JP2009123484A - Separator and battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池の正極と負極の間に介在して、両者の短絡を防止するセパレータと、これを用いた電池、例えば、リチウムイオン電池,ニッケル水素電池,ニッケルカドミウム電池,リチウム−二酸化マンガン電池,リチウム−硫化鉄電池などの電池にに関するものである。 The present invention relates to a separator that is interposed between a positive electrode and a negative electrode of a battery and prevents a short circuit between the two, and a battery using the separator, for example, a lithium ion battery, a nickel hydrogen battery, a nickel cadmium battery, a lithium-manganese dioxide battery. , Relating to batteries such as lithium-iron sulfide batteries.
近年の携帯用機器における電子技術の目覚ましい発達により、携帯電話、カメラ一体型ビデオテープレコーダ、ノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル電子機器は、高度情報化社会を支える基盤技術として認識されている。
それに伴い、これら電子機器の高機能化に関する研究開発も精力的に進められており、機器の高機能化による消費電力の増加が駆動時間の短縮に繋がることが課題とされ、一定水準以上の駆動時間を確保するためには、駆動電源として用いる二次電池におけるエネルギー密度の向上が必須の条件となるため、例えば、リチウムイオン二次電池が期待されている。
Due to the remarkable development of electronic technology in portable devices in recent years, portable electronic devices such as mobile phones, camera-integrated video tape recorders, and notebook personal computers are recognized as basic technologies that support an advanced information society.
Along with this, research and development related to the enhancement of the functionality of these electronic devices has been energetically promoted, and the increase in power consumption due to the enhancement of the functionality of the devices has led to a reduction in drive time. In order to secure time, since the improvement of the energy density in the secondary battery used as a drive power supply is an essential condition, for example, a lithium ion secondary battery is expected.
このような電池には、その安全性を確保するために、電池が発熱した場合に電流を遮断させるような機構が組み込まれている。例えば、ポリオレフィンを延伸して作成したセパレータは、融点近くで延伸することにより形成された孔を塞ぐことによって、電流を遮断するシャットダウン機構を有している。
しかし、シャットダウンする場合には、セパレータにシュリンクが生じることから、二次的な不具合、例えば、内部ショートなどを引き起こす場合がある。
In order to ensure the safety of such a battery, a mechanism for interrupting current when the battery generates heat is incorporated. For example, a separator made by stretching a polyolefin has a shutdown mechanism that blocks current by closing holes formed by stretching near the melting point.
However, when shutting down, shrinkage occurs in the separator, which may cause secondary problems such as an internal short circuit.
このような問題に対処するため、パラ芳香族ポリアミドから成る多孔性樹脂層と、熱可塑性ポリマーから成る多孔性樹脂の少なくとも2種以上の樹脂材料から成る多孔質フィルムを電池用セパレータとして使用し、温度上昇時に、熱可塑性ポリマーから成る樹脂の溶融によってパラ芳香族ポリアミド樹脂層の空隙を閉塞して、シャットダウンさせることが提案されている(特許文献1参照)。
また、基材としてポリオレフィン多孔質膜を用い、第2層として耐熱樹脂層を配した構造のセパレータを用いることが提案されている(特許文献2参照)。
さらに、融点が一定温度以上異なる2種類の熱可塑性樹脂多孔質膜から成る多層構造のセパレータを用いることも提案されている(特許文献3参照)。
In addition, it has been proposed to use a separator having a structure in which a polyolefin porous membrane is used as a substrate and a heat-resistant resin layer is provided as a second layer (see Patent Document 2).
Furthermore, it has also been proposed to use a separator having a multilayer structure composed of two types of porous thermoplastic resin membranes whose melting points differ by a certain temperature or more (see Patent Document 3).
しかしながら、上記特許文献1に記載された構造のセパレータにおいては、温度上昇に対するシャットダウンの応答性が悪く、電池の安全性を保つには不十分であった。
一方、特許文献2に記載のセパレータでは、過熱時のシャットダウンの応答性向上とセパレータのシュリンク低減を図ることができるが、耐熱樹脂層を配することによりイオンの透過性が阻害され、これを用いた電池においては充放電サイクル特性が劣ることになるという問題があった。また、特許文献3に記載のセパレータにおいては、シャットダウン作用は有しているが、融点差があるものの、各層とも熱可塑性であるため、セパレータの収縮は改善されず、高温下にさらされた場合の内部ショートの可能性は改善されていないことになる。
However, the separator having the structure described in
On the other hand, the separator described in
本発明は、従来技術における上記課題を解決すべくなされたものであって、その目的とするところは、イオン透過性を損なうことなく、過熱時におけるシャットダウン応答性に優れると共に、過熱時におけるシュリンク低減を図ることができるセパレータと、このようなセパレータを備え、過熱時の安全性に優れた電池を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the prior art, and its object is to reduce the shrinkage at the time of overheating while being excellent in the shutdown response at the time of overheating without impairing the ion permeability. It is an object of the present invention to provide a separator that can achieve the above and a battery that includes such a separator and has excellent safety during overheating.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、耐熱樹脂をN−メチル−ピロリドンのような極性有機溶媒に溶解させる際に、溶解度を向上させるために添加される塩化物イオンがセパレータ中に適量残存することによって、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that a chloride added to improve solubility when a heat-resistant resin is dissolved in a polar organic solvent such as N-methyl-pyrrolidone. The inventors have found that the above-mentioned object can be achieved by an appropriate amount of ions remaining in the separator, and have completed the present invention.
即ち、本発明のセパレータは、シャットダウン機能を有する多孔質基材層と、多孔質耐熱樹脂層から成り、セパレータ全体に対する塩素含有量が質量基準で500〜5000ppmであることを特徴とする。
また、本発明の電池は、正極と、負極と、電解質と、セパレータを有し、上記セパレータがシャットダウン機能を有する多孔質基材層と、多孔質耐熱樹脂層から成り、セパレータ全体に対する塩素含有量が質量基準で500〜5000ppmであることを特徴としている。
That is, the separator of the present invention comprises a porous base material layer having a shutdown function and a porous heat-resistant resin layer, and the chlorine content relative to the whole separator is 500 to 5000 ppm on a mass basis.
The battery of the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, and the separator comprises a porous base material layer having a shutdown function, and a porous heat-resistant resin layer, and the chlorine content relative to the whole separator Is 500 to 5000 ppm on a mass basis.
本発明によれば、多孔質基材層と多孔質耐熱樹脂層から成るセパレータにおける塩素含有量を質量基準でセパレータ全体の500〜5000ppmとしたため、良好なイオン透過性を備え、過熱時のシャットダウン応答性に優れ、シュリンクの少ないセパレータと、このようなセパレータを備え、安全性に優れた電池を提供することができる。 According to the present invention, since the chlorine content in the separator composed of the porous base material layer and the porous heat-resistant resin layer is 500 to 5000 ppm of the whole separator on a mass basis, it has good ion permeability and has a shutdown response at the time of overheating. It is possible to provide a separator excellent in safety and having a small amount of shrink and a battery having such a separator and excellent in safety.
以下、本発明のセパレータと、これを用いた電池について詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。 Hereinafter, the separator of the present invention and a battery using the separator will be described in detail. In the present specification, “%” represents mass percentage unless otherwise specified.
本発明のセパレータは、各種電池に好適に用いられるものであって、上記したように、シャットダウン機能を有する多孔質基材層と多孔質耐熱樹脂層から成り、当該セパレータの塩素含有量が全体に対する質量基準で500〜5000ppmであり、もってイオン透過性が向上し、多孔質基材層によりセパレータのシャットダウン機能が確保され、耐熱樹脂層によって過熱時における収縮量の低減が可能になる。 The separator of the present invention is suitably used for various batteries, and as described above, includes a porous base material layer having a shutdown function and a porous heat-resistant resin layer, and the chlorine content of the separator is based on the whole. It is 500 to 5000 ppm on a mass basis, so that the ion permeability is improved, the porous base material layer ensures the shutdown function of the separator, and the heat-resistant resin layer can reduce the shrinkage during overheating.
なお、塩素イオン濃度を500〜5000ppmの範囲とすることによる作用、効果の詳細について、現状では必ずしも明らかではないが、残存した塩素によって塗布層内の樹脂の相分離速度が変化し、イオンの透過を容易にする多孔質構造が形成されているものと考えられる。
すなわち、セパレータ中の塩素含有量が500ppmに満たない場合には、電池圧壊時の発熱速度を十分に低減することができず、逆に塩素含有量が5000ppmを超えると、電池の初期容量が低下する。
The details of the action and effect obtained by setting the chlorine ion concentration in the range of 500 to 5000 ppm are not necessarily clear at present, but the residual chlorine changes the phase separation rate of the resin in the coating layer, and the permeation of ions. It is thought that the porous structure which makes it easy to be formed is formed.
That is, when the chlorine content in the separator is less than 500 ppm, the heat generation rate at the time of battery collapse cannot be reduced sufficiently, and conversely, if the chlorine content exceeds 5000 ppm, the initial capacity of the battery is reduced. To do.
本発明において、耐熱性樹脂層が塗工される多孔質基材としては、通常、電池用のセパレータとして用いられ、過熱時に、軟化又は溶融して開孔を目詰まりさせて、電流を遮断するシャットダウン機能を示すものであれば特に限定されず、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂、又はこれらポリオレフィン系樹脂の混合物から成る多孔性フィルムを用いることができる。 In the present invention, the porous substrate to which the heat-resistant resin layer is applied is usually used as a battery separator, and when overheated, it softens or melts and clogs the opening to block the current. It does not specifically limit if it shows a shutdown function, For example, the porous film which consists of polyolefin resin, such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP), or the mixture of these polyolefin resin can be used.
一方、本発明において耐熱樹脂層とは、通常エンプラと呼ばれる100℃以上の耐熱性を有する樹脂を意味し、特に耐熱性が150℃以上、ガラス転移点が150℃以上の耐熱性樹脂を好適に用いることができる。具体的には、ポリアミド(アラミド)、ポリイミド、ポリアミドイミド、又はこれら樹脂の2種以上のブレンド樹脂などを好適に用いることができる。 On the other hand, the heat-resistant resin layer in the present invention means a resin having a heat resistance of 100 ° C. or higher, usually called engineering plastic, and particularly preferably a heat-resistant resin having a heat resistance of 150 ° C. or higher and a glass transition point of 150 ° C. or higher. Can be used. Specifically, polyamide (aramid), polyimide, polyamideimide, or a blend resin of two or more of these resins can be suitably used.
本発明の上記セパレータが適応できる電池系は、先に述べたように、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウム−二酸化マンガン電池、リチウム−硫化鉄電池など、特に限定されないが、リチウムイオン電池系では、4.20V以上の充電電圧用に設計された電池に好適に用いられる。本発明のセパレータに用いられる上記したような耐熱樹脂は、通常用いられるセパレータに較べて耐酸化性が高いため、高充電圧でも劣化し難く、好適に用いられる。 The battery system to which the separator of the present invention can be applied is not particularly limited, as described above, such as lithium ion battery, nickel metal hydride battery, nickel cadmium battery, lithium-manganese dioxide battery, lithium-iron sulfide battery, etc. In the ion battery system, the battery is suitably used for a battery designed for a charging voltage of 4.20 V or more. The above-mentioned heat-resistant resin used for the separator of the present invention is preferably used because it has high oxidation resistance as compared with a separator that is usually used, and hardly deteriorates even at a high charging pressure.
すなわち、本発明の電池は、正極と負極と電解質と、上記セパレータ、つまりシャットダウン機能を有する多孔質基材層と、多孔質耐熱樹脂層から成り、セパレータ全体に対する塩素含有量が質量基準で500〜5000ppmであるセパレータを備え、過熱時における安全性に優れ、とりわけ満充電状態における単セルあたりの開回路電圧が4.2V以上4.6V以下の電池において、優れた特性を発揮することができる。
ここで、満充電状態とは、0.5C以下の電流値又は定電流−定電圧方式(定電圧部は0.1C以下の電流値で電圧カット)により充電したときの終状態を意味する。Cは、充電電流値(mA)/電池容量又は電極容量(mA)である。また、満充電状態における正極の充電電位は、例えば、電池に電解液が出入りできる穴を開け、この電池を電解液が注入されたテストセル中に浸漬し、リチウムを参照極として測定することができる。
That is, the battery of the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, the separator, that is, a porous base material layer having a shutdown function, and a porous heat-resistant resin layer, and the chlorine content relative to the whole separator is 500 to 500 on a mass basis. It has a separator of 5000 ppm, has excellent safety during overheating, and can exhibit excellent characteristics particularly in a battery having an open circuit voltage per single cell in a fully charged state of 4.2 V to 4.6 V.
Here, the fully charged state means a final state when the battery is charged by a current value of 0.5 C or less or a constant current-constant voltage method (the constant voltage unit is a voltage cut with a current value of 0.1 C or less). C is charging current value (mA) / battery capacity or electrode capacity (mA). In addition, the charging potential of the positive electrode in a fully charged state can be measured, for example, by opening a hole through which the electrolytic solution can enter and exit the battery, immersing the battery in a test cell into which the electrolytic solution has been injected, and using lithium as a reference electrode. it can.
また、本発明の電池形状については、インサイドアウト構造、捲回構造等の構造をとる筒形電池、角型電池、あるいはボタン型電池、コイン型電池、シート型、扁平型電池など、電池構成部材の構造を収納できる形状であれば、特に限定されることはない。 In addition, as for the battery shape of the present invention, a battery constituent member such as a cylindrical battery, a square battery, a button battery, a coin battery, a sheet battery, a flat battery, etc. having an inside-out structure, a wound structure, etc. There is no particular limitation as long as the structure can accommodate this structure.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、この発明の第1の実施形態による非水電解質電池の断面構造を示すものである。
この電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶1の内部に、帯状の正極2と、同じく帯状の負極3とがセパレータ4を介して巻回された巻回電極体20を有している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a nonaqueous electrolyte battery according to a first embodiment of the present invention.
This battery is called a so-called cylindrical type, and is a wound electrode in which a strip-shaped
電池缶1は、例えばニッケル(Ni)のめっきが施された鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶1の内部には、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板5及び6がそれぞれ配置されている。
電池缶1の開放端部には、電池蓋7と、この電池蓋7の内側に設けられた安全弁機構8及び熱感抵抗素子(PTC素子:Positive Temperature Coefficient)9とが、ガスケット10を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶1の内部は密閉されている。電池蓋7は、例えば、電池缶1と同様の材料により構成されている。
The battery can 1 is made of, for example, iron (Fe) plated with nickel (Ni), and has one end closed and the other end open. Inside the battery can 1, a pair of
At the open end of the battery can 1, a
安全弁機構8は、熱感抵抗素子9を介して電池蓋7と電気的に接続されており、内部短絡や外部からの加熱などによって電池の内圧が一定以上となった場合に、ディスク板11が反転して電池蓋7と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。
熱感抵抗素子9は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット10は、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
The
The heat-
巻回電極体20は、例えば、センターピン12を中心に巻回されている。巻回電極体20の正極2には、アルミニウムなどから成る正極リード13が接続されており、負極3には、ニッケルなどから成る負極リード14が接続されている。
正極リード13は、安全弁機構8に溶接されることにより電池蓋7と電気的に接続されており、負極リード14は、電池缶1に溶接されることによって電気的に接続されている。
The
The
図2は、図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表したものであって、この図に示すように、正極2は、例えば、帯状の正極集電体2Aと、この正極集電体2Aの両面に設けられた正極合剤層2Bとを有している。一方、負極3は、同様に帯状をなす負極集電体3Aと、この負極集電体3Aの両面に設けられた負極合剤層3Bとを有し、これら正極2及び負極3は、後述するセパレータ4を介して対向している。
なお、ここでは、正極集電体2A及び負極集電体3Aのそれぞれ両面に、正極合剤層2B及び負極合剤層3Bを設けた構造を例示したが、正極集電体2A及び負極集電体3Aの片面のみに、正極合剤層2B及び負極合剤層3Bが設けられた領域を有するようにすることもできる。
FIG. 2 is an enlarged view of a part of the spirally
Here, the structure in which the positive
[正極]
正極2の一部をなす正極集電体2Aは、例えば、アルミニウム(Al)箔等の金属箔により構成されており、正極合剤層2Bは、正極活物質を含んでおり、必要に応じてグラファイトなどの導電剤や、ポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。
[Positive electrode]
The positive electrode
上記正極活物質としては、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な正極材料を用いることができる。具体的な正極材料としては、例えば、リチウム酸化物、リチウムリン酸化物、リチウム硫化物又はリチウムを含む層間化合物などのリチウム含有化合物が適当であり、これらの2種以上を混合して用いてもよい。
エネルギー密度を高くするには、リチウム(Li)と遷移金属元素と酸素(O)とを含むリチウム含有化合物が好ましく、中でも、遷移金属元素として、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及び鉄(Fe)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものであればより好ましい。
As the positive electrode active material, a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium can be used. As a specific positive electrode material, for example, a lithium-containing compound such as lithium oxide, lithium phosphorous oxide, lithium sulfide, or an intercalation compound containing lithium is suitable, and a mixture of two or more of these may be used. Good.
In order to increase the energy density, a lithium-containing compound containing lithium (Li), a transition metal element, and oxygen (O) is preferable. Among them, as the transition metal element, cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn And at least one selected from the group consisting of iron (Fe).
このようなリチウム含有化合物としては、例えば、下記式(1)、より具体的には式(2)で表される平均組成を有するリチム複合酸化物、式(3)で表される平均組成を有するリチウム複合酸化物を挙げることができる。
LipNi(1−q−r)MnqM1rO(2−y)Xz ・・・ (1)
(式中のM1はニッケル(Ni)、マンガン(Mn)を除く2族〜15族から選ばれた少なくとも1種の元素、Xは酸素(O)以外の16族及び17族から選ばれた少なくとも1種の元素、p、q、r、y、zは0≦p≦1.5、0≦q≦1.0、0≦r≦1.0、−0.10≦y≦0.20、0≦z≦0.2の範囲内の値を示す。)
As such a lithium-containing compound, for example, the following formula (1), more specifically, a lithium composite oxide having an average composition represented by the formula (2), an average composition represented by the formula (3) Examples thereof include lithium composite oxides.
Li p Ni (1-q- r) Mn q M1 r O (2-y) X z ··· (1)
(Wherein M1 is at least one element selected from
LiaCo1−bM2bO2−c ・・・ (2)
(式中のM2はバナジウム(V)、銅(Cu)、ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)及び鉄(Fe)から成る群から選ばれた少なくとも1種の元素、a、b、cは0.9≦a≦1.1、0≦b≦0.3、−0.1≦c≦0.1の範囲内の値を示す。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、aの値は完全放電状態における値を表している。)
Li a Co 1-b M2 b O 2-c (2)
(M2 in the formula is vanadium (V), copper (Cu), zirconium (Zr), zinc (Zn), magnesium (Mg), aluminum (Al), gallium (Ga), yttrium (Y) and iron (Fe). At least one element selected from the group consisting of a, b, and c is in the range of 0.9 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.3, −0.1 ≦ c ≦ 0.1 (Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of a represents the value in a fully discharged state.)
LiwNixCoyMnzM31−x−y−zO2−v ・・・ (3)
(式中のM3はバナジウム(V)、銅(Cu)、ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)及び鉄(Fe)から成る群から選ばれた少なくとも1種の元素、v、w、x、y、zは−0.1≦v≦0.1、0.9≦w≦1.1、0<x<1、0<y<1、0<z<0.5、0≦1−x−y−zの範囲の値を示す。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、wの値は完全放電状態における値を表している。)
Li w Ni x Co y Mn z M3 1-x-y-z O 2-v ··· (3)
(M3 in the formula is vanadium (V), copper (Cu), zirconium (Zr), zinc (Zn), magnesium (Mg), aluminum (Al), gallium (Ga), yttrium (Y) and iron (Fe). At least one element selected from the group consisting of: v, w, x, y, z is −0.1 ≦ v ≦ 0.1, 0.9 ≦ w ≦ 1.1, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <0.5, 0 ≦ 1-xyz The values of lithium vary depending on the state of charge and discharge, and the value of w indicates a fully discharged state. Represents the value at.)
さらに、リチウム含有化合物としては、例えば、下記式(4)で表されるスピネル型の構造を有するリチム複合酸化物、より具体的には、LidMn2O4(d≒1)などを挙げることができる。
LipMn2−qM4qOrFs ・・・ (4)
(式中のM4はコバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)及びタングステン(W)から成る群から選ばれた少なくとも1種をの元素、p、q、r、sは0.9≦p≦1.1、0≦q≦0.6、3.7≦r≦4.1、0≦s≦0.1の範囲内の値を示す。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、pの値は完全放電状態における値を表している。)
Further, examples of the lithium-containing compound include a lithium composite oxide having a spinel structure represented by the following formula (4), more specifically, LidMn 2 O 4 (d≈1).
Li p Mn 2-q M4 q O r F s ··· (4)
(M4 in the formula is cobalt (Co), nickel (Ni), magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe) At least one element selected from the group consisting of copper (Cu), zinc (Zn), molybdenum (Mo), tin (Sn), calcium (Ca), strontium (Sr) and tungsten (W), p , Q, r, and s indicate values in the range of 0.9 ≦ p ≦ 1.1, 0 ≦ q ≦ 0.6, 3.7 ≦ r ≦ 4.1, and 0 ≦ s ≦ 0.1. Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of p represents the value in a fully discharged state.)
さらに、リチウム含有化合物としては、例えば、下記式(5)、より具体的には式(6)で表されるオリビン型の構造を有するリチム複合リン酸塩などを挙げることができ、さらに具体的には、LieFePO4(e≒1)などを挙げることができる。
LiaM5bPO4 ・・・ (5)
(式中のM5は2族〜15族から選ばれた少なくとも1種の元素、a、bは0≦a≦2.0、0.5≦b≦2.0の範囲内の値を示す。)
Furthermore, examples of the lithium-containing compound include lithim complex phosphate having the olivine structure represented by the following formula (5), more specifically, the formula (6), and more specifically. Examples include LieFePO 4 (e≈1).
Li a M5 b PO 4 (5)
(In the formula, M5 is at least one element selected from
LitM6PO4 ・・・ (6)
(式中のM6はコバルト(Co)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、タングステン(W)及びジルコニウム(Zr)から成る群から選ばれた少なくとも1種の元素、tは0.9≦t≦1.1の範囲内の値を示す。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、tの値は完全放電状態における値を表している。)
Li t M6PO 4 (6)
(M6 in the formula is cobalt (Co), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), titanium (Ti), vanadium (V). , Niobium (Nb), copper (Cu), zinc (Zn), molybdenum (Mo), calcium (Ca), strontium (Sr), tungsten (W) and zirconium (Zr) And t represents a value within a range of 0.9 ≦ t ≦ 1.1, wherein the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of t represents a value in a fully discharged state.
上述した正極材料の他にも、リチウム(Li)を吸蔵及び放出することが可能な正極材料としては、MnO2、V2O5、V6O13、NiS、MoSなどのリチウムを含まない無機化合物を挙げることができる。 In addition to the positive electrode material described above, examples of a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium (Li) include inorganic materials such as MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , NiS, and MoS that do not contain lithium. A compound can be mentioned.
[負極]
負極3の一部をなす負極集電体3Aは、例えば、銅(Cu)箔等の金属箔により構成されており、負極合剤層3Bは、負極活物質として、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料の1種又は2種以上を含んでおり、必要に応じて正極合剤層2Bと同様の結着剤を含んで構成されている。
[Negative electrode]
The negative electrode
なお、この非水電解質電池においては、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の電気化学当量が、正極2の電気化学当量よりも大きくなっており、充電の途中において負極3にリチウム金属が析出しないようになっている。
In this nonaqueous electrolyte battery, the electrochemical equivalent of the negative electrode material capable of occluding and releasing lithium is larger than the electrochemical equivalent of the
また、この非水電解質電池は、満充電状態における開回路電圧(すなわち電池電圧)が例えば、4.2V以上4.6V以下の範囲内になるように設計されている。例えば、満充電時状態における開回路電圧が4.25V以上とされる場合には、4.2Vの電池と比較して、同じ正極活物質であっても単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなるので、それに応じて正極活物質と負極活物質との量が調整されており、これによって高いエネルギー密度が得られるようになっている。 In addition, this nonaqueous electrolyte battery is designed such that the open circuit voltage (that is, the battery voltage) in a fully charged state is in the range of 4.2 V to 4.6 V, for example. For example, when the open circuit voltage in the fully charged state is 4.25 V or more, even when the same positive electrode active material is used, the amount of lithium released per unit mass is larger than that of a 4.2 V battery. Therefore, the amount of the positive electrode active material and the negative electrode active material is adjusted accordingly, and thereby a high energy density can be obtained.
リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料としては、例えば、黒鉛、難黒鉛化性炭素,易黒鉛化性炭素、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、あるいは活性炭などの炭素材料を挙げることができる。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。 有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂等の高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものを言い、一部には難黒鉛化性炭素又は易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。また、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどがある。 Examples of negative electrode materials capable of inserting and extracting lithium include graphite, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, and fired organic polymer compounds And carbon materials such as carbon fiber and activated carbon. Among these, examples of coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. An organic polymer compound fired body is a carbonized material obtained by firing a polymer material such as a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature, and is partially non-graphitizable carbon or graphitizable carbon. Some are classified as: Examples of the polymer material include polyacetylene and polypyrrole.
これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。また、難黒鉛化性炭素も優れた特性が得られることから好ましい。更にまた、充放電電位が低いもの、具体的には充放電電位がリチウム金属に近いものが、電池の高エネルギー密度化を容易に実現することができるので好ましい。 These carbon materials are preferable because the change in the crystal structure that occurs during charge / discharge is very small, a high charge / discharge capacity can be obtained, and good cycle characteristics can be obtained. In particular, graphite is preferable because it has a high electrochemical equivalent and can provide a high energy density. Further, non-graphitizable carbon is preferable because excellent characteristics can be obtained. Furthermore, those having a low charge / discharge potential, specifically, those having a charge / discharge potential close to that of lithium metal are preferable because a high energy density of the battery can be easily realized.
また、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料としては、リチウムを吸蔵及び放出することが可能であり、金属元素及び半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料をも挙げることができる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができる。特に、このような材料を炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。
この負極材料は、金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、これらの1種又は2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含まれる。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。
Further, examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include materials capable of inserting and extracting lithium and including at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. be able to. If such a material is used, a high energy density can be obtained. In particular, it is more preferable to use such a material together with a carbon material because a high energy density can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained.
This negative electrode material may be a single element or an alloy or a compound of a metal element or a metalloid element, and may have one or two or more of these phases at least in part. In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included. Some of the structures include a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them.
このような負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。 Examples of the metal element or metalloid element constituting such a negative electrode material include magnesium (Mg), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), and germanium. (Ge), tin (Sn), lead (Pb), bismuth (Bi), cadmium (Cd), silver (Ag), zinc (Zn), hafnium (Hf), zirconium (Zr), yttrium (Y), palladium (Pd) or platinum (Pt). These may be crystalline or amorphous.
これらのうち、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素及びスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素及びスズは、リチウム(Li)を吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができることによる。 Among these, as the negative electrode material, those containing a 4B group metal element or semi-metal element in the short-period type periodic table as a constituent element are preferable, and particularly preferable are those containing at least one of silicon and tin as a constituent element. . Silicon and tin have a large ability to occlude and release lithium (Li), and can obtain a high energy density.
スズ(Sn)の合金としては、例えば、スズ(Sn)以外の第2の構成元素として、ケイ素(Si)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、銀(Ag)、チタン(Ti)、ゲルマニウム(Ge)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)及びクロム(Cr)から成る群から選ばれた少なくとも1種の元素を含むものが挙げられる。
ケイ素(Si)の合金としては、例えば、ケイ素(Si)以外の第2の構成元素として、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、銀(Ag)、チタン(Ti)、ゲルマニウム(Ge)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)及びクロム(Cr)から成る群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。
As an alloy of tin (Sn), for example, as a second constituent element other than tin (Sn), silicon (Si), nickel (Ni), copper (Cu), iron (Fe), cobalt (Co), manganese Selected from the group consisting of (Mn), zinc (Zn), indium (In), silver (Ag), titanium (Ti), germanium (Ge), bismuth (Bi), antimony (Sb) and chromium (Cr) The thing containing at least 1 sort (s) of element is mentioned.
As an alloy of silicon (Si), for example, as a second constituent element other than silicon (Si), tin (Sn), nickel (Ni), copper (Cu), iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), zinc (Zn), indium (In), silver (Ag), titanium (Ti), germanium (Ge), bismuth (Bi), antimony (Sb) and chromium (Cr) at least The thing containing 1 type is mentioned.
スズ(Sn)の化合物あるいはケイ素(Si)の化合物としては、例えば、酸素(O)あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、スズ(Sn)又はケイ素(Si)に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。 Examples of the tin (Sn) compound or silicon (Si) compound include those containing oxygen (O) or carbon (C). In addition to tin (Sn) or silicon (Si), the above-described compounds are used. Two constituent elements may be included.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、さらに、他の金属化合物あるいは高分子材料が挙げられる。他の金属化合物としては、MnO2、V2O5、V6O13などの酸化物、NiSやMoSなどの硫化物、あるいはLiN3などのリチウム窒化物を挙げることができ、高分子材料としてはポリアセチレン、ポリアニリンあるいはポリピロールなどが挙げられる。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium further include other metal compounds or polymer materials. Examples of other metal compounds include oxides such as MnO 2 , V 2 O 5 , and V 6 O 13 , sulfides such as NiS and MoS, and lithium nitrides such as LiN 3. Includes polyacetylene, polyaniline, polypyrrole and the like.
[電解質]
電解質としては、非水溶媒に電解質塩を溶解させた非水電解液を用いることができる。非水溶媒としては、例えば、サイクル特性を向上できる点から、エチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートのうちの少なくとも一方を含んでいることが好ましい。特に、、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの両方を混合して含むようにすることが、サイクル特性をより向上させることができるので、一層好ましい。
さらに、非水溶媒としては、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート等の鎖状炭酸エステルの中から、少なくとも1種を含んでいるものが好ましい。これは、サイクル特性をより向上できることによる。
[Electrolytes]
As the electrolyte, a nonaqueous electrolytic solution in which an electrolyte salt is dissolved in a nonaqueous solvent can be used. As a non-aqueous solvent, it is preferable that at least one of ethylene carbonate and propylene carbonate is included from the point which can improve cycling characteristics, for example. In particular, it is more preferable to mix and contain both ethylene carbonate and propylene carbonate because the cycle characteristics can be further improved.
Furthermore, as the non-aqueous solvent, those containing at least one of chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and methyl propyl carbonate are preferable. This is because the cycle characteristics can be further improved.
さらに、非水溶媒としては、2,4−ジフルオロアニソール及びビニレンカーボネートのうちの少なくとも一方を含んでいることが好ましい。
2,4−ジフルオロアニソールの含有により放電容量を改善することができ、ビニレンカーボネートを含有させることによってサイクル特性をより向上させることができる。特に、これらを混合して含んでいれば、放電容量及びサイクル特性を共に向上させることができるのでさらに好ましい。
Further, the non-aqueous solvent preferably contains at least one of 2,4-difluoroanisole and vinylene carbonate.
The inclusion of 2,4-difluoroanisole can improve the discharge capacity, and the inclusion of vinylene carbonate can further improve the cycle characteristics. In particular, it is more preferable that they are mixed and contained because both the discharge capacity and the cycle characteristics can be improved.
非水溶媒としては、さらに、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、これら化合物の水素基の一部又は全部をフッ素基で置換したもの、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピロニトリル、N,N−ジメチルフォルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、ジメチルスルフォキシド、リン酸トリメチル等のいずれか1種又は2種以上を含んでいてもよい。 Examples of the non-aqueous solvent include butylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, those obtained by substituting some or all of the hydrogen groups of these compounds with fluorine groups, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyl Tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, methyl acetate, methyl propionate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropironitrile, N, N-dimethylformamide N-methylpyrrolidinone, N-methyloxazolidinone, N, N-dimethylimidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, dimethyl sulfoxide, trimethyl phosphate and the like may be included. .
さらに、組み合わせる電極によっては、上述した非水溶媒群に含まれる物質の水素原子の一部又は全部をフッ素原子で置換したものを用いることにより、電極反応の可逆性が向上する場合がある。したがって、非水溶媒としては、これらの物質を適宜用いることも可能である。 Furthermore, depending on the electrode to be combined, the reversibility of the electrode reaction may be improved by using a material in which some or all of the hydrogen atoms of the substances contained in the nonaqueous solvent group described above are substituted with fluorine atoms. Therefore, these substances can be appropriately used as the non-aqueous solvent.
一方、電解質塩であるリチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiAlCl4、LiSiF6、LiCl、LiBF2(ox)〔リチウムジフルオロオキサレートボレート〕、LiBOB〔リチウムビスオキサレートボレート〕、あるいはLiBrが適当であり、これらのうちのいずれか1種又は2種以上を混合して用いることもできる。
これらの中でも、LiPF6は、高いイオン伝導性を得ることができると共に、サイクル特性を向上させることができるので好ましい。さらに、高い充電電圧で充電する場合、例えば、正極集電体であるアルミニウムが溶解しやすくなるが、LiPF6の存在下では、LiPF6が分解することによってアルミニウム表面に被膜を形成することができ、これによってアルミニウムの溶解を抑制することができる。
On the other hand, the lithium salt as the electrolyte salt, e.g., LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6,
Among these, LiPF 6 is preferable because high ion conductivity can be obtained and cycle characteristics can be improved. Further, when charged with a high charging voltage, for example, although aluminum is a positive electrode current collector is easily dissolved in the presence of LiPF 6, it is possible to form a film on the aluminum surface by the LiPF 6 decomposes Thereby, dissolution of aluminum can be suppressed.
[セパレータ]
セパレータ4は、正極2と負極3とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させる機能を有し、図3(a)及び(b)に拡大して示すように、多孔質基材層4Aと、該基材層4Aの片面又は両面に設けられた多孔質耐熱樹脂層4Bを備えた構造を備えている。
なお、図3(b)とは逆に、多孔質耐熱樹脂層4Bを多孔質基材層4Aで挟持したり、4層以上の多層構造としたりすることも可能である。
[Separator]
The
In contrast to FIG. 3B, the porous heat-
多孔質基材層4Aは、シャットダウン機能を備えており、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂、又はこれらポリオレフィン系樹脂の混合物から成る多孔性フィルムを用いることができ、135℃以上の融点のものを好適に用いることができる。
ポリオレフィン系樹脂は、融点付近で開孔が目詰まりし、これによって電流を遮断するシャットダウン機能を発揮する。
The porous
The polyolefin resin exhibits a shutdown function that blocks the opening near the melting point, thereby interrupting the current.
一方、多孔質耐熱樹脂層4Bは、前述のように、100℃、より好ましくは150℃以上の耐熱性樹脂から成り、多孔質基材層4Aが融点以上の温度に達したとしても、大幅な収縮を生じることなく、セパレータ4としての全体的なシュリンクを防止する機能を有する。
On the other hand, as described above, the porous heat-
当該多孔質耐熱樹脂層4Bを構成する樹脂材料としては、高温雰囲気下での寸法安定性の点から、できるだけガラス転移温度の高いものが望ましく、流動による寸法変化や収縮を少なくすることができる点からも、融解エントロピーを持つ融点を有しない樹脂を好適に用いることができる。
このような樹脂としては、例えば、芳香族骨格を有するポリアミド(例えば、アラミドなど)、芳香族骨格を有し、イミド結合を有するポリマー(例えば、ポリイミド)、さらにはこれらのポリマーを構成するモノマーの共重合体(例えば、ポリアミドイミド)を挙げることができる。
The resin material constituting the porous heat-
Examples of such a resin include polyamides having an aromatic skeleton (for example, aramid), polymers having an aromatic skeleton and having an imide bond (for example, polyimide), and monomers constituting these polymers. A copolymer (for example, polyamideimide) can be mentioned.
上記構造のセパレータ4の製造に際しては、例えば、予め塩化リチウムのような塩化物を溶解させておいた極性有機溶媒、例えばN−メチル−ピロリドンに、上記したような耐熱性樹脂粉末を投入し、撹拌して溶解させた溶液を用意し、この溶液を基材層4Aとなる多孔性フィルム上に、卓上コーターなどを用いて塗布したのち、水などの貧溶媒中に浸漬して相分離させた後、熱風などで乾燥させることによって、多孔質基材層4Aと多孔質耐熱樹脂層4Bとの積層構造を備えたセパレータ4を得ることができる。
このとき、上記した塩化物は、耐熱樹脂をN−メチル−ピロリドンのような極性有機溶媒に溶解させるのに必要なものであるが、貧溶媒中に浸漬されている間に当該溶媒中に溶出することから、浸漬時間の調整によって、セパレータ中の塩素含有量を減らすことができ、本発明においては、その塩素含有量をセパレータ全体に対する質量基準で500〜5000ppmの範囲内とすることが必要である。
In the production of the
At this time, the above-mentioned chloride is necessary for dissolving the heat-resistant resin in a polar organic solvent such as N-methyl-pyrrolidone, but is eluted in the solvent while being immersed in the poor solvent. Therefore, the chlorine content in the separator can be reduced by adjusting the immersion time. In the present invention, the chlorine content needs to be in the range of 500 to 5000 ppm on a mass basis with respect to the entire separator. is there.
以下に、この発明の第1の実施形態による非水電解質電池の製造方法について説明する。 Below, the manufacturing method of the nonaqueous electrolyte battery by 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
正極2の作製に際しては、まず、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させて正極合剤スラリーとする。
次に、この正極合剤スラリーを正極集電体2Aに塗布し、溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層2Bを形成し、正極2とする。
In producing the
Next, this positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode
負極3を作製するには、まず、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。
次に、この負極合剤スラリーを負極集電体3Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層3Bを形成して、負極3が得られる。
In order to produce the
Next, after applying this negative electrode mixture slurry to the negative electrode
そして、正極集電体2Aに正極リード13を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体3Aに負極リード14を同様に溶接などによって取り付ける。次に、正極2と負極3とを上記構造を有するセパレータ4を介して巻回し、正極リード13の先端部を安全弁機構8に溶接すると共に、負極リード14の先端部を電池缶1に溶接して、巻回した正極2及び負極3を一対の絶縁板5及び6で挟み電池缶1の内部に収納する。
Then, the
次に、電解液を電池缶1の内部に注入し、電解液をセパレータ4に含浸させる。次いで、電池缶1の開口端部に電池蓋7、安全弁機構8及び熱感抵抗素子9をガスケット10を介して、かしめることにより固定する。以上によって、この発明の第1の実施形態による非水電解質電池が作製される。
Next, an electrolytic solution is injected into the battery can 1 and the
この発明の第1の実施形態による非水電解質電池において、充電を行うと、例えば正極2からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して負極3に吸藏される一方、放電を行うと、例えば、負極3からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して正極2に吸藏される。
この電池に用いられているセパレータ4では、ポリオレフィン系樹脂から成る多孔質基材層4Aがシャットダウン機能を発揮し、多孔質耐熱樹脂層4Bによって過熱時における収縮量が低減されると共に、塩素イオンの含有量がセパレータ全体の10〜140ppmであってイオン透過性が向上することから、当該電池の過熱時における安全性が確保されると共に、サイクル特性が向上することになる。
In the nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment of the present invention, when charging is performed, for example, lithium ions are separated from the
In the
次に、この発明の第2の実施形態について説明する。
図4は、この発明の第2の実施形態による非水電解質電池の構造を示す斜視図である。図に示すように、この非水電解質電池は、電池素子30を防湿性ラミネートフィルムから成る外装材37に収容し、電池素子30の周囲を溶着することにより封止して成るものである。
Next explained is the second embodiment of the invention.
FIG. 4 is a perspective view showing the structure of a nonaqueous electrolyte battery according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, this non-aqueous electrolyte battery is formed by housing a
電池素子30には、正極リード32及び負極リード33が備えられ、これらのリードは、外装材37に挟まれて外部へと引き出される。正極リード32及び負極リード33のそれぞれの両面には、外装材37との接着性を向上させるために樹脂片34及び樹脂片35が被覆されている。
The
外装材37は、例えば、接着層、金属層、表面保護層を順次積層した積層構造を有する。
ここで、接着層は高分子フィルムから成り、この高分子フィルムを構成する材料としては、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、無延伸ポリプロピレン(CPP)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)が挙げられる。
The
Here, the adhesive layer is composed of a polymer film, and examples of the material constituting the polymer film include polypropylene (PP), polyethylene (PE), unstretched polypropylene (CPP), and linear low density polyethylene (LLDPE). And low density polyethylene (LDPE).
金属層は、金属箔から成り、この金属箔を構成する材料としては、例えばアルミニウム(Al)が挙げられる。なお、この金属箔の材料としては、アルミニウム以外の金属を用いることも可能である。
表面保護層を構成する材料としては、例えばナイロン(Ny)、ポリエチレンテレフタレート(PET)が挙げられる。なお、接着層側の面が、電池素子30を収納する側の収納面となる。
A metal layer consists of metal foil, As a material which comprises this metal foil, aluminum (Al) is mentioned, for example. In addition, it is also possible to use metals other than aluminum as a material of this metal foil.
Examples of the material constituting the surface protective layer include nylon (Ny) and polyethylene terephthalate (PET). The surface on the adhesive layer side is a storage surface on the side where the
電池素子30は、例えば図5に示すように、両面にゲル電解質層45が設けられた帯状の負極43と、セパレータ44と、両面にゲル電解質層45が設けられた帯状の正極42と、セパレータ44とを積層し、長手方向に巻回されてなる巻回型の電池素子30である。
なお、上記セパレータ44については、第1の実施形態で示したセパレータ4と同様に、多孔質基材層と多孔質耐熱樹脂層を備えた構造のものであるので、これ以上の説明を省略する。
For example, as shown in FIG. 5, the
Since the
正極42は、帯状の正極集電体42Aと、この正極集電体42Aの両面に形成された正極合剤層42Bとから成る。正極集電体42Aは、例えばアルミニウム(Al)などからなる金属箔である。
正極42の長手方向の一端部には、例えばスポット溶接または超音波溶接で接続された正極リード32が設けられている。この正極リード32の材料としては、例えばアルミニウム等の金属を用いることができる。
The
One end of the
負極43は、帯状の負極集電体43Aと、この負極集電体43Aの両面に形成された負極合剤層43Bとから成る。負極集電体43Aとしては、例えば、銅(Cu)箔、ニッケル箔、ステンレス箔などの金属箔により構成されている。
また、負極43の長手方向の一端部にも正極42と同様に、例えばスポット溶接又は超音波溶接で接続された負極リード33が設けられている。この負極リード33の材料としては、例えば銅(Cu)、ニッケル(Ni)等を用いることができる。
The
Further, similarly to the
ゲル電解質層45以外については、上述した第1の実施形態と同様であるので、これについて説明する。
ゲル電解質層45は、電解液と、この電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となっている。ゲル電解質層45は高いイオン伝導率を得ることができるとともに、電池の漏液を防止できるので好ましい。電解液の構成は、第1の実施形態と同様である。
Since the components other than the
The
高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレン、あるいはポリカーボネートが挙げられる。特に電気化学的な安定性の点からはポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、あるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。 Examples of the polymer compound include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, and polysiloxane. , Polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, styrene-butadiene rubber, nitrile-butadiene rubber, polystyrene, or polycarbonate. In particular, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, or polyethylene oxide is preferable from the viewpoint of electrochemical stability.
以下に、この発明の第2の実施形態による非水電解質電池の製造方法について説明する。
まず、正極42及び負極43のそれぞれに、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物と、混合溶媒とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶媒を揮発させてゲル電解質層45を形成する。なお、予め正極集電体42Aの端部に正極リード32を溶接により取り付けると共に、負極集電体43Aの端部に負極リード33を溶接により取り付けておくようにする。
The method for manufacturing the nonaqueous electrolyte battery according to the second embodiment of the present invention will be described below.
First, a precursor solution containing a solvent, an electrolyte salt, a polymer compound, and a mixed solvent is applied to each of the
次に、ゲル電解質層45が形成された正極42と負極43とをセパレータ44を介して積層して積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、巻回型の電池素子30を形成する。
そして、ラミネートフィルムからなる外装材37を深絞り加工することにより凹部36を形成し、この凹部36に電池素子30を挿入し、外装材37の未加工部分を凹部36上部に折り返し、凹部36の外周部分を熱溶着して密封する。以上により、この発明の第2の実施形態による非水電解質電池が作製される。
Next, the
Then, a
この第2の実施形態による非水電解質電池においても、セパレータ44として、図3に示したセパレータと同様の構造及び塩素含有量のものを用いるようにしており、第1の実施形態のものと同様の効果を得ることができる。
Also in the nonaqueous electrolyte battery according to the second embodiment, the
以下、本発明を、実施例に基づいて更に詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. The present invention is not limited to these examples.
(1)実施例1〜5、比較例1〜5
〈セパレータの作製〉
N−メチル−ピロリドン(以下、「NMP」と略記する。)1リットルに対し、塩化リチウムを26g溶解させた溶液を約40℃に加熱し、メタ系アラミド樹脂粉末、あるいはポリイミド粉末を投入したのち、攪拌して溶解させた。
(1) Examples 1-5, Comparative Examples 1-5
<Preparation of separator>
A solution in which 26 g of lithium chloride is dissolved in 1 liter of N-methyl-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as “NMP”) is heated to about 40 ° C., and after adding meta-aramid resin powder or polyimide powder. And dissolved by stirring.
次に、多孔質基材層4Aとなる多孔質ポリエチレン(PE)膜上に、上記塩化リチウム添加NMPを溶媒としたメタ系アラミド溶液あるいはポリイミド溶液をコーターで塗布し、これら溶液のいずれかが塗布されたPE膜を水浴に浸漬して、塗布層の樹脂を相分離させた後、熱風にて乾燥させ、図3(b)に示したように、多孔質PEから成る多孔質基材層4Aの両面に、アラミドあるいはポリイミドから成る多孔質耐熱樹脂層4Bが配置されたセパレータ4を作成した。
このとき、多孔質PE膜上への耐熱樹脂溶液の塗布量については、各面の多孔質耐熱樹脂層4Bの面積密度が0.20g/cm2となるように塗工した。
Next, a meta-aramid solution or a polyimide solution using the above-described lithium chloride-added NMP as a solvent is applied on a porous polyethylene (PE) film to be the
At this time, the coating amount of the heat-resistant resin solution on the porous PE film was applied so that the area density of the porous heat-
そして、耐熱樹脂溶液が塗布されたPE膜の水浴への浸漬時間を調節することによって、各セパレータに含まれる塩化リチウムに起因する塩素イオンの残存量を調整し、塩素含有量がそれぞれ相違する実施例1〜5、及び比較例1〜4のセパレータと、耐熱樹脂溶液を塗布することなく、多孔質PE膜のみから成る比較例5のセパレータを得た。 Then, by adjusting the immersion time in the water bath of the PE film coated with the heat-resistant resin solution, the residual amount of chlorine ions caused by lithium chloride contained in each separator is adjusted, and the chlorine contents are different from each other. The separator of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-4 and the separator of Comparative Example 5 consisting only of the porous PE film were obtained without applying the heat resistant resin solution.
〈セパレータの評価〉
上記により得られた各実施例及び比較例に係わるセパレータにつき、下記の要領によって、塩素含有量及び面積収縮率を求めた。
すなわち、塩素含有量については、それぞれのセパレータを一定量採取し、酸素を吹き込んだフラスコ内に入れて燃焼させ、イオンクロマトグラフ法によって塩素を定量し、セパレータの塩素含有量に換算した。
<Evaluation of separator>
About the separator concerning each Example and comparative example obtained by the above, chlorine content and area shrinkage rate were calculated | required by the following point.
That is, with respect to the chlorine content, a certain amount of each separator was sampled, placed in a flask in which oxygen was blown, and burned. Chlorine was quantified by an ion chromatography method and converted to the chlorine content of the separator.
また、セパレータの面積収縮率については、まず、各セパレータから、長手方向(MD)×幅方向(TD)=50mm×50mmの試料を切り出し、両方向の中心に沿って40mm間隔に2点をそれぞれマーキングする。そして、あらかじめ250℃に保持した恒温槽中に、上記セパレータ試料をポリテトラフルオロエチレン板上に載置(固定せず)した状態で入れ、20分経過後に取り出し、予めマーキングしておいた2点間の間隔をそれぞれノギスにより測定し、下記の計算式によって面積収縮率を算出した。
面積収縮率(%)=100−[{(加熱後の長手方向2点間隔×加熱後の幅方向2点間隔)/(40mm×40mm)}×100]
As for the area shrinkage rate of the separator, first, a sample of longitudinal direction (MD) × width direction (TD) = 50 mm × 50 mm is cut out from each separator, and two points are marked at intervals of 40 mm along the centers in both directions. To do. Then, the separator sample was placed in a thermostatic bath previously maintained at 250 ° C. in a state of being placed (not fixed) on the polytetrafluoroethylene plate, taken out after 20 minutes, and marked in advance. The space | interval between each was measured with calipers, and the area shrinkage rate was calculated by the following formula.
Area shrinkage rate (%) = 100 − [{(interval at two points in the longitudinal direction after heating × interval at two points in the width direction after heating) / (40 mm × 40 mm)} × 100]
〈電池性能評価〉
上記実施例及び比較例によるそれぞれのセパレータと、LiCoO2から成る正極と、黒鉛から成る負極を備えた18650サイズの筒型電池を作製した。
そして、それぞれの筒型電池について、1時間率で4.2V、3時間充電の後、2時間率で3Vカットオフで放電し、電池初期容量を求めた。
<Battery performance evaluation>
An 18650 size cylindrical battery including the separators according to the above examples and comparative examples, a positive electrode made of LiCoO 2 , and a negative electrode made of graphite was produced.
Then, each cylindrical battery was charged at 4.2V for 3 hours and charged for 3 hours, and then discharged at 3V cutoff at 2 hours to obtain the initial battery capacity.
また、それぞれのセパレータを用いて作製した上記筒型電池の胴部に熱電対をテープで貼り付けたのち、倒した状態に静置し、電圧を測定しながら内部短絡が発生するまで、径10mmの丸棒で電池を押し潰す圧壊試験を実施し、電池缶表面に設置した熱電対により、内部短絡が発生した後の電池の発熱速度を測定した。
これらの結果を表1に示す。
Also, after attaching a thermocouple to the body of the cylindrical battery produced using each separator with a tape, leave it in a tilted state, and measure the voltage until the internal short circuit occurs. A crushing test was carried out by crushing the battery with a round bar, and the heat generation rate of the battery after an internal short circuit occurred was measured by a thermocouple installed on the surface of the battery can.
These results are shown in Table 1.
表1の結果に示すように、多孔質ポリエチレン膜の上に、アラミドやポリイミドのような耐熱性樹脂から成る多孔質層を備えたセパレータにおいて、塩素含有率を500〜5000ppmに制御することにより、初期容量を維持しながら、圧壊試験時の発熱速度を抑制することができることが確認された。 As shown in the results of Table 1, on a porous polyethylene film, in a separator provided with a porous layer made of a heat resistant resin such as aramid or polyimide, by controlling the chlorine content to 500 to 5000 ppm, It was confirmed that the heat generation rate during the crush test can be suppressed while maintaining the initial capacity.
1…電池缶、2…正極、2A…正極集電体、2B…正極合剤層、3A…負極集電体、3B…負極合剤層、3…負極、4…セパレータ、4A…多孔質基材層、4B…多孔質耐熱樹脂層、5,6…絶縁板、7…電池蓋、8…安全弁機構、10…ガスケット、11…ディスク板、12…センターピン、13…正極リード、14…負極リード、20…巻回電極体、30…電池素子、32…正極リード、33…負極リード、34,35…樹脂片、36…凹部、37…外装材、42…正極、42A…正極集電体、42B…正極合剤層、43…負極、43A…負極集電体、43B…負極合剤層、44…セパレータ、45…ゲル電解質層。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
セパレータ全体に対する塩素含有量が質量基準で500〜5000ppmであることを特徴とするセパレータ。 A separator comprising a porous base material layer having a shutdown function and a porous heat-resistant resin layer,
The separator characterized by the chlorine content with respect to the whole separator being 500-5000 ppm on a mass basis.
上記セパレータがシャットダウン機能を有する多孔質基材層と、多孔質耐熱樹脂層から成り、セパレータ全体に対する塩素含有量が質量基準で500〜5000ppmであることを特徴とする電池。 A battery having a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator,
A battery, wherein the separator comprises a porous base material layer having a shutdown function and a porous heat-resistant resin layer, and a chlorine content with respect to the whole separator is 500 to 5000 ppm on a mass basis.
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