JP2008004442A - Separator for lithium secondary battery, and lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、安価で高温時の寸法安定性に優れたセパレータ、およびこれを用いてなり、高温環境下においても安全なリチウム二次電池に関するものである。 The present invention relates to a separator that is inexpensive and excellent in dimensional stability at high temperatures, and a lithium secondary battery that uses the separator and is safe even in a high temperature environment.
非水電池の一種であるリチウムイオン電池は、エネルギー密度が高いという特徴から、携帯電話やノート型パーソナルコンピューターなどの携帯機器の電源として広く用いられている。携帯機器の高性能化に伴ってリチウムイオン電池の高容量化が更に進む傾向にあり、安全性の確保が重要となっている。 Lithium ion batteries, which are a type of non-aqueous battery, are widely used as power sources for portable devices such as mobile phones and notebook personal computers because of their high energy density. As the performance of portable devices increases, the capacity of lithium ion batteries tends to increase further, and ensuring safety is important.
現行のリチウムイオン電池では、正極と負極の間に介在させるセパレータとして、例えば厚みが20〜30μm程度のポリオレフィン系の多孔質性フィルムが使用されている。また、セパレータの素材としては、電池の熱暴走温度以下でセパレータの構成樹脂を溶融させて空孔を閉塞させ、これにより電池の内部抵抗を上昇させて短絡の際などに電池の安全性を向上させる所謂シャットダウン効果を確保するため、融点の低いポリエチレンが適用されることがある。 In the current lithium ion battery, as a separator interposed between a positive electrode and a negative electrode, for example, a polyolefin-based porous film having a thickness of about 20 to 30 μm is used. In addition, as separator material, the constituent resin of the separator is melted below the thermal runaway temperature of the battery to close the pores, thereby increasing the internal resistance of the battery and improving the safety of the battery in the event of a short circuit. In order to ensure the so-called shutdown effect, polyethylene having a low melting point may be applied.
ところで、こうしたセパレータとしては、例えば、多孔化と強度向上のために一軸延伸あるいは二軸延伸したフィルムが用いられている。このようなセパレータは、単独で存在する膜として供給されるため、作業性などの点で一定の強度が要求され、これを上記延伸によって確保している。しかし、このような延伸フィルムでは結晶化度が増大しており、シャットダウン温度も、電池の熱暴走温度に近い温度にまで高まっているため、電池の安全性確保のためのマージンが十分とは言い難い。 By the way, as such a separator, for example, a uniaxially stretched film or a biaxially stretched film is used for increasing the porosity and improving the strength. Since such a separator is supplied as a single film, a certain strength is required in terms of workability and the like, and this is ensured by the above stretching. However, with such a stretched film, the degree of crystallinity has increased, and the shutdown temperature has increased to a temperature close to the thermal runaway temperature of the battery. Therefore, it can be said that the margin for ensuring the safety of the battery is sufficient. hard.
また、上記延伸によってフィルムにはひずみが生じており、これが高温に曝されると、残留応力によって収縮が起こるという問題がある。収縮温度は、融点、すなわちシャットダウン温度と非常に近いところに存在する。このため、ポリオレフィン系の多孔質性フィルムセパレータを使用するときには、充電異常時などに電池の温度がシャットダウン温度に達すると、電流を直ちに減少させて電池の温度上昇を防止しなければならない。空孔が十分に閉塞せず電流を直ちに減少できなかった場合には、電池の温度は容易にセパレータの収縮温度にまで上昇するため、内部短絡による発火の危険性があるからである。 Further, the film is distorted by the stretching, and there is a problem that when this is exposed to high temperature, shrinkage occurs due to residual stress. The shrinkage temperature is very close to the melting point, ie the shutdown temperature. For this reason, when a polyolefin-based porous film separator is used, if the battery temperature reaches the shutdown temperature in the case of abnormal charging or the like, the current must be immediately reduced to prevent the battery temperature from rising. This is because if the pores are not sufficiently closed and the current cannot be reduced immediately, the battery temperature easily rises to the contraction temperature of the separator, and there is a risk of ignition due to an internal short circuit.
このような熱収縮による短絡を防ぐために、耐熱性の樹脂を用いた微多孔膜や不織布をセパレータとして用いる方法が提案されている。例えば特許文献1には、全芳香族ポリアミドの微多孔膜を用いたセパレータが、特許文献2にはポリイミド多孔膜を用いたセパレータが開示されている。また、特許文献3には、ポリアミド不織布を用いたセパレータ、特許文献4にはアラミド繊維を用いた不織布を基材としたセパレータ、特許文献5にはポロプロピレン(PP)不織布を用いたセパレータ、特許文献6にはポリエステル不織布を用いたセパレータに関する技術が開示されている。 In order to prevent such a short circuit due to heat shrinkage, a method using a microporous film or a nonwoven fabric using a heat-resistant resin as a separator has been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a separator using a wholly aromatic polyamide microporous film, and Patent Document 2 discloses a separator using a polyimide porous film. Patent Document 3 discloses a separator using a polyamide nonwoven fabric, Patent Document 4 discloses a separator based on a nonwoven fabric using aramid fibers, Patent Document 5 discloses a separator using a polypropylene (PP) nonwoven fabric, Patent Document 6 discloses a technique related to a separator using a polyester nonwoven fabric.
しかし、ポリアミドやポリイミドといった耐熱性の樹脂を用いた微多孔膜は高温での寸法安定性に優れ、薄型化が可能であるが高コストである。また、ポリアミドやアラミド繊維といった耐熱性の繊維を用いた不織布も、寸法安定性に優れるが、高コストである。他方、PP繊維やポリエステル繊維を用いた不織布は安価であり、高温での寸法安定性に優れているが、不織布のままでは孔径が大きすぎるために、例えば30μm以下の厚みでは、正極と負極の接触による短絡や、リチウムデンドライトの析出による短絡を十分に防止できない。 However, a microporous film using a heat-resistant resin such as polyamide or polyimide is excellent in dimensional stability at high temperatures and can be thinned, but is expensive. Nonwoven fabrics using heat-resistant fibers such as polyamide and aramid fibers are also excellent in dimensional stability but are expensive. On the other hand, nonwoven fabrics using PP fibers or polyester fibers are inexpensive and excellent in dimensional stability at high temperatures. However, since the pore diameter is too large if the nonwoven fabrics remain as they are, for example, at a thickness of 30 μm or less, the positive electrode and the negative electrode Short circuit due to contact and short circuit due to deposition of lithium dendrite cannot be sufficiently prevented.
また、安価な材料で構成される不織布に種々の加工を施して、これをセパレータに用いる技術も提案されている。例えば、特許文献7には、PP不織布にポリエチレン(PE)の微粒子を塗布して用いる方法が、特許文献8には、ポリエステル不織布にワックスを被覆させて用いる方法が、特許文献9には、ポリエステル不織布とPP不織布の間にPE微多孔膜を接面させて用いる方法が、そして、特許文献10には、PP不織布に無機微粒子や有機微粒子を混合させて用いる方法が、それぞれ開示されている。 There has also been proposed a technique in which a nonwoven fabric made of an inexpensive material is subjected to various processes and used as a separator. For example, Patent Document 7 discloses a method in which polyethylene (PE) fine particles are applied to a PP nonwoven fabric, Patent Document 8 discloses a method in which a polyester nonwoven fabric is coated with wax, and Patent Document 9 discloses a polyester. A method of using a PE microporous film in contact with a non-woven fabric and a PP non-woven fabric is disclosed, and Patent Document 10 discloses a method of using a mixture of inorganic fine particles and organic fine particles in a PP non-woven fabric.
しかしながら、無機微粒子を不織布に混合する技術では、不織布の空隙内に無機微粒子を均一且つ緻密に充填しなければ、リチウムデンドライト発生による短絡を完全に防止することはできないが、不織布のような不均一性の大きな基材に無機微粒子を均一に充電することは困難である。また、PEなどの有機微粒子を用いた場合には、無機微粒子を用いた場合と同様の問題が生じ得る他、PEなどが軟らかいために、特にエネルギー密度を高める観点からセパレータを薄くすると、硬い正極材料と負極材料の間の絶縁を十分に保つことができずに短絡が発生することがある。 However, in the technique of mixing inorganic fine particles into a nonwoven fabric, short-circuiting due to lithium dendrite generation cannot be completely prevented unless inorganic fine particles are uniformly and densely filled in the voids of the nonwoven fabric. It is difficult to uniformly charge inorganic fine particles to a substrate having a large property. In addition, when organic fine particles such as PE are used, the same problems as in the case of using inorganic fine particles may occur, and since PE and the like are soft, if the separator is thinned from the viewpoint of particularly increasing the energy density, a hard positive electrode Insulation between the material and the negative electrode material may not be sufficiently maintained, and a short circuit may occur.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー密度の低下を可及的に抑制し、電池の信頼性を確保しつつ、安全性に優れたリチウム二次電池を構成し得るセパレータ、および該セパレータを有するリチウム二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to constitute a lithium secondary battery excellent in safety while suppressing a decrease in energy density as much as possible and ensuring the reliability of the battery. And a lithium secondary battery having the separator.
上記目的を達成し得た本発明のリチウム二次電池用セパレータは、少なくとも、織布または不織布からなる多孔質性シートおよび絶縁性微粒子(A)を有しており、上記多孔質性シートが、少なくとも2層以上の積層物であることを特徴とするものである。 The separator for a lithium secondary battery of the present invention that has achieved the above object has at least a porous sheet made of a woven fabric or a non-woven fabric and insulating fine particles (A), and the porous sheet comprises: It is a laminate having at least two or more layers.
上記リチウム二次電池用セパレータは、更に、80〜130℃で溶融する微粒子(B)[熱溶融性微粒子(B)]や、非水電解液を吸収して膨潤することが可能であり、かつ温度の上昇により膨潤度が増大する微粒子(C)[膨潤性微粒子(C)]を含有していてもよい。 The lithium secondary battery separator can further swell by absorbing fine particles (B) [heat-meltable fine particles (B)] that melt at 80 to 130 ° C. and non-aqueous electrolyte, and You may contain the microparticles | fine-particles (C) [swellable microparticles | fine-particles (C)] which a swelling degree increases with the rise in temperature.
また、少なくとも、リチウムを吸蔵放出可能な活物質を含有する負極、リチウムを吸蔵放出可能な活物質を含有する正極、および上記本発明のリチウム二次電池用セパレータを有することを特徴とするリチウム二次電池も、本発明に包含される。 The lithium secondary battery further comprises at least a negative electrode containing an active material capable of occluding and releasing lithium, a positive electrode containing an active material capable of occluding and releasing lithium, and the lithium secondary battery separator of the present invention. Secondary batteries are also encompassed by the present invention.
本発明によれば、エネルギー密度の低下を可及的に抑制し、電池の信頼性を確保しつつ、安全性に優れたリチウム二次電池と、該リチウム二次電池を構成し得るリチウム二次電池用セパレータを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lithium secondary battery excellent in safety | security, and the lithium secondary battery which can comprise this lithium secondary battery, suppressing the fall of energy density as much as possible and ensuring the reliability of a battery. A battery separator can be provided.
本発明のセパレータは、少なくとも、織布または不織布からなる多孔質性シートと絶縁性微粒子(A)で構成されている。織布や不織布からなる多孔質性シートは、例えば、従来公知のポリオレフィン製の多孔質性フィルムからなるセパレータのような熱収縮が生じ難く、熱に対する寸法安定性が良好である。そのため、本発明のセパレータを有する電池では、異常加熱した際にも、セパレータの熱収縮による正極と負極との接触が生じ難く、良好な安全性が確保できる。 The separator of the present invention is composed of at least a porous sheet made of woven or non-woven fabric and insulating fine particles (A). A porous sheet made of a woven fabric or a non-woven fabric is less likely to cause thermal shrinkage and has good dimensional stability against heat unlike a separator made of a porous film made of a conventionally known polyolefin. Therefore, in the battery having the separator of the present invention, contact between the positive electrode and the negative electrode due to thermal contraction of the separator hardly occurs even when abnormally heated, and good safety can be ensured.
しかしながら、上記のように、織布や不織布からなる多孔質性シートは、その開口径が比較的大きいため、例えば、電池内においてリチウムデンドライトの生成の要因となり易く、または、正負極が直接接触する状態となることがあり、これによって電池の短絡が生じて電池の信頼性が損なわれ易い。 However, as described above, a porous sheet made of a woven fabric or a non-woven fabric has a relatively large opening diameter. Therefore, for example, it easily causes generation of lithium dendrite in the battery, or the positive and negative electrodes are in direct contact with each other. In some cases, the battery is short-circuited, and the reliability of the battery is easily impaired.
セパレータの有する絶縁性微粒子(A)は、例えば、多孔質性シートの空隙を埋めて、上記短絡の発生を防止するためのものであるが、織布や不織布からなる多孔質性シート(特に不織布からなる多孔質性シート)は、上記の通り、不均一性の高い基材であるため、粗大なピンホールが生じ易く、このようなピンホールの部分では、絶縁性微粒子が主体の多孔質層になっていると考えられる。従って、上記のピンホール部分では、織布や不織布の繊維による補強がなされていない状態となり、このような状態の多孔質層は脆く壊れ易いため、スリットなどのセパレータのハンドリング時に粉落ちが生じたり、巻回電極体作製時にセパレータのひび割れが生じるなど、電池の信頼性を低下させる要因となり易い。 The insulating fine particles (A) possessed by the separator are, for example, for filling the voids of the porous sheet to prevent the occurrence of the short circuit. As described above, since the porous sheet is a highly non-uniform substrate, coarse pinholes are likely to occur. In such pinholes, a porous layer mainly composed of insulating fine particles It is thought that. Therefore, the pinhole part is not reinforced by fibers of woven fabric or nonwoven fabric, and the porous layer in such a state is brittle and easily broken, so that powder may fall off when handling a separator such as a slit. The separator tends to crack during the production of the wound electrode body, which tends to decrease the reliability of the battery.
そこで、本発明では、織布または不織布からなる多孔質性シートを2層以上の積層物とすることで、開口径を極めて厳密に制御していない織布や不織布であっても、絶縁性微粒子(A)が主体となる構造となってセパレータを脆くする要因となる粗大なピンホールの発生を可及的に抑制した。そして、これにより、セパレータの柔軟性を確保して、リチウムデンドライトに起因する短絡の発生などを防止し、電池の信頼性向上を達成した。 Therefore, in the present invention, a porous sheet made of woven fabric or non-woven fabric is made into a laminate of two or more layers, so that even if the woven fabric or non-woven fabric whose opening diameter is not strictly controlled, the insulating fine particles The formation of coarse pinholes, which becomes a factor that makes the separator brittle as a structure mainly composed of (A), was suppressed as much as possible. As a result, the flexibility of the separator was secured, the occurrence of a short circuit due to the lithium dendrite was prevented, and the reliability of the battery was improved.
上記の通り、本発明では、例えばセパレータを厚くする以外の構成で、正負極の直接の接触による短絡やリチウムデンドライトに起因する短絡の防止を達成しているため、本発明のセパレータは、その厚みを比較的薄くすることが可能であり、これを用いた電池のエネルギー密度の低下を可及的に抑制することもできる。 As described above, in the present invention, for example, in a configuration other than increasing the thickness of the separator, short circuit due to direct contact between the positive and negative electrodes and prevention of short circuit due to lithium dendrite are achieved. Can be made relatively thin, and a decrease in the energy density of a battery using this can be suppressed as much as possible.
なお、本発明のセパレータに係る多孔質性シートにおけるピンホールの有無は、例えば、CCD(電荷結合素子)カメラを用いた画像解析、水銀ポロシメータ、バブルポイント法によるポロシメータなどにより測定することが可能であり、例えば、直径が100μm以上のピンホールの存在率が、1個/cm2以下であることが好ましい。 The presence or absence of pinholes in the porous sheet according to the separator of the present invention can be measured by, for example, image analysis using a CCD (charge coupled device) camera, mercury porosimeter, bubble point method porosimeter, or the like. For example, the abundance ratio of pinholes having a diameter of 100 μm or more is preferably 1 piece / cm 2 or less.
上記のようにピンホールの存在率の小さな多孔質性シートは、以下の構成を採用することで得ることができる。 As described above, a porous sheet having a small pinhole abundance can be obtained by adopting the following configuration.
多孔質性シートには、従来公知の方法により作製された織布または不織布を用いること
ができる。中でも、製法の簡便さや、後述する厚みを極力薄くする必要があるという点で、不織布が好適である。
As the porous sheet, a woven fabric or a non-woven fabric produced by a conventionally known method can be used. Among these, non-woven fabrics are preferred because of the simplicity of the manufacturing method and the need to reduce the thickness described later as much as possible.
多孔質性シートは、少なくとも、150℃で実質的に変形しない繊維を、構成繊維として含有していることが好ましい。このような多孔質性シートの場合には、150℃以下の温度では、収縮が殆ど生じないため、より高温での電池の安全性が向上する。なお、「150℃で実質的に変形しない繊維」とは、シート状物の形態で、軟化などによる実質的な寸法変化が生じないことをいい、具体的には、150℃(またはそれ以下の温度)でのシート状物の長さの変化、すなわち室温での長さに対する収縮の割合(収縮率)が5%以下のものをいう。 The porous sheet preferably contains at least fibers that do not substantially deform at 150 ° C. as constituent fibers. In the case of such a porous sheet, since the shrinkage hardly occurs at a temperature of 150 ° C. or lower, the safety of the battery at a higher temperature is improved. In addition, “a fiber that does not substantially deform at 150 ° C.” means that a substantial dimensional change due to softening or the like does not occur in the form of a sheet, and specifically, 150 ° C. (or lower). The change in length of the sheet-like material at (temperature), that is, the ratio of shrinkage (shrinkage rate) to the length at room temperature is 5% or less.
多孔質性シート(すなわち、織布または不織布)の構成繊維の素材としては、例えば、セルロース、セルロース変成体(カルボキシメチルセルロースなど)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル[ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)など]、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアラミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリビニルアルコール(PVA)などの樹脂;ガラス、アルミナ、シリカなどの無機材料(無機酸化物);などが挙げられる。多孔質性シートの構成繊維は、これらの素材の1種を含有していてもよく、2種以上を含有していても構わない。また、多孔質性シートの構成繊維は、その構成成分として、上記の素材の他に、必要に応じて、公知の各種添加剤(例えば、樹脂である場合には酸化防止剤など)を含有していても構わない。 Examples of the material of the constituent fiber of the porous sheet (that is, woven fabric or non-woven fabric) include cellulose, modified cellulose (such as carboxymethyl cellulose), polypropylene (PP), polyester [polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate ( PEN), polybutylene terephthalate (PBT), etc.], polyacrylonitrile (PAN), polyaramid, polyamideimide, polyimide, polyvinyl alcohol (PVA) and other resins; glass, alumina, silica and other inorganic materials (inorganic oxides); etc. Is mentioned. The constituent fibers of the porous sheet may contain one of these materials or two or more. Moreover, the constituent fiber of the porous sheet contains, as necessary, various known additives (for example, an antioxidant in the case of a resin) in addition to the materials described above. It does not matter.
例えば、多孔質性シートを構成する織布または不織布の中でも、紙、PP不織布、ポリエステル不織布(PET不織布、PEN不織布、PBT不織布)、PAN不織布などの不織布が、より好適なものとして例示できる。 For example, non-woven fabrics such as paper, PP non-woven fabric, polyester non-woven fabric (PET non-woven fabric, PEN non-woven fabric, PBT non-woven fabric) and PAN non-woven fabric can be exemplified as more preferable among woven fabrics or non-woven fabrics constituting the porous sheet.
多孔質性シートの構成繊維の直径は、セパレータの厚み以下であればよいが、例えば、0.01〜5μmであることが好ましい。径が大きすぎると、繊維状物同士の絡み合いが不足して、これらで構成される多孔質性シートの強度、延いてはセパレータの強度が小さくなって取り扱いが困難となることがある。また、径が小さすぎると、セパレータの空隙が小さくなりすぎて、イオン透過性が低下する傾向にあり、電池の負荷特性を低下させてしまうことがある。 The diameter of the constituent fiber of the porous sheet may be equal to or less than the thickness of the separator, but is preferably 0.01 to 5 μm, for example. If the diameter is too large, the entanglement between the fibrous materials may be insufficient, and the strength of the porous sheet constituted by these, and consequently the strength of the separator may be reduced, making it difficult to handle. On the other hand, if the diameter is too small, the gap of the separator becomes too small, and the ion permeability tends to be lowered, and the load characteristics of the battery may be lowered.
多孔質性シートは、織布または不織布を2層以上積層した積層物であるが、積層する個々の織布または不織布(以下、「材料シート」という場合がある)は、同じものであってもよく、目付け、厚み、素材、製法などの異なるシートであってもよい。また、織布と不織布を積層して多孔質性シートとしても構わない。 The porous sheet is a laminate in which two or more layers of woven or non-woven fabrics are laminated, but individual woven or non-woven fabrics (hereinafter sometimes referred to as “material sheets”) to be laminated are the same. The sheet may be a sheet having a different basis weight, thickness, material, or manufacturing method. Further, a woven fabric and a non-woven fabric may be laminated to form a porous sheet.
なお、多孔質性シートに絶縁性微粒子(A)を含有させるプロセスにおいて(プロセスの詳細は後述する)、絶縁性微粒子(A)を分散させた液状組成物(塗料)を多孔質性シートに塗布などする際に、多孔質性シートの厚み方向の異方性や、液状組成物の含浸性などにより、多孔質性シートが特定方向にカールし易くなる場合がある。その場合には、多孔質性シートは、同一構成の材料シート(織布または不織布)を、例えば表同士、または裏同士を対向させて積層した構造とすることが好ましく、このような構成とすることで、カール性を抑えることができる。 In the process of containing insulating fine particles (A) in a porous sheet (details of the process will be described later), a liquid composition (paint) in which insulating fine particles (A) are dispersed is applied to the porous sheet. In some cases, the porous sheet may be easily curled in a specific direction due to anisotropy in the thickness direction of the porous sheet, impregnation properties of the liquid composition, and the like. In that case, the porous sheet preferably has a structure in which material sheets (woven fabric or non-woven fabric) having the same configuration are laminated with the front surfaces or the back surfaces facing each other, for example. Therefore, curling properties can be suppressed.
多孔質性シートは2層以上(2層、3層、4層など)の積層物であれば、その積層数については特に制限は無いが、セパレータの厚みを極力薄くして、電池のエネルギー密度を高くするという点では、2層であることが好ましい。 If the porous sheet is a laminate of two or more layers (two layers, three layers, four layers, etc.), there is no particular limitation on the number of layers, but the separator is made as thin as possible to reduce the energy density of the battery. In terms of increasing the thickness, it is preferable to have two layers.
また、多孔質性シートを構成するための個々の織布や不織布は、電池のエネルギー密度を高くする観点から薄くすることが好ましく、例えば、厚みでいえば、20μm以下であることが好ましく、16μm以下であることがより好ましい。また、目付けでいえば、15g/m2以下であることが好ましく、10g/m2以下であることがより好ましい。 In addition, the individual woven fabric or nonwoven fabric for constituting the porous sheet is preferably thin from the viewpoint of increasing the energy density of the battery. For example, the thickness is preferably 20 μm or less, and 16 μm. The following is more preferable. In terms of weight per unit area, it is preferably 15 g / m 2 or less, and more preferably 10 g / m 2 or less.
他方、多孔質性シートを構成するための織布や不織布が薄すぎると、スリットや巻回電極体の作製といったプロセスに必要な強度が得られない虞があり、その厚みは、3μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましい。また、目付けでいえば、2g/m2以上であることが好ましく、4g/m2以上であることがより好ましい。 On the other hand, if the woven fabric or non-woven fabric for forming the porous sheet is too thin, there is a possibility that the strength required for the process of producing slits and wound electrode bodies may not be obtained, and the thickness is 3 μm or more. It is preferably 5 μm or more. Further, in terms of the basis weight, and more preferably preferably at 2 g / m 2 or more and 4g / m 2 or more.
多孔質性シートを構成するための織布または不織布の空隙率としては、例えば、10%以上、より好ましくは20%以上であって、90%以下、より好ましくは80%以下であることが望ましい。織布や不織布の空隙率が小さすぎると、セパレータのイオン透過性が悪くなることがあり、また、空隙率が大きすぎると、セパレータの強度が不足することがある。なお、織布または不織布の空隙率は、後記式(10)により計算できる。 The porosity of the woven or non-woven fabric for constituting the porous sheet is, for example, 10% or more, more preferably 20% or more, and preferably 90% or less, more preferably 80% or less. . If the porosity of the woven fabric or nonwoven fabric is too small, the ion permeability of the separator may be deteriorated, and if the porosity is too large, the strength of the separator may be insufficient. In addition, the porosity of a woven fabric or a nonwoven fabric can be calculated by a postscript formula (10).
また、多孔質性シートを構成するための織布や不織布において、上記の多孔質性シート場合と同様の方法で測定される直径が100μm以上のピンホールの存在率は、例えば、1個/cm2以下であることが好ましく、0.1個/cm2以下であることがより好ましい。 Further, in the woven fabric or nonwoven fabric for forming the porous sheet, the abundance ratio of pinholes having a diameter of 100 μm or more measured by the same method as in the case of the porous sheet is, for example, 1 piece / cm. preferably 2 or less, more preferably 0.1 pieces / cm 2 or less.
多孔質性シートの厚みとしては、セパレータの短絡防止効果の向上や、セパレータの強度確保の観点から、例えば、3μm以上、より好ましくは5μm以上であって、50μm以下、より好ましくは30μm以下であることが望ましい。 The thickness of the porous sheet is, for example, 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, from the viewpoint of improving the short-circuit prevention effect of the separator and ensuring the strength of the separator. It is desirable.
また、多孔質性シートの目付けとしては、5g/m2以上、より好ましくは10g/m2以上であって、50g/m2以下、より好ましくは30g/m2以下であることが望ま
しい。
The basis weight of the porous sheet is preferably 5 g / m 2 or more, more preferably 10 g / m 2 or more, and 50 g / m 2 or less, more preferably 30 g / m 2 or less.
また、多孔質性シートの空隙率としては、例えば、20%以上、より好ましくは30%以上であって、70%以下、より好ましくは60%以下であることが望ましい。多孔質性シートの空隙率が小さすぎると、セパレータのイオン透過性が悪くなることがあり、また、空隙率が大きすぎると、セパレータの強度が不足することがある。なお、多孔質性シートの空隙率は、後記式(10)により計算できる。 The porosity of the porous sheet is, for example, 20% or more, more preferably 30% or more, and 70% or less, more preferably 60% or less. If the porosity of the porous sheet is too small, the ion permeability of the separator may deteriorate, and if the porosity is too large, the strength of the separator may be insufficient. Note that the porosity of the porous sheet can be calculated by the following formula (10).
織布または不織布である材料シートを積層して多孔質性シートを形成する方法としては、材料シート同士を、バインダを用いて貼り合せる方法;材料シート同士を熱融着により張り合わせる方法;不織布を製造する段階で、不織布の構成素材となるウェブを積層して不織布(多孔質性シート)を形成する方法;などが挙げられる。多孔質性シートを薄くするという観点からは、バインダを使用しない熱融着法や、積層したウェブを用いて不織布とする方法が好ましい。 As a method of forming a porous sheet by laminating material sheets that are woven or non-woven fabric, a method in which the material sheets are bonded together using a binder; a method in which the material sheets are bonded together by thermal fusion; And a method of forming a non-woven fabric (porous sheet) by laminating webs as constituent materials of the non-woven fabric at the stage of production. From the viewpoint of thinning the porous sheet, a heat fusion method without using a binder or a method of forming a nonwoven fabric using a laminated web is preferable.
本発明に係る絶縁性微粒子(A)は、電気絶縁性(具体的には、体積抵抗率が1010Ω・m以上)であり、電池内で安定に存在し得る有機または無機の微粒子であれば特に制限は無く、これらを1種単独で使用してもよく、2種以上を併用しても構わない。 The insulating fine particles (A) according to the present invention may be organic or inorganic fine particles that are electrically insulating (specifically, have a volume resistivity of 10 10 Ω · m or more) and can exist stably in the battery. If there is no restriction | limiting in particular, these may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.
無機微粒子としては、例えば、酸化鉄、SiO2、Al2O3、TiO2、BaTiO2、ZrOなどの酸化物微粒子;窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの窒化物微粒子;フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウムなどの難溶性のイオン結晶微粒子;シリコン、ダイヤモンドなどの共有結合性結晶微粒子;モンモリロナイトなどの粘土微粒子;ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、マイカなどの鉱物資源由来物質あるいはこれらの人造物;などが挙げられる。また、金属微粒子;SnO2、スズ−インジウム酸化物(ITO)などの酸化物微粒子;カーボンブラック、グラファイトなどの炭素質微粒子;などの導電性微粒子の表面を、電気絶縁性を有する材料[例えば、絶縁性微粒子(A)を構成し得る上記材料のうち、非電気伝導性のものや、後記の架橋高分子微粒子、耐熱性高分子微粒子を構成する材料など]で表面処理することで、電気絶縁性を持たせた微粒子であってもよい。 Examples of the inorganic fine particles include oxide fine particles such as iron oxide, SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , BaTiO 2 , and ZrO; nitride fine particles such as aluminum nitride and silicon nitride; calcium fluoride, barium fluoride, Slightly soluble ionic crystal particles such as barium sulfate; Covalent crystal particles such as silicon and diamond; Clay particles such as montmorillonite; Substances derived from mineral resources such as boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, mica These artificial products; Further, the surface of conductive fine particles such as metal fine particles; oxide fine particles such as SnO 2 and tin-indium oxide (ITO); carbonaceous fine particles such as carbon black and graphite; Electrical insulation by surface treatment with non-electrically conductive materials that can constitute the insulating fine particles (A), cross-linked polymer fine particles, and materials constituting heat-resistant polymer fine particles described later] Fine particles having properties may be used.
また、有機微粒子(有機粉末)としては、架橋ポリメタクリル酸メチル、架橋ポリスチレン、架橋ポリジビニルベンゼン、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体架橋物、ポリイミド、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ベンゾグアナミン−ホルムアルデヒド縮合物などの各種架橋高分子微粒子[ただし、後記の膨潤性微粒子(C)に該当しないもの]や、ポリプロピレン(PP)、ポリスルフォン、ポリアクリロニトリル、ポリアラミド、ポリアセタール、熱可塑性ポリイミドなどの耐熱性高分子微粒子などが例示できる。また、これらの有機微粒子を構成する有機樹脂(高分子)は、上記例示の材料の混合物、変性体、誘導体、共重合体(ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体)、架橋体(上記の耐熱性高分子の場合)であってもよい。 Organic fine particles (organic powder) include crosslinked polymethyl methacrylate, crosslinked polystyrene, crosslinked polydivinylbenzene, crosslinked styrene-divinylbenzene copolymer, polyimide, melamine resin, phenol resin, benzoguanamine-formaldehyde condensate, etc. Various crosslinked polymer fine particles [those that do not fall under the following swellable fine particles (C)], heat-resistant polymer fine particles such as polypropylene (PP), polysulfone, polyacrylonitrile, polyaramid, polyacetal, thermoplastic polyimide, etc. It can be illustrated. The organic resin (polymer) constituting these organic fine particles is a mixture, modified body, derivative, or copolymer (random copolymer, alternating copolymer, block copolymer, graft copolymer) of the materials exemplified above. Polymer) and a crosslinked body (in the case of the above heat-resistant polymer).
上記例示の各絶縁性微粒子の中でも、Al2O3(アルミナ)、SiO2(シリカ)、ベーマイトが好ましい。 Among the insulating fine particles exemplified above, Al 2 O 3 (alumina), SiO 2 (silica), and boehmite are preferable.
絶縁性微粒子(A)の大きさとしては、その乾燥時における粒径がセパレータの厚みより小さければよいが、セパレータの厚みの1/3〜1/100の平均粒径を有することが好ましく、具体的には、平均粒径が、0.01μm以上、より好ましくは0.1μm以上であって、10μm以下、より好ましくは5μm以下であることが望ましい。絶縁性微粒子(A)の平均粒径が小さすぎると、微粒子(A)同士の隙間が小さくなることによってセパレータ中のイオンの伝導パスが長くなって電池特性が低下することがある。また、絶縁性微粒子(A)の平均粒径が大きすぎると、微粒子(A)同士の隙間が大きくなって、リチウムデンドライトの発生に起因する短絡の防止効果が小さくなることがある。 As the size of the insulating fine particles (A), it is sufficient that the particle size at the time of drying is smaller than the thickness of the separator, but preferably has an average particle size of 1/3 to 1/100 of the thickness of the separator. Specifically, it is desirable that the average particle diameter is 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. If the average particle size of the insulating fine particles (A) is too small, the gap between the fine particles (A) becomes small, and the conduction path of ions in the separator becomes long, which may deteriorate the battery characteristics. On the other hand, if the average particle diameter of the insulating fine particles (A) is too large, the gap between the fine particles (A) becomes large, and the short-circuit preventing effect caused by the generation of lithium dendrite may be reduced.
絶縁性微粒子(A)の形状については特に制限はなく、略球状、ラグビーボール状などの粒状でもよく、針状や板状などでもよい。中でも、絶縁性微粒子(A)の一部または全部が板状の場合には、リチウムデンドライトに起因する短絡防止効果の一層の向上を期待できることから、特に好ましい。 The shape of the insulating fine particles (A) is not particularly limited, and may be a substantially spherical shape, a rugby ball shape, or a needle shape or a plate shape. Among these, when part or all of the insulating fine particles (A) are plate-like, it is particularly preferable because a further improvement in the effect of preventing short circuit due to lithium dendrite can be expected.
絶縁性微粒子(A)が板状の場合には、そのアスペクト比(板状粒子中の最大長さと板状粒子の厚みの比)は、5以上、より好ましくは10以上であって、100以下、より好ましくは50以下であることが望ましい。アスペクト比が小さすぎると、絶縁性微粒子(A)が板状であることによる上記効果が小さくなることがあり、大きすぎると、絶縁性微粒子(A)の比表面積が大きくなりすぎるために取り扱いが困難となることがある。 When the insulating fine particles (A) are plate-like, the aspect ratio (the ratio of the maximum length in the plate-like particles to the thickness of the plate-like particles) is 5 or more, more preferably 10 or more, and 100 or less. More preferably, it is 50 or less. If the aspect ratio is too small, the above-mentioned effect due to the insulating fine particles (A) being plate-like may be reduced. If the aspect ratio is too large, the specific surface area of the insulating fine particles (A) becomes too large. It can be difficult.
また、絶縁性微粒子(A)が板状の場合には、その平板面の長軸方向長さと短軸方向長さの比の平均値が、1以上であって、3以下、より好ましくは2以下であることが望ましい。絶縁性微粒子(A)の平板面の長軸方向長さと短軸方向長さの比が大きすぎると、絶縁性微粒子(A)の形状が針状に近づき、絶縁性微粒子(A)が板状であることによる上記効果が小さくなることがある。 Further, when the insulating fine particles (A) are plate-like, the average value of the ratio of the long axis direction length to the short axis direction length of the flat plate surface is 1 or more, 3 or less, more preferably 2 The following is desirable. If the ratio between the length in the major axis direction and the length in the minor axis direction of the flat surface of the insulating fine particles (A) is too large, the shape of the insulating fine particles (A) approaches a needle shape, and the insulating fine particles (A) are plate-like. In some cases, the above-described effect due to the fact is small.
なお、上記の絶縁性微粒子(A)の平均粒径は、レーザー散乱粒度分布計(HORIBA社製「LA−920」)を用い、絶縁性微粒子(A)が膨潤しない媒体(例えば水)に分散させて測定した数平均粒子径である。また、絶縁性微粒子(A)が板状である場合における上記の平板面の長軸方向長さと短軸方向長さの比の平均値は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影した画像を画像解析することにより求めることができる。更に絶縁性微粒子(A)が板状である場合における上記のアスペクト比も、SEMにより撮影した画像を、画像解析することにより求めることができる。 The average particle size of the insulating fine particles (A) is dispersed in a medium (for example, water) in which the insulating fine particles (A) do not swell using a laser scattering particle size distribution meter (“LA-920” manufactured by HORIBA). And the number average particle diameter measured. In addition, when the insulating fine particles (A) are plate-like, the average value of the ratio of the long axis direction length to the short axis direction length of the flat plate surface is, for example, an image taken by a scanning electron microscope (SEM). Can be obtained by image analysis. Furthermore, the above aspect ratio in the case where the insulating fine particles (A) are plate-like can also be obtained by image analysis of an image photographed by SEM.
また、セパレータ中における絶縁性微粒子(A)が板状である場合の存在形態は、上記の通り、平板面がセパレータの面に対して略平行であることが好ましく、セパレータの表面近傍での平均角度が30°以下であることが好ましい。ここでいう「表面近傍」とは、セパレータの表面から、全体厚みに対して10%以内の領域を意味している。板状の絶縁性微粒子(A)のセパレータ中における存在形態が上記のような場合には、電池としたときに絶縁性微粒子(A)が略平行に並んで配置されることになり、正極と負極間の所謂貫通孔の形成を防ぐことができるため、リチウムデンドライトに起因する短絡を、より効果的に防止することが可能となる。 Further, as described above, the presence form when the insulating fine particles (A) in the separator are plate-like is preferably such that the flat plate surface is substantially parallel to the surface of the separator, and the average in the vicinity of the surface of the separator. The angle is preferably 30 ° or less. Here, “near the surface” means a region within 10% of the total thickness from the surface of the separator. In the case where the presence form of the plate-like insulating fine particles (A) in the separator is as described above, the insulating fine particles (A) are arranged substantially in parallel when a battery is formed. Since the formation of so-called through holes between the negative electrodes can be prevented, it is possible to more effectively prevent a short circuit caused by lithium dendrite.
上記のような板状の絶縁性微粒子(A)としては、市販品を用いることができ、例えば、アルミナとしては、キンセイマテック社製の「セラフ(商品名)」、シリカとしては、洞海化学社製の「サンラブリー(商品名)」、ベーマイトとしては、河合石灰社製の「セラシュール(商品名)」、マイカとしては、コープケミカル社製の「ミクロマイカ(商品名)」などが入手可能である。 Commercially available products can be used as the plate-like insulating fine particles (A) as described above, for example, “Seraph (trade name)” manufactured by Kinsei Matec Co., Ltd. as alumina, and Dokai Chemical as silica. "Sun Lovely" (trade name) made by the company, "Cerasur" (trade name) made by Kawai Lime Co., as boehmite, "Micro Mica (trade name)" made by Corp Chemical, etc. Is possible.
絶縁性微粒子(A)は、セパレータの構成成分(全固形分)の全体積中、10体積%以上、より好ましくは20体積%以上であることが望ましい。絶縁性微粒子(A)の体積比率をこのようにすることで、セパレータの短絡防止機能をより確実なものとすることができる。なお、絶縁性微粒子(A)の体積比率の上限は、例えば80体積%であることが好ましい。 It is desirable that the insulating fine particles (A) be 10% by volume or more, more preferably 20% by volume or more in the total volume of the constituent components (total solid content) of the separator. By making the volume ratio of the insulating fine particles (A) in this way, the short-circuit prevention function of the separator can be made more reliable. In addition, it is preferable that the upper limit of the volume ratio of insulating fine particles (A) is 80 volume%, for example.
本発明のセパレータの具体的な態様としては、織布または不織布(紙を含む)の積層物である多孔質性シートを用い、このシート中に絶縁性微粒子(A)を含有させたものである。なお、多孔質性シート中に、絶縁性微粒子(A)と共に繊維状物(D)が分散されている態様を有していてもよい。 As a specific embodiment of the separator of the present invention, a porous sheet which is a laminate of woven fabric or nonwoven fabric (including paper) is used, and insulating fine particles (A) are contained in this sheet. . The porous sheet may have a mode in which the fibrous material (D) is dispersed together with the insulating fine particles (A).
繊維状物(D)としては、例えば、上記例示の素材で構成されている織布や不織布の構成繊維と同様のものを用いることができる。なお、本明細書でいう「繊維状物」とは、アスペクト比[長尺方向の長さ/長尺方向に直交する方向の幅(直径)]が4以上のものを意味している。繊維状物(D)のアスペクト比は、10以上であることが好ましい。 As a fibrous material (D), the thing similar to the constituent fiber of the woven fabric and nonwoven fabric which are comprised with the raw material of the said illustration can be used, for example. The “fibrous material” in the present specification means that having an aspect ratio [length in the longitudinal direction / width (diameter) in a direction perpendicular to the longitudinal direction] of 4 or more. The aspect ratio of the fibrous material (D) is preferably 10 or more.
また、本発明のセパレータでは、絶縁性微粒子(A)および繊維状物(D)以外にも、後記の熱溶融性微粒子(B)や膨潤性微粒子(C)を含有していてもよい。熱溶融性微粒子(B)や膨潤性微粒子(C)を含有するセパレータとすることにより、このセパレータを用いた電池に、シャットダウン機能を付与することができる。このような熱溶融性微粒子(B)および膨潤性微粒子(C)としては、電気絶縁性を有しており、電気化学的に安定で、更に電解液や、セパレータ製造の際に使用する絶縁性微粒子(A)を含有する液状組成物に用いる溶媒に安定であり、また、電池の作動電圧範囲において酸化還元といった副反応しない微粒子であればよい。なお、本明細書でいう「電気化学的に安定な」とは、電池の充放電の際に化学変化が生じないことを意味する。 In addition, the separator of the present invention may contain heat-meltable fine particles (B) and swellable fine particles (C) described later, in addition to the insulating fine particles (A) and the fibrous material (D). By using a separator containing the heat-meltable fine particles (B) or swellable fine particles (C), a shutdown function can be imparted to a battery using the separator. Such heat-meltable fine particles (B) and swellable fine particles (C) have electrical insulation properties, are electrochemically stable, and further have insulation properties used in the production of electrolytes and separators. Any fine particles that are stable in the solvent used for the liquid composition containing the fine particles (A) and do not undergo side reactions such as oxidation-reduction in the operating voltage range of the battery may be used. As used herein, “electrochemically stable” means that no chemical change occurs during charging / discharging of the battery.
熱溶融性微粒子(B)は、高温時に粒子が熱溶融してセパレータの空隙を埋めることにより、リチウムイオンの移動を阻害し、高温時における急激な放電反応を抑制する機能を有している。熱溶融性微粒子(B)の具体例としては、80〜130℃で融解するもの、すなわち、JIS K 7121の規定に準じて、示差走査熱量計(DSC)を用いて測定される融解温度が80〜130℃であるものが好的である。より具体的には、ポリエチレン(PE)、エチレン由来の構造単位が85モル%以上の共重合ポリオレフィン、またはポリオレフィン誘導体(塩素化ポリエチレンなど)、ポリオレフィンワックス、石油ワックス、カルナバワックスなどが挙げられる。上記共重合ポリオレフィンとしては、エチレン−ビニルモノマー共重合体、より具体的には、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、エチレン−メチルアクリレート共重合体、またはエチレン−エチルアクリレート共重合体が例示できる。また、ポリシクロオレフィンなどを用いることもできる。熱溶融性微粒子(B)は、これらの構成材料の1種のみを有していてもよく、2種以上を有していても構わない。これらの中でも、PE、ポリオレフィンワックス、またはエチレン由来の構造単位が85モル%以上のEVAが好適である。また、熱溶融性微粒子(B)は、構成成分として、上記の構成材料の他に、必要に応じて、樹脂に添加される公知の各種添加剤(例えば、酸化防止剤など)を含有していても構わない。 The heat-fusible fine particles (B) have a function of inhibiting lithium ion migration and suppressing a rapid discharge reaction at high temperatures by causing the particles to melt at high temperatures to fill the voids of the separator. Specific examples of the heat-meltable fine particles (B) are those that melt at 80 to 130 ° C., that is, a melting temperature of 80 measured using a differential scanning calorimeter (DSC) according to JIS K 7121. Those having a temperature of ˜130 ° C. are preferred. More specifically, polyethylene (PE), copolymerized polyolefin having a structural unit derived from ethylene of 85 mol% or more, or a polyolefin derivative (such as chlorinated polyethylene), polyolefin wax, petroleum wax, carnauba wax, and the like can be given. Examples of the copolymer polyolefin include an ethylene-vinyl monomer copolymer, more specifically, an ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), an ethylene-methyl acrylate copolymer, or an ethylene-ethyl acrylate copolymer. it can. Moreover, polycycloolefin etc. can also be used. The heat-meltable fine particles (B) may have only one kind of these constituent materials, or may have two or more kinds. Among these, PE, polyolefin wax, or EVA having a structural unit derived from ethylene of 85 mol% or more is preferable. The heat-meltable fine particles (B) contain, as a constituent component, various known additives (for example, antioxidants) that are added to the resin as necessary, in addition to the constituent materials described above. It doesn't matter.
熱溶融性微粒子(B)は、電池が高温になった際には、微粒子(B)の全体が溶融できるものでもよいが、例えば、絶縁性微粒子(A)をコアとし、熱溶融性微粒子(B)を構成し得る上記例示の熱溶融性の樹脂(80〜130℃で溶融する樹脂)をシェルとして複合化したコアシェル構造の微粒子であってもよい。このようなコアシェル構造の微粒子を用いた場合でも、電池が高温となった場合に、シェル部の樹脂が溶融してセパレータの空隙を埋めるため、電池に良好なシャットダウン機能を保持させることができる。 The heat-fusible fine particles (B) may be ones that can melt the whole of the fine particles (B) when the battery reaches a high temperature. For example, the heat-fusible fine particles (B) have the insulating fine particles (A) as a core, Fine particles having a core-shell structure in which the above-described heat-meltable resin (resin that melts at 80 to 130 ° C.) that can constitute B) is combined as a shell. Even when such core-shell fine particles are used, when the battery becomes hot, the resin in the shell melts to fill the gaps in the separator, so that the battery can have a good shutdown function.
熱溶融性微粒子(B)の粒径としては、絶縁性微粒子(A)と同じ測定法で測定される数平均粒子径で、例えば、0.001μm以上、より好ましくは0.1μm以上であって、15μm以下、より好ましくは1μm以下であることが推奨される。 The particle diameter of the heat-meltable fine particles (B) is a number average particle diameter measured by the same measurement method as that for the insulating fine particles (A), for example, 0.001 μm or more, more preferably 0.1 μm or more. 15 μm or less, more preferably 1 μm or less is recommended.
膨潤性微粒子(C)は、電池内の非水電解液(以下、単に「電解液」と略すことがある)を吸収して膨潤することが可能であり、かつ温度の上昇により膨潤度が増大する機能を有している。膨潤性微粒子(C)を含有するセパレータを有するリチウム二次電池が高温に曝されると、膨潤性微粒子(C)における温度上昇に伴って膨潤度が増大する性質(以下、「熱膨潤性」という場合がある)により、膨潤性微粒子(C)が電池内の電解液を吸収して膨潤する。この際、セパレータの空隙内部に存在する電解液量が不足するいわゆる「液枯れ」状態となり、また、膨潤した粒子がセパレータ内部の空隙を塞ぐことにもなるので、高温時には、電池内でのリチウムイオンの伝導性が著しく減少するため、急激な放電反応を抑制することができる。 The swellable fine particles (C) can swell by absorbing a non-aqueous electrolyte (hereinafter simply referred to as “electrolyte”) in the battery, and the degree of swelling increases as the temperature rises. It has a function to do. When a lithium secondary battery having a separator containing swellable fine particles (C) is exposed to a high temperature, the swelling degree increases as the temperature of the swellable fine particles (C) increases (hereinafter referred to as “thermal swellability”). Swellable fine particles (C) absorb the electrolyte solution in the battery and swell. At this time, the amount of electrolyte present inside the separator gap becomes so-called “liquid withering” state, and the swollen particles also block the gap inside the separator. Since the ion conductivity is remarkably reduced, a rapid discharge reaction can be suppressed.
膨潤性微粒子(C)としては、上記の熱膨潤性を示す温度が、75〜125℃であることが好ましい。熱膨潤性を示す温度が高すぎると、電池内の活物質の熱暴走反応を十分に抑制できず、電池の安全性向上効果が十分に確保できないことがある。また、熱膨潤性を示す温度が低すぎると、通常の使用温度域における電池内でのリチウムイオンの伝導性が低くなりすぎて、機器の使用に支障をきたす場合が生じることがある。すなわち、本発明の電池では、電池内のリチウムイオンの伝導性が著しく減少する温度(いわゆるシャットダウン温度)をおよそ80〜130℃の範囲とすることが望ましく、このため、膨潤性微粒子(C)が温度上昇により熱膨潤性を示し始める温度は、75〜125℃の範囲にある
ことが好ましい。
As the swellable fine particles (C), the temperature exhibiting the above-mentioned heat swellability is preferably 75 to 125 ° C. If the temperature exhibiting thermal swellability is too high, the thermal runaway reaction of the active material in the battery may not be sufficiently suppressed, and the battery safety improvement effect may not be sufficiently ensured. Moreover, when the temperature which shows heat swelling property is too low, the conductivity of the lithium ion in the battery in a normal use temperature range will become low too much, and it may cause trouble in use of an apparatus. That is, in the battery of the present invention, the temperature at which the lithium ion conductivity in the battery is remarkably reduced (so-called shutdown temperature) is preferably in the range of about 80 to 130 ° C. Therefore, the swellable fine particles (C) It is preferable that the temperature at which the thermal swellability starts to be exhibited by the temperature rise is in the range of 75 to 125 ° C.
また、膨潤性微粒子(C)としては、120℃において測定される、下記式で定義される膨潤度Bが、1以上であるものが好ましい。
B = (V1/V0)−1 (1)
[上記式(1)中、V0は、25℃の非水電解液に投入してから24時間後における微粒子の体積(cm3)、V1は、25℃の非水電解液に投入してから24時間後に非水電解液を120℃まで昇温させ、更に120℃で1時間経過後における微粒子の体積(cm3)を意味する]
Further, as the swellable fine particles (C), those having a degree of swelling B as defined by the following formula measured at 120 ° C. of 1 or more are preferable.
B = (V 1 / V 0 ) -1 (1)
[In the above formula (1), V 0 is the volume of fine particles (cm 3 ) 24 hours after being introduced into the non-aqueous electrolyte at 25 ° C., and V 1 is introduced into the non-aqueous electrolyte at 25 ° C. 24 hours later, the temperature of the non-aqueous electrolyte is raised to 120 ° C., and the volume of fine particles (cm 3 ) after 1 hour at 120 ° C.]
上記のような膨潤度を有する膨潤性微粒子(C)は、熱膨潤性を示し始める上記温度(75〜125℃のいずれかの温度)を超えた環境下において、その膨潤度が大きく増大する。そのため、このような性質を有する膨潤性微粒子(C)を含有するセパレータを用いた電池では、内部温度が特定の温度(例えば、上記の75〜125℃)を超えた時点で、膨潤性微粒子(C)が電池内の電解液を更に吸収して大きく膨張することにより、リチウムイオンの伝導性を著しく低下させるため、より確実に電池の安全性を確保することが可能となる。なお、上記式(1)で定義される膨潤性微粒子(C)の膨潤度は、大きくなりすぎると電池の変形を発生させることもあり、10以下であるのが望ましい。 The swelling degree of the swellable fine particles (C) having the above degree of swelling greatly increases in an environment exceeding the above temperature (any temperature of 75 to 125 ° C.) at which the thermal swellability starts to be exhibited. Therefore, in a battery using a separator containing swellable fine particles (C) having such properties, when the internal temperature exceeds a specific temperature (for example, 75 to 125 ° C.), the swellable fine particles ( Since C) further absorbs the electrolyte solution in the battery and expands significantly, the lithium ion conductivity is remarkably lowered, so that the safety of the battery can be ensured more reliably. The swelling degree of the swellable fine particles (C) defined by the above formula (1) may cause battery deformation if it becomes too large, and is desirably 10 or less.
上記式(1)で定義される膨潤性微粒子(C)の具体的な測定は、以下の方法により行うことができる。予め電解液中に常温で24時間浸漬したときの膨潤度、および120℃における上記式(1)で定義される膨潤度が分かっているバインダ樹脂の溶液またはエマルジョンに、膨潤性微粒子(C)を混合してスラリーを調製し、これをPETシートやガラス板などの基材上にキャストしてフィルムを作製し、その質量を測定する。次にこのフィルムを常温(25℃)の電解液中に24時間浸漬して質量を測定し、更に電解液を120℃に加熱昇温させ、該温度で1時間後における質量を測定し、下記式(2)〜(8)によって膨潤度Bを算出する[なお、下記式(2)〜(8)は、常温から120℃までの昇温による電解液以外の成分の体積増加は無視できるものとしている]。 Specific measurement of the swellable fine particles (C) defined by the above formula (1) can be performed by the following method. Swellable fine particles (C) are added to a binder resin solution or emulsion in which the degree of swelling when immersed in an electrolytic solution at room temperature for 24 hours in advance and the degree of swelling defined by the above formula (1) at 120 ° C. is known. A slurry is prepared by mixing, and this is cast on a substrate such as a PET sheet or a glass plate to produce a film, and its mass is measured. Next, the film was immersed in an electrolytic solution at room temperature (25 ° C.) for 24 hours, and the mass was measured. Further, the electrolytic solution was heated to 120 ° C., and the mass after 1 hour was measured at the temperature. The degree of swelling B is calculated by the formulas (2) to (8). [In the following formulas (2) to (8), the volume increase of components other than the electrolyte due to the temperature rise from room temperature to 120 ° C. can be ignored. It is said].
Vi = Mi×W/PA (2)
VB = (M0−Mi)/PB (3)
VC = M1/Pc−M0/PB (4)
VV = Mi×(1−W)/PV (5)
V0 = Vi+VB−VV×(BB+1) (6)
VD = VV×(BB+1) (7)
B = 〔{V0+VC−VD×(BC+1)}/V0〕−1 (8)
V i = M i × W / P A (2)
V B = (M 0 −M i ) / P B (3)
V C = M 1 / P c -M 0 / P B (4)
V V = M i × (1−W) / P V (5)
V 0 = V i + V B −V V × (B B +1) (6)
V D = V V × (B B +1) (7)
B = [{V 0 + V C −V D × (B C +1)} / V 0 ] −1 (8)
ここで、上記式(2)〜(8)中、
Vi:電解液に浸漬する前の膨潤性微粒子(C)の体積(cm3)、
V0:電解液中に常温で24時間浸漬後の膨潤性微粒子(C)の体積(cm3)、
VB:電解液中に常温で24時間浸漬後に、フィルムに吸収された電解液の体積(cm3)、
Vc:電解液中に常温に24時間浸漬した時点から、電解液を120℃まで昇温させ、更に前記温度で1時間経過するまでの間に、フィルムに吸収された電解液の体積(cm3)、
VV:電解液に浸漬する前のバインダ樹脂の体積(cm3)、
VD:電解液中に常温で24時間浸漬後のバインダ樹脂の体積(cm3)、
Mi:電解液に浸漬する前のフィルムの質量(g)、
M0:電解液中に常温で24時間浸漬後のフィルムの質量(g)、
Ml:電解液中に常温で24時間浸漬した後、電解液を120℃まで昇温させ、更に前記温度で1時間経過した後におけるフィルムの質量(g)、
W:電解液に浸漬する前のフィルム中の膨潤性微粒子(C)の質量比率、
PA:電解液に浸漬する前の膨潤性微粒子(C)の比重(g/cm3)、
PB:常温における電解液の比重(g/cm3)、
PC:120℃での電解液の比重(g/cm3)、
PV:電解液に浸漬する前のバインダ樹脂の比重(g/cm3)、
BB:電解液中に常温で24時間浸漬後のバインダ樹脂の膨潤度、
BC:上記(1)式で定義される昇温時のバインダ樹脂の膨潤度
である。
Here, in the above formulas (2) to (8),
V i : Volume (cm 3 ) of the swellable fine particles (C) before being immersed in the electrolytic solution,
V 0 : volume (cm 3 ) of swellable fine particles (C) after being immersed in an electrolytic solution at room temperature for 24 hours,
V B : volume of the electrolyte solution (cm 3 ) absorbed in the film after being immersed in the electrolyte solution at room temperature for 24 hours,
V c : The volume of the electrolytic solution absorbed by the film (cm) during the period from when the electrolytic solution was immersed in the electrolytic solution at room temperature for 24 hours until the electrolytic solution was heated to 120 ° C. and further passed for 1 hour at the above temperature. 3 ),
V V : volume (cm 3 ) of the binder resin before being immersed in the electrolytic solution,
V D : volume of the binder resin (cm 3 ) after being immersed in the electrolytic solution at room temperature for 24 hours,
M i : mass (g) of the film before being immersed in the electrolytic solution,
M 0 : mass (g) of the film after being immersed in the electrolytic solution at room temperature for 24 hours,
M l : After immersing in the electrolyte solution at room temperature for 24 hours, the electrolyte solution was heated to 120 ° C., and the mass (g) of the film after 1 hour at the above temperature,
W: Mass ratio of the swellable fine particles (C) in the film before being immersed in the electrolytic solution,
P A : specific gravity (g / cm 3 ) of the swellable fine particles (C) before being immersed in the electrolytic solution,
P B : Specific gravity of electrolyte at room temperature (g / cm 3 ),
P C: electrolyte specific gravity at 120 ℃ (g / cm 3) ,
P V : Specific gravity (g / cm 3 ) of the binder resin before being immersed in the electrolytic solution,
B B : degree of swelling of the binder resin after being immersed in the electrolyte at room temperature for 24 hours,
B C : Swelling degree of the binder resin at the time of temperature rise defined by the above formula (1).
また、膨潤性微粒子(C)は、下記式(9)で定義される常温(25℃)における膨潤度BRが、0以上1以下であることが好ましい。
BR = (V0/Vi)−1 (9)
上記式(9)中、V0およびViは、上記式(2)〜(8)について説明したものと同じである。
Also, swellable microparticles (C) is swelling degree B R at room temperature (25 ° C.) which is defined by the following equation (9) is preferably 0 or more and 1 or less.
B R = (V 0 / V i ) -1 (9)
In the above formula (9), V 0 and V i are the same as those described for the above formulas (2) to (8).
すなわち、膨潤性微粒子(C)は、常温においては、電解液を吸収しない(BR=0)ものであっても、若干の電解液を吸収するものであってもよく、電池の通常使用温度範囲(例えば、70℃以下)では、温度によらず電解液の吸収量があまり変化せず、従って膨潤度もあまり変化しないが、温度の上昇によって電解液の吸収量が大きくなり、膨潤度が増大するものであればよい。 That is, the swellable fine particles (C) may be those that do not absorb the electrolyte solution (B R = 0) at room temperature or those that slightly absorb the electrolyte solution. In the range (for example, 70 ° C. or less), the absorption amount of the electrolytic solution does not change so much regardless of the temperature, and thus the degree of swelling does not change so much. It only needs to increase.
膨潤性微粒子(C)としては、好ましくは上記膨潤度BやBRを満足しており、また、電気絶縁性を有しており、電気化学的に安定で、更に後述する電解液や、セパレータ製造の際に使用する液状組成物に用いる溶媒に安定であり、高温状態で電解液に溶解しないものであれば、特に制限はない。 The swellable particles (C), and preferably has satisfied the swelling degree B or B R, also has an electrically insulating, electrochemically stable, further described below electrolyte, separator There is no particular limitation as long as it is stable to the solvent used in the liquid composition used in the production and does not dissolve in the electrolytic solution at a high temperature.
なお、従来公知のリチウム二次電池では、例えば、リチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液が非水電解液として用いられている(リチウム塩や有機溶媒の種類、リチウム塩濃度などの詳細は後述する)。よって、膨潤性微粒子(C)としては、リチウム塩の有機溶媒溶液中で、75〜125℃のいずれかの温度に達した時に上記の熱膨潤性を示し始め、好ましくは該溶液中において膨潤度Bが上記の値を満足するように膨潤し得るものが推奨される。 In the known lithium secondary battery, for example, a solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent is used as a non-aqueous electrolyte (details of the lithium salt, the type of the organic solvent, the lithium salt concentration, etc. will be described later). ). Therefore, as the swellable fine particles (C), in the organic solvent solution of the lithium salt, when the temperature reaches any of 75 to 125 ° C., the above-mentioned thermal swellability starts to be exhibited. Those that can swell so that B satisfies the above values are recommended.
具体的な膨潤性微粒子(C)の構成材料としては、例えば、樹脂架橋体が挙げられる。具体的には、ポリスチレン(PS)、アクリル樹脂、ポリアルキレンオキシド、フッ素樹脂、スチレンブタジエンゴム(SBR)などやこれらの誘導体の架橋体;尿素樹脂;ポリウレタン;などが例示できる。膨潤性微粒子(C)は、上記の構成材料を1種単独で含有していてもよく、2種以上を含有していても構わない。更に、膨潤性微粒子(C)は、構成成分として、上記の構成材料の他に、必要に応じて、樹脂に添加される公知の各種添加剤(例えば、酸化防止剤など)を含有していても構わない。 Specific examples of the constituent material of the swellable fine particles (C) include a crosslinked resin. Specific examples include polystyrene (PS), acrylic resin, polyalkylene oxide, fluorine resin, styrene butadiene rubber (SBR) and the like, and crosslinked products of these derivatives; urea resin; polyurethane; The swellable fine particles (C) may contain one kind of the above-mentioned constituent materials, or may contain two or more kinds. Furthermore, the swellable fine particles (C) contain, as a constituent component, various known additives (for example, antioxidants) that are added to the resin as necessary, in addition to the above constituent materials. It doesn't matter.
上記の樹脂架橋体では、一旦温度上昇により膨張しても温度を下げることにより再び収縮するというように、温度変化に伴う体積変化に可逆性があり、また、これらの樹脂架橋体は、電解液を含まない所謂乾燥状態においては、熱膨張する温度よりも更に高い温度まで安定である。そのため、上記の樹脂架橋体で構成される膨潤性微粒子(C)を用いたセパレータでは、セパレータの乾燥や電池作製の際の電極群の乾燥といった加熱プロセスを通しても、膨潤性微粒子(C)の熱膨潤性が損なわれることはないため、こうした加熱プロセスでの取り扱いが容易となる。さらに、上記可逆性を有することにより、一旦、温度上昇によりシャットダウン機能が働いた場合であっても、電池内の温度低下により安全性が確保された場合は、再度セパレータとして機能させることも可能である。 In the above-mentioned resin cross-linked body, even if it expands due to a temperature rise once, the volume change accompanying the temperature change is reversible such that it shrinks again by lowering the temperature. In a so-called dry state that does not contain water, it is stable up to a temperature higher than the temperature at which it thermally expands. Therefore, in the separator using the swellable fine particles (C) composed of the above-mentioned crosslinked resin, the heat of the swellable fine particles (C) can be obtained through a heating process such as drying of the separator and drying of the electrode group during battery production. Since the swellability is not impaired, handling in such a heating process becomes easy. Furthermore, by having the above reversibility, even if the shutdown function is activated once due to the temperature rise, it can be made to function as a separator again when safety is ensured by the temperature drop in the battery. is there.
また、膨潤性微粒子(C)は、その全体が上記例示の樹脂架橋体で構成されるものであってもよいが、例えば、絶縁性微粒子(A)をコアとし、膨潤性微粒子(C)を構成し得る上記例示の樹脂架橋体をシェルとして複合化したコアシェル構造の微粒子であってもよい。このようなコアシェル構造の膨潤性微粒子(C)によっても、電池内温度の上昇によって、電解液が吸収される、いわゆる「液枯れ」を発生させて、イオンの移動を遮断するシャットダウン機能を確保することができる。 Further, the swellable fine particles (C) may be entirely composed of the above-exemplified crosslinked resin. For example, the swellable fine particles (C) may be formed using the insulating fine particles (A) as a core. Fine particles having a core-shell structure in which the above-exemplified cross-linked resin exemplified above can be combined as a shell may be used. The swellable fine particles (C) having such a core-shell structure also generate a so-called “liquid drainage” in which the electrolytic solution is absorbed by an increase in the temperature in the battery, and secure a shutdown function that blocks the movement of ions. be able to.
上記の構成材料の中でも、架橋PS、架橋アクリル樹脂[例えば、架橋ポリメチルメタクリレート(PMMA)]、架橋フッ素樹脂[例えば、架橋ポリフッ化ビニリデン(PVDF)]が好ましく、架橋PMMAが特に好ましい。 Among the above-described constituent materials, crosslinked PS, crosslinked acrylic resin [for example, crosslinked polymethyl methacrylate (PMMA)] and crosslinked fluororesin [for example, crosslinked polyvinylidene fluoride (PVDF)] are preferable, and crosslinked PMMA is particularly preferable.
これら樹脂架橋体の微粒子が温度上昇
により膨潤するメカニズムについては、詳細は明らかでないが、例えば架橋PMMAでは、粒子の主体をなすPMMAのガラス転移点(Tg)が100℃付近にあるため、PMMAのTg付近で架橋PMMA粒子が柔軟になって、より多くの電解液を吸収して膨潤するといったメカニズムが考えられる。従って、膨潤性微粒子(C)のTgは、およそ75〜125℃の範囲にあるものが望ましいと考えられる。
Although the details of the mechanism by which the fine particles of these resin crosslinked bodies swell due to temperature rise are not clear, for example, in crosslinked PMMA, the glass transition point (Tg) of PMMA, which is the main component of the particles, is around 100 ° C. It is conceivable that the cross-linked PMMA particles become flexible near Tg and absorb more electrolyte and swell. Therefore, it is considered desirable that the Tg of the swellable fine particles (C) is in the range of about 75 to 125 ° C.
膨潤性微粒子(C)の大きさとしては、その乾燥時における粒径がセパレータの厚みより小さければよいが、セパレータの厚みの1/3〜1/100の平均粒径を有することが好ましく、具体的には、平均粒径が0.1〜20μmであることが好ましい。膨潤性微粒子(C)の粒径が小さすぎると、微粒子の隙間が小さくなることによってイオンの伝導パスが長くなって電池特性が低下することがある。また、膨潤性微粒子(C)の粒径が大きすぎると、隙間が大きくなって、膨潤性微粒子(C)を用いることによる短絡の防止効果が小さくなることがある。なお、ここでいう膨潤性微粒子(C)の平均粒径は、レーザー散乱粒度分布計(例えば、HORIBA社製「LA−920」)を用い、微粒子を膨潤しない媒体(例えば水)に分散させて測定した数平均粒子径である。 As the size of the swellable fine particles (C), it is sufficient that the particle size at the time of drying is smaller than the thickness of the separator, but preferably has an average particle size of 1/3 to 1/100 of the thickness of the separator. Specifically, the average particle diameter is preferably 0.1 to 20 μm. If the particle size of the swellable fine particles (C) is too small, the gap between the fine particles becomes small, so that the ion conduction path becomes long and the battery characteristics may deteriorate. Moreover, when the particle size of the swellable fine particles (C) is too large, the gap becomes large, and the short-circuit preventing effect by using the swellable fine particles (C) may be reduced. The average particle size of the swellable fine particles (C) referred to here is obtained by dispersing the fine particles in a non-swelling medium (for example, water) using a laser scattering particle size distribution meter (for example, “LA-920” manufactured by HORIBA). The measured number average particle diameter.
熱溶融性微粒子(B)や膨潤性微粒子(C)を含有させることによるセパレータにおけるシャットダウン現象は、例えば、電池の内部抵抗上昇により評価することが可能である。具体的には、後記の実施例に記載の測定法によって加熱時において測定される電池の内部抵抗値が、好ましくは加熱前(室温で測定した内部抵抗値)の5倍以上、より好ましくは10倍以上である。 The shutdown phenomenon in the separator by containing the heat-meltable fine particles (B) and the swellable fine particles (C) can be evaluated by, for example, an increase in the internal resistance of the battery. Specifically, the internal resistance value of the battery measured at the time of heating by the measurement method described in Examples below is preferably 5 times or more, more preferably 10 times that before heating (internal resistance value measured at room temperature). It is more than double.
なお、上記の80〜130℃で融解する熱溶融性微粒子(B)(コアシェル構造の複合微粒子を含む)を含有するセパレータでは、80〜130℃(またはそれ以上の温度)に曝されたときに、後記のガーレー値で評価される空隙閉塞現象が発現する温度(ガーレー値が加熱前の3倍以上になる温度)は、熱溶融性微粒子(B)の構成樹脂(コアシェル構造の複合微粒子の場合は、シェル部の構成樹脂)の融解温度以上130℃以下となる。 In the case of the separator containing the heat-meltable fine particles (B) (including composite fine particles having a core-shell structure) that melt at 80 to 130 ° C., the separator is exposed to 80 to 130 ° C. (or higher temperature). The temperature at which the void blockage phenomenon evaluated by the Gurley value described later (the temperature at which the Gurley value becomes 3 times or more that before heating) is the constituent resin of the heat-meltable fine particles (B) (in the case of composite fine particles having a core-shell structure) Is from the melting temperature of the constituent resin of the shell part) to 130 ° C. or less.
本発明のセパレータにおいて、熱溶融性微粒子(B)や膨潤性微粒子(C)を含有させることでシャットダウン機能を確保する場合には、セパレータ中における熱溶融性微粒子(B)または膨潤性微粒子(C)の含有量は、セパレータの全構成成分中、例えば、20体積%以上80体積%以下であることが好ましい。これらの微粒子の含有量が少なすぎると、これらを含有させることによるシャットダウン効果が小さくなることがあり、多すぎると、セパレータ中における絶縁性微粒子(A)の含有量が減ることになるため、例えば、リチウムデンドライトの発生に起因する短絡を防止する効果が小さくなることがある。 In the separator of the present invention, when the shutdown function is ensured by adding the heat-meltable fine particles (B) or the swellable fine particles (C), the heat-meltable fine particles (B) or the swellable fine particles (C ) Is preferably 20% by volume or more and 80% by volume or less, for example, among all components of the separator. If the content of these fine particles is too small, the shutdown effect due to the inclusion of these may be reduced, and if too large, the content of insulating fine particles (A) in the separator will be reduced. In some cases, the effect of preventing a short circuit due to generation of lithium dendrite may be reduced.
また、多孔質性シートを構成する繊維と、絶縁性微粒子(A)、繊維状物(D)およびその他の粒子[熱溶融性微粒子(B)、膨潤性微粒子(C)]などとを結着したりする目的で、セパレータはバインダ(E)を含有していてもよい。 Also, the fibers constituting the porous sheet are bound to the insulating fine particles (A), the fibrous material (D), and other particles [heat-melting fine particles (B), swellable fine particles (C)]. For the purpose, the separator may contain a binder (E).
バインダ(E)としては、電気化学的に安定且つ電解液に対して安定で、更に多孔質性シートを構成する繊維と絶縁性微粒子(A)や熱溶融性微粒子(B)、膨潤性微粒子(C)、繊維状物(D)などとを良好に接着できるものであればよいが、例えば、EVA(酢酸ビニル由来の構造単位が20〜35モル%のもの)、エチレン−エチルアクリレート共合体などのエチレン−アクリレート共重合体、フッ素系ゴム、SBR、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびその誘導体などが挙げられる。これらのバインダは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。なお、これらバインダ(E)を使用する場合には、後記するセパレータ形成用の液状組成物の溶媒に溶解するか、または分散させたエマルジョンやプラスチゾルの形態で用いることができる。 The binder (E) is electrochemically stable and stable with respect to the electrolytic solution, and further comprises fibers constituting the porous sheet, insulating fine particles (A), heat-melting fine particles (B), swellable fine particles ( C), any fibrous material (D) or the like may be used, for example, EVA (with 20 to 35 mol% of a structural unit derived from vinyl acetate), ethylene-ethyl acrylate copolymer, etc. Ethylene-acrylate copolymer, fluorine rubber, SBR, carboxymethyl cellulose (CMC), hydroxyethyl cellulose (HEC), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyurethane, epoxy resin, polyfluoride And vinylidene chloride (PVDF) and its derivatives. These binders may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When these binders (E) are used, they can be used in the form of an emulsion or plastisol that is dissolved or dispersed in a solvent of a liquid composition for forming a separator described later.
なお、例えば、熱溶融性微粒子(B)や膨潤性微粒子(C)が単独で接着性を有する場合には、これらがバインダ(E)を兼ねることもできる。 For example, when the heat-meltable fine particles (B) and the swellable fine particles (C) have adhesiveness alone, they can also serve as the binder (E).
電池の短絡防止効果をより高め、セパレータの強度を確保して取り扱い性を良好にしつつ、電池のエネルギー密度をより高める観点から、セパレータの厚みは、例えば、3μm以上、より好ましくは5μm以上であって、50μm以下、より好ましくは30μm以下であることが好ましい。 The thickness of the separator is, for example, 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, from the viewpoint of further improving the battery short-circuit prevention effect, ensuring the separator strength and improving the handleability while further improving the energy density of the battery. Thus, it is preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less.
また、セパレータの空隙率としては、乾燥した状態で、例えば、20%以上、より好ましくは30%以上であって、70%以下、より好ましくは60%以下であることが望ましい。セパレータの空隙率が小さすぎると、イオン透過性が小さくなることがあり、また、空隙率が大きすぎると、セパレータの強度が不足することがある。なお、セパレータの空隙率:P(%)は、セパレータの厚み、面積あたりの質量、構成成分の密度から、下記式(10)を用いて各成分iについての総和を求めることにより計算できる。
P = Σ aiρi /(m/t) (10)
ここで、上記式中、ai:質量%で表した成分iの比率、ρi:成分iの密度(g/cm3)、m:セパレータの単位面積あたりの質量(g/cm2)、t:セパレータの厚み(cm)、である。
In addition, the porosity of the separator is, for example, 20% or more, more preferably 30% or more, and preferably 70% or less, more preferably 60% or less in a dry state. If the porosity of the separator is too small, the ion permeability may be reduced, and if the porosity is too large, the strength of the separator may be insufficient. The porosity of the separator: P (%) can be calculated by obtaining the sum of each component i from the thickness of the separator, the mass per area, and the density of the constituent components using the following formula (10).
P = Σ a i ρ i / (m / t) (10)
Here, in the above formula, a i : ratio of component i expressed by mass%, ρ i : density of component i (g / cm 3 ), m: mass per unit area of separator (g / cm 2 ), t: thickness of separator (cm).
本発明のセパレータは、JIS P 8117に準拠した方法で行われ、0.879g/mm2の圧力下で100mlの空気が膜を透過する秒数で示されるガーレー値が、10〜300secであることが望ましい。透気度が大きすぎると、イオン透過性が小さくなり、他方、小さすぎると、セパレータの強度が小さくなることがある。更に、セパレータの強度としては、直径1mmのニードルを用いた突き刺し強度で50g以上であることが望ましい。かかる突き刺し強度が小さすぎると、リチウムのデンドライト結晶が発生した場合に、セパレータの突き破れによる短絡が発生する虞がある。 The separator of the present invention is carried out by a method according to JIS P 8117, and the Gurley value indicated by the number of seconds that 100 ml of air passes through the membrane under a pressure of 0.879 g / mm 2 is 10 to 300 sec. Is desirable. If the air permeability is too high, the ion permeability is reduced, whereas if it is too low, the strength of the separator may be reduced. Further, the strength of the separator is desirably 50 g or more in terms of piercing strength using a needle having a diameter of 1 mm. If the piercing strength is too low, a short circuit may occur due to the breakthrough of the separator when lithium dendrite crystals are generated.
本発明のセパレータの製造方法としては、例えば、下記の方法が採用できる。織布または不織布の2層以上の積層物からなる多孔質性シートに、絶縁性微粒子(A)を含む液状組成物(スラリーなど)を塗布または含浸させた後、所定の温度で乾燥する製造方法である。 As a manufacturing method of the separator of this invention, the following method is employable, for example. A production method of applying a liquid composition (slurry or the like) containing insulating fine particles (A) to a porous sheet composed of a woven fabric or a laminate of two or more layers, and then drying at a predetermined temperature. It is.
本発明のセパレータを形成するための液状組成物は、絶縁性微粒子(A)や、必要に応じて、熱溶融性微粒子(B)、膨潤性微粒子(C)、繊維状物(D)、バインダ(E)などを含有し、これらを溶媒(分散媒を含む、以下同じ)に分散させたものである[バインダ(E)については溶解していてもよい]。液状組成物に用いられる溶媒は、絶縁性微粒子(A)や熱溶融性微粒子(B)、膨潤性微粒子(C)、繊維状物(D)を均一に分散でき、また、バインダ(E)を均一に溶解または分散できるものであればよいが、例えば、トルエンなどの芳香族炭化水素;テトラヒドロフランなどのフラン類;メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン類;N−メチル−2−メチルピロリドン;などの有機溶媒が好適である。なお、これらの溶媒に、界面張力を制御する目的で、アルコール(エチレングリコール、プロピレングリコールなど)、または、モノメチルアセテートなどの各種プロピレンオキサイド系グリコールエーテルなどを適宜添加してもよい。また、バインダ(E)が水溶性であって、これをエマルジョンとして使用する場合などでは、水を溶媒としてもよく、この際にもアルコール類(メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチレングリコールなど)を適宜加えて界面張力を制御する
こともできる。
The liquid composition for forming the separator of the present invention comprises insulating fine particles (A), and if necessary, hot-melt fine particles (B), swellable fine particles (C), fibrous materials (D), binders (E) and the like, and these are dispersed in a solvent (including a dispersion medium, the same applies hereinafter) [the binder (E) may be dissolved]. The solvent used in the liquid composition can uniformly disperse the insulating fine particles (A), the heat-meltable fine particles (B), the swellable fine particles (C), and the fibrous material (D), and the binder (E). Any one can be used as long as it can be dissolved or dispersed uniformly. Examples thereof include aromatic hydrocarbons such as toluene; furans such as tetrahydrofuran; ketones such as methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone; N-methyl-2-methylpyrrolidone; Organic solvents are preferred. In addition, for the purpose of controlling the interfacial tension, alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, etc.) or various propylene oxide glycol ethers such as monomethyl acetate may be appropriately added to these solvents. In addition, when the binder (E) is water-soluble and is used as an emulsion, water may be used as a solvent. In this case, alcohols (methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, ethylene glycol, etc.) The interfacial tension can also be controlled by appropriately adding.
上記液状組成物では、絶縁性微粒子(A)、熱溶融性微粒子(B)、膨潤性微粒子(C)、繊維状物(D)、バインダ(E)を含む固形分含量を、例えば10〜40質量%とすることが好ましい。 In the liquid composition, the solid content containing the insulating fine particles (A), the heat-meltable fine particles (B), the swellable fine particles (C), the fibrous material (D), and the binder (E) is, for example, 10 to 40. It is preferable to set it as the mass%.
なお、本発明のセパレータでは、絶縁性微粒子(A)の一部または全部が、多孔質性シートの空隙内に存在する構造とすることが好ましい。また、絶縁性微粒子(A)以外の微粒子[熱溶融性微粒子(B)、膨潤性微粒子(C)]や、繊維状物(D)についても、その一部または全部が、多孔質性シートの空隙内に存在する構造とすることがより好ましい。このような構造とすることで、絶縁性微粒子(A)以外の微粒子や繊維状物(D)を用いることによる効果[例えば、熱溶融性微粒子(B)や膨潤性微粒子(C)であれば、シャットダウン効果]がより有効に発揮されるようになる。多孔質性シートの空隙内に絶縁性微粒子(A)や熱溶融性微粒子(B)、膨潤性微粒子(C)、繊維状物(D)を存在させるには、例えば、上記した液状組成物を多孔質性シートに含浸させた後、一定のギャップを通し、余分の液状組成物を除去した後、乾燥するなどの工程を用いればよい。 In the separator of the present invention, it is preferable that part or all of the insulating fine particles (A) are present in the voids of the porous sheet. In addition, fine particles other than the insulating fine particles (A) [hot-melt fine particles (B), swellable fine particles (C)] and fibrous materials (D) are partially or entirely made of a porous sheet. More preferably, the structure is present in the voids. By adopting such a structure, the effect of using fine particles other than the insulating fine particles (A) and the fibrous material (D) [for example, if it is a heat-meltable fine particle (B) or a swellable fine particle (C) , The shutdown effect] is more effectively exhibited. In order to make the insulating fine particles (A), the heat-meltable fine particles (B), the swellable fine particles (C), and the fibrous material (D) exist in the voids of the porous sheet, for example, the above-described liquid composition is used. After impregnating the porous sheet, a process such as drying after removing a surplus liquid composition through a certain gap may be used.
なお、セパレータ中において、絶縁性微粒子(A)が板状の場合に、その配向性を高めて、板状の絶縁性微粒子(A)を用いることによる上記効果をより有効に発揮させるためには、上記液状組成物を含浸させたシート状物において、該液状組成物にシェアをかければよい。例えば、上記の製造方法においては、絶縁性微粒子(A)などをシート状物の空隙内に存在させる方法として上述した液状組成物をシート状物に含浸させた後、一定のギャップを通す方法により、液状組成物にシェアをかけることが可能であり、板状の絶縁性微粒子(A)の配向性を高めることができる。更に、液状組成物の溶媒を除去するために乾燥することによっても、板状の絶縁性微粒子(A)の配向性を高めることができる。 In the separator, in the case where the insulating fine particles (A) are plate-like, in order to enhance the orientation and to more effectively exert the above-described effect by using the plate-like insulating fine particles (A). In the sheet-like material impregnated with the liquid composition, it is only necessary to give a share to the liquid composition. For example, in the manufacturing method described above, by impregnating the liquid composition described above as a method for causing the insulating fine particles (A) and the like to exist in the voids of the sheet-like material, a method of passing a certain gap is used. It is possible to share the liquid composition, and the orientation of the plate-like insulating fine particles (A) can be enhanced. Furthermore, the orientation of the plate-like insulating fine particles (A) can also be improved by drying to remove the solvent of the liquid composition.
なお、本発明のセパレータは、上記に示した構造に限定されるものではなく、例えば、絶縁性微粒子(A)は、個々に独立して存在していなくてもよく、互いに、または、多孔質性シートを構成する繊維に、一部が融着されていても構わない。 The separator of the present invention is not limited to the structure shown above. For example, the insulating fine particles (A) may not be present independently of each other, and may be mutually or porous. Part of the fibers constituting the adhesive sheet may be fused.
本発明のリチウム二次電池は、上記本発明のセパレータを有していれば、その他の構成や構造については特に制限はなく、従来公知の構成、構造が採用できる。 If the lithium secondary battery of this invention has the separator of this invention, there is no restriction | limiting in particular about another structure and structure, A conventionally well-known structure and structure can be employ | adopted.
リチウム二次電池の形態としては、スチール缶やアルミニウム缶などを外装缶として使用した筒形(角筒形や円筒形など)などが挙げられる。また、金属を蒸着したラミネートフィルムを外装体としたソフトパッケージ電池とすることもできる。 Examples of the form of the lithium secondary battery include a cylindrical shape (such as a rectangular tube shape or a cylindrical shape) using a steel can or an aluminum can as an outer can. Moreover, it can also be set as the soft package battery which used the laminated film which vapor-deposited the metal as an exterior body.
正極としては、従来公知のリチウム二次電池に用いられている正極、すなわち、リチウムを吸蔵放出可能な活物質を含有する正極であれば特に制限はない。例えば、活物質として、Li1+xMO2で(−0.1<x<0.1、M:Co、Ni、Mnなど)で表されるリチウム含有遷移金属酸化物;LiMn2O4などのリチウムマンガン酸化物;LiMn2O4のMnの一部を他元素で置換したLiMnxM(1−x)O2;オリビン型LiMPO4(M:Co、Ni、Mn、Fe);LiMn0.5Ni0.5O2;Li(1+a)MnxNiyCo(1−x−y)O2(−0.1<a<0.1、0<x<0.5、0<y<0.5);などを適用することが可能であり、これらの正極活物質に公知の導電助剤(カーボンブラックなどの炭素材料など)やポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの結着剤などを適宜添加した正極合剤を、集電体を芯材として成形体(すなわち、正極合剤層)に仕上げたものなどを用いることができる。 The positive electrode is not particularly limited as long as it is a positive electrode used in a conventionally known lithium secondary battery, that is, a positive electrode containing an active material capable of occluding and releasing lithium. For example, as an active material, lithium-containing transition metal oxide represented by Li 1 + x MO 2 (−0.1 <x <0.1, M: Co, Ni, Mn, etc.); lithium such as LiMn 2 O 4 Manganese oxide; LiMn x M (1-x) O 2 in which part of Mn of LiMn 2 O 4 is substituted with another element; olivine type LiMPO 4 (M: Co, Ni, Mn, Fe); LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 ; Li (1 + a) Mn x Ni y Co (1-xy) O 2 (−0.1 <a <0.1, 0 <x <0.5, 0 <y <0 5); can be applied, and a known conductive additive (carbon material such as carbon black) or a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) is appropriately added to these positive electrode active materials. The positive electrode mixture is formed into a molded body (ie, a current collector as a core material). In other words, a positive electrode mixture layer) or the like can be used.
正極の集電体としては、アルミニウムなどの金属の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、厚みが10〜30μmのアルミニウム箔が好適に用いられる。 As the current collector of the positive electrode, a metal foil such as aluminum, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like can be used. Usually, an aluminum foil having a thickness of 10 to 30 μm is preferably used.
正極側のリード部は、通常、正極作製時に、集電体の一部に正極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残し、そこをリード部とすることによって設けられる。ただし、リード部は必ずしも当初から集電体と一体化されたものであることは要求されず、集電体にアルミニウム製の箔などを後から接続することによって設けてもよい。 The lead portion on the positive electrode side is normally provided by leaving the exposed portion of the current collector without forming the positive electrode mixture layer on a part of the current collector and forming the lead portion at the time of producing the positive electrode. However, the lead portion is not necessarily integrated with the current collector from the beginning, and may be provided by connecting an aluminum foil or the like to the current collector later.
負極としては、従来公知のリチウム二次電池に用いられている負極、すなわち、Liを吸蔵放出可能な活物質を含有する負極であれば特に制限はない。例えば、活物質として、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素繊維などの、リチウムを吸蔵、放出可能な炭素系材料の1種または2種以上の混合物が用いられる。また、Si,Sn、Ge,Bi,Sb、Inなどの元素およびその合金、リチウム含有窒化物、または酸化物などのリチウム金属に近い低電圧で充放電できる化合物、もしくはリチウム金属やリチウム/アルミニウム合金も負極活物質として用いることができる。これらの負極活物質に導電助剤(カーボンブラックなどの炭素材料など)やPVDFなどの結着剤などを適宜添加した負極合剤を、集電体を芯材として成形体(負極合剤層)に仕上げたものや、上記の各種合金やリチウム金属の箔を単独、若しくは集電体上に形成したものなどの負極剤層を有するものが用いられる。 The negative electrode is not particularly limited as long as it is a negative electrode used in a conventionally known lithium secondary battery, that is, a negative electrode containing an active material capable of occluding and releasing Li. For example, carbon that can occlude and release lithium, such as graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, fired organic polymer compounds, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon fibers as active materials One type or a mixture of two or more types of system materials is used. In addition, elements such as Si, Sn, Ge, Bi, Sb, In and their alloys, lithium-containing nitrides, oxides and other compounds that can be charged and discharged at a low voltage close to lithium metal, or lithium metals and lithium / aluminum alloys Can also be used as a negative electrode active material. A negative electrode mixture obtained by appropriately adding a conductive additive (carbon material such as carbon black) or a binder such as PVDF to these negative electrode active materials, and a molded body (negative electrode mixture layer) using a current collector as a core material And those having a negative electrode agent layer such as those made of the above-mentioned various alloys and lithium metal foils alone or formed on a current collector.
負極に集電体を用いる場合には、集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、銅箔が用いられる。この負極集電体は、高エネルギー密度の電池を得るために負極全体の厚みを薄くする場合、厚みの上限は30μmであることが好ましく、また、下限は5μmであることが望ましい。 When a current collector is used for the negative electrode, a copper or nickel foil, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like can be used as the current collector, but a copper foil is usually used. In the negative electrode current collector, when the thickness of the entire negative electrode is reduced in order to obtain a battery having a high energy density, the upper limit of the thickness is preferably 30 μm, and the lower limit is preferably 5 μm.
負極側のリード部も、正極側のリード部と同様に、通常、負極作製時に、集電体の一部に負極剤層(負極活物質を有する層、負極合剤層を含む)を形成せずに集電体の露出部を残し、そこをリード部とすることによって設けられる。ただし、この負極側のリード部は必ずしも当初から集電体と一体化されたものであることは要求されず、集電体に銅製の箔などを後から接続することによって設けてもよい。 As with the lead portion on the negative electrode side, the negative electrode layer (including a layer having a negative electrode active material and a negative electrode mixture layer) is usually formed on a part of the current collector during the preparation of the negative electrode. Without leaving the exposed portion of the current collector, it is provided as a lead portion. However, the lead portion on the negative electrode side is not necessarily integrated with the current collector from the beginning, and may be provided by connecting a copper foil or the like to the current collector later.
電極は、上記の正極と上記の負極とを、本発明のセパレータを介して積層した積層体や、更にこれを巻回した巻回電極体の形態で用いることができる。 The electrode can be used in the form of a laminate in which the above positive electrode and the above negative electrode are laminated via the separator of the present invention, or a wound electrode body in which this is wound.
非水電解液としては、上述したように、リチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液が用いられる。リチウム塩としては、溶媒中で解離してLi+イオンを形成し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こさないものであれば特に制限は無い。例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6 、LiSbF6 などの無機リチウム塩;LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≧2)、LiN(RfOSO2)2〔ここでRfはフルオロアルキル基〕などの有機リチウム塩;などを用いることができる。 As described above, a solution obtained by dissolving a lithium salt in an organic solvent is used as the nonaqueous electrolytic solution. The lithium salt is not particularly limited as long as it dissociates in a solvent to form Li + ions and does not cause a side reaction such as decomposition in a voltage range used as a battery. For example, inorganic lithium salts such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 ; LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li 2 C 2 F 4 (SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC n F 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2), LiN (RfOSO 2 ) 2 [where Rf is a fluoroalkyl group]; it can.
電解液に用いる有機溶媒としては、上記のリチウム塩を溶解し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こさないものであれば特に限定されない。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;プロピオン酸メチルなどの鎖状エステル;γ−ブチロラクトンといった環状エステル;ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、1,3−ジオキソラン、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどの鎖状エーテル;ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリルといったニトリル類;エチレングリコールサルファイトなどの亜硫酸エステル類;などが挙げられ、これらを1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても構わない。なお、より良好な特性の電池とするためには、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒など、高い導電率を得ることができる組み合わせで用いることが望ましい。また、これらの電解液に安全性や充放電サイクル性、高温貯蔵性といった特性を向上させる目的で、ビニレンカーボネート類、1,3−プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド、シクロヘキサン、ビフェニル、フルオロベンゼン、t−ブチルベンゼンなどの添加剤を適宜加えることもできる。 The organic solvent used in the electrolytic solution is not particularly limited as long as it dissolves the above lithium salt and does not cause side reactions such as decomposition in the voltage range used as a battery. For example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and vinylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and methyl ethyl carbonate; chain esters such as methyl propionate; cyclic esters such as γ-butyrolactone; Chain ethers such as ethane, diethyl ether, 1,3-dioxolane, diglyme, triglyme and tetraglyme; cyclic ethers such as dioxane, tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran; nitriles such as acetonitrile, propionitrile and methoxypropionitrile; Sulfites such as ethylene glycol sulfite; and the like, and these may be used alone. , It may be used in combination of two or more thereof. In order to obtain a battery with better characteristics, it is desirable to use a combination that can obtain high conductivity, such as a mixed solvent of ethylene carbonate and chain carbonate. In addition, vinylene carbonates, 1,3-propane sultone, diphenyl disulfide, cyclohexane, biphenyl, fluorobenzene, t- for the purpose of improving safety, charge / discharge cycleability, and high-temperature storage properties of these electrolytes. Additives such as butylbenzene can also be added as appropriate.
このリチウム塩の電解液中の濃度としては、0.5〜1.5mol/lとすることが好ましく、0.9〜1.25mol/lとすることがより好ましい。 The concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is preferably 0.5 to 1.5 mol / l, and more preferably 0.9 to 1.25 mol / l.
本発明のリチウム二次電池は、従来公知のリチウム二次電池が用いられている各種用途と同じ用途に適用することができる。 The lithium secondary battery of the present invention can be applied to the same uses as various uses in which conventionally known lithium secondary batteries are used.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples are not intended to limit the present invention, and all modifications made without departing from the spirit of the preceding and following descriptions are included in the technical scope of the present invention.
実施例1
<セパレータの作製>
絶縁性微粒子(A)としてアルミナ(平均粒径:0.3μm):1000g、水:800g、イソプロピルアルコール(IPA):200g、バインダ(F)としてPVB:375gとを容器に入れ、スリーワンモーターで1時間撹拌して分散させ、均一なスラリーとした。このスラリー中に、厚みが12μmで目付けが5g/m2のPET製不織布を2枚重ねて熱カレンダープレス処理により2層化した2層不織布(多孔質性シート、厚み23μm、目付け10g/m2)を通し、引き上げ塗布によりスラリーを塗布した後、所定の間隔を有するギャップの間を通し、その後乾燥して、厚みが25μmのセパレータを得た。なお、このセパレータの断面をSEMで観察したところ、2層不織布の空隙内に絶縁性微粒子(A)が存在していることが確認できた。
Example 1
<Preparation of separator>
As insulating fine particles (A), alumina (average particle size: 0.3 μm): 1000 g, water: 800 g, isopropyl alcohol (IPA): 200 g, and binder (F) as PVB: 375 g are put in a container, and 1 by a three-one motor. The mixture was dispersed by stirring for a time to obtain a uniform slurry. A two-layer nonwoven fabric (porous sheet, thickness 23 μm, basis weight 10 g / m 2) obtained by stacking two layers of PET nonwoven fabric having a thickness of 12 μm and a basis weight of 5 g / m 2 in this slurry and forming two layers by thermal calender press treatment. The slurry was applied by pulling up, and then passed through a gap having a predetermined interval, and then dried to obtain a separator having a thickness of 25 μm. In addition, when the cross section of this separator was observed by SEM, it has confirmed that the insulating fine particles (A) existed in the space | gap of a two-layer nonwoven fabric.
<正極の作製>
正極活物質であるLiCoO2:80質量部、導電助剤であるアセチレンブラック:10質量部、およびバインダであるPVDF:5質量部を、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶剤として均一になるように混合して、正極合剤含有ペーストを調製した。このペーストを、集電体となる厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に、活物質塗布長が表面280mm、裏面210mになるように間欠塗布し、乾燥した後、カレンダー処理を行って、全厚が150μmになるように正極合剤層の厚みを調整し、幅43mmになるように切断して、長さ280mm、幅43mmの正極を作製した。さらにこの正極のアルミニウム箔の露出部にタブ付けを行った。
<Preparation of positive electrode>
LiCoO 2 as a positive electrode active material: 80 parts by mass, acetylene black as a conductive additive: 10 parts by mass, and PVDF as a binder: 5 parts by mass uniformly using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent It mixed so that positive electrode mixture containing paste might be prepared. This paste was intermittently applied to both sides of an aluminum foil having a thickness of 15 μm as a current collector so that the active material application length was 280 mm on the front surface and 210 m on the back surface, dried, and then subjected to a calendering treatment to obtain a total thickness. The thickness of the positive electrode mixture layer was adjusted to 150 μm, and the positive electrode mixture layer was cut to a width of 43 mm to produce a positive electrode having a length of 280 mm and a width of 43 mm. Further, the exposed portion of the aluminum foil of the positive electrode was tabbed.
<負極の作製>
負極活物質である黒鉛:90質量部と、バインダであるPVDF:5質量部とを、NMPを溶剤として均一になるように混合して負極合剤含有ペーストを調製した。この負極合剤含有ペーストを、銅箔からなる厚さ10μmの集電体の両面に、活物質塗布長が表面290mm、裏面230mmになるように間欠塗布し、乾燥した後、カレンダー処理を行って全厚が142μmになるように負極合剤層の厚みを調整し、幅45mmになるように切断して、長さ290mm、幅45mmの負極を作製した。さらにこの負極の銅箔の露出部にタブ付けを行った。
<Production of negative electrode>
A negative electrode mixture-containing paste was prepared by mixing 90 parts by mass of graphite as a negative electrode active material and 5 parts by mass of PVDF as a binder so as to be uniform using NMP as a solvent. This negative electrode mixture-containing paste was intermittently applied on both sides of a 10 μm-thick current collector made of copper foil so that the active material application length was 290 mm on the front surface and 230 mm on the back surface, dried, and then subjected to calendar treatment. The thickness of the negative electrode mixture layer was adjusted so that the total thickness was 142 μm, and the negative electrode mixture layer was cut to have a width of 45 mm to produce a negative electrode having a length of 290 mm and a width of 45 mm. Further, a tab was attached to the exposed portion of the copper foil of the negative electrode.
<電池の組み立て>
上記のようにして得られた正極と負極とを、上記のセパレータを介して渦巻状に巻回して巻回電極体とした。この巻回電極体を押しつぶして扁平状にし、大日本印刷製ラミネートフィルム外装材内に装填し、電解液(エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを1:2の体積比で混合した溶媒に、LiPF6を1.2mol/lの濃度で溶解させた溶液)を注入し、真空封止を行ってリチウム二次電池を作製した。
<Battery assembly>
The positive electrode and the negative electrode obtained as described above were spirally wound through the separator to obtain a wound electrode body. The wound electrode body is crushed into a flat shape, loaded into a laminate film outer package made by Dai Nippon Printing Co., Ltd., and electrolyte solution (LiPF 6 is added to a solvent in which ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 2). A solution dissolved at a concentration of 1.2 mol / l) was injected and vacuum sealed to produce a lithium secondary battery.
実施例2
実施例1と同じスラリーに、更に膨潤性微粒子(C)として架橋PMMA微粒子[ガンツ化成社製「ガンツパール(商品名)」、平均粒径2μm、BR=0.8、B=1.8]:250gを加え、スリーワンモーターで3時間撹拌して分散させ、均一なスラリーとした。このスラリー中に、実施例1で使用したのと同じ2層不織布を通し、引き上げ塗布によりスラリーを塗布した後、所定の間隔を有するギャップの間を通し、その後乾燥して、厚みが25μmのセパレータを得た。なお、このセパレータの断面をSEMで観察したところ、2層不織布の空隙内に絶縁性微粒子(A)および膨潤性微粒子(C)が存在していることが確認できた。
Example 2
In the same slurry as in Example 1, further, as a swellable fine particle (C), crosslinked PMMA fine particles [“Gantz Pearl (trade name)” manufactured by Ganz Kasei Co., Ltd., average particle size: 2 μm, B R = 0.8, B = 1.8 ]: 250 g was added and dispersed by stirring for 3 hours with a three-one motor to obtain a uniform slurry. The same two-layer nonwoven fabric as used in Example 1 was passed through this slurry, and the slurry was applied by pulling up, then passed through a gap having a predetermined interval, and then dried to obtain a separator having a thickness of 25 μm. Got. When the cross section of this separator was observed with an SEM, it was confirmed that insulating fine particles (A) and swellable fine particles (C) were present in the voids of the two-layer nonwoven fabric.
上記手順で作製したセパレータを用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。 A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the separator produced in the above procedure was used.
実施例3
バインダ(E)として、SBRラテックス:100gおよびCMC:30g、並びに水:4000gを容器に入れ、均一に溶解するまで室温にて撹拌した。更に、絶縁性微粒子(A)として板状ベーマイト(平均粒径:1μm、アスペクト比:10):1000gを加え、ディスパーで、2800rpmの条件で1時間撹拌して分散させた。これに、熱溶融性微粒子(B)としてPEエマルジョン(平均粒径:1μm、融点:125℃):1000gを加え、ディスパーで、2800rpmの条件で3時間撹拌して、均一なスラリーとした。このスラリーを、アプリケーターを用いて、ギャップを50μmにして、厚みが18μm、目付けが8g/m2のPET製2層不織布(多孔質性シート)上に摺り切り塗布し、乾燥して、厚みが20μmのセパレータを得た。このセパレータの断面をSEM観察したところ、表面近傍の絶縁性微粒子(A)の平板面がセパレータの面に対して平均で30°以内に配向していることが確認できた。
Example 3
As a binder (E), SBR latex: 100 g and CMC: 30 g and water: 4000 g were put in a container and stirred at room temperature until evenly dissolved. Furthermore, plate-like boehmite (average particle diameter: 1 μm, aspect ratio: 10): 1000 g was added as insulating fine particles (A), and dispersed by stirring with a disper at 2800 rpm for 1 hour. To this, 1000 g of PE emulsion (average particle size: 1 μm, melting point: 125 ° C.) was added as hot-melt fine particles (B), and the mixture was stirred with a disper at 2800 rpm for 3 hours to obtain a uniform slurry. Using an applicator, this slurry was applied by sliding onto a PET two-layer nonwoven fabric (porous sheet) with a gap of 50 μm, a thickness of 18 μm, and a basis weight of 8 g / m 2 , and dried to obtain a thickness of A 20 μm separator was obtained. When the cross section of this separator was observed by SEM, it was confirmed that the flat surface of the insulating fine particles (A) in the vicinity of the surface was oriented within 30 ° on the average with respect to the surface of the separator.
上記手順で作製したセパレータを用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。 A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the separator produced in the above procedure was used.
比較例1
多孔質性シートに代えて、厚みが23μmで目付けが10g/m2のPP製不織布を用いた以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製した。このセパレータを用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
Comparative Example 1
A separator was produced in the same manner as in Example 1 except that a PP non-woven fabric having a thickness of 23 μm and a basis weight of 10 g / m 2 was used instead of the porous sheet. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this separator was used.
比較例2
実施例1で用いたセパレータに代えて、PE製微多孔膜を用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
Comparative Example 2
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that a PE microporous membrane was used instead of the separator used in Example 1.
実施例1〜3および比較例1、2の各電池について、下記の電気化学的評価(放電容量割合の測定)および安全性試験を行った。結果を表1に示す。 The batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were subjected to the following electrochemical evaluation (measurement of discharge capacity ratio) and safety test. The results are shown in Table 1.
<放電容量割合>
実施例1〜3および比較例1、2の電池について、1Cでの定電流充電(4.2Vまで)と4.2Vでの定電圧充電による充電(定電流充電と定電圧充電の合計時間2.5時間)の後、3.0Vまで1Cで放電を行う工程を1サイクルとして充放電を繰り返し、初回の充放電サイクルを除いた2サイクル目以降の10サイクルについて、放電容量の充電容量に対する割合、すなわち放電容量割合(%)の平均値を求めた。なお放電容量割合はそれぞれ電池10個の平均値として求めた。
<Discharge capacity ratio>
For the batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, charging by constant current charging at 1C (up to 4.2V) and constant voltage charging at 4.2V (total time of constant current charging and constant voltage charging 2) .5 hours), the process of discharging to 3.0 V at 1 C is repeated as one cycle, and the charge / discharge is repeated, and the ratio of the discharge capacity to the charge capacity for 10 cycles after the second cycle excluding the first charge / discharge cycle. That is, the average value of the discharge capacity ratio (%) was determined. The discharge capacity ratio was determined as an average value of 10 batteries.
<信頼性試験>
実施例1〜3および比較例1、2の電池を150℃の高温層中に放置して、電池の機能が失われるまでの時間を測定し、高温時における信頼性試験を実施した。
<Reliability test>
The batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were left in a high temperature layer of 150 ° C., the time until the function of the battery was lost was measured, and a reliability test at a high temperature was performed.
また、実施例2、3および比較例2の各電池については、シャットダウン温度の測定も行った。これらの電池を恒温槽中で、室温から毎分2℃の割合で昇温しながら電池の内部抵抗を測定し、内部抵抗が5倍となった点をシャットダウン温度とした。 Moreover, about each battery of Example 2, 3 and the comparative example 2, the shutdown temperature was also measured. The internal resistance of the batteries was measured while raising the temperature of these batteries from room temperature at a rate of 2 ° C. per minute in a thermostatic bath, and the point at which the internal resistance increased 5 times was taken as the shutdown temperature.
表1から分かるように、実施例1〜3のリチウム二次電池では、放電容量割合が良好で実用レベルにあり、リチウムデンドライトに起因する短絡の発生が抑えられており、信頼性に優れている。これに対し、比較例1の電池は放電容量割合が低い。また、実施例1〜3のリチウム二次電池では、150℃に放置した際に、電池の機能が失われるまでの時間が、従来の電池に相当する比較例2の電池よりも長く、信頼性が向上していた。更に、シャットダウン特性を付与した実施例2、3のリチウム二次電池のシャットダウン温度は、比較例2の電池よりも低く、安全性が向上しているといえる。 As can be seen from Table 1, in the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3, the discharge capacity ratio is good and at a practical level, the occurrence of short circuits due to lithium dendrite is suppressed, and the reliability is excellent. . On the other hand, the battery of Comparative Example 1 has a low discharge capacity ratio. Further, in the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3, when left at 150 ° C., the time until the function of the battery is lost is longer than that of the battery of Comparative Example 2 corresponding to the conventional battery, and is reliable. Had improved. Furthermore, it can be said that the shutdown temperature of the lithium secondary batteries of Examples 2 and 3 to which shutdown characteristics are imparted is lower than that of the battery of Comparative Example 2, and safety is improved.
Claims (9)
B = (V1/V0)−1
[上記式中、V0は、25℃の非水電解液に投入してから24時間後における微粒子の体積(cm3)、V1は、25℃の非水電解液に投入してから24時間後に非水電解液を120℃に昇温し、前記温度で1時間経過後における微粒子の体積(cm3)を意味する。] The lithium secondary battery separator according to claim 7, wherein the fine particles (C) have a swelling degree B defined by the following formula of 1 or more.
B = (V 1 / V 0 ) -1
[In the above formula, V 0 is the volume of fine particles (cm 3 ) 24 hours after being introduced into the nonaqueous electrolyte at 25 ° C., and V 1 is 24 after being introduced into the nonaqueous electrolyte at 25 ° C. The temperature of the non-aqueous electrolyte is raised to 120 ° C. after a period of time, and the volume of fine particles (cm 3 ) after 1 hour at the above temperature is meant. ]
It has at least a negative electrode containing an active material capable of occluding and releasing lithium, a positive electrode containing an active material capable of occluding and releasing lithium, and a separator for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 8. A featured lithium secondary battery.
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