JP2010027547A - 電気化学素子用セパレータ、およびそれを用いたリチウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐熱性に優れ、かつ、内部抵抗を抑制した電気化学素子を構成できる新規なセパレータ、およびそれを用いたリチウムイオン電池を提供する。
【解決手段】多孔質基体と、前記多孔質基体の表面に設けられた高耐熱層を有する電気化学素子用セパレータであって、前記高耐熱層が、フィラー粒子、結着剤、及びテンプレート剤を含む、電気化学素子用セパレータ。
【選択図】図1
【解決手段】多孔質基体と、前記多孔質基体の表面に設けられた高耐熱層を有する電気化学素子用セパレータであって、前記高耐熱層が、フィラー粒子、結着剤、及びテンプレート剤を含む、電気化学素子用セパレータ。
【選択図】図1
Description
本発明は、電気化学素子用セパレータ、およびそれを用いたリチウムイオン電池に関する。
近年、ノートパソコンあるいは携帯電話等のモバイル端末用電源として高電圧、高エネルギー密度を有する二次電池が求められている。現在はこれらの用途に求められる能力を満たすべく、非水電解液のリチウムイオン二次電池が注目されている。
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池は、電池電圧が高く、高エネルギーを有していることから、電池の内部短絡時、あるいは外部短絡時に大電流が流れる。そのため、短絡時には、ジュール発熱による電池の発熱の問題や、電解液やセパレータの溶融分解にともなうガス発生による電池の膨れや特性劣化の問題がある。これらの問題を解決するため、ポリプロピレンまたはポリエチレン製の微孔性フィルムからなるセパレータを用いた電池が提案されている(たとえば特許文献1参照)。特許文献1には、このセパレータが短絡時の発熱によって溶融して細孔が閉じて高抵抗化するため、電池の過剰な発熱や発火が抑制されることが記載されている。
現在、非水電解液二次電池の用途が広がるに伴って、より安全性が高い電池が求められている。特に、内部短絡が生じた場合の安全性の向上が求められている。内部短絡が生じた場合、局部的な発熱によって短絡部分では600℃以上の温度となることがあると考えられる。このため、ポリオレフィン樹脂からなる従来のセパレータでは、短絡時の熱によって短絡部分のセパレータが収縮して正極と負極との接触面積(短絡面積)が増大する可能性があった。
そこで、金属酸化物などのフィラーを含む層を多孔質基材表面に形成させることで、耐熱性を向上させたセパレータを用いた電池が提案されている(たとえば特許文献2、3)。
特開昭60−23954号公報
特開2005−38793号公報
特開2006−164761号公報
ところが、特許文献2、3で提案されているフィラーを含む耐熱層を有するセパレータでは、金属酸化物を多く含むためにセパレータ内でのリチウムイオンの拡散か阻害され、電池の内部抵抗が高くなるという課題があった。
このような状況に鑑み、本発明は、内部又は外部短絡時における電池の発熱を抑制でき、かつ、内部抵抗を抑制した電気化学素子を構成できる新規なセパレータ、及びこれを用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために検討した結果、セパレータにテンプレート剤を含有させることにより、テンプレート剤が電解液に溶解してセパレータに空隙を形成して電池の内部抵抗を低下させるとともに、テンプレート剤として電解液に可溶であり、かつ負極上での被膜形成剤として機能する化合物を用いることで更に電池の内部抵抗を低下させることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下に関する。
1. 多孔質基体と、前記多孔質基体の表面に設けられた高耐熱層を有する電気化学素子用セパレータであって、前記高耐熱層が、フィラー粒子、結着剤、及びテンプレート剤を含むことを特徴とする電気化学素子用セパレータ。
2. 多孔質基体が内部にフィラー粒子、結着剤、及びテンプレート剤を含む項1に記載の電気化学素子用セパレータ。
3. フィラー粒子が、Al2O3、SiO2、モンモリロナイト、雲母、ZnO、TiO2、BaTiO3、ZrO2、ガラスより選ばれる少なくとも1種の酸化物を含む項1または2に記載の電気化学素子用セパレータ。
4. フィラー粒子が少なくともAl2O3を含む項3に記載の電気化学素子用セパレータ。
5. Al2O3の二次粒子の平均粒子径(D50)が5nm〜5μmである項4に記載の電気化学素子用セパレータ。
6. 結着剤が熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である項1〜5いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
7. 結着剤がポリフッ化ビニリデンである項1〜5いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
8. テンプレート剤が電解液に溶出して空隙が形成され、テンプレート剤が電池内で電解液に溶解した際に負極上での不動態皮膜を形成するための添加剤として機能することを特徴とする項1〜7いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
9. テンプレート剤が不飽和結合を含有する環状カーボネート又は鎖状カーボネートである項1〜8いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
10. テンプレート剤がスルファイト、アセテート、ピリジン、マレイン酸、シラン化合物から選ばれる少なくとも1種の化合物である項1〜8いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
11. テンプレート剤がハロゲン化環状カーボネート又は鎖状カーボネートである項1〜8いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
12. 多孔質基体が、ポリオレフィンからなる多孔質基体である項1〜11いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
13. 項1〜12いずれかに記載の電気化学素子用セパレータを有するリチウムイオン電池。
すなわち、本発明は、以下に関する。
1. 多孔質基体と、前記多孔質基体の表面に設けられた高耐熱層を有する電気化学素子用セパレータであって、前記高耐熱層が、フィラー粒子、結着剤、及びテンプレート剤を含むことを特徴とする電気化学素子用セパレータ。
2. 多孔質基体が内部にフィラー粒子、結着剤、及びテンプレート剤を含む項1に記載の電気化学素子用セパレータ。
3. フィラー粒子が、Al2O3、SiO2、モンモリロナイト、雲母、ZnO、TiO2、BaTiO3、ZrO2、ガラスより選ばれる少なくとも1種の酸化物を含む項1または2に記載の電気化学素子用セパレータ。
4. フィラー粒子が少なくともAl2O3を含む項3に記載の電気化学素子用セパレータ。
5. Al2O3の二次粒子の平均粒子径(D50)が5nm〜5μmである項4に記載の電気化学素子用セパレータ。
6. 結着剤が熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である項1〜5いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
7. 結着剤がポリフッ化ビニリデンである項1〜5いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
8. テンプレート剤が電解液に溶出して空隙が形成され、テンプレート剤が電池内で電解液に溶解した際に負極上での不動態皮膜を形成するための添加剤として機能することを特徴とする項1〜7いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
9. テンプレート剤が不飽和結合を含有する環状カーボネート又は鎖状カーボネートである項1〜8いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
10. テンプレート剤がスルファイト、アセテート、ピリジン、マレイン酸、シラン化合物から選ばれる少なくとも1種の化合物である項1〜8いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
11. テンプレート剤がハロゲン化環状カーボネート又は鎖状カーボネートである項1〜8いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
12. 多孔質基体が、ポリオレフィンからなる多孔質基体である項1〜11いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
13. 項1〜12いずれかに記載の電気化学素子用セパレータを有するリチウムイオン電池。
本発明の電気化学素子用セパレータによれば、内部短絡時における電池の発熱を抑制でき、また、本発明のリチウムイオン二次電池は、内部又は外部短絡時における電池の発熱が抑制され、電池の安全性が向上しており、かつ内部抵抗が低い電池である。
本発明は、フィラー粒子、テンプレート剤、及び結着剤を含む電気化学素子用セパレータに関する。本発明の電気化学素子用セパレータの態様として、例えば、多孔質基体と、前記多孔質基体の表面に設けられた耐熱層を有する電気化学素子用セパレータであって、前記耐熱層が、フィラー粒子、テンプレート剤、及び結着剤を含む電気化学素子用セパレータや、多孔質基体を有する電気化学素子用セパレータであって、前記多孔質基体が内部にフィラー粒子、テンプレート剤、及び結着剤を含む電気化学素子用セパレータを挙げる事ができる。
本発明において、フィラー粒子としては、例えば、Al2O3、SiO2、モンモリロナイト、雲母、ZnO、TiO2、BaTiO3、ZrO2、ガラスより選ばれる少なくとも1種の酸化物を用いることが可能であり、フィラー粒子として、少なくともAl2O3を用いる事が好ましい。また、フィラー粒子の二次粒子の平均粒子系は、5nm〜5μmであることが好ましい。本発明において、結着剤は熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂を用いることができ、ポリフッ化ビニリデンを用いることが好ましい。
本発明において、テンプレート剤が電解液に可溶であり、テンプレート剤が電解液に溶出して空隙が形成されるとともに不動態被膜形成剤として機能する事が好ましい。このようなテンプレート剤としては、不飽和結合を含有する環状カーボネート又は鎖状カーボネートを用いる事が可能であり、また、他にはスルファイト、アセテート、ピリジン、マレイン酸、シラン化合物、ハロゲン化環状カーボネート、及び鎖状カーボネートを例示することができる。また、本発明は、上記電気化学素子用セパレータを有するリチウムイオン電池に関する。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の電気化学素子用セパレータ(以下、単にセパレータという。)はフィラー粒子、テンプレート剤、及び結着剤からなる組成物を、例えば層状に形成し(以下、フィラー粒子、テンプレート剤及び結着剤からなる組成物を用いて形成された層を、単に組成物層という。)、電解液に浸したときにテンプレート剤が溶出して結着剤内に空隙を形成し、テンプレート剤が不働体皮膜を形成するための添加剤として機能することを特徴とする。空隙が存在することによって、イオン伝導経路が確保されるために低抵抗化が可能となるだけでなく、良質な不動態被膜を形成することができる。
本発明の電気化学素子用セパレータ(以下、単にセパレータという。)はフィラー粒子、テンプレート剤、及び結着剤からなる組成物を、例えば層状に形成し(以下、フィラー粒子、テンプレート剤及び結着剤からなる組成物を用いて形成された層を、単に組成物層という。)、電解液に浸したときにテンプレート剤が溶出して結着剤内に空隙を形成し、テンプレート剤が不働体皮膜を形成するための添加剤として機能することを特徴とする。空隙が存在することによって、イオン伝導経路が確保されるために低抵抗化が可能となるだけでなく、良質な不動態被膜を形成することができる。
または、組成物層を耐熱層として多孔質基体の表面に配置し、表面に耐熱層を設けた多孔質基体をセパレータとして使用することができる。
空隙は連続孔であっても、非連続孔であってもよいが、低抵抗化の点からは連続孔であることが好ましい。
この場合、組成物層は多孔質基体の片側のみに配置しても、両面に配置しても良い。
また、多孔質基体の内部に組成物層を配置しても良い。
空隙は連続孔であっても、非連続孔であってもよいが、低抵抗化の点からは連続孔であることが好ましい。
この場合、組成物層は多孔質基体の片側のみに配置しても、両面に配置しても良い。
また、多孔質基体の内部に組成物層を配置しても良い。
本発明に用いられるフィラーとしては、融点が120℃以上の粒子であることが好ましい。融点の上限は特に限定されないが、3000℃以下であることが好ましい。例えば、電気絶縁性の金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などからなる粒子や、ポリマー粒子が挙げられる。上記粒子は、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いることもできる。
フィラー粒子の形状としては特に制限はなく、無定型フィラー、板状フィラー、針状フィラー、球形フィラーのいずれであってもよい。
また、その粒子径は二次粒子の平均粒子径が5nm〜5μmであることが好ましく、更に好ましくは0.01μm〜1μmである。5μmを超えると、セパレータ強度が低下し、つまり脆くなり、また、表面の平滑性が低下する傾向がある。5nm未満であると分散性が低下するため、均一なセパレータを作製することが困難となる傾向がある。該二次粒子の平均粒子径(メジアン径(D50)、体積平均)は、レーザー回折散乱法、を用いて測定できる。
また、フィラー粒子の組成物層中の含有量は、好ましくは組成物層全体の重量の5重量%以上95重量%以下であり、さらに好ましくは10重量%以上75重量%以下である。フィラー粒子の含有量が、5重量%未満であるとき、十分な耐熱性が得られない場合があり、95重量%を超えるとき、該セパレータは、脆くなり、取り扱いが難しくなる場合がある。
フィラー粒子として用いることができる金属酸化物としては、例えば、Al2O3、SiO2、モンモリロナイト、雲母、ZnO、TiO2、BaTiO3、ZrO2、ガラスがあげられる。ポリマー粒子としては、例えば、架橋ポリメチルメタクリレート(架橋PMMA)、ポリテトラフルオロエチレン、ベンゾグアナミン、架橋ポリウレタン、架橋ポリスチレン、メラミン、ポリオレフィンからなる粒子が挙げられる。本発明においては金属酸化物が好ましく用いられ、中でもAl2O3粒子を好適に用いることができる。
本発明で言うテンプレート剤は、電解液に可溶であり、かつ負極上での不動態被膜形成剤として機能すれば特に制限はない。本発明でいう不動態被膜形成剤とは、電池の充放電時において負極上で分解して不動態被膜を形成することが可能な化合物を指す。良質な不動態被膜が負極上で形成されることによって、充放電サイクルに伴う電解液の副反応が抑制されるため、抵抗上昇を抑えることができる。
不動態皮膜としては、正極上であっても負極上のどちらで機能してもよい。例えば、不飽和結合を含有する環状カーボネートまたは鎖状カーボネート、ハロゲン化した環状カーボネートまたは鎖状カーボネート、ビニル基を含有するアセテート、ピリジン、マレイン酸、エチレンするファイト、シラン化合物などが挙げられる。
具体的には、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、アリルエチルカーボネート、ビニルアセテート、アジピン酸ジビニル、ビニルピリジン、マレイン酸無水物、ケイ皮酸メチルなどが挙げられる。
また、テンプレート剤として一般式(1)で表されるホスホン酸を用いても良い。
また、テンプレート剤として一般式(2)又は一般式(3)で表されるシラン化合物を用いても良い。
また、テンプレート剤として下記一般式(4)から一般式(6)で示される化合物を用いてもよい。
ハロゲン化した環状カーボネートまたは鎖状カーボネートとしては下記一般式(7)から一般式(9)で表される化合物を例示することができる。
炭素数1〜8の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペントキシ基、ヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基、メトキシメチル基、エトキシメチル基、プロポキシメチル基、ブトキシメチル基、メトキシエチル基、エトキシエチル基、プロポキシエチル基、メトキシプロピル基、エトキシプロピル基、プロポキシプロピル基、ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基、1−ブテニル基、1−ペンテニル基、3−ブテニル基、3−ペンテニル基、2−フルオロエテニル基、2,2−ジフルオロエテニル基、1,2,2−トリフルオロエテニル基、4,4−ジフルオロ−3−ブテニル基、3,3−ジフルオロ−2−プロペニル基、フェニル基、フェノキシ基、ペンタフルオロフェノキシ基、5,5−ジフルオロ−4−ペンテニル基等が挙げられる。また、一部フッ素化されていてもよい。フッ素化する事によって、化学的安定性を高める事ができる。
本発明のセパレータの製造方法としては、例えば、下記(I)及び(II)の方法が採用できる。
(I)の方法は、フィラー粒子、テンプレート剤、および結着剤を含む液状組成物(スラリーなど)を、フィルムや金属箔などの基板上に塗布し、所定の温度で乾燥する製造方法である。得られた組成物層は、そのまま単独で又は従来セパレータとして用いられている多孔質基体などと組み合わせて、セパレータとして用いることができる。
(II)の方法は、液状組成物をフィルムや金属箔などの基板上に塗布し、所定の温度で乾燥した後に、該基板から剥離した後、多孔質基体と重ね合わせて一体化する方法である。
上記液状組成物の製造方法として、例えば、フィラー粒子、テンプレート剤、及び結着剤を溶解または分散した溶液を混合し、その後テンプレート剤を混合する方法が挙げられる。フィラー粒子、テンプレート剤、結着剤、結着剤の溶媒以外に、その他の物質を添加していてもよい。この製造方法により、表面に組成物層(耐熱層)を有しているか、内部に組成物を含んでいるか、あるいは、これらを組み合わせた状態の多孔質基体を得ることができる。
結着剤としては、組成物層を形成することができれば特に制限は無く、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を好適に使用できる。熱硬化性樹脂として、例えば、アラミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などを挙げることができ、結着剤を分散または溶解した溶液を乾燥する工程において、同時に樹脂を硬化することもできる。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン(高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン)、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、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、SBR、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ABS樹脂(アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂)、アクリル樹脂などが挙げられる。また、これらの共重合体を用いることもできる。
結着剤を溶解または分散する溶媒として、結着剤を溶解または分散できれば特に制限は無く、たとえば、カーボネート化合物(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等)、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、エステル類(カルボン酸エステル、リン酸エステル、ホスホン酸エステル等)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン、シクロヘキサン等)、塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、水等を用いることができる。
また、結着剤の含有量は、好ましくは組成物層全体の重量の5重量%以上、90重量%以下であり、更に好ましくは10重量%以上、50重量%以下である。結着剤の含有量が、5重量%未満であるとき、結着剤としての機能が不足する場合がある。
多孔質基体としては、ポリオレフィン(ポリエチレンやポリプロピレン)の微多孔膜などを用いることができる。微多孔膜の他に、電気絶縁性の有機、無機繊維またはパルプからなる多孔質の織物、不織布、紙を用いることもできる。有機繊維としては、熱可塑性ポリマーからなる繊維やマニラ麻などの天然繊維が挙げられる。
該熱可塑性ポリマーからなる繊維として、ポリオレフィン、レーヨン、ビニロン、ポリエステル、アクリル、ポリスチレン、ナイロン等の繊維が挙げられる。無機繊維としては、ガラス繊維、アルミナ繊維等が挙げられる。またその厚さは特に限定されないが、適度な機械的強度を有しかつ低抵抗化に適した厚さ、例えば10〜30μmとする。これらの多孔質基体として、一般に電気化学素子用として市販されているもの用いることが可能である。
本発明のセパレータを用い、電気化学素子を製造することができる。電気化学素子の基本構造は、セパレータを介して正極及び負極を対向配置し、これに非水電解液を含浸させるものである。
リチウム二次電池およびリチウムイオン二次電池の場合、正極に含まれる正極活物質としては、LiCoO2,LiNiO2,LiMnO2,LiMn2O4などのリチウムと遷移金属との複合酸化物、MnO2,V2O5などの遷移金属酸化物、MoS2,TiSなどの遷移金属硫化物、ポリアセチレン,ポリアセン,ポリアニリン,ポリピロール,ポリチオフェンなどの導電性高分子化合物、ポリ(2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾール)などのジスルフィド化合物などが用いられる。
正極の集電体としては、アルミニウムなどの金属箔、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。
負極に含まれる負極活物質としては、リチウム金属、リチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、リチウムを吸蔵・放出できる炭素質材料、黒鉛,フェノール樹脂,フラン樹脂などのコークス類、炭素繊維、ガラス状炭素、熱分解炭素、活性炭などが用いられる。
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であることが好ましい。
電極活物質を用いて電極を作製する際に用いられる導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック,ケッチェンブラック等のカーボンブラック、天然黒鉛、熱膨張黒鉛、炭素繊維、酸化ルテニウム、酸化チタン、アルミニウムやニッケル等の金属繊維などが用いられる。これらの中でも、少量の配合で所望の導電性を確保できるアセチレンブラック、ケッチェンブラックが好ましい。なお、導電助剤は、電極活物質に対して、通常0.5〜20質量%程度配合されるが、1〜10質量%配合することがより好ましい。
導電助剤と共に用いられるバインダーとしては、公知の各種バインダーを用いることができる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、カルボキシメチルセルロース、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、スチレンーブタジエン共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリイミド、石油ピッチ、石炭ピッチ、フェノール樹脂などが挙げられる。
非水電解液としては、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。
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;イオン液体などが挙げられ、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。
このリチウム塩の電解液中の濃度としては、0.5〜2mol/Lとすることが好ましく、0.9〜1.5mol/Lとすることがより好ましい。
本発明のリチウムイオン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体(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。
なお、本発明の非水電解液は、正負極いずれか一方を電気二重層キャパシタで用いられる分極性電極とし、もう一方をリチウムイオン電池で用いられるリチウムイオンを挿入・脱離可能な物質を活物質とする電極としたハイブリッド型の蓄電デバイスにも応用することができる。
本発明のリチウムイオンの二次電池は、従来公知のリチウムイオン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。
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い。
(実施例1)
<セパレータの作製>
フィラー粒子としてAl2O3(エボニック社製「AEROXIDE AluC」、融点2020℃)1gとエチレンスルファイト(キシダ化学株式会社製)1gを秤量しメノウ乳鉢に入れた。次いで、結着剤としてPVDF((株)クレハ社製「PVDF#1100」)1gを加えた後、シクロヘキサン(和光純薬株式会社製)2gを加えてスラリー(I)を作製した。このスラリー(I)をガラス上に、アプリケーターを用いて100μmのギャップで塗布して、40℃で2時間乾燥し、組成物層のみからなるセパレータを作製した。セパレータの厚みをマイクロメーターにより測定したところ、25μmであった。用いたAl2O3の平均粒子径をレーザー回折法((株)島津製作所製レーザー回折式粒度測定器「SALD3000J」)により測定したところ、平均粒子径(D50)は0.1μmであった。
<セパレータの作製>
フィラー粒子としてAl2O3(エボニック社製「AEROXIDE AluC」、融点2020℃)1gとエチレンスルファイト(キシダ化学株式会社製)1gを秤量しメノウ乳鉢に入れた。次いで、結着剤としてPVDF((株)クレハ社製「PVDF#1100」)1gを加えた後、シクロヘキサン(和光純薬株式会社製)2gを加えてスラリー(I)を作製した。このスラリー(I)をガラス上に、アプリケーターを用いて100μmのギャップで塗布して、40℃で2時間乾燥し、組成物層のみからなるセパレータを作製した。セパレータの厚みをマイクロメーターにより測定したところ、25μmであった。用いたAl2O3の平均粒子径をレーザー回折法((株)島津製作所製レーザー回折式粒度測定器「SALD3000J」)により測定したところ、平均粒子径(D50)は0.1μmであった。
<耐熱寸法安定性の評価>
実施例1のセパレータを裁断して2×2cmの正方形の試験片を得た。次いで、その試験片を、縦7.5cm×横7.5cm×厚さ5mmの2枚のガラス板の間に挟んだ後に、それらを水平にしてステンレス製のバットに静置した。そして、120℃のオーブン中に1時間放置して面積を測定した。面積維持率=(試験後の面積/試験前の面積:4cm2)×100(%)として評価し、耐熱安定性の指標とした。その結果を表1に示す。なお、面積維持率が大きい程耐熱安定性に優れる。
実施例1のセパレータを裁断して2×2cmの正方形の試験片を得た。次いで、その試験片を、縦7.5cm×横7.5cm×厚さ5mmの2枚のガラス板の間に挟んだ後に、それらを水平にしてステンレス製のバットに静置した。そして、120℃のオーブン中に1時間放置して面積を測定した。面積維持率=(試験後の面積/試験前の面積:4cm2)×100(%)として評価し、耐熱安定性の指標とした。その結果を表1に示す。なお、面積維持率が大きい程耐熱安定性に優れる。
<リチウムイオン二次電池用正極の作製>
正極活物質としてコバルト酸リチウム(日本化学工業(株)製「セルシード10N」)と、導電性カーボン(電気化学工業(株)製「デンカブラック」)と、バインダー樹脂としてポリフッ化ビニリデン((株)クレハ製「PVDF#1120」)と、塗工溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMP)を活物質:導電性カーボン:バインダー樹脂:NMP=94:3:3:28(重量比)の割合で混合してペースト状にし、アルミ集電箔(日本蓄電器工業(株)製「20CB」)に塗布し、80℃で3時間乾燥させた後、圧延し、直径14mmの円形に打ち抜いて、リチウムイオン二次電池用正極電極を得た。
正極活物質としてコバルト酸リチウム(日本化学工業(株)製「セルシード10N」)と、導電性カーボン(電気化学工業(株)製「デンカブラック」)と、バインダー樹脂としてポリフッ化ビニリデン((株)クレハ製「PVDF#1120」)と、塗工溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMP)を活物質:導電性カーボン:バインダー樹脂:NMP=94:3:3:28(重量比)の割合で混合してペースト状にし、アルミ集電箔(日本蓄電器工業(株)製「20CB」)に塗布し、80℃で3時間乾燥させた後、圧延し、直径14mmの円形に打ち抜いて、リチウムイオン二次電池用正極電極を得た。
<リチウムイオン二次電池用負極の作製>
負極活物質として人造黒鉛(日立化成工業製「MAG」)と導電性カーボン(電気化学工業(株)製「デンカブラック」)と、バインダー樹脂としてポリフッ化ビニリデン((株)クレハ製「PVDF#1120」)と、塗工溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMP)を活物質:導電性カーボン:バインダー樹脂:NMP=85:5:10:100(重量比)の割合で混合してペースト状にし、圧延銅箔に塗布し、80℃で3時間乾燥させた後、圧延し、直径15mmの円形に打ち抜いて、リチウムイオン二次電池用負極電極を得た。
負極活物質として人造黒鉛(日立化成工業製「MAG」)と導電性カーボン(電気化学工業(株)製「デンカブラック」)と、バインダー樹脂としてポリフッ化ビニリデン((株)クレハ製「PVDF#1120」)と、塗工溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMP)を活物質:導電性カーボン:バインダー樹脂:NMP=85:5:10:100(重量比)の割合で混合してペースト状にし、圧延銅箔に塗布し、80℃で3時間乾燥させた後、圧延し、直径15mmの円形に打ち抜いて、リチウムイオン二次電池用負極電極を得た。
<リチウムイオン二次電池の作製>
前記で得られた正極、負極、スペーサーとして直径14mm、厚さ0.4mmのアルミ切板2枚、及び直径14mm、厚さ0.2mmの銅切板1枚を用い、実施例1のセパレータを裁断して得た直径16mmの円形セパレータとポリエチレン多孔膜(旭化成(株)製「ハイポアN8416」、膜厚25μm)を各1枚ずつ介して正極と負極を対向させた。ポリエチレン多孔膜は正極側に配した。更に1.0M LiPF6/エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート及びジメチルカーボネートの混合溶液(1:1:1容量比)を用いて通常の方法によってリチウムイオン二次電池を作製した。
前記で得られた正極、負極、スペーサーとして直径14mm、厚さ0.4mmのアルミ切板2枚、及び直径14mm、厚さ0.2mmの銅切板1枚を用い、実施例1のセパレータを裁断して得た直径16mmの円形セパレータとポリエチレン多孔膜(旭化成(株)製「ハイポアN8416」、膜厚25μm)を各1枚ずつ介して正極と負極を対向させた。ポリエチレン多孔膜は正極側に配した。更に1.0M LiPF6/エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート及びジメチルカーボネートの混合溶液(1:1:1容量比)を用いて通常の方法によってリチウムイオン二次電池を作製した。
<電池特性の評価>
0.1Cに相当する電流で4.2Vまで充電した。放電は0.1Cに相当する電流で3.0Vまで行い、初期(初回)放電容量を測定した。次いで、1.0Cに相当する電流で同様に充電―放電を繰り返すサイクルを49回行い、その時の放電容量維持率(%)(=50サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)を算出した。また、50サイクル後の電池抵抗をインピーダンスアナライザー(ソーラートロン社製「SI1260」、「SI1287)を用いて測定した。
0.1Cに相当する電流で4.2Vまで充電した。放電は0.1Cに相当する電流で3.0Vまで行い、初期(初回)放電容量を測定した。次いで、1.0Cに相当する電流で同様に充電―放電を繰り返すサイクルを49回行い、その時の放電容量維持率(%)(=50サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)を算出した。また、50サイクル後の電池抵抗をインピーダンスアナライザー(ソーラートロン社製「SI1260」、「SI1287)を用いて測定した。
(実施例2)
実施例1において、ビニルエチレンカーボネート1gの代わりにフルオロエチレンカーボネート(関東電化工業株式会社製)1gを用いた以外は同様にしてセパレータ及びリチウムイオン二次電池を作製した。組成物層の厚さは25μmであった。
実施例1において、ビニルエチレンカーボネート1gの代わりにフルオロエチレンカーボネート(関東電化工業株式会社製)1gを用いた以外は同様にしてセパレータ及びリチウムイオン二次電池を作製した。組成物層の厚さは25μmであった。
(実施例3)
実施例1において、ビニルエチレンカーボネート1gの代わりにビニルエチレンカーボネート(キシダ化学株式会社製)1gを用いた以外は同様にしてセパレータ及びリチウムイオン二次電池を作製した。組成物層の厚さは25μmであった。
実施例1において、ビニルエチレンカーボネート1gの代わりにビニルエチレンカーボネート(キシダ化学株式会社製)1gを用いた以外は同様にしてセパレータ及びリチウムイオン二次電池を作製した。組成物層の厚さは25μmであった。
(実施例4)
実施例1において作製したスラリー(I)を、ガラス基板上に置いたポリエチレンセパレータ(旭化成株式会社製「ハイポアN8416、膜厚25μm」の上に塗布した後、30℃で真空乾燥した。セパレータの厚みをマイクロメーターにより測定したところ、27μmであった。
実施例1において作製したスラリー(I)を、ガラス基板上に置いたポリエチレンセパレータ(旭化成株式会社製「ハイポアN8416、膜厚25μm」の上に塗布した後、30℃で真空乾燥した。セパレータの厚みをマイクロメーターにより測定したところ、27μmであった。
(比較例1)
比較例1においては、セパレータとして、実施例1で用いた組成物層の代わりに従来のリチウムイオン二次電池のセパレータに広く使用されているポリエチレン多孔膜(旭化成株式会社製「ハイポアN8416」膜厚25μm)を用いた。つまり、膜厚25μmのポリエチレン製多孔膜を2枚重ねて使用した。
比較例1においては、セパレータとして、実施例1で用いた組成物層の代わりに従来のリチウムイオン二次電池のセパレータに広く使用されているポリエチレン多孔膜(旭化成株式会社製「ハイポアN8416」膜厚25μm)を用いた。つまり、膜厚25μmのポリエチレン製多孔膜を2枚重ねて使用した。
(比較例2)
実施例1において、テンプレート剤を用いないで、Al2O3フィラー粒子とPVDF結着剤のみからなるセパレータ、及びこれを用いたリチウムイオン二次電池を作製した。セパレータの厚さは24μmであった。
実施例1において、テンプレート剤を用いないで、Al2O3フィラー粒子とPVDF結着剤のみからなるセパレータ、及びこれを用いたリチウムイオン二次電池を作製した。セパレータの厚さは24μmであった。
(比較例3)
実施例4において、テンプレート剤を用いないで、ポリエチレン多孔基体の上にAl2O3フィラー粒子とPVDF結着剤が配置されたセパレータを作製し、該セパレータ、およびこれを用いたリチウムイオン二次電池を作製した。セパレータの厚さは27μmであった。
実施例4において、テンプレート剤を用いないで、ポリエチレン多孔基体の上にAl2O3フィラー粒子とPVDF結着剤が配置されたセパレータを作製し、該セパレータ、およびこれを用いたリチウムイオン二次電池を作製した。セパレータの厚さは27μmであった。
なお、実施例1〜3及び比較例2について、「面積維持率」は組成物層単独の面積維持率であり、「初期放電容量」及び「初期充放電効率」はセパレータとして組成物層と多孔質基体とを重ねて使用した評価用セルの初期放電容量及び初期充放電効率である。
また、実施例4及び比較例3について、「面積維持率」は表面に組成物層を設けた多孔質基体の面積維持率であり、「初期放電容量」及び「初期充放電効率」はセパレータとして表面に組成物層を設けた多孔質基体を単独で使用した評価用セルの初期放電容量及び初期充放電効率である。
また、比較例1について、「面積維持率」は多孔質基体1層の面積維持率であり、「初期放電容量」及び「初期充放電効率」はセパレータとして多孔質基体を2層重ねて使用した評価用セルの初期放電容量及び初期充放電効率である。
また、実施例4及び比較例3について、「面積維持率」は表面に組成物層を設けた多孔質基体の面積維持率であり、「初期放電容量」及び「初期充放電効率」はセパレータとして表面に組成物層を設けた多孔質基体を単独で使用した評価用セルの初期放電容量及び初期充放電効率である。
また、比較例1について、「面積維持率」は多孔質基体1層の面積維持率であり、「初期放電容量」及び「初期充放電効率」はセパレータとして多孔質基体を2層重ねて使用した評価用セルの初期放電容量及び初期充放電効率である。
表1から分かるように、実施例1〜4のセパレータは、耐熱寸法安定性に優れるだけでなく、サイクル特性に優れ、かつ、低抵抗であり、安全性と高性能を両立できることが分かる。
1 電気化学素子用セパレータ
2 組成物層
2’ 耐熱層(組成物層)
3 フィラー粒子
4 テンプレート剤
5 結着剤
6 多孔質基体
7 細孔
2 組成物層
2’ 耐熱層(組成物層)
3 フィラー粒子
4 テンプレート剤
5 結着剤
6 多孔質基体
7 細孔
Claims (13)
- 多孔質基体と、前記多孔質基体の表面に設けられた高耐熱層を有する電気化学素子用セパレータであって、前記高耐熱層が、フィラー粒子、結着剤、及びテンプレート剤を含むことを特徴とする電気化学素子用セパレータ。
- 多孔質基体が内部にフィラー粒子、結着剤、及びテンプレート剤を含む請求項1に記載の電気化学素子用セパレータ。
- フィラー粒子が、Al2O3、SiO2、モンモリロナイト、雲母、ZnO、TiO2、BaTiO3、ZrO2、ガラスより選ばれる少なくとも1種の酸化物を含む請求項1または2に記載の電気化学素子用セパレータ。
- フィラー粒子が少なくともAl2O3を含む請求項3に記載の電気化学素子用セパレータ。
- Al2O3の二次粒子の平均粒子径(D50)が5nm〜5μmである請求項4に記載の電気化学素子用セパレータ。
- 結着剤が熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である請求項1〜5いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
- 結着剤がポリフッ化ビニリデンである請求項1〜5いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
- テンプレート剤が電解液に溶出して空隙が形成され、テンプレート剤が電池内で電解液に溶解した際に負極上での不動態皮膜を形成するための添加剤として機能することを特徴とする請求項1〜7いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
- テンプレート剤が不飽和結合を含有する環状カーボネート又は鎖状カーボネートである請求項1〜8いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
- テンプレート剤がスルファイト、アセテート、ピリジン、マレイン酸、シラン化合物から選ばれる少なくとも1種の化合物である請求項1〜8いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
- テンプレート剤がハロゲン化環状カーボネート又は鎖状カーボネートである請求項1〜8いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
- 多孔質基体が、ポリオレフィンからなる多孔質基体である請求項1〜11いずれかに記載の電気化学素子用セパレータ。
- 請求項1〜12いずれかに記載の電気化学素子用セパレータを有するリチウムイオン電池。
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---|---|---|---|
JP2008190810A JP2010027547A (ja) | 2008-07-24 | 2008-07-24 | 電気化学素子用セパレータ、およびそれを用いたリチウムイオン電池 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011228188A (ja) * | 2010-04-22 | 2011-11-10 | Hitachi Maxell Energy Ltd | 電気化学素子用セパレータ、電気化学素子およびその製造方法 |
KR101419772B1 (ko) | 2013-03-14 | 2014-07-17 | (주)에프티이앤이 | 내열성이 향상된 이차전지용 내열성/무기 고분자 2층 분리막 및 이의 제조방법 |
CN108682773A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-10-19 | 杨晓丽 | 一种锂电池隔膜及其制备方法 |
KR20210093691A (ko) * | 2020-01-20 | 2021-07-28 | 한양대학교 에리카산학협력단 | 이차전지 분리막 코팅물질의 제조방법, 상기 코팅 물질을 포함하는 분리막, 및 상기 분리막을 포함하는 이차전지 |
-
2008
- 2008-07-24 JP JP2008190810A patent/JP2010027547A/ja active Pending
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