigen Zwischenschicht 36. Zum Beispiel kann das teilchenförmige Polymer 78 identisch sein zu dem teilchenförmigen Polymer 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 enthalten ist, oder es kann sich davon unterscheiden. Selbst wenn die Materialien die gleiche Zusammensetzung aufweisen, können sich die Schmelzpunkte davon voneinander unterscheiden. Demnach werden der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 78, das in der Wärmeresistenzschicht 72 enthalten ist, und der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 enthalten ist, jeweils innerhalb des Temperaturbereichs von 80°C bis 120°C eingestellt, aber die Schmelzpunkte können unabhängig voneinander eingestellt werden. Unter dem Gesichtspunkt des Ausführens eines effizienteren Abschaltens ist es bevorzugt, dass der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 78, das in der Wärmeresistenzschicht 72 enthalten ist, höher ist als der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers 38, das in der leitfähigen Zwischenschicht 36 enthalten ist.
Das Verhältnis des teilchenförmigen Polymers 78 in der Wärmeresistenzschicht 72 ist bevorzugt von ungefähr 10 Massen-% bis 40 Massen-% (Gewicht als Feststoffe). Der mittlere Teilchendurchmesser (D₅₀) des teilchenförmigen Polymers 38 beeinflusst nicht direkt die Charakteristiken der Batterie und ist daher nicht besonders beschränkt. Allerdings ist es unter dem Gesichtspunkt der Prozessierbarkeit davon und dem Design der Wärmeresistenzschicht bevorzugt, dass der mittlere Teilchendurchmesser z. B. innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0,1 μm bis 3,0 μm ist. Als ein Ergebnis kann die Abschalt-Funktion in der Wärmeresistenzschicht 72 eingestellt werden.
Die Wärmeresistenzschicht 72 kann z. B. durch Anfertigen einer pastenähnlichen (aufschlämmungsähnlichen) Zusammensetzung, in welcher der oben beschriebene anorganische Füllstoff, das teilchenförmige Polymer 78 und das Bindemittel zu einem Lösungsmittel oder Vehikel zugemischt werden, Beschichten der Zusammensetzung auf die Separatoren 70A, 70B und Trocknen gebildet werden. In diesem Fall kann ein wässriges Lösungsmittel oder ein nicht-wässriges Lösungsmittel als das Lösungsmittel der Zusammensetzung verwendet werden. N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) ist ein typisches vorteilhaftes Beispiel des nicht-wässrigen Lösungsmittels. Die oben mittels eines Beispiels präsentierten Polymermaterialien als das Bindemittel können auch verwendet werden mit dem Ziel des Ausübens der Funktionen eines Verdickungsmittels oder anderer Additive zu der Zusammensetzung, zusätzlich zu den Funktionen des Bindemittels. Zum Beispiel kann das Massenverhältnis des Bindemittels in der Wärmeresistenzschicht auf einen gewünschten Wert innerhalb eines Bereichs von 1 Massen-% bis 60 Massen-% eingestellt werden, aber dieser Bereich ist nicht besonders beschränkt. Das Verhältnis an Feststoffen in der Zusammensetzung zum Bilden der Wärmeresistenzschicht kann z. B. von ungefähr 30 Massen-% bis 50 Massen-% betragen. Das Verhältnis an Feststoffen ist typischerweise ungefähr 40 Massen-% in einem Lösungsmittelsystem und 50 Massen-% bis 52 Massen-% in einem wässrigen System. Es versteht sich von selbst, dass die Menge an Bindemittel und das Verhältnis an Feststoffen nicht auf die oben beschriebenen numerischen Werte beschränkt sind.
<<Batteriegehäuse>>
Wie in 1 gezeigt, ist in dem vorliegenden Beispiel ein Batteriegehäuse 80, das so-genannte eckige Batteriegehäuse, welches mit einem Behälterhauptkörper 84 und einem Deckel 82 bereitgestellt ist. Der Behälterhauptkörper 84 ist ein Flachbox-geformter Behälter, der eine Boden-Viereck-Röhrenform aufweist, der auf einer Oberflächenseite (Oberseite) geöffnet ist. Der Deckel 72 ist ein Element, das auf der Öffnung (Öffnung der Oberseite) des Behälterhauptkörpers 84 montiert ist und die Öffnung verschließt.
In der Sekundärbatterie, die in ein Fahrzeug zu installieren ist, ist es gewünscht, dass die Gewicht-Energie-Effizienz (Batteriekapazität pro Gewichtseinheit) erhöht wird, um die Brennstoffeffizienz des Fahrzeugs zu verbessern. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform ein leichtgewichtiges Metall, wie etwa Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, für den Behälterhauptkörper 84 und den Deckel 82, die das Batteriegehäuse 80 konstituieren, verwendet. Als ein Ergebnis kann die Gewicht-Energie-Effizienz erhöht werden.
Das Batteriegehäuse 80 weist einen Innenraum einer flachen rechtwinkligen Form als den Raum zum Beherbergen des gewickelten Elektrodenkörpers 20 auf. Ferner ist, wie in 2 gezeigt, der flache Innenraum des Batteriegehäuses 80 ein wenig breiter als der gewickelte Elektrodenkörper 20. Ferner sind ein Positivelektrodenende 40 und ein Negativelektrodenende 60 zu dem Deckel 82 des Batteriegehäuses 80 angeschlossen. Das Positivelektrodenende 40 und das Negativelektrodenende 60 sind durch das Batteriegehäuse 80 (Deckel 82) nach außerhalb des Batteriegehäuses 80 durchgeleitet. Ein Sicherheitsventil 88 ist in dem Deckel 82 bereitgestellt.
Der gewickelte Elektrodenkörper 20 weist das Band-geformte Positivelektrodensheet 30 und Negativelektrodensheet 50 und die Separatoren 70A, 70B auf.
Wenn der gewickelte Elektrodenkörper 20 fabriziert wird, werden das Positivelektrodensheet 30 und das Negativelektrodensheet 50 mit den dazwischen eingefügten Separatoren 70A, 70B laminiert. Das Positivelektrodensheet 30 und das Negativelektrodensheet 50 werden mit einem bestimmten Versatz in der Breiterichtung überlappt, sodass der unbeschichtete Abschnitt 33 der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 des Positivelektrodensheets 30 und der unbeschichtete Abschnitt 53 der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 des Negativelektrodensheets 50 in entsprechenden Richtungen von beiden Seiten in der Dickerichtung der Separatoren 70A, 70B hervorstehen. Der flache gewickelte Elektrodenkörper 20 kann durch Wickeln des Laminats mit den in solch einer Art und Weise überlappenden Elektrodensheets und Zusammenlegen des erhaltenen gewickelten Körpers durch Aufbringen von Druck von der Oberflächenseitenrichtung fabriziert werden.
Ein Wickelkernabschnitt (d. h. ein Abschnitt, wo die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 der positiven Elektrode 30, die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 des Negativelektrodensheets 50 und die Separatoren 70A, 70B eng laminiert sind), wird in dem Zentralabschnitt in der Richtung der Wickelachse (WL) des gewickelten Elektrodenkörpers 20 gebildet. Ferner stehen an beiden Enden des gewickelten Elektrodenkörpers 20 in der Wickelachsenrichtung die unbeschichteten Abschnitte 33 und 53 des Positivelektrodensheets 30 und des Negativelektrodensheets 50 nach Außerhalb von dem Wickelkernabschnitt hervor. Ein Positivelektrodenanschlussleiter 41 und ein Negativelektrodenanschlussleiter 61 sind an dem Hervorstehabschnitt an der Positivelektrodenseite (d. h. ein Abschnitt, wo die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 nicht gebildet ist) und dem Hervorstehabschnitt an der Negativelektrodenseite (d. h. ein Abschnitt, wo die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 nicht gebildet ist) bereitgestellt und elektrisch zu dem oben beschriebenen Positivelektrodenende 40 bzw. Negativelektrodenende 60 verbunden. In diesem Fall kann z. B. wegen dem Unterschied der Materialien Ultraschallschmelzen zum Verbinden des Positivelektrodenendes 40 und des Positivelektrodenstromabnehmers 32 verwendet werden. Ferner wird z. B. Widerstandsschweißen zum Schweißen des Negativelektrodenendes 60 und des Negativelektrodenstromabnehmers 52 verwendet. Wie in 2 gezeigt, wird solch ein gewickelter Elektrodenkörper 20 in dem flachen Innenraum des Behälterhauptkörpers 84 beherbergt. Nachdem der gewickelte Elektrodenkörper 20 beherbergt wurde, wird der Behälterhauptkörper 84 mit dem Deckel 82 verschlossen. Ein Anschlussstück des Deckels 82 und des Behälterhauptkörpers 84 wird z. B. durch Laserschweißen abgedichtet. Dadurch wird in dem vorliegenden Beispiel der gewickelte Elektrodenkörper 20 innerhalb des Batteriegehäuses 80 durch das Positivelektrodenende 40 und das Negativelektrodenende 60 fixiert zu dem Deckel 82 (Batteriegehäuse 80) ausgerichtet.
<<Elektrolytlösung>>
Dann wird eine Elektrolytlösung in das Batteriegehäuse 80 von einem Einfüllloch 86, das in dem Deckel 82 bereitgestellt ist, eingefüllt. Ein oder zwei oder mehrere nicht-wässrige Elektrolytlösungen, die konventionellen Lithium-Sekundärbatterien verwendet wurden, können ohne bestimmte Beschränkung als die hier zu verwendende Elektrolytlösung verwendet werden. Solch eine nicht-wässrige Elektrolytlösung weist typischerweise eine Zusammensetzung auf, die einen Elektrolyt (ein Lithiumsalz) in einem geeigneten nicht-wässrigen Lösungsmittel beinhaltet. Die Konzentration des Elektrolyt ist nicht besonders beschränkt, aber es ist bevorzugt, dass eine zu verwendende nicht-wässrige Elektrolytlösung einen Elektrolyt bei einer Konzentration ungefähr 0,1 mol/L bis 5 mol/L (bevorzugt ungefähr 0,8 mol/L bis 1,5 mol/L) beinhaltet. Eine feste (gelähnliche) Elektrolytlösung, die durch Zugeben eines Polymers zu solch einer Flüssigelektrolytlösung erhalten wird, kann auch verwendet werden.
Aprotische Lösungsmittel wie etwa Carbonate, Ester, Ether, Nitrile, Sulfone und Lactone können als das nicht-wässrige Lösungsmittel verwendet werden. Spezifische Beispiele davon beinhalten Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), 1,2-Dimenthoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, Dioxan, 1,3-Dioxolan, Diethylenglycoldimethylether, Ethylenglycoldimethylether, Acetonitril, Propionitril, Nitromethan, N,N-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Sulfolan und γ-Butyrolacton.
Beispiele von Elektrolyten beinhalten LiPF₆, LiBF₄, LiN(SO₂CF₃)₂, LiN(SO₂C₂F₅)₂, LiCF₃SO₃, LiC₄F₉SO₃, LiC(SO₂CF₃)₃, und LiClO₄.
Eine Verbindung, welche ein Oxidationspotential gleich zu oder höher als die Betriebsspannung einer Lithium-Sekundärbatterie (z. B. gleich zu oder höher als 4,2 V in dem Fall einer Lithium-Sekundärbatterie, die bei 4,2 V voll geladen ist), aufweist und welche eine große Menge an Gas bei Oxidation erzeugt, kann ohne eine bestimmte Beschränkung als ein Überladungsverhinderungsmittel, das in der Elektrolytlösung enthalten ist, verwendet werden, aber wo sich das Oxidationspotential der Betriebsspannung der Batterie annähert, kann z. B. durch lokalen Spannungsanstieg selbst bei der normalen Betriebsspannung teilweise Zersetzung induziert werden. Indes kann, wo die Zersetzungsspannung gleich zu oder höher als 4,9 V wird, thermisches Durchgehen durch die Reaktion der Hauptkomponenten der nicht-wässrigen Elektrolytlösung und des Elektrodenmaterials vor der Gaserzeugung verursacht durch Oxidation und Zersetzung des Additivs verursacht werden. Daher ist es in einer Lithium-Sekundärbatterie, die einen vollgeladenen Zustand bei 4,2 V erreicht, bevorzugt, das ein Additiv verwendet wird, das ein Oxidationsreaktionspotential innerhalb eines Bereichs von 4,6 bis 4,9 V aufweist. Beispiele geeigneter Verbindungen beinhalten Biphenylverbindungen, Cycloalkylbenolverbindungen, Alkylbenzolverbindungen, Organophosphorverbindungen, Fluoratom-substituierte aromatische Verbindungen, Carbonatverbindungen, cyclische Carbonatverbindungen und alicyclische Kohlenwasserstoffe. Spezifische Beispiele beinhalten Biphenyl (BP), Alkyl Biphenyle, Terphenyl, 2-Fluorbiphenyl, 3-Fluorbiphenyl, 4-Fluorbiphenyl, 4,4'-Difluorbiphenyl, Cyclohexylbenzol (CHB), trans-Butylcyclohexylbenzol, Cyclopentylbenzol, t-Butylbenzol, t-Aminobenzol, o-Cyclohexylfluorbenzol, p-Cyclohexylfluorbenzol, tris-(t-Butylphenyl) phosphat, Phenylfluorid, 4-Fluorphenylacetat, Diphenylcarbonat, Methylphenylcarbonat, bistertiär-Butylphenylcarbonat, Diphenylether und Dibenzofuran. Es ist besonders bevorzugt, dass Cyclohexylbenzol (CHB) und Cyclohexylbenzol-Derivate verwendet werden. Die Menge des zu verwendenden Überladungsverhinderungsmittels pro 100 Massen-% der verwendeten Elektrolytlösung kann z. B. ungefähr 0,01 Massen-% bis 10 Massen-% (stärker bevorzug ungefähr 0,1 Massen-% bis 5 Massen-%) betragen.
In dem vorliegenden Beispiel ist die Elektrolytlösung erhalten durch Beinhalten von LiPF₆ bei einer Konzentration von ungefähr 1 mol/L in ein gemischtes Lösungsmittel von Ethylencarbonat und Diethylcarbonat (z. B. ein gemischtes Lösungsmittel mit einem Volumenverhältnis der Verbindungen von ungefähr 1:1). Dann wird eine metallische Abdichtkappe 87 an das Einfüllloch angebracht (z. B. geschweißt) und das Batteriegehäuse 80 wird abgedichtet.
<<Hohlräume>>
In solch einer Konfiguration weisen die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 und die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 feine Lücken, welche auch als Kavitäten bezeichnet werden können, zwischen den Teilchen der Elektrodenaktivmaterialien und dem elektrisch leitfähigen Material auf. Die Elektrolytlösung (in der Abbildung nicht gezeigt) kann in diese feinen Lücken eindringen. Hier werden die Lücken (Kavitäten) geeigneter Weise als ”Hohlräume” bezeichnet. Dadurch dringt die Elektrolytlösung in die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 34 und die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 54 innerhalb der Lithium-Ionen-Batterie 10 ein.
<<Ausgaspfad>>
Ferner ist in dem vorliegenden Beispiel der flache Innenraum des Batteriegehäuses 80 ein wenig größer als der gewickelte Elektrodenkörper 20, der in die flache Form deformiert ist. Eine Lücke 85 ist zwischen dem gewickelten Elektrodenkörper 20 und dem Batteriegehäuse 80 an beiden Seiten des gewickelten Elektrodenkörpers 20 bereitgestellt. Die Lücken 85 dienen als Ausgaspfade. Wo die Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie 10 abnormal ansteigt, z. B. wenn Überladen auftritt, zersetzt sich die Elektrolytlösung und eine abnormale Menge an Gas kann erzeugt werden. In der vorliegenden Ausführungsform passiert das abnormal erzeugte Gas durch die Lücken 85 zwischen dem gewickelten Elektrodenkörper 20 und dem Batteriegehäuse 80 auf beiden Seiten des gewickelten Elektrodenkörpers 20 und auch durch das Sicherheitsventil 88 und wird problemlos nach außerhalb des Batteriegehäuses 80 freigesetzt.
In solch einer Lithium-Ionen-Batterie 10 sind der Positivelektrodenstromabnehmer und der Negativelektrodenstromabnehmer 52 durch die Elektrodenenden 40, 60, die durch das Batteriegehäuse 80 hindurchgehen, elektrisch zu einer externen Vorrichtung verbunden. Als ein Ergebnis ist es möglich, die Lithium-Ionen-Batterie 10, die als eine nicht-wässrige Elektrolytsekundärbatterie dient, bereitzustellen.
In der hier offenbarten Lithium-Ionen-Batterie 10 ist es wichtig, dass die teilchenförmigen Polymere 38, 78, welche Abschaltharze sind, dispergiert in zumindest zwei Konstitutionselementen aus der positiven Elektrode 30, der negativen Elektrode 50 und den Separatoren 70A, 70B enthalten sind. Mit solch einer Konfiguration, z. B. selbst wenn abnormale Wärmeerzeugung verursacht durch Überladen oder dergleichen in der Lithium-Ionen-Batterie 10 auftritt, welche mit einer Hochenergiedichtecharakteristik bereitgestellt ist und bezüglich einer Wärmeableitbarkeit einer typischen Batterie unterlegen ist, schmilzt das teilchenförmige Polymer, das in dem Konstitutionselement, das näher an dem Ort ist, wo die abnormale Wärmeerzeugung auftrat, enthalten ist, der innere Widerstand der Batterie erhöht sich beginnend mit einem frühen Stadium, und das teilchenförmige Polymer, das in dem entfernteren Konstitutionselement enthalten ist, wird dann geschmolzen, wodurch die Akkumulation von erzeugter Wärme verhindert wird, die zum thermischem Durchgehen führen kann. Ferner, da die teilchenförmigen Polymere dispergiert in einer Mehrzahl von Konstitutionselementen beinhaltet sind, wird die Abschalt-Funktion effektiver ohne exzessive Verschlechterung von Batteriecharakteristiken ausgeübt.
Die oben beschriebene Konfiguration kann vorteilhaft in einer Lithium-Ionen-Batterie 10, die eine hohe Energiedichte aufweist und zur Verwendung bei einer hohen Rate geeignet ist, verwendet werden. In solch einem Fall kann der Effekt der oben beschriebenen Konfiguration maximiert werden. Diese Konfiguration kann insbesondere vorteilhaft in einem Batteriepack 100 verwendet werden, in welchem Wärmeableitung durch Verbinden einer Mehrzahl an Lithium-Ionen-Batterien 10 schwierig ist. Daher, wie oben beschrieben, weist die hier offenbarte Lithium-Ionen-Batterie 10 hohe Sicherheit während abnormaler Wärmegeneration auf und kann daher als eine Leistungsquelle z. B. in Hybridfahrzeugen und Plug-In-Hybridfahrzeugen verwendet werden. Zum Beispiel kann vorteilhaft ein Fahrzeug 1, das mit der hier offenbarten Lithium-Ionen-Batterie 10 ausgestattet ist, bereitgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wird unten in mehr Details basierend auf Beispielen davon erklärt, aber es ist nicht beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung auf die in diesen Beispielen gezeigten Merkmale beschränkt ist.
<Probe 1>
[Positive Elektrode]
Eine Zusammensetzung zum Bilden einer leitfähigen Zwischenschicht wurde durch Compoundieren von AB (Acetylenschwarz) als ein elektrisch leitfähiges Material, PVdF als ein Bindemittel und Polyethylen (D₅₀ = 0,3 μm, Schmelzpunkt 97°C) als ein teilchenförmiges Polymer in einer Art und Weise, sodass das Massenverhältnis dieser Materialien dargestellt durch (elektrisch leitfähiges Material):(Bindemittel):(teilchenförmiges Polymer) gleich 30:50:20 war, und Dispergieren der Compoundierungsmaterialien in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) als ein Lösungsmittel angefertigt. Die Feststoffmaterialien wurden dispergiert durch Rühren für 25 Minuten bei einer Drehzahl von 20.000 rpm unter Verwendung eines Ultrapräzisions-Dispersions-Emulgators (CREAMIX, hergestellt von M Technique Co., Ltd.) dispergiert.
Eine Zusammensetzung für eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht wurde durch Compoundieren von LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ als ein Positivelektrodenaktivmaterial, AB (Acetylenschwarz) als ein elektrisch leitfähiges Material, und PVdF als ein Bindemittel in einer Art und Weise, sodass das Massenverhältnis dieser Materialien dargestellt durch (Positivelektroden-aktivmaterial):(elektrisch leitfähiges Material):(Bindemittel) gleich 93:4:3 war, und Dispergieren der compoundierten Materialien in N-Methyl-pyrrolidon (NMP) als ein Lösungsmittel angefertigt. Die Feststoffmaterialien wurden durch Rühren für 25 Minuten bei einer Drehzahl von 20.000 rpm unter Verwendung eines Ultrapräzisions-Dispersions-Emulgators (CREAMIX, hergestellt durch M Technique Co., Ltd.) dispergiert.
Eine positive Elektrode (Positivelektrodensheet) wurde durch Beschichten der oben beschriebenen Zusammensetzung zum Bilden einer leitfähigen Zwischenschicht auf beide Oberflächen einer Aluminium (Al) Folie mit einer Dicke von 15 μm als einem Stromabnehmer mit einem Gravurstreicher, um eine Dicke von 2 μm (pro einer Seite) zu erhalten, Trocknen, dann Beschichten der oben beschriebenen Zusammensetzung zum Bilden einer Positivelektrodenaktivmaterialschicht auf die leitfähige Zwischenschicht auf beide Oberflächen, Trocknen, und dann Pressen zu einer Gesamtdicke von 170 μm fabriziert. Die positive Elektrode wurde zu einer Länge von 4500 mm geschnitten und das Batteriezusammenbauen bereitgestellt.
[Negative Elektrode]
Um eine negative Elektrode zu erhalten, wurde eine Zusammensetzung zum Bilden einer Negativelektrodenaktivmaterialschicht durch Compoundieren von Graphit als ein Negativelektrodenaktivmaterial, SBR als ein Bindemittel, und CMC als ein Verdickungsmittel in einer Art und Weise, sodass das Massenverhältnis dieser Materialien dargestellt durch (Negativelektrodenaktivmaterial):(Bindemittel):(Verdickungsmittel) gleich 98:1:1 war, und Dispergieren der compoundierten Materialien in Wasser als ein Lösungsmittel angefertigt. Eine negative Elektrode wurde durch Beschichten der Zusammensetzung zum Bilden eines Negativelektrodenaktivmaterials auf beide Oberflächen einer Kupfer(Cu)-Folie mit einer Dicke von 20 μm als einem Stromabnehmer, Trocknen, und dann Pressen zu einer Gesamtdicke von 150 μm fabriziert. Die negative Elektrode wurde auf eine Länge von 4700 mm geschnitten und zum Batteriezusammenbauen bereitgestellt.
[Separator]
Eine Zusammensetzung zum Bilden einer Wärmeresistenzschicht wurde durch Compoundieren von Aluminiumoxid (D₅₀ = 0,7 μm) als ein anorganischer Füllstoff, PVdF als ein Bindemittel, und Polyethylen (D₅₀ = 0,8 μm, Schmelzpunkt 100°C) als ein teilchenförmiges Polymer in einer Art und Weise, sodass das Massenverhältnis von diesem Materialien dargestellt durch (anorganischer Füllstoff):(Bindemittel):(teilchenförmiges Polymer) gleich 71:4:25 war, und Dispergieren der compoundierten Materialien in NMP als ein Lösungsmittel angefertigt. Die Feststoffmaterialien wurden durch Rühren für 25 Minuten bei einer Umdrehung von 20.000 rpm unter Verwendung eines Ultrapräzisions-Dispersions-Emulgators (CREAMIX, hergestellt durch M Technique Co., Ltd.) dispergiert.
Ein poröser Film einer Dreischichtstruktur mit einer Dicke von 25 μm und konstituiert durch Polypropylen (PP)/Polyethylen (PE)/Polypropylen (PP) wurde als der Separator verwendet.
Die Zusammensetzung zum Bilden einer Wärmeresistenzschicht wurde auf eine Oberfläche des Separators mit einem Gravurbeschichter beschichtet, um eine Dicke von 5 μm zu erhalten und getrocknet, um die Wärmeresistenzschicht auf dem Separator zu bilden. Zwei solcher Separatoren wurden angefertigt.
[Elektrolyt]
Eine nicht-wässrige Elektrolytlösung wurde angefertigt durch Einführen von LiPF₆ als ein Trägersalz zu einer Konzentration von ungefähr 1 mol/L in ein gemischtes Lösungsmittel, das Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) bei einem Volumenverhältnis von 3:4:3 beinhaltet.
[Konstruktion von Lithium-Ionen-Batterie]
Ein flacher gewickelter Elektronenkörper wurde durch Laminieren der oben beschriebenen positiven Elektrode und negativen Elektrode mit den zwei dazwischen eingefügten Separatoren, Wickeln und Zusammenlegen des gewickelten Körpers von der Oberflächenseitenrichtung fabriziert. Eine Lithium-Ionen-Batterie zur Evaluierung wurde durch Beherbergen des gewickelten Elektrodenkörpers, welcher in der oben beschriebenen Art und Weise erhalten wurde, zusammen mit der Elektrolytlösung in einem metallischen Box-ähnlichen Batteriegehäuse, und luftdichtes Abdichten der Öffnung in dem Batteriegehäuse konstruiert.
<Probe 2>
Eine positive Elektrode und Separatoren wurden in der gleichen Art und Weise wie in Probe 1 angefertigt, mit Ausnahme, dass das teilchenförmige Polymer in der leitfähigen Zwischenschicht der positiven Elektrode oder der Wärmeresistenzschicht der Separatoren nicht beinhaltet war, und eine Lithium-Ionen-Batterie wurde dann auf die gleiche Art und Weise konstruiert.
Dadurch wurde die positive Elektrode angefertigt, die mit der leitfähigen Zwischenschicht bereitgestellt ist und ein Massenverhältnis der Materialien in der Zusammensetzung zum Bilden der leitfähigen Zwischenschicht von (elektrisch leitfähiges Material):(Bindemittel):(teilchenförmiges Polymer) von 50:50:0 aufweist.
Die Separatoren, die mit der Wärmeresistenzschicht bereitgestellt sind und ein Massenverhältnis der Materialien in der Zusammensetzung zum Bilden der Wärmeresistenzschicht von (anorganischer Füllstoff):(Bindemittel):(teilchenförmiges Polymer) von 96:4:0 aufweisen, wurden fabriziert.
<Probe 3>
Eine positive Elektrode wurde in der gleichen Art und Weise wie in Probe 1 angefertigt, mit der Ausnahme, dass das teilchenförmige Polymer in der leitfähigen Zwischenschicht der positiven Elektrode nicht beinhaltet war, und eine Lithium-Ionen-Batterie wurde dann in der gleichen Art und Weise konstruiert.
Dadurch wurde eine positive Elektrode, die mit der leitfähigen Zwischenschicht bereitgestellt ist und ein Massenverhältnis der Materialien in der Zusammensetzung zum Bilden der leitfähigen Zwischenschicht von (elektrisch leitfähiges Material):(Bindemittel):(teilchenförmiges Polymer) von 50:50:0 aufweist, angefertigt, und für die Batteriekonstruktion bereitgestellt.
<Probe 4>
Separatoren wurden auf die gleiche Art und Weise wie in Probe 1 angefertigt, mit der Ausnahme, dass das teilchenförmige Polymer in der Wärmeresistenzschicht der Separatoren nicht beinhaltet war, und eine Lithium-Ionen-Batterie wurde dann in der gleichen Art und Weise konstruiert.
Dadurch wurden die Separatoren, die mit der Wärmeresistenzschicht bereitgestellt sind, durch Compoundieren der Materialien in der Zusammensetzung zum Bilden der Wärmeresistenzschicht angefertigt, um ein Massenverhältnis von (anorganischer Füllstoff):(Bindemittel):(teilchenförmiges Polymer) von 96:4:0 zu erhalten, und die angefertigten Separatoren wurden für die Batteriekonstruktion bereitgestellt.
[Kontinuierlicher Überladungstest]
Die Lithium-Ionen-Batterien (Proben 1 bis 4) zur Evaluierung, die in der oben beschriebenen Art und Weise konstruiert wurden, wurden einer geeigneten Konditionierungsbehandlung unterworfen (Initiallade-Entladebehandlung, in welcher die Operation des Ladens bei einem Konstantstrom und einer Konstantspannung auf 4,1 V bei einer Laderate von 0,1 C und die Operation des Entladens bei einem Kostantstrom und einer Konstantspannung auf 3,0 V bei einer Entladerate von 0,1 C drei Mal wiederholt wurden).
Die Batterien, die auf SOC 100% eingestellt sind, wurden dann CC-CV-geladen durch Laden auf eine Ladeobergrenzenspannung von 20 V bei einer Rate von 48 A (korrespondierend zu 2 C) bei einer Temperatur von 25°C und dann auf SOC 200% bei 20 V geladen. In diesem Fall wurde ein Thermoelement auf die Seitenoberfläche des Batteriegehäuses einer jeden Batterie angebracht, die Temperatur des Batteriegehäuses wurde gemessen, und die Batteriespannung wurde auch gemessen.

Als ein Ergebnis wurde die Temperatur, bei welcher das Abschalten begann, als eine SD-Starttemperatur (°C) genommen, und die höchste erreichte Temperatur des Batteriegehäuses wurde als eine maximal erreichte Temperatur (°C) genommen. Diese Temperaturen sind in Tabelle 1 gezeigt. Das Temperaturverhalten der Batterien wurde auch für zumindest 5 Minuten beobachtet in dem Fall, in welchem das Abschalten durch den Separator selbst verursacht wurde und die Leitung unmöglich war. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

	teilchenförmiges Polymer		Batterietemperatur-Verhalten, wenn Leitung unmöglich ist	SD Starttemperatur (°C)	maximal erreichte Temperatur (°C)
Probe	Wärmeresistenzschicht	leitfähige Zwischenschicht	Batterietemperatur-Verhalten, wenn Leitung unmöglich ist	SD Starttemperatur (°C)	maximal erreichte Temperatur (°C)
1	vorhanden	vorhanden	graduelle Erniedrigung	89	120
2	abwesend	abwesend	abnormale Wärmeerzeugung	130	350
3	vorhanden	abwesend	abnormale Wärmeerzeugung	95	295
4	abwesend	vorhanden	abnormale Wärmeerzeugung	110	280

Wie in Tabelle 1 gezeigt, war in der Batterie von Probe 1 gemäß der hier offenbarten Erfindung die SD Starttemperatur die niedrigste (98°C) der Batterieoberflächentemperatur, und die maximal erreichte Temperatur der Batterieoberfläche war die niedrigste (120°C). Dadurch wurde, wo die Abschalt-Funktion sowohl der positiven Elektrode als auch dem Separator verliehen wurde, der Batteriewiderstand initial in einem früheren Stadium erhöht und nachfolgendes Überladen und Akkumulieren von erzeugter Wärme wurde inhibiert, und dann wurde der innere Widerstand in einer schrittförmigen Art und Weise weiter erhöht, wodurch es möglich wurde, den elektrischen Strom zuverlässig zu stoppen. In der Batterie von Probe 1 konnte die abnormale Wärmeerzeugung aktiv beginnend von einem frühen Stadium der Wärmeerzeugung kontrolliert werden und die Wärmeerzeugung konnte sehr sicher inhibiert werden.
Im Gegensatz dazu, war die Batterie von Probe 2 nicht mit der Abschaltfunktion, die durch das teilchenförmige Polymer realisiert war, ausgestattet, die Initiation des Abschaltens, das durch den Separator selbst ausgeführt wird, war verzögert, und die Batterietemperatur war so hoch wie 130°C. Aus diesem Grund begann die beschleunigte Erhöhung der Batterietemperatur bereits wenn das Abschalten startete, die Batterietemperatur stieg weiter an, selbst nachdem die Leitung unmöglich gemacht wurde, und die maximal erreichte Temperatur war so hoch wie 350°C.
Ferner war in der Batterie von Probe 3 nur die Wärmeresistenzschicht mit der Abschalt-Funktion, die durch das teilchenförmige Polymer (Schmelzpunkt 100°C) ausgeübt wird, ausgestattet. Das Abschalten durch die Wärmeresistenzschicht begann bei einer Temperatur von 95°C der Batterieoberfläche, d. h. mit einer bestimmten Verzögerung. Obwohl die Abschalt-Starttemperatur niedriger war als in der Batterie von Probe 2, begann sich die Batterietemperatur bereits beschleunigend zu erhöhen, die Batterietemperatur stieg weiter an, selbst nachdem die Leitung unmöglich gemacht wurde, und die maximal erreichte Temperatur war so hoch wie 295°C. Wo die Abschalt-Funktion, die durch das teilchenförmige Polymer realisiert wird, nur der Wärmeresistenzschicht verliehen wurde, sind die Abschalt-Starttemperatur und die maximal erreichte Temperatur etwas niedriger und ein bestimmter Effekt wird beobachtet. Allerdings kann die Wärmeerzeugung nicht in einem frühen Stadium inhibiert werden und der Effekt, wie der des kompletten Verhinderns von thermischem Durchgehen, wird nicht erhalten.
In der Batterie von Probe 4 war die Abschaltfunktion, die durch das teilchenförmige Polymer (Schmelzpunkt 94°C) ausgeübt wird, der leitfähigen Zwischenschicht verliehen. Das Abschalten durch die leitfähige Zwischenschicht begann bei einer eher hohen Temperatur von 110°C der Batterieoberfläche. Daher begann die Batterietemperatur bereits sich beschleunigend zu erhöhen, die Batterietemperatur stieg weiter an, selbst nachdem die Leitung unmöglich gemacht wurde, und die maximal erreichte Temperatur war so hoch wie 280°C. Dieses Ergebnis zeigt an, dass ein ausreichender Abschalt-Effekt derart, dass das durch Überladung verursachte thermische Durchgehen verhindert werden kann, mit nur der leitfähigen Zwischenschicht nicht erhalten werden kann, weil die Absolutmenge des teilchenförmigen Polymers, die in der leitfähigen Zwischenschicht beinhaltet sein kann, gering ist. Obwohl die Abschalt-Starttemperatur in der Batterie von Probe 4 höher war als die in der Batterie von Probe 3, wurde eine Erniedrigung in der maximal erreichten Temperatur gefunden. Dieses Ergebnis kann wie folgt erklärt werden. Durch Bereitstellen der leitfähigen Zwischenschicht der positiven Elektrode mit einer Abschalt-Funktion ist es möglich, den inneren Widerstand der Batterie beginnend mit dem früheren Stadium an zu erhöhen, wodurch ein nachfolgender beschleunigter Ausbruch von Überladung inhibiert wird.
(Proben 5 bis 10)
In den Proben 5 bis 10 wurden Lithium-Ionen-Batterien durch Verändern der Art des anorganischen Füllstoffs in der Wärmeresistenzschicht und der Menge des teilchenförmigen Polymers in der leitfähigen Zwischenschicht in Probe 1 und auch Verändern der Art des teilchenförmigen Polymers und der Compoundierungsmenge des teilchenförmigen Polymers in der Wärmeresistenzschicht jeder Probe konstruiert.
Demnach wurde in den Proben 5 bis 10 der anorganische Füllstoff in Probe 1 zu Böhmit (D₅₀ = 1,2 μm) verändert.
Ferner wurde das Massenverhältnis von (elektrisches leitfähiges Material):(Bindemittel):(teilchenförmiges Polymer) von Materialien in der leitfähigen Zwischenschicht zu 35:50:15 verändert.
Das teilchenförmige Polymer in der Wärmeresistenzschicht wurde zu einem Ethylenvinylacetatcopolymer mit einem mittleren Teilchendurchmesser (D₅₀) von 0,5 μm verändert. Zusätzlich wurde ein wässriges acrylisches Bindemittel als das Bindemittel verwendet und Wasser wurde als das Lösungsmittel verwendet. Die compoundierte Menge des teilchenförmigen Polymers wurde innerhalb eines Bereichs des Massenverhältnisses von (anorganischer Füllstoff):(Bindemittel):(teilchenförmiges Polymer) von (91 bis 46):4:(5 bis 50) verändert.
(Proben 11 bis 15)
In den Proben 11 bis 15 wurden Lithium-Ionen-Batterien durch Verändern des mittleren Teilchendurchmessers (D₅₀) des teilchenförmigen Polymers in der Wärmeresistenzschicht und die Arten und Teilchendurchmesser des elektrisch leitfähigen Materials und des teilchenförmigen Polymers in der leitfähigen Zwischenschicht in Probe 1 und auch Verändern der Compoundierungsmenge des teilchenförmigen Polymers in jeder Probe konstruiert.
Demnach wurden in den Proben 11 bis 15 der mittlere Teilchendurchmesser (D₅₀) des teilchenförmigen Polymers in der Wärmeresistenzschicht in Probe 1 zu 1,5 μm verändert, und die Compoundierungsmenge wurde zu 20 Massen-% verändert.
Die Art des elektrisch leitfähigen Materials in der leitfähigen Zwischenschicht wurde zu KS4 verändert.
Zusätzlich wurde das teilchenförmige Polymer in der leitfähigen Zwischenschicht zu dem Ethylenvinylacetatcopolymer verändert, der mittlere Teilchendurchmesser (D₅₀) davon wurde zu 1,5 μm verändert, und die Compoundierungsmenge von (elektrisch leitfähiges Material):(Bindemittel):(teilchenförmiges Polymer) als ein Massenverhältnis der Materialien wurde innerhalb des Bereichs von (15 bis 42):50:(8 bis 35) verändert.
[Messung der Porosität]
Die Porosität der Separatoren in Probe 1, Proben 5 bis 10 und Proben 11 bis 15 wurde in einem Zustand gemessen, welcher die Wärmeresistenzschicht beinhaltet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 bezeigt.
[Messung der Batteriekapazität]
Die Batteriekapazität und der innere Widerstand der Lithium-Ionen-Batterien von Probe 1, Proben 5 bis 10 und Proben 11 bis 15 wurden gemessen.
Demnach wurden die Batterien initial zu einer Obergrenzenspannung von 4,1 V bei einer Stromdichte von 8 A (äquivalent zu C/3) durch eine Konstantstromkonstantspannungsmethode unter einer Temperaturbedingung von 25°C geladen. Dann wurde die Batteriekapazität durch Ausführen eines Konstantstromentladens zu einer Untergrenzenspannung von 3,0 V bei der gleichen Stromdichte gemessen. Die gemessenen Werte von der Batteriekapazität sind in Tabelle 2 gezeigt.
[Messung des inneren Widerstands]
Der innere Widerstand (IV-Widerstandswert) jeder Batterie wurde nach dem Messen der Batteriekapazität gemessen. Demnach wurde jede Batterie mit Konstantstrom auf 3,0 V unter einer Temperaturbedingung von 25°C entladen und dann bei einem Konstantstrom und einer Konstantspannung geladen, um den SOC (Stat of Charge) auf 50% einzustellen. Ein Entladeimpulsstrom wurde dann für 10 sec bei 1 C und 25°C angelegt und die Spannung nach 10 sec wurde gemessen. Der Impulsstrom wurde danach in einer schrittförmigen Art und Weise in der Reihenfolge von 2 C, 5 C, 10 C bezüglich zu Batterien, in welchen der SOC wieder auf 50% eingestellt war, erhöht, die Batterien wurden alternierend geladen und entladen, die Spannung nach 10 sec von dem Start jeder Entladung wurde gemessen, und die I–V charakteristische grafische Darstellung jeder Batterie wurde aufgetragen. Der I–V Widerstandswert (mΩ) bei 25°C wurde von der Steigung der I–IV charakteristischen grafischen Darstellung berechnet. Die inneren Widerstandswerte der Batterien sind in Tabelle 2 gezeigt.
[Kontinuierlicher Überladungstest]
Der kontinuierliche Überladungstest wurde bezüglich den Lithium-Ionen-Batterien von Proben 5 bis 10 und Proben 11 bis 15 in der gleichen Art und Weise wie bezüglich Probe 1 ausgeführt, und die Abschalt-Starttemperatur und die maximal erreichte Temperatur (°C) wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, bestätigten die Ergebnisse des kontinuierlichen Überladungstests, dass, weil die Wärmewiderstandschicht der Separatoren und die leitfähige Zwischenschicht der positiven Elektrode in jeder der Batterien von Probe 1, Proben 5 bis 10, und Proben 11 bis 15 mit der Abschaltfunktion, die durch das teilchenförmige Polymer ausgeübt wird, ausgestattet waren, die maximal erreichte Temperatur der Batterie beträchtlich reduziert war im Vergleich mit der von Proben 2 bis 4, und die Wärmeerzeugung konnte inhibiert werden, während das Wärmeerzeugungsverhalten der Batterien während des Überladens effektiv kontrolliert wurde.
Es ist auch klar, dass ein Effekt des Erhöhens des inneren Widerstands während der abnormalen Wärmeerzeugung vorteilhaft erhalten werden konnte und die abnormale Wärmeerzeugung mit einer höheren Sicherheit durch Einstellen des Verhältnisses des teilchenförmigen Polymers, das zu der Wärmeresistenzschicht und der leitfähigen Zwischenschicht gegeben wurde, auf 10 Massen-% oder höher, gestoppt werden konnte. Ferner ist es klar, dass das ausreichende Verhältnis des teilchenförmigen Polymers, das zu der Wärmeresistenzschicht gegen wird, gleich zu oder weniger als ungefähr 40 Massen-% ist, und dass das ausreichende Verhältnis des teilchenförmigen Polymers, das zu der leitfähigen Zwischenschicht gegeben wird, gleich zu oder weniger als ungefähr 30 Massen-% ist.
Insbesondere ist es klar, dass das Erhöhen des inneren Widerstands in der Wärmeresistenzschicht der positiven Elektrode in einem frühen Stadium wichtig ist bezüglich des Kontrollierens des Verhaltens der nachfolgenden abnormalen Wärmeerzeugung. Ferner kann der innere Widerstand der Wärmeresistenzschicht des Separators stärker erhöht werden als der der Elektrode. Diese Ergebnisse zeigen an, dass das Merkmal des Erniedrigens der Strommenge in der leitfähigen Zwischenschicht der positiven Elektrode in einem frühen Stadium und dann zuverlässig stoppen des Stroms des elektrischen Stroms in dem Separator sehr effektiv ist.
Dadurch wurde bestätigt, dass es durch Einstellen der Menge des teilchenförmigen Polymers, das in der Wärmeresistenzschicht des Separators und der leitfähigen Zwischenschicht der positiven Elektrode beinhaltet ist, in einem adäquateren Bereich möglich ist, die maximal erreichte Temperatur auf einen sehr niedrigen Bereich von 115°C bis 135°C zu inhibieren. Demnach ist es klar, dass als ein Ergebnis des adäquateren Bereitstellens des teilchenförmigen Polymers, der Ort, wo die Abschaltfunktion ausgeübt wurde, das Timing davon, und der Effekt der Abschaltfunktion ausbalanciert wurden, und die abnormale Wärmeerzeugung konnte sicherer und mit guter Verlässlichkeit inhibiert werden konnte. Ferner mussten die Batteriecharakteristiken während der normalen Verwendung nicht unnötig verschlechtert werden.
Jede der hier offenbarten nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterien ist als eine Batterie bereitgestellt, die sicher ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist, während sie eine hohe Energiedichtecharakteristik demonstriert. Zum Beispiel weisen solche Batterien eine Kombination von Batterieleistungsfähigkeit und Sicherheit auf, die für Batterien geeignet ist, die in Fahrzeugen und Leistungsquellen von Leistungsspeichersystemen installiert werden. Daher stellt die vorliegende Erfindung das Fahrzeug 1 bereit, das mit einer der hier offenbarten Lithium-Ionen-Batterien 10 ausgestattet ist (kann auch in der Form eines Batteriepacks 100 sein, in welcher eine Mehrzahl an nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterien verbunden sind). Insbesondere wird das Fahrzeug (z. B. Automobil) 1 bereitgestellt, welches die nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie als eine Leistungsquelle beinhaltet (typischerweise eine Leistungsquelle für ein Hybridfahrzeug, ein Plug-In-Hybridfahrzeug und ein Brennstoffzellenfahrzeug).
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann eine nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie bereitstellen, welche eine hohe Output-/Inputdichte und eine hohe Energiedichte realisiert und in welcher abnormale Wärmeerzeugung zuverlässiger und sicherer ohne exzessives Verschlechtern der Batteriecharakteristiken inhibiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
10: Lithium-Ionen-Batterie
20: gewickelter Elektrodenkörper (Elektrodenkörper)
30: positive Elektrode (Positivelektrodensheet)
32: Positivelektrodenstromabnehmer
33: unbeschichteter Abschnitt
34: Positivelektrodenaktivmaterialschicht
36: leitfähige Zwischenschicht
38: teilchenförmiges Polymer
40: Positivelektrodenende
41: Positivelektrodenanschlussleiter
50: Negativelektrodensheet (negative Elektrode)
52: Negativelektrodenstromabnehmer
53: unbeschichteter Abschnitt
54: Negativelektrodenaktivmaterialschicht
60: Negativelektrodenende
61: Negativelektrodenanschlussleiter
70A, 70B: Separator(en)
72: Wärmewiderstandschicht
78: teilchenförmiges Polymer
80: Batteriegehäuse
82: Deckel
84: Behälterhauptkörper
85: Lücke
86: Einfüllloch
87: Abdichtkappe
88: Sicherheitsventil
100: Batteriepack
WL: Wickelachse

Claims

Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie, die umfasst: einen Elektrodenkörper, der eine positive Elektrode und eine negative Elektrode beinhaltet; und einen nicht-wässrigen Elektrolyt; wobei der Elektrodenkörper durch eine Mehrzahl von unterschiedlichen Konstitutionselementen konstituiert ist; und zumindest zwei Konstitutionselemente aus der Mehrzahl an Konstitutionselementen, die den Elektrodenkörper konstituieren, jeweilig teilchenförmige Polymere mit einem Schmelzpunkt innerhalb eines Temperaturbereichs von 80°C bis 120°C beinalten, wobei sich diese zwei Elemente voneinander unterscheiden.
Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenkörper die positive Elektrode, die eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht auf einem Positivelektrodenstromabnehmer beinhaltet, die negative Elektrode, die eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht auf einem Negativelektrodenstromabnehmer beinhaltet, und einen Separator, der zwischen die positive Elektrode und die negative Elektrode eingefügt ist, umfasst; und zwei oder alle aus der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und dem Separator die teilchenförmigen Polymere beinhalten.
Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei die positive Elektrode als Konstitutionselemente den Positivelektrodenstromabnehmer, die Positivelektrodenaktivmaterialschicht und eine leitfähige Zwischenschicht, die ein leitfähiges Material und ein Bindemittel beinhaltet, zwischen dem Positivelektrodenstromabnehmer und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht aufweist; der Separator als Konstitutionselemente einen Separatorhauptkörper und eine Wärmeresistenzschicht, die einen anorganischen Füllstoff und ein Bindemittel beinhaltet, auf zumindest einer Oberfläche des Hauptkörpers aufweist; und das teilchenförmige Polymer, aus den Konstitutionselementen, zumindest in der leitfähigen Zwischenschicht und der Wärmeresistenzschicht beinhaltet ist.
Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie nach Anspruch 3, wobei sich das teilchenförmige Polymer, das in der leitfähigen Zwischenschicht enthalten ist, und das teilchenförmige Polymer, das in der Wärmeresistenzschicht enthalten ist, voneinander unterscheiden, und wobei der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers, das in der leitfähigen Zwischenschicht enthalten ist, niedriger ist als der Schmelzpunkt des teilchenförmigen Polymers, das in der Wärmeresistenzschicht enthalten ist.
Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Verhältnis des teilchenförmigen Polymers, das in der leitfähigen Zwischenschicht enthalten ist, 10 Massen-% bis 30 Massen-% ist, wenn das Gesamtgehaltsverhältnis der leitfähigen Zwischenschicht 100 Massen-% ist.
Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Verhältnis des teilchenförmigen Polymers, das in der Wärmeresistenzschicht enthalten ist, 10 Massen-% bis 40 Massen-% ist, wenn das Gesamtgehaltsverhältnis der Wärmeresistenzschicht 100 Massen-% ist.
Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein D₅₀-Teilchendurchmesser des anorganischen Füllstoffs, der in der Wärmeresistenzschicht enthalten ist, 0,5 μm bis 5,0 μm beträgt, und ein D₅₀-Teilchendurchmesser des teilchenförmigen Polymers 0,1 μm bis 3,0 μm beträgt.
Nicht-wässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei eine Porosität des gesamten Separators 30% bis 70% ist.
Fahrzeug, das mit der nicht-wässrigen Elektrolyt-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestattet ist.