JP2004111157A - Secondary battery and its manufacturing method - Google Patents

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JP2004111157A JP2002270603A JP2002270603A JP2004111157A JP 2004111157 A JP2004111157 A JP 2004111157A JP 2002270603 A JP2002270603 A JP 2002270603A JP 2002270603 A JP2002270603 A JP 2002270603A JP 2004111157 A JP2004111157 A JP 2004111157A
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negative electrode
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Koji Nishida
西田 耕次
Yusuke Ozaki
尾▲崎▼ 祐介
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a secondary battery of excellent safety and reliability capable of more surely inhibiting battery temperature from arising even if the battery temperature abruptly rises due to short-circuiting, overcharge, or the like. <P>SOLUTION: This secondary battery is equipped with a positive electrode made by disposing a positive electrode active material layer on a first current collector, a negative electrode made by disposing a negative electrode active material layer on a second current collector, and a first layer including particles. The first layer is disposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The particles expand at a prescribed temperature or above, and the prescribed temperature is 80°C or above. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯型電子機器の小型・軽量化の要望は非常に大きいものがある。その実現のために、二次電池の性能および寿命に関してより一層の向上が求められており、これに対応すべく多様な開発、改良が進められている。二次電池に要求される特性として代表的なものは、高電圧、高エネルギー密度、安全性、寿命信頼性および低コスト性などである。二次電池のなかでも、リチウムイオン二次電池は、重量エネルギー密度、体積エネルギー密度ともに大きく、期待度が高い二次電池であり、現在、その改良が盛んに進められている。
【0003】
リチウムイオン二次電池は、一般に、正極および負極と、この正極および負極に狭持されたセパレータとを備えている。セパレータは電気的に絶縁性であるが、リチウムイオン伝導性を有することが必要である(セパレータ単体でリチウムイオン伝導性を有する必要は必ずしもなく、電解質を含浸することでリチウムイオン伝導性を発現すればよい)。セパレータには、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリマーを二軸延伸方式により多孔質化させたフィルムシートなどが主に用いられている。
【0004】
イオン伝導層となるセパレータには、電池性能上、イオン伝導抵抗をできるだけ低くすることが要求される。そのため、可能な限りセパレータの膜厚を薄くすることが求められている。しかし、セパレータの膜厚が薄くなれば、充放電サイクルを繰り返すうちに正極と負極間で短絡が起きる可能性が増加することになる。また、鋭利な異物が刺さったりした場合などにも、セパレータが破損して短絡が起きる可能性がある。とりわけリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、仮に短絡した場合、大電流が集中することによって電池温度が急激に上昇する可能性がある。その他、過充電や過放電によっても、電池温度の急激な上昇が生じる可能性がある。
【0005】
これまで、短絡や過充電などに伴って極板の温度が上昇した場合に、熱によって溶融することで正極と負極とを絶縁し、それ以上の温度上昇を防ぐセパレータが開発されている(例えば、特許文献1参照)。上記セパレータはポリオレフィンの多孔質膜からなり、通常の使用状態では電解質を含むことでイオン伝導性を有している。短絡などにより電池温度が急激に上昇した場合は、発生した熱により溶融してセパレータ自身の孔が塞がれ、イオン伝導性を失うことで電気化学反応が停止する構造となっている。
【0006】
【特許文献1】
特開平5−62662
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の技術とは別の方法により、仮に短絡などによって電池の温度が急激に上昇した場合でも、電池の温度上昇をより確実に抑制することができる、信頼性、安全性に優れた二次電池を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の二次電池は、
第1の集電体上に正極活物質層が配置された正極と、第2の集電体上に負極活物質層が配置された負極と、粒子を含んだ第1の層とを備え、
前記第1の層が、前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に配置され、
前記粒子が、所定の温度以上で膨張し、
前記所定の温度が、80℃以上である。
【0009】
上記のような二次電池とすることで、仮に短絡などにより電池の温度が急激に上昇した場合でも、上記粒子が膨張して正極活物質層と負極活物質層との距離を保持あるいは増大することが可能で、極板間の短絡および/または電気化学反応を抑制することができる。そのため、電池温度のさらなる上昇を防ぐことができ、より安全性、信頼性に優れた二次電池を得ることができる。なお、80℃とは、一般的に電池が、異常による内部短絡や過充電などにより発熱が始まる下限温度域を反映する温度である。
【0010】
また、本発明の二次電池の製造方法は、
ポリマーと、前記ポリマーに対する良溶媒と、前記ポリマーに対する貧溶媒と、所定の温度以上で膨張する粒子とを含む溶液を調製する第1の工程と、
前記溶液を、正極板および負極板から選ばれる少なくとも一方の極板上に塗布して塗膜を形成する第2の工程と、
前記塗膜中の前記良溶媒の除去に遅れて、前記貧溶媒を除去することで、前記粒子を含んだ多孔質膜を前記少なくとも一方の極板上に形成する第3の工程と、
前記正極板と前記負極板との間に前記多孔質膜が置かれるように極板群を形成する第4の工程とを含み、
前記所定の温度が、80℃以上である。
【0011】
上記のような二次電池の製造方法とすることで、正極板と負極板との間に、所定の温度以上で膨張する粒子を含んだ、ポリマーからなる多孔質膜を配置することができる。よって、仮に短絡などにより電池の温度が急激に上昇した場合でも、上記粒子が膨張して正極活物質層と負極活物質層との距離を保持あるいは増大することができ、極板間の短絡および/または電気化学反応を抑制することができる。そのため、電池温度のさらなる上昇を防ぐことができ、より安全性、信頼性に優れた二次電池を得ることができる。また、極板上に直接塗布、乾燥を行うことで多孔質膜を得ているため、多孔質膜にシワなどの発生が抑制され、電池成形時に捲回した場合にも両極板間の間隔を一定に保つことができる。さらに、電池温度上昇時における多孔質膜の収縮も抑制することができるため、信頼性のより向上した電池を得ることができる。
【0012】
なお、本明細書における良溶媒とは、上記ポリマーのθ溶媒よりも上記ポリマーを溶解する溶媒のことであり、貧溶媒とは、上記ポリマーのθ溶媒よりも上記ポリマーを溶解しない溶媒を意味している。
【0013】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
図1は、本発明における二次電池の一部の構造例を示す断面模式図である。
【0014】
図1に示す例は、第1の集電体(正極集電体)1b上に正極活物質層1aが積層された正極1と、第2の集電体(負極集電体)2b上に負極活物質層2aが積層された負極2とを備えている。また、正極活物質層1aと負極活物質層2aとの間に、粒子4を含む第1の層3が狭持されている。図1に示す例では、第1の層3はセパレータの役割も果たしている。
【0015】
ここで、上記粒子は、所定の温度以上で膨張する粒子であればよい。ただし、上記所定の温度は、80℃以上の任意の温度である。正極活物質層と負極活物質層との間に配置されている第1の層が上記粒子を含むことで、仮に短絡などにより電池の温度が急激に上昇した場合でも、上記粒子が膨張することで正極活物質層と負極活物質層との距離を保持あるいは増大することができ、極板間の短絡および/または電気化学反応を抑制することができる。また、電池温度の急激な上昇に伴い、電池内のセパレータが収縮した場合でも、上記粒子が膨張することで正極活物質層と負極活物質層との距離を保持あるいは増大することができ、極板間の短絡および/または電気化学反応を抑制することができる。そのため、電池温度のさらなる上昇を防ぐことができ、より安全性、信頼性に優れた二次電池を得ることができる。
【0016】
膨張前における上記粒子の体積Vと、膨張後における上記粒子の体積Vとが、V≧3×Vの関係を満たしていてもよい。粒子が上記の関係を満たす場合、上記粒子の膨張によって、正極活物質層と負極活物質層との距離を、より確実に保持あるいは増大することができる。なかでも、V≧5×Vの関係を満たすことが好ましい。
【0017】
また、上記粒子の15℃〜35℃の範囲における体積Vと、110℃〜130℃の範囲における体積Vとが、V≧3×Vの関係を満たしていてもよい。粒子が上記の関係を満たす場合に、上述した効果をより確実に得ることができる。なかでも、V≧5×Vの関係を満たすことが好ましい。なお、15℃〜35℃は、電池の通常使用温度範囲に含まれる温度範囲であり、110℃〜130℃とは、電池内部が異常に発熱した状態に含まれる温度範囲である。
【0018】
また、上記粒子の膨張前における平均粒径は、3μm以上20μm以下の範囲であってもよい。粒子が上記範囲内にある場合、電池の通常使用時における正極活物質層と負極活物質層との距離をより最適にし、より電池特性に優れた二次電池を得ることができる。また、上記粒子が、上記第1の層中に5体積%〜35体積%の範囲で含まれていてもよい。
【0019】
上記粒子は中空体であってもよい。この場合、必要に応じて、内部に様々な材料(例えば、気体、液体、固体、ゲルなど)を内包させることが可能で、上記粒子の膨張特性を任意に変化させることができる。
【0020】
例えば、中空体である上記粒子が、上記所定の温度以上で気化する固体材料および液体材料から選ばれる少なくとも1種の材料を内包していてもよい。この場合、上記粒子が上記所定の温度以上の温度にさらされると、内包された上記少なくとも1種の材料が気化するため、上記粒子は速やかに膨張することができる。よって、電池温度が急激に上昇した場合でも、電池温度のさらなる上昇をより確実に抑制することができる。
【0021】
また、内包する上記少なくとも1種の材料を変化させることで、上記粒子の膨張率を制御することもできる。必要に応じて、気化する温度の異なる複数の材料を内包することもできる。また、上記少なくとも1種の材料の他に、必要に応じて任意の材料を含むことができる。例えば、粒子内部にリン酸アンモニウム、水酸化アンモニウムなどの消炎剤を内包させれば、仮に電池が発火して上記粒子が破損した場合でも、消炎させることが可能である。
【0022】
粒子4が中空体の場合の材料としては、膨張時に破裂、損傷などを起こさず、電池内の環境に耐えられる材質であれば特に限定されない。例えば、メラミン、ゼラチン、メラミンと尿素との結合体、ゼラチンと尿素との結合体、ウレタン、アクリロニトリルなどの共重合体、シリカなどを用いることができる。
【0023】
粒子4が中空体の場合、その内部に内包する材料としては、粒子4を構成する材料を損傷しない材料であれば特に限定されない。粒子4として必要な特性に応じて、任意に材料を選ぶことができる。例えば、炭化水素系の材料であるベンゼン、トルエンなどを用いれば、粒子4を80℃〜110℃で膨張させることができる。また、粒子4における中空部分の占める割合、および、粒子4における中空部分の体積に対して上記材料を内包する割合は特に限定されない。粒子4として必要な特性に応じて、任意に設定すればよい。
【0024】
膨張した上記粒子の一例を図2に示す。図2に示す例は、約100℃の雰囲気下において粒子が膨張している様子を捉えた電子顕微鏡(SEM)の写真である。このとき、上記粒子は、トルエンを内包したメラミンからなる中空体であり、セパレータを想定したポリビニリデンフルオロライドからなる多孔質材中に埋め込んである。15℃〜35℃の範囲における膨張前の上記粒子の体積は約523.3μm(粒径約10μm)であったが、このとき約4倍(粒径45μm)まで膨張していることがわかる。なお、上記粒子の膨張時には、破損、破裂などは観察されなかった。
【0025】
正極集電体1bおよび負極集電体2bに用いる材料としては、電池内で安定な導電体であれば、特に限定されない。例えば、正極集電体1bとしてアルミニウム、負極集電体2bとして銅を用いることができる。
【0026】
また、正極集電体1bおよび負極集電体2bの形状としては、箔状、網状、エクスパンドメタルなど、任意の形状の集電体を用いることができる。網状、エクスパンドメタルなど、表面積が大きい形状の集電体を用いた場合、集電体上に配置される活物質との接着強度をより向上させることができる。
【0027】
正極活物質層1aの材料としては、電解質イオン(リチウムイオン二次電池の場合はリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出できる材料であれば、特に限定されない。リチウムイオン二次電池の場合、例えば、コバルト、マンガン、ニッケルなどの遷移金属の複合酸化物やカルコゲン化合物を用いることができる。あるいは、上記した化合物の複合化合物や、必要に応じて各種の元素を添加した化合物など、特に限定されることなく用いることができる。
【0028】
負極活物質層2aの材料としては、電位が正極活物質よりも低く、電解質イオンを可逆的に吸蔵および放出できる材料であれば特に限定されない。リチウムイオン二次電池の場合、例えば、黒鉛に代表される炭素質材料などを用いることができる。
【0029】
上記両活物質の形状としては、例えば、粒状の活物質を用いてもよい。この場合、上記活物質の平均粒径は、例えば、0.1μm〜50μmの範囲である。上記の範囲では、活物質層としたときの薄膜化がより容易で、また、上記両活物質の充填密度をより適切な値に制御することができる。なかでも、充放電時における、イオンドープおよび脱イオンドープ効率の観点からは、上記活物質の平均粒径は3μm〜8μmの範囲が好ましい。
【0030】
第1の層3としては、電解質イオン透過度が大きく、電池内部で腐食などを受けず、一定の機械的強度を有した電気絶縁性の薄膜であれば特に限定されない。例えば、二次電池に一般的に用いられている、上記特性を備えた多孔質膜を用いてもよい。上記多孔質膜のなかでは、ポリマーからなる多孔質膜であることが好ましい。また、充放電による活物質の体積膨張および収縮に追随することのできるだけの柔軟性を有することが好ましい。
【0031】
第1の層3に用いる材料としては、例えば、ポリプロピレンおよびポリエチレンから選ばれる少なくとも1種のポリマーを含むオレフィン系ポリマーや、ガラス繊維からなるシート、不織布、または織布などを用いることができる。その他、ポリエチレンオキシドおよびポリプロピレンオキシドなどのポリエーテル類や、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン類、その他、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルフルオライド、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリヘキサメチレンアジパミド、ポリカプロラクタム、ポリウレタン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリイソプレン、および、上記ポリマーの誘導体などを、単独または混合して用いることができる。また、上記ポリマーを構成する各種モノマー同士の共重合ポリマーを用いてもよい。
【0032】
第1の層3の厚さは、図1に示すようにセパレータとしての役割も果たす場合、例えば、10μm〜25μmの範囲である。また、その平均孔径は、電極より脱離した活物質などが透過しない範囲であることが好ましく、例えば、0.1μm〜1.0μmの範囲である。また、セパレータの空孔率は、セパレータを構成する材料の電気絶縁性や電解質イオン透過性、セパレータの膜厚などにより決定されるが、例えば、50vol%〜75vol%の範囲である。
【0033】
また、粒子4には、正極1と負極2との距離を一定に保つフィラーとしての役割を与えることもできる。例えば、図3に示すように、第1の層3の厚さとほぼ同等の平均粒径を有する粒子4を、第1の層3中に配置してもよい。即ち、通常の使用温度領域において、粒子4は正極1と負極2との距離(正極活物質層1aと負極活物質層2aとの距離)を一定に保つフィラーとしての役割を担うことができる。
【0034】
なお、図1および図3に示した例では、第1の層3がセパレータの役割も果たしていたが、セパレータとは別に、上記粒子を含む第1の層を正極活物質層1aと負極活物質層2aとの間に配置してもよい。このとき、セパレータは上記粒子を含んでいてもいなくてもよい。この場合の第1の層として用いる材料は、図1および図3に示すような、第1の層がセパレータとしての役割も担っている場合と同様であればよい。
【0035】
(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明における二次電池の製造方法例について説明する。
【0036】
本発明における二次電池の製造方法は、ポリマーと、前記ポリマーに対する良溶媒と、前記ポリマーに対する貧溶媒と、所定の温度以上で膨張する粒子とを含む溶液を調整する第1の工程と、前記溶液を、正極板および負極板から選ばれる少なくとも一方の極板上に塗布して塗膜を形成する第2の工程と、前記塗膜中の前記良溶媒の除去に遅れて、前記貧溶媒を除去することで、前記粒子を含んだ多孔質膜を前記少なくとも一方の極板上に形成する第3の工程と、前記正極板と前記負極板との間に前記多孔質膜が置かれるように極板群を形成する第4の工程とを含み、前記所定の温度が、80℃以上である。
【0037】
このような製造方法とすることで、正極板と負極板との間に、所定の温度で膨張する粒子を含んだ、ポリマーからなる多孔質膜を配置することができる。ただし、上記所定の温度は、80℃以上の任意の温度である。よって、仮に短絡などにより電池の温度が急激に上昇した場合でも、上記粒子が膨張して正極活物質層と負極活物質層との距離を保持あるいは増大することができ、極板間の短絡および/または電気化学反応を抑制することができる。そのため、電池温度のさらなる上昇を防ぐことができ、より安全性、信頼性に優れた二次電池を得ることができる。また、極板上に直接塗布、乾燥を行うことで多孔質膜を形成しているため、多孔質膜にシワなどの発生が抑制され、電池成形時に捲回した場合にも両極板間の間隔を一定に保つことができ、信頼性のより向上した電池を得ることができる。なお、上記多孔質膜は、電気的に絶縁性で、電解液を含むことで電解質イオン伝導性を有するため、セパレータとしての役割を果たすことができる。この場合、電池温度の急激な上昇に伴う、電池内のセパレータの収縮を抑制することができ、より安全性、信頼性に優れた二次電池を得ることができる。
【0038】
ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシドおよびポリプロピレンオキシドなどのポリエーテル類や、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン類、その他、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルフルオライド、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリヘキサメチレンアジパミド、ポリカプロラクタム、ポリウレタン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリイソプレン、および、上記ポリマーの誘導体などを、単独または混合して用いることができる。また、上記ポリマーを構成する各種モノマー同士の共重合体を用いることもできる。
【0039】
なかでも、ポリエチレンオキシドおよびポリプロピレンオキシドなどのポリエーテル類、ポリビニリデンフルオライド(PVdF)、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンフルオライド、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリイソプレン、および、上記ポリマーの誘導体が好ましい。複数のポリマーの混合物を用いることもできる。また、上記ポリマーを構成する各種モノマー同士の共重合体、例えば、ビニリデンフルオライド/ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(P(VdF/HFP))などを用いることもできる。これらのポリマーは、電池の通常使用温度領域において、より柔軟性に優れており、充放電による活物質の体積変化に対して、追随することがより可能となる。
【0040】
良溶媒としては、使用するポリマーを溶解するものであればよい。用いるポリマーによって異なるが、例えば、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルフォキシド(DMSO)や、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートなどの炭酸エステル類、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルメチルエーテルおよびテトラヒドロフランなどのエーテル類、その他、ジメチルアセトアミド、1−メチル−ピロリジノン、n−メチル−2−ピロリドン(NMP)などを用いることができる。
【0041】
貧溶媒としては、使用する良溶媒と相溶性があるものであればよい。用いるポリマーによって異なるが、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、アルコール、エタノール、シクロヘキサノール、酢酸−n−ブチル、オクタノール、n−デカノール、ウンデカノール、n−ドデカノールなどを用いることができる。なお、良溶媒の沸点と貧溶媒の沸点との大小関係は特に限定されない。
【0042】
粒子としては、上記良溶媒および上記貧溶媒に溶解するなどして粒子としての形状を維持できなくなるものでなければ、実施の形態1で示した粒子を用いることができる。
【0043】
また、膨張前における粒子の平均粒径は、3μm〜20μmの範囲であってもよい。粒子が上記範囲内にある場合、電池の通常使用時における正極活物質層と負極活物質層との距離をより最適にし、より電池特性に優れた二次電池を得ることができる。
【0044】
粒子の平均粒径を、正極と負極との極板間距離に合わせて任意に調整してもよい。この場合、粒子に、極板間の距離を一定に合わせるためのフィラーの役割も与えることができる。
【0045】
ポリマーと、良溶媒と、貧溶媒と、上記粒子とを含む溶液の調製は、一般的な公知の方法、例えば、ディスパー、ボールミルなどを用いればよい。上記溶液を調整する際には、混合する順序は特に限定されない。なお、調製時の温度は50℃以下が好ましい。
【0046】
上記溶液中のポリマーの割合は、上記溶液に対して、例えば、5質量%〜40質量%の範囲であり、10質量%〜40質量%の範囲が好ましい。上記溶液中の良溶媒の割合は、上記溶液に対して、例えば、50質量%〜90質量%の範囲であり、60質量%〜90質量%の範囲が好ましい。上記溶液中の貧溶媒の割合は、上記溶液に対して、例えば、1質量%〜20質量%の範囲であり、5質量%〜18質量%の範囲が好ましい。上記粒子の添加の割合は、例えば、ポリマーの質量に対して、10質量%〜60質量%の範囲であり、10質量%〜25質量%の範囲が好ましい。
【0047】
上記溶液の調製は、低湿度の雰囲気下で行ってもよい。低湿度雰囲気下で溶液が調製されることにより、塗布乾燥後の多孔質膜の強度をより向上させることができる。ここで、低湿度とは、相対湿度にして、およそ10%以下の範囲を意味している。露点温度で管理する場合、例えば、露点温度0℃〜−80℃の範囲で管理することもできる。
【0048】
このような低湿度の雰囲気を実現するためには、例えば、シリカを用いた水分吸着などを行ってもよい。また、低湿度雰囲気下である場合、静電気が発生しやすいが、不活性ガス雰囲気下であれば、各工程の安全性をより高くすることができる。上記不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴンなどを用いることができる。
【0049】
上記溶液の調製に際し、上記ポリマーに脱水したポリマーを用いてもよい。溶液を低湿度雰囲気下で調製する場合と同様に、塗布乾燥後の多孔質膜の強度をより向上させることができる。また、この場合、溶液を低湿度雰囲気下で調製することが好ましい。
【0050】
上記のようにして準備した溶液を極板へ塗布して塗膜を形成する方法は、特に限定されない。例えば、コーターを用いる場合、ダイノズル方式、グラビア方式、コンマ方式、スプレー方式、ドクターブレード方式など一般的に用いられている方法を用いればよい。必要に応じて、複数の塗布方法を用いてもよい。
【0051】
上記塗膜を形成する正極板および負極板としては、実施の形態1で説明した正極および負極を用いればよい。極板上への上記溶液の塗布厚さは、乾燥時に必要な多孔質膜の厚さに応じて任意に調節すればよい。
【0052】
上記塗膜を乾燥させる際には、上記塗膜中の上記良溶媒の除去に遅れて、上記貧溶媒を除去すればよい。上記粒子を含んだ多孔質膜を上記少なくとも一方の極板上に形成することができる。
【0053】
それぞれの溶媒を上記塗膜から除去する方法としては、溶媒置換抽出法により各溶媒を順に除去した後、置換に用いた溶媒を蒸発させて乾燥する方法を用いてもよいが、上記塗膜を溶媒置換せずに乾燥する方法を用いることができる。生産性の面からは、上記塗膜を溶媒置換せずに乾燥する方法が好ましい。溶媒置換せずに乾燥する方法としては、一般的に用いられている方法、例えば、熱風乾燥法、IR(赤外線)乾燥法などを用いればよい。その際の乾燥温度および乾燥時間は、塗膜の厚さ、各溶媒の種類に応じて調整すればよい。
【0054】
極板上に塗布された上記塗膜中において、ポリマーは良溶媒中に溶解した状態にあり、貧溶媒は良溶媒と相溶性があるため上記塗膜内に均等に存在していると考えられる。ただし、上記貧溶媒中にはポリマーは溶解していない。このような塗膜を乾燥させた場合、まず、ポリマーを溶解する良溶媒が蒸発気化していくと考えられる。良溶媒はポリマーを溶解するため、次々に塗膜表面に移動することができ、塗膜表面からの蒸発を続けることができる。それに対し、貧溶媒は、ポリマーを溶解しないために、ポリマー内に閉じ込められた状態となり、なかなか塗膜表面に移動できず蒸発することができないと思われる。しかし、乾燥をさらに続けると、貧溶媒はポリマー内で蒸発するため、貧溶媒の閉じ込められていた部分を孔として、上記ポリマーからなる多孔質層が得られると考えられる。粒子は、良溶媒および貧溶媒と相互作用をしないために、上記多孔質層内に均等に分散した状態にあると考えられる。
【0055】
上記のようにして得た多孔質膜を、正極板と負極板との間(正極活物質層と負極活物質層との間)に配置し、多孔質膜内に電解質を充填すれば、より安全性、信頼性に優れた二次電池を得ることができる。
【0056】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【0057】
(実施例1)
ポリマーとしてポリビニリデンフルオロライド(PVdF)、良溶媒としてn−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用い、NMP900g中にPVdF100gを溶解させた。PVdFが完全に溶解した後、貧溶媒としてオクタノールを、PVdFと等量の100g加え、ディスパーを用いて回転速度1500rpmで120分間攪拌し、均質な状態とした。その後、メラミンからなる粒子(松本油脂工業製)を100g加え、ディスパーを用いて回転速度1500rpmで180分間攪拌し、上記粒子が均等に分散した溶液を調製した。
【0058】
なお、上記粒子はメラミンからなる中空体であり、トルエン(沸点110℃)を内包しており、100℃以上で膨張する特性を有している。また、膨張前(15℃〜35℃)における平均粒径は約10μmである。メラミンは、NMPおよびオクタノール中で安定している材料であり、また、内包しているトルエンに対しても安定である。
【0059】
上記溶液の作製は、相対湿度10%〜7%の雰囲気下で行った。また、不活性ガス(アルゴンガス)雰囲気下であり、雰囲気温度は23℃であった。
【0060】
また、PVdFは、予め真空乾燥(圧力5kPa(40mmHg)、60℃、20時間)にかけることで脱水処理を行ったものを用いた。図4に示すように、一般的な環境である、室温25℃〜30℃、相対湿度50%〜70%の雰囲気下におかれているPVdFの含水率が約125ppmであるのに対し、上記真空乾燥後のPVdFの含水率は約30ppmまで低下していることがわかる。NMPおよびオクタノールについても、真空乾燥は行えないものの、不活性ガス(アルゴンガス、相対湿度10%)雰囲気下に15時間放置することでできるだけ脱水を行ったものを使用した。
【0061】
上記のように調製した溶液を、コンマコーターを用いてポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に塗布し塗膜を形成した。その後、形成した塗膜を60℃で30分間乾燥し、上記粒子を含んだPVdFからなる厚さ20μmの多孔質膜を得た(サンプル1a)。
【0062】
次に、PVdF、NMPおよびオクタノールの脱水処理を予め行わず、溶液の調製を一般的な環境である、温度25℃〜30℃、相対湿度50%〜70%の雰囲気下で行うことで多孔質膜を準備した(サンプル1b)。PVdFなどの脱水および溶液調製の雰囲気以外は、上記サンプル1a作製の際に示した材料、方法と全く同様である。
【0063】
上記のように準備したサンプル1a、サンプル1bの各多孔質膜に対し、引っ張り強度測定と、電子顕微鏡(SEM)による表面観察とを行った。
【0064】
引っ張り強度測定は以下のように行った。サンプル1a、サンプル1bの各多孔質膜を、長さ30mm、幅10mmの短冊状に形状加工し、引っ張り試験装置にセットして、破断前の最大強度を測定した。サンプル数はそれぞれ10とし、その平均値を求めた。結果を図5に示す。また、SEMによる表面観察の結果を図6および図7に示す。
【0065】
その結果、脱水処理を行わなかったサンプル1bの引っ張り強度が1.96N/mm(0.2kgf/mm)であるのに対し、PVdFなどの脱水処理と低湿度雰囲気下での溶液の調製とを行ったサンプル1aでは、引っ張り強度が24.5N/mm(2.5kgf/mm)と、10倍以上向上した。SEMによる表面観察の結果によれば、図6に示すサンプル1bでは、PVdFが凝集しており、凝集状態のPVdFが互いに細い束鎖によって結ばれた形状となっている。これに対し、図7で示すサンプル1aでは、PVdFの凝集は見られず、均一に形成された膜の表面に貧溶媒の蒸発に伴う孔が無数に存在する構造であった。サンプル1a、サンプル1bとも、全く問題なく二次電池に使用することができるが、ポリマーの脱水などと低湿度雰囲気下での溶液の調製とを行うことで、より強度に優れる多孔質膜を得られることがわかる。
【0066】
また、サンプル1a、サンプル1bとも、上記粒子は上記多孔質膜中に均等に分散しており、100℃以上の温度領域で粒子が約3倍膨張することが確認された。
【0067】
なお、ポリマーとしてビニリデンフルオロライド/ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(P(VdF/HFP))などを用いた場合も同様の結果を得ることができた。
【0068】
(実施例2)
本実施例では、実施例1で用いた、溶液調製を低湿度雰囲気下で行ったサンプルを用い、リチウムイオン二次電池を作製した。ただし、上記溶液の塗布は、正極活物質層上に行った。
【0069】
まず、実施例1と同様に、脱水したPVdF、NMP、オクタノール、メラミンからなる粒子を含んだ溶液を調製した。上記粒子は、実施例1で用いたものと同じ粒子である。。
【0070】
正極および負極は以下のようにして準備した。正極集電体としてアルミニウム箔(厚さ15μm)、正極活物質としてコバルト遷移金属の複合酸化物(LiCoO)を用い、上記正極集電体の両面に上記正極活物質を塗布して、正極活物質層(片面の厚さ70μm)を形成し、正極を作製した。また、負極集電体として銅箔(厚さ15μm)、負極活物質として人造黒鉛を用い、上記負極集電体の両面に上記負極活物質を塗布して、負極活物質層(片面の厚さ80μm)を形成し、負極を作製した。なお、正極活物質の平均粒径は3μm、負極活物質の平均粒径は30μmであった。
【0071】
上記のように準備した正極の一方の面に、コンマコーターを用いて上記溶液を塗布し塗膜を形成した。その後、形成した塗膜を60℃で30分間乾燥し、上記粒子を含んだPVdFからなる厚さ20μmの多孔質膜を正極上に得た。なお、上記多孔質膜の平均孔径は1μmであり、上記多孔質膜中に上記粒子は均等に分散していることが確認できた。
【0072】
次に、上記正極上に形成された多孔質膜上に上記負極を積層して、正極、多孔質膜、負極からなる積層体を形成し、上記積層体を捲回してケースに収納した。続いて、ケースに非水系電解質を満たし、直径1.8cm、高さ6.5cmの円筒型リチウム二次電池を作製した(サンプル2a)。
【0073】
また、別に、以下のリチウム二次電池を準備した。
【0074】
正極および負極は、上記実施例サンプルと全く同じ物を準備した。セパレータとして、厚さ20μmのポリエチレン多孔質膜(平均孔径0.1μm)を準備した。上記セパレータを上記正極と上記負極とで狭持して積層体を形成し、上記積層体を捲回してケースに収納し、サンプル2aと同様にケース内に非水系電解質を満たし、直径1.8cm、高さ6.5cmの円筒型リチウム二次電池を作製した(サンプル2b)。
【0075】
上記のようにして準備したサンプル2aおよびサンプル2bの各サンプルに対し、電池温度を高温にした場合の電池特性の変化を測定した。
【0076】
まず、サンプル2aおよびサンプル2bの各サンプルを、各サンプルの端子電圧が4.2Vになるまで充電した。上記充電後、各サンプルを恒温槽に入れ、0℃から毎分5℃づつ150℃まで昇温し、150℃到達後は150℃を保持した。昇温開始後、各サンプルの端子電圧の変化を測定した。その結果を図8に示す。なお、図8に示すグラフの横軸は、昇温開始後の時間であり、150℃到達は約30分の時点であった。
【0077】
図8に示すように、サンプル2bは、温度が上昇するにつれ端子電圧が急激に下がり、また、150℃到達後は端子電圧がさらに急激に低下し、電池としての機能を失っていることがわかる。一方、サンプル2aでは端子電圧の低下傾向は見られるものの、サンプル2bに比べると低下傾向ははるかに小さく、昇温開始125分後においても約3Vの端子電圧を維持していることがわかる。また、ケース表面の温度を同時に測定したところ、さらなる発熱はほとんどみられなかった。これは、サンプル2aは上記した粒子を電池内に含んでおり、高温にさらされた場合に上記粒子が膨張することで、正極と負極との(正極活物質層と負極活物質層との)距離を保持あるいは増大し、電池としての機能を維持しているからであると考えられる。一方、サンプル2bでは、高温にさらされることで、電池としての機能を失っていると考えられる。
【0078】
なお、上述のように、正極上に多孔質膜を形成した場合だけでなく、負極上に多孔質膜を形成した場合、正極上および負極上の双方に多孔質膜を形成した場合にも同様の結果を得ることができた。
【0079】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、短絡、過充電などにより電池の温度が急激に上昇した場合においても、電池温度の上昇をより確実に抑制することができる、より安全性、信頼性に優れた二次電池を提供することができる。また、上記二次電池の製造方法を提供することができる。
【0080】
なお、本明細書では、リチウムイオン二次電池を例として説明したが、他の二次電池、例えば、ニッケル水素電池などにおいても同様の効果を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における二次電池の構造例を示す断面図。
【図2】本発明における二次電池に含まれる粒子の例を示す図。
【図3】本発明における二次電池の構造例を示す断面図。
【図4】実施例において測定した、脱水処理前後におけるPVdFの含水率を示す図。
【図5】実施例において測定した、実施例および比較例の引っ張り強度試験の結果を示す図。
【図6】比較例で得られた多孔質膜の構造を示す図。
【図7】実施例で得られた多孔質膜の構造を示す図。
【図8】実施例において測定した、実施例および従来例の電池特性の結果を示す図。
【符号の説明】
1 正極
1a 正極活物質層
1b 正極集電体
2 負極
2a 負極活物質層
2b 負極集電体
3 第1の層
4 粒子
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a secondary battery and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, there has been a great demand for reduction in size and weight of portable electronic devices. In order to realize this, further improvement in performance and life of the secondary battery is required, and various developments and improvements are being promoted in response to this. Typical characteristics required for a secondary battery include high voltage, high energy density, safety, longevity reliability, low cost, and the like. Among secondary batteries, a lithium ion secondary battery is a secondary battery that has high weight energy density and volume energy density and is highly expected, and its improvement is being actively promoted at present.
[0003]
A lithium ion secondary battery generally includes a positive electrode and a negative electrode, and a separator sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. Although the separator is electrically insulating, it is necessary that the separator has lithium ion conductivity. (It is not necessary that the separator alone have lithium ion conductivity. If the separator is impregnated with an electrolyte, lithium ion conductivity can be obtained. Just fine). As the separator, a film sheet or the like obtained by making a polymer such as polypropylene or polyethylene porous by a biaxial stretching method is mainly used.
[0004]
The separator serving as an ion conductive layer is required to have as low an ion conduction resistance as possible in terms of battery performance. Therefore, it is required to make the thickness of the separator as thin as possible. However, when the thickness of the separator is reduced, the possibility that a short circuit occurs between the positive electrode and the negative electrode during repeated charge / discharge cycles increases. In addition, even when a sharp foreign object is stabbed, the separator may be damaged and a short circuit may occur. In particular, a lithium ion secondary battery has a high energy density, and if a short circuit occurs, a large current may concentrate, and the battery temperature may rise rapidly. In addition, overcharging or overdischarging may cause a rapid rise in battery temperature.
[0005]
Until now, when the temperature of an electrode plate has risen due to a short circuit, overcharge, or the like, a separator has been developed that melts by heat to insulate the positive electrode and the negative electrode and prevent further temperature rise (for example, And Patent Document 1). The separator is made of a porous film of polyolefin, and has ion conductivity in a normal use state by containing an electrolyte. When the battery temperature rises sharply due to a short circuit or the like, the generated heat melts and closes the pores of the separator itself, losing ionic conductivity and stopping the electrochemical reaction.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-62662
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
According to the present invention, a method different from the above-described conventional technique can reliably suppress the temperature rise of the battery even if the temperature of the battery suddenly rises due to a short circuit or the like. An object is to provide an excellent secondary battery.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the secondary battery of the present invention is
A positive electrode having a positive electrode active material layer disposed on a first current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer disposed on a second current collector, and a first layer containing particles;
The first layer is disposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
The particles expand above a predetermined temperature,
The predetermined temperature is 80 ° C. or higher.
[0009]
With the secondary battery as described above, even if the temperature of the battery suddenly rises due to a short circuit or the like, the particles expand and maintain or increase the distance between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. It is possible to suppress a short circuit between the electrode plates and / or an electrochemical reaction. Therefore, a further increase in battery temperature can be prevented, and a secondary battery with higher safety and reliability can be obtained. Note that 80 ° C. is a temperature that reflects the lower limit temperature range in which the battery generally starts generating heat due to an internal short circuit or overcharge due to an abnormality.
[0010]
Further, the method for manufacturing a secondary battery of the present invention includes:
A first step of preparing a solution containing a polymer, a good solvent for the polymer, a poor solvent for the polymer, and particles that expand at a predetermined temperature or higher;
A second step of applying the solution on at least one electrode plate selected from a positive electrode plate and a negative electrode plate to form a coating film;
A third step of forming a porous film containing the particles on the at least one electrode plate by removing the poor solvent after the removal of the good solvent in the coating film;
A fourth step of forming an electrode plate group so that the porous film is placed between the positive electrode plate and the negative electrode plate,
The predetermined temperature is 80 ° C. or higher.
[0011]
By employing the method for manufacturing a secondary battery as described above, a porous film made of a polymer containing particles that expand at a predetermined temperature or higher can be arranged between the positive electrode plate and the negative electrode plate. Therefore, even if the temperature of the battery rises sharply due to a short circuit or the like, the particles expand and the distance between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer can be maintained or increased. And / or an electrochemical reaction can be suppressed. Therefore, a further increase in battery temperature can be prevented, and a secondary battery with higher safety and reliability can be obtained. In addition, since the porous film is obtained by directly applying and drying the electrode on the electrode plate, the occurrence of wrinkles and the like on the porous film is suppressed. Can be kept constant. Further, since the contraction of the porous film when the battery temperature rises can be suppressed, a battery with higher reliability can be obtained.
[0012]
In this specification, a good solvent is a solvent that dissolves the polymer more than the θ solvent of the polymer, and a poor solvent is a solvent that does not dissolve the polymer more than the θ solvent of the polymer. ing.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a part of a secondary battery according to the present invention.
[0014]
In the example shown in FIG. 1, a positive electrode 1 in which a positive electrode active material layer 1a is laminated on a first current collector (positive electrode current collector) 1b and a second current collector (negative electrode current collector) 2b And a negative electrode 2 on which a negative electrode active material layer 2a is laminated. Further, a first layer 3 containing particles 4 is sandwiched between the positive electrode active material layer 1a and the negative electrode active material layer 2a. In the example shown in FIG. 1, the first layer 3 also serves as a separator.
[0015]
Here, the particles may be particles that expand at a predetermined temperature or higher. However, the predetermined temperature is any temperature of 80 ° C. or higher. Since the first layer disposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer contains the particles, the particles expand even if the temperature of the battery suddenly rises due to a short circuit or the like. Thus, the distance between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer can be maintained or increased, and a short circuit between the electrode plates and / or an electrochemical reaction can be suppressed. Further, even when the separator in the battery shrinks due to a rapid rise in battery temperature, the distance between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer can be maintained or increased by expanding the above particles, Short circuits between the plates and / or electrochemical reactions can be suppressed. Therefore, a further increase in battery temperature can be prevented, and a secondary battery with higher safety and reliability can be obtained.
[0016]
Volume V of the particles before expansion 1 And the volume V of the particles after expansion 2 And V 2 ≧ 3 × V 1 May be satisfied. When the particles satisfy the above relationship, the distance between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer can be more reliably maintained or increased by the expansion of the particles. Above all, V 2 ≧ 5 × V 1 It is preferable to satisfy the following relationship.
[0017]
Further, the volume V of the particles in the range of 15 ° C. to 35 ° C. 3 And the volume V in the range of 110 ° C. to 130 ° C. 4 And V 4 ≧ 3 × V 3 May be satisfied. When the particles satisfy the above relationship, the above-described effects can be obtained more reliably. Above all, V 4 ≧ 5 × V 3 It is preferable to satisfy the following relationship. The temperature range of 15 ° C. to 35 ° C. is a temperature range included in the normal operating temperature range of the battery, and the temperature range of 110 ° C. to 130 ° C. is a temperature range included in a state where the inside of the battery is abnormally heated.
[0018]
The average particle size of the particles before expansion may be in the range of 3 μm to 20 μm. When the particles are within the above range, the distance between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer during normal use of the battery can be further optimized, and a secondary battery having more excellent battery characteristics can be obtained. Further, the particles may be contained in the first layer in a range of 5% by volume to 35% by volume.
[0019]
The particles may be hollow. In this case, if necessary, various materials (for example, gas, liquid, solid, gel, etc.) can be included therein, and the expansion characteristics of the particles can be arbitrarily changed.
[0020]
For example, the hollow particles may include at least one material selected from a solid material and a liquid material that evaporates at the predetermined temperature or higher. In this case, when the particles are exposed to a temperature equal to or higher than the predetermined temperature, the encapsulated at least one material is vaporized, so that the particles can expand quickly. Therefore, even when the battery temperature rises sharply, further increase in the battery temperature can be suppressed more reliably.
[0021]
Further, by changing the at least one kind of material to be included, the expansion rate of the particles can be controlled. If necessary, a plurality of materials having different vaporizing temperatures can be included. Further, in addition to the at least one material, any material may be included as necessary. For example, if a flame retardant such as ammonium phosphate or ammonium hydroxide is included inside the particles, it is possible to extinguish the flame even if the battery is ignited and the particles are damaged.
[0022]
When the particles 4 are hollow, the material is not particularly limited as long as the material does not rupture or damage when expanded and can withstand the environment in the battery. For example, melamine, gelatin, a conjugate of melamine and urea, a conjugate of gelatin and urea, a copolymer such as urethane and acrylonitrile, and silica can be used.
[0023]
When the particle 4 is a hollow body, the material contained therein is not particularly limited as long as it does not damage the material constituting the particle 4. The material can be arbitrarily selected according to the properties required for the particles 4. For example, if hydrocarbon-based materials such as benzene and toluene are used, the particles 4 can be expanded at 80 ° C. to 110 ° C. Further, the ratio of the hollow portion in the particle 4 and the ratio of the volume of the hollow portion in the particle 4 containing the above material are not particularly limited. What is necessary is just to set arbitrarily according to the characteristic required as the particle 4.
[0024]
FIG. 2 shows an example of the expanded particles. The example shown in FIG. 2 is a photograph of an electron microscope (SEM) capturing a state in which the particles are expanded under an atmosphere of about 100 ° C. At this time, the particles are hollow bodies made of melamine containing toluene, and are embedded in a porous material made of polyvinylidene fluoride which is assumed to be a separator. The volume of the particles before expansion in the range of 15 ° C. to 35 ° C. is about 523.3 μm 3 (Particle size: about 10 μm), but at this time, it can be seen that it has expanded to about four times (particle size: 45 μm). No breakage or rupture was observed during the expansion of the particles.
[0025]
The material used for the positive electrode current collector 1b and the negative electrode current collector 2b is not particularly limited as long as it is a conductor that is stable in the battery. For example, aluminum can be used as the positive electrode current collector 1b and copper can be used as the negative electrode current collector 2b.
[0026]
In addition, as the shape of the positive electrode current collector 1b and the negative electrode current collector 2b, a current collector having an arbitrary shape such as a foil shape, a net shape, and an expanded metal can be used. When a current collector having a large surface area, such as a net or an expanded metal, is used, the adhesive strength with an active material disposed on the current collector can be further improved.
[0027]
The material of the positive electrode active material layer 1a is not particularly limited as long as it can reversibly occlude and release electrolyte ions (lithium ions in the case of a lithium ion secondary battery). In the case of a lithium ion secondary battery, for example, a composite oxide or a chalcogen compound of a transition metal such as cobalt, manganese, or nickel can be used. Alternatively, a composite compound of the above-described compounds or a compound to which various elements are added as necessary can be used without particular limitation.
[0028]
The material of the negative electrode active material layer 2a is not particularly limited as long as it has a lower potential than the positive electrode active material and can reversibly occlude and release electrolyte ions. In the case of a lithium ion secondary battery, for example, a carbonaceous material represented by graphite or the like can be used.
[0029]
As the shape of the above both active materials, for example, a granular active material may be used. In this case, the average particle size of the active material is in a range of, for example, 0.1 μm to 50 μm. In the above range, the active material layer can be easily formed into a thin film, and the packing density of the two active materials can be controlled to a more appropriate value. Above all, the average particle size of the active material is preferably in the range of 3 μm to 8 μm from the viewpoint of ion doping and deion doping efficiency during charge and discharge.
[0030]
The first layer 3 is not particularly limited as long as it is an electrically insulating thin film having a high electrolyte ion permeability, not subject to corrosion or the like inside the battery, and having a certain mechanical strength. For example, a porous film having the above characteristics, which is generally used for a secondary battery, may be used. Among the above porous films, a porous film made of a polymer is preferable. Further, it is preferable to have flexibility enough to follow volume expansion and contraction of the active material due to charge and discharge.
[0031]
As a material used for the first layer 3, for example, an olefin polymer containing at least one polymer selected from polypropylene and polyethylene, a sheet made of glass fiber, a nonwoven fabric, a woven fabric, or the like can be used. In addition, polyethers such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, and others, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl fluoride, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, poly Methyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyvinyl alcohol, polymethacrylonitrile, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyhexamethylene adipamide, polycaprolactam, polyurethane, polyethylene imine, polybutadiene, polystyrene, polyisoprene, and Derivatives of the above polymers can be used alone or in combination. That. Moreover, you may use the copolymerized polymer of various monomers which comprise the said polymer.
[0032]
The thickness of the first layer 3 is, for example, in the range of 10 μm to 25 μm when also serving as a separator as shown in FIG. The average pore size is preferably in a range where the active material detached from the electrode does not pass through, for example, in a range of 0.1 μm to 1.0 μm. Further, the porosity of the separator is determined by the electrical insulation properties and electrolyte ion permeability of the material constituting the separator, the thickness of the separator, and the like, and is, for example, in the range of 50 vol% to 75 vol%.
[0033]
The particles 4 can also serve as fillers for keeping the distance between the positive electrode 1 and the negative electrode 2 constant. For example, as shown in FIG. 3, particles 4 having an average particle diameter substantially equal to the thickness of the first layer 3 may be arranged in the first layer 3. That is, in a normal use temperature range, the particles 4 can serve as a filler that keeps the distance between the positive electrode 1 and the negative electrode 2 (the distance between the positive electrode active material layer 1a and the negative electrode active material layer 2a) constant.
[0034]
In the examples shown in FIGS. 1 and 3, the first layer 3 also served as a separator. However, separately from the separator, the first layer containing the above particles was used as the positive electrode active material layer 1a and the negative electrode active material. You may arrange | position between the layers 2a. At this time, the separator may or may not contain the particles. In this case, the material used for the first layer may be the same as that shown in FIGS. 1 and 3 when the first layer also serves as a separator.
[0035]
(Embodiment 2)
Embodiment 2 describes an example of a method for manufacturing a secondary battery according to the present invention.
[0036]
The method of manufacturing a secondary battery according to the present invention includes a first step of preparing a solution containing a polymer, a good solvent for the polymer, a poor solvent for the polymer, and particles that expand at a predetermined temperature or higher; A second step of applying a solution to at least one electrode plate selected from a positive electrode plate and a negative electrode plate to form a coating film, and delaying the removal of the good solvent in the coating film to form the poor solvent. By removing, a third step of forming a porous film containing the particles on the at least one electrode plate, so that the porous film is placed between the positive electrode plate and the negative electrode plate A fourth step of forming an electrode plate group, wherein the predetermined temperature is 80 ° C. or higher.
[0037]
By adopting such a manufacturing method, a porous film made of a polymer containing particles that expand at a predetermined temperature can be disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate. However, the predetermined temperature is any temperature of 80 ° C. or higher. Therefore, even if the temperature of the battery rises sharply due to a short circuit or the like, the particles expand and the distance between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer can be maintained or increased. And / or an electrochemical reaction can be suppressed. Therefore, a further increase in battery temperature can be prevented, and a secondary battery with higher safety and reliability can be obtained. In addition, since the porous film is formed by directly applying and drying the electrode plate, the occurrence of wrinkles and the like on the porous film is suppressed. Can be kept constant, and a battery with higher reliability can be obtained. Note that the porous membrane is electrically insulating and has electrolyte ion conductivity by containing an electrolytic solution, and thus can serve as a separator. In this case, it is possible to suppress the contraction of the separator in the battery due to the rapid rise in the battery temperature, and it is possible to obtain a secondary battery having more safety and reliability.
[0038]
Examples of the polymer include polyethers such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, and others, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl fluoride, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, and polyvinyl chloride. Vinylidene chloride, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyvinyl alcohol, polymethacrylonitrile, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyhexamethylene adipamide, polycaprolactam, polyurethane, polyethylene imine, polybutadiene, polystyrene, poly Isoprene and derivatives of the above polymers, alone or mixed It can be used Te. Further, a copolymer of various monomers constituting the above polymer can also be used.
[0039]
Among them, polyethers such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyvinyl Alcohol, polymethacrylonitrile, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polybutadiene, polystyrene, polyisoprene, and derivatives of the above polymers are preferred. Mixtures of multiple polymers can also be used. Further, a copolymer of various monomers constituting the above polymer, for example, vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer (P (VdF / HFP)) can also be used. These polymers are more flexible in a normal operating temperature range of the battery, and can more easily follow a change in volume of the active material due to charge and discharge.
[0040]
Any good solvent may be used as long as it dissolves the polymer to be used. Depending on the polymer used, for example, dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, dimethyl ether, diethyl ether, ethyl Ethers such as methyl ether and tetrahydrofuran, dimethylacetamide, 1-methyl-pyrrolidinone, n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like can be used.
[0041]
Any poor solvent may be used as long as it is compatible with the good solvent used. Depending on the polymer used, for example, acetone, methyl ethyl ketone, alcohol, ethanol, cyclohexanol, n-butyl acetate, octanol, n-decanol, undecanol, n-dodecanol and the like can be used. The magnitude relationship between the boiling point of the good solvent and the boiling point of the poor solvent is not particularly limited.
[0042]
As the particles, the particles described in Embodiment 1 can be used as long as they do not maintain the shape as particles due to dissolution in the good solvent and the poor solvent.
[0043]
Further, the average particle diameter of the particles before expansion may be in a range of 3 μm to 20 μm. When the particles are within the above range, the distance between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer during normal use of the battery can be further optimized, and a secondary battery having more excellent battery characteristics can be obtained.
[0044]
The average particle size of the particles may be arbitrarily adjusted according to the distance between the electrode plates of the positive electrode and the negative electrode. In this case, the particles can also serve as fillers for keeping the distance between the electrode plates constant.
[0045]
A solution containing a polymer, a good solvent, a poor solvent, and the above particles may be prepared by using a generally known method, for example, a disper or a ball mill. In preparing the solution, the order of mixing is not particularly limited. The temperature during preparation is preferably 50 ° C. or lower.
[0046]
The proportion of the polymer in the solution is, for example, in the range of 5% by mass to 40% by mass, and preferably in the range of 10% by mass to 40% by mass, based on the solution. The proportion of the good solvent in the solution is, for example, in the range of 50% by mass to 90% by mass, and preferably in the range of 60% by mass to 90% by mass, based on the solution. The proportion of the poor solvent in the solution is, for example, in the range of 1% by mass to 20% by mass, and preferably in the range of 5% by mass to 18% by mass, based on the solution. The proportion of the particles added is, for example, in the range of 10% by mass to 60% by mass, and preferably in the range of 10% by mass to 25% by mass, based on the mass of the polymer.
[0047]
The preparation of the solution may be performed under a low humidity atmosphere. By preparing the solution in a low humidity atmosphere, the strength of the porous film after coating and drying can be further improved. Here, the low humidity means a range of about 10% or less in relative humidity. When controlling based on the dew point temperature, for example, the dew point temperature can be controlled in the range of 0 ° C. to −80 ° C.
[0048]
In order to realize such a low-humidity atmosphere, for example, moisture adsorption using silica may be performed. Further, in a low humidity atmosphere, static electricity is easily generated, but in an inert gas atmosphere, the safety of each process can be further enhanced. As the inert gas, for example, nitrogen, argon, or the like can be used.
[0049]
In preparing the solution, a dehydrated polymer may be used as the polymer. As in the case where the solution is prepared in a low humidity atmosphere, the strength of the porous film after coating and drying can be further improved. In this case, it is preferable that the solution is prepared under a low humidity atmosphere.
[0050]
The method for applying the solution prepared as described above to an electrode plate to form a coating film is not particularly limited. For example, when using a coater, a generally used method such as a die nozzle method, a gravure method, a comma method, a spray method, a doctor blade method, etc. may be used. If necessary, a plurality of coating methods may be used.
[0051]
As the positive electrode plate and the negative electrode plate on which the coating film is formed, the positive electrode and the negative electrode described in Embodiment 1 may be used. The coating thickness of the solution on the electrode plate may be arbitrarily adjusted according to the thickness of the porous film required at the time of drying.
[0052]
When drying the coating film, the poor solvent may be removed after the removal of the good solvent in the coating film. A porous film containing the particles can be formed on the at least one electrode plate.
[0053]
As a method for removing each solvent from the coating film, a method of sequentially removing each solvent by a solvent replacement extraction method, and then evaporating the solvent used for replacement and drying may be used. A method of drying without solvent replacement can be used. From the viewpoint of productivity, a method of drying the coating film without replacing the solvent is preferable. As a method of drying without solvent replacement, a generally used method such as a hot air drying method or an IR (infrared) drying method may be used. The drying temperature and drying time at that time may be adjusted according to the thickness of the coating film and the type of each solvent.
[0054]
In the coating film applied on the electrode plate, the polymer is in a state of being dissolved in a good solvent, and the poor solvent is considered to be uniformly present in the coating film because it is compatible with the good solvent. . However, the polymer was not dissolved in the poor solvent. When such a coating film is dried, first, it is considered that a good solvent for dissolving the polymer evaporates and evaporates. Since the good solvent dissolves the polymer, it can move to the surface of the coating film one after another, and the evaporation from the surface of the coating film can be continued. On the other hand, since the poor solvent does not dissolve the polymer, the poor solvent is trapped in the polymer, and cannot be easily moved to the surface of the coating film and cannot be evaporated. However, if the drying is further continued, the poor solvent evaporates in the polymer, and thus it is considered that a porous layer made of the polymer is obtained using the portion where the poor solvent is confined as pores. The particles are considered to be in a state of being uniformly dispersed in the porous layer because they do not interact with the good solvent and the poor solvent.
[0055]
If the porous film obtained as described above is arranged between the positive electrode plate and the negative electrode plate (between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer) and the porous film is filled with an electrolyte, A secondary battery with excellent safety and reliability can be obtained.
[0056]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.
[0057]
(Example 1)
Using polyvinylidene fluoride (PVdF) as a polymer and n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a good solvent, 100 g of PVdF was dissolved in 900 g of NMP. After the PVdF was completely dissolved, octanol as a poor solvent was added in an amount of 100 g equivalent to PVdF, and the mixture was stirred for 120 minutes at a rotation speed of 1500 rpm using a disper to obtain a homogeneous state. Thereafter, 100 g of melamine particles (manufactured by Matsumoto Yushi Kogyo Co., Ltd.) were added, and the mixture was stirred with a disper at a rotation speed of 1500 rpm for 180 minutes to prepare a solution in which the above particles were uniformly dispersed.
[0058]
The particles are hollow bodies made of melamine, contain toluene (boiling point 110 ° C.), and have the property of expanding at 100 ° C. or higher. The average particle size before expansion (15 ° C. to 35 ° C.) is about 10 μm. Melamine is a material that is stable in NMP and octanol, and is also stable to encapsulated toluene.
[0059]
The preparation of the above solution was performed in an atmosphere having a relative humidity of 10% to 7%. Further, the atmosphere was an inert gas (argon gas) atmosphere, and the ambient temperature was 23 ° C.
[0060]
The PVdF used had been subjected to a dehydration treatment by previously performing vacuum drying (pressure: 5 kPa (40 mmHg), 60 ° C., 20 hours). As shown in FIG. 4, while the water content of PVdF in a general environment at room temperature of 25 ° C. to 30 ° C. and relative humidity of 50% to 70% is about 125 ppm, It can be seen that the water content of PVdF after vacuum drying has dropped to about 30 ppm. NMP and octanol were also used, which could not be dried in vacuum, but were dehydrated as much as possible by being left for 15 hours in an inert gas (argon gas, relative humidity 10%) atmosphere.
[0061]
The solution prepared as described above was applied to a polyethylene terephthalate (PET) film using a comma coater to form a coating film. Thereafter, the formed coating film was dried at 60 ° C. for 30 minutes to obtain a 20 μm-thick porous film made of PVdF containing the particles (sample 1a).
[0062]
Next, the dehydration treatment of PVdF, NMP and octanol is not performed in advance, and the preparation of the solution is performed in a general environment, that is, an atmosphere of a temperature of 25 ° C. to 30 ° C. and a relative humidity of 50% to 70%. A membrane was prepared (Sample 1b). Except for the atmosphere for dehydrating PVdF and the like and for preparing the solution, the materials and methods shown in the preparation of the sample 1a are completely the same.
[0063]
For each of the porous films of the samples 1a and 1b prepared as described above, a tensile strength measurement and a surface observation by an electron microscope (SEM) were performed.
[0064]
The tensile strength was measured as follows. Each of the porous films of Sample 1a and Sample 1b was shaped into a strip having a length of 30 mm and a width of 10 mm, and was set in a tensile tester to measure the maximum strength before breaking. The number of samples was set to 10, and the average value was determined. FIG. 5 shows the results. 6 and 7 show the results of surface observation by SEM.
[0065]
As a result, the tensile strength of the sample 1b that was not subjected to the dehydration treatment was 1.96 N / mm. 2 (0.2kgf / mm 2 On the other hand, in the sample 1a in which the dehydration treatment such as PVdF and the preparation of the solution under the low humidity atmosphere were performed, the tensile strength was 24.5 N / mm. 2 (2.5kgf / mm 2 ) And improved by 10 times or more. According to the result of the surface observation by SEM, in the sample 1b shown in FIG. 6, the PVdF is aggregated, and the aggregated PVdF has a shape in which the bundles are connected to each other by thin bundles. On the other hand, the sample 1a shown in FIG. 7 did not show aggregation of PVdF, and had a structure in which innumerable pores due to evaporation of the poor solvent were present on the surface of the uniformly formed film. Both sample 1a and sample 1b can be used for a secondary battery without any problem. However, by performing dehydration of a polymer and preparation of a solution under a low humidity atmosphere, a porous membrane having higher strength can be obtained. It is understood that it can be done.
[0066]
In both Sample 1a and Sample 1b, the particles were evenly dispersed in the porous film, and it was confirmed that the particles expanded about three times in a temperature range of 100 ° C. or more.
[0067]
Similar results were obtained when vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer (P (VdF / HFP)) or the like was used as the polymer.
[0068]
(Example 2)
In this example, a lithium ion secondary battery was manufactured using the sample used in Example 1 in which the solution was prepared in a low humidity atmosphere. However, the application of the solution was performed on the positive electrode active material layer.
[0069]
First, as in Example 1, a solution containing particles composed of dehydrated PVdF, NMP, octanol, and melamine was prepared. The particles are the same as those used in Example 1. .
[0070]
The positive electrode and the negative electrode were prepared as follows. Aluminum foil (thickness 15 μm) as a positive electrode current collector, and a composite oxide of cobalt transition metal (LiCoO 2 ), The positive electrode active material was applied to both surfaces of the positive electrode current collector to form a positive electrode active material layer (one-sided thickness: 70 μm), thereby producing a positive electrode. Further, a copper foil (thickness: 15 μm) was used as a negative electrode current collector, and artificial graphite was used as a negative electrode active material. The negative electrode active material was applied to both surfaces of the negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer (one-side thickness) 80 μm) to form a negative electrode. The average particle size of the positive electrode active material was 3 μm, and the average particle size of the negative electrode active material was 30 μm.
[0071]
On one surface of the positive electrode prepared as described above, the above solution was applied using a comma coater to form a coating film. Thereafter, the formed coating film was dried at 60 ° C. for 30 minutes to obtain a 20 μm thick porous film made of PVdF containing the particles on the positive electrode. The average pore diameter of the porous membrane was 1 μm, and it was confirmed that the particles were uniformly dispersed in the porous membrane.
[0072]
Next, the negative electrode was stacked on the porous film formed on the positive electrode to form a laminate including the positive electrode, the porous film, and the negative electrode, and the laminate was wound and housed in a case. Subsequently, a cylindrical lithium secondary battery having a diameter of 1.8 cm and a height of 6.5 cm was prepared by filling the case with a nonaqueous electrolyte (sample 2a).
[0073]
Separately, the following lithium secondary batteries were prepared.
[0074]
For the positive electrode and the negative electrode, exactly the same thing as the above-mentioned example sample was prepared. As a separator, a polyethylene porous membrane (average pore diameter: 0.1 μm) having a thickness of 20 μm was prepared. The separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to form a laminate, and the laminate is wound and stored in a case. The case is filled with a nonaqueous electrolyte in the same manner as in Sample 2a, and has a diameter of 1.8 cm. Then, a cylindrical lithium secondary battery having a height of 6.5 cm was produced (Sample 2b).
[0075]
For each of the samples 2a and 2b prepared as described above, the change in battery characteristics when the battery temperature was increased was measured.
[0076]
First, each of the samples 2a and 2b was charged until the terminal voltage of each sample became 4.2V. After the above charging, each sample was placed in a thermostat, and the temperature was raised from 0 ° C. to 150 ° C. at 5 ° C./min. After the start of the temperature rise, the change in the terminal voltage of each sample was measured. FIG. 8 shows the result. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 8 is the time after the start of the temperature rise, and the temperature reached 150 ° C. at about 30 minutes.
[0077]
As shown in FIG. 8, it can be seen that in Sample 2b, the terminal voltage sharply decreases as the temperature increases, and after reaching 150 ° C., the terminal voltage further sharply decreases, losing the function as a battery. . On the other hand, although the terminal voltage tends to decrease in sample 2a, the decrease tendency is much smaller than in sample 2b, and it can be seen that the terminal voltage of about 3 V is maintained even 125 minutes after the start of the temperature rise. When the temperature of the case surface was measured at the same time, further heat generation was hardly observed. This is because the sample 2a contains the above-mentioned particles in the battery, and the particles expand when exposed to a high temperature, so that the positive electrode and the negative electrode (the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer) This is considered to be because the distance is maintained or increased and the function as a battery is maintained. On the other hand, in sample 2b, it is considered that the function as a battery has been lost due to exposure to a high temperature.
[0078]
In addition, as described above, not only when the porous film is formed on the positive electrode, but also when the porous film is formed on the negative electrode, and when the porous film is formed on both the positive electrode and the negative electrode. Was obtained.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when the battery temperature rises rapidly due to a short circuit, overcharging, or the like, the battery temperature rise can be more reliably suppressed, and more safety and reliability can be achieved. And an excellent secondary battery can be provided. Further, a method for manufacturing the secondary battery can be provided.
[0080]
In this specification, a lithium ion secondary battery has been described as an example, but similar effects can be obtained with other secondary batteries, for example, a nickel-metal hydride battery.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a secondary battery according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of particles contained in a secondary battery according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structural example of a secondary battery according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the water content of PVdF measured before and after dehydration treatment, measured in the examples.
FIG. 5 is a diagram showing the results of tensile strength tests of Examples and Comparative Examples measured in Examples.
FIG. 6 is a diagram showing a structure of a porous film obtained in a comparative example.
FIG. 7 is a diagram showing a structure of a porous film obtained in an example.
FIG. 8 is a graph showing the results of battery characteristics of an example and a conventional example measured in the example.
[Explanation of symbols]
1 positive electrode
1a Positive electrode active material layer
1b Positive electrode current collector
2 Negative electrode
2a Negative electrode active material layer
2b Negative electrode current collector
3 First layer
4 particles

Claims (11)

第1の集電体上に正極活物質層が配置された正極と、第2の集電体上に負極活物質層が配置された負極と、粒子を含んだ第1の層とを備え、
前記第1の層が、前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に配置され、
前記粒子が、所定の温度以上で膨張し、
前記所定の温度が、80℃以上である二次電池。
A positive electrode having a positive electrode active material layer disposed on a first current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer disposed on a second current collector, and a first layer containing particles;
The first layer is disposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
The particles expand above a predetermined temperature,
The secondary battery, wherein the predetermined temperature is 80 ° C. or higher.
膨張前における前記粒子の体積Vと、膨張後における前記粒子の体積Vとが、V≧3×Vの関係を満たす請求項1に記載の二次電池。 2. The secondary battery according to claim 1, wherein a volume V 1 of the particles before expansion and a volume V 2 of the particles after expansion satisfy a relationship of V 2 ≧ 3 × V 1. 3. 膨張前における前記粒子の平均粒径が、3μm以上20μm以下の範囲である請求項1または2に記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1, wherein an average particle size of the particles before expansion is in a range of 3 μm or more and 20 μm or less. 前記粒子が、前記第1の層中に5体積%〜35体積%の範囲で含まれる請求項1〜3のいずれかに記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1, wherein the particles are contained in the first layer in a range of 5% by volume to 35% by volume. 前記粒子が、中空体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1, wherein the particles are hollow bodies. 前記中空体が、前記所定の温度以上で気化する固体材料および液体材料から選ばれる少なくとも1種の材料を内包する請求項5に記載の二次電池。The secondary battery according to claim 5, wherein the hollow body contains at least one material selected from a solid material and a liquid material that evaporates at the predetermined temperature or higher. 前記第1の層が、ポリマーからなる多孔質膜である請求項1〜6のいずれかに記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1, wherein the first layer is a porous film made of a polymer. ポリマーと、前記ポリマーに対する良溶媒と、前記ポリマーに対する貧溶媒と、所定の温度以上で膨張する粒子とを含む溶液を調製する第1の工程と、
前記溶液を、正極板および負極板から選ばれる少なくとも一方の極板上に塗布して塗膜を形成する第2の工程と、
前記塗膜中の前記良溶媒の除去に遅れて、前記貧溶媒を除去することで、前記粒子を含んだ多孔質膜を前記少なくとも一方の極板上に形成する第3の工程と、
前記正極板と前記負極板との間に前記多孔質膜が置かれるように極板群を形成する第4の工程とを含み、
前記所定の温度が、80℃以上である二次電池の製造方法。
A first step of preparing a solution containing a polymer, a good solvent for the polymer, a poor solvent for the polymer, and particles that expand at a predetermined temperature or higher;
A second step of applying the solution on at least one electrode plate selected from a positive electrode plate and a negative electrode plate to form a coating film;
A third step of forming a porous film containing the particles on the at least one electrode plate by removing the poor solvent after the removal of the good solvent in the coating film;
A fourth step of forming an electrode plate group so that the porous film is placed between the positive electrode plate and the negative electrode plate,
A method for manufacturing a secondary battery, wherein the predetermined temperature is 80 ° C. or higher.
前記第1の工程が、相対湿度10%以下の雰囲気下で行われる請求項8に記載の二次電池の製造方法。9. The method according to claim 8, wherein the first step is performed in an atmosphere having a relative humidity of 10% or less. 10. 前記ポリマーが、脱水されたポリマーである請求項8に記載の二次電池の製造方法。The method according to claim 8, wherein the polymer is a dehydrated polymer. 前記溶液中の前記ポリマーの割合が、10質量%〜40質量%の範囲である請求項8に記載の二次電池の製造方法。The method for manufacturing a secondary battery according to claim 8, wherein a ratio of the polymer in the solution is in a range of 10% by mass to 40% by mass.
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