JP2007258160A - Lithium ion secondary battery and battery pack using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。特に本発明は、リチウムイオン二次電池の耐久性を向上させるための改良に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery. In particular, the present invention relates to an improvement for improving the durability of a lithium ion secondary battery.
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of the amount of carbon dioxide has been strongly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV), and the development of secondary batteries for motor drive that holds the key to commercialization of these is thriving. Has been done.
モータ駆動用二次電池としては、全ての電池の中で最も高い理論エネルギを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続されてなる電池要素(いわゆる「単電池」)を有する。また、外部へ電力を取り出す目的で、電池要素には電極端子(正極端子および負極端子)が電気的に接続され、当該電池要素はさらに、アルミニウム等の軽量金属からなる箔の両面に樹脂シートが積層されてなる金属−樹脂ラミネートシート中に、電極端子が外部に導出するように収容されるのが一般的である(例えば、特許文献1を参照)。 As a secondary battery for driving a motor, a lithium ion secondary battery having the highest theoretical energy among all the batteries is attracting attention, and is currently being developed rapidly. Generally, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder. Have battery elements (so-called “single cells”) connected via an electrolyte layer. In addition, for the purpose of extracting electric power to the outside, electrode terminals (a positive terminal and a negative terminal) are electrically connected to the battery element, and the battery element is further provided with resin sheets on both sides of a foil made of a light metal such as aluminum. In general, the electrode terminals are accommodated in a laminated metal-resin laminate sheet so as to lead out (see, for example, Patent Document 1).
ここで、リチウムイオン二次電池の電解質層は、一般的に、セパレータに電解質(液体電解質やゲル電解質)が保持されてなる構成を有する。この際電解質層の形成に用いられるセパレータには種々の特性が要求される。例えば、リチウムイオン二次電池はエネルギ密度が高く、充放電に伴う電池温度の上昇が比較的大きい。従って、セパレータの耐熱性が低いと、電池の温度上昇に伴ってセパレータが溶融し、単電池における正負極間が短絡(ショート)してしまう虞がある。そこで、セパレータに要求される特性の1つとしては、優れた耐熱性が挙げられる。 Here, the electrolyte layer of the lithium ion secondary battery generally has a configuration in which an electrolyte (liquid electrolyte or gel electrolyte) is held in a separator. At this time, the separator used for forming the electrolyte layer is required to have various characteristics. For example, a lithium ion secondary battery has a high energy density, and the battery temperature rise accompanying charging / discharging is relatively large. Therefore, when the heat resistance of the separator is low, the separator melts as the temperature of the battery rises, and there is a possibility that the positive and negative electrodes of the unit cell are short-circuited. Thus, one of the characteristics required for the separator is excellent heat resistance.
耐熱性に優れたセパレータを得ることを目的として、従来、セパレータに耐熱性含窒素芳香族重合体およびセラミック粉末を含ませる技術が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。具体的には、当該文献には、ポリオレフィンやポリエステルなどからなる基材の両面に、アルミナなどのセラミック粉末を含む芳香族ポリアラミドや芳香族ポリイミドなどの樹脂からなる層を形成して、非水電解質電池用セパレータを製造する手法が開示されている。
前記特許文献2に記載のセパレータをリチウムイオン二次電池に採用すると、確かにセパレータの耐熱性は向上しうる。しかしながら、基材の両面にさらにセラミック含有樹脂層が形成されることから、セパレータの厚さが増大し、その結果、リチウムイオン二次電池の体積エネルギ密度が低下してしまうという問題がある。 If the separator described in Patent Document 2 is employed in a lithium ion secondary battery, the heat resistance of the separator can be improved. However, since the ceramic-containing resin layer is further formed on both surfaces of the base material, the thickness of the separator increases, and as a result, there is a problem that the volume energy density of the lithium ion secondary battery decreases.
そこで本発明は、リチウムイオン二次電池において、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなく、セパレータの耐熱性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide means capable of improving the heat resistance of a separator in a lithium ion secondary battery without causing a decrease in the volume energy density of the battery.
本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、リチウムイオン二次電池のセパレータを、比較的粒子径の小さい絶縁性粒子を用いて構成することによって、十分な体積エネルギ密度を確保しつつ、セパレータの耐熱性を向上させうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, it was found that the separator of the lithium ion secondary battery can be made of insulating particles having a relatively small particle diameter, thereby improving the heat resistance of the separator while ensuring a sufficient volume energy density. The present invention has been completed.
すなわち、本発明は、正極活物質を含む正極活物質層が集電体の表面に形成されてなる正極と、電解質を含む電解質層と、負極活物質を含む負極活物質層が集電体の表面に形成されてなる負極と、がこの順に積層されてなる少なくとも1つの単電池層を有する電池であって、前記電解質層が、10nm〜30μmの粒子径を有する絶縁性粒子からなるセパレータをさらに含むことを特徴とする、リチウムイオン二次電池である。 That is, the present invention provides a positive electrode in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is formed on the surface of a current collector, an electrolyte layer containing an electrolyte, and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material. A battery having at least one single cell layer formed by laminating a negative electrode formed on the surface in this order, wherein the electrolyte layer further includes a separator made of insulating particles having a particle diameter of 10 nm to 30 μm. It is a lithium ion secondary battery characterized by including.
また本発明は、集電体の表面に正極活物質を含む正極活物質スラリーを塗布し乾燥させることにより、集電体の表面に正極活物質層が形成されてなる正極を作製する工程と、集電体の表面に負極活物質を含む負極活物質スラリーを塗布し乾燥させることにより、集電体の表面に負極活物質層が形成されてなる負極を作製する工程と、前記正極活物質層または前記負極活物質層の少なくとも一方の表面に、絶縁性粒子を含む絶縁性粒子スラリーを塗布することにより塗膜を形成する工程と、前記正極活物質層と前記負極活物質層とが向き合うように、前記正極と前記負極とを積層する工程と、を有する、リチウムイオン二次電池の製造方法である。 The present invention also includes a step of producing a positive electrode in which a positive electrode active material layer is formed on the surface of a current collector by applying a positive electrode active material slurry containing a positive electrode active material to the surface of the current collector and drying the slurry. A step of producing a negative electrode in which a negative electrode active material layer is formed on the surface of a current collector by applying and drying a negative electrode active material slurry containing a negative electrode active material on the surface of the current collector; and the positive electrode active material layer Alternatively, a step of forming a coating film by applying an insulating particle slurry containing insulating particles to at least one surface of the negative electrode active material layer, and the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other. And a step of laminating the positive electrode and the negative electrode.
本発明によれば、リチウムイオン二次電池において、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなく、セパレータの耐熱性を向上させうる。 According to the present invention, in a lithium ion secondary battery, the heat resistance of the separator can be improved without causing a decrease in the volume energy density of the battery.
以下、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
(第1実施形態)
本実施形態は、正極活物質を含む正極活物質層が集電体の表面に形成されてなる正極と、電解質を含む電解質層と、負極活物質を含む負極活物質層が集電体の表面に形成されてなる負極と、がこの順に積層されてなる少なくとも1つの単電池層を有する電池であって、前記電解質層が、10nm〜30μmの粒子径を有する絶縁性粒子からなるセパレータをさらに含むことを特徴とする、リチウムイオン二次電池に関する。
(First embodiment)
In the present embodiment, the positive electrode active material layer including the positive electrode active material is formed on the surface of the current collector, the electrolyte layer including the electrolyte, and the negative electrode active material layer including the negative electrode active material is the surface of the current collector. And a negative electrode formed on the battery and having at least one single battery layer laminated in this order, wherein the electrolyte layer further includes a separator made of insulating particles having a particle diameter of 10 nm to 30 μm. The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
図1は、第1実施形態のリチウムイオン二次電池の概要を示す断面図である。なお、本発明の技術的範囲は図示する形態のみには制限されない。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing an outline of the lithium ion secondary battery of the first embodiment. The technical scope of the present invention is not limited to the illustrated embodiment.
図1に示す本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の電池要素21が、外装であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。
The lithium ion
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池10の電池要素21は、複数の単電池層19を含む。単電池層19は、電解質層17と、電解質層17の一方の面に形成された正極活物質層13と、電解質層17の他方の面に形成された負極活物質層15と、から構成される。そして、各正極活物質層13間(最外層正極集電体の外側をも含む)には正極集電体33が配置され、各負極活物質層15間には負極集電体35が配置される。すなわち、電池要素21は、複数の単電池層19および複数の各集電体(正極集電体33および負極集電体35)から構成される。
As shown in FIG. 1, the
さらに、正極集電体33および負極集電体35は、それぞれ正極タブ25および負極タブ27に電気的に接続される。そして電池要素21は、これらの正極タブ25および負極タブ27が外部に導出するように、外装であるラミネートシート29により封止されている。
Further, the positive electrode
なお、図1に示すリチウムイオン二次電池10においては、負極活物質層15が正極活物質層13よりも一回り小さいが、かような形態のみには制限されない。正極活物質層13と同じかまたは一回り大きい負極活物質層15もまた、用いられうる。
In the lithium ion
以下、本実施形態のリチウムイオン二次電池10を構成する部材について簡単に説明するが、下記の形態のみに制限されることはなく、従来公知の形態が同様に採用されうる。
Hereinafter, although the member which comprises the lithium ion
[集電体]
集電体(33、35)は、アルミニウム箔、銅箔、ステンレス(SUS)箔など、導電性の材料から構成される。集電体の一般的な厚さは、1〜30μmである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。
[Current collector]
The current collectors (33, 35) are made of a conductive material such as an aluminum foil, a copper foil, or a stainless steel (SUS) foil. The general thickness of the current collector is 1 to 30 μm. However, a current collector having a thickness outside this range may be used.
集電体の大きさは、リチウムイオン二次電池10の使用用途に応じて決定される。大型の電池に用いられる大型の電極を作製するのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。小型の電極を作製するのであれば、面積の小さな集電体が用いられる。
The size of the current collector is determined according to the intended use of the lithium ion
[活物質層]
活物質層は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
[Active material layer]
The active material layer contains an active material, and further contains other additives as necessary.
正極活物質層13は、正極活物質を含む。正極活物質としては、例えば、LiMn2O4やLiNiO2等のリチウム−遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
The positive electrode
負極活物質層15は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えば、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、上述したようなリチウム−遷移金属化合物、金属材料、リチウム−金属合金材料などが挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
The negative electrode
各活物質層(13、15)に含まれるそれぞれの活物質の平均粒子径は特に制限されないが、好ましくは0.01〜100μmであり、より好ましくは1〜50μmである。ただし、この範囲を外れる形態が採用されても、勿論よい。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、図2に示すように、粒子1の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味するものとし、「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。
Although the average particle diameter of each active material contained in each active material layer (13, 15) is not particularly limited, it is preferably 0.01 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm. However, it goes without saying that a form outside this range may be adopted. In the present specification, “particle diameter” means the maximum distance L among the distances between any two points on the outline of the
正極活物質層13および負極活物質層15に含まれうる添加剤としては、例えば、バインダ、導電助剤、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等が挙げられる。
Examples of the additive that can be included in the positive electrode
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、合成ゴム系バインダ等が挙げられる。 Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and a synthetic rubber binder.
導電助剤とは、正極活物質層13または負極活物質層15の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層(13、15)が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
The conductive assistant refers to an additive that is blended in order to improve the conductivity of the positive electrode
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N)、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。 Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N), LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。ここで、前記イオン伝導性ポリマーは、リチウムイオン二次電池10の電解質層17において電解質として用いられるイオン伝導性ポリマーと同じであってもよく、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers. Here, the ion conductive polymer may be the same as or different from the ion conductive polymer used as the electrolyte in the
正極活物質層13および負極活物質層15中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水電解質二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。
The compounding ratio of the components contained in the positive electrode
各活物質層(13、15)の厚さについても特に制限はなく、リチウムイオン二次電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層(13、15)の厚さは、2〜100μm程度である。 The thickness of each active material layer (13, 15) is not particularly limited, and conventionally known knowledge about lithium ion secondary batteries can be appropriately referred to. As an example, the thickness of each active material layer (13, 15) is about 2 to 100 μm.
[電解質層]
電解質層17は、電解質を含む層である。電解質層17に含まれる電解質(具体的には、リチウム塩)は、充放電時に正負極間を移動するリチウムイオンのキャリアーとしての機能を有する。
[Electrolyte layer]
The
そして、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、電解質層17が、所定の粒子径を有する絶縁性粒子からなるセパレータを含む点に特徴を有する。かような形態によれば、従来の電解質層のようにある一定の厚さを有する基材をセパレータに用いる必要がなく、電極構造のより一層の薄膜化が可能となる。その結果、リチウムイオン二次電池の体積エネルギ密度の向上が図られる。また、絶縁性粒子をセパレータとして採用することで、耐熱性もまた、従来のセパレータを用いた場合と比較して向上しうる。
The lithium ion secondary battery of this embodiment is characterized in that the
以下、本実施形態の特徴的な構成であるセパレータについて、より詳細に説明する。 Hereinafter, the separator which is a characteristic configuration of the present embodiment will be described in more detail.
本実施形態のセパレータは、絶縁性粒子を含む。「絶縁性粒子」とは、電気絶縁性を示す粒子を意味する。絶縁性粒子を構成する材料は、電気絶縁性を示す材料であれば特に制限されず、従来公知の材料が適宜用いられうる。具体的には、セラミック材料または有機高分子材料が絶縁性粒子を構成する材料として用いられることが好ましい。これらの材料を用いて絶縁性粒子を構成することで、セパレータに必要とされる正負極間の短絡防止機能が十分に発揮されうる。セラミック材料としては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、チタニア、シリカアルミナ、酸化クロム、酸化ルテニウムなどの酸化物や、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの窒化物が挙げられる。一方、有機高分子材料としては、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル等の(メタ)アクリル酸エステルなどのアクリル系材料、フッ化イミドなどのポリイミド系材料、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリスルフォン、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。これらの材料は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。上記に具体的に列挙した材料は、いずれも比較的高い融点を有することから、これらの材料を用いてセパレータを構成することによって、セパレータの耐熱性が向上し、電池の信頼性が向上しうる。なお、上述した材料以外の材料が、セパレータに含まれる絶縁性粒子を構成するために用いられてもよいことは勿論である。 The separator of this embodiment contains insulating particles. “Insulating particle” means a particle exhibiting electrical insulation. The material constituting the insulating particles is not particularly limited as long as the material exhibits electrical insulation, and conventionally known materials can be appropriately used. Specifically, a ceramic material or an organic polymer material is preferably used as a material constituting the insulating particles. By constituting the insulating particles using these materials, the function of preventing the short circuit between the positive and negative electrodes required for the separator can be sufficiently exhibited. Examples of the ceramic material include oxides such as silica, alumina, zirconia, magnesia, titania, silica alumina, chromium oxide, and ruthenium oxide, and nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride. On the other hand, organic polymer materials include acrylic materials such as (meth) acrylates such as polymethyl acrylate and polymethyl methacrylate, polyimide materials such as fluorinated imides, polystyrene, polypropylene, polysulfone, and phenolic resins. And unsaturated polyester resins. Only 1 type of these materials may be used independently, and 2 or more types may be used together. All of the materials specifically listed above have a relatively high melting point, and by using these materials to form a separator, the heat resistance of the separator can be improved and the reliability of the battery can be improved. . Needless to say, materials other than those described above may be used to form the insulating particles contained in the separator.
セパレータを構成する絶縁性粒子は、全てがセラミック材料からなる粒子(セラミック粒子)であってもよいし、全てが有機高分子材料からなる粒子(有機高分子粒子)であってもよいし、これらの粒子の混合物であってもよい。混合物の形態が採用される場合、セラミック粒子と有機高分子粒子との混合比は特に制限されないが、セラミック粒子:有機高分子粒子の比(体積比)で、好ましくは10〜20:1〜10であり、より好ましくは10〜15:3〜10である。ただし、これらの範囲を外れる形態が採用されても、勿論よい。 The insulating particles constituting the separator may be particles made of ceramic materials (ceramic particles), or particles made of organic polymer materials (organic polymer particles). Or a mixture of particles. When the form of the mixture is adopted, the mixing ratio of the ceramic particles and the organic polymer particles is not particularly limited, but is preferably a ratio of ceramic particles: organic polymer particles (volume ratio), preferably 10-20: 1-10. More preferably, it is 10-15: 3-10. However, it is needless to say that a form outside these ranges may be adopted.
絶縁性粒子は、耐熱性の異なる2種以上の材料から構成されることが好ましい。ここで、絶縁性粒子を構成する材料の「耐熱性が異なる」とは、前記材料の融点または軟化点が異なることを意味する。絶縁性粒子の構成材料として上述した材料を例に挙げると、セラミック材料は一般的に、有機高分子材料と比較して耐熱性が高い。なお、本願において「耐熱性が高い」「耐熱性が低い」とは、あくまでも相対的な概念に過ぎず、絶縁性粒子を構成する材料の融点や軟化点の具体的な値によって制限されることはない。ただし、一例を挙げると、耐熱性が高い材料は一般に500℃以上程度の融点または軟化点を有し、耐熱性が低い材料は一般に100〜200℃程度の融点または軟化点を有する。 The insulating particles are preferably composed of two or more materials having different heat resistance. Here, “differing in heat resistance” of the materials constituting the insulating particles means that the melting points or softening points of the materials are different. Taking the above-described material as an example of the constituent material of the insulating particles, the ceramic material generally has higher heat resistance than the organic polymer material. In this application, “high heat resistance” and “low heat resistance” are merely relative concepts, and are limited by specific values of the melting point and softening point of the material constituting the insulating particles. There is no. However, as an example, a material having high heat resistance generally has a melting point or softening point of about 500 ° C. or higher, and a material having low heat resistance generally has a melting point or softening point of about 100 to 200 ° C.
絶縁性粒子が耐熱性の異なる2種以上の材料から構成される場合の具体的な形態としては、例えば、上述したように、絶縁性粒子が、それぞれ耐熱性の異なる材料から構成される2種以上の粒子の混合物である形態が挙げられる。 Specific examples of the case where the insulating particles are composed of two or more materials having different heat resistance include, for example, two types of the insulating particles composed of materials having different heat resistance, as described above. The form which is a mixture of the above particle | grains is mentioned.
また、他の形態としては、絶縁性粒子が、図3に示すように、比較的耐熱性の高い材料(例えば、セラミック粒子)から構成されるコア部110と、比較的耐熱性の低い材料(例えば、有機高分子材料)から構成されるシェル部120と、からなるコア−シェル構造を有する形態が挙げられる。かような形態によれば、比較的耐熱性の高い材料によって絶縁性粒子の耐熱性が確保され、ひいては電池全体の耐熱性の向上に寄与しうる。一方、比較的耐熱性の低い材料は、一般に比較的耐熱性の高い材料と比較して密度(比重)が小さい場合が多く、このため絶縁性粒子の軽量化が図られる。その結果、電池の耐熱性を確保しつつ、電池の重量エネルギ密度の低下を有効に抑制することが可能となる。
As another form, as shown in FIG. 3, the insulating particles include a
図3に示す形態において、コア部110およびシェル部120のサイズは特に制限されないが、一例を挙げると、コア部110とシェル部120との体積比(コア部/シェル部)は1/1〜1/200000程度であり、好ましくは1/2〜1/100である。また、コア部110の径(最大径)は、0.1〜20μm程度であり、好ましくは1〜10μmである。さらに、シェル部120の厚さは0.1〜20μm程度であり、好ましくは0.5〜10μmである。
In the form shown in FIG. 3, the sizes of the
絶縁性粒子が上述したコア−シェル構造を有する場合、前記シェル部120は、図4に示すように、異なる材料から構成される2層以上の層構造(図4に示す内層シェル部120aおよび外層シェル部120b)を有してもよい。この際、シェル部120の最表層(図4に示す外層シェル部120b)を構成する材料が、シェル部120の他の層(例えば、図4に示す内層シェル部120a)を構成する材料よりも耐熱性が低いことが好ましい。かような形態によれば、絶縁性粒子による耐熱性の向上効果が長期間に亘って維持され、電池の耐久性に有効に寄与しうる。
When the insulating particles have the core-shell structure described above, the
かような形態においても、上記と同様に、コア部110、各シェル部(120a、120b)のサイズは特に制限されないが、図4に示すようにシェル部120が2層からなる形態において、内層シェル部120aの厚さは0.1〜20μm程度であり、好ましくは0.2〜10μmである。また、外層シェル部120bの厚さは0.1〜20μm程度であり、好ましくは0.2〜10μmである。
Even in such a form, the size of the
さらに他の形態として、絶縁性粒子は、図5に示すように、比較的耐熱性の低い材料から構成されるマトリックス130中に、比較的耐熱性の高い材料から構成される微粒子140が分散した構造を有してもよい。
As yet another form, as shown in FIG. 5, in the insulating particles,
図5に示す形態において、マトリックス130と微粒子140との含有量の比率は特に制限されないが、一例を挙げると、マトリックス130と微粒子140との質量比(マトリックス/微粒子)は1/1〜1/100程度であり、好ましくは1/1〜1/10である。なお、微粒子140の平均粒子径についても特に制限はないが、通常は0.1〜20μm程度であり、好ましくは0.5〜10μmである。
In the form shown in FIG. 5, the ratio of the content of the
本発明の第1実施形態において、絶縁性粒子の平均粒子径は、10nm〜30μmであることが必須であり、好ましくは50nm〜25μmであり、より好ましくは100nm〜20μmであり、さらに好ましくは1000nm〜10μmである。平均粒子径の下限値を10nmとしたのは、絶縁性粒子として用いられうる材料の一次粒子の粒子径の下限値が10nm程度であるためである。一方、平均粒子径の上限値を30μmとしたのは、絶縁性粒子の平均粒子径が30μmを超えると、絶縁性粒子からなるセパレータを含む電解質層の厚さも当然に30μmを超えてしまい、電池の体積エネルギ密度が低下する虞があるためである。また、仮に電池の使用時などにおける振動によってセパレータを構成する絶縁性粒子が脱落したとしても、このように比較的小さいサイズの絶縁性粒子を用いることにより、正負極間の短絡(ショート)の発生が十分に抑制されうる。 In the first embodiment of the present invention, it is essential that the average particle diameter of the insulating particles is 10 nm to 30 μm, preferably 50 nm to 25 μm, more preferably 100 nm to 20 μm, and still more preferably 1000 nm. 10 μm. The reason why the lower limit of the average particle diameter is 10 nm is that the lower limit of the particle diameter of the primary particles of the material that can be used as insulating particles is about 10 nm. On the other hand, the upper limit of the average particle diameter is set to 30 μm because when the average particle diameter of the insulating particles exceeds 30 μm, the thickness of the electrolyte layer including the separator made of insulating particles naturally exceeds 30 μm. This is because there is a possibility that the volume energy density of the material may decrease. In addition, even if the insulating particles constituting the separator fall off due to vibration during use of the battery, a short circuit between the positive and negative electrodes is generated by using such relatively small size insulating particles. Can be sufficiently suppressed.
なお、本実施形態において、電解質層全体の厚さも特に制限されることはないが、好ましくは100nm〜30μm程度である。電解質層全体の厚さがかような範囲内の値であると、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなく、正負極間での短絡の発生を十分に抑制することが可能となる。 In the present embodiment, the thickness of the entire electrolyte layer is not particularly limited, but is preferably about 100 nm to 30 μm. When the thickness of the entire electrolyte layer is within such a range, it is possible to sufficiently suppress the occurrence of a short circuit between the positive and negative electrodes without causing a decrease in the volume energy density of the battery.
本実施形態において、電解質層は、絶縁性粒子からなるセパレータに加えて、バインダをさらに含むことが好ましい。かような形態によれば、セパレータを構成する絶縁性粒子どうしが結着され、かつ、電解質層のセパレータと、隣接する活物質層との間の密着性もまた、向上しうる。その結果、リチウムイオン二次電池の耐振動性などの信頼性が向上しうる。なお、電解質層に含まれるバインダの具体的な形態は特に制限されないが、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ酢酸ビニル、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリスルフォン、ポリカーボネート、ポリテトラフフルオロエチレンなどの熱可塑性樹脂;ユリア樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ケイ素樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂;ブチルゴム、スチレン系ゴム、ポリイソプレンゴム、オレフィン系ゴム、ウレタン系ゴム、ポリアミド系ゴム、アクリルゴム、フッ素ゴムなどのゴム系材料などが好ましく用いられうる。ただし、これら以外の材料がバインダとして用いられても、勿論よい。また、これらの材料は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 In this embodiment, the electrolyte layer preferably further includes a binder in addition to the separator made of insulating particles. According to such a form, the insulating particles constituting the separator are bound to each other, and the adhesion between the separator of the electrolyte layer and the adjacent active material layer can also be improved. As a result, reliability such as vibration resistance of the lithium ion secondary battery can be improved. In addition, the specific form of the binder contained in the electrolyte layer is not particularly limited, but polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl acetate, polyimide, acrylic resin, polyethylene, polystyrene, polypropylene, polysulfone, polycarbonate, polytetrafluoro Thermoplastic resins such as ethylene; urea resins, epoxy resins, polyurethane resins, silicon resins, phenol resins, unsaturated polyester resins, and other thermosetting resins; butyl rubber, styrene rubber, polyisoprene rubber, olefin rubber, urethane rubber Further, rubber-based materials such as polyamide-based rubber, acrylic rubber, and fluorine rubber can be preferably used. Of course, other materials may be used as the binder. Moreover, only 1 type of these materials may be used independently, and 2 or more types may be used together.
電解質層17が絶縁性粒子からなるセパレータに加えてバインダを含む場合、電解質層におけるバインダの含有量は特に制限されないが、絶縁性粒子の全量を100質量部とした場合に、好ましくは1〜80質量部であり、より好ましくは3〜50質量部である。バインダの添加量がかような範囲内の値であると、結着性や密着性および体積エネルギ密度のバランスに優れる電池が提供されうる。
When the
本実施形態においては、電解質層の空隙率も所定の範囲内の値であることが好ましい。具体的には、電解質層の空隙率は、好ましくは20〜90%であり、より好ましくは30〜80%であり、さらに好ましくは40〜60%である。電解質層の空隙率がかような範囲内の値であると、充放電時においてリチウムイオンが電解質内を移動しやすく、リチウムイオンが電極へ速やかに供給されるという利点がある。なお、「電解質層の空隙率」とは、電解質層の全体積から、セパレータとしての絶縁性粒子の体積、およびバインダが含まれる場合には当該バインダの体積を差し引いた残りの体積の、電解質層の全体積に対する割合を百分率で表した値を意味する。従って、本実施形態のリチウムイオン二次電池において、例えば電解質として真性ポリマー電解質が用いられた場合には、当該真性ポリマー電解質の占める体積は空隙に該当することとなる。 In the present embodiment, the porosity of the electrolyte layer is also preferably a value within a predetermined range. Specifically, the porosity of the electrolyte layer is preferably 20 to 90%, more preferably 30 to 80%, and further preferably 40 to 60%. When the porosity of the electrolyte layer is in such a range, there is an advantage that lithium ions easily move in the electrolyte during charging and discharging, and lithium ions are quickly supplied to the electrodes. The “porosity of the electrolyte layer” means the volume of the insulating layer as the separator, and, if a binder is included, the remaining volume obtained by subtracting the volume of the binder from the total volume of the electrolyte layer. It means a value expressed as a percentage of the total volume of. Therefore, in the lithium ion secondary battery of this embodiment, for example, when an intrinsic polymer electrolyte is used as the electrolyte, the volume occupied by the intrinsic polymer electrolyte corresponds to a void.
電解質層17を構成する電解質としては、一般に、液体電解質またはポリマー電解質が挙げられる。本発明においては、好ましくはポリマー電解質が用いられる。ポリマー電解質を用いることにより、電解質などの液漏れが防止され、リチウムイオン二次電池10の安全性が向上しうる。
In general, the electrolyte constituting the
ポリマー電解質は、イオン伝導性ポリマーから構成され、イオン伝導性を示すのであれば材料は限定されない。優れた機械的強度を発現させることが可能である点で、重合性のイオン伝導性ポリマーが、熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合などにより架橋されてなるものが好適に用いられる。かかる架橋ポリマーを用いることで電池の信頼性が向上し、かつ簡易な構成で出力特性に優れたリチウムイオン二次電池10が作製される。
The polymer electrolyte is composed of an ion conductive polymer, and the material is not limited as long as it exhibits ion conductivity. In view of the fact that excellent mechanical strength can be expressed, a polymerized ion conductive polymer that is crosslinked by thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, or the like is preferably used. By using such a crosslinked polymer, the reliability of the battery is improved, and the lithium ion
ポリマー電解質としては、真性ポリマー電解質、およびゲルポリマー電解質が挙げられる。 Examples of the polymer electrolyte include an intrinsic polymer electrolyte and a gel polymer electrolyte.
真性ポリマー電解質としては、特に限定されないが、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系高分子には、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。また、これらの高分子は、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。 The intrinsic polymer electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved. In addition, these polymers can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure.
また、ゲルポリマー電解質とは、一般的に、イオン伝導性を有する全固体高分子電解質に、電解液を保持させたものをいう。なお、本願では、リチウムイオン伝導性を有しない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも、ゲルポリマー電解質に含まれるものとする。用いられる電解液(電解質塩および可塑剤)の種類は特に制限されない。電解質塩としては、例えば、LiBETI、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2等のリチウム塩が例示される。また、可塑剤としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどのカーボネート類などが例示される。 The gel polymer electrolyte generally refers to an electrolyte solution held in an all-solid polymer electrolyte having ion conductivity. In the present application, a gel polymer electrolyte also includes a polymer skeleton having no lithium ion conductivity and a similar electrolyte solution held therein. The kind of electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) used is not particularly limited. Examples of the electrolyte salt include lithium salts such as LiBETI, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 . Examples of the plasticizer include carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate.
本実施形態において、電解質層に含まれる電解質が真性ポリマー電解質またはゲルポリマー電解質である場合には、当該電解質が絶縁性粒子をさらに含むことが好ましい。これは以下の理由による。すなわち、電解質として真性ポリマー電解質やゲルポリマー電解質を用いた場合には、電池温度の上昇時におけるゲルの流動やポリマーの溶融によって正負極間での短絡(ショート)が比較的発生し易くなるが、電解質が絶縁性粒子をさらに含むことで、ゲルの流動やポリマーの溶融が生じた場合であっても、絶縁性粒子の存在によって正負極間の短絡の発生が抑制されうるのである。その結果、電池の信頼性がより一層向上しうる。 In this embodiment, when the electrolyte contained in the electrolyte layer is an intrinsic polymer electrolyte or a gel polymer electrolyte, it is preferable that the electrolyte further includes insulating particles. This is due to the following reason. That is, when an intrinsic polymer electrolyte or a gel polymer electrolyte is used as the electrolyte, a short circuit between the positive and negative electrodes is relatively likely to occur due to gel flow and polymer melting at the time of battery temperature rise. When the electrolyte further includes insulating particles, even if gel flow or polymer melting occurs, occurrence of a short circuit between the positive and negative electrodes can be suppressed by the presence of the insulating particles. As a result, the reliability of the battery can be further improved.
[タブ]
リチウムイオン二次電池10においては、電池外部に電流を取り出す目的で、集電体(33、35)に電気的に接続されたタブ(正極タブ25および負極タブ27)が外装であるラミネートシート29の外部に取り出される。具体的には、正極集電体33に電気的に接続された正極タブ25と、負極集電体35に電気的に接続された負極タブ27とが、外装の外部に取り出される。
[tab]
In the lithium ion
タブ(正極タブ25および負極タブ27)を構成する材料は特に制限されず、リチウムイオン二次電池用のタブとして従来用いられている公知の材料が用いられうる。タブの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等が例示される。なお、正極タブ25と負極タブ27とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。また、本実施形態のように、別途準備したタブ(25、27)を集電体(33、35)に接続してもよいし、集電体を延長することによりタブとしてもよい。
The material constituting the tabs (the
[外装]
リチウムイオン二次電池10においては、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、電池要素21は、ラミネートシート29などの外装内に収容されることが好ましい。外装としては特に制限されず、従来公知の外装が用いられうる。自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を迅速に電池動作温度まで加熱しうる点で、好ましくは、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートシート等が用いられうる。
[Exterior]
In the lithium ion
(製造方法)
本実施形態のリチウムイオン二次電池10の製造方法については特に制限はなく、電池の製造分野において従来公知の知見を参照して、製造されうる。以下、本実施形態のリチウムイオン二次電池10の製造方法を、簡単に説明する。
(Production method)
There is no restriction | limiting in particular about the manufacturing method of the lithium ion
電池要素を作製するにあたっては、まず、1枚の集電体の両面に活物質層(正極活物質層または負極活物質層)を形成して、電極を作製する。そして、絶縁性粒子を含むスラリー(絶縁性粒子スラリー)を別途調製し、当該絶縁性粒子スラリーを少なくとも一方の活物質層の表面(好ましくは両方の表面)に塗布し、乾燥させて、最終的にセパレータとなるべき塗膜を形成し、その後に正極活物質層と負極活物質層とが向き合うように、隣接する電極を積層することによって、電池要素を作製するとよい。そして、単電池の数が所望の数となるまで絶縁性粒子スラリーの塗布および電極の積層を繰り返す。かような製造方法によれば、より簡便な手法によってセパレータの形成が可能であり、かつ、セパレータと活物質層との密着性が高い電池要素が作製されうる。 In producing a battery element, first, an active material layer (a positive electrode active material layer or a negative electrode active material layer) is formed on both surfaces of one current collector to produce an electrode. Then, a slurry containing insulating particles (insulating particle slurry) is separately prepared, and the insulating particle slurry is applied to the surface (preferably both surfaces) of at least one of the active material layers, dried, and finally A battery element is preferably formed by forming a coating film to be a separator on the substrate and then laminating adjacent electrodes so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other. And application | coating of an insulating particle slurry and lamination | stacking of an electrode are repeated until the number of a single cell becomes a desired number. According to such a manufacturing method, it is possible to form a separator by a simpler method and to produce a battery element having high adhesion between the separator and the active material layer.
絶縁性粒子スラリーは、絶縁性粒子および必要であればバインダを、適当な溶媒に分散させることにより、調製されうる。ここで、絶縁性粒子スラリーに含まれうる絶縁性粒子およびバインダの具体的な形態については、上述した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The insulating particle slurry can be prepared by dispersing the insulating particles and, if necessary, the binder in a suitable solvent. Here, since the specific form of the insulating particles and the binder that can be included in the insulating particle slurry is as described above, detailed description thereof is omitted here.
絶縁性粒子については、市販の商品を購入して用いてもよいし、自ら調製したものを用いてもよい。ここで例えば、図3に示す形態(実施例2−4〜2−6を参照)や図4に示す形態(実施例2−7を参照)のコア−シェル構造を有する絶縁性粒子を調製するには、例えば、コア部を構成する材料とシェル部を構成する材料とをメカニカルミリング法により混合するという手法が挙げられる。混合の際に、必要に応じて加熱してもよい。また、図5に示す形態(実施例2−1〜2−3を参照)の絶縁性粒子を調製するには、例えば、比較的融点の低い材料に比較的融点の高い材料を分散させる(例えば、溶解したポリプロピレンにアルミナ微粒子を分散させる)という手法が用いられうる。 Regarding the insulating particles, commercially available products may be purchased and used, or those prepared by themselves may be used. Here, for example, insulating particles having a core-shell structure in the form shown in FIG. 3 (see Examples 2-4 to 2-6) and in the form shown in FIG. 4 (see Example 2-7) are prepared. For example, there is a technique in which a material constituting the core part and a material constituting the shell part are mixed by a mechanical milling method. You may heat as needed in the case of mixing. Moreover, in order to prepare the insulating particles in the form shown in FIG. 5 (see Examples 2-1 to 2-3), for example, a material having a relatively high melting point is dispersed in a material having a relatively low melting point (for example, In other words, a method of dispersing alumina fine particles in dissolved polypropylene) can be used.
絶縁性粒子スラリーを調製する際に用いられる溶媒は特に制限されず、絶縁性粒子(バインダが含まれる場合にはさらにバインダ)と反応せず、所望の粘度が達成されうるものであればよい。具体的には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミドなどの極性溶媒が挙げられる。 The solvent used in preparing the insulating particle slurry is not particularly limited as long as it does not react with the insulating particles (or a binder when a binder is included) and can achieve a desired viscosity. Specific examples include polar solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, and methylformamide.
絶縁性粒子スラリーにおける絶縁性粒子やバインダの濃度、およびスラリーの粘度も特に制限されず、活物質層への塗布手法などを考慮して適宜決定すればよい。具体的には、絶縁性粒子スラリーの粘度は、好ましくは500〜8000cPsであり、より好ましくは1000〜4000cPsである。 The concentration of the insulating particles and binder in the insulating particle slurry and the viscosity of the slurry are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the application method to the active material layer. Specifically, the viscosity of the insulating particle slurry is preferably 500 to 8000 cPs, more preferably 1000 to 4000 cPs.
絶縁性粒子スラリーを活物質層の表面に塗布するための塗布手段も特に制限されず、電池の製造分野において従来公知の手法が適宜採用されうる。一例を挙げると、ドクターブレード方式、インクジェット方式、スクリーン印刷方式、ダイコータ方式などの手法が例示される。ただし、その他の手法が用いられてもよいことは勿論である。 The application means for applying the insulating particle slurry to the surface of the active material layer is not particularly limited, and a conventionally known technique can be appropriately employed in the battery manufacturing field. For example, methods such as a doctor blade method, an ink jet method, a screen printing method, and a die coater method are exemplified. However, it goes without saying that other methods may be used.
また、活物質層の表面に塗布された絶縁性粒子スラリーを乾燥させるための乾燥手段も特に制限されず、従来公知の手法が適宜採用されうる。一例を挙げると、自然乾燥、送風乾燥、熱風乾燥、減圧乾燥などが挙げられる。ただし、その他の手法が用いられてもよいことは勿論である。 Further, the drying means for drying the insulating particle slurry applied to the surface of the active material layer is not particularly limited, and a conventionally known method can be appropriately employed. As an example, natural drying, air drying, hot air drying, reduced pressure drying and the like can be mentioned. However, it goes without saying that other methods may be used.
続いて、上述した手法により得られた電池要素の最外層に、リードが接続されたタブを接合し、当該リードが外部に露出するように、電池要素をラミネートシート中に入れ、真空に封止する。なお、電解質層が電解液を含む場合、すなわち、電解質層が液体電解質またはゲル電解質を含む場合には、ラミネートシートの封止前に、電解液を注液すればよい。 Subsequently, a tab to which a lead is connected is joined to the outermost layer of the battery element obtained by the above-described method, and the battery element is placed in a laminate sheet so that the lead is exposed to the outside, and sealed in a vacuum. To do. In addition, what is necessary is just to inject | pour electrolyte solution before sealing of a laminate sheet, when an electrolyte layer contains electrolyte solution, ie, when an electrolyte layer contains a liquid electrolyte or a gel electrolyte.
以上の工程により、複数の単電池層を有する本実施形態のリチウムイオン二次電池10が完成する。
Through the above steps, the lithium ion
(第2実施形態)
第2実施形態では、上記の第1実施形態のリチウムイオン二次電池を複数個、並列および/または直列に接続して、組電池を構成する。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, an assembled battery is configured by connecting a plurality of the lithium ion secondary batteries of the first embodiment in parallel and / or in series.
図6は、本実施形態の組電池を示す斜視図である。 FIG. 6 is a perspective view showing the assembled battery of the present embodiment.
図6に示すように、組電池40は、上記の第1実施形態に記載のリチウムイオン二次電池が複数個接続されることにより構成される。各リチウムイオン二次電池10の正極タブ25および負極タブ27がバスバーを用いて接続されることにより、各リチウムイオン二次電池10が接続されている。組電池40の一の側面には、組電池40全体の電極として、電極ターミナル(42、43)が設けられている。
As illustrated in FIG. 6, the assembled
組電池40を構成する複数個のリチウムイオン二次電池10を接続する際の接続方法は特に制限されず、従来公知の手法が適宜採用されうる。例えば、超音波溶接、スポット溶接などの溶接を用いる手法や、リベット、カシメなどを用いて固定する手法が採用されうる。かような接続方法によれば、組電池40の長期信頼性が向上しうる。
The connection method in particular when connecting the some lithium ion
本実施形態の組電池40によれば、上記の第1実施形態のリチウムイオン二次電池10を用いて組電池化することで、容量特性が充分に確保されつつ、高出力条件下においても充分な出力を発揮しうる組電池が提供されうる。
According to the assembled
なお、組電池40を構成するリチウムイオン二次電池10の接続は、複数個全て並列に接続してもよく、また、複数個全て直列に接続してもよく、さらに、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。
In addition, connection of the lithium ion
(第3実施形態)
第3実施形態では、上記の第1実施形態のリチウムイオン二次電池10、および/または第2実施形態の組電池40をモータ駆動用電源として搭載して、車両を構成する。リチウムイオン二次電池10または組電池40をモータ用電源として用いる車両としては、例えば、ガソリンを用いない完全電気自動車、シリーズハイブリッド自動車やパラレルハイブリッド自動車などのハイブリッド自動車、および燃料電池自動車などの、車輪をモータによって駆動する自動車が挙げられる。
(Third embodiment)
In the third embodiment, the lithium ion
参考までに、図7に、組電池40を搭載する自動車50の概略図を示す。自動車50に搭載される組電池40は、上記で説明したような特性を有する。このため、自動車50に組電池40を搭載することで、自動車50の出力特性および容量特性が向上し、さらには、自動車50のより一層の軽量化および小型化が可能となる。
For reference, FIG. 7 shows a schematic diagram of an
以上のように、本発明の幾つかの好適な実施形態について示したが、本発明は、以上の実施形態に限られるものではなく、当業者によって種々の変更、省略、および追加が可能である。例えば、以上の説明では双極型でないリチウムイオン二次電池を例に挙げて説明したが、本発明の電池の技術的範囲がかような形態のみに制限されることはなく、例えば、双極型のリチウムイオン二次電池(双極電池)であってもよい。参考までに、図8に、双極電池の概要を示す断面図を示し、双極電池の概要およびその構成要素について簡単に説明する。 As described above, some preferred embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications, omissions, and additions can be made by those skilled in the art. . For example, in the above description, a lithium ion secondary battery that is not a bipolar type has been described as an example. However, the technical scope of the battery of the present invention is not limited to such a form. A lithium ion secondary battery (bipolar battery) may be used. For reference, FIG. 8 is a cross-sectional view showing an outline of a bipolar battery, and the outline of the bipolar battery and its components will be briefly described.
図8に示す双極電池60は、実際に充放電反応が進行する略矩形の電池要素21が、外装であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。
The
図8に示すように、本実施形態の双極電池60の電池要素21は、集電体11の一方の面に正極活物質層13が形成され他方の面に負極活物質層15が形成された複数の双極電極を有する。各双極電極は、電解質層17を介して積層されて電池要素21を形成する。この際、一の双極電極の正極活物質層13と前記一の双極電極に隣接する他の双極電極の負極活物質層15とが電解質層17を介して向き合うように、各双極電極および電解質層17が積層されている。
As shown in FIG. 8, the
隣接する正極活物質層13、電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。従って、双極電池60は、単電池層19が面を介して電気的に直列に接続されてなる構成を有するともいえる。なお、電池要素21の最外層に位置する集電体(最外層集電体)(11a、11b)には、片面のみに、正極活物質層13(正極側最外層集電体11a)または負極活物質層15(負極側最外層集電体11b)のいずれか一方が形成されている。
The adjacent positive electrode
さらに、図8に示す双極電池60では、正極側最外層集電体11aが延長されて正極タブ25とされ、外装であるラミネートシート29から導出している。一方、負極側最外層集電体11bが延長されて負極タブ27とされ、同様にラミネートシート29から導出している。
Further, in the
[絶縁層]
双極電池60においては、通常、各単電池層19の周囲に絶縁層31が設けられる。この絶縁層31は、電池内で隣り合う集電体11同士が接触したり、電池要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止する目的で設けられる。かような絶縁層31の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質の双極電池60が提供されうる。
[Insulation layer]
In the
絶縁層31を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよく、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられうる。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性などの観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁層31の構成材料として好ましく用いられる。
The insulating
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
<実施例1−1>
<正極の作製>
正極活物質であるスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)(平均粒子径:20μm)(80質量%)、導電助剤であるアセチレンブラック(10質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)を混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、粘度が4000cPsの正極活物質スラリーを調製した。
<Example 1-1>
<Preparation of positive electrode>
Spinel-type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) (average particle size: 20 μm) (80% by mass) as a positive electrode active material, acetylene black (10% by mass) as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride as a binder ( PVdF) (10% by mass) was mixed, and then an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent was added to prepare a positive electrode active material slurry having a viscosity of 4000 cPs.
一方、正極集電体として、アルミニウム箔(厚さ:15μm)を準備した。上記で調製した正極活物質スラリーをドクターブレード方式によって当該アルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥後にプレス処理を施して、146mm×96mmのサイズの正極活物質層(厚さ:110μm)を形成し、正極を作製した。 On the other hand, an aluminum foil (thickness: 15 μm) was prepared as a positive electrode current collector. The positive electrode active material slurry prepared above was applied to both sides of the aluminum foil by a doctor blade method, and after drying, a press treatment was performed to form a positive electrode active material layer (thickness: 110 μm) having a size of 146 mm × 96 mm, A positive electrode was produced.
<負極の作製>
負極活物質であるハードカーボン(平均粒子径:20μm)(90質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)を混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、粘度が4000cPsの負極活物質スラリーを調製した。
<Production of negative electrode>
Hard carbon (average particle size: 20 μm) (90% by mass) as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride (PVdF) (10% by mass) as a binder are mixed, and then N-methyl-as a slurry viscosity adjusting solvent. An appropriate amount of 2-pyrrolidone (NMP) was added to prepare a negative electrode active material slurry having a viscosity of 4000 cPs.
一方、負極集電体として、銅箔(厚さ:10μm)を準備した。上記で調製した負極活物質スラリーをドクターブレード方式によって当該銅箔の両面に塗布し、乾燥後にプレス処理を施して、150mm×100mmのサイズの負極活物質層(厚さ:75μm)を形成し、負極を作製した。 On the other hand, a copper foil (thickness: 10 μm) was prepared as a negative electrode current collector. The negative electrode active material slurry prepared above was applied to both surfaces of the copper foil by a doctor blade method, dried and subjected to a press treatment to form a negative electrode active material layer (thickness: 75 μm) having a size of 150 mm × 100 mm, A negative electrode was produced.
<電池要素の作製>
セラミック粒子であるアルミナ粒子(平均粒子径:3μm)(70質量%)、有機高分子粒子であるポリアクリル酸メチル粒子(平均粒子径:5μm)(20質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)を混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、粘度が3000cPsの絶縁性粒子スラリーを調製した。
<Production of battery element>
Alumina particles (average particle size: 3 μm) (70% by mass) as ceramic particles, polymethyl acrylate particles (average particle size: 5 μm) (20% by mass) as organic polymer particles, and polyvinylidene fluoride as a binder (PVdF) (10 mass%) was mixed, and then an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, was added to prepare an insulating particle slurry having a viscosity of 3000 cPs.
上記で作製した正極の正極活物質層の表面に、上記で調製した絶縁性粒子スラリーをドクターブレード方式により塗布し、乾燥させて、正極活物質層の表面にセパレータ層(厚さ:5μm)を形成した。 The insulating particle slurry prepared above is applied to the surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode prepared above by a doctor blade method and dried to form a separator layer (thickness: 5 μm) on the surface of the positive electrode active material layer. Formed.
次いで、上記で作製した負極と、同じく上記でセパレータ層が形成された正極とを、負極活物質層とセパレータ層とが向き合うように積層して、電池要素を完成させた。 Subsequently, the negative electrode produced above and the positive electrode similarly formed with the separator layer were laminated so that the negative electrode active material layer and the separator layer faced to complete a battery element.
<ラミネートシートへの封入>
電解液として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC))の混合溶液(EC:PC=1:1(体積比))に電解質塩(リチウム塩)であるLiPF6を1Mの濃度に溶解させたものを準備した。
<Encapsulation in laminate sheet>
As an electrolytic solution, LiPF 6 as an electrolyte salt (lithium salt) is dissolved at a concentration of 1M in a mixed solution (EC: PC = 1: 1 (volume ratio)) of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). I prepared a dish.
上記で作製した電池要素を、2枚のアルミラミネートシートにより挟持し、電解液注入口を残して当該シートの周辺部を熱融着によりシールした。その後、上記で準備した電解液を上記の注入口から注入し、当該注入口を真空条件下にて熱融着によりシールして、電池要素をラミネートシート中に封入し、リチウムイオン二次電池を完成させた。なお、正極集電体にはアルミニウム製の正極タブを接続し、負極集電体にはニッケル製の負極タブを接続し、それぞれを電池要素の対向する辺から導出させた。 The battery element produced above was sandwiched between two aluminum laminate sheets, and the periphery of the sheet was sealed by thermal fusion, leaving the electrolyte inlet. Thereafter, the electrolytic solution prepared above is injected from the injection port, the injection port is sealed by thermal fusion under vacuum conditions, the battery element is enclosed in a laminate sheet, and the lithium ion secondary battery is sealed. Completed. In addition, the positive electrode tab made from aluminum was connected to the positive electrode collector, the negative electrode tab made from nickel was connected to the negative electrode collector, and each was derived | led-out from the opposing edge | side of a battery element.
<実施例1−2>
絶縁性粒子スラリーの塗布量を調節することにより、セパレータ層の厚さを10μmに制御したこと以外は、上記の実施例1−1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 1-2>
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the thickness of the separator layer was controlled to 10 μm by adjusting the coating amount of the insulating particle slurry.
<実施例1−3>
絶縁性粒子スラリーの塗布量を調節することにより、セパレータ層の厚さを20μmに制御したこと以外は、上記の実施例1−1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 1-3>
A lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-1, except that the thickness of the separator layer was controlled to 20 μm by adjusting the coating amount of the insulating particle slurry.
<実施例1−4>
絶縁性粒子スラリーの塗布量を調節することにより、セパレータ層の厚さを25μmに制御したこと以外は、上記の実施例1−1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 1-4>
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1, except that the thickness of the separator layer was controlled to 25 μm by adjusting the coating amount of the insulating particle slurry.
<実施例1−5>
セラミック粒子として、平均粒子径が5μmのアルミナ粒子を用いたこと以外は、上記の実施例1−4と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 1-5>
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-4, except that alumina particles having an average particle diameter of 5 μm were used as ceramic particles.
<実施例1−6>
セラミック粒子として、平均粒子径が10μmのアルミナ粒子を用いたこと以外は、上記の実施例1−4と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 1-6>
A lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-4, except that alumina particles having an average particle diameter of 10 μm were used as the ceramic particles.
<実施例1−7>
セラミック粒子として、平均粒子径が15μmのアルミナ粒子を用いたこと以外は、上記の実施例1−4と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 1-7>
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-4, except that alumina particles having an average particle diameter of 15 μm were used as ceramic particles.
<比較例>
絶縁性粒子スラリーの塗布によるセパレータ層の形成に代えて、正極活物質層と負極活物質層との間にセパレータ(厚さ:30μm)を挿入したこと以外は、上記の実施例1−1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。なお、セパレータとしては以下の手法により作製したものを用いた。
<Comparative example>
Instead of forming the separator layer by applying the insulating particle slurry, Example 1-1 above except that a separator (thickness: 30 μm) was inserted between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. A lithium ion secondary battery was produced in the same manner. In addition, what was produced with the following methods was used as a separator.
まず、セラミック粒子であるアルミナ粒子(平均粒子径:5μm)(90質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)を混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して絶縁性粒子スラリーを調製した。次いで、上記で調製した絶縁性粒子スラリーをドクターブレード方式によりポリエチレンテレフタレート(PET)製不織布(厚さ:20μm)の両面に塗布し、乾燥させて、セパレータを作製した。なお、得られたセパレータの片面におけるアルミナ粒子の目付け量は、4.5mg/cm2であった。 First, alumina particles (average particle size: 5 μm) (90% by mass) as ceramic particles and polyvinylidene fluoride (PVdF) (10% by mass) as a binder are mixed, and then N-methyl which is a slurry viscosity adjusting solvent. An appropriate amount of 2-pyrrolidone (NMP) was added to prepare an insulating particle slurry. Next, the insulating particle slurry prepared above was applied to both sides of a polyethylene terephthalate (PET) nonwoven fabric (thickness: 20 μm) by a doctor blade method and dried to prepare a separator. In addition, the basis weight of the alumina particles on one side of the obtained separator was 4.5 mg / cm 2 .
<評価例1>
上記の実施例1−1〜1−7および比較例で作製したリチウムイオン二次電池に対して、0.2Cでの初充電処理(CCCV)および0.5Cでの初放電処理を施した。当該初放電処理の際の放電容量を「初回放電容量」と称する。
<Evaluation Example 1>
The lithium ion secondary batteries produced in Examples 1-1 to 1-7 and the comparative examples described above were subjected to an initial charge process (CCCV) at 0.2C and an initial discharge process at 0.5C. The discharge capacity in the initial discharge process is referred to as “initial discharge capacity”.
次いで、各電池に対し、1Cの定電流にて10サイクルのサイクル充放電処理を施した。その後、各電池における満充電状態(4.2V)における5Cでのレート特性(放電容量および体積エネルギ密度)を評価した。この際の放電容量を「サイクル充放電後放電容量」と称する。そして、下記数式1に従って、サイクル充放電後の満充電状態からの放電効率を算出した。各電池についての5Cでのレート特性の評価結果を、下記の表1に示す。なお、表1において「5C相対放電効率」とは、比較例の電池の放電効率を1とした場合の相対値を示し、「相対エネルギ密度」とは、比較例の電池の体積エネルギ密度を1とした場合の相対値を示す。
Each battery was then subjected to 10 cycles of charge / discharge treatment at a constant current of 1C. Thereafter, the rate characteristics (discharge capacity and volume energy density) at 5 C in the fully charged state (4.2 V) of each battery were evaluated. The discharge capacity at this time is referred to as “discharge capacity after cycle charge / discharge”. And according to following
表1に示す各実施例と比較例との比較から、リチウムイオン二次電池において、絶縁性粒子を主成分としてセパレータを構成すると、基材を用いる従来のセパレータと比較して、体積エネルギ密度を低下させることなく、放電効率(サイクル充放電後の容量維持率)を高い値に維持することが可能であることが示される。 From the comparison between each example shown in Table 1 and the comparative example, in the lithium ion secondary battery, when the separator is composed mainly of insulating particles, the volume energy density is higher than that of the conventional separator using the base material. It shows that the discharge efficiency (capacity maintenance ratio after cycle charge / discharge) can be maintained at a high value without decreasing.
また、実施例1−1〜1−4および比較例の比較から、セパレータ層の厚さが薄いほど、体積エネルギ密度が効果的に向上しうることが示される。 Moreover, the comparison between Examples 1-1 to 1-4 and the comparative example shows that the volume energy density can be effectively improved as the thickness of the separator layer is thinner.
さらに、実施例1−4〜1−7の比較から、セパレータ層に含まれる絶縁性粒子の粒子径が小さいほど、放電効率が効果的に向上しうることが示される。 Furthermore, the comparison of Examples 1-4 to 1-7 shows that the discharge efficiency can be improved more effectively as the particle diameter of the insulating particles contained in the separator layer is smaller.
<実施例2−1>
<正極の作製>
以下の手法により、10枚の正極を作製した。
<Example 2-1>
<Preparation of positive electrode>
Ten positive electrodes were produced by the following method.
具体的には、まず、正極活物質であるスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)(平均粒子径:20μm)(85質量%)、導電助剤であるアセチレンブラック(5質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)を混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、粘度が5000cPsの正極活物質スラリーを調製した。 Specifically, first, spinel type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) (average particle size: 20 μm) (85 mass%) as a positive electrode active material, acetylene black (5 mass%) as a conductive auxiliary agent, and A polyvinylidene fluoride (PVdF) (10 mass%) as a binder is mixed, and then an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent is added to obtain a positive electrode active material slurry having a viscosity of 5000 cPs. Prepared.
一方、正極集電体として、アルミニウム箔(厚さ:15μm)を準備した。上記で調製した正極活物質スラリーをドクターブレード方式によって当該アルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥後にプレス処理を施して、145mm×95mmのサイズの正極活物質層(厚さ:110μm)を形成し、正極を作製した。 On the other hand, an aluminum foil (thickness: 15 μm) was prepared as a positive electrode current collector. The positive electrode active material slurry prepared above was applied to both surfaces of the aluminum foil by a doctor blade method, and after drying, a press treatment was performed to form a positive electrode active material layer (thickness: 110 μm) having a size of 145 mm × 95 mm, A positive electrode was produced.
<負極の作製>
以下の手法により、11枚の負極を作製した。
<Production of negative electrode>
Eleven negative electrodes were produced by the following method.
具体的には、まず、負極活物質であるハードカーボン(平均粒子径:20μm)(90質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)を混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、粘度が5000cPsの負極活物質スラリーを調製した。 Specifically, first, hard carbon (average particle size: 20 μm) (90% by mass) as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride (PVdF) (10% by mass) as a binder are mixed, and then the viscosity of the slurry is adjusted. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent was added to prepare a negative electrode active material slurry having a viscosity of 5000 cPs.
一方、負極集電体として、銅箔(厚さ:10μm)を準備した。上記で調製した負極活物質スラリーをドクターブレード方式によって当該銅箔の両面に塗布し、乾燥後にプレス処理を施して、150mm×100mmのサイズの負極活物質層(厚さ:75μm)を形成し、負極を作製した。 On the other hand, a copper foil (thickness: 10 μm) was prepared as a negative electrode current collector. The negative electrode active material slurry prepared above was applied to both surfaces of the copper foil by a doctor blade method, dried and subjected to a press treatment to form a negative electrode active material layer (thickness: 75 μm) having a size of 150 mm × 100 mm, A negative electrode was produced.
<電池要素の作製>
セラミック材料から構成される微粒子であるアルミナ微粒子(平均粒子径:1μm)(85質量%)が、有機高分子材料(熱可塑性樹脂)であるポリプロピレン(15質量%)から構成されるマトリックス中に分散した構造を有する絶縁性粒子(平均粒子径:5μm)(図5を参照)と、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(絶縁性微粒子の全質量に対して10質量%)とを混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、粘度が10000cPsの絶縁性粒子スラリーを調製した。
<Production of battery element>
Alumina fine particles (average particle size: 1 μm) (85% by mass), which are fine particles composed of a ceramic material, are dispersed in a matrix composed of polypropylene (15% by mass), an organic polymer material (thermoplastic resin). Insulating particles (average particle size: 5 μm) having the above structure (see FIG. 5) and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder (10% by mass with respect to the total mass of the insulating fine particles) are mixed, Next, an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, was added to prepare an insulating particle slurry having a viscosity of 10,000 cPs.
上記で作製した負極の両面の負極活物質層の表面に、上記で調製した絶縁性粒子スラリーをドクターブレード方式により塗布し、乾燥させて、負極活物質層の表面にセパレータ層(厚さ:10μm)を形成した。 The insulating particle slurry prepared above is applied to the surfaces of the negative electrode active material layers on both sides of the negative electrode prepared above by a doctor blade method, dried, and a separator layer (thickness: 10 μm on the surface of the negative electrode active material layer). ) Was formed.
次いで、上記でセパレータ層が形成された負極11枚と、同じく上記で作製した正極10枚とを交互に積層して、電池要素を完成させた。なお、電池要素の両端に位置する負極の外面において負極活物質層およびセパレータ層の積層は割愛した。 Next, 11 negative electrodes each having the separator layer formed thereon and 10 positive electrodes prepared in the same manner were alternately stacked to complete a battery element. In addition, lamination | stacking of the negative electrode active material layer and the separator layer was omitted in the outer surface of the negative electrode located in the both ends of a battery element.
<ラミネートシートへの封入>
電解液として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC))の混合溶液(EC:PC=1:1(体積比))に電解質塩(リチウム塩)であるLiPF6を1Mの濃度に溶解させたものを準備した。
<Encapsulation in laminate sheet>
As an electrolytic solution, LiPF 6 as an electrolyte salt (lithium salt) is dissolved at a concentration of 1M in a mixed solution (EC: PC = 1: 1 (volume ratio)) of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). I prepared a dish.
上記で作製した電池要素を、2枚のアルミラミネートシートにより挟持し、電解液注入口を残して当該シートの周辺部を熱融着によりシールした。その後、上記で準備した電解液を上記の注入口から注入し、当該注入口を真空条件下にて熱融着によりシールして、電池要素をラミネートシート中に封入し、リチウムイオン二次電池を完成させた。なお、正極集電体にはアルミニウム製の正極タブを接続し、負極集電体にはニッケル製の負極タブを接続し、それぞれを電池要素の対向する辺から導出させた。 The battery element produced above was sandwiched between two aluminum laminate sheets, and the periphery of the sheet was sealed by thermal fusion, leaving the electrolyte inlet. Thereafter, the electrolytic solution prepared above is injected from the injection port, the injection port is sealed by thermal fusion under vacuum conditions, the battery element is enclosed in a laminate sheet, and the lithium ion secondary battery is sealed. Completed. In addition, the positive electrode tab made from aluminum was connected to the positive electrode collector, the negative electrode tab made from nickel was connected to the negative electrode collector, and each was derived | led-out from the opposing edge | side of a battery element.
<実施例2−2>
セパレータ層の厚さを25μmとしたこと以外は、上記の実施例2−1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 2-2>
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 2-1 except that the thickness of the separator layer was 25 μm.
<実施例2−3>
絶縁性粒子において、アルミナ微粒子として平均粒子径が3μmのものを用い、絶縁性微粒子(アルミナ微粒子)およびマトリックス(ポリプロピレン)の含有量をそれぞれ85質量%および15質量%とし、得られた絶縁性粒子の平均粒子径を10μmとしたこと以外は、上記の実施例2−2と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 2-3>
Insulating particles having alumina particles with an average particle size of 3 μm are used, and the contents of insulating particles (alumina particles) and matrix (polypropylene) are 85% by mass and 15% by mass, respectively. A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 2-2 except that the average particle size of was 10 μm.
<実施例2−4>
絶縁性粒子として、セラミック材料から構成されるアルミナ粒子(平均粒子径:3μm)からなるコア部と、有機高分子材料(熱可塑性樹脂)であるポリプロピレンからなるシェル部(厚さ:約1μm)とから構成されるコア−シェル構造を有する絶縁性粒子(平均粒子径:5μm)(図3を参照)を用いたこと以外は、上記の実施例2−1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 2-4>
As insulating particles, a core portion made of alumina particles (average particle diameter: 3 μm) made of a ceramic material, and a shell portion (thickness: about 1 μm) made of polypropylene which is an organic polymer material (thermoplastic resin), Lithium ion secondary by the same method as in Example 2-1 except that insulating particles (average particle diameter: 5 μm) (see FIG. 3) having a core-shell structure composed of A battery was produced.
<実施例2−5>
セパレータ層の厚さを25μmとしたこと以外は、上記の実施例2−4と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 2-5>
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 2-4 except that the thickness of the separator layer was 25 μm.
<実施例2−6>
絶縁性粒子において、コア部を構成するアルミナ粒子の平均粒子径を8μmとし、絶縁性粒子の平均粒子径を12μmとしたこと以外は、上記の実施例2−5と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 2-6>
In the insulating particles, lithium ions were obtained in the same manner as in Example 2-5 except that the average particle diameter of the alumina particles constituting the core portion was 8 μm and the average particle diameter of the insulating particles was 12 μm. A secondary battery was produced.
<実施例2−7>
絶縁性粒子として、セラミック材料から構成されるアルミナ粒子(平均粒子径:4μm)からなるコア部と、有機高分子材料(熱可塑性樹脂)であるポリプロピレンからなる内層シェル部(厚さ:約2μm)と、同様に有機高分子材料(熱可塑性樹脂)であるポリエチレンからなる外層シェル部(厚さ:約2μm)とから構成されるコア−シェル構造を有する絶縁性粒子(平均粒子径:12μm)(図4を参照)を用いたこと以外は、上記の実施例2−5と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 2-7>
As insulating particles, a core portion made of alumina particles (average particle diameter: 4 μm) made of a ceramic material, and an inner shell portion (thickness: about 2 μm) made of polypropylene which is an organic polymer material (thermoplastic resin) And insulating particles (average particle diameter: 12 μm) having a core-shell structure composed of an outer shell portion (thickness: about 2 μm) made of polyethylene, which is also an organic polymer material (thermoplastic resin) ( A lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2-5 except that the method shown in FIG. 4 was used.
<評価例2>
上記の実施例2−1〜2−7および上述した比較例で作製したリチウムイオン二次電池について、上記の評価例1と同様の手法により、5C放電効率および相対エネルギ密度の測定を行った。各電池についての5Cでのレート特性の評価結果を下記の表2に示す。なお、表2においても、「相対エネルギ密度」は、比較例の電池の体積エネルギ密度を1とした場合の相対値を示す。
<Evaluation Example 2>
About the lithium ion secondary battery produced by said Example 2-1 to 2-7 and the comparative example mentioned above, 5C discharge efficiency and relative energy density were measured by the method similar to said evaluation example 1. FIG. The evaluation results of rate characteristics at 5C for each battery are shown in Table 2 below. In Table 2, “relative energy density” indicates a relative value when the volume energy density of the battery of the comparative example is 1.
表2に示す各実施例と比較例との比較から、リチウムイオン二次電池において、コア−シェル構造を有する絶縁性粒子や、樹脂マトリックス中にセラミック微粒子が分散してなる絶縁性粒子を主成分としてセパレータを構成すると、基材を用いる従来のセパレータと比較して、体積エネルギ密度を低下させることなく、放電効率(サイクル充放電後の容量維持率)を高い値に維持することが可能であることが示される。 From the comparison between each example shown in Table 2 and the comparative example, in the lithium ion secondary battery, insulating particles having a core-shell structure and insulating particles in which ceramic fine particles are dispersed in a resin matrix are the main components. When the separator is configured as described above, it is possible to maintain the discharge efficiency (capacity maintenance ratio after cycle charge / discharge) at a high value without lowering the volumetric energy density as compared with the conventional separator using a base material. It is shown.
1 粒子、
10 リチウムイオン二次電池、
11 集電体、
11a、11b 最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 電池要素、
25 正極タブ、
27 負極タブ、
29 ラミネートシート、
31 絶縁層、
33 正極集電体、
35 負極集電体、
40 組電池、
42、43 電極ターミナル、
50 自動車、
60 双極電池、
110 コア部、
120 シェル部、
120a 内層シェル部、
120b 外層シェル部、
130 マトリックス、
140 微粒子、
L 最大の距離。
1 particle,
10 Lithium ion secondary battery,
11 Current collector,
11a, 11b outermost layer current collector,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 battery elements,
25 positive electrode tab,
27 negative electrode tab,
29 Laminate sheet,
31 insulating layer,
33 positive electrode current collector,
35 negative electrode current collector,
40 battery packs,
42, 43 electrode terminals,
50 cars,
60 bipolar battery,
110 core part,
120 shell part,
120a inner shell part,
120b outer shell part,
130 matrix,
140 fine particles,
L Maximum distance.
Claims (25)
前記電解質層が、10nm〜30μmの粒子径を有する絶縁性粒子からなるセパレータをさらに含むことを特徴とする、リチウムイオン二次電池。 A positive electrode formed by forming a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material on the surface of the current collector, an electrolyte layer containing an electrolyte, and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material formed on the surface of the current collector A battery having at least one unit cell layer in which a negative electrode is laminated in this order,
The lithium ion secondary battery, wherein the electrolyte layer further includes a separator made of insulating particles having a particle diameter of 10 nm to 30 μm.
集電体の表面に負極活物質を含む負極活物質スラリーを塗布し乾燥させることにより、集電体の表面に負極活物質層が形成されてなる負極を作製する工程と、
前記正極活物質層または前記負極活物質層の少なくとも一方の表面に、絶縁性粒子を含む絶縁性粒子スラリーを塗布し、乾燥させることにより塗膜を形成する工程と、
前記正極活物質層と前記負極活物質層とが向き合うように、前記正極と前記負極とを積層する工程と、
を有する、リチウムイオン二次電池の製造方法。 A step of producing a positive electrode in which a positive electrode active material layer is formed on the surface of the current collector by applying and drying a positive electrode active material slurry containing the positive electrode active material on the surface of the current collector; and
A step of producing a negative electrode in which a negative electrode active material layer is formed on the surface of the current collector by applying and drying a negative electrode active material slurry containing the negative electrode active material on the surface of the current collector;
Applying an insulating particle slurry containing insulating particles to at least one surface of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer, and forming a coating film by drying; and
Laminating the positive electrode and the negative electrode so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other;
A method for producing a lithium ion secondary battery.
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