JP2003077538A - Solid secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はリチウムイオン二次
電池等を含む電池の構造、特に電解質の構造に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a battery structure including a lithium ion secondary battery and the like, and more particularly to an electrolyte structure.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年の携帯機器の発展には目覚しいもの
があり、その原動力の一つとしてリチウムイオン二次電
池を初めとする高エネルギー電池によるところが大き
い。現在リチウム二次イオン電池の市場は、年間300
0億円を超え、今後とも様々な携帯機器の発展が予測で
き、それに伴う電池製造技術の進歩も要請きれている。2. Description of the Related Art In recent years, there have been remarkable developments in mobile devices, and high energy batteries such as lithium ion secondary batteries have been a major driving force for such development. Currently, the market for lithium secondary ion batteries is 300 annually.
It is expected to continue to grow in various portable devices over ¥ 100 million, and there is a demand for advances in battery manufacturing technology.
【0003】このようなリチウムイオン二次電池は、通
常、正極、液体あるいは固体状電解質層、負極から構成
される。この正負極電極材料は、正極活物質/負極活物
質を導電助剤、結着剤と混合し、集電体上に塗布して形
成されている。このようなリチウムイオン二次電池の開
発動向として、電池の高エネルギー密度化が要請されて
おり、その方策として薄型の電池の開発が進んでいる。Such a lithium ion secondary battery is usually composed of a positive electrode, a liquid or solid electrolyte layer, and a negative electrode. This positive / negative electrode material is formed by mixing a positive electrode active material / a negative electrode active material with a conductive auxiliary agent and a binder, and coating the mixture on a current collector. As a development trend of such a lithium ion secondary battery, higher energy density of the battery is required, and development of a thin battery is progressing as a measure for that.
【0004】薄型軽量の電池を作製する手法の一つとし
て、溶液であった電解質部分を固体状にし、薄型化を図
ったポリマー電池がある。この技術自体については、既
に公知になった技術であるが、近年特性の改善が進み、
開示された当初とは比較できないほど電池特性は向上し
ている。As one of the methods for producing a thin and lightweight battery, there is a polymer battery in which the electrolyte portion, which was a solution, is made solid so as to be thin. This technology itself is already known, but in recent years, the characteristics have improved
The battery characteristics are improved to the extent that they cannot be compared with the initial disclosure.
【0005】このような固体状ポリマー二次電池につい
ては種々の形態があるが、大別すると以下の3種類に分
けられる。There are various forms of such solid polymer secondary batteries, but they are roughly classified into the following three types.
【0006】(1)電解質としてポリマー高分子中のリ
チウムイオン伝導を用いるタイプ。
(2)電解質として可塑化したポリマー高分子中のリチ
ウムイオン伝導を用いるタイプ。
(3)電解質として有機溶媒、可塑剤で可塑化したポリ
マー高分子中のリチウムイオン伝導を用いるタイプ。(1) A type that uses lithium ion conduction in a polymer as an electrolyte. (2) A type that uses lithium ion conduction in a plasticized polymer as an electrolyte. (3) A type in which lithium ion conduction in a polymer polymer plasticized with an organic solvent or a plasticizer is used as an electrolyte.
【0007】この中で、(3)に属する溶媒成分と有機
高分子成分、電解質塩を混合し、ゲル化(固体化)した
電池が溶液系電池に劣らない特性を示すため実用化が進
んでいる。Among these, the battery component obtained by mixing the solvent component belonging to (3), the organic polymer component, and the electrolyte salt and gelling (solidifying) shows the characteristics comparable to the solution type battery, so that it is put into practical use. There is.
【0008】このような電池を作製する方法の代表的な
例として、USP545600号公報に記載された電池
がある。これは固体状のポリフッ化ビニリデン系の固体
電解質媒体を作製し、正極/負極と接合し、電池素体全
体から可塑剤を抽出し、さらに電解質溶液を注液し、全
体をゲル化するものである。このように電池素体全体を
ゲル化することにより、電池内部には遊離した電解液は
存在しなくなる。したがって、従来の溶液系電池とは全
く異なった形態となっているといってもよい。さらに、
この文献が開示する内容によれば、電池特性においても
優れている。As a typical example of a method for producing such a battery, there is a battery described in US Pat. No. 545600. This is to make a solid polyvinylidene fluoride solid electrolyte medium, join it with the positive electrode / negative electrode, extract the plasticizer from the whole battery body, and inject the electrolyte solution to gel the whole. is there. By gelling the entire battery body in this manner, the liberated electrolytic solution does not exist inside the battery. Therefore, it can be said that the configuration is completely different from that of the conventional solution type battery. further,
According to the contents disclosed in this document, the battery characteristics are also excellent.
【0009】しかし、この固体状のゲル化した電解質を
用いた場合、通常使用時には問題がないが、何らかの異
常時においては解決すべき種々の問題が内在していた。However, when this solid gelled electrolyte is used, there are no problems during normal use, but there are inherent problems to be solved in the event of some abnormality.
【0010】すなわち、上記従来のゲル化した電解質
は、電池特性という観点から見ると、従来のポリマー内
部のイオン導電性を利用する電解質に比べ、優れたもの
があった。しかしながら、通常の使用状態では問題はな
いが、過充電時等において、十分に樹脂の溶解による電
流遮断が機能しないため、あるいは、溶解した状態では
伝導性があるため電流の集中が起こり、内部短絡に至る
ことがあった。That is, from the viewpoint of battery characteristics, the above-mentioned conventional gelled electrolytes were superior to the conventional electrolytes utilizing the ionic conductivity inside the polymer. However, there is no problem in normal use, but when overcharging, etc., the current is not cut off due to the melting of the resin, or when it is in a molten state, it has conductivity and current concentration occurs, causing an internal short circuit. Was sometimes reached.
【0011】そして、内部短絡が起こることにより、電
池内部で急速な発熱が起こり、電池は熱暴走状態にな
り、発火に至ってしまう。したがって、固体状の電解質
を用いた場合においても、過充電時に安全な状態に至ら
しめる機能が必要であった。When an internal short circuit occurs, rapid heat generation occurs inside the battery, causing the battery to be in a thermal runaway state and leading to ignition. Therefore, even when a solid electrolyte is used, it is necessary to have a function of reaching a safe state during overcharge.
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、過充
電等電池の異常時に、内部のイオン導電性を遮断し、内
部短絡による電池の熱暴走を防止することができる固体
状二次電池を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a solid secondary battery capable of blocking internal ionic conductivity and preventing thermal runaway of the battery due to an internal short circuit when the battery is abnormal such as overcharge. Is to provide.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明の固体状二次電池
は、正極、負極、固体状電解質を有する固体状二次電池
であって、γ−ブチロラクトン、ポリフッ化ビニリデ
ン、および電気的に不活性な無機粒子を含有する複合電
解質を前記電極と固体状電解質の間に有するか、あるい
は固体状電解質自体を構成しているものである。The solid state secondary battery of the present invention is a solid state secondary battery having a positive electrode, a negative electrode and a solid state electrolyte, and comprises γ-butyrolactone, polyvinylidene fluoride, and an electrically non-conductive material. It has a composite electrolyte containing active inorganic particles between the electrode and the solid electrolyte, or constitutes the solid electrolyte itself.
【0014】本発明の固体状二次電池は、集電体材料、
集電体材料に塗布ざれた正極活物質材料、結着剤からな
る正極材料、より詳しくは、集電体材料として金属アル
ミ箔、正極活物質としてコバルト酸リチウム等リチウム
を挿入脱離する物質、結着剤としてポリフッ化ビニリデ
ンからなる正極を有する。同様に集電体材料、集電体材
料に塗布された負極活物質、結着剤からなる負極材料、
より詳しくは、集電体材料として銅箔、負極活物質とし
て黒鉛等リチウムを挿入脱離する材質、結着剤としてポ
リフッ化ビニリデンからなる負極を有する。The solid state secondary battery of the present invention comprises a collector material,
A positive electrode active material material coated on a current collector material, a positive electrode material comprising a binder, more specifically, a metal aluminum foil as a current collector material, a material for inserting and releasing lithium such as lithium cobalt oxide as a positive electrode active material, It has a positive electrode made of polyvinylidene fluoride as a binder. Similarly, a current collector material, a negative electrode active material applied to the current collector material, a negative electrode material comprising a binder,
More specifically, it has a copper foil as a current collector material, a material such as graphite as a negative electrode active material for inserting and releasing lithium, and a negative electrode made of polyvinylidene fluoride as a binder.
【0015】本発明は、固体状電解質の正極もしくは負
極側、あるいは固体状電解質自体に、ある温度、電位以
上で、電極および固体状電解質層とのイオン伝導を遮断
する機能を付加する。すなわち、通常の状態ではイオン
導電性に影響を与えないため、電池特性に影響しない
が、何らかの理由で過充電等、電極が異常状態に陥った
時に、イオン導電性を遮断する複合電解質を有する。こ
れにより、従来の固体状電解質において欠点であった内
部短絡を防止することができる。In the present invention, a function of blocking ionic conduction between the electrode and the solid electrolyte layer is added to the positive or negative electrode side of the solid electrolyte, or to the solid electrolyte itself at a certain temperature or higher potential. That is, since it does not affect the ionic conductivity under normal conditions, it does not affect the battery characteristics, but has a composite electrolyte that blocks ionic conductivity when the electrode falls into an abnormal state due to overcharge or the like for some reason. This makes it possible to prevent an internal short circuit, which is a drawback of the conventional solid electrolyte.
【0016】本発明の複合電解質は、通常、過充電時に
おいて見られる短絡を防止するものである。この際、完
全に短絡が防止されているわけではなく、ある抵抗層が
存在した形で遮断している。すなわち、過充電時に、電
池内部の熱発生に伴い温度上昇が起こる。このとき、あ
る抵抗層が存在して短絡現象に至ると電流は継続して流
れる。すなわち短絡するが、電位は熱暴走しない程度に
低下するため、電池全体として発熱が低減される。その
結果、過充電時においても安全に電池としては機能を停
止する。The composite electrolyte of the present invention is for preventing a short circuit, which is usually observed during overcharge. At this time, the short circuit is not completely prevented, and the circuit is interrupted in the presence of a certain resistance layer. That is, at the time of overcharging, temperature rise occurs due to heat generation inside the battery. At this time, if a certain resistance layer exists and a short circuit phenomenon occurs, the current continues to flow. That is, although a short circuit occurs, the potential drops to the extent that thermal runaway does not occur, so heat generation in the battery as a whole is reduced. As a result, the function of the battery safely stops even when overcharged.
【0017】従って、本発明の固体状電解質、電極構成
により過充電時においても発火発熱がなく、なおかつ電
位が低下した状態になるので、電池系としては安全な状
態になる。Therefore, due to the solid electrolyte and electrode structure of the present invention, there is no ignition and heat generation even during overcharge, and the potential is lowered, so that the battery system is in a safe state.
【0018】この現象については、明確な理由、メカニ
ズムはわかっていないが、本発明で使用する固体状電解
質成分により発現される。固体状電解質としては、下記
の二種類が挙げられる。This phenomenon is manifested by the solid electrolyte component used in the present invention, although the clear reason and mechanism are not known. As the solid electrolyte, there are the following two types.
【0019】固体状電解質1
リチウム塩、エチレンカーボネート、プロピレンカーボ
ネート等の非水系溶媒、ポリフッ化ビニリデン等のゲル
化させる高分子材料をあらかじめ成膜し、固体状電解質
としたもの。Solid electrolyte 1 A solid electrolyte prepared by previously forming a film of a non-aqueous solvent such as lithium salt, ethylene carbonate or propylene carbonate, and a gelling polymer material such as polyvinylidene fluoride.
【0020】固体状電解質2
ゲル化させる高分子材料からなる微多孔膜を用いて、電
極と一体化し電池素体前駆体を作成し、電解液を後工程
において注液し、加熱冷却により全体をゲル化させ固体
状電解質としたもの。Solid electrolyte 2 Using a microporous membrane made of a polymer material to be gelled, it is integrated with an electrode to prepare a battery body precursor, and an electrolyte solution is injected in a later step, and the whole is heated and cooled. A gelled solid electrolyte.
【0021】本発明はこのどちらの固体状電解質に対し
ても有効である。ただし、本発明においては、さらに不
活性な物質を添加する。The present invention is effective for both of these solid electrolytes. However, in the present invention, an inactive substance is further added.
【0022】ゲル化成分
固体状電解質を形成するにあたり、溶媒成分として、γ
−ブチロラクトンを必ず含有することが必要である。γ
−ブチロラクトンは単独で存在していてもよいが、本発
明では二次電池としての特性を良好にするために、他の
1種または2種以上の溶媒と混合するとよい。Gelation component In forming the solid electrolyte, γ is used as a solvent component.
-Must contain butyrolactone. γ
-Butyrolactone may be present alone, but in the present invention, in order to improve the characteristics as a secondary battery, it may be mixed with one or more other solvents.
【0023】このような溶媒としては、特に限定される
ものではないが、リチウム電池等では高い動作電圧でも
分解の起こらない極性有機溶媒、例えば、エチレンカー
ボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、
ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート(DM
C)、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネー
ト等のカーボネート類、テトラヒドロフラン(TH
F)、2−メチルテトラヒドロフラン等の環式エーテ
ル、1,3−ジオキソラン、4−メチルジオキソラン等
の環式エーテル、スルホラン等が好適に用いられる。ま
た、3−メチルスルホラン、ジメトキシエタン、ジエト
キシエタン、エトキシメトキシエタン、エチルジグライ
ム等を用いてもよい。これらのなかでも、エチレンカー
ボネート(EC)が特に好ましい。The solvent is not particularly limited, but polar organic solvents such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), which do not decompose even at a high operating voltage in a lithium battery or the like,
Butylene carbonate, dimethyl carbonate (DM
C), carbonates such as diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, tetrahydrofuran (TH
F), cyclic ethers such as 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, cyclic ethers such as 4-methyldioxolane, and sulfolane are preferably used. Further, 3-methylsulfolane, dimethoxyethane, diethoxyethane, ethoxymethoxyethane, ethyl diglyme and the like may be used. Among these, ethylene carbonate (EC) is particularly preferable.
【0024】γ−ブチロラクトンと他の溶媒との混合比
は、γ−ブチロラクトン:他の溶媒(好ましくはEC)
の質量比で、好ましくは3:7〜9:1、より好ましく
は7:3〜8:2である。The mixing ratio of γ-butyrolactone and other solvent is γ-butyrolactone: other solvent (preferably EC).
Is preferably 3: 7 to 9: 1, more preferably 7: 3 to 8: 2.
【0025】溶媒に溶解させる電解質塩としては、例え
ば、LiBF4 、LiPF6 、LiAsF6 、LiSO
3 CF3 、LiClO4 、LiN(SO2 CF3 )2 、
LiC(CF3SO2 〕3 等のリチウム塩が挙げられる
が、本発明では特にLiBF4 を用いることが好まし
い。また、LiBF4 を必ず含有するものであれば、上
記塩との混合物であってもよい。As the electrolyte salt to be dissolved in the solvent, for example,
For example, LiBFFour, LiPF6, LiAsF6, LiSO
3CF3, LiClOFour, LiN (SO2 CF3 )2 ,
LiC (CF3SO2 ]3 Lithium salts such as
However, in the present invention, especially LiBFFour Is preferred
Yes. In addition, LiBFFour If it always contains
It may be a mixture with the above-mentioned salt.
【0026】また、ゲル化する材料としては、ポリフツ
化ビニリデン系材料も同様に使用する。ポリフツ化ビニ
リデン系材料は、固体電解質のゲル成分として、また、
無機粒子のバインダとして機能する。このようなポリフ
ツ化ビニリデン系材料としては、PVDFホモポリマー
が挙げられるが、コポリマーを用いてもよい。このよう
なPVDFホモポリマーは市販されており、例えばエル
フアトフィナー社製、kynar 741,301F として入手する
ことができる。As the gelling material, a polyvinylidene fluoride-based material is also used. Polyvinylidene fluoride-based material, as a gel component of the solid electrolyte,
Functions as a binder for inorganic particles. Examples of such polyvinylidene fluoride-based materials include PVDF homopolymers, but copolymers may also be used. Such a PVDF homopolymer is commercially available, and can be obtained, for example, as kynar 741,301F manufactured by Elf Atfiner.
【0027】無機粒子
本発明では、固体電解質を多孔体としてイオンの伝導性
を坦持し、なおかつ本発明の効果を発現させるために、
固体電解質に無機粒子を含有させ複合電解質とする。含
有する無機粒子としては、電気的に不活性で、イオンの
伝導性に影響を与えることが無く、かつ電解質との反応
性が低いものであれば特に限定されるものではない。具
体的には、酸化物、例えばシリカ(SiO2 )、アルミ
ナ(Al 2O3 )等のセラミック粉末を挙げることがで
きる。これらのなかでも特にシリカ(SiO2 )が好ま
しい。このような無機粒子の粒径としては、好ましくは
1〜20μm 、特に2〜15μm である。無機粒子の粒
径は、通常平均一次粒径であるが、二次粒子を形成して
いる場合には、平均二次粒径である。Inorganic particles
In the present invention, the solid electrolyte is used as a porous body to conduct ions.
In order to carry the
Inorganic particles are included in the solid electrolyte to form a composite electrolyte. Including
The inorganic particles that have are electrically inactive and
Reaction with electrolyte without affecting conductivity
There is no particular limitation as long as it has low property. Ingredient
Physically, oxides such as silica (SiO 22 ),Aluminum
Na (Al 2O3 ) And other ceramic powders
Wear. Among these, especially silica (SiO2 ) Is preferred
Good The particle size of such inorganic particles is preferably
It is 1 to 20 μm, especially 2 to 15 μm. Grain of inorganic particles
The diameter is usually the average primary particle size, but by forming secondary particles
If so, it is the average secondary particle size.
【0028】固体電解質における無機粒子の含有量とし
ては、PVDF:無機粒子(好ましくはSiO2 )の質
量比で、好ましくは10:90〜30:70、より好ま
しくは20:80〜25:75程度である。PVDFと
無機粒子とは、均一に混合分散されていることが望まし
い。The content of the inorganic particles in the solid electrolyte is preferably 10:90 to 30:70, more preferably about 20:80 to 25:75 in terms of mass ratio of PVDF: inorganic particles (preferably SiO 2 ). Is. It is desirable that PVDF and inorganic particles are uniformly mixed and dispersed.
【0029】複合電解質の膜厚としては、好ましくは1
0〜50μm 、特に15〜30μmである。膜厚が薄す
ぎると電流抑制機能が不十分となり、厚すぎるとイオン
伝導度が悪化し、電池特性が低下してくる。The thickness of the composite electrolyte is preferably 1
It is from 0 to 50 μm, especially from 15 to 30 μm. If the film thickness is too thin, the current suppressing function will be insufficient, and if it is too thick, the ionic conductivity will deteriorate and the battery characteristics will deteriorate.
【0030】また、発明の実施形態としては、上述した
ように正極もしくは負極側どちらか一方、あるいは両方
に介在させても構わないし、固体状電解質を正極側、負
極側に介在させても良い。この他の形態としては、有機
溶媒系の材料に対しては膨潤せず、ある一定の温度で融
解する粒子層を固体状電解質層内おるいは層表面に介在
させても良い。Further, as an embodiment of the invention, as described above, either one of the positive electrode side and the negative electrode side may be interposed, or the solid electrolyte may be interposed between the positive electrode side and the negative electrode side. As another form, a particle layer that does not swell with respect to an organic solvent-based material and melts at a certain temperature may be provided in the solid electrolyte layer or on the surface of the layer.
【0031】また、高分子固体電解質と組み合わせる電
極は、二次電池、特にリチウム二次電池の電極として公
知のものの中から適宜選択して使用すればよく、好まし
くは電極活物質とゲル電解質、必要により導電助剤との
組成物を用いる。The electrode to be combined with the solid polymer electrolyte may be appropriately selected and used from those known as electrodes for secondary batteries, particularly lithium secondary batteries, and preferably an electrode active material and a gel electrolyte are required. Therefore, a composition with a conductive additive is used.
【0032】負極には、炭素材料、(リチウム)金属、
(リチウム)合金あるいは酸化物材料のような負極活物
質を用い、正極には、金属(リチウム)イオンがインタ
ーカレート・デインターカレート可能な酸化物または炭
素材料のような正極活物質を用いることが好ましい。こ
のような電極を用いることにより、良好な特性のリチウ
ム二次電池を得ることができる。For the negative electrode, a carbon material, (lithium) metal,
A negative electrode active material such as a (lithium) alloy or an oxide material is used, and a positive electrode active material such as an oxide or a carbon material capable of intercalating / deintercalating metal (lithium) ions is used for the positive electrode. It is preferable. By using such an electrode, a lithium secondary battery having good characteristics can be obtained.
【0033】電極活物質として用いる炭素材料は、例え
ば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、天然あ
るいは人造の黒鉛、樹脂焼成炭素材料、カーボンブラッ
ク、炭素繊維などから適宜選択すればよい。これらは粉
末として用いられる。中でも黒鉛が好ましく、その平均
粒子径は1〜30μm 、特に5〜25μm であることが
好ましい。平均粒子径が小さすぎると、充放電サイクル
寿命が短くなり、また、容量のばらつき(個体差)が大
きくなる傾向にある。平均粒子径が大きすぎると、容量
のばらつきが著しく大きくなり、平均容量が小さくなっ
てしまう。平均粒子径が大きい場合に容量のばらつきが
生じるのは、黒鉛と集電体との接触や黒鉛同士の接触に
ばらつきが生じるためと考えられる。The carbon material used as the electrode active material may be appropriately selected from, for example, mesocarbon microbeads (MCMB), natural or artificial graphite, resin-fired carbon material, carbon black, carbon fiber and the like. These are used as powder. Of these, graphite is preferable, and its average particle diameter is preferably 1 to 30 μm, and particularly preferably 5 to 25 μm. If the average particle size is too small, the charge / discharge cycle life tends to be short, and the capacity variation (individual difference) tends to increase. If the average particle size is too large, the variation in capacity becomes extremely large and the average capacity becomes small. When the average particle diameter is large, the variation in capacity is considered to be due to the variation in the contact between graphite and the current collector and the contact between graphite.
【0034】金属(リチウム)イオンがインターカレー
ト・デインターカレート可能な酸化物としては、リチウ
ムを含む複合酸化物が好ましく、例えば、LiCo
O2、LiMn2O4、LiNiO2、LiV2O4などが挙
げられる。これらの酸化物の粉末の平均粒子径は1〜4
0μm 程度であることが好ましい。As the oxide capable of intercalating / deintercalating metal (lithium) ions, a complex oxide containing lithium is preferable, for example, LiCo.
O 2, such as LiMn 2 O 4, LiNiO 2, LiV 2 O 4 and the like. The average particle size of these oxide powders is 1 to 4
It is preferably about 0 μm.
【0035】電極には、必要により導電助剤が添加され
る。導電助剤としては、好ましくは黒鉛、カーボンブラ
ック、炭素繊維、ニッケル、アルミニウム、銅、銀等の
金属が挙げられ、特に黒鉛、カーボンブラックが好まし
い。A conductive auxiliary agent is added to the electrode if necessary. Examples of the conductive aid include graphite, carbon black, carbon fibers, metals such as nickel, aluminum, copper, silver and the like, and graphite and carbon black are particularly preferable.
【0036】電極組成は正極では、重量比で活物質:導
電助剤:結着剤=80〜94:2〜8:2〜18の範囲
が好ましく、負極では、重量比で活物質:導電助剤:結
着剤=70〜97:0〜25:3〜10の範囲が好まし
い。The electrode composition of the positive electrode is preferably in the range of active material: conduction aid: binder = 80 to 94: 2 to 8: 2 to 18 by weight ratio, and in the negative electrode, the active material: conduction aid is in weight ratio. Agent: Binder = The range of 70 to 97:00 to 25: 3 to 10 is preferable.
【0037】結着剤としては、フッ素系樹脂、ポリオレ
フイン樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂のような
熱可塑性エラストマー系樹脂、またはフッ素ゴムのよう
なゴム系樹脂を用いることができる。具体的には、ポリ
テトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ
エチレン、ポリアクリロニトリル、ニトリルゴム、ポリ
ブタジエン、ブチレンゴム、ポリスチレン、スチレンー
ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シア
ノエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等が
挙げられる。特に、上記固体電解質と同様のPVDFホ
モポリマー、またはコポリマーを用いるとよい。As the binder, a thermoplastic elastomer resin such as a fluororesin, a polyolefin resin, a styrene resin, an acrylic resin, or a rubber resin such as fluororubber can be used. Specific examples thereof include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polyacrylonitrile, nitrile rubber, polybutadiene, butylene rubber, polystyrene, styrene-butadiene rubber, polysulfide rubber, nitrocellulose, cyanoethyl cellulose, carboxymethyl cellulose and the like. Particularly, it is preferable to use the same PVDF homopolymer or copolymer as the above solid electrolyte.
【0038】電極の製造は、まず、活物質と必要に応じ
て導電助剤を、結着剤溶液に分散し、塗布液を調製す
る。To manufacture the electrode, first, an active material and, if necessary, a conductive auxiliary agent are dispersed in a binder solution to prepare a coating solution.
【0039】そして、この電極塗布液を集電体に塗布す
る。塗布する手段は特に限定されず、集電体の材質や形
状などに応じて適宜決定すればよい。一般に、メタルマ
スク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレー
コート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラ
ビアコート法、スクリーン印刷法等が使用されている。
その後、必要に応じて、平板プレス、カレンダーロール
等により圧延処理を行う。Then, the electrode coating solution is applied to the current collector. The means for applying is not particularly limited and may be appropriately determined depending on the material and shape of the current collector. Generally, a metal mask printing method, an electrostatic coating method, a dip coating method, a spray coating method, a roll coating method, a doctor blade method, a gravure coating method, a screen printing method and the like are used.
Then, if necessary, rolling treatment is performed by a flat plate press, a calendar roll, or the like.
【0040】集電体は、電池の使用するデバイスの形状
やケース内への集電体の配置方法などに応じて、適宜通
常の集電体から選択すればよい。一般に、正極にはアル
ミニウム等が、負極には銅、ニッケル等が使用される。
なお、集電体は、通常、金属箔、金属メッシュなどが使
用される。金属箔よりも金属メッシュの方が電極との接
触抵抗が小さくなるが、金属箔でも十分小さな接触抵抗
が得られる。The current collector may be appropriately selected from ordinary current collectors depending on the shape of the device used by the battery, the method of arranging the current collector in the case, and the like. Generally, aluminum or the like is used for the positive electrode and copper, nickel or the like is used for the negative electrode.
A metal foil, a metal mesh, or the like is usually used as the current collector. Although the metal mesh has a smaller contact resistance with the electrode than the metal foil, the metal foil can also obtain a sufficiently small contact resistance.
【0041】そして、溶媒を蒸発させ、電極を作製す
る。塗布厚は、50〜400μm 程度とすることが好ま
しい。Then, the solvent is evaporated to produce an electrode. The coating thickness is preferably about 50 to 400 μm.
【0042】このような正極、固体電解質、負極を順に
積層し、圧着して電池素体とする。Such a positive electrode, a solid electrolyte and a negative electrode are laminated in this order and pressure-bonded to obtain a battery body.
【0043】電池の構造としては、巻き型構造、積層型
構造どちらに対しても適用できるものであるが、積層型
構造の場合、正極、負極、固体状電解質層、およびイオ
ン伝導遮断層を順次積層する構造をとるため、券き型に
要求されるような膜強度が必要とされず、材料的、機械
的な制約は少なくなる。The structure of the battery can be applied to either a wound type structure or a laminated type structure. In the case of the laminated type structure, the positive electrode, the negative electrode, the solid electrolyte layer, and the ion conduction blocking layer are sequentially formed. Since the laminated structure is adopted, film strength required for a ticket die is not required, and material and mechanical restrictions are reduced.
【0044】以下本発明について実施例を用いて説明す
る。The present invention will be described below with reference to examples.
【実施例】<実施例1>正極、負極については下記材料
より形成した。
正極
電極集電体 アルミ箔
正極活物質 コバルト酸リチウム
バインダー PVDFポリマー
導電助剤 アセチレンブラック
負極
負極活物質 黒鉛
バインダー PVDFホモポリマー
導電助剤 アセチレンブラックEXAMPLES <Example 1> The positive electrode and the negative electrode were made of the following materials. Positive electrode Current collector Aluminum foil Positive electrode active material Lithium cobaltate binder PVDF polymer Conductive agent acetylene black Negative electrode negative electrode active material Graphite binder PVDF homopolymer Conductive agent Acetylene black
【0045】固体状電解質
固体状電解質として、PVDFを主成分とする微多孔膜
を形成した。この際、電気的に不活性な無機粒子として
シリカを用い、コンポジットを形成し、これを微多孔膜
とした。このときのPVDF:SiO2 は質量比で2
5:75とした。Solid electrolyte As a solid electrolyte, a microporous membrane containing PVDF as a main component was formed. At this time, silica was used as the electrically inactive inorganic particles to form a composite, which was used as a microporous film. At this time, PVDF: SiO 2 has a mass ratio of 2
It was set to 5:75.
【0046】このようにして得られた微孔膜をゲル化す
る際、ゲル化構成成分として、溶媒にエチレンカーボネ
ート(EC)とγ−ブチロラクトン(γBL)を用い
た。When the thus obtained microporous membrane was gelled, ethylene carbonate (EC) and γ-butyrolactone (γBL) were used as solvents as gelling constituents.
【0047】電解質塩 4フツ化ホウ素(LiBF4 )
を用いた。また、ここではγ−ブチロラクトンの比率を
変え、EC:γBL=3:7(質量比)をA1,EC:
γBL=1:3(質量比)をA2,EC:γBL=2:
8(質量比)をA3として、固体状電解質を作製した。Electrolyte salt Boron tetrafluoride (LiBF 4 )
Was used. Further, here, the ratio of γ-butyrolactone is changed and EC: γBL = 3: 7 (mass ratio) is changed to A1, EC:
γBL = 1: 3 (mass ratio) is A2, EC: γBL = 2:
A solid electrolyte was produced by setting 8 (mass ratio) to A3.
【0048】このようにして作製したA1,A2,A3
の電池を得た。A1, A2 and A3 produced in this way
Got the battery.
【0049】<実施例2>正極活物質としてリチウムマ
ンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物からな
るる材料を用いた以外は実施例1のA1と同様にして電
池を得た。これらをA4,A5とした。Example 2 A battery was obtained in the same manner as in A1 of Example 1 except that a material composed of lithium manganese composite oxide and lithium nickel composite oxide was used as the positive electrode active material. These were designated as A4 and A5.
【0050】<比較例>実施例1のA1におけるゲル化
構成成分としてγ−ブチロラクトンに代えて、DEC,
DMC,EMCをそれぞれ用いた以外は、実施例1と同
様にして電池を作製した。これらの電池をB1,B2,
B3とした。Comparative Example In place of γ-butyrolactone as the gelling constituent in A1 of Example 1, DEC,
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that DMC and EMC were used. Replace these batteries with B1, B2
It was set to B3.
【0051】これら実施例、比較例で得られた電池につ
いて過充電試験を行った。表1に過充電試験の結果を示
す。過充電試験は電流を2C相当流して過充電状態に
し、電池の異常の有無を観察した。An overcharge test was conducted on the batteries obtained in these Examples and Comparative Examples. Table 1 shows the results of the overcharge test. In the overcharge test, a current equivalent to 2 C was applied to bring the battery into an overcharged state, and the presence or absence of abnormality of the battery was observed.
【0052】[0052]
【表1】 [Table 1]
【0053】表1に示されるように、実施例A1〜A5
の実施例サンプルみが発火していない。また終了後の電
池電位は、1−2ボルトであった。As shown in Table 1, Examples A1 to A5
The samples of the above example do not ignite. The battery potential after completion was 1-2 volts.
【0054】以上の結果から明らかなように、固体状電
解質、またはその正極もしくは負極側にある温度以上
で、電極と固体状電解質層とのイオン伝導を速断する機
能を発現させることにより、電池が過充電等異常時に内
部においてイオン導電性が遮断されて内部短絡により電
池の熱暴走が防止できる。すなわち、通常の状態ではこ
の層はイオン導電性に寄与しないが、過充電等電極が異
常状態に陥った時に、イオン導電性を遮断することによ
り従来の固体状電解質において欠点であった内部短絡を
防止することができる。As is clear from the above results, the battery can be produced by exhibiting the function of rapidly interrupting the ionic conduction between the electrode and the solid electrolyte layer at a temperature above the temperature of the solid electrolyte or its positive or negative electrode side. When abnormalities such as overcharging occur, the ionic conductivity is blocked internally, and thermal runaway of the battery can be prevented due to an internal short circuit. That is, in a normal state, this layer does not contribute to ionic conductivity, but when the electrode falls into an abnormal state such as overcharging, by blocking the ionic conductivity, an internal short circuit, which is a defect in the conventional solid electrolyte, is prevented. Can be prevented.
【0055】[0055]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、過充電等
電池の異常時に、内部のイオン導電性を遮断し、内部短
絡による電池の熱暴走を防止することができる固体状二
次電池を提供することができる。As described above, according to the present invention, when the battery is abnormal such as overcharged, the internal ionic conductivity is shut off and the thermal runaway of the battery due to an internal short circuit can be prevented. Can be provided.
Claims (3)
状二次電池であって、 γ−ブチロラクトン、ポリフッ化ビニリデン、および電
気的に不活性な無機粒子を含有する複合電解質を前記電
極と固体状電解質の間に有するか、あるいは固体状電解
質自体を構成している固体状二次電池。1. A solid secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte, wherein a composite electrolyte containing γ-butyrolactone, polyvinylidene fluoride, and electrically inactive inorganic particles is mixed with the electrode. Solid-state secondary battery having between solid electrolytes or constituting the solid electrolyte itself.
機粒子の質量比で10:90〜30:70である請求項
1の固体状二次電池。2. The solid secondary battery according to claim 1, wherein the content of the inorganic particles is 10:90 to 30:70 by mass ratio of PVDF: inorganic particles.
トを含有する請求項1または2の固体状二次電池。3. The solid secondary battery according to claim 1, further comprising ethylene carbonate as a solvent.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2001267396A JP2003077538A (en) | 2001-09-04 | 2001-09-04 | Solid secondary battery |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006185654A (en) * | 2004-12-27 | 2006-07-13 | Nissan Motor Co Ltd | Solid electrolyte battery |
JP2008251219A (en) * | 2007-03-29 | 2008-10-16 | Tdk Corp | All-solid lithium ion secondary battery and its manufacturing method |
JP2012018932A (en) * | 2011-09-12 | 2012-01-26 | Nissan Motor Co Ltd | Solid electrolyte cell |
-
2001
- 2001-09-04 JP JP2001267396A patent/JP2003077538A/en not_active Withdrawn
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