JP2007317675A - Separator for lithium ion secondary battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a lithium ion secondary battery high in safety when overcharged as compared with a conventional nonaqueous secondary battery to the extent allowing omission of a protective circuit and simplification for a thermistor system such as a thermo-sensitive switch and a thermo-sensitive sensor after keeping a practical battery characteristic, and capable of providing a low-cost nonaqueous secondary battery. <P>SOLUTION: This separator for a lithium ion secondary battery is formed of a sheet A having an average thickness of 10-35 μm, a basis weight of 6-20 g/m<SP>2</SP>, a Macmillan number not greater than 10, and (Macmillan number)×(average thickness) not greater than 200 μm, or a porous film including the sheet A, and including a porous organic polymer film B holding it by swelling it in an electrolytic solution, and having an average thickness of 10-35 μm, and a basis weight of 10-25 g/m<SP>2</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、過充電時の安全性が高く、低コストなリチウムイオン二次電池、それに用いるセパレータ、そのようなリチウムイオン二次電池を備える電池パック及び電気・電子機器、並びにそのようなリチウムイオン二次電池の充電方法に関する。   The present invention relates to a lithium ion secondary battery with high safety and low cost during overcharge, a separator used therefor, a battery pack and an electric / electronic device including such a lithium ion secondary battery, and such a lithium ion. The present invention relates to a method for charging a secondary battery.

近年の携帯電子機器の普及及びその高性能化に伴い、高エネルギー密度を有する二次電池が望まれている。このような背景から、負極活物質としてリチウムを電気化学的にドープ及び脱ドープすることが可能な炭素材料を用い、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物を用いたリチウムイオン二次電池が急速に普及しつつある。   With the recent spread of portable electronic devices and higher performance, secondary batteries having high energy density are desired. From such a background, a lithium ion secondary battery using a carbon material capable of electrochemically doping and dedoping lithium as a negative electrode active material and using a lithium-containing transition metal oxide as a positive electrode active material has been rapidly developed. It is becoming popular.

このリチウムイオン二次電池は、正負極間をリチウムイオンが移動することで充放電がなされ、電気エネルギーの吸蔵、放出がなされる。このリチウムイオン二次電池は、平均電圧として従来の二次電池の約3倍である3.7V程度が得られることから高エネルギー密度となるが、従来の二次電池のように水系の電解液を用いることができないため十分な耐酸化還元性を有する非水系電解液を用いている。このような理由でリチウムイオン二次電池は非水系二次電池とも呼ばれている。   This lithium ion secondary battery is charged and discharged by moving lithium ions between the positive and negative electrodes, and occludes and releases electrical energy. This lithium ion secondary battery has a high energy density because an average voltage of about 3.7 V, which is about three times that of a conventional secondary battery, can be obtained. However, an aqueous electrolyte like a conventional secondary battery can be obtained. Therefore, a non-aqueous electrolyte solution having sufficient oxidation-reduction resistance is used. For these reasons, lithium ion secondary batteries are also called non-aqueous secondary batteries.

非水系二次電池は、電解液として可燃性の非水系電解液を用いているため、発火等の危険性があり、その使用において安全性には細心の注意が払われている。発火等の危険に曝されるケースとしていくつか考えられるが、特に過充電が危険である。   Since non-aqueous secondary batteries use flammable non-aqueous electrolytes as electrolytes, there is a risk of ignition and the like, and careful attention is paid to safety in their use. There are several possible cases of exposure to fire and other hazards, but overcharging is particularly dangerous.

過充電を防止するために、現状の非水系二次電池では定電圧・定電流充電が行われ、電池に精密なIC(保護回路)が装備されている。この保護回路にかかるコストは大きく、非水系二次電池をコスト高にしている要因にもなっている。   In order to prevent overcharging, current non-aqueous secondary batteries are charged at a constant voltage and a constant current, and the battery is equipped with a precise IC (protection circuit). The cost required for this protection circuit is large, and it is a factor that increases the cost of non-aqueous secondary batteries.

保護回路で過充電を防止する場合、当然保護回路がうまく作動しないことも想定され、本質的に安全であるとは言い難い。現状の非水系二次電池には、過充電時に保護回路が壊れ、過充電されたときに安全に電池を破壊する目的で安全弁・PTC素子の装備、熱ヒューズ機能を有するセパレータの採用等の工夫がなされている。しかし、上記のような手段を装備していても、過充電される条件によっては、確実に過充電時の安全性が保証されているわけではなく、実際には非水系二次電池の発火事故は現在でも起こっている。   When overcharging is prevented by the protection circuit, it is naturally assumed that the protection circuit does not operate well, and it is difficult to say that it is intrinsically safe. The current non-aqueous secondary battery has a protection circuit that breaks when overcharged, and is equipped with a safety valve / PTC element and a separator with a thermal fuse function to safely destroy the battery when overcharged. Has been made. However, even if equipped with the above-mentioned means, depending on the overcharge conditions, the safety during overcharge is not guaranteed, and in fact, non-aqueous secondary battery ignition accidents Is still happening.

このように、非水系二次電池の過充電時に対する安全対策は、安全面とコスト面からみて未だ十分なものではなく、改善すべき課題となっており、そのような課題を改善する目的でさまざまな方法が提案されている。   Thus, safety measures against overcharge of non-aqueous secondary batteries are not yet sufficient in terms of safety and cost, and are issues that need to be improved, with the aim of improving such issues. Various methods have been proposed.

このような改善方法の1つとして、保護回路が作動しなかったときにより安全に電池を破壊させることを目的とする方法がある。例えば、特許2928779号、特許3061759号、特許3113652号、特開2000−306610号公報等で提案されている如く、過充電時にガスを発生し易い化合物を添加しておき、安全弁をすばやく作動させる方法、特許3061756号等で提案されている如く、過充電時に重合するような化合物を添加しておき、電流を遮断する方法、特開平11−45740号公報等で提案されている如く、過充電時に吸熱効果のある化合物を添加しておく方法等があり、このような添加剤による方法は一部実用化され、非水系二次電池の安全性を向上させている。   As one of such improvement methods, there is a method aiming at destroying the battery more safely when the protection circuit does not operate. For example, as proposed in Japanese Patent No. 2928779, Japanese Patent No. 3061759, Japanese Patent No. 3113652, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-306610, etc., a method for quickly operating a safety valve by adding a compound that easily generates gas during overcharge As proposed in Japanese Patent No. 3061756 and the like, a method of adding a compound that polymerizes during overcharge and cutting off the current, as proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-45740, etc. There is a method of adding a compound having an endothermic effect and the like, and a method using such an additive is partly put into practical use, and the safety of the non-aqueous secondary battery is improved.

また、保護回路を取り外すかもしくはサーミスタ方式のように簡素化することによりコストダウンを図りつつ、安全性も確保することを目的とする方法もある。例えば、特開平6−338347号公報、特開2000−251932号公報、特開2000−277147号公報、特開2000−228215号公報等で提案されている如く、レドックスシャトル添加剤を用いる方法がある。レドックスシャトル添加剤は、過充電時に正負極間で酸化還元反応を起こし、過充電電流を消費するという機構で過充電を防止する。このような添加剤は、一部実用化され非水二次電池の安全性向上に貢献しているが、保護回路を取り外したり、これを簡素化するまでには至っていない。   There is also a method aimed at ensuring safety while reducing costs by removing the protection circuit or simplifying it like a thermistor system. For example, as proposed in JP-A-6-338347, JP-A-2000-251932, JP-A-2000-277147, JP-A-2000-228215, etc., there is a method using a redox shuttle additive. . The redox shuttle additive causes an oxidation-reduction reaction between the positive and negative electrodes during overcharge, and prevents overcharge by a mechanism that consumes overcharge current. Such additives have been put into practical use and have contributed to improving the safety of non-aqueous secondary batteries, but have not yet reached the point where the protective circuit is removed or simplified.

特開2000−67917号公報にはゲル状ポリマー電解質膜を用いた過充電防止に関する技術が提案されており、保護回路を排除するかまたは簡素化することの可能性が示唆されている。しかし、この技術では、ゲル状ポリマー電解質膜の膜厚が最低30μm以上は必要であり、十分な効果を得るためには40μm以上は必要であり、さらに膜厚が厚いほど顕著な効果が得られる。しかし、現状の一般的な非水系二次電池のセパレータ厚みが25μmであり、このセパレータ厚みは電池のさらなる高エネルギー密度化を狙って薄膜化の傾向にあることを考えると、この技術は汎用的なものではない。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-67917 proposes a technique related to overcharge prevention using a gel polymer electrolyte membrane, and suggests the possibility of eliminating or simplifying the protection circuit. However, in this technique, the gel polymer electrolyte membrane needs to have a minimum film thickness of 30 μm or more, and in order to obtain a sufficient effect, it needs to be 40 μm or more. . However, considering that the separator thickness of the current general non-aqueous secondary battery is 25 μm and this separator thickness tends to be thinned with the aim of further increasing the energy density of the battery, this technology is versatile. Not something.

また、特開2000−123824号公報にもゲル状ポリマー電解質を用い、保護回路の排除または簡素化の可能性を示唆する過充電防止の技術が提案されている。この技術では、ポリエーテルのオリゴマーを用いることで過充電を防止するが、電池の放電特性が従来の非水系二次電池に比べて極めて悪いことから、汎用的なものとは言い難い。   Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-123824 also proposes an overcharge prevention technique that uses a gel polymer electrolyte and suggests the possibility of eliminating or simplifying the protection circuit. In this technique, overcharge is prevented by using an oligomer of polyether, but the discharge characteristics of the battery are extremely poor compared to conventional non-aqueous secondary batteries, so it is difficult to say that it is general-purpose.

特許2928779号Japanese Patent No. 2928779 特許3061759号Japanese Patent 3061759 特許3113652号Japanese Patent No. 3113652 特開2000−306610号公報JP 2000-306610 A 特許3061756号Japanese Patent No. 3061756 特開平11−45740号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-45740 特開平6−338347号公報JP-A-6-338347 特開2000−251932号公報JP 2000-251932 A 特開2000−277147号公報JP 2000-277147 A 特開2000−228215号公報JP 2000-228215 A 特開2000−67917号公報JP 2000-67917 A 特開2000−123824号公報JP 2000-123824 A

本発明は、上記の如き従来技術の問題点を解決し、実用的な電池特性を維持した上で、保護回路の排除もしくは感熱スイッチ、感熱センサー等のサーミスタ方式への簡素化を可能にするほどに従来の非水系二次電池に比べて過充電時の安全性が高く、低コストな非水系二次電池を提供することを目的とする。   The present invention solves the problems of the prior art as described above, and while maintaining practical battery characteristics, it is possible to eliminate the protection circuit or simplify thermistor system such as a thermal switch and a thermal sensor. Another object of the present invention is to provide a low-cost non-aqueous secondary battery that has higher safety during overcharge than conventional non-aqueous secondary batteries.

上記課題を解決するため、本発明は、正極、負極、セパレータ及び非水系電解質を備えるリチウムイオン二次電池であって、
1)セパレータが、多孔性シートから本質的になり、
2)正極活物質及び負極活物質がリチウムを可逆的にドープ及び脱ドープすることが可能であり、正極に含まれる全リチウム量をQp(mAh)、負極がドープ可能なリチウム量をQn(mAh)としたときに、Qp>Qnであり、
3)0.2Qn<Ic<2Qnの充電電流Ic(mA)で充電したときに、充電電気量Qc(mAh)が1<Qc/Qn<Qp/Qnの範囲において、電池の充電により負極上に生じるリチウム種を介してリチウムの正極へのドープが開始され、Qc>Qpまで継続される、
電池を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention is a lithium ion secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator and a non-aqueous electrolyte,
1) The separator consists essentially of a porous sheet,
2) The positive electrode active material and the negative electrode active material can be reversibly doped and dedoped with lithium. The total amount of lithium contained in the positive electrode is Qp (mAh), and the amount of lithium that the negative electrode can be doped is Qn (mAh). ) And Qp> Qn,
3) When charged with a charging current Ic (mA) of 0.2Qn <Ic <2Qn, the charged electricity amount Qc (mAh) is within the range of 1 <Qc / Qn <Qp / Qn, and is charged on the negative electrode by charging the battery. Doping of the positive electrode of lithium is initiated through the resulting lithium species and continues until Qc> Qp.
Provide batteries.

本発明は、また、上記したリチウムイオン二次電池と感熱センサーまたは感熱スイッチとを備える、リチウムイオン二次電池パックを提供する。   The present invention also provides a lithium ion secondary battery pack comprising the above-described lithium ion secondary battery and a thermal sensor or a thermal switch.

本発明は、さらに、上記したリチウムイオン二次電池を充電する方法であって、前記リチウムイオン二次電池を定電流充電法により充電し、充電の終了を電池温度上昇、電池電圧降下及び電池電圧振動のうちの少なくとも1つを用いて判断することを含む方法を提供する。   The present invention further relates to a method for charging the above-described lithium ion secondary battery, wherein the lithium ion secondary battery is charged by a constant current charging method, and the end of the charging is determined as battery temperature rise, battery voltage drop and battery voltage. A method is provided that includes determining using at least one of the vibrations.

本発明は、また、上記したリチウムイオン二次電池またはリチウムイオン二次電池パックを備える電気・電子機器を提供する。   The present invention also provides an electric / electronic device including the above-described lithium ion secondary battery or lithium ion secondary battery pack.

本発明は、また、平均膜厚10〜35μm、目付6〜20g/m、透気度(JIS P8117)100秒以下、マクミラン数10以下、マクミラン数×平均膜厚が200μm以下のシート(A)からなるリチウムイオン二次電池用セパレータを提供する。 The present invention also provides a sheet having an average film thickness of 10 to 35 μm, a basis weight of 6 to 20 g / m 2 , an air permeability (JIS P8117) of 100 seconds or less, a Macmillan number of 10 or less, and a Macmillan number × average film thickness of 200 μm or less. A separator for a lithium ion secondary battery.

本発明は、さらに、上記したシート(A)を内包し、電解液に膨潤してこれを保持する多孔質有機高分子膜(B)を含み、平均膜厚10〜35μm、目付10〜25g/mの多孔膜からなるリチウムイオン二次電池用セパレータを提供する。 The present invention further includes a porous organic polymer film (B) that encloses the above-described sheet (A) and swells and holds the electrolyte solution, and has an average film thickness of 10 to 35 μm and a basis weight of 10 to 25 g / A separator for a lithium ion secondary battery comprising an m 2 porous film is provided.

以下、本発明について詳しく説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、セパレータ及び非水系電解質を備え、
1)セパレータが、多孔性シートから本質的になり、
2)正極活物質及び負極活物質がリチウムを可逆的にドープ及び脱ドープすることが可能であり、正極に含まれる全リチウム量をQp(mAh)、負極がドープ可能なリチウム量をQn(mAh)としたときに、Qp>Qnであり、
3)0.2Qn<Ic<2Qnの充電電流Ic(mA)で充電したときに、充電電気量Qc(mAh)が1<Qc/Qn<Qp/Qnの範囲において、電池の充電により負極上に生じるリチウム種を介してリチウムの正極へのドープが開始され、Qc>Qpまで継続される、
電池であって、特に以下に記載する如き特徴を有する。
The present invention will be described in detail below.
The lithium ion secondary battery of the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode, a separator and a non-aqueous electrolyte,
1) The separator consists essentially of a porous sheet,
2) The positive electrode active material and the negative electrode active material can be reversibly doped and dedoped with lithium. The total amount of lithium contained in the positive electrode is Qp (mAh), and the amount of lithium that the negative electrode can be doped is Qn (mAh). ) And Qp> Qn,
3) When charged with a charging current Ic (mA) of 0.2Qn <Ic <2Qn, the charged electricity amount Qc (mAh) is within the range of 1 <Qc / Qn <Qp / Qn, and is charged on the negative electrode by charging the battery. Doping of the positive electrode of lithium is initiated through the resulting lithium species and continues until Qc> Qp.
A battery having the following characteristics.

[過充電防止機能]
本発明のリチウムイオン二次電池においては、0.2Qn<Ic<2Qnといった実用的な充電電流Icで充電を行ったとき、過充電時に負極にドープできずに析出するリチウム種を正極表面近傍にまで到達させ、これを正極にドープし、さらにこの現象をQc>Qpまで継続させることにより、電池の過充電の進行を防止する。本発明者らは、負極にドープ可能なリチウム量をQn、正極に含まれるリチウム量をQpとしたときに、充電電気量Qcが1<Qc/Qn<Qp/Qnであるような浅い過充電深度までに負極表面に析出したリチウム種を正極界面近傍に到達させることにより、リチウムイオン二次電池の過充電時の安全性が確保できるだけでなく、この場合には正極界面近傍に到達したリチウム種は正極にドープされてしまうために正負極間の完全な内部短絡は起こらず、過充電後も放電可能であることを見出したものである。
[Overcharge prevention function]
In the lithium ion secondary battery of the present invention, when charged with a practical charging current Ic such as 0.2Qn <Ic <2Qn, the lithium species deposited without being doped on the negative electrode during overcharging is located near the positive electrode surface. And then this is doped into the positive electrode and this phenomenon is continued until Qc> Qp, thereby preventing the battery from being overcharged. The inventors of the present invention have proposed a shallow overcharge in which the amount of charged electricity Qc is 1 <Qc / Qn <Qp / Qn, where Qn is the amount of lithium that can be doped into the negative electrode and Qp is the amount of lithium contained in the positive electrode. By allowing lithium species deposited on the negative electrode surface to reach the vicinity of the positive electrode interface by the depth, not only can the safety during overcharging of the lithium ion secondary battery be ensured, but in this case, the lithium species that has reached the positive electrode interface. Has been found to be capable of discharging even after overcharging without being completely short-circuited between the positive and negative electrodes because it is doped in the positive electrode.

上記の過充電防止機能は、過充電時に負極上に生じるリチウム種の正極へのドープにより過充電が防止され、この現象がQc>Qpまで継続することで過充電時の電池の安全を確保することが特徴であるが、より高度の電池の安全性を確保するためには上記の現象をQc/3Qnまで継続させることが好ましい。   The above overcharge prevention function prevents overcharge by doping the positive electrode of lithium species generated on the negative electrode during overcharge, and this phenomenon continues until Qc> Qp, thereby ensuring the safety of the battery during overcharge. However, in order to ensure a higher level of battery safety, it is preferable to continue the above phenomenon up to Qc / 3Qn.

Qc/Qn<1でこの現象が起こるようなリチウムイオン二次電池は完全に充電できない電池であり、好ましくない。また、Qc/Qn<Qp/Qnでこの現象が発現しないときは、リチウム量の関係からQc/Qn>Qp/Qnでこの現象が起こることはありえない。   A lithium ion secondary battery in which this phenomenon occurs when Qc / Qn <1 is a battery that cannot be fully charged and is not preferable. Further, when this phenomenon does not occur when Qc / Qn <Qp / Qn, this phenomenon cannot occur when Qc / Qn> Qp / Qn because of the amount of lithium.

当然のことではあるが、このような過充電防止機能をもつリチウムイオン二次電池を得るためには、正極に含まれる全リチウム量Qpと負極がドープ可能なリチウム量Qnは、Qp>Qnである必要がある。本発明の電池の過充電防止機能は、過充電時に負極表面に析出するリチウム種を利用して得られるものであるが、このリチウム種はもともと正極に含有されていたものであり、このとき用いることのできるリチウム量はQp−Qnであるので、Qp<Qnである場合には本発明の過充電防止機能を発現させることは原理的に不可能である。   Naturally, in order to obtain a lithium ion secondary battery having such an overcharge prevention function, the total lithium amount Qp contained in the positive electrode and the lithium amount Qn that can be doped by the negative electrode are Qp> Qn. There must be. The overcharge prevention function of the battery of the present invention is obtained by utilizing the lithium species deposited on the negative electrode surface during overcharge. This lithium species was originally contained in the positive electrode and used at this time. Since the amount of lithium that can be used is Qp-Qn, when Qp <Qn, it is impossible in principle to develop the overcharge prevention function of the present invention.

本発明のリチウムイオン二次電池のより高度の安全性を考慮すると、負極にリチウムが完全にドープされたときに正極に残っているリチウム量(Qp−Qn)の半分を使ってこの過充電防止機能が発現することがより好ましい。すなわち、充電電気量Qcが1<Qc/Qn<0.5(Qp/Qn+1)であるようなより浅い充電深度のときにこの過充電防止機能が発現することがさらに好ましい。   Considering the higher level of safety of the lithium ion secondary battery of the present invention, this overcharge prevention is performed using half of the amount of lithium remaining in the positive electrode (Qp-Qn) when the negative electrode is completely doped with lithium. It is more preferable that the function is expressed. That is, it is more preferable that this overcharge prevention function is manifested at a shallower charging depth such that the amount of charge Qc is 1 <Qc / Qn <0.5 (Qp / Qn + 1).

ここで、正極に含まれる全リチウム量Qp、負極がドープ可能なリチウム量Qnは、単位面積に含まれる正極活物質及び負極活物質の重量から計算できる。また、作用極に正極または負極を用い、参照極及び対極にリチウム金属を用いた三電極式セルを組み、充放電測定することによっても求めることが可能である。   Here, the total amount of lithium Qp contained in the positive electrode and the amount of lithium Qn that can be doped by the negative electrode can be calculated from the weight of the positive electrode active material and the negative electrode active material contained in the unit area. It can also be obtained by measuring charge / discharge by assembling a three-electrode cell using a positive electrode or a negative electrode for the working electrode and lithium metal for the reference electrode and the counter electrode.

本発明の電池におけるこのような過充電防止機能を確認するためには、次のような方法がある。すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池から正極及び負極を取り出し、Qp及びQnを上記の方法により測定して、Qp>Qnの関係になっていることを確認する。また、本発明のリチウムイオン二次電池から正極、負極及びセパレータを取り出し、これらの正極および負極をセパレータを介して接合させ、電解質(電解液)を注入して評価セル1を作製する。この評価セル1を0.2Qn<Ic<2Qnの条件を満たす充電電流Icにて充電したときに、充電電気量Qcが1<Qc/Qn<Qp/Qnの範囲で、セル電圧の降下、セル電圧の振動、またはセル電圧上昇の概略の停止が観察されることを確認する。このセル電圧の降下、セル電圧の振動、あるいはセル電圧上昇の概略の停止が開始したときの充電電気量をQ1(mAh)とする。また、セル電圧の振動または電池電圧上昇の概略の停止、場合によっては電池電圧の降下がQc>Qpまで継続することを確認する。次に、本発明のリチウムイオン二次電池からセパレータと正極を取り出し、この正極をこのセパレータを介して負極集電体(すなわちQn=0)と接合し、電解質(電解液)を注入して評価セル2を作製する。このような評価セル2において、負極集電体を負極に見立て、0.2Qn<Ic<2Qnを満たす充電電流Icで充電したときに、セル電圧の降下、セル電圧の振動、またはセル電圧上昇の概略の停止が開始したときの電気量をQ2(mAh)とする。ここで、Q1>Q2(理想的にはQ2=Q1−Qn)の関係があれば、観察されたセル電圧の降下、セル電圧の振動、またはセル電圧上昇の概略の停止が、もともと正極が含有していた負極上に生じるリチウム種によるものとなり、目的の過充電保護機能を確認することができる。   In order to confirm such an overcharge prevention function in the battery of the present invention, there are the following methods. That is, the positive electrode and the negative electrode are taken out from the lithium ion secondary battery of the present invention, and Qp and Qn are measured by the above method to confirm that the relationship of Qp> Qn is satisfied. In addition, the positive electrode, the negative electrode, and the separator are taken out from the lithium ion secondary battery of the present invention, the positive electrode and the negative electrode are joined through the separator, and an electrolyte (electrolytic solution) is injected to produce the evaluation cell 1. When this evaluation cell 1 is charged with a charging current Ic that satisfies the condition of 0.2Qn <Ic <2Qn, the cell voltage drop, cell, and the like in the range of 1 <Qc / Qn <Qp / Qn, Observe that a voltage oscillation or a rough cessation of the cell voltage rise is observed. Let Q1 (mAh) be the amount of charge when this cell voltage drop, cell voltage oscillation, or a rough stop of the cell voltage rise starts. Further, it is confirmed that the cell voltage oscillation or the battery voltage increase is roughly stopped, and in some cases, the battery voltage decrease continues until Qc> Qp. Next, the separator and the positive electrode are taken out from the lithium ion secondary battery of the present invention, this positive electrode is joined to the negative electrode current collector (ie, Qn = 0) through this separator, and an electrolyte (electrolytic solution) is injected for evaluation. Cell 2 is fabricated. In such an evaluation cell 2, when the negative electrode current collector is regarded as a negative electrode and charged with a charging current Ic that satisfies 0.2Qn <Ic <2Qn, cell voltage drop, cell voltage oscillation, or cell voltage rise Let Q2 (mAh) be the amount of electricity when an approximate stop is started. Here, if there is a relationship of Q1> Q2 (ideally Q2 = Q1-Qn), the observed cell voltage drop, cell voltage oscillation, or rough stop of cell voltage rise is originally included in the positive electrode Therefore, the intended overcharge protection function can be confirmed.

上記の試験において、もし負極集電体を取り出すことが困難であれば、負極集電体のかわりに銅箔やリチウム箔を用いることもできる。また、上記の試験で用いる電解液としてはリチウムイオン二次電池で一般的に用いられている電解液を用いることができる。   In the above test, if it is difficult to take out the negative electrode current collector, a copper foil or a lithium foil can be used instead of the negative electrode current collector. Moreover, as an electrolytic solution used in the above test, an electrolytic solution generally used in a lithium ion secondary battery can be used.

本発明のリチウムイオン二次電池において、過充電防止機能が発現すると、充電という操作によって注入された電気エネルギーはジュール熱として系外に放出される。このジュール熱は充電電流×電池電圧で表される。このため、大きな充電電流を用いるとジュール熱の効果が支配的となり、過充電保護機能を的確に評価することが困難となる。充電電流Icとして、実用的な0.2Qn<Ic<2Qnの範囲を採用することを考えると、評価セルの容量は小さい方が好ましい。上記の評価セルとしてはボタン型セル程度のサイズが好適であるが、これに限定されるものではない。   In the lithium ion secondary battery of the present invention, when the overcharge prevention function is manifested, the electric energy injected by the charging operation is released out of the system as Joule heat. This Joule heat is expressed by charging current × battery voltage. For this reason, when a large charging current is used, the effect of Joule heat becomes dominant, and it becomes difficult to accurately evaluate the overcharge protection function. Considering that a practical range of 0.2Qn <Ic <2Qn is adopted as the charging current Ic, it is preferable that the capacity of the evaluation cell is small. The size of the evaluation cell is preferably about the size of a button type cell, but is not limited to this.

上記の過充電防止機能を、正極にコバルト酸リチウム、負極にリチウムをドープし、脱ドープすることが可能な炭素材料を用いた最も一般的なリチウムイオン二次電池系で説明すると以下の如くなる。このリチウムイオン二次電池系は、負極にドープ可能なリチウム量(Qn)は正極に含有されているリチウム量(Qp)の約半分で一般的に設計されている。すなわち、2Qn=Qp。従来のこの系のリチウムイオン二次電池は、携帯電話に用いられるようなサイズでは、1C(充電電流Ic=Qn)で充電したときに、正極からリチウムをすべて引き抜いた充電率が200%(充電電気量Qc=Qp)を超えたあたりで破裂、発火を起こす。   The above-described overcharge prevention function can be explained with the most general lithium ion secondary battery system using a carbon material that can be doped and dedoped with lithium cobaltate on the positive electrode and lithium on the negative electrode. . This lithium ion secondary battery system is generally designed so that the amount of lithium (Qn) that can be doped into the negative electrode is about half of the amount of lithium (Qp) contained in the positive electrode. That is, 2Qn = Qp. In the conventional lithium ion secondary battery of this type, when it is charged with 1C (charging current Ic = Qn), the charging rate obtained by extracting all lithium from the positive electrode is 200% (charging). Rupture and ignition occur when the amount of electricity exceeds Qc = Qp).

上記を踏まえると、正極からすべてリチウムが引き抜かれることを防ぐ、すなわち、充電の進行を食い止めることで過充電時の安全性は確保できることになるが、本発明のリチウムイオン二次電池における過充電防止機能は、過充電時に負極上に析出するリチウム種を介してこれを行うことを特徴としている。すなわち、リチウム種の正極へのドープを充電率が200%以下(Qc<Qp)、より好ましくは150%(Qc<0.5(Qp+Qn))以下で開始させる必要がある。   Based on the above, it is possible to prevent all lithium from being extracted from the positive electrode, that is, safety during overcharging can be secured by stopping the progress of charging, but overcharge prevention in the lithium ion secondary battery of the present invention The function is characterized by performing this via lithium species that deposit on the negative electrode during overcharge. That is, it is necessary to start the doping of the lithium species into the positive electrode when the charging rate is 200% or less (Qc <Qp), more preferably 150% (Qc <0.5 (Qp + Qn)) or less.

また、この負極上の析出したリチウム種の正極へのドープを継続させなければ過充電を防止することにはならない。すなわち、充電率200%以上(Qc>Qp)、より好ましくは300%以上(Qc>3Qn)継続させる必要がある。   Moreover, unless the doping of the lithium species deposited on the negative electrode to the positive electrode is continued, overcharging will not be prevented. That is, it is necessary to continue the charging rate of 200% or more (Qc> Qp), more preferably 300% or more (Qc> 3Qn).

上記のような機構に基づく過充電防止機能を有する本発明のリチウムイオン二次電池は、以下のような特徴を示す。   The lithium ion secondary battery of the present invention having an overcharge prevention function based on the mechanism as described above exhibits the following characteristics.

1)0.2Qn<Ic<2Qnを満たす充電電流Icで充電したときに、電池電圧の降下が起こるか、電池電圧の振動が起こるか、または電池電圧の上昇がほぼ停止する充電電気量Qcが1<Qc/Qn<Qp/Qnの範囲にある。   1) When charging is performed with a charging current Ic that satisfies 0.2Qn <Ic <2Qn, the charge electricity quantity Qc at which the battery voltage drops, the battery voltage oscillates, or the battery voltage rise almost stops is 1 <Qc / Qn <Qp / Qn.

ここで、電池電圧の降下は、負極上に生じたリチウム種が正極へドープされることにより起こる。また、電池電圧の振動はリチウム種のドープが断続的に起きていることを示す。この電池電圧の降下及び振動は電池の内部抵抗に依存し、電池の内部抵抗が小さい場合には観察され難い。このような場合は、電圧のサンプリングタイムを極力小さくすることで観察できることもある。また、リチウム種の負極上への析出及び正極へのドープというサイクルの速度が極めて速い場合にも、電池電圧の降下及び電池電圧の振動は観察され難い。このサイクルが早く、電池の内部抵抗が小さい場合に、電池電圧の上昇がほぼ停止するという現象がみかけ上観察される。   Here, the drop in battery voltage occurs when the lithium species produced on the negative electrode are doped into the positive electrode. Moreover, the vibration of the battery voltage indicates that the doping of the lithium species occurs intermittently. The drop and vibration of the battery voltage depend on the internal resistance of the battery, and are difficult to observe when the internal resistance of the battery is small. In such a case, observation may be made by minimizing the voltage sampling time. In addition, even when the cycle rate of deposition of lithium species on the negative electrode and doping of the positive electrode is extremely high, the battery voltage drop and the battery voltage vibration are hardly observed. When this cycle is fast and the internal resistance of the battery is small, a phenomenon that the increase in the battery voltage almost stops is apparently observed.

2)0.2Qn<Ic<2Qnを満たす充電電流Icで充電したときに、充電電気量Qcが1<Qc/Qn<Qp/Qnの範囲において、10mV以上の電池電圧の振動が開始され、Qc>Qpまで継続される。   2) When charging is performed with a charging current Ic that satisfies 0.2Qn <Ic <2Qn, the battery voltage starts to oscillate at 10 mV or more in the range where the charge quantity Qc is 1 <Qc / Qn <Qp / Qn, and Qc > Continues until Qp.

上記のように電池電圧の振動は、リチウム種の負極上への析出、正極へのドープというサイクルが繰り返されていることを証明するのであるが、これがQc>Qpまで継続するということは十分な過充電防止機能が発現していることになる。   As described above, the oscillation of the battery voltage proves that the cycle of deposition of lithium species on the negative electrode and doping of the positive electrode is repeated, but it is sufficient that this continues until Qc> Qp. The overcharge prevention function is manifested.

3)0.2Qn<Ic<2Qnを満たす充電電流Icで充電電気量Qcが2<Qc/Qn<3となるように充電し、0.1Qn<Id<0.5Qnの放電電流Idで放電を行ったとき、放電電気量Qdが1<Qd/Qn<Qp/Qnの範囲にある。   3) Charging is performed with a charging current Ic satisfying 0.2Qn <Ic <2Qn such that the charge electric quantity Qc becomes 2 <Qc / Qn <3, and discharging is performed with a discharging current Id of 0.1Qn <Id <0.5Qn. When carried out, the discharge electricity quantity Qd is in the range of 1 <Qd / Qn <Qp / Qn.

本発明のリチウムイオン二次電池は、完全な内部短絡を引き起こすことはないから、その後放電可能である。この過充電防止メカニズムが働いていれば、負極上に残存しているリチウムも考慮して、放電電気量Qdは1<Qd/Qn<Qp/Qnの範囲になる。   Since the lithium ion secondary battery of the present invention does not cause a complete internal short circuit, it can be discharged thereafter. If this overcharge prevention mechanism is working, the amount of discharged electricity Qd is in the range of 1 <Qd / Qn <Qp / Qn in consideration of the lithium remaining on the negative electrode.

4)0.2Qn<Ic<2Qnを満たす充電電流Icで充電したときに、充電電気量Qcが1<Qc/Qn<1.5Qp/Qnの全範囲において、電池電圧が5.5V以下となる。   4) When charged with a charging current Ic satisfying 0.2Qn <Ic <2Qn, the battery voltage is 5.5 V or less in the entire charge quantity Qc range of 1 <Qc / Qn <1.5Qp / Qn. .

本発明のリチウムイオン二次電池は、上記のようなメカニズムで充電の進行を防止するから、電池電圧は電解質(電解液)が分解する電圧まで上昇することはない。このことから、この過充電防止機能が働いている場合、現在一般に用いられているような正極活物質を用いる限りは決して5.5V以上になることはない。   Since the lithium ion secondary battery of the present invention prevents the progress of charging by the mechanism as described above, the battery voltage does not rise to a voltage at which the electrolyte (electrolytic solution) is decomposed. From this, when this overcharge prevention function is working, as long as a positive electrode active material generally used at present is used, the voltage never exceeds 5.5V.

5)充電電気量QcがQc/Qn=0.5のときの1kHzでの電池内部抵抗R0.5と、Qc=Qpのときの1kHzでの電池内部抵抗Rが1.5R0.5>Rである。
この過充電防止機能が働いているときは、通常の過充電時のような電解液の分解は起こらず、そのため電池の内部抵抗が顕著に増大することはない。
5) Battery internal resistance R 0.5 at 1 kHz when the amount of charged electricity Qc is Qc / Qn = 0.5, and battery internal resistance R 2 at 1 kHz when Qc = Qp is 1.5R 0.5 > is R 2.
When this overcharge prevention function is working, the electrolytic solution does not decompose as in normal overcharge, and the internal resistance of the battery does not increase significantly.

6)充電電気量QcがQp<Qc<1.5Qpの範囲において、電池の充電により負極上に生じるリチウム種の最長径が100μm以下である。   6) The longest diameter of the lithium species generated on the negative electrode by charging the battery is 100 μm or less in the range where the charge electric quantity Qc is in the range of Qp <Qc <1.5Qp.

この過充電防止機能は、負極上に析出するリチウム種を微細にして、正極界面近傍に急速に到達させているために発現する。   This overcharge prevention function is manifested because the lithium species deposited on the negative electrode is made fine and rapidly reaches the vicinity of the positive electrode interface.

本発明のリチウムイオン二次電池は、原理的には上記1)〜6)の特徴を全て有するが、電池容量の増大に伴い充電電流が大きくなると、ジュール熱の問題からすべての特徴を満たさない場合も出てくる。概ね、上記1)〜6)特徴のうちの1つ、さらに好適には2つを満たすことにより、本発明のリチウムイオン二次電池に必要な過充電防止機能を有することが確認できる。   The lithium ion secondary battery of the present invention has all the features 1) to 6) in principle, but if the charging current increases with the increase in battery capacity, it does not satisfy all the features due to the Joule heat problem. A case also comes out. In general, by satisfying one of the above features 1) to 6), more preferably two, it can be confirmed that the battery has an overcharge prevention function necessary for the lithium ion secondary battery of the present invention.

また、本発明のリチウムイオン二次電池では、過充電防止機能を考えれば当然のことであるが、過充電時に異常な電解液の分解は起こらず、正極の結晶構造を破壊するようなこともない。異常な電解液の分解が起こらないことはGC−MSのような方法で確認できる。また、正極の結晶構造の破壊が起こらないことは、X線回折のピークパターンから確認することができる。   Further, in the lithium ion secondary battery of the present invention, it is natural that the overcharge prevention function is considered, but abnormal decomposition of the electrolyte does not occur at the time of overcharge, and the crystal structure of the positive electrode may be destroyed. Absent. It can be confirmed by a method such as GC-MS that abnormal electrolyte decomposition does not occur. Moreover, it can be confirmed from the peak pattern of X-ray diffraction that the crystal structure of the positive electrode does not break.

[電極]
本発明のリチウムイオン二次電池に用いる正極及び負極には、リチウムを可逆的にドープおよび脱ドープすることが可能な活物質が用いられ、上記で述べた正極に含まれる全リチウム量Qpと負極がドープ可能なリチウム量Qnの関係であるQp>Qnが満たされていれば、特にその他の限定はなく、リチウムイオン二次電池に一般的に用いられる材料を用いることができる。
[electrode]
For the positive electrode and negative electrode used in the lithium ion secondary battery of the present invention, an active material capable of reversibly doping and dedoping lithium is used, and the total lithium amount Qp contained in the positive electrode described above and the negative electrode are used. As long as Qp> Qn, which is the relationship of the amount of lithium Qn that can be doped, is satisfied, there is no particular limitation, and materials generally used for lithium ion secondary batteries can be used.

正極及び負極は、一般に活物質と、活物質を結着し、電解液を保持するバインダーポリマー、及び集電体から構成される。また、電極の電導度の向上を目的として導電助剤を添加することも可能である。   The positive electrode and the negative electrode are generally composed of an active material, a binder polymer that binds the active material and holds an electrolytic solution, and a current collector. It is also possible to add a conductive aid for the purpose of improving the electrical conductivity of the electrode.

本発明のリチウムイオン二次電池において、正極活物質にはLiCoO、LiMn、LiNiOなどのリチウム含有遷移金属酸化物が好適に用いられる。また、負極活物質には、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フェノールノボラック樹脂、セルロースなどの有機高分子化合物を焼結したもの、コークス、ピッチを焼結したものや人造黒鉛、天然黒鉛に代表される炭素材料が好適に用いられる。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, lithium-containing transition metal oxides such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , and LiNiO 2 are preferably used as the positive electrode active material. The negative electrode active material includes polyacrylonitrile, phenol resin, phenol novolac resin, sintered organic polymer compounds such as cellulose, coke, sintered pitch, carbon represented by artificial graphite and natural graphite. Materials are preferably used.

バインダーポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、PVdFとヘキサフロロプロピレン(HFP)やパーフロロメチルビニルエーテル(PFMV)及びテトラフロロエチレンとの共重合体などのPVdF共重合体樹脂、ポリテトラフロロエチレン、フッ素ゴムなどのフッ素樹脂やスチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体などの炭化水素系ポリマーや、カルボキシメチルセルロース、ポリイミド樹脂などを用いることができるがこれらに限定されるものではない。また、これらは単独で用いられても、2 種類以上を混合して用いられてもよい。   As binder polymers, PVdF copolymer resins such as polyvinylidene fluoride (PVdF), PVdF and hexafluoropropylene (HFP), a copolymer of perfluoromethyl vinyl ether (PFMV) and tetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene, Fluorine resins such as fluoro rubber, hydrocarbon polymers such as styrene-butadiene copolymer and styrene-acrylonitrile copolymer, carboxymethyl cellulose, polyimide resin and the like can be used, but are not limited thereto. These may be used alone or in combination of two or more.

集電体については、正極には耐酸化性に優れた材料が用いられ、負極には耐還元性に優れた材料が用いられる。具体的には、正極集電体としてアルミニウム、ステンレススチールなどを挙げることができ、負極集電体としては銅、ニッケル、ステンレススチールを挙げることができる。また、形状については箔状、メッシュ状のものを用いることができる。特に、正極集電体としてはアルミニウム箔、負極集電体としては銅箔が好適に用いられる。   As for the current collector, a material excellent in oxidation resistance is used for the positive electrode, and a material excellent in reduction resistance is used for the negative electrode. Specifically, examples of the positive electrode current collector include aluminum and stainless steel, and examples of the negative electrode current collector include copper, nickel, and stainless steel. Moreover, about a shape, a foil shape and a mesh shape can be used. In particular, an aluminum foil is suitably used as the positive electrode current collector, and a copper foil is suitably used as the negative electrode current collector.

導電助剤としては、カーボンブラック(アセチレンブラック)が好適に用いられるが、これに限定されるものではない。   Carbon black (acetylene black) is preferably used as the conductive assistant, but is not limited thereto.

活物質、バインダーポリマー、導電助剤の配合比は、活物質100重量部に対してバインダーポリマー3〜30重量部の範囲が好ましく、導電助剤0〜10重量部の範囲が好ましい。   The mixing ratio of the active material, the binder polymer, and the conductive assistant is preferably in the range of 3 to 30 parts by weight of the binder polymer with respect to 100 parts by weight of the active material, and preferably in the range of 0 to 10 parts by weight of the conductive assistant.

上記のような電極を製造するための方法としては、特に限定されるものではなく、公知の方法を採用することができる。   The method for producing the electrode as described above is not particularly limited, and a known method can be adopted.

[セパレータ]
本発明のリチウムイオン二次電池に好ましく用いられるセパレータには、2つの形態がある。
[Separator]
There are two types of separators preferably used in the lithium ion secondary battery of the present invention.

第1の形態は、平均膜厚10〜35μm、目付6〜20g/m、透気度(JIS P8117:100ccの空気が1inの面積を2.3cmHgの圧力で透過するのに要する時間)100秒以下、マクミラン数10以下、マクミラン数×平均膜厚が200μm以下のシート(A)である。このようなシート(A)は空隙が大きいばかりでなく、電池を組んだときにセパレータの貫通孔中をつたって測った正負極間の最短距離とセパレータの膜厚との比(曲路率)が1に近い貫通孔が多数存在するため、過充電時に負極上に生じるリチウム種が正極界面近傍に近づくことを容易にする。このため、前述のような過充電防止機能を発現するには好適である。 The first form has an average film thickness of 10 to 35 μm, basis weight of 6 to 20 g / m 2 , and air permeability (JIS P8117: time required for 100 cc of air to pass through a 1 in 2 area at a pressure of 2.3 cmHg) The sheet (A) has a Macmillan number of 10 or less and a Macmillan number × average film thickness of 200 μm or less for 100 seconds or less. Such a sheet (A) not only has a large gap, but also the ratio (curvature) between the shortest distance between the positive and negative electrodes measured through the through hole of the separator when the battery is assembled and the film thickness of the separator. Since there are many through holes close to 1, it is easy for lithium species generated on the negative electrode during overcharge to approach the vicinity of the positive electrode interface. For this reason, it is suitable for expressing the overcharge prevention function as described above.

平均膜厚が10μm未満、目付が6g/m未満であるようなシートは、過充電防止機能は発現しやすいが、強度的に不十分であったり、短絡を頻発したりして、セパレータとして好ましくない。 Sheets with an average film thickness of less than 10 μm and a basis weight of less than 6 g / m 2 tend to exhibit an overcharge prevention function, but they are insufficient in strength or frequently cause short-circuits. It is not preferable.

耐短絡性ついて考えると突刺し強度が一つの指標になり得る。突刺し強度は3g/μm以上でかつ実効突刺し強度(突刺し強度×膜厚)が80g以上であることが好ましい。ここで、突刺し強度は、11.3mmφの固定枠にシートをセットし、先端部半径0.5mmの針をシートの中央に垂直に突き立て、50mm/分の一定速度で針を押し込み、シートに穴が開いた時の針にかかっている力をシートの平均膜厚で規格化した値である。
平均膜厚が10μm未満、目付が6g/m未満であるようなシートでは、突刺し強度としてこのような条件を満たすものを得ることが困難となる。
When considering short-circuit resistance, puncture strength can be an index. The puncture strength is preferably 3 g / μm or more and the effective puncture strength (puncture strength × film thickness) is preferably 80 g or more. Here, the puncture strength is set on a fixed frame of 11.3 mmφ, a needle having a tip radius of 0.5 mm is vertically projected at the center of the sheet, and the needle is pushed in at a constant speed of 50 mm / min. This is a value obtained by standardizing the force applied to the needle when a hole is formed in the sheet with the average film thickness.
In a sheet having an average film thickness of less than 10 μm and a basis weight of less than 6 g / m 2 , it is difficult to obtain a sheet that satisfies such conditions as piercing strength.

また、平均膜厚が35μmより大きく、目付が20g/mより大きく、透気度(JIS P8117)が100秒を超えるようなシートは、過充電防止機能に関して不利になるだけでなく、内部抵抗の増大に伴う電池特性の低下、エネルギー密度の低下の観点からも好ましくない。電池特性的に考えると、シート(A)は、マクミラン数10以下で、マクミラン数×平均膜厚は200μm以下であるのが好適である。より好ましくは、マクミラン数×平均膜厚は150μm以下である。ここで、マクミラン数は電池用セパレータのイオン伝導度を示す指標であり、シート(A)に電解液を含浸させたときのインピーダンスと電解液のみのインピーダンスとの比である。この明細書では、マクミラン数として25℃において測定された値を採用している。平均膜厚35μm超、目付20g/m超であり、透気度(JIS P8117)が100秒を超えるようなシートでは、上記のようなマクミラン数及びマクミラン数×平均膜厚の条件を満たすことが困難となる。 A sheet having an average film thickness larger than 35 μm, a basis weight larger than 20 g / m 2 , and an air permeability (JIS P8117) exceeding 100 seconds is not only disadvantageous with respect to the overcharge prevention function, but also has an internal resistance. This is also not preferable from the viewpoint of a decrease in battery characteristics and an energy density due to an increase in the density. Considering the battery characteristics, it is preferable that the sheet (A) has a Macmillan number of 10 or less and the Macmillan number × average film thickness is 200 μm or less. More preferably, the Macmillan number × average film thickness is 150 μm or less. Here, the Macmillan number is an index indicating the ionic conductivity of the battery separator, and is a ratio between the impedance when the sheet (A) is impregnated with the electrolytic solution and the impedance of the electrolytic solution alone. In this specification, the value measured at 25 ° C. is adopted as the Macmillan number. For sheets with an average film thickness of more than 35 μm and a basis weight of more than 20 g / m 2 and an air permeability (JIS P8117) exceeding 100 seconds, the above conditions of Macmillan number and Macmillan number × average film thickness must be satisfied. It becomes difficult.

シート(A)の具体例としては、一般のリチウムイオン二次電池のセパレータに用いられているポリオレフィン微多孔膜のような構造の膜に硬い突起物やレーザーで穴を開けたシート、不織布のような繊維から形成されているシートが挙げられるが、シート(A)は上記のような条件を満足していればよく、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the sheet (A) include a sheet having a structure having a structure like a polyolefin microporous film used for a separator of a general lithium ion secondary battery, a hole having a hard protrusion or a laser, and a nonwoven fabric. Although the sheet | seat formed from a simple fiber is mentioned, the sheet | seat (A) should just satisfy the above conditions, and is not limited to these.

シート(A)が繊維により構成されている場合、シートを構成する繊維の平均繊維径がシート(A)の平均膜厚の1/2〜1/10であるのが好適である。平均繊維径がシート(A)の平均膜厚の1/10未満になると曲路率が大きくなり、十分な電池特性が得られないだけでなく過充電防止機能に関して不利になる。また、平均繊維径がシート(A)の平均膜厚の1/2を超えると、繊維同士の交絡点が少なくなり、十分な強度を有するシートを得ることができない。また、シート(A)の目開きが大きすぎて電池を作製した際に短絡を併発するという問題もある。さらに、後述する本発明のセパレータにおける第2の形態でこのようなシート(A)を用いた場合にピンホールが多発し、十分なセパレータが得られないという問題もある。   When the sheet (A) is composed of fibers, it is preferable that the average fiber diameter of the fibers constituting the sheet is 1/2 to 1/10 of the average film thickness of the sheet (A). When the average fiber diameter is less than 1/10 of the average film thickness of the sheet (A), the curvature increases, and not only sufficient battery characteristics cannot be obtained, but also an overcharge prevention function is disadvantageous. Moreover, when an average fiber diameter exceeds 1/2 of the average film thickness of a sheet | seat (A), the entanglement point of fibers will decrease and the sheet | seat which has sufficient intensity | strength cannot be obtained. In addition, there is a problem that a short circuit occurs simultaneously when the opening of the sheet (A) is too large to produce a battery. Furthermore, when such a sheet | seat (A) is used in the 2nd form in the separator of this invention mentioned later, there also exists a problem that pinholes generate frequently and sufficient separator cannot be obtained.

シート(A)を繊維により構成する場合、不織布の形態が好適である。不織布の製造法としては、一般に用いられている乾式法、スパンボンド法、ウォーターニードル法、スパンレース法、湿式抄造法、メルトブロー法等を挙げることができる。これらの製造法のうちでは、均一で薄葉の不織布を得やすい湿式抄紙法が特に好適である。   When the sheet (A) is composed of fibers, a non-woven fabric is preferable. Examples of the method for producing the nonwoven fabric include commonly used dry methods, spunbond methods, water needle methods, spunlace methods, wet papermaking methods, and melt blow methods. Of these production methods, a wet papermaking method that facilitates obtaining a uniform, thin-leaf nonwoven fabric is particularly preferred.

本発明のリチウムイオン二次電池における過充電防止機能は、セパレータの構造に大きく関係し、シート(A)を構成する材料には特に関係ないと考えられる。すなわち、シート(A)には、十分な耐酸化性及び耐還元性を有する材料であれば、好適に用いることが可能である。このような材料として、ポリエステル、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリオレフィン等が挙げられる。ここで、これらを単独で用いても、これらの2種以上を混合して用いてもよい。また、シート(A)を構成する材料は、成形体を得るのに十分な分子量を有していればよく、概ね5000以上の分子量(重量平均分子量:Mw)であれば、好適に用いることが可能である。   The overcharge prevention function in the lithium ion secondary battery of the present invention is largely related to the structure of the separator, and is considered not to be particularly related to the material constituting the sheet (A). That is, any material having sufficient oxidation resistance and reduction resistance can be suitably used for the sheet (A). Examples of such a material include polyester, aromatic polyamide, polyphenylene sulfide, and polyolefin. Here, these may be used alone or in combination of two or more thereof. Moreover, the material which comprises a sheet | seat (A) should just have molecular weight sufficient to obtain a molded object, and if it is about 5000 or more molecular weight (weight average molecular weight: Mw), it will use suitably. Is possible.

第2の形態は、上記のシート(A)を内包し、電解液に膨潤してこれを保持する多孔質有機高分子膜(B)を含み、平均膜厚10〜35μm、目付10〜25g/mの多孔膜である。上記の如くシート(A)のみでセパレータを構成するときに比べて、この第2の形態は、多孔質有機高分子膜(B)により過充電時に負極上に析出するリチウム種の正極表面近傍への到達が阻害されることがあるので過充電防止機能の観点からは若干劣るかもしれないが、上記のような条件を満足する限りにおいて、十分にリチウムイオン二次電池の過充電時の安全性を確保することができる。一方、第1の形態に対する第2の形態の利点は、電解液保持性と耐短絡性が向上する点であり、液漏れに対して厳しい条件が要求されるフィルム外装電池や短絡に対して厳しい条件が要求される角型電池のようなセパレータが扁平状に捲回された構造をもつ電池に対して有効である。 The second form includes the porous organic polymer film (B) that encloses the sheet (A) and swells and holds the electrolyte solution, and has an average film thickness of 10 to 35 μm and a basis weight of 10 to 25 g / a porous membrane m 2. Compared to the case where the separator is constituted only by the sheet (A) as described above, this second embodiment is close to the surface of the positive electrode of the lithium species deposited on the negative electrode during overcharge by the porous organic polymer film (B). May be slightly inferior from the viewpoint of the overcharge prevention function, but as long as the above conditions are satisfied, the lithium-ion secondary battery is fully safe when overcharged. Can be secured. On the other hand, the advantage of the second embodiment over the first embodiment is that the electrolyte retention and short-circuit resistance are improved, and it is severe for film-clad batteries and short circuits that require severe conditions against liquid leakage. This is effective for a battery having a structure in which a separator such as a square battery that requires conditions is wound in a flat shape.

上記第2の形態において、平均膜厚が10μm未満で、目付が10g/m未満であると、セパレータとしての十分な強度が得られず、短絡等の問題を併発することがある。第1の形態の場合と同様に、このような多孔膜では、突刺し強度が3g/μm以上でかつ実効突刺し強度が80g以上という特性値を得ることが困難になることがある。 In the second embodiment, if the average film thickness is less than 10 μm and the basis weight is less than 10 g / m 2 , sufficient strength as a separator may not be obtained, and problems such as a short circuit may occur at the same time. As in the case of the first embodiment, with such a porous film, it may be difficult to obtain characteristic values of a puncture strength of 3 g / μm or more and an effective puncture strength of 80 g or more.

また、平均膜厚が35μmより大きく、目付が25g/mより大きいと、前述の過充電防止機能に関して不利になるばかりか、電池特性の低下を招くことがある。特に低温特性が好ましくない場合がある。第1の形態の場合と同様に、このような多孔膜では、マクミラン数10以下でかつ膜厚×マクミラン数が200μm以下である多孔膜を得ることが困難になることがある。 Further, if the average film thickness is larger than 35 μm and the basis weight is larger than 25 g / m 2 , not only the above-described overcharge prevention function is disadvantageous, but also the battery characteristics may be deteriorated. In particular, low temperature characteristics may not be preferable. As in the case of the first embodiment, with such a porous film, it may be difficult to obtain a porous film having a Macmillan number of 10 or less and a film thickness × Macmillan number of 200 μm or less.

先にも述べたように、本発明のリチウムイオン二次電池における過充電防止機能はセパレータを構成する材料にはほとんど依存しないので、多孔質有機高分子膜(B)は電解液に膨潤してこれを保持する材料であり、電池に用いるのに十分な耐酸化還元性を有していればよい。このような観点から、多孔質有機高分子膜(B)の好適な材料としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を主体とするPVdF共重合体を挙げることができる。ここで、PVdF共重合体の分子量は、重量平均分子量(Mw)で10,000〜1,000,000の範囲にあるのが好ましい。   As described above, since the overcharge prevention function in the lithium ion secondary battery of the present invention hardly depends on the material constituting the separator, the porous organic polymer film (B) swells in the electrolyte solution. It is a material that holds this, and it is sufficient if it has sufficient redox resistance for use in a battery. From such a viewpoint, a suitable material for the porous organic polymer film (B) includes a PVdF copolymer mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVdF). Here, the molecular weight of the PVdF copolymer is preferably in the range of 10,000 to 1,000,000 in terms of weight average molecular weight (Mw).

PVdF共重合体の好適なフッ化ビニリデン(VdF)共重合割合としては、VdFのモル分率として92〜98モル%の範囲が挙げられる。VdFのモル分率が98%を超えると、ポリマーの結晶性が高すぎ、セパレータの製膜が困難になるだけでなく、電解液に対する膨潤度も低下することがあり、好ましくない。また、VdFのモル分率が92%より少なくなると、ポリマーの結晶性が低下しすぎ、電解液を担持した多孔膜の機械物性及び耐熱性が低下することがあり、好ましくない。   As a suitable vinylidene fluoride (VdF) copolymerization ratio of a PVdF copolymer, the range of 92-98 mol% is mentioned as a molar fraction of VdF. If the molar fraction of VdF exceeds 98%, the crystallinity of the polymer is too high, and it is not only difficult to form a separator, but also the degree of swelling with respect to the electrolytic solution may decrease, which is not preferable. On the other hand, when the molar fraction of VdF is less than 92%, the polymer crystallinity is excessively lowered, and the mechanical properties and heat resistance of the porous membrane supporting the electrolytic solution may be deteriorated.

特に好ましいPVdF共重合体として、VdFとHFPとCTFEとからなる三元共重合体が挙げられる。かかる共重合体の共重合組成としては、VdF/HFP(a)/CTFE(b)〔ここで、(a)=2〜8重量%、(b)=1〜6重量%である〕であるのが特に好ましい。   A particularly preferable PVdF copolymer includes a terpolymer composed of VdF, HFP, and CTFE. The copolymer composition of such a copolymer is VdF / HFP (a) / CTFE (b) [where (a) = 2-8 wt%, (b) = 1-6 wt%]. Is particularly preferred.

HFPの共重合分率(a)が2重量%未満では、非水電解液の膨潤度が低下しがちで、好ましくない。また、それが8重量%超になると、膜の弾性率が低下し、多量の電解液を十分に保持できなくなるとともに、電解液保持状態での耐熱性が低下しがちで、好ましくない。   If the copolymerization fraction (a) of HFP is less than 2% by weight, the swelling degree of the non-aqueous electrolyte tends to decrease, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 8% by weight, the elastic modulus of the film decreases, and a large amount of electrolytic solution cannot be retained sufficiently, and the heat resistance in the state of retaining the electrolytic solution tends to decrease, which is not preferable.

また、CTFEの共重合分率(b)としては、1〜6重量%が好適である。CTFEの分率が1重量%未満では、CTFEの添加効果が十分でなく、耐熱性を維持し電解液保持性を改善することが困難となりがちである。また、その添加量が6重量%よりも多くなると、電解液の膨潤度が低下しがちで、好ましくなくなる。   Moreover, as a copolymerization fraction (b) of CTFE, 1 to 6 weight% is suitable. If the CTFE fraction is less than 1% by weight, the effect of adding CTFE is not sufficient, and it tends to be difficult to maintain heat resistance and improve electrolyte retention. On the other hand, when the amount added is more than 6% by weight, the degree of swelling of the electrolytic solution tends to decrease, which is not preferable.

これらのPVdF共重合体は、それぞれ単独で用いられても、2種以上の共重合体を混合して用いられてもよい。また、必要に応じて、ポリアクリロニトリル(PAN)やポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等の電解液膨潤性の非フッ素ポリマーをブンレンドしてもよい。   These PVdF copolymers may be used alone or as a mixture of two or more kinds of copolymers. If necessary, an electrolyte-swellable non-fluorine polymer such as polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), or polyethylene oxide (PEO) may be blended.

上記多孔膜には、シート(A)と多孔質有機高分子膜(B)以外に、必要に応じて多孔質の無機フィラーが含有されていてもよい。多孔質無機フィラーを含有させることにより、イオン伝導特性を犠牲にせず、膜の耐短絡特性を改善することが可能である。好適な無機フィラーとしては、シリカ、アルミナ等の粒子径0.1〜10μmの多孔質粒子を挙げることができる。   In addition to the sheet (A) and the porous organic polymer film (B), the porous film may contain a porous inorganic filler as necessary. By including a porous inorganic filler, it is possible to improve the short-circuit resistance of the film without sacrificing ionic conduction characteristics. Suitable inorganic fillers include porous particles having a particle diameter of 0.1 to 10 μm such as silica and alumina.

上記多孔膜は、シート(A)に多孔質有機高分子膜(B)を構成する高分子溶液を含浸塗布後、溶媒を除去することにより得ることができる。具体的な多孔膜の製造法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。   The porous film can be obtained by impregnating and applying a polymer solution constituting the porous organic polymer film (B) to the sheet (A) and then removing the solvent. Specific examples of the method for producing a porous membrane include the following methods.

1.多孔質有機高分子膜(B)を構成する高分子と、それを溶解しかつ水に相溶する溶媒と、相分離剤( ゲル化剤もしくは開孔剤) とを混合溶解し、その溶液状態のドープをシート(A)に含浸塗布し、得られた膜を次いで水系の凝固浴に浸漬し、多孔質有機高分子膜(B)を構成する高分子を凝固後、水洗、乾燥を行って多孔膜とする方法。   1. The polymer constituting the porous organic polymer membrane (B), a solvent that dissolves the polymer and is compatible with water, and a phase separation agent (gelling agent or pore opening agent) are mixed and dissolved, and the solution state The dope was impregnated and applied to the sheet (A), and the resulting film was then immersed in an aqueous coagulation bath to coagulate the polymer constituting the porous organic polymer film (B), followed by washing and drying. A method for forming a porous film.

2.多孔質有機高分子膜(B)を構成する高分子と、それを溶解する揮発性溶媒と可塑剤とを混合溶解し、その溶液状態のドープをシート(A)に含浸塗布し、次いで乾燥して揮発性溶媒を除去後、可塑剤を溶解し、多孔質有機高分子膜(B)を構成する高分子を溶解しない揮発性溶剤で可塑剤を抽出後、乾燥を行って多孔膜とする方法。   2. A polymer constituting the porous organic polymer film (B), a volatile solvent for dissolving the polymer, and a plasticizer are mixed and dissolved, and the dope in the solution state is impregnated and applied to the sheet (A) and then dried. After removing the volatile solvent, the plasticizer is dissolved, the plasticizer is extracted with a volatile solvent that does not dissolve the polymer constituting the porous organic polymer film (B), and then dried to form a porous film. .

3.多孔質有機高分子膜(B)を構成する高分子と、可塑剤とを混合後、加熱することにより、多孔質有機高分子膜(B)を構成する高分子を可塑化溶融し、得られたドープをシート(A)に含浸塗布後、膜を冷却して塗膜を固化し、可塑剤を溶解し、多孔質有機高分子(B)を構成する高分子を溶解しない揮発性溶剤で可塑剤を抽出後、乾燥を行って多孔膜とする方法。   3. The polymer constituting the porous organic polymer film (B) and the plasticizer are mixed and then heated to plasticize and melt the polymer constituting the porous organic polymer film (B). After the impregnated dope is impregnated on the sheet (A), the film is cooled to solidify the coated film, the plasticizer is dissolved, and plasticized with a volatile solvent that does not dissolve the polymer constituting the porous organic polymer (B). A method of extracting the agent and drying it to form a porous membrane.

本発明のセパレータの第2の形態においては、第1の形態と電解液の含浸性、保持性などの点で有利である。電解液の含浸性は、電解液含浸量で評価できる。この明細書では、電解液含浸量はセパレータの乾燥重量に対する含浸した電解液の重量分率で示されている。電解液の保持性は、具体的には、非水電解液を含浸させたセパレータを1400×g(重力加速度)の遠心力で20分間遠心処理し、保持力の弱い非水電解液を除去することでセパレータの電解液の保持性を評価できる。この明細書においては、電解液の保持性は遠心処理前のセパレータに対する遠心処理後のセパレータの重量分率で示されている。電解液の保持性は70重量%以上が好ましく、さらに80重量%以上が好ましい。   The second embodiment of the separator of the present invention is advantageous in terms of the first embodiment, the electrolyte solution impregnation property, the retention property, and the like. The impregnation property of the electrolytic solution can be evaluated by the amount of the electrolytic solution impregnated. In this specification, the amount of electrolyte impregnation is shown as a weight fraction of the impregnated electrolyte with respect to the dry weight of the separator. Specifically, the electrolytic solution retainability is obtained by centrifuging a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte solution with a centrifugal force of 1400 × g (gravity acceleration) for 20 minutes to remove the non-aqueous electrolyte solution having a weak retention force. Thus, the retention of the electrolytic solution in the separator can be evaluated. In this specification, the electrolyte retention is indicated by the weight fraction of the separator after centrifugation relative to the separator before centrifugation. The electrolytic solution retainability is preferably 70% by weight or more, and more preferably 80% by weight or more.

本発明のリチウムイオン二次電池に用いられる上記の如きセパレータは、電池製造の際のハンドリング性を考慮すると、1.5×10N/m以上、特に3.0×10N/m以上の耐力点強度を有するのが好ましい。ここで、耐力点強度は、弾性限界の強度であって、フィルムをどの程度の張力でハンドリングできるかの指標を与えるものであり、この数値が高いほどハンドリングが容易で、生産性が高いことを意味する。 The separator as described above used in the lithium ion secondary battery of the present invention is 1.5 × 10 2 N / m or more, particularly 3.0 × 10 2 N / m or more in consideration of handling properties in manufacturing the battery. It is preferable to have a proof stress strength of. Here, the yield strength is the strength of the elastic limit and gives an index of how much tension the film can be handled. The higher this value, the easier the handling and the higher the productivity. means.

耐力点強度は、通常の引張試験によって求められる。本発明においては、セパレータを1cm×3cmの短冊形に切り出し、テンシロンにより引張速度20mm/分で引張試験を行って得られた応力−伸度曲線から耐力点強度を算出した。   The yield strength is determined by a normal tensile test. In the present invention, the strength of the yield strength was calculated from a stress-elongation curve obtained by cutting the separator into 1 cm × 3 cm strips and performing a tensile test with Tensilon at a tensile speed of 20 mm / min.

本発明のセパレータの熱変形温度は150℃以上が好ましく、170℃以上がさらに好ましい。ここで熱変形温度は熱機械分析(TMA)により評価できる。TMAによる熱変形温度の評価は、セパレータを4mm幅の短冊に切り出し、0.01Nの荷重をかけ、10℃/分の速度で昇温させたときに、2%以上の長さ変化(伸び)が起こる温度を熱変形温度として行うことができる。   The heat distortion temperature of the separator of the present invention is preferably 150 ° C. or higher, and more preferably 170 ° C. or higher. Here, the thermal deformation temperature can be evaluated by thermomechanical analysis (TMA). The evaluation of the heat distortion temperature by TMA is performed by cutting a separator into a strip of 4 mm width, applying a load of 0.01 N, and raising the temperature at a rate of 10 ° C./min. The temperature at which this occurs can be used as the heat distortion temperature.

[非水系電解質]
本発明のリチウムイオン二次電池の非水系電解質としては、一般のリチウムイオン二次電池に用いられる非水系溶媒にリチウム塩を溶解したものが用いられる。
[Non-aqueous electrolyte]
As the non-aqueous electrolyte of the lithium ion secondary battery of the present invention, a solution obtained by dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent used in a general lithium ion secondary battery is used.

非水系溶媒の具体的な例としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−ジエトキシエタン(DEE)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、スルホラン、アセトニトリル等を挙げることができる。これらの非水系溶媒は、それぞれ単独で用いられても、2種類以上を混合して用いられてもよい。特に、PC、EC、γ−BL、DMC、DEC、MECおよびDMEから選ばれる少なくとも1種の溶媒が好適に用いられる。   Specific examples of the non-aqueous solvent include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and methyl ethyl carbonate. (MEC), 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,2-diethoxyethane (DEE), γ-butyrolactone (γ-BL), sulfolane, acetonitrile and the like. These non-aqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. In particular, at least one solvent selected from PC, EC, γ-BL, DMC, DEC, MEC and DME is preferably used.

かかる非水系溶媒に溶解するリチウム塩としては、過塩素酸リチウム(LiClO)、六弗化リン酸リチウム(LiPF)、ホウ四弗化リチウム(LiBF)、六弗化砒素リチウム(LiAsF)、トリフロロスルホン酸リチウム(CFSOLi)、リチウムパーフロロメチルスルホニルイミド[LiN(CFSO]およびリチウムパーフロロエチルスルホニルイミド[LiN(CSO]等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、これらは、2種以上を混合して用いられてもよい。溶解するリチウム塩の濃度としては、0.2〜2M(モル/L)の範囲であるのが好ましい。 Examples of the lithium salt dissolved in the non-aqueous solvent include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borotetrafluoride (LiBF 4 ), lithium arsenic hexafluoride (LiAsF 6). ), Lithium trifluorosulfonate (CF 3 SO 3 Li), lithium perfluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ] and lithium perfluoroethylsulfonylimide [LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ]. However, it is not limited to these. Moreover, these may be used in mixture of 2 or more types. The concentration of the lithium salt to be dissolved is preferably in the range of 0.2 to 2M (mol / L).

[リチウムイオン二次電池の製造]
本発明のリチウムイオン二次電池の製造法としては、特に限定はなく、公知のリチウムイオン二次電池の製造法を採用することができる。
[Manufacture of lithium ion secondary batteries]
There is no limitation in particular as a manufacturing method of the lithium ion secondary battery of this invention, The manufacturing method of a well-known lithium ion secondary battery is employable.

具体的には、セパレータを介して正極及び負極を接合させた接合体を外装内に入れ、電解質を注入した後、封じることにより製造する方法が一般的である。ここで、電解質の注入には、真空注入法が好適に用いられるが、特にこれに限定されるものではない。また、外装内に入れる前に、この接合体に電解液を含浸させてもよい。   Specifically, a method is generally used in which a joined body in which a positive electrode and a negative electrode are joined via a separator is put in an exterior, an electrolyte is injected, and then sealed. Here, a vacuum injection method is preferably used for the injection of the electrolyte, but is not particularly limited thereto. In addition, this joined body may be impregnated with an electrolytic solution before being put in the exterior.

外装がアルミラミネートフィルムからなるパックであるような、いわゆるフィルム外装電池では、電極とセパレータが接着されて一体化していることが好ましい。この場合、セパレータとしては前述の第2の形態の多孔膜が好適である。セパレータと電極の接着は主に熱圧着法で行われ、これは電解質を含まないドライ状態で行われてもよいし、電解質を含むウェット状態で行われてもよい。また、セパレータと電極の接着性が良好な場合は、熱圧着工程を経ずに電池を製造することも可能である。   In a so-called film-clad battery in which the exterior is a pack made of an aluminum laminate film, it is preferable that the electrode and the separator are bonded and integrated. In this case, the porous film of the above-described second form is suitable as the separator. Adhesion between the separator and the electrode is mainly performed by a thermocompression bonding method, and this may be performed in a dry state not including an electrolyte, or may be performed in a wet state including an electrolyte. Moreover, when the adhesiveness between the separator and the electrode is good, it is possible to manufacture a battery without going through the thermocompression bonding process.

[リチウムイオン二次電池]
本発明のリチウムイオン二次電池の形状には特に限定はなく、円筒型、角型のような扁平型及びボタン型などのあらゆる形状であってよい。
[Lithium ion secondary battery]
The shape of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and may be any shape such as a cylindrical shape, a flat shape such as a square shape, and a button shape.

外装としては、スチール缶、アルミ缶、アルミラミネートフィルムからなるパックが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。   Examples of the exterior include a pack made of a steel can, an aluminum can, and an aluminum laminate film, but are not particularly limited thereto.

本発明のリチウムイオン二次電池においては、前述のような過充電防止機能が発現すると、充電という操作により注入された電気エネルギーは、ジュール熱として系外に放出される。このジュール熱は、充電電流×電池電圧で表される。過充電防止機能の発現時の電池電圧はほぼ一定であるから、このジュール熱においてはIcが支配的となる。採用するIcにもよるが、ジュール熱で電池内温度が上昇することにより電池が発火等の危険に曝されることもあり得ると思われる。そのため、採用するIcによっては、本発明のリチウムイオン二次電池に対しては、放熱効率がよい形状を選択することが好ましい。放熱効率を向上させるという観点からは、アルミラミネートパックを外装に用いたフィルム外装電池が好適である。また、電池に放熱板を取り付けるという方法を採用することもできる。   In the lithium ion secondary battery of the present invention, when the overcharge prevention function as described above is exhibited, the electric energy injected by the operation of charging is released out of the system as Joule heat. This Joule heat is expressed by charging current × battery voltage. Since the battery voltage when the overcharge prevention function is exhibited is substantially constant, Ic is dominant in this Joule heat. Although it depends on the Ic to be used, it is considered that the battery may be exposed to dangers such as ignition due to the temperature inside the battery rising due to Joule heat. Therefore, depending on the Ic employed, it is preferable to select a shape with good heat dissipation efficiency for the lithium ion secondary battery of the present invention. From the viewpoint of improving the heat dissipation efficiency, a film-clad battery using an aluminum laminate pack for the exterior is suitable. Moreover, the method of attaching a heat sink to a battery can also be employ | adopted.

本発明のリチウムイオン二次電池においては、前述の過充電防止機能により電解液の酸化分解によるガス発生が抑制される。フィルム外装電池では電池の膨れに関しては厳しい条件が要求されるが、このような観点からも本発明のリチウムイオン二次電池はフィルム外装電池の形態で用いられるのが好ましい。また、従来のリチウムイオン二次電池には一般に安全弁が取り付けてあるが、本発明のリチウムイオン二次電池では、過充電時のガス発生が抑制されるので、安全弁を設けなくても過充電時の安全性を十分に確保することができる。ただし、安全弁があれば安全性が一層向上することはもちろんのことである。   In the lithium ion secondary battery of the present invention, gas generation due to oxidative decomposition of the electrolyte is suppressed by the above-described overcharge prevention function. In a film-clad battery, severe conditions are required with respect to the swelling of the battery. From this viewpoint, the lithium ion secondary battery of the present invention is preferably used in the form of a film-clad battery. In addition, a safety valve is generally attached to a conventional lithium ion secondary battery. However, in the lithium ion secondary battery of the present invention, gas generation during overcharging is suppressed, so even when a safety valve is not provided Can be sufficiently secured. However, it is a matter of course that safety is further improved if there is a safety valve.

本発明のリチウムイオン二次電池においては、ジュール熱の問題から採用する充電電流Icによっては過充電に対する安全性が確保できないこともあり得る。本発明のリチウムイオン二次電池における過充電防止機能は、大電流充電には原理的に好ましくないものである。しかし、過充電時の安全性の向上のために提案されてきた公知の添加剤を使用しても、大電流充電での過充電時の安全性を確保するには不十分である。本発明のリチウムイオン二次電池においては、その過充電防止機能は公知の添加剤を使用した場合とは基本的に異なる機構によるものであり、従ってそのような添加剤を併用することも可能である。このように公知の添加剤系を併用することにより、大電流充電における過充電時の安全性を確保することが十分可能になる。   In the lithium ion secondary battery of the present invention, safety against overcharging may not be ensured depending on the charging current Ic employed due to the Joule heat problem. The overcharge prevention function in the lithium ion secondary battery of the present invention is not preferable in principle for large current charging. However, the use of known additives that have been proposed for improving the safety during overcharge is insufficient to ensure the safety during overcharge in large current charging. In the lithium ion secondary battery of the present invention, the overcharge prevention function is based on a mechanism fundamentally different from that in the case of using a known additive, and therefore it is also possible to use such an additive in combination. is there. Thus, by using a known additive system in combination, it is possible to sufficiently ensure safety during overcharging in large current charging.

[電池パック]
本発明の電池パックは、少なくとも本発明のリチウムイオン二次電池と感熱センサーまたは感熱スイッチとを備えるものである。
[Battery pack]
The battery pack of the present invention comprises at least the lithium ion secondary battery of the present invention and a thermal sensor or a thermal switch.

本発明のリチウムイオン二次電池において、前述したように、過充電防止機能が発現すると、ジュール発熱が起こる。本発明のリチウムイオン二次電池においては、この熱エネルギーにより過充電を感知することが可能であり、電池パックに感熱センサーまたは感熱スイッチを備えることは安全生の点で効果的である。   In the lithium ion secondary battery of the present invention, as described above, Joule heat generation occurs when the overcharge prevention function is exhibited. In the lithium ion secondary battery of the present invention, it is possible to detect overcharge by this thermal energy, and it is effective in terms of safety to provide the battery pack with a thermal sensor or a thermal switch.

本発明のリチウムイオン二次電池においては、感熱センサーまたは感熱スイッチだけで過充電時の安全性を十分確保できるが、それに加えて保護回路を装備してもよい。保護回路を装備した場合には電池の安全性はさらに向上する。   In the lithium ion secondary battery of the present invention, safety at the time of overcharging can be sufficiently secured only by the thermal sensor or the thermal switch, but in addition to that, a protection circuit may be provided. When equipped with a protection circuit, the safety of the battery is further improved.

[充電方法]
本発明の充電方法は、本発明のリチウムイオン二次電池を定電流充電法により充電し、充電の終了を電池温度の上昇、電池電圧の降下及び電池電圧の振動のうちの少なくとも1つを用いて判断することを含む。
[How to charge]
The charging method of the present invention charges the lithium ion secondary battery of the present invention by a constant current charging method, and uses at least one of the rise of the battery temperature, the drop of the battery voltage, and the vibration of the battery voltage to complete the charge. Judgment.

本発明のリチウムイオン二次電池は、過充電を行っても前述のような過充電防止機能により安全性が確保できるだけでなく、その後も放電可能であるという特徴を有する。また、この過充電防止機能の発現の開始は、ジュール熱による電池温度の上昇、電池電圧の降下もしくは電池電圧の振動開始により検出可能である。さらに、過充電防止機能の発現は、電池が満充電されたことを意味する。そのため、充電の終了を電池温度の上昇、電池電圧の降下もしくは電池電圧の振動により判断する定電流充電が可能である。   The lithium ion secondary battery of the present invention has a feature that even if overcharge is performed, not only can the safety be ensured by the overcharge prevention function as described above, but the battery can be discharged thereafter. Moreover, the onset of the overcharge prevention function can be detected by the battery temperature rise due to Joule heat, the battery voltage drop or the battery voltage vibration start. Furthermore, the expression of the overcharge prevention function means that the battery is fully charged. For this reason, constant current charging is possible in which the end of charging is determined by an increase in battery temperature, a decrease in battery voltage, or vibration of the battery voltage.

ただし、本発明のリチウムイオン二次電池の充電方法は、上記の充電方法に限定されるわけではなく、通常採用されている定電流・定電圧充電法も好適に用いられる。   However, the charging method of the lithium ion secondary battery of the present invention is not limited to the above-described charging method, and a constant current / constant voltage charging method generally employed is also preferably used.

[電気・電子機器]
本発明によれば、また、本発明のリチウムイオン二次電池またはリチウムイオン二次電池パックを備える電気・電子機器が提供される。
[Electrical and electronic equipment]
According to the present invention, an electric / electronic device including the lithium ion secondary battery or the lithium ion secondary battery pack of the present invention is also provided.

本発明のリチウムイオン二次電池、リチウムイオン二次電池パックは、携帯電話やノートパソコンのような携帯電子機器に好適に用いられる。特に、上記のような充電方法を採用した場合、通常の定電流・定電圧充電法による場合に比べて、充電時間を大幅に短縮することができる。   The lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery pack of the present invention are suitably used for portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers. In particular, when the charging method as described above is employed, the charging time can be greatly shortened as compared with the case of using the normal constant current / constant voltage charging method.

以下、本発明を実施例によりさらに説明する。
[セパレータ]
Hereinafter, the present invention will be further described by examples.
[Separator]

実施例1
繊度0.33dtex(平均繊維径約5.5μm)の配向結晶化させたポリエチレンテレフタレート(PET)短繊維に繊度0.22dtex(平均繊維径約4.5μm)のバインダー用PET短繊維を6/4の重量比でブレンドし、湿式抄造法により目付12g/mで製膜し、200℃でカレンダーロール掛けして、不織布状シートを得た。得られたシートの特性は以下の通りであった。
Example 1
Polyethylene terephthalate (PET) short fibers having a fineness of 0.33 dtex (average fiber diameter of about 5.5 μm) and 6/4 PET short fibers for binder having a fineness of 0.22 dtex (average fiber diameter of about 4.5 μm) are used. Were blended at a weight ratio of 10 to form a film with a basis weight of 12 g / m 2 by a wet papermaking method, and calendered at 200 ° C. to obtain a nonwoven sheet. The characteristics of the obtained sheet were as follows.

平均膜厚18μm、透気度0.07秒、突刺し強度5.0g/μm(90g)、マクミラン数5.0(マクミラン数×膜厚=90μm)。   Average film thickness 18 μm, air permeability 0.07 seconds, puncture strength 5.0 g / μm (90 g), Macmillan number 5.0 (Macmillan number × film thickness = 90 μm).

実施例2
ポリプロピレン(PP)微多孔膜(セルガードTM2400、Celgard社製)に直径2μmの針で多数の孔を均等に開けた。得られたシートの特性は以下の通りであった。
Example 2
A large number of holes were evenly opened in a polypropylene (PP) microporous membrane (Celgard TM2400, manufactured by Celgard) with a needle having a diameter of 2 μm. The characteristics of the obtained sheet were as follows.

平均膜厚25μm、目付13.5g/m、透気度80秒、突刺し強度12g/μm(300g)、マクミラン数5.8(マクミラン数×膜厚=145μm)。 Average film thickness 25 μm, basis weight 13.5 g / m 2 , air permeability 80 seconds, puncture strength 12 g / μm (300 g), Macmillan number 5.8 (Macmillan number × film thickness = 145 μm).

実施例3
繊度0.55dtex(平均繊維径約7μm)の配向結晶化PET短繊維に繊度1.22dtex(平均繊維径約11μm)のバインダー用PET短繊維を5/5の重量比でブレンドし、湿式抄造法により目付12g/mで製膜し、160℃でカレンダーロール掛けして、不織布状シートを得た。得られたシートの特性は以下の通りであった。
Example 3
A wet papermaking method by blending PET short fibers for binder with a fineness of 1.22 dtex (average fiber diameter of about 11 μm) at a weight ratio of 5/5 to oriented crystallized PET short fibers with a fineness of 0.55 dtex (average fiber diameter of about 7 μm). Was formed into a film with a basis weight of 12 g / m 2 and calendered at 160 ° C. to obtain a nonwoven sheet. The characteristics of the obtained sheet were as follows.

平均膜厚18μm、透気度0.04秒、突刺し強度6.5g/μm(117g)、マクミラン数9.0(マクミラン数×膜厚=162μm)。   Average film thickness 18 μm, air permeability 0.04 seconds, puncture strength 6.5 g / μm (117 g), Macmillan number 9.0 (Macmillan number × film thickness = 162 μm).

VdF:HFP:CTFE=95.5:2.3:2.2(モル比)であるPVdF共重合体を、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)と平均分子量400のポリプロピレングリコール(PPG−400)の6/4(重量比)混合溶媒に60℃で溶解し、共重合体濃度14重量%の製膜用ドープを調製した。得られたドープを上記不織布状シートに含浸塗布後、得られた膜を溶媒濃度40重量%の水溶液に浸漬して凝固させ、次いで水洗、乾燥を行って多孔膜を得た。得られた多孔膜の特性は以下の通りであった。   A PVdF copolymer having VdF: HFP: CTFE = 95.5: 2.3: 2.2 (molar ratio) was converted into N, N-dimethylacetamide (DMAc) and polypropylene glycol (PPG-400) having an average molecular weight of 400. Was dissolved in a 6/4 (weight ratio) mixed solvent at 60 ° C. to prepare a dope for film formation having a copolymer concentration of 14% by weight. After the obtained dope was impregnated and applied to the nonwoven sheet, the obtained film was immersed in an aqueous solution having a solvent concentration of 40% by weight to be solidified, then washed with water and dried to obtain a porous film. The characteristics of the obtained porous membrane were as follows.

平均膜厚26μm、目付21.1g/m、突刺し強度5.5g/μm(144g)、マクミラン数5.9(マクミラン数×膜厚=153μm)、耐力点強度3.5×10N/m。 Average film thickness 26 μm, basis weight 21.1 g / m 2 , piercing strength 5.5 g / μm (144 g), Macmillan number 5.9 (Macmillan number × film thickness = 153 μm), proof stress 3.5 × 10 2 N / M.

実施例4
繊度0.9dtex(繊維径約10μm)の結晶化させたm−アラミド短繊維を用い、乾式抄造法により目付15g/mで製膜し、320℃でカレンダーロール掛けして、不織布状シートを得た。得られたシートの特性は以下の通りであった。
Example 4
Using a crystallized m-aramid short fiber having a fineness of 0.9 dtex (fiber diameter of about 10 μm), a dry paper-making method is used to form a film with a basis weight of 15 g / m 2 and calender roll at 320 ° C. Obtained. The characteristics of the obtained sheet were as follows.

平均膜厚30μm、透気度0.04秒、突刺し強度5.6g/μm(95g)、マクミラン数5.8(マクミラン数×膜厚=98.6μm)。   Average film thickness 30 μm, air permeability 0.04 seconds, puncture strength 5.6 g / μm (95 g), Macmillan number 5.8 (Macmillan number × film thickness = 98.6 μm).

VdF:HFP:CTFE=95.5:2.3:2.2(モル比)であるPVdF共重合体を、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)と平均分子量400のポリプロピレングリコール(PPG−400)の6/4(重量比)混合溶媒に60℃で溶解し、共重合体濃度10重量%の製膜用ドープを調製した。得られたドープを上記不織布状シートに含浸塗布後、得られた膜を溶媒濃度40重量%の水溶液に浸漬して凝固させ、次いで水洗、乾燥を行って多孔膜を得た。得られた多孔膜の特性は以下の通りであった。   A PVdF copolymer having VdF: HFP: CTFE = 95.5: 2.3: 2.2 (molar ratio) was converted into N, N-dimethylacetamide (DMAc) and polypropylene glycol (PPG-400) having an average molecular weight of 400. Was dissolved in a 6/4 (weight ratio) mixed solvent at 60 ° C. to prepare a dope for film formation having a copolymer concentration of 10% by weight. After the obtained dope was impregnated and applied to the nonwoven sheet, the obtained film was immersed in an aqueous solution having a solvent concentration of 40% by weight to be solidified, then washed with water and dried to obtain a porous film. The characteristics of the obtained porous membrane were as follows.

平均膜厚34μm、目付20.9g/m、突刺し強度9.7g/μm(330g)、マクミラン数4.6(マクミラン数×膜厚=156μm)、耐力点強度6.4×10N/m。 Average film thickness 34 μm, basis weight 20.9 g / m 2 , puncture strength 9.7 g / μm (330 g), Macmillan number 4.6 (Macmillan number × film thickness = 156 μm), proof stress strength 6.4 × 10 2 N / M.

実施例5
繊度0.55dtex(平均繊維径約7μm)の結晶化させたm−アラミド短繊維に繊度0.22dtex(平均繊維径約4.5μm)のバインダー用PET短繊維を6/4の重量比でブレンドし、湿式抄造法により目付11g/mで製膜し、200℃でカレンダーロール掛けして、不織布状シートを得た。得られたシートの特性は以下の通りであった。
Example 5
Blended PET short fibers for binder with a fineness of 0.22 dtex (average fiber diameter of about 4.5 μm) at a weight ratio of 6/4 to crystallized m-aramid short fibers with a fineness of 0.55 dtex (average fiber diameter of about 7 μm) Then, it was formed into a film with a basis weight of 11 g / m 2 by a wet papermaking method, and calendered at 200 ° C. to obtain a nonwoven sheet. The characteristics of the obtained sheet were as follows.

平均膜厚17μm、透気度0.06秒、突刺し強度5.6g/μm(95g)、マクミラン数5.8(マクミランス×膜厚=99μm)。   Average film thickness 17 μm, air permeability 0.06 seconds, puncture strength 5.6 g / μm (95 g), Macmillan number 5.8 (Macmillance × film thickness = 99 μm).

上記不織布状シートに実施例3で調製したものと同様のドープを含浸塗布後、得られた膜を溶媒濃度40重量%の水溶液に浸漬して凝固させ、次いで水洗、乾燥を行って多孔膜を得た。得られた多孔膜の特性は以下の通りであった。   After impregnating and applying the same dope prepared in Example 3 to the nonwoven sheet, the obtained film was immersed in an aqueous solution having a solvent concentration of 40% by weight to be solidified, then washed with water and dried to form a porous film. Obtained. The characteristics of the obtained porous membrane were as follows.

平均膜厚24μm、目付16.7g/m、突刺し強度5.0g/μm(120g)、マクミラン数5.4(マクミラン数×膜厚=130μm)、耐力点強度3.5×10N/m。 Average film thickness 24 μm, basis weight 16.7 g / m 2 , puncture strength 5.0 g / μm (120 g), Macmillan number 5.4 (Macmillan number × film thickness = 130 μm), proof stress strength 3.5 × 10 2 N / M.

実施例6
VdF:HFP:CTFE=95.5:2.3:2.2(モル比)であるPVdF共重合体を、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)と平均分子量400のポリプロピレングリコール(PPG−400)の6.5/3.5(重量比)混合溶媒に60℃で溶解し、共重合体濃度12重量%の製膜用ドープを調製した。得られたドープを実施例1で製膜した不織布状シートに含浸塗布後、得られた膜を溶媒濃度40重量%の水溶液に浸漬して凝固させ、次いで水洗、乾燥を行って多孔膜を得た。得られた多孔膜の特性は以下の通りであった。
Example 6
A PVdF copolymer having VdF: HFP: CTFE = 95.5: 2.3: 2.2 (molar ratio) was converted into N, N-dimethylacetamide (DMAc) and polypropylene glycol (PPG-400) having an average molecular weight of 400. Was dissolved in a mixed solvent of 6.5 / 3.5 (weight ratio) at 60 ° C. to prepare a dope for film formation having a copolymer concentration of 12% by weight. After impregnating and applying the obtained dope to the non-woven sheet formed in Example 1, the obtained film was immersed in an aqueous solution having a solvent concentration of 40% by weight to be solidified, and then washed with water and dried to obtain a porous film. It was. The characteristics of the obtained porous membrane were as follows.

平均膜厚24μm、目付19.7g/m、突刺し強度6.3g/μm(151g)、マクミラン数6.5(マクミラン数×膜厚=156μm)、耐力点強度3.8×10N/m。 Average film thickness 24 μm, basis weight 19.7 g / m 2 , piercing strength 6.3 g / μm (151 g), Macmillan number 6.5 (Macmillan number × film thickness = 156 μm), proof stress strength 3.8 × 10 2 N / M.

実施例7
繊度0.11dtex(平均繊維径約3.5μm)の配向結晶化させたPET短繊維に繊度1.22dtex(平均繊維径約11μm)のバインダー用PET短繊維を6/4の重量比でブレンドし、湿式抄造法により目付12g/mで製膜し、130℃でカレンダーロール掛けして、不織布状シートを得た。得られたシートの特性は以下の通りであった。
Example 7
A PET short fiber for binder with a fineness of 1.22 dtex (average fiber diameter of about 11 μm) is blended in a weight ratio of 6/4 to a PET short fiber having a fineness of 0.11 dtex (average fiber diameter of about 3.5 μm). Then, a film was formed with a basis weight of 12 g / m 2 by a wet papermaking method, and calendered at 130 ° C. to obtain a nonwoven sheet. The characteristics of the obtained sheet were as follows.

平均膜厚14μm、透気度0.60秒、突刺し強度8.9g/μm(124g)、マクミラン数5.0(マクミランス×膜厚=70μm)。   Average film thickness 14 μm, air permeability 0.60 seconds, puncture strength 8.9 g / μm (124 g), Macmillan number 5.0 (Macmillance × film thickness = 70 μm).

上記不織布状シートに実施例3で調製したものと同様のドープを含浸塗布後、得られた膜を溶媒濃度40重量%の水溶液に浸漬して凝固させ、次いで水洗、乾燥を行って多孔膜を得た。得られた多孔膜の特性は以下の通りであった。   After impregnating and applying the same dope prepared in Example 3 to the nonwoven sheet, the obtained film was immersed in an aqueous solution having a solvent concentration of 40% by weight to be solidified, then washed with water and dried to form a porous film. Obtained. The characteristics of the obtained porous membrane were as follows.

平均膜厚24μm、目付18.8g/m、突刺し強度6.8g/μm(164g)、マクミラン数4.9(マクミラン数×膜厚=118μm)、耐力点強度3.3×10N/m。 Average film thickness 24 μm, basis weight 18.8 g / m 2 , puncture strength 6.8 g / μm (164 g), Macmillan number 4.9 (Macmillan number × film thickness = 118 μm), proof stress strength 3.3 × 10 2 N / M.

実施例1〜7のセパレータについて、それらの熱変形温度等を測定したところ、下記表1のとおりであった。   About the separator of Examples 1-7, when those heat deformation temperature etc. were measured, it was as Table 1 below.

比較例1
ポリプロピレン(PP)微多孔膜(セルガードTM2400、Celgard社製)をセパレータとした。この膜の特性は以下の通りであった。
Comparative Example 1
A polypropylene (PP) microporous membrane (Celgard TM2400, manufactured by Celgard) was used as a separator. The characteristics of this film were as follows.

平均膜厚25μm、目付14.8g/m、透気度350秒、突刺し強度15.2g/μm(380g)、マクミラン数6.5(マクミラン数×膜厚=163μm)。 Average film thickness 25 μm, basis weight 14.8 g / m 2 , air permeability 350 seconds, puncture strength 15.2 g / μm (380 g), Macmillan number 6.5 (Macmillan number × film thickness = 163 μm).

比較例2
太さ0.9dtex(平均繊維径約10μm)の結晶化したm−アラミド短繊維とm−アラミドフィブリット(合成パルプ状粒子)を8/2(重量比)の割合で配合し、湿式抄造法により目付30g/mに製膜して、320℃でカレンダーロール掛けして、紙状のシートを得た。得られたシートの特性は以下の通りであった。
Comparative Example 2
A wet paper-making method in which crystallized m-aramid short fibers having a thickness of 0.9 dtex (average fiber diameter of about 10 μm) and m-aramid fibrites (synthetic pulp-like particles) are blended at a ratio of 8/2 (weight ratio). Was formed into a film with a basis weight of 30 g / m 2 and calendered at 320 ° C. to obtain a paper-like sheet. The characteristics of the obtained sheet were as follows.

平均膜厚35μm、透気度38秒、突刺し強度16g/μm(550g)、マクミラン数18.0(マクミラン数×膜厚=630μm)。   Average film thickness 35 μm, air permeability 38 seconds, puncture strength 16 g / μm (550 g), Macmillan number 18.0 (Macmillan number × film thickness = 630 μm).

比較例3
PETを原料として用いて、平均繊維径1.5μm、目付35g/mのメルトブロー不織布を製膜した。この不織布を130℃でカレンダーロール掛けして、膜厚を50μmとした。この不織布の特性は以下の通りであった。
Comparative Example 3
A melt blown nonwoven fabric having an average fiber diameter of 1.5 μm and a basis weight of 35 g / m 2 was formed using PET as a raw material. The nonwoven fabric was calendered at 130 ° C. to make the film thickness 50 μm. The characteristics of this nonwoven fabric were as follows.

透気度40秒、突刺し強度5.5g/μm(275g)、マクミラン数3.8(マクミラン数×膜厚=190μm)。   Air permeability 40 seconds, puncture strength 5.5 g / μm (275 g), Macmillan number 3.8 (Macmillan number × film thickness = 190 μm).

上記の不織布状シートに実施例3で調製したものと同様のドープを含浸塗布後、得られた膜を溶媒濃度40重量%の水溶液に浸漬して凝固させ、次いで水洗、乾燥を行って多孔膜を得た。得られた多孔膜の特性は以下の通りであった。   After impregnating and applying the same dope prepared in Example 3 to the above nonwoven sheet, the resulting film was immersed in an aqueous solution having a solvent concentration of 40% by weight to be solidified, then washed with water and dried to obtain a porous film Got. The characteristics of the obtained porous membrane were as follows.

平均膜厚60μm、目付43.5g/m、突刺し強度60g/μm(360g)、マクミラン数3.3(マクミラン数×膜厚=198μm)。 Average film thickness 60 μm, basis weight 43.5 g / m 2 , puncture strength 60 g / μm (360 g), Macmillan number 3.3 (Macmillan number × film thickness = 198 μm).

[ボタン電池による評価]
実施例8
「正極」
コバルト酸リチウム(LiCoO、日本化学工業(株)製)粉末89.5重量部とアセチレンブラック4.5重量部及び、PVdFの乾燥重量が6重量部となるように、6重量%のPVdFのN−メチル−ピロリドン(NMP)溶液を用い、正極剤ペーストを作製した。得られたペーストを厚さ20μmのアルミ箔上に塗布乾燥後プレスして、厚さ97μmの正極を得た。
[Evaluation using button batteries]
Example 8
"Positive electrode"
Lithium cobaltate (LiCoO 2 , Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) powder 89.5 parts by weight, acetylene black 4.5 parts by weight, and PVdF dry weight of 6 parts by weight 6% by weight of PVdF A positive electrode paste was prepared using an N-methyl-pyrrolidone (NMP) solution. The obtained paste was applied onto an aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried and pressed to obtain a positive electrode having a thickness of 97 μm.

正極重量から計算したこの正極の全リチウム含有量Qpは5.4mAh/cmであった。 The total lithium content Qp of this positive electrode calculated from the weight of the positive electrode was 5.4 mAh / cm 2 .

「負極」
負極活物質としてメソフェーズカーボンマイクロビーズ(MCMB、大阪瓦斯化学(株)製)粉末87重量部とアセチレンブラック3重量部及び、PVdFの乾燥重量が10重量部となるように、6重量%のPVdFのNMP溶液を用い、負極剤ペーストを作製した。得られたペーストを厚さ18μmの銅箔上に塗布乾燥後プレスして、厚さ90μmの負極を得た。
"Negative electrode"
As a negative electrode active material, mesophase carbon microbeads (MCMB, manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd.) powder 87 parts by weight, 3 parts by weight of acetylene black, and 6% by weight of PVdF so that the dry weight of PVdF is 10 parts by weight. An NMP solution was used to produce a negative electrode agent paste. The obtained paste was applied onto a copper foil having a thickness of 18 μm, dried and pressed to obtain a negative electrode having a thickness of 90 μm.

三電極式セルにより測定したこの負極にドープ可能なリチウム量Qnは2.6mAh/cmであった。 The amount of lithium Qn that can be doped into this negative electrode measured by a three-electrode cell was 2.6 mAh / cm 2 .

「ボタン電池の作製」
上記の正極及び負極を直径14mmの円に打ち抜き、実施例1〜7で作製したセパレータを直径16mmに打ち抜いて用いた。正極及び負極を、セパレータを介して接合させ、電解質(電解液)を含浸させ、電池缶に封入した。ここで用いた電解液は1M LiPF EC/DEC(1/1重量比)である。また、電池缶のサイズはCR2032である。
"Production of button batteries"
The above positive electrode and negative electrode were punched into a circle with a diameter of 14 mm, and the separators produced in Examples 1 to 7 were punched into a diameter of 16 mm and used. The positive electrode and the negative electrode were joined via a separator, impregnated with an electrolyte (electrolytic solution), and sealed in a battery can. The electrolyte used here is 1M LiPF 6 EC / DEC (1/1 weight ratio). The size of the battery can is CR2032.

「過充電評価」
作製したボタン電池による過充電評価を、充電電流0.52mA/cm、4.2Vで8時間の定電流定電圧充電、放電電流0.52mA/cm、2.75Vカットオフの定電流放電という条件で1サイクル充放電測定を行った後、充電電流2.6mA/cmで10時間の定電流充電という条件で過充電を行った。また、過充電後2時間休止した後、放電電流0.52mA/cm、2.75Vカットオフという条件で放電を行った。ここで、電池電圧のサンプリングタイムは30秒おきとした。
"Overcharge evaluation"
Overcharge evaluation using the manufactured button battery was conducted at a charging current of 0.52 mA / cm 2 , a constant current and a constant voltage of 8 hours at 4.2 V, a discharge current of 0.52 mA / cm 2 , and a constant current discharge of 2.75 V cutoff. 1 cycle charging / discharging measurement was performed under the condition of, and overcharging was performed under the condition of constant current charging for 10 hours at a charging current of 2.6 mA / cm 2 . Moreover, after resting for 2 hours after overcharge, discharge was performed under the conditions of a discharge current of 0.52 mA / cm 2 and a 2.75 V cutoff. Here, the sampling time of the battery voltage was every 30 seconds.

全ての電池で、充電中に電池電圧の振動が観察され、充電中に電池電圧が5.5V以上になることはなかった。また、すべての電池で、過充電後の開回路電圧は4.2〜4.5Vの範囲にあり、過充電後の放電が可能であった。   In all the batteries, vibration of the battery voltage was observed during charging, and the battery voltage did not exceed 5.5 V during charging. In all the batteries, the open circuit voltage after overcharging was in the range of 4.2 to 4.5 V, and discharging after overcharging was possible.

表1に電池電圧の振動が始まったときの電気量(Q1)と過充電後に得られた放電容量Qdを示す。また、一例として、図1に実施例7のセパレータを用いた電池での過充電中の電圧変化を、図2に過充電後の放電挙動を示す。   Table 1 shows the amount of electricity (Q1) when the battery voltage starts to oscillate and the discharge capacity Qd obtained after overcharging. As an example, FIG. 1 shows a voltage change during overcharge in a battery using the separator of Example 7, and FIG. 2 shows a discharge behavior after overcharge.

比較例4
実施例8と同様の方法により、比較例1〜3のセパレータを用いてボタン電池を作製した。このボタン電池について、実施例8と同様の試験を行った。
Comparative Example 4
In the same manner as in Example 8, a button battery was produced using the separators of Comparative Examples 1 to 3. This button battery was tested in the same manner as in Example 8.

比較例2のセパレータを用いた電池では、初回の充放電サイクルにおいて十分な特性が得られなかった。これはセパレータの抵抗が大きいためである。そのため、比較例2のセパレータを用いた電池では過充電試験を行わなかった。   In the battery using the separator of Comparative Example 2, sufficient characteristics were not obtained in the first charge / discharge cycle. This is because the resistance of the separator is large. Therefore, the battery using the separator of Comparative Example 2 was not subjected to an overcharge test.

比較例1及び3のセパレータを用いた電池では、初回充放電が良好であったので、過充電試験をおこなった。しかし、電池電圧の振動は観察されず、電池電圧は5.5V以上に上昇し、その後の放電も不能であった。例として、図1に比較例1のセパレータを用いた電池での過充電中の電圧変化を示す。   In the battery using the separators of Comparative Examples 1 and 3, the initial charge / discharge was good, so an overcharge test was performed. However, no vibration of the battery voltage was observed, the battery voltage increased to 5.5 V or higher, and subsequent discharge was impossible. As an example, FIG. 1 shows a voltage change during overcharging in a battery using the separator of Comparative Example 1.

上記の結果から、比較例1及び3のセパレータを用いた電池は、明らかに本発明のリチウムイオン二次電池における如き過充電防止機能を有していないことがわかる。   From the above results, it can be seen that the batteries using the separators of Comparative Examples 1 and 3 clearly do not have the overcharge prevention function as in the lithium ion secondary battery of the present invention.

実施例9
実施例1〜7のセパレータを用い、上記負極に代えて銅箔を用いて実施例8と同様のボタン電池を作製した。このボタン電池において、銅箔を負極にみたてて充電電流0.56mA/cmで定電流充電を行った。そのとき、全ての電池で電池電圧の降下、電池電圧の振動もしくは電池電圧上昇の概略の停止が観察された。
上記のような現象が開始した電気量Q2を表2に示す。
Example 9
Using the separators of Examples 1 to 7, a button battery similar to that of Example 8 was produced using a copper foil instead of the negative electrode. In this button battery, constant current charging was performed at a charging current of 0.56 mA / cm 2 with the copper foil as a negative electrode. At that time, the battery voltage drop, the battery voltage oscillation, or the rough stop of the battery voltage rise was observed in all the batteries.
Table 2 shows the amount of electricity Q2 at which the above phenomenon has started.

実施例10
実施例1〜7のセパレータを用い、実施例8と同様のボタン電池を作製した。このボタン電池について実施例8と同様の条件で過充電試験を行った。過充電試験の間に、充電電気量が1.3mAh/cmとなったときに1kHzにおけるインピーダンスR0.5 を測定した。また、充電電気量が5.4mAhになったときに1kHzにおけるインピーダンスR2を測定した。
表1にR/R0.5の値を示す。
Example 10
Using the separators of Examples 1 to 7, a button battery similar to that of Example 8 was produced. The button battery was subjected to an overcharge test under the same conditions as in Example 8. During the overcharge test, impedance R 0.5 at 1 kHz was measured when the amount of charged electricity reached 1.3 mAh / cm 2 . Further, impedance R2 at 1 kHz was measured when the amount of charged electricity was 5.4 mAh.
Table 1 shows the values of R 2 / R 0.5.

実施例11
実施例1〜7のセパレータを用い、実施例8と同様のボタン電池を作製した。このボタン電池について実施例8と同様の条件で過充電試験を行った。過充電試験の充電電気量が7mA/cmに達したとき過充電を止め、電池を壊して、負極表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。図3に実施例5のセパレータを用いたときのSEM写真を例として示すが、どの電池においても、このような最長径100μm以下のリチウム種が点在している様子が観察された。
Example 11
Using the separators of Examples 1 to 7, a button battery similar to that of Example 8 was produced. The button battery was subjected to an overcharge test under the same conditions as in Example 8. When the amount of charged electricity in the overcharge test reached 7 mA / cm 2 , overcharge was stopped, the battery was broken, and the negative electrode surface was observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 3 shows, as an example, an SEM photograph when the separator of Example 5 is used. In any battery, it was observed that lithium species having the longest diameter of 100 μm or less were scattered.

また、実施例3〜7のセパレータでは、負極と接していた方にはこのリチウム種に対応した穴が観察され、正極と接していた方には穴は観察されなかった。   Further, in the separators of Examples 3 to 7, holes corresponding to this lithium species were observed in those in contact with the negative electrode, and no holes were observed in those in contact with the positive electrode.

以上の実施例8〜11の結果から、本発明のリチウムイオン二次電池用セパレータを用いた本発明のリチウムイオン二次電池は、前述したようなリチウム種を介する過充電防止機能を有していることがわかる。   From the results of Examples 8 to 11 described above, the lithium ion secondary battery of the present invention using the lithium ion secondary battery separator of the present invention has an overcharge prevention function through lithium species as described above. I understand that.

[フィルム外装電池における評価]
実施例12
実施例8で作製した正極及び負極を等しい面積で用い、実施例5のセパレータを用いてフィルム外装電池を作製した。このフィルム外装電池は、セパレータを介して正極と負極を接合させ、アルミラミネートパックに入れて、電解液を注入することにより作製した。このフィルム外装電池では、EC:DEC:MEC=1:1:1(重量比)という組成の混合溶媒にLiPFを1M溶解した電解液を用いた。ここで、フィルム外装電池のサイズは55mm×35mm×3.7mmであった。
[Evaluation in film-clad batteries]
Example 12
Using the positive electrode and the negative electrode produced in Example 8 in the same area, a film-clad battery was produced using the separator of Example 5. This film-clad battery was produced by joining a positive electrode and a negative electrode through a separator, placing them in an aluminum laminate pack, and injecting an electrolytic solution. In this film-clad battery, an electrolytic solution in which 1 M of LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent having a composition of EC: DEC: MEC = 1: 1: 1 (weight ratio) was used. Here, the size of the film-clad battery was 55 mm × 35 mm × 3.7 mm.

初回充放電測定を実施例8と同様に行ったところ、このフィルム外装電池の容量は650mAhであった。   When the first charge / discharge measurement was performed in the same manner as in Example 8, the capacity of this film-clad battery was 650 mAh.

周囲温度25℃で、このフィルム外装電池を充電電流2.6mA/cmで充電電気量1950mAh(充電率350%)に達するまで、定電流充電にて過充電を行った。このとき、電池電圧の上昇は充電率120%で概ね停止し、4.5〜4.6V程度で定常となった。また、電池表面温度は電池電圧の上昇が概ね停止すると同時に上昇し始め、50℃程度で定常となり、最高電池表面温度は51℃であった(図4)。この過充電において、フィルム電池の膨れは生じなかった。ここで、充電率は、満充電に必要な時間に対する充電操作の継続時間の百分率である。 This film-clad battery was overcharged by constant current charging at an ambient temperature of 25 ° C. until the charge electricity amount reached 1950 mAh (charging rate: 350%) at a charging current of 2.6 mA / cm 2 . At this time, the increase in the battery voltage almost stopped at a charging rate of 120% and became steady at about 4.5 to 4.6V. Further, the battery surface temperature began to increase at the same time as the increase in battery voltage stopped, became steady at about 50 ° C., and the maximum battery surface temperature was 51 ° C. (FIG. 4). In this overcharge, the film battery did not swell. Here, the charging rate is a percentage of the duration of the charging operation with respect to the time required for full charging.

この過充電の後に、放電電流0.52mA/cmで2.75Vまで定電流放電を行った。このとき656mAhの放電容量が得られた。 After this overcharge, constant current discharge was performed to 2.75 V at a discharge current of 0.52 mA / cm 2 . At this time, a discharge capacity of 656 mAh was obtained.

上記の結果から、本発明のリチウムイオン二次電池における過充電防止機能は、実用的な電池サイズにおいても有効に得られることがわかる。   From the above results, it can be seen that the overcharge prevention function in the lithium ion secondary battery of the present invention can be effectively obtained even in a practical battery size.

実施例13
実施例12で作製したフィルム外装電池と同じ構成のフィルム外装電池を充電電流2.6mA/cmで充電率186%まで過充電し、この電池に対してオーブン加熱試験を行った。オーブンの昇温速度を5℃/分とし、150℃に達した時点で1時間放置した。その結果、電池に膨れを生じたものの、破裂、発火には至らなかった。
Example 13
A film-clad battery having the same configuration as the film-clad battery produced in Example 12 was overcharged at a charging current of 2.6 mA / cm 2 to a charge rate of 186%, and an oven heating test was performed on the battery. The temperature rising rate of the oven was 5 ° C./min, and when the temperature reached 150 ° C., the oven was left for 1 hour. As a result, the battery swelled but did not rupture or ignite.

比較例5
比較例1のセパレータを用いた以外は実施例12と同様にフィルム外装電池を作製し、充電電流2.6mA/cmで充電率186%まで過充電し、この電池に対して実施例13と同様の条件でオーブン加熱試験を行った。オーブン温度が125℃に達したときに電池は破裂し、発火した。
Comparative Example 5
A film-sheathed battery was prepared in the same manner as in Example 12 except that the separator of Comparative Example 1 was used, and overcharged to a charge rate of 186% at a charging current of 2.6 mA / cm 2. An oven heating test was performed under the same conditions. When the oven temperature reached 125 ° C., the battery burst and ignited.

実施例14
実施例12で作製したフィルム外装電池と同じ構成のフィルム外装電池を作製した。このフィルム電池を、充電電流2.6mA/cm2 で充電電気量1300mAhまで充電し、0.52mA/cmで2.75Vまで定電流放電するという過充電サイクル試験を5サイクル行った。この試験の間に電池の膨れや破裂、発火はなく、5サイクル目においても448mAhの放電容量が得られた。
Example 14
A film-clad battery having the same configuration as that of the film-clad battery produced in Example 12 was produced. This film battery was charged with a charging current of 2.6 mA / cm 2 to a charge electricity amount of 1300 mAh and subjected to a constant current discharge of 0.52 mA / cm 2 to 2.75 V for 5 cycles. During this test, the battery did not swell, burst or ignite, and a discharge capacity of 448 mAh was obtained even in the fifth cycle.

上記実施例13、14及び比較例5の結果から、本発明のリチウムイオン二次電池が、過充電に対して従来のリチウムイオン二次電池に比べて、極めて安全であることがわかる。   From the results of Examples 13 and 14 and Comparative Example 5, it can be seen that the lithium ion secondary battery of the present invention is extremely safe against overcharging compared to the conventional lithium ion secondary battery.

実施例15
実施例12で作製したフィルム外装電池と同じ構成のフィルム外装電池を作製し、フィルム外装電池の表面に発熱を感知するチョークマーカーを張り付けた。この電池を充電電流2.6mA/cmで充電電気量900mAhの過充電を行った。このとき、張り付けたチョークマーカーは変色していた。
Example 15
A film-clad battery having the same configuration as that of the film-clad battery produced in Example 12 was produced, and a chalk marker for detecting heat generation was attached to the surface of the film-clad battery. This battery was overcharged with a charge current of 2.6 mA / cm 2 and an electric charge of 900 mAh. At this time, the attached chalk marker was discolored.

比較例6
比較例5で作製したフィルム外装電池と同じ構成のフィルム外装電池を作製し、フィルム外装電池の表面に発熱を感知するチョークマーカーを張り付けた。この電池を充電電流2.6mA/cmで充電電気量900mAhの過充電を行った。このとき、張り付けたチョークマーカーは変色しなかった。
Comparative Example 6
A film-clad battery having the same configuration as the film-clad battery produced in Comparative Example 5 was produced, and a chalk marker for detecting heat generation was attached to the surface of the film-clad battery. This battery was overcharged with a charge current of 2.6 mA / cm 2 and an electric charge of 900 mAh. At this time, the attached chalk marker did not change color.

実施例15の電池では、過充電防止機能が発現すると、充電という操作によって電池に注入される電気エネルギーは電池に蓄えられず、ジュール熱として系外の放出されるため、チョークマーカーが変色した。これに対し、比較例6の電池では、充電によって電池に注入される電気エネルギーはすべて電池に蓄えられるため発熱はなく、チョークマーカーは変色しない。   In the battery of Example 15, when the overcharge prevention function was manifested, the electric energy injected into the battery by the operation of charging was not stored in the battery, but was released outside the system as Joule heat, so the choke marker was discolored. On the other hand, in the battery of Comparative Example 6, since all the electric energy injected into the battery by charging is stored in the battery, there is no heat generation and the choke marker does not change color.

この実施例15及び比較例6の結果から、本発明のリチウムイオン二次電池は、従来のリチウムイオン二次電池でできなかったサーミスタ方式の過充電保護回路を有効に利用できるという利点があることがわかる。   From the results of Example 15 and Comparative Example 6, the lithium ion secondary battery of the present invention has the advantage that the thermistor type overcharge protection circuit that could not be achieved by the conventional lithium ion secondary battery can be used effectively. I understand.

本発明によれば、リチウムイオン二次電池において、過充電時に負極上に生じるリチウム種を介して正極へリチウムをドープすることにより過充電を防止することが可能となり、過充電時に安全なリチウムイオン二次電池を提供することが可能となる。   According to the present invention, in a lithium ion secondary battery, it becomes possible to prevent overcharge by doping lithium into the positive electrode via lithium species generated on the negative electrode during overcharge, and safe lithium ions during overcharge A secondary battery can be provided.

実施例8及び比較例6における過充電中の電圧変化を示す図である。It is a figure which shows the voltage change during the overcharge in Example 8 and Comparative Example 6. FIG. 実施例8の過充電後の放電挙動を示す図である。It is a figure which shows the discharge behavior after the overcharge of Example 8. FIG. 過充電時に負極上に生じるリチウム種の形状を示す電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph which shows the shape of the lithium seed | species produced on a negative electrode at the time of overcharge. 実施例12の過充電中の電圧変化及び電池表面温度の変化を示す図である。It is a figure which shows the voltage change in the overcharge of Example 12, and the change of battery surface temperature.

Claims (9)

平均膜厚10〜35μm、目付6〜20g/m、透気度(JIS P8117)100秒以下、25℃におけるマクミラン数10以下、マクミラン数×平均膜厚が200μm以下のシート(A)からなるリチウムイオン二次電池用セパレータ。 It consists of a sheet (A) having an average film thickness of 10 to 35 μm, a basis weight of 6 to 20 g / m 2 , an air permeability (JIS P8117) of 100 seconds or less, a Macmillan number of 10 or less at 25 ° C., and a Macmillan number × average film thickness of 200 μm or less. Separator for lithium ion secondary battery. シート(A)が繊維から構成され、シートを構成する繊維の平均繊維径がシート(A)の平均膜厚の1/2〜1/10である、請求項1記載のセパレータ。   The separator according to claim 1, wherein the sheet (A) is composed of fibers, and an average fiber diameter of fibers constituting the sheet is 1/2 to 1/10 of an average film thickness of the sheet (A). シート(A)が不織布である、請求項2記載のセパレータ。   The separator according to claim 2, wherein the sheet (A) is a nonwoven fabric. シート(A)がポリエステル、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリオレフィンまたはそれらの2種以上の混合体からなる、請求項1〜3のいずれかに記載のセパレータ。   The separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the sheet (A) is made of polyester, aromatic polyamide, polyphenylene sulfide, polyolefin, or a mixture of two or more thereof. 請求項1〜3のいずれかに記載したシート(A)を内包し、電解液に膨潤してこれを保持する多孔性有機高分子膜(B)を含み、平均膜厚10〜35μm、目付10〜25g/mの多孔膜からなるリチウムイオン二次電池用セパレータ。 A porous organic polymer film (B) that encloses the sheet (A) according to any one of claims 1 to 3 and swells and retains the electrolyte solution, and has an average film thickness of 10 to 35 μm and a basis weight of 10 A separator for a lithium ion secondary battery comprising a porous film of ˜25 g / m 2 . 多孔性有機高分子膜(B)がポリフッ化ビニリデン(PVdF)を主体としてなる、請求項5記載のセパレータ。   The separator according to claim 5, wherein the porous organic polymer film (B) is mainly composed of polyvinylidene fluoride (PVdF). 多孔性有機高分子膜(B)がフッ化ビニリデン(VdF)を92〜98モル%含有するポリフッ化ビニリデン共重合体からなる、請求項6記載のセパレータ。   The separator according to claim 6, wherein the porous organic polymer film (B) is made of a polyvinylidene fluoride copolymer containing 92 to 98 mol% of vinylidene fluoride (VdF). 多孔性有機高分子膜(B)がフッ化ビニリデン、ヘキサフロロプロピレン(HFP)、クロロトリフロロエチレン(CTFE)の三元共重合体からなる、請求項7記載のセパレータ。   The separator according to claim 7, wherein the porous organic polymer film (B) comprises a terpolymer of vinylidene fluoride, hexafluoropropylene (HFP), and chlorotrifluoroethylene (CTFE). 三元共重合体の共重合組成がVdF/HFP(a)/CTFE(b)であり、ここで(a)=2〜8重量%、(b)=1〜6重量%である、請求項8記載のセパレータ。   The copolymerization composition of the terpolymer is VdF / HFP (a) / CTFE (b), where (a) = 2-8 wt% and (b) = 1-6 wt%. 8. The separator according to 8.
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