JP2010021043A - Separator, manufacturing method of separator and battery - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、セパレータ、セパレータの製造方法および電池に関する。 The present invention relates to a separator, a separator manufacturing method, and a battery.
近年、ノートブック型パーソナルコンピュータ、カメラ一体型VTR(Videotape Recorder;ビデオテープレコーダ)または携帯電話などのポータブル電子機器が次々に出現し、その小型化および軽量化が図られている。それに伴い、携帯可能なポータブル電源として二次電池が脚光を浴び、更に高いエネルギー密度を得るための活発な研究が行われている。そのような中、鉛二次電池またはニッケルカドミウム二次電池などの水系電解液二次電池よりも高いエネルギー密度を有する二次電池として、非水電解液を用いたリチウムイオン二次電池が提案され、実用化が始まっている。 2. Description of the Related Art In recent years, portable electronic devices such as notebook personal computers, camera-integrated VTRs (Videotape Recorders; video tape recorders), and mobile phones have appeared one after another, and their size and weight have been reduced. Along with this, secondary batteries have been spotlighted as portable power sources that are portable, and active research is being conducted to obtain higher energy density. Under such circumstances, lithium ion secondary batteries using non-aqueous electrolytes have been proposed as secondary batteries having higher energy density than aqueous electrolyte secondary batteries such as lead secondary batteries or nickel cadmium secondary batteries. Practical use has begun.
従来、リチウムイオン二次電池では、イオン伝導を司る物質として非水溶媒にリチウム塩を溶解させた液状の電解質(電解液)が用いられてきた。そのため、液漏れを防止するために外装部材として金属製の容器を用い、電池内部の気密性を厳重に確保する必要があった。しかし、外装部材に金属製の容器を用いると、薄くて大面積のシート型電池、薄くて小面積のカード型電池または柔軟でより自由度の高い形状の電池などを作製することが極めて困難であった。 Conventionally, in a lithium ion secondary battery, a liquid electrolyte (electrolytic solution) in which a lithium salt is dissolved in a nonaqueous solvent has been used as a substance that controls ion conduction. Therefore, in order to prevent liquid leakage, it is necessary to use a metal container as an exterior member and strictly ensure the airtightness inside the battery. However, when a metal container is used for the exterior member, it is extremely difficult to produce a thin and large area sheet type battery, a thin and small area card type battery or a flexible and flexible battery. there were.
そこで、電解液に代えて、リチウム塩を含有する電解液を高分子材料に保持させたゲル状の電解質を用いた二次電池が提案されている。(例えば、特許文献1参照)この電池では、液漏れの問題がないので、外装部材にラミネートフィルムを用いることができ、小型化、軽量化および薄型化を図ることができると共に、形状の自由度が高いものを実現することができる。 Therefore, a secondary battery using a gel electrolyte in which an electrolytic solution containing a lithium salt is held in a polymer material instead of the electrolytic solution has been proposed. (For example, refer to Patent Document 1) In this battery, since there is no problem of liquid leakage, a laminate film can be used for the exterior member, and the size, weight, and thickness can be reduced, and the degree of freedom in shape can be achieved. Can be realized.
しかしながら、ゲル状の電解質を用いた二次電池では、セパレータの保液性が低くなる。電池の高容量化をはかるためには、反応に寄与するリチウムイオンが多く必要となるので、セパレータの保液性は高いことが望ましい。 However, in a secondary battery using a gel electrolyte, the liquid retention of the separator is lowered. In order to increase the capacity of the battery, a large amount of lithium ions that contribute to the reaction is required. Therefore, it is desirable that the separator has high liquid retention.
したがって、この発明の目的は、セパレータの保液性を高め、充放電を繰り返しても長期間の特性維持が可能となり、且つ高率の放電容量の高容量化を実現できるセパレータ、セパレータの製造方法および電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the liquid retention of the separator, maintain the characteristics for a long period of time even after repeated charge and discharge, and realize a high capacity discharge capacity separator and separator manufacturing method. And to provide a battery.
上述した課題を解決するために、第1の発明は、
多孔質膜の少なくとも一部がフィブリル化されたセパレータである。
In order to solve the above-described problem, the first invention
A separator in which at least a part of the porous membrane is fibrillated.
第2の発明は、正極および負極と、セパレータとを備え、
セパレータは、多孔質膜の少なくとも一部がフィブリル化されたものである電池。
セパレータは、表面がフィブリル化されたものである電池である。
The second invention comprises a positive electrode and a negative electrode, and a separator,
The separator is a battery in which at least a part of the porous membrane is fibrillated.
The separator is a battery whose surface is fibrillated.
第3の発明は、多孔質膜の少なくとも一部を毛羽立たさせる工程を有する
セパレータの製造方法である。
3rd invention is a manufacturing method of the separator which has the process of raising at least one part of a porous membrane.
第1〜3の発明は、多孔質膜の少なくとも一部がフィブリル化されているので、セパレータの保液性を高めることができ、充放電を繰り返しても長期間の特性維持が可能となり、且つ高率の放電容量の高容量化を実現できる。 In the first to third aspects of the invention, since at least a part of the porous membrane is fibrillated, the liquid retention of the separator can be improved, and long-term characteristics can be maintained even after repeated charge and discharge, and High capacity discharge capacity can be realized.
この発明によれば、セパレータの保液性を高め、充放電を繰り返しても長期間の特性維持が可能となり、且つ高率の放電容量の高容量化を実現できる。 According to the present invention, it is possible to improve the liquid retention of the separator, maintain the characteristics for a long period of time even when charging and discharging are repeated, and realize a high capacity discharge capacity at a high rate.
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はこの発明の一実施の形態による二次電池を分解して表すものであり、図2は、図1に示した巻回電極体20のII−II線に沿った断面構造を表すものである。なお、ここでは、リチウム(Li)を電極反応種として用いる二次電池の場合について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 shows an exploded view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a cross-sectional structure taken along line II-II of the spirally
この二次電池は、発電要素である偏平な形状の巻回電極体20を、外装部材30a、30bの間に、接着層40a、40bを介して挟み込んだ構成を有している。外装部材30a、30bは、例えば、絶縁性樹脂層、アルミニウムからなる金属箔および熱融着樹脂層をこの順に積層して張り合わせてなる金属ラミネートフィルム、すなわち、アルミラミネートフィルムである。絶縁性樹脂層は、例えば、ナイロン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレートなどにより構成されている。熱融着樹脂層は、例えば無延伸ポリプロピレン(CPP)、ポリエチレン(PE)などにより構成されている。
This secondary battery has a configuration in which a flat
接着層40a、40bは、巻回電極体20と外装部材30a、30bとを接着するためのものであり、絶縁性を有する。接着層40a、40bは例えば、両面粘着テープである。
The
巻回電極体20は、正極21と負極22とを、セパレータ24を介して順次に積層し、巻回した構成を有している。詳細は後述するが、セパレータ24は、フィブリル化させた微多孔性ポリオレフィンフィルムなどの多孔質膜からなる。
The
正極21には、アルミニウムなどよりなる正極タブ26が接続されており、負極22には、ニッケルなどよりなる負極タブ27が接続されている。正極21と正極タブ26の接続には、例えば超音波溶接、レーザー溶接など、接続させる為に別の部材を使わない製法が望ましい。負極22と負極タブ27の接続も同様で、例えば超音波溶接、レーザー溶接など、接続させる為に別の部材を使わない製法が望ましい。また、正極21と正極タブ26の接続方法と、負極22と負極タブ27の接続方法が異なっていても良い。
A
正極タブ26および負極タブ27と外装部材30a、30bとの間には、例えば密着フィルム28が挿入され、外装部材30a、30bから正極タブ26および負極タブ27を導出させるようにしている。密着フィルム28は、絶縁性を確保すると共に、正極タブ26および負極タブ27と外装部材30a、30bとの接着性を向上させるためのものである。
For example, an
正極21は、例えば、正極集電体21aの両面に正極合剤層21bが設けられた構造を有している。なお、正極集電体21aの片面のみに正極合剤層21bが設けられた領域を有するようにしてもよい。正極集電体21aは、例えば、厚みが5μm〜50μm程度であり、アルミニウム箔、ニッケル箔またはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極合剤層21bの厚みは、例えば、80μm〜250μmである。この厚みは、正極合剤層21bが正極集電体21aの両面に設けられている場合には、その合計の厚みである。
The
正極合剤層21bは、例えば、正極活物質を含み、必要に応じてカーボンブラックまたはグラファイトなどの導電剤と、ポリフッ化ビニリデンなどの結着剤と共に構成されている。正極活物質としては、例えば、V2O5またはリチウム複合酸化物などの金属酸化物、TiS2またはMoS2などの金属硫化物、またはポリアセチレンまたはポリピロールなどの高分子材料が挙げられ、これらのうちのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。
The positive
中でも、金属酸化物は、リチウムとの反応性が低く、リチウム合金を形成しにくいので好ましく、特に、リチウム複合酸化物は、電圧を高くすることができ、エネルギー密度を高くすることができるので好ましい。このリチウム複合酸化物としては、例えば、化学式LixMO2で表されるものが挙げられる。式中、Mは1種類以上の遷移金属元素、特にコバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびマンガン(Mn)のうちの少なくとも1種が好ましい。xの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10である。このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、LiCO2、LiNiyCo1-yO2(但し、0<y<1)、LiMn2O4などが挙げられる。 Among these, a metal oxide is preferable because it has low reactivity with lithium and is difficult to form a lithium alloy. In particular, a lithium composite oxide is preferable because a voltage can be increased and an energy density can be increased. . Examples of the lithium composite oxide include those represented by the chemical formula Li x MO 2 . In the formula, M is preferably at least one of one or more transition metal elements, particularly cobalt (Co), nickel (Ni), and manganese (Mn). The value of x varies depending on the charge / discharge state of the battery, and is generally 0.05 ≦ x ≦ 1.10. Specific examples of such a lithium composite oxide include LiCO 2 , LiNi y Co 1-y O 2 (where 0 <y <1), LiMn 2 O 4 and the like.
負極22は、例えば、負極集電体22aの両面に負極合剤層22bが設けられた構造を有している。なお、負極集電体22aの片面のみに負極合剤層22bが設けられた領域を有するようにしてもよい。負極集電体22aは、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する銅箔、ニッケル箔またはステンレス箔などの金属箔により構成されている。特に、銅箔は高い電気伝導性を有するので最も好ましい。負極集電体22aの厚みは、例えば、6μm〜40μm程度であることが好ましい。6μmよりも薄いと機械的強度が低下し、製造工程において負極集電体22aが断裂しやすく、生産効率が低下してしまうからであり、40μmよりも厚いと電池内における負極集電体22aの体積比が必要以上に大きくなり、エネルギー密度を高くすることが難しくなるからである。負極合剤層22bの厚みは、例えば、80μm〜250μmである。この厚みは、負極合剤層22bが負極集電体22aの両面に設けられている場合には、その合計の厚みである。
The
負極合剤層22bは、例えば、負極活物質を含み、必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着剤と共に構成されている。負極活物質としては、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料を含有することが好ましい。なお、本明細書においてリチウムの吸蔵および離脱というのは、リチウムイオンがそのイオン性を失うことなく電気化学的に吸蔵および離脱されることを言う。これは、リチウムが完全なイオン状態で存在する場合のみならず、完全なイオン状態とは言えない状態で存在する場合も含む。これらに該当する場合としては、例えば、黒鉛に対するリチウムイオンの電気化学的なインターカレーション反応による吸蔵が挙げられる。また、金属間化合物を含む合金へのリチウムの吸蔵、または合金の形成によるリチウムの吸蔵も挙げることができる。 The negative electrode mixture layer 22b includes, for example, a negative electrode active material, and is configured with a binder such as polyvinylidene fluoride as necessary. The negative electrode active material preferably contains a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium. In this specification, “occluding and releasing lithium” means that lithium ions are electrochemically inserted and released without losing their ionicity. This includes not only the case where lithium is present in a complete ionic state but also the case where it is present in a state that is not a complete ionic state. As a case corresponding to these, for example, occlusion by an electrochemical intercalation reaction of lithium ions with respect to graphite can be mentioned. In addition, occlusion of lithium into an alloy containing an intermetallic compound, or occlusion of lithium by forming an alloy can be given.
リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料としては、炭素材料、金属酸化物または高分子材料などが挙げられる。炭素材料としては、例えば、熱分解炭素類、コークス類、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、球状炭素または活性炭などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスまたは石油コークスなどがあり、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など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いい、炭素繊維には、メソフェーズカーボンファイバーなどがあり、球状炭素には、メソフェーズカーボンマイクロビーズなどがある。また、金属酸化物としては、酸化鉄、酸化ルテニウムまたは酸化モリブテンなどが挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレンまた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 include carbon materials, metal oxides, and polymer materials. Examples of the carbon material include pyrolytic carbons, cokes, graphites, glassy carbons, organic polymer compound fired bodies, carbon fibers, spherical carbon, and activated carbon. Among these, cokes include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. Organic polymer compound fired bodies are carbonized by firing polymer materials such as phenol resin and furan resin at an appropriate temperature. Carbon fibers include mesophase carbon fibers, and spherical carbon includes mesophase carbon microbeads. In addition, examples of the metal oxide include iron oxide, ruthenium oxide, and molybdenum oxide, and examples of the polymer material include polyacetylene and polypyrrole.
リチウムを吸臓および離脱可能な負極材料としては、また、リチウムと合金を形成可能な金属元素または半金属元素の単体、合金または化合物も挙げられる。なお、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からなるものも含める。その組織には固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物またはそれらのうち2種以上が共存するものがある。 Examples of the negative electrode material capable of absorbing and releasing lithium also include simple elements, alloys or compounds of metal elements or metalloid elements capable of forming an alloy with lithium. In addition to the alloy composed of two or more metal elements, the alloy includes an alloy composed of one or more metal elements and one or more metalloid elements. The structures include solid solutions, eutectics (eutectic mixtures), intermetallic compounds, or those in which two or more of them coexist.
このような金属または半金属元素としては、例えば、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アルミニウム、インジウム(In)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、銀(Ag)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)およびイットリウム(Y)が挙げられる。これらの合金または化合物としては、例えば、化学式MasMbtLiu、または化学式MapMcqMdrで表されるものが挙げられる。これら化学式において、Maはリチウムと合金を形成可能な金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、MbはリチウムおよびMa以外の金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、Mcは非金属元素の少なくとも1種を表し、MdはMa以外の金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表す。また、s、t、u、p、qおよびrの値はそれぞれs>0、t≧0、u≧0、p>0、q>0、r≧0である。 Examples of such metal or metalloid elements include tin (Sn), lead (Pb), aluminum, indium (In), silicon (Si), zinc (Zn), antimony (Sb), bismuth (Bi), Examples include gallium (Ga), germanium (Ge), arsenic (As), silver (Ag), hafnium (Hf), zirconium (Zr), and yttrium (Y). These alloys or compounds, for example, those represented by the chemical formula Ma s Mb t Li u or a chemical formula Ma p Mc q Md r,. In these chemical formulas, Ma represents at least one of a metal element and a metalloid element capable of forming an alloy with lithium, Mb represents at least one of a metal element and a metalloid element other than lithium and Ma, Mc represents at least one of nonmetallic elements, and Md represents at least one of metallic elements and metalloid elements other than Ma. The values of s, t, u, p, q, and r are s> 0, t ≧ 0, u ≧ 0, p> 0, q> 0, and r ≧ 0, respectively.
中でも、4B族の金属元素または半金属元素の単体、合金または化合物が好ましく、特に好ましいのはケイ素またはスズ、またはこれらの合金または化合物である。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。 Among these, a simple substance, alloy or compound of a group 4B metal element or metalloid element is preferable, and silicon or tin, or an alloy or compound thereof is particularly preferable. These may be crystalline or amorphous.
このような合金または化合物について具体的に例を挙げれば、LiAl、AlSb、CuMgSb、SiB4、SiB6、Mg2Si、Mg2Sn、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、NiSi2、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si3N4、Si2N2O、SiOV(0<v≦2)、SnOW(0<w≦2)、SnSiO3、LiSiOまたはLiSnOなどがある。
Specific examples of such alloys or compounds include LiAl, AlSb, CuMgSb, SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Mg 2 Sn, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2. , CaSi 2, CrSi 2, Cu 5 Si,
リチウムを吸蔵および離脱可能な負極材料としては、これらのうちのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。 As a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, any one of these or a mixture of two or more thereof may be used.
正極合剤層21bおよび負極合剤層22bの上に、ゲル状の電解質よりなる電解質層23が形成されている。ゲル状の電解質は、例えば、溶媒に電解質塩であるリチウム塩を溶解させた電解液を高分子化合物に保持させたものである。高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシドまたはポリメタクリロニトリルなどが挙げられ、使用形態などに応じてこれらのうちのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。
An
リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2またはLiN(C2F5SO2)2が挙げられ、これらのうちのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2, or LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , and any one of these or Two or more kinds may be mixed and used.
溶媒は、電解質塩を溶解し解離させるものである。溶媒としては、例えば、従来より使用されている種々の非水溶媒を用いることができる。具体的には、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、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、ジエトキシエタン、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、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、2、4−ジフルオロアニソール、2、6−ジフルオロアニソールまたは4−ブロモベラトロールが挙げられ、これらのうちのいずれか1種または2種類以上を混合して用いてもよい。 The solvent dissolves and dissociates the electrolyte salt. As the solvent, for example, various non-aqueous solvents conventionally used can be used. Specifically, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, methyl acetate, methyl propionate, dimethyl carbonate, Examples include diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 2,4-difluoroanisole, 2,6-difluoroanisole, and 4-bromoveratrol, and any one of these or a mixture of two or more thereof may be used. .
セパレータ24は、正極21と負極22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ものである。セパレータ24としては、例えば、イオン透過度が大きく、所定の機械的強度を有する絶縁性の薄膜が用いられる。
The separator 24 separates the
具体的には、セパレータ24としては、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜がフィブリル化されたものを用いる。フィブリル化とは、紙ヤスリなどで擦ることにより、セパレータを構成する材料が、毛羽状にされたことをいう。フィブリル化によって、電解液の保液性をより高めることができる。より優れた特性が得られる点からは、多孔質膜の両面が、フィブリル化されていることが好ましいが、片面のみフィブリル化させるようにしてもよい。 Specifically, as the separator 24, a fibrillated porous film made of a polyolefin-based material such as polypropylene or polyethylene is used. Fibrilization means that the material constituting the separator is fluffed by rubbing with a paper file or the like. By fibrillation, the liquid retention of the electrolyte can be further improved. In order to obtain more excellent characteristics, it is preferable that both surfaces of the porous membrane are fibrillated, but only one surface may be fibrillated.
セパレータ24の厚さは、機械的強度および電池内容積を考慮してフィブリル化させる前の厚さとして1μm以上20μm以下とすることが好ましい。フィブリル化させた時の厚さはこれに因らず、材料として前述の厚さが好ましい。 The thickness of the separator 24 is preferably 1 μm or more and 20 μm or less as a thickness before fibrillation in consideration of mechanical strength and battery internal volume. The thickness when fibrillated is not limited to this, and the above-mentioned thickness is preferable as a material.
なお、フィブリル化の方法としては、紙ヤスリで擦る方法に限定されるものではなく、フィブリル化させることができる種々の方法を用いることができる。 The fibrillation method is not limited to the method of rubbing with a paper file, and various methods that can be fibrillated can be used.
フィブリル化度は、より優れた特性が得られる点から、0.1%より大きく30%以下が好ましく、5%以上30%以下がより好ましい。フィブリル化度とは、セパレータの断面全体の長さのうち、フィブリル化されている断面長さの割合を示す。すなわち、図3のセパレータ24の模式図に示すように、セパレータ24の断面全体の長さ:b、フィブリル化されている部分の断面長さ:b−aとすると、
(式)
「フィブリル化度」=(「b−a」/b)×100%で、フィブリル化度が求められる。
The degree of fibrillation is more than 0.1% and preferably 30% or less, more preferably 5% or more and 30% or less, from the viewpoint that more excellent characteristics can be obtained. The degree of fibrillation indicates the ratio of the cross-sectional length that is fibrillated out of the total length of the cross section of the separator. That is, as shown in the schematic diagram of the separator 24 in FIG. 3, when the length of the entire cross section of the separator 24 is b, and the cross section length of the fibrillated portion is ba,
(formula)
The degree of fibrillation is obtained by “degree of fibrillation” = (“b−a” / b) × 100%.
フィブリル化度を測定する方法は、セパレータ24全体を硬化樹脂に浸し、24時間乾燥後に曲げ割りによる断面出しを行い、該断面をSEM(Scanning Electron microscope)によって、観察することで、両面のフィブリル化の割合を測定できる。なお、曲げ割りによる断面出しとは、カッター等で切ることによる断面出しではなく、樹脂全体を折り曲げ進めていくうちに、樹脂が割れることによる断面出しのことをいう。 The method of measuring the degree of fibrillation is to immerse the entire separator 24 in a cured resin, dry the section for 24 hours, and then create a section by bending splitting, and observe the section with a scanning electron microscope (SEM). Can be measured. The sectioning by bending is not the sectioning by cutting with a cutter or the like, but the sectioning by breaking the resin as the entire resin is bent.
電解質層23としては、液状の電解質を用い、セパレータ24にこの液状の電解質を含浸させるようにしてもよい。液状の電解質は、例えば、溶媒と、電解質塩であるリチウム塩とを含んで構成される。
As the
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、例えば、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たのち、N−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散して正極合剤スラリーとする。正極合剤スラリーを作製したのち、例えば、この正極合剤スラリーをアルミニウム(Al)箔、ニッケル(Ni)箔またはステンレス箔などの金属箔よりなる正極集電体21aの両面または片面に塗布し乾燥させ、圧縮成型して正極合剤層21bを形成し、正極21を作製する。このとき、正極集電体21aの一端部には正極合剤スラリーを塗布せず、端部を露呈させる。
For example, the secondary battery can be manufactured as follows. First, for example, a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and then dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a positive electrode mixture slurry. After preparing the positive electrode mixture slurry, for example, the positive electrode mixture slurry is applied to both surfaces or one surface of the positive electrode current collector 21a made of a metal foil such as an aluminum (Al) foil, a nickel (Ni) foil, or a stainless steel foil and dried. The positive
次いで、例えば、負極活物質と結着剤とを混合して負極合剤を調製したのち、N−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散して負極合剤スラリーとする。負極合剤スラリーを作製したのち、例えば、この負極合剤スラリーを銅(Cu)箔、ニッケル箔またはステンレス箔などの金属箔よりなる負極集電体22aの両面または片面に塗布し乾燥させ、圧縮成型して負極合剤層22bを形成し負極22を作製する。このとき、負極集電体22aの一端部には負極合剤を塗布せず、端部を露呈させる。
Next, for example, a negative electrode active material and a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture, and then dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a negative electrode mixture slurry. After preparing the negative electrode mixture slurry, for example, the negative electrode mixture slurry is applied to both or one side of the negative electrode current collector 22a made of a metal foil such as a copper (Cu) foil, a nickel foil, or a stainless steel foil, dried, and compressed. The negative electrode mixture layer 22b is formed to form the
負極22を作製したのち、例えば、正極集電体21aの露呈部分に正極タブ26を、負極集電体22aの露呈部分に負極タブ27を、それぞれ抵抗溶接または超音波溶接などにより取り付ける。正極タブ26および負極タブ27は、それぞれ、電気伝導性をもつ金属または合金により形成することができる。例えば、正極タブ26はアルミニウム、負極タブ27はニッケルにより形成することが好ましい。
After producing the
次いで、例えば、正極合剤層21bおよび負極合剤層22bの上に、ゲル状の電解質よりなる電解質層23を形成する。電解質層23を形成したのち、例えば、図2に示したようにセパレータ24、電解質層23を形成した正極21、セパレータ24、電解質層23を形成した負極22を順次積層して巻回し、最外周部に保護テープ25を例えば接着して巻回電極体20を形成する。
Next, for example, an
巻回電極体20を形成したのち、例えば、図1に示したようなアルミラミネートフィルムよりなる外装部材30a、30bを用意し、図1に示したような接着層40a、40bを介して巻回電極体20を外装部材30a、30bの間に挟み込む。その後、減圧雰囲気中において、外装部材30a、30bを接着層40a、40bにより巻回電極体20に圧着させると共に、熱融着樹脂層33を用いて外装部材30a、30bの外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極タブ26および負極タブ27と外装部材30a、30bとの間に例えば密着フィルム28を挿入し、外装部材30a、30bから正極タブ26および負極タブ27を導出させる。これにより二次電池の組み立てが終了する。なお、二次電池の形状は、図1および図2に示したような形状に限らず、他の形状としてもよい。二次電池を組み立てたのち、例えば、加圧および熟成工程を経て二次電池が完成する。
After forming the
この発明の一実施の形態によると、ポリオレフィン樹脂などからなる多孔質膜の表面をフィブリル化させたセパレータを用いているので、充放電を繰り返しても長期間の特性維持が可能となり、且つ高率の放電容量の高容量化を果たすことができる。 According to one embodiment of the present invention, a separator in which the surface of a porous film made of a polyolefin resin or the like is fibrillated is used, so that long-term characteristics can be maintained even after repeated charging and discharging, and a high rate The discharge capacity can be increased.
さらに、この発明の具体的な実施例について説明する。ただし、この発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。 Further, specific examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to these examples.
<サンプルA>
まず、正極材料であるコバルト酸リチウム(LiCoO2)95質量%と、導電剤である黒鉛2質量%と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン3質量%とを混合して正極合剤を調製した。続いて、この正極合剤に溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンを加えて、ホモジナイザーで撹拌混合し、正極合剤スラリーとした。
<Sample A>
First, 95% by mass of lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode material, 2% by mass of graphite as a conductive agent, and 3% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were prepared to prepare a positive electrode mixture. . Subsequently, N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent was added to the positive electrode mixture, and the mixture was stirred and mixed with a homogenizer to obtain a positive electrode mixture slurry.
次に、この正極合剤スラリーをアルミニウム箔よりなる正極集電体21aの両面に均一に塗布して、乾燥させた。そののち、ローラープレス機により圧縮成型して正極合剤層21bを形成し、所定の大きさに裁断してシート状の正極21を作製した。
Next, this positive electrode mixture slurry was uniformly applied to both surfaces of the positive electrode current collector 21a made of an aluminum foil and dried. After that, the positive
また、負極材料である人造黒鉛90質量%と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン10質量%とを混合して負極合剤を調製した。続いて、この負極合剤に溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンを加えて、ホモジナイザーで撹拌混合し、負極合剤スラリーとした。 Further, 90% by mass of artificial graphite as a negative electrode material and 10% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed to prepare a negative electrode mixture. Subsequently, N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent was added to the negative electrode mixture, and the mixture was stirred and mixed with a homogenizer to obtain a negative electrode mixture slurry.
次に、この負極合剤スラリーを銅箔よりなる負極集電体22aの両面に均一に塗布して、乾燥させた。そののち、ローラープレス機により圧縮成型して負極合剤層22bを形成し、所定の大きさに裁断してシート状の負極22を作製した。
Next, this negative electrode mixture slurry was uniformly applied to both surfaces of the negative electrode current collector 22a made of copper foil and dried. After that, the negative electrode mixture layer 22b was formed by compression molding with a roller press, and cut into a predetermined size to produce a sheet-like
更に、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとを混合した溶媒に、LiPF6を溶解させ、電解液を作製した。そののち、この電解液と、高分子材料であるポリフッ化ビニリデンと、高分子材料の溶剤であるジメチルカーボネートとを混合撹拌し、電解質を作製した。 Furthermore, LiPF 6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate and propylene carbonate were mixed to prepare an electrolytic solution. After that, this electrolytic solution, polyvinylidene fluoride as a polymer material, and dimethyl carbonate as a solvent for the polymer material were mixed and stirred to produce an electrolyte.
正極21、負極22および電解質を作製したのち、正極集電体21aに正極タブ26を取り付けると共に、正極合剤層21bの上に電解質を塗布し、ジメチルカーボネートを揮発させ、ゲル状の電解質層23を形成した。また、負極集電体22aに負極タブ27を取り付けると共に、負極合剤層22bの上に電解質を塗布し、ジメチルカーボネートを揮発させ、ゲル状の電解質層23を形成した。続いて、厚み16μmの微孔性ポリエチレンフィルムよりなるセパレータ24を用意し、セパレータ24、正極21、セパレータ24、負極22の順に積層して、巻回し、保護テープ25を接着して偏平な形状の巻回電極体20とした。
After producing the
巻回電極体20を形成したのち、アルミラミネートフィルムよりなる外装部材30a、30bを用意し、正極タブ26および負極タブ27と外装部材30a、30bとの間に密着フィルム28を配置して、巻回電極体20を真空包装し、二次電池を組み立てた。このとき、外装部材30a、30bと巻回電極体20との間に、接着層40a、40bを介在させるようにした。
After forming the
<サンプルB>
厚み16μmの微孔性ポリエチレンの両面を紙ヤスリで擦ることによって、フィブリル化度を5%に調整したセパレータを用いた点以外は、サンプルAと同様にして、サンプルBの電池を作製した。
<Sample B>
A battery of Sample B was produced in the same manner as Sample A, except that a separator having a fibrillation degree adjusted to 5% was used by rubbing both sides of a microporous polyethylene having a thickness of 16 μm with a paper file.
<サンプルC>
厚み16μmの微孔性ポリエチレンの両面を紙ヤスリで擦ることによって、フィブリル化度を10%に調整したセパレータを用いた点以外は、サンプルAと同様にして、サンプルCの電池を作製した。
<Sample C>
A battery of Sample C was produced in the same manner as Sample A, except that a separator having a fibrillation degree adjusted to 10% was used by rubbing both sides of a microporous polyethylene having a thickness of 16 μm with a paper file.
<サンプルD>
厚み16μmの微孔性ポリエチレンの両面を紙ヤスリで擦ることによって、フィブリル化度を30%に調整したセパレータを用いた点以外は、サンプルAと同様にして、サンプルDの電池を作製した。
<Sample D>
A battery of Sample D was prepared in the same manner as Sample A, except that a separator having a fibrillation degree adjusted to 30% was used by rubbing both sides of a microporous polyethylene having a thickness of 16 μm with a paper file.
<サンプルE>
厚み16μmの微孔性ポリエチレンの両面を紙ヤスリで擦ることによって、フィブリル化度を50%に調整したセパレータを用いた点以外は、サンプルAと同様にして、サンプルEの電池を作製した。
<Sample E>
A battery of Sample E was prepared in the same manner as Sample A, except that a separator having a fibrillation degree adjusted to 50% was used by rubbing both sides of a microporous polyethylene having a thickness of 16 μm with a paper file.
<サンプルα>
厚み9μmの微孔性のポリエチレンフィルムよりなるセパレータを用いた点以外は、サンプルAと同様にして、サンプルαの電池を作製した。
<Sample α>
A battery of sample α was fabricated in the same manner as sample A, except that a separator made of a microporous polyethylene film having a thickness of 9 μm was used.
<サンプルβ>
厚み9μmの微孔性のポリエチレンフィルムの両面を、紙ヤスリで擦ることにより、フィブリル化度を22%に調整したセパレータを用いた点以外は、サンプルαと同様にして、サンプルβの電池を作製した。
<Sample β>
A battery of sample β was produced in the same manner as sample α except that a separator having a fibrillation degree adjusted to 22% was used by rubbing both sides of a microporous polyethylene film having a thickness of 9 μm with a paper file. did.
<サンプルγ>
厚み9μmの微孔性のポリエチレンフィルムの両面を、紙ヤスリで擦ることにより、フィブリル化度を40%に調整したセパレータを用いた点以外は、サンプルαと同様にして、サンプルγの電池を作製した。
<Sample γ>
A battery of sample γ is produced in the same manner as sample α except that a separator having a fibrillation degree adjusted to 40% is used by rubbing both sides of a microporous polyethylene film having a thickness of 9 μm with a paper file. did.
<評価>
(電池厚みの測定)
電池の厚みは、平行に設置された2枚の板でセルを挟み、デジマチックインジケータにより、測定箇所にによるばらつきがでないように測定した。
<Evaluation>
(Measurement of battery thickness)
The thickness of the battery was measured by sandwiching the cell between two plates placed in parallel and using a digimatic indicator so as not to vary depending on the measurement location.
(電池容量の測定)
充電電圧4.2V、1Cの定電流で、定電流定電圧充電を行い、引き続き1Cの定電流で電池電圧が3.0Vに達するまで定電流放電を行った際の放電容量を電池容量として求めた。
(Measurement of battery capacity)
Obtain the discharge capacity as the battery capacity when charging with constant current and constant voltage at a constant voltage of 4.2V and 1C, and then discharging with constant current until the battery voltage reaches 3.0V with a constant current of 1C. It was.
(エネルギー密度の測定)
求めた電池容量を電池体積で割ることにより、エネルギー密度を求めた。
(Measurement of energy density)
The energy density was determined by dividing the determined battery capacity by the battery volume.
測定結果を表1および表2に示す。 The measurement results are shown in Tables 1 and 2.
(充放電サイクル特性)
23℃の環境中において、充電電圧4.2V、1Cの定電流で定電流定電圧充電を行い、引き続き1Cの定電流で電池電圧が3.0Vに達するまで定電流放電を行い、この充放電を繰り返して1サイクル目の放電容量に対するあるサイクル数における放電容量を、放電容量維持率〔(あるサイクル数における放電容量/1サイクル目の放電容量)×100%〕として求めた。
(Charge / discharge cycle characteristics)
In an environment of 23 ° C., constant current / constant voltage charging is performed with a charging voltage of 4.2V and 1C constant current, and then constant current discharging is performed until the battery voltage reaches 3.0V with a constant current of 1C. The discharge capacity at a certain number of cycles relative to the discharge capacity at the first cycle was determined as a discharge capacity retention ratio [(discharge capacity at a certain number of cycles / discharge capacity at the first cycle) × 100%].
求めた結果について、充放電サイクル数に対する放電容量維持率をプロットしたグラフを作成して評価した。充放電サイクル数に対する放電容量維持率をプロットしたグラフを図4に示す。 About the calculated | required result, the graph which plotted the discharge capacity maintenance factor with respect to the number of charging / discharging cycles was created and evaluated. FIG. 4 shows a graph plotting the discharge capacity retention ratio against the number of charge / discharge cycles.
(放電特性)
23℃の環境中において、充電電圧4.2V、1Cの定電流で定電流定電圧充電を行い、引き続き0.2C(条件1)、0.5C(条件2)、1C(条件3)の定電流で電池電圧が3.0Vに達するまで定電流放電を行った際の電圧推移を図5に示す。図5において、点線はサンプルAの挙動であり、実線はサンプルDの挙動である。
(Discharge characteristics)
In an environment of 23 ° C., constant current and constant voltage charging is performed with a charging voltage of 4.2 V and a constant current of 1 C, and then 0.2 C (condition 1), 0.5 C (condition 2), and 1 C (condition 3) are constant. FIG. 5 shows the voltage transition when the constant current discharge is performed until the battery voltage reaches 3.0V by the current. In FIG. 5, the dotted line is the behavior of sample A, and the solid line is the behavior of sample D.
表1に示すように、サンプルAに比べて、サンプルB〜サンプルEの方が、電池容量が大きかった。また、表2に示すようにサンプルαに比べて、サンプルβ〜サンプルγの方が、電池容量が大きかった。すなわち、フィブリル化することにより、保液性を高めることができ、高容量化できることがわかった。 As shown in Table 1, the battery capacity of Sample B to Sample E was larger than that of Sample A. Moreover, as shown in Table 2, the battery capacity of the samples β to γ was larger than that of the sample α. That is, it was found that the liquid retention can be improved and the capacity can be increased by fibrillation.
表1に示すように、サンプルB〜サンプルEによると、サンプルEは、エネルギー密度が小さかった。表2に示すように、サンプルα〜サンプルγによると、サンプルγは、エネルギー密度が小さかった。すなわち、エネルギー密度の点からは、フィブリル化度は、30%以下が好ましいことがわかった。 As shown in Table 1, according to Sample B to Sample E, Sample E had a low energy density. As shown in Table 2, according to the samples α to γ, the energy density of the sample γ was small. That is, it was found that the degree of fibrillation is preferably 30% or less from the viewpoint of energy density.
図4のグラフに示すように、サンプルAに比べて、サンプルB〜サンプルEの方が、サイクル特性が良好であった。すなわち、フィブリル化することにより、優れたサイクル特性が得られることがわかった。 As shown in the graph of FIG. 4, the sample B to the sample E had better cycle characteristics than the sample A. That is, it was found that excellent cycle characteristics can be obtained by fibrillation.
図5のグラフに示すように、放電の負荷が高い場合でもフィブリル化することでエネルギー密度が大きくなることがわかった。 As shown in the graph of FIG. 5, it was found that the energy density is increased by fibrillation even when the discharge load is high.
この発明は、上述したこの発明の実施形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。上述の実施の形態および実施例では、巻回構造を有する非水電解質二次電池について説明したが、この発明は、正極および負極を折り畳んだりまたは積み重ねた構造を有する電池についても同様に適用することができる。加えて、いわゆるコイン型、ボタン型、角型などの電池についても適用することができる。さらに、二次電池に限定されず、一次電池にも適用可能である。また、例えば、上述した実施の形態および実施例では、2枚の外装部材30a、30bを張り合わせてその内部に巻回電極体を封入するようにしたが、1枚の外装部材を折り曲げて外縁部を密着させ、巻回電極体を封入するなど他の方法により封入するようにしてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments of the present invention, and various modifications and applications are possible without departing from the spirit of the present invention. In the above-described embodiments and examples, the non-aqueous electrolyte secondary battery having a winding structure has been described. However, the present invention is similarly applied to a battery having a structure in which a positive electrode and a negative electrode are folded or stacked. Can do. In addition, it can also be applied to so-called coin-type, button-type, and square-type batteries. Furthermore, it is not limited to a secondary battery, but can be applied to a primary battery. Further, for example, in the above-described embodiments and examples, the two
20・・・巻回電極体
21・・・正極
21a・・・正極集電体
21b・・・正極合剤層
22・・・負極
22a・・・負極集電体
22b・・・負極合剤層
23・・・電解質層
24・・・セパレータ
25・・・保護テープ
26・・・正極タブ
27・・・負極タブ
28・・・密着フィルム
30a、30b・・・外装部材
33・・・熱融着樹脂層
40a、40b・・・接着層
DESCRIPTION OF
Claims (9)
請求項1記載のセパレータ。 The separator according to claim 1, wherein the degree of fibrillation is in the range of more than 0.1% and 30% or less.
請求項1記載のセパレータ。 The separator according to claim 1, wherein the degree of fibrillation is in the range of 5% to 30%.
請求項1記載のセパレータ。 The separator according to claim 1, wherein both surfaces of the porous membrane are fibrillated.
請求項1記載のセパレータ。 The separator according to claim 1, wherein the porous film is a porous film made of a polyolefin resin.
上記セパレータは、多孔質膜の少なくとも一部がフィブリル化されたものである電池。 A positive electrode and a negative electrode, and a separator;
The separator is a battery in which at least a part of a porous membrane is fibrillated.
請求項6記載の電池。 The battery according to claim 6, wherein the degree of fibrillation is in the range of more than 0.1% and 30% or less.
請求項6記載の電池。 The battery according to claim 6, which has a gel electrolyte as an electrolyte.
セパレータの製造方法。 A separator manufacturing method comprising a step of fluffing at least a part of a porous membrane.
Priority Applications (1)
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JP2016212984A (en) * | 2015-04-30 | 2016-12-15 | トヨタ自動車株式会社 | Secondary battery |
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-
2008
- 2008-07-11 JP JP2008181138A patent/JP2010021043A/en active Pending
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