JP2010050076A - Separator for electrochemical element, lithium battery or lithium ion battery using this, and manufacturing method of separator for electrochemical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学素子用セパレータ、これを用いたリチウム電池又はリチウムイオン電池、及び電気化学素子用セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to an electrochemical element separator, a lithium battery or a lithium ion battery using the same, and a method for producing an electrochemical element separator.
近年、ノートパソコン又は携帯電話など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。 In recent years, a secondary battery having a high voltage and a high energy density has been demanded as a power source for mobile terminals such as notebook computers and mobile phones. At present, in order to satisfy the capabilities required for these applications, a lithium ion secondary battery using a non-aqueous electrolyte is drawing attention.
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、電池の内部短絡時又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。 A non-aqueous electrolyte secondary battery typified by a lithium ion secondary battery has a high battery voltage and high energy, so that a large current flows when the battery is internally short-circuited or externally short-circuited. Therefore, at the time of short circuit, there is a problem of battery heat generation due to Joule heat generation, and a problem of battery swelling and characteristic deterioration due to gas generation due to melting and decomposition of the electrolyte and separator.
これらの問題を解決するため、ポリプロピレン又はポリエチレン製の微細孔を有する合成樹脂フィルムからなるセパレータを用いた非水電解液電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、短絡時の発熱によってセパレータの微細孔が溶融物で塞がれ、イオンの移動が阻止されて電流が流れなくなり、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。 In order to solve these problems, a non-aqueous electrolyte battery using a separator made of a synthetic resin film having fine pores made of polypropylene or polyethylene has been proposed (for example, see Patent Document 1). Patent Document 1 describes that heat generated at the time of a short circuit clogs the micropores of the separator with a melt, prevents the movement of ions, prevents current from flowing, and suppresses excessive heat generation and ignition of the battery. ing.
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。 Currently, as the use of nonaqueous electrolyte secondary batteries expands, batteries with higher safety are required. In particular, there is a demand for improvement in safety when an internal short circuit occurs.
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。 When an internal short circuit occurs, it is considered that the temperature may be 600 ° C. or higher in the short circuit part due to local heat generation. For this reason, in the conventional separator which consists of polyolefin resin, the separator of the short circuit part may shrink | contract by the heat | fever at the time of a short circuit, and the contact area (short circuit area) of a positive electrode and a negative electrode may increase.
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(例えば、特許文献2及び3参照)。ところが、特許文献2及び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が阻害され、電池の内部抵抗が高くなるという問題点があった。
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電気化学素子用セパレータ及びこれを用いたリチウム電池又はリチウムイオン電池を提供することを目的とするものである。 In view of such circumstances, the present invention provides a novel separator for an electrochemical element that can suppress the heat generation of the battery at the time of internal or external short circuit and can constitute an electrochemical element with reduced internal resistance, and lithium using the same. An object of the present invention is to provide a battery or a lithium ion battery.
本発明者らは、上記の問題点を解決するために種々検討した結果、本発明を完成するに至った。 As a result of various studies to solve the above problems, the present inventors have completed the present invention.
本発明は、(1)フィラー粒子及び結着剤を含有し空隙を有する耐熱性多孔質層からなるセパレータであって、前記空隙はテンプレート剤により作製されたものであることを特徴とする電気化学素子用セパレータに関する。 The present invention is (1) a separator comprising a heat-resistant porous layer containing filler particles and a binder and having voids, wherein the voids are produced by a template agent. The present invention relates to an element separator.
また、本発明は、(2)多孔質基体と、前記多孔質基体の表面に設けられた耐熱性多孔質層を有する電気化学素子用セパレータであって、前記耐熱性多孔質層がフィラー粒子及び結着剤を含有し空隙を有する層であり、前記空隙がテンプレート剤により作製されたものであることを特徴とする電気化学素子用セパレータに関する。 The present invention also provides (2) a separator for an electrochemical device having a porous substrate and a heat-resistant porous layer provided on the surface of the porous substrate, wherein the heat-resistant porous layer comprises filler particles and The present invention relates to a separator for an electrochemical element, characterized in that it is a layer containing a binder and having voids, and the voids are made of a template agent.
また、本発明は、(3)前記空隙は、フィラー粒子、結着剤及びテンプレート剤を含有する耐熱性層からテンプレート剤を除去することにより作製されてなることを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 In the present invention, (3) wherein the void is produced by removing the template agent from the heat-resistant layer containing filler particles, a binder, and the template agent. It is related with the separator for electrochemical elements as described in (2).
また、本発明は、(4)前記空隙は、フィラー粒子、結着剤及びテンプレート剤を含有する耐熱性層からテンプレート剤を電解液中に溶解させることにより作製されてなることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 The present invention is also characterized in that (4) the void is produced by dissolving a template agent in an electrolytic solution from a heat-resistant layer containing filler particles, a binder and a template agent. It is related with the separator for electrochemical elements as described in any one of (1)-(3).
また、本発明は、(5)前記テンプレート剤が電解液に可溶性である前記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 The present invention also relates to (5) the separator for an electrochemical element according to any one of (1) to (4), wherein the template agent is soluble in an electrolytic solution.
また、本発明は、(6)前記テンプレート剤が金属の酸化物、金属の炭酸塩、金属の硝酸塩、金属のクエン酸塩、金属のアンモニウム塩、金属の酢酸塩、イオン液体、高分子及びリチウム塩から選ばれる少なくとも一種を含む前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 In the present invention, (6) the template agent is a metal oxide, metal carbonate, metal nitrate, metal citrate, metal ammonium salt, metal acetate, ionic liquid, polymer and lithium. It is related with the separator for electrochemical elements as described in any one of said (1)-(5) containing at least 1 type chosen from salt.
また、本発明は、(7)前記テンプレート剤が電池内の電解液に溶解した際に、過充電防止剤として機能することを特徴とする前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 Moreover, this invention functions as an overcharge prevention agent, when the said template agent melt | dissolves in the electrolyte solution in a battery (7) Any one of said (1)-(5) characterized by the above-mentioned. It is related with the separator for electrochemical elements of description.
また、本発明は、(8)前記テンプレート剤が、アルキル置換ベンゼン化合物、アリール置換ベンゼン化合物、ジアリールエーテル化合物及びハロゲン置換アニソール化合物から選ばれる少なくとも一種を含む前記(7)記載の電気化学素子用セパレータ。 The present invention also relates to (8) the separator for electrochemical devices according to (7), wherein the template agent contains at least one selected from alkyl-substituted benzene compounds, aryl-substituted benzene compounds, diaryl ether compounds and halogen-substituted anisole compounds. .
また、本発明は、(9)前記テンプレート剤が電池内の電解液に溶解した際に、電解液の難燃化剤として機能することを特徴とする前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 In addition, according to any one of the above (1) to (5), the present invention (9) functions as a flame retardant for the electrolytic solution when the template agent is dissolved in the electrolytic solution in the battery. The separator for an electrochemical element according to one item.
また、本発明は、(10)前記テンプレート剤が、リン酸エステル化合物及びホスファゼン化合物から選ばれる少なくとも一種を含む前記(9)記載の電気化学素子用セパレータ。 Moreover, this invention is (10) The separator for electrochemical devices of the said (9) description in which the said template agent contains at least 1 type chosen from a phosphate ester compound and a phosphazene compound.
また、本発明は、(11)前記テンプレート剤が電池内の電解液に溶解した際に、正極集電体の腐食防止剤として機能することを特徴とする前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 Further, the present invention provides (11) any one of the above (1) to (5), wherein the template agent functions as a corrosion inhibitor for the positive electrode current collector when dissolved in the electrolyte solution in the battery. It is related with the separator for electrochemical elements as described in any one.
また、本発明は、(12)前記テンプレート剤が、O−B結合を有するリチウム塩である前記(11)記載の電気化学素子用セパレータに関する。 The present invention also relates to (12) the separator for electrochemical elements according to (11), wherein the template agent is a lithium salt having an OB bond.
また、本発明は、(13)前記フィラー粒子が、Al2O3、SiO2、モンモリロナイト、雲母、ZnO、TiO2、BaTiO3、ZrO2及びガラスから選ばれる少なくとも一種を含む前記(1)〜(12)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 The invention also relates to (13) wherein the filler particles, Al 2 O 3, SiO 2 , said containing montmorillonite, mica, ZnO, at least one selected from TiO 2, BaTiO 3, ZrO 2 and glass (1) - It relates to the separator for electrochemical elements as described in any one of (12).
また、本発明は、(14)前記フィラー粒子が、少なくともAl2O3を含む前記(1)〜(13)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 The present invention also relates to (14) the separator for an electrochemical element according to any one of (1) to (13), wherein the filler particles contain at least Al 2 O 3 .
また、本発明は、(15)前記フィラー粒子の二次粒子の平均粒子径が、5nm〜5μmである前記(1)〜(14)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 Moreover, this invention relates to the separator for electrochemical elements as described in any one of said (1)-(14) whose average particle diameter of the secondary particle of the said filler particle is 5 nm-5 micrometers (15).
また、本発明は、(16)前記結着剤が、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂である前記(1)〜(15)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 The present invention also relates to (16) the separator for an electrochemical element according to any one of (1) to (15), wherein the binder is a thermosetting resin or a thermoplastic resin.
また、本発明は、(17)前記多孔質基体が、ポリオレフィンを含む前記(2)〜(16)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータに関する。 The present invention also relates to (17) the separator for an electrochemical element according to any one of (2) to (16), wherein the porous substrate contains polyolefin.
また、本発明は、(18)前記(1)〜(17)のいずれか一項に記載の電気化学素子用セパレータを有するリチウム電池又はリチウムイオン電池に関する。 Moreover, this invention relates to the lithium battery or lithium ion battery which has the separator for electrochemical elements as described in any one of (18) said (1)-(17).
また、本発明は、(19)フィラー粒子、テンプレート剤及び結着剤を含む組成物を加熱して、フィラー粒子、結着剤及びテンプレート剤を含有する耐熱性層を形成する工程、次いで耐熱性層からテンプレート剤を除去することにより耐熱性層に空隙を作製し、耐熱性多孔質層を形成する工程を含む電気化学素子用セパレータの製造方法に関する。 The present invention also includes (19) a step of heating a composition containing filler particles, a template agent and a binder to form a heat-resistant layer containing the filler particles, the binder and the template agent, and then heat resistance. It is related with the manufacturing method of the separator for electrochemical elements including the process of producing a space | gap in a heat resistant layer by removing a template agent from a layer, and forming a heat resistant porous layer.
また、本発明は、(20)前記テンプレート剤を電解液に溶解することにより除去することを特徴とする前記(19)記載の電気化学素子用セパレータの製造方法に関する。 The present invention also relates to (20) the method for producing a separator for an electrochemical element according to (19), wherein the template agent is removed by dissolving in an electrolytic solution.
本発明の電気化学素子用セパレータは、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、内部抵抗を抑制することができる。また、本発明のリチウム電池又はリチウムイオン電池は、電池の安全性が向上した、内部抵抗が低い電池である。 The separator for electrochemical elements of the present invention can suppress heat generation of the battery at the time of internal or external short circuit, and can suppress internal resistance. Moreover, the lithium battery or lithium ion battery of the present invention is a battery having improved internal safety and low internal resistance.
以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the invention will be described below.
本発明の電気化学素子用セパレータ1は、図1に示すようにフィラー粒子3及び結着剤5を含有し空隙4を有する耐熱性多孔質層2からなるセパレータであって、前記空隙4はテンプレート剤により作製されたものであることを特徴とする。 The separator 1 for an electrochemical element of the present invention is a separator comprising a heat-resistant porous layer 2 containing filler particles 3 and a binder 5 and having voids 4 as shown in FIG. It is produced by an agent.
また、本発明の電気化学素子用セパレータ1は、図2に示すように多孔質基体6と、前記多孔質基体6の表面に設けられた耐熱性多孔質層2’を有する電気化学素子用セパレータであって、前記耐熱性多孔質層2’がフィラー粒子3及び結着剤5を含有し空隙4を有し、前記空隙4がテンプレート剤により作製されたものであることを特徴とする。この場合、耐熱性多孔質層2’は多孔質基体6の片側のみに配置(図2を参照)しても、両面に配置(図示せず)しても良い。 Moreover, the separator 1 for electrochemical elements of this invention is the separator for electrochemical elements which has the porous base | substrate 6 and the heat resistant porous layer 2 'provided in the surface of the said porous base | substrate 6, as shown in FIG. The heat-resistant porous layer 2 ′ contains filler particles 3 and a binder 5 and has voids 4, and the voids 4 are made of a template agent. In this case, the heat-resistant porous layer 2 ′ may be disposed only on one side of the porous substrate 6 (see FIG. 2) or may be disposed on both sides (not shown).
このように、本発明においては、フィラー粒子、テンプレート剤及び結着剤を含む組成物を、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を含む組成物を用いて形成された層を、単に「耐熱性層」という)、空隙を作製し(以下、「耐熱性層」に空隙が形成された層を、単に「耐熱性多孔質層」という)、それをそのまま(図1を参照)、あるいは、従来セパレータに使用されている多孔質基体と組み合わせて(図2〜図4を参照)、電気化学素子用セパレータとして使用することができる。多孔質基体と組み合わせて用いることにより、電気化学素子用セパレータに柔軟性を付与しやすくなる。多孔質基体と組み合わせる場合は、上記のように多孔質基体6の表面に耐熱性多孔質層2’を設けた形態(図2を参照)でも、多孔質基体6の細孔7内に耐熱性多孔質層を設けた形態(図3を参照)であってもよい。 Thus, in the present invention, a composition containing filler particles, a template agent, and a binder is formed, for example, in a layered form (hereinafter, formed using a composition containing filler particles, a template agent, and a binder). Layer is simply referred to as “heat-resistant layer”), and voids are produced (hereinafter, a layer in which voids are formed in the “heat-resistant layer” is simply referred to as “heat-resistant porous layer”), and it is left as it is (see FIG. 1) or in combination with a porous substrate conventionally used for a separator (see FIGS. 2 to 4), it can be used as a separator for an electrochemical element. By using it in combination with a porous substrate, it becomes easy to impart flexibility to the separator for electrochemical devices. When combined with the porous substrate, the heat resistant porous layer 2 ′ is provided on the surface of the porous substrate 6 as described above (see FIG. 2), and the heat resistance is contained in the pores 7 of the porous substrate 6. The form (refer FIG. 3) which provided the porous layer may be sufficient.
本発明の電気化学素子用セパレータは、空隙を有することによって、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。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。空隙の大きさは、リチウムイオンが通過できる大きさであれば特に限定されないが、耐熱性多孔質層の機械的強度の観点から平均空隙径が5nm〜5μmであることが好ましく、0.01μm〜1μmであることがより好ましい。また、電気化学素子用セパレータにおける空隙の占める体積割合は、耐熱性多孔質層の機械的強度の観点から、5〜80体積%であることが好ましい。また、空隙は、均一若しくはほぼ均一に形成されていることが好ましい。 Since the separator for an electrochemical element of the present invention has a void, an ion conduction path is secured, so that the resistance can be reduced. The voids may be continuous holes or non-continuous holes, but are preferably continuous holes from the viewpoint of reducing resistance. The size of the void is not particularly limited as long as lithium ions can pass through, but the average void diameter is preferably 5 nm to 5 μm from the viewpoint of the mechanical strength of the heat-resistant porous layer, preferably 0.01 μm to More preferably, it is 1 μm. Moreover, it is preferable that the volume ratio which the space | gap in the separator for electrochemical elements occupies is 5-80 volume% from a viewpoint of the mechanical strength of a heat resistant porous layer. The voids are preferably formed uniformly or substantially uniformly.
本発明における耐熱性多孔質層の厚さは特に制限はないが、好ましくは0.5μm〜50μm、より好ましくは0.5μm〜30μmである。耐熱性多孔質層の厚さが0.5μm未満の場合は、電気化学素子用セパレータの耐熱性が不十分となり、安全性の高い電池を提供することが難しい場合があり、50μmを超える場合は、それを用いた電気化学デバイスのエネルギー密度の点で不利となる可能性がある。 The thickness of the heat-resistant porous layer in the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.5 μm to 50 μm, more preferably 0.5 μm to 30 μm. When the thickness of the heat-resistant porous layer is less than 0.5 μm, the heat resistance of the separator for electrochemical elements becomes insufficient, and it may be difficult to provide a highly safe battery. When the thickness exceeds 50 μm This may be disadvantageous in terms of the energy density of an electrochemical device using the same.
以下、本発明の電気化学素子用セパレータを構成する各成分について説明する。
(フィラー粒子)
本発明において、フィラー粒子は電気化学素子用セパレータに耐熱性及び強度を付与させる目的で用いられる。用いられるフィラー粒子としては、融点が120℃以上の粒子であることが好ましく、150℃以上であることがより好ましい。また、融点の上限は特に制限はないが、4000℃以下であることが好ましく、3000℃以下であることがより好ましい。前記融点が120℃未満である場合は、耐熱性を付与しし難くなる。
Hereafter, each component which comprises the separator for electrochemical elements of this invention is demonstrated.
(Filler particles)
In the present invention, the filler particles are used for the purpose of imparting heat resistance and strength to the separator for electrochemical devices. The filler particles used are preferably particles having a melting point of 120 ° C. or higher, and more preferably 150 ° C. or higher. Moreover, although the upper limit of melting | fusing point does not have a restriction | limiting in particular, It is preferable that it is 4000 degrees C or less, and it is more preferable that it is 3000 degrees C or less. When the melting point is less than 120 ° C., it is difficult to impart heat resistance.
フィラー粒子の形状としては特に制限はなく、無定形フィラー、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が、フィラー粒子は耐熱性層内に均一に分散していることが好ましいため、この点から球形フィラーが好ましい。フィラー粒子の分散が不均一である場合、フィラー粒子が存在していない部分又はフィラー粒子が少ない部分は耐熱性が低下し、電池として使用した場合、異常発熱時にその部分に穴が開いてしまうおそれがあるため、フィラー粒子の分散は均一であることが望ましい。
フィラー粒子の粒子径は、特に限定されないが、二次粒子の平均粒子径が5nm〜5μmであることが好ましく、0.01μm〜1μmであることがより好ましい。平均粒子径が5μmを超えると、電気化学素子用セパレータの強度が低下し、即ち脆くなり、また表面の平滑性が低下する傾向があり、5nm未満であると分散性が低下するため、フィラー粒子が均一に分散した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は、レーザー回折散乱法を用いて測定できる。
The shape of the filler particles is not particularly limited and may be any of an amorphous filler, a plate-like filler, a needle-like filler, and a spherical filler, but the filler particles may be uniformly dispersed in the heat-resistant layer. In view of this, spherical fillers are preferred from this point. When the dispersion of the filler particles is uneven, the heat resistance of the portion where the filler particles are not present or the portion where the filler particles are small is lowered, and when used as a battery, a hole may be formed in the portion when abnormal heat is generated. Therefore, it is desirable that the filler particles be uniformly dispersed.
The particle diameter of the filler particles is not particularly limited, but the average particle diameter of the secondary particles is preferably 5 nm to 5 μm, and more preferably 0.01 μm to 1 μm. When the average particle size exceeds 5 μm, the strength of the separator for electrochemical devices decreases, that is, becomes brittle, and the smoothness of the surface tends to decrease. When the average particle size is less than 5 nm, the dispersibility decreases. However, it tends to be difficult to produce a separator in which is uniformly dispersed. The average particle diameter of the secondary particles can be measured using a laser diffraction scattering method.
また、フィラー粒子の含有量は、フィラー粒子、テンプレート剤及び結着剤の合計重量の5重量%以上95重量%以下であることが好ましく、10重量%以上75重量%以下であることがより好ましい。フィラー粒子の含有量が、5重量%未満であると、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、電気化学素子用セパレータが脆くなり、取り扱いが難しくなる場合がある。 The content of the filler particles is preferably 5% by weight or more and 95% by weight or less, more preferably 10% by weight or more and 75% by weight or less of the total weight of the filler particles, the template agent and the binder. . If the content of the filler particles is less than 5% by weight, sufficient heat resistance may not be obtained, and if it exceeds 95% by weight, the separator for an electrochemical element may become brittle and difficult to handle. .
本発明で用いられるフィラー粒子として、例えば、電気絶縁性の金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物等からなる粒子や、ポリマー粒子が挙げられる。これら粒子は、単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。フィラー粒子の具体例としては、Al2O3、SiO2、モンモリロナイト、雲母、ZnO、TiO2、BaTiO3、ZrO2、ガラス等の金属酸化物からなる粒子;窒化ケイ素、窒化ガリウム、窒化チタン、窒化リチウム等の金属窒化物からなる粒子;WC、W2C、CuC、CoC、VC、MnC、ZrC、NbC、CrC、MoC、W0.3Co0.2C0.5等の金属炭化物からなる粒子;架橋ポリメチルメタクリレート(架橋PMMA)などの架橋アクリル系ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、架橋ポリウレタン、架橋ポリスチレン、ベンゾグアナミンポリマー、メラミンポリマー、ポリオレフィンポリマー等のポリマー粒子;等が挙げられる。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。 Examples of filler particles used in the present invention include particles made of electrically insulating metal oxides, metal nitrides, metal carbides, and the like, and polymer particles. These particles may be used alone or in combination of two or more. Specific examples of the filler particles include particles made of metal oxides such as Al 2 O 3 , SiO 2 , montmorillonite, mica, ZnO, TiO 2 , BaTiO 3 , ZrO 2 , glass; silicon nitride, gallium nitride, titanium nitride, Particles made of metal nitride such as lithium nitride; from metal carbides such as WC, W 2 C, CuC, CoC, VC, MnC, ZrC, NbC, CrC, MoC, W 0.3 Co 0.2 C 0.5, etc. And particles such as crosslinked acrylic polymer such as crosslinked polymethyl methacrylate (crosslinked PMMA), polymer particles such as polytetrafluoroethylene, crosslinked polyurethane, crosslinked polystyrene, benzoguanamine polymer, melamine polymer, polyolefin polymer, and the like. In the present invention, a metal oxide is preferably used, and among these, Al 2 O 3 particles can be suitably used.
(結着剤)
本発明で用いられる結着剤は、フィラー粒子とテンプレート剤とを分散させ、耐熱性層を形成することができれば特に制限はなく、例えば、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を好適に使用できる。
(Binder)
The binder used in the present invention is not particularly limited as long as the filler particles and the template agent can be dispersed and a heat-resistant layer can be formed. For example, a thermosetting resin or a thermoplastic resin can be suitably used.
熱硬化性樹脂としては、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、エポキシ樹脂等を挙げることができる。後述する電気化学素子用セパレータの製造方法におけるフィラー粒子、テンプレート剤及び結着剤を含む液状の組成物を加熱する工程において、同時に結着剤成分である熱硬化性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、ABS樹脂(アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂)、アクリル樹脂等が挙げられる。また、これらの共重合体を用いることもできる。 Examples of the thermosetting resin include an aramid resin, a phenol resin, an epoxy resin, a urethane resin, and an epoxy resin. In the step of heating the liquid composition containing the filler particles, the template agent and the binder in the method for producing the separator for electrochemical elements described later, the thermosetting resin which is the binder component can be simultaneously cured. Thermoplastic resins include polyethylene (high density polyethylene, medium density polyethylene, low density polyethylene), polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, polystyrene, polyvinyl acetate, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene. , ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene resin), acrylic resin and the like. Moreover, these copolymers can also be used.
結着剤の含有量は、フィラー粒子、テンプレート剤及び結着剤の合計重量の5重量%以上90重量%以下であることが好ましく、10重量%以上50重量%以下であることがより好ましい。結着剤の含有量が、5重量%未満であると、フィラー粒子、テンプレート剤、多孔質基体とをつなぎ止める結着剤としての機能が不足する場合があり、90重量%を超えると、フィラー粒子及びテンプレート剤の含有量が不足し、耐熱性又は低抵抗の効果が得られ難くなる可能性がある。 The content of the binder is preferably 5% by weight or more and 90% by weight or less, and more preferably 10% by weight or more and 50% by weight or less of the total weight of the filler particles, the template agent, and the binder. When the content of the binder is less than 5% by weight, the function as a binder for connecting the filler particles, the template agent, and the porous substrate may be insufficient. When the content exceeds 90% by weight, the filler particles In addition, the content of the template agent may be insufficient, and it may be difficult to obtain an effect of heat resistance or low resistance.
(テンプレート剤)
本発明においてテンプレート剤は、耐熱性多孔質層に空隙を作製するために用いるものである。かかるテンプレート剤としては、フィラー粒子及び結着剤を含む耐熱性層中に分散又は溶解して存在し、耐熱性層から除去できるものであれば特に制限はなく、電解液に可溶性であるものが好ましい。
(Template agent)
In the present invention, the template agent is used for producing voids in the heat-resistant porous layer. The template agent is not particularly limited as long as it is dispersed or dissolved in the heat-resistant layer containing the filler particles and the binder and can be removed from the heat-resistant layer, and is soluble in the electrolyte solution. preferable.
かかるテンプレート剤としては、例えば、金属の酸化物、金属の炭酸塩、金属の硝酸塩、金属のクエン酸塩、金属のアンモニウム塩、金属の酢酸塩等の無機物が挙げられ、前記金属としてはリチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム、珪素、チタン等が挙げられる。 Examples of the template agent include inorganic substances such as metal oxides, metal carbonates, metal nitrates, metal citrates, metal ammonium salts, metal acetates, and the like. Sodium, calcium, magnesium, aluminum, zirconium, silicon, titanium, etc. are mentioned.
また、イオン液体、高分子、リチウム塩等の有機物もテンプレート剤として用いることが出来る。イオン液体としては、融点が室温(25℃)以下であり、室温で液状の外観を呈する塩であるものが好ましいが、融点が室温より高い塩でも、溶媒に溶解した状態でフィラー粒子及び結着剤と混合して耐熱性層の中に分散して使用することができる。イオン液体の組成については特に制限はなく、耐熱性層に均一に分散又は溶解できる組成であれば好適に用いることができる。例えば、カチオンとして、アンモニウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、ピロリウム、オキサゾリウム、オキサゾリニウム、イミダゾリウム、ホスホニウム、スルホニウムが挙げられる。また、アニオンとしては、N(SO2F)2 −、N(SO2CF3)2 −、N(SO2C2F5)2 −、BF4 −、PF6 −、CF3SO3 −又はCF3CO2 −が挙げられ、これらのカチオンとアニオンを組み合わせたイオン液体を用いることができる。上記イオン液体は、単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いることもできる。これらのアニオンの中でも、特に疎水性のアニオンであるN(SO2F)2 −、N(SO2CF3)2 −、N(SO2C2F5)2 −、CF3SO3 −又はCF3CO2 −が好適に用いられる。疎水性のアニオンを用いることにより、それによって構成されるイオン液体の取り扱い性、特に空気雰囲気での取り扱い性が容易になる。高分子としては、特に制限はなく、耐熱性層に均一に分散又は溶解できるものであれば好適に用いることができ、例えば、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等が挙げられる。 Moreover, organic substances, such as an ionic liquid, a polymer | macromolecule, and lithium salt, can also be used as a template agent. As the ionic liquid, a salt having a melting point of room temperature (25 ° C.) or less and a liquid appearance at room temperature is preferable. However, even if the salt has a melting point higher than room temperature, the filler particles and the binder are dissolved in the solvent. It can be mixed with an agent and dispersed in the heat-resistant layer. The composition of the ionic liquid is not particularly limited, and any composition that can be uniformly dispersed or dissolved in the heat-resistant layer can be suitably used. Examples of the cation include ammonium, pyridinium, pyrrolidinium, pyrrolium, oxazolium, oxazolinium, imidazolium, phosphonium, and sulfonium. As anions, N (SO 2 F) 2 − , N (SO 2 CF 3 ) 2 − , N (SO 2 C 2 F 5 ) 2 − , BF 4 − , PF 6 − , CF 3 SO 3 − are used. or CF 3 CO 2 - and the like, can be used an ionic liquid which is a combination of these cations and anions. The said ionic liquid may be used independently and can also be used in mixture of 2 or more types. Among these anions, particularly hydrophobic anions such as N (SO 2 F) 2 − , N (SO 2 CF 3 ) 2 − , N (SO 2 C 2 F 5 ) 2 − , CF 3 SO 3 − or CF 3 CO 2 — is preferably used. By using a hydrophobic anion, the handling property of the ionic liquid constituted thereby, particularly the handling property in an air atmosphere, becomes easy. There is no restriction | limiting in particular as a polymer | macromolecule, If it can disperse | distribute or melt | dissolve uniformly in a heat resistant layer, it can use suitably, For example, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, etc. are mentioned.
リチウム塩としては、電解液に溶解性であるものが好ましく、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、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〕等が挙げられる。 The lithium salt is preferably one which is soluble in the electrolyte solution, for example, LiClO 4, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiSbF 6, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, Li 2 C 2 F 4 ( SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC n F 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2), LiN (RfOSO 2 ) 2 [where Rf is a fluoroalkyl group] Etc.
また、本発明では、テンプレート剤として、電池内の電解液に溶解した際に、過充電防止剤として機能するものを用いることが好ましい。かかる過充電防止剤は、過充電防止作用を高めるために酸化分解電圧が低く、且つ、酸化分解電流が大きいものが好ましいが、酸化分解電圧が低すぎると、電池の使用時、特に高温保存時などに過充電防止剤の酸化電気分解が起こって、電池特性が低下する恐れがある。また、過充電状態で活物質表面に高抵抗の被膜を形成させる化合物が好ましい。このうち、電池の最大動作電圧以上の電池電圧で酸化反応を受ける化合物、特にサイクリックボルタンメトリー法によって測定した酸化電圧が4.3V以上4.9V以下の化合物が好ましい。酸化電圧が4.9Vを超えると、過充電防止の効果が小さくなり、4.3V未満では電池特性を劣化させることがある。酸化電位の上限は4.8V以下、特に4.7V以下が好ましい。酸化電位の下限は4.4V以上、特に4.5V以上が好ましい。 In the present invention, it is preferable to use a template agent that functions as an overcharge preventing agent when dissolved in the electrolyte in the battery. Such an overcharge inhibitor preferably has a low oxidative decomposition voltage and a large oxidative decomposition current in order to enhance the overcharge preventing action. However, when the oxidative decomposition voltage is too low, the battery is used, particularly at high temperature storage. As a result, oxidative electrolysis of the overcharge inhibitor may occur, and the battery characteristics may deteriorate. A compound that forms a high-resistance film on the active material surface in an overcharged state is preferred. Among these, a compound that undergoes an oxidation reaction at a battery voltage higher than the maximum operating voltage of the battery, particularly a compound having an oxidation voltage measured by a cyclic voltammetry method of 4.3 V or more and 4.9 V or less is preferable. If the oxidation voltage exceeds 4.9V, the effect of preventing overcharge is reduced, and if it is less than 4.3V, battery characteristics may be deteriorated. The upper limit of the oxidation potential is 4.8 V or less, particularly 4.7 V or less. The lower limit of the oxidation potential is 4.4V or higher, and particularly preferably 4.5V or higher.
上記過充電防止剤は、アルキル置換ベンゼン化合物、アリール置換ベンゼン化合物、ジアリールエーテル化合物、ハロゲン置換アニソール化合物から選ばれる少なくとも一種を含むものであることが好ましく、具体的には以下のような化合物を挙げることができる。例えば、アルキル置換ベンゼン化合物としては、炭素数が1〜10個のアルキル基で置換されたベンゼン類であり、トルエン、エチルベンゼン、n−プロピルベンゼン、n−ブチルベンゼン、クメン、t−ブチルベンゼン、4−t−ブチルトルエン、テトラリン、シクロヘキシルベンゼン、ジフェニルメタンなど、あるいはこれらのフッ素置換体などが例示される。アリール置換ベンゼン化合物としては、炭素数が6〜12個のアリール基で置換されたベンゼン類を表し、ビフェニル、ナフタレン、o−ターフェニル、m−ターフェニル、p−ターフェニル、o−シクロヘキシルビフェニルなど、2−フルオロビフェニル、4−フルオロビフェニルなどのフッ素置換体などが例示される。ジアリールエーテル類としては、炭素数が6〜12個のアリール基からなるエーテル類を表し、ジフェニルエーテル、ジトルイルエーテル、ジフェノキシベンゼン、ジフェニレンオキシドなど、4−フルオロジフェニルエーテルなどのフッ素置換体などが例示される。あるいはこれらのフッ素置換体などが例示される。ハロゲン置換アニソール類としては、ベンゼン環あるいはメトキシ基の水素をフッ素で置換したアニソールを表し、2,4−ジフルオロアニソール、2,3−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソール、2−フルオロ−4−クロロアニソール、2−クロロ−4−フルオロアニソール、2−フルオロアニソール、3−フルオロアニソール、4−フルオロアニソールなどが例示される。 The overcharge inhibitor is preferably one containing at least one selected from alkyl-substituted benzene compounds, aryl-substituted benzene compounds, diaryl ether compounds, and halogen-substituted anisole compounds. Specific examples include the following compounds. it can. For example, the alkyl-substituted benzene compound is a benzene substituted with an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, such as toluene, ethylbenzene, n-propylbenzene, n-butylbenzene, cumene, t-butylbenzene, 4 Examples include -t-butyltoluene, tetralin, cyclohexylbenzene, diphenylmethane, and the like, or fluorine-substituted products thereof. The aryl-substituted benzene compound represents benzene substituted with an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, such as biphenyl, naphthalene, o-terphenyl, m-terphenyl, p-terphenyl, o-cyclohexylbiphenyl, etc. And fluorine-substituted compounds such as 2-fluorobiphenyl and 4-fluorobiphenyl. Examples of diaryl ethers include ethers composed of aryl groups having 6 to 12 carbon atoms, such as diphenyl ether, ditoluyl ether, diphenoxybenzene, diphenylene oxide, and fluorine-substituted compounds such as 4-fluorodiphenyl ether. Is done. Or these fluorine substitution products etc. are illustrated. Halogen-substituted anisole represents anisole in which hydrogen in a benzene ring or methoxy group is substituted with fluorine, and includes 2,4-difluoroanisole, 2,3-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole, 2-fluoro-4- Examples include chloroanisole, 2-chloro-4-fluoroanisole, 2-fluoroanisole, 3-fluoroanisole, 4-fluoroanisole and the like.
これらのうち、過充電防止作用が高く、且つ、高温保存時などに過充電防止剤の酸化電気分解が起こり難い点で、トルエン、エチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、4−t−ブチルトルエン、ビフェニル、4−フルオロビフェニル、2−フルオロビフェニル、o−ターフェニル、4−フルオロジフェニルエーテル、ジフェニルエーテル、2,4−ジフルオロアニソール、2−フルオロアニソール又は4−フルオロアニソールが好ましく、トルエン、エチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、o−ターフェニル、ビフェニル、4−フルオロジフェニルエーテル、2−フルオロアニソール、4−フルオロアニソールがさらに好ましく、ビフェニルが特に好ましい。かかる過充電防止剤は、適宜選択でき、単一の化合物で用いても良いし、複数の化合物を混合して使用しても良い。複数の化合物を混合する場合は、ビフェニルとトルエン、ビフェニルとエチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼンとトルエン、シクロヘキシルベンゼンとエチルベンゼンを組み合わせることが最も望ましい。 Among these, toluene, ethylbenzene, cyclohexylbenzene, 4-t-butyltoluene, biphenyl, 4-phenyl, 4-methylbenzene, cyclohexylbenzene, 4-tert-butyltoluene, biphenyl, 4-phenyl Fluorobibiphenyl, 2-fluorobiphenyl, o-terphenyl, 4-fluorodiphenyl ether, diphenyl ether, 2,4-difluoroanisole, 2-fluoroanisole or 4-fluoroanisole are preferred, toluene, ethylbenzene, cyclohexylbenzene, o-terphenyl , Biphenyl, 4-fluorodiphenyl ether, 2-fluoroanisole and 4-fluoroanisole are more preferable, and biphenyl is particularly preferable. Such an overcharge inhibitor can be appropriately selected, and may be used as a single compound or a mixture of a plurality of compounds. When mixing a plurality of compounds, it is most desirable to combine biphenyl and toluene, biphenyl and ethylbenzene, cyclohexylbenzene and toluene, or cyclohexylbenzene and ethylbenzene.
また、本発明では、テンプレート剤として、電池内の電解液に溶解した際に、電解液の難燃化剤として機能するものを用いることが好ましい。電解液の難燃化剤としては、エンジニアリングプラスチックの難燃化剤として使用されている化合物の内、電池内で比較的安定に存在できれば、特に制限なく使用することができ、例えば、リン酸エステル化合物又はホスファゼン化合物から選ばれる少なくとも一種を含むものであることが好ましい。 In the present invention, it is preferable to use a template agent that functions as a flame retardant for the electrolytic solution when dissolved in the electrolytic solution in the battery. As a flame retardant for an electrolyte solution, among compounds used as a flame retardant for engineering plastics, any compound can be used without particular limitation as long as it can exist relatively stably in a battery. For example, phosphate ester It is preferable that it contains at least one selected from a compound or a phosphazene compound.
リン酸エステル化合物としては、例えば、一般式(1)で示されるリン酸エステル化合物を挙げることができる。
(式中、R1〜R3は炭素数1〜7の炭化水素基であり、同じであっても異なっていてもよい。また、R1〜R3の水素原子はフッ素原子で置換されていてもよい。)
一般式(1)における炭素数1〜7の炭化水素基は、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシキル基、オクチル基などのアルキル基;フェニル基、メチルフェニル基などのアリール基;等を挙げることができる。また、これらの炭化水素基の水素原子はフッ素原子で置換されていてもよく、それによって化学的安定性を高めやすくなる。これらのなかでも、メチル基又はフェニル基が好ましく、具体的には、リン酸トリメチル又はリン酸トリフェニルがより好ましい。
(In formula, R1-R3 is a C1-C7 hydrocarbon group, and may be same or different. Moreover, the hydrogen atom of R1-R3 may be substituted by the fluorine atom. )
The hydrocarbon group having 1 to 7 carbon atoms in the general formula (1) is an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group, or an octyl group; An aryl group; and the like. Moreover, the hydrogen atom of these hydrocarbon groups may be substituted with a fluorine atom, which facilitates enhancing chemical stability. Among these, a methyl group or a phenyl group is preferable, and specifically, trimethyl phosphate or triphenyl phosphate is more preferable.
ホスファゼン化合物としては、例えば、一般式(2)で表されるホスファゼン化合物を挙げることができる。
(式中、R1〜R6は炭素数1〜10の有機基であり、同じであっても異なっていてもよい。また、R1〜R3の水素原子はフッ素原子で置換されていても良い。)
一般式(2)における炭素数1〜10の有機基は、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、デシル基などのアルキル基;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、オクチルオキシ基などのアルコキシ基;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などのアルコキシアルキル基;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、5,5−ジフルオロ−4−ペンテニル基等のアルケニル基;フェニル基などのアリール基;フェノキシ基等のアリールオキシ基;等が挙げられる。有機基の水素原子をフッ素原子で置換することにより、化学的安定性を高めやすくなる。これらのなかでも、メチル基、エチル基、1,2,2−トリフルオロエテニル基が好ましい。
また、本発明では、テンプレート剤として、電池内の電解液に溶解した際に、正極集電体の腐食防止剤として機能するものを用いることが好ましい。かかる腐食防止剤としては、O(酸素)−B(臭素)結合を有するリチウム塩を用いることが好ましく、具体的にはリチウムビス(オキサレート)ボレート及びリチウムオキサリルジフルオロボレートを挙げることができる。テンプレート剤としてO−B結合を有するリチウム塩を用いることで、テンプレート剤が電解液に溶出して、電池の充放電が行われた際にO−B結合が解離して正極集電体上で安定な不動態被膜を形成すると考えられる。
(Wherein R1 to R6 are organic groups having 1 to 10 carbon atoms and may be the same or different. The hydrogen atoms of R1 to R3 may be substituted with fluorine atoms.)
The organic group having 1 to 10 carbon atoms in the general formula (2) is an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a heptyl group, an octyl group, a nonyl group, and a decyl group; Alkoxy groups such as methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, pentoxy group, hexyloxy group, heptyloxy group, octyloxy group; methoxymethyl group, ethoxymethyl group, propoxymethyl group, butoxymethyl group, methoxyethyl group Alkoxy group such as ethoxyethyl group, propoxyethyl group, methoxypropyl group, ethoxypropyl group, propoxypropyl group; vinyl group, 1-propenyl group, 2-propenyl group, 1-butenyl group, 1-pentenyl group, 3 -Butenyl group, 3-pentenyl group, 2-fluoroethenyl group, 2 2-difluoroethenyl group, 1,2,2-trifluoroethenyl group, 4,4-difluoro-3-butenyl group, 3,3-difluoro-2-propenyl group, 5,5-difluoro-4-pentenyl group Alkenyl groups such as phenyl groups; aryl groups such as phenyl groups; aryloxy groups such as phenoxy groups; By substituting a hydrogen atom of an organic group with a fluorine atom, chemical stability can be easily improved. Among these, a methyl group, an ethyl group, and a 1,2,2-trifluoroethenyl group are preferable.
Moreover, in this invention, it is preferable to use what functions as a corrosion inhibitor of a positive electrode electrical power collector, when it melt | dissolves in the electrolyte solution in a battery as a template agent. As such a corrosion inhibitor, a lithium salt having an O (oxygen) -B (bromine) bond is preferably used, and specific examples include lithium bis (oxalate) borate and lithium oxalyldifluoroborate. By using a lithium salt having an OB bond as a template agent, the template agent elutes into the electrolyte solution, and the OB bond dissociates when the battery is charged and discharged. It is thought to form a stable passive film.
このようなテンプレート剤を用いて正極集電体の腐食を防止することで、これまで正極、例えば、アルミニウムを腐食するためにリチウム電池の電解質塩として使用できなかった、リチウムビス(フルオロアルキルスルホニル)イミド LiN(SO2Rf)2 (Rfはフッ素化アルキルCnF2n+1基を表す)、例えばリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドLiN(SO2CF3)2やリチウムビス(ヘキサフルオロエタンスルホニル)イミド LiN(SO2C2F5)2を使用することができる。また、ビス(フルオロアルキルスルホニル)イミドアニオンN(SO2Rf)2 -からなるイオン液体を電解液溶媒として使用することが可能となる。ここで言うイオン液体とは、融点が室温(25℃)以下であり、室温(25℃)で液状の外観を呈する塩である。 By preventing corrosion of the positive electrode current collector using such a template agent, lithium bis (fluoroalkylsulfonyl) that could not be used as an electrolyte salt of a lithium battery so far as it corrodes the positive electrode, for example, aluminum. Imido LiN (SO 2 Rf) 2 (Rf represents a fluorinated alkyl C n F 2n + 1 group), for example lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide LiN (SO 2 CF 3 ) 2 or lithium bis (hexafluoroethanesulfonyl) ) Imido LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 can be used. In addition, an ionic liquid composed of bis (fluoroalkylsulfonyl) imide anion N (SO 2 Rf) 2 — can be used as an electrolyte solvent. The ionic liquid referred to here is a salt having a melting point of room temperature (25 ° C.) or lower and a liquid appearance at room temperature (25 ° C.).
前記リチウムビス(フルオロアルキルスルホニル)イミドは従来のリチウムイオン二次電池で使用されてきた六フッ化リン酸リチウムLiPF6やLiBF4と比較して、電解液に溶解した際の解離度が高く、高いイオン伝導率を示す電解液を調製することができるとともに、高い熱安定性を示すという利点があり、また、イオン液体は難揮発性であるため、これを電解液溶媒に用いたリチウムイオン電池およびリチウム電池は安全性が高くなる。したがって、これらの使用が可能になることによって、電池としての付加価値が向上する。 Compared with lithium hexafluorophosphate LiPF 6 and LiBF 4 that have been used in conventional lithium ion secondary batteries, the lithium bis (fluoroalkylsulfonyl) imide has a high degree of dissociation when dissolved in an electrolyte, There is an advantage that an electrolytic solution exhibiting high ionic conductivity can be prepared, and there is an advantage that it exhibits high thermal stability, and since the ionic liquid is hardly volatile, a lithium ion battery using this as an electrolytic solution solvent And lithium batteries are more secure. Therefore, the added value as a battery improves by enabling these use.
本発明において、テンプレート剤の配合量は、テンプレート剤/結着剤の重量比率として、好ましくは10/90〜90/10であり、より好ましくは30/70〜70/30である。前記テンプレート剤の重量比率が10未満であると、耐熱性多孔質層に作製される空隙が少なくなるためにイオン伝導経路が不足し内部抵抗が抑制し難くなり、90を超えるとフィラー粒子とテンプレート剤が分散した耐熱性層を形成し難くなる。 In the present invention, the compounding amount of the template agent is preferably 10/90 to 90/10, more preferably 30/70 to 70/30, as the weight ratio of the template agent / binder. When the weight ratio of the template agent is less than 10, the voids formed in the heat-resistant porous layer are reduced, so that the ion conduction path is insufficient and the internal resistance is difficult to suppress. It becomes difficult to form a heat-resistant layer in which the agent is dispersed.
本発明の電気化学素子用セパレータでは、空隙が均一若しくは略均一に形成されていることが好ましく、その為にはテンプレート剤が結着剤中に均一若しくは略均一に分散又は溶解していることが好ましい。テンプレート剤を結着剤中に均一若しくは略均一に分散又は溶解させる方法としては、例えば、結着剤の溶媒に溶解するテンプレート剤を用いて結着剤中に分散又は溶解させる方法、テンプレート剤が結着剤の溶媒に溶解しない場合は、テンプレート剤、フィラー粒子、結着剤、結着剤の溶媒からなるスラリーを機械的に混合すればよい。 In the separator for electrochemical elements of the present invention, the voids are preferably formed uniformly or substantially uniformly, and for this purpose, the template agent may be uniformly or substantially uniformly dispersed or dissolved in the binder. preferable. Examples of a method of dispersing or dissolving the template agent uniformly or substantially uniformly in the binder include, for example, a method of dispersing or dissolving in the binder using a template agent that dissolves in the binder solvent, and a template agent. When not dissolving in the binder solvent, a slurry composed of the template agent, filler particles, binder, and binder solvent may be mechanically mixed.
本発明の電気化学素子用セパレータの製造方法は、フィラー粒子、テンプレート剤及び結着剤を含む組成物を機械的に混合して均一に分散し、次いで加熱して、フィラー粒子、結着剤及びテンプレート剤を含有する耐熱性層を形成する工程(I)、ついで耐熱性層からテンプレート剤を除去することにより耐熱性層に空隙を作製し、耐熱性多孔質層を形成する工程(II)を含むものである。 In the method for producing a separator for an electrochemical device according to the present invention, a composition containing filler particles, a template agent and a binder is mechanically mixed and dispersed uniformly, and then heated to produce filler particles, a binder and A step (I) of forming a heat-resistant layer containing a template agent, and then a step (II) of forming a heat-resistant porous layer by creating voids in the heat-resistant layer by removing the template agent from the heat-resistant layer. Is included.
前記工程(I)では、フィラー粒子、テンプレート剤及び結着剤を含む組成物を機械的に混合して均一に分散し、次いで加熱して、フィラー粒子、結着剤及びテンプレート剤を含有する耐熱性層を形成する。前記組成物の製造方法として、例えば、フィラー粒子と、結着剤を溶媒に溶解又は分散した溶液とを混合し、その後テンプレート剤を混合し、次いで機械的に混合した後、基板に塗布し、加熱することによって溶媒を乾燥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。機械的に混合する方法としては、公知の攪拌機、分散機、粉砕機等を用いることができる。 In the step (I), the composition containing the filler particles, the template agent and the binder is mechanically mixed and dispersed uniformly, and then heated to contain the filler particles, the binder and the template agent. Forming a conductive layer. As a method for producing the composition, for example, filler particles and a solution in which a binder is dissolved or dispersed in a solvent are mixed, then a template agent is mixed, then mechanically mixed, and then applied to a substrate. The method of drying a solvent by heating is mentioned. In addition to the filler particles, template agent, binder, and binder solvent, other substances may be added. As a mechanical mixing method, a known stirrer, disperser, pulverizer, or the like can be used.
結着剤を溶解又は分散する溶媒として、結着剤を溶解又は分散できれば特に制限はなく、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物;3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等の複素環化合物;ジオキサン、テトラヒドロフラン等の環状エーテル類;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の鎖状エーテル類;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、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、グリセリン等のアルコール類;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、ベンゾニトリル等のニトリル化合物;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のエステル類;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の非プロトン極性物質;トルエン、キシレン等の非極性溶媒;メチレンクロリド、エチレンクロリド等の塩素系溶媒;水;等を用いることができる。 The solvent for dissolving or dispersing the binder is not particularly limited as long as the binder can be dissolved or dispersed. For example, carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate; 3-methyl-2-oxazolidinone, N-methylpyrrolidone and the like Heterocyclic compounds; cyclic ethers such as dioxane and tetrahydrofuran; chain ethers such as diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether; methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol Monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol Alcohols such as rumonoalkyl ether, ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerin; nitrile compounds such as acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile; carboxylic acid ester, phosphoric acid ester, Esters such as phosphonic acid esters; aprotic polar substances such as dimethyl sulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide; nonpolar solvents such as toluene and xylene; chlorinated solvents such as methylene chloride and ethylene chloride; water; be able to.
前記溶媒の使用量は、特に限定されないが、結着剤に対して5〜50質量%であることが好ましい。5質量%未満ではフィラー粒子、テンプレート剤、結着剤、結着剤の溶媒からなるスラリーの粘度が高くなり、均一なスラリーを調整することが困難となる傾向があり、50質量%を超えるとフィラー粒子、テンプレート剤、結着剤、結着剤の溶媒からなるスラリーの粘度が低くなり、塗布する際の作業性が悪くなる傾向にある。 Although the usage-amount of the said solvent is not specifically limited, It is preferable that it is 5-50 mass% with respect to a binder. If it is less than 5% by mass, the viscosity of the slurry composed of filler particles, template agent, binder, and binder solvent tends to be high, and it tends to be difficult to prepare a uniform slurry. The viscosity of the slurry composed of the filler particles, the template agent, the binder, and the solvent of the binder is lowered, and the workability during application tends to be deteriorated.
次いで、前記組成物を加熱して、フィラー粒子、結着剤及びテンプレート剤を含有する耐熱性層を形成する。フィラー粒子、テンプレート剤、結着剤、結着剤の溶媒を含有する組成物は、フィラー粒子とテンプレート剤が分散したスラリー状組成物であるため、該スラリー状組成物をフィルムや金属箔などの基板上に塗布し、又は多孔質基体に塗布あるいは含浸させた後、所定の温度に加熱することにより耐熱性層を形成することができる。 Next, the composition is heated to form a heat-resistant layer containing filler particles, a binder and a template agent. Since the composition containing the filler particles, the template agent, the binder, and the binder solvent is a slurry composition in which the filler particles and the template agent are dispersed, the slurry composition can be used as a film or a metal foil. A heat-resistant layer can be formed by heating on a predetermined temperature after coating on a substrate or coating or impregnation on a porous substrate.
加熱は、組成物の成分や耐熱性層の厚さなどに応じて適宜選択されるが、通常は、50〜200℃で1〜60分で行なわれる。また、必要に応じて、真空条件下において加熱してもよい。 Heating is appropriately selected according to the composition of the composition, the thickness of the heat-resistant layer, and the like, but is usually performed at 50 to 200 ° C. for 1 to 60 minutes. Moreover, you may heat on vacuum conditions as needed.
基板としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミドなどのプラスチックフィルム、ガラス、銅、アルミニウムなどの金属箔などを用いることができる。基板の厚さは特に制限はないが、通常は5〜50μmである。 As the substrate, a plastic film such as polyethylene terephthalate or polyimide, a metal foil such as glass, copper, or aluminum can be used. The thickness of the substrate is not particularly limited, but is usually 5 to 50 μm.
多孔質基体としては、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンの微多孔膜、電気絶縁性の有機繊維又は無機繊維、パルプからなる多孔質の織物、不織布、紙などを用いることもできる。電気絶縁性の有機繊維としては、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(商標名)等の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等が挙げられる。電気絶縁性の無機繊維としては、ガラス繊維、アルミナ繊維等が挙げられる。多孔質基体の厚さは特に制限はないが、適度な機械的強度を有し、かつ低抵抗化に適した厚さが好ましく、10〜30μm程度のものが好適である。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を用いることが可能であり、一例として、旭化成ケミカルズ株式会社製のポリエチレン製微多孔膜「ハイポアN8416」が挙げられる。 As the porous substrate, a polyolefin microporous film such as polyethylene or polypropylene, an electrically insulating organic or inorganic fiber, a porous fabric made of pulp, a nonwoven fabric, paper, or the like can be used. Examples of electrically insulating organic fibers include fibers made of thermoplastic polymers such as polyolefin, rayon, vinylon, polyester, acrylic, polystyrene, nylon (trade name), and natural fibers such as manila hemp. Examples of the electrically insulating inorganic fiber include glass fiber and alumina fiber. The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but is preferably a thickness having an appropriate mechanical strength and suitable for lowering resistance, and about 10 to 30 μm is preferable. As the porous substrate, those generally marketed for electrochemical devices can be used. As an example, a polyethylene microporous membrane “Hypore N8416” manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation can be mentioned.
耐熱性層は、少なくともフィラー粒子、結着剤及びテンプレート剤から構成されるが、本発明の効果が得られる範囲で、更にその他の物質を含んでいてもよい。耐熱性層の厚さは特に限定されないが、0.5μm〜5μmが好ましい。耐熱性層の厚さが0.5μm未満であると電気化学素子用セパレータの機械的強度が劣り、また、耐熱性が不十分となり、安全性の高い電池を提供することが難しい場合があり、5μmを超える厚さであると、それを用いた電気化学素子のエネルギー密度の点で不利となる傾向がある。 The heat-resistant layer is composed of at least filler particles, a binder, and a template agent, but may further contain other substances as long as the effects of the present invention are obtained. Although the thickness of a heat resistant layer is not specifically limited, 0.5 micrometers-5 micrometers are preferable. If the thickness of the heat-resistant layer is less than 0.5 μm, the mechanical strength of the separator for electrochemical elements is inferior, and the heat resistance becomes insufficient, and it may be difficult to provide a highly safe battery. When the thickness exceeds 5 μm, there is a tendency to be disadvantageous in terms of the energy density of an electrochemical element using the thickness.
次いで、工程(II)では、耐熱性層からテンプレート剤を除去することにより耐熱性層に空隙を作製し、耐熱性多孔質層を形成する。前記工程(I)で形成された耐熱性層中にはテンプレート剤が分散又は溶解して存在しており、工程(II)において、テンプレート剤を溶解し、結着剤及びフィラーを溶解しない溶媒を用いてテンプレート剤を溶解させ耐熱性層から除去すればよい。工程(II)におけるテンプレート剤の除去方法は、特に限定されないが、電解液に可溶性であるテンプレート剤を用いて電解液に溶解させ除去することが好ましく、電池内で耐熱性層を電解液に浸積してテンプレート剤を電解液に溶解させ除去することがより好ましい。電解液に可溶性であるテンプレート剤としては、電池として使用される電圧範囲で電池の特性を悪化させないものであれば特に制限はなく、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、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〕等のリチウム塩やイオン液体などの他、電池内の電解液に溶解した際に、過充電防止剤として機能するもの、電解液の難燃剤として機能するもの、正極集電体の腐食防止剤として機能するもの等を用いることによって、それぞれの機能が発揮され電池の特性を向上することが可能となる。 Next, in step (II), the template agent is removed from the heat resistant layer to produce voids in the heat resistant layer to form a heat resistant porous layer. In the heat-resistant layer formed in the step (I), the template agent is dispersed or dissolved, and in the step (II), a solvent that dissolves the template agent and does not dissolve the binder and filler. It is sufficient to dissolve the template agent and remove it from the heat resistant layer. The method for removing the template agent in step (II) is not particularly limited, but it is preferable to remove the template agent that is soluble in the electrolytic solution by dissolving it in the electrolytic solution, so that the heat-resistant layer is immersed in the electrolytic solution in the battery. It is more preferable to stack and remove the template agent by dissolving it in the electrolytic solution. The template agent is soluble in the electrolyte solution is not particularly limited as long as it does not deteriorate the characteristics of the battery in a voltage range to be used as a battery, LiClO 4, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiSbF 6, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li 2 C 2 F 4 (SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC n F 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2) LiN (RfOSO 2 ) 2 [where Rf is a fluoroalkyl group] and other lithium salts, ionic liquids, and the like that function as an overcharge inhibitor when dissolved in the electrolyte in the battery. By using a material that functions as a flame retardant, a material that functions as a corrosion inhibitor for the positive electrode current collector, etc., each function is exhibited and the characteristics of the battery It is possible to improve.
テンプレート剤の除去を電池内で行なわない場合は、テンプレート剤が可溶性で、結着剤及びフィラー粒子が不溶性の溶媒を用いてテンプレート剤を溶解させ耐熱性層から除去すればよい。例えば、テンプレート剤が電解液に溶解性である場合は、耐熱性層を電解液に所定時間、浸漬してテンプレート剤を電解液に溶解させ除去すればよい。必要に応じて電解液で洗浄を繰り返し、乾燥することにより、フィラー粒子及び結着剤を含有し空隙を有する耐熱性多孔質層からなるセパレータを得ることができる。 When the template agent is not removed in the battery, the template agent may be dissolved and removed from the heat-resistant layer using a solvent in which the template agent is soluble and the binder and filler particles are insoluble. For example, when the template agent is soluble in the electrolytic solution, the heat-resistant layer may be immersed in the electrolytic solution for a predetermined time to dissolve and remove the template agent in the electrolytic solution. By repeating washing with an electrolytic solution as necessary and drying, a separator comprising a heat-resistant porous layer containing filler particles and a binder and having voids can be obtained.
前記(I)の工程で用いた基材は、工程(II)においてテンプレート剤の除去前又は除去後に剥離され、得られた耐熱性多孔質層はそのまま、あるいは、多孔質基体と組み合わせて電気化学素子用セパレータとして用いることができる。 The base material used in the step (I) is peeled off before or after the template agent is removed in the step (II), and the obtained heat-resistant porous layer is left as it is or in combination with a porous substrate. It can be used as a separator for an element.
かくして得られる本発明の電気化学素子用セパレータは、空隙をテンプレート剤を用いて作製することにより、テンプレート剤を用いない場合に比較して、空隙がより開いた状態となり、電池に用いた際に内部抵抗をより低減することが可能になる。
本発明の電気化学素子用セパレータを用い、リチウム電池又はリチウムイオン電池等の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、電気化学素子用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。
The separator for an electrochemical element of the present invention thus obtained is produced by using a template agent to make the gap more open compared to the case where no template agent is used, and when used in a battery. The internal resistance can be further reduced.
An electrochemical element such as a lithium battery or a lithium ion battery can be produced using the electrochemical element separator of the present invention. The basic structure of an electrochemical element is that a positive electrode and a negative electrode are arranged opposite to each other with a separator for electrochemical elements, and this is impregnated with a non-aqueous electrolyte.
リチウム電池及びリチウムイオン電池の場合、正極に含まれる正極活物質としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4等のリチウムと遷移金属との複合酸化物;MnO2、V2O5等の遷移金属酸化物;MoS2、TiS等の遷移金属硫化物;ポリアセチレン、ポリアセン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン等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;等が用いられる。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等を用いるが、通常、厚みが10〜30μmのアルミニウム箔が好適に用いられる。 In the case of a lithium battery and a lithium ion battery, the positive electrode active material contained in the positive electrode is a composite oxide of lithium and a transition metal such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 ; MnO 2 , V 2 O Transition metal oxides such as 5 ; transition metal sulfides such as MoS 2 and TiS; conductive polymer compounds such as polyacetylene, polyacene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene; poly (2,5-dimercapto-1,3,4 Disulfide compounds such as thiadiazole); As the current collector of the positive electrode, a metal foil such as aluminum; punching metal, net, expanded metal, or the like is used, but usually an aluminum foil having a thickness of 10 to 30 μm is preferably used.
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、フラン樹脂等のコークス類、炭素繊維、ガラス状炭素、熱分解炭素、活性炭等が用いられる。負極に集電体を用いる場合に、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等を用いるが、通常は銅箔が用いられる。この負極の集電体は、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。 As the negative electrode active material contained in the negative electrode, lithium alloys such as lithium metal and lithium aluminum alloy, carbonaceous materials capable of occluding and releasing lithium, cokes such as graphite, phenolic resin, and furan resin, carbon fiber, glassy carbon, Pyrolytic carbon, activated carbon, etc. are used. When a current collector is used for the negative electrode, a copper or nickel foil, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like is used as the current collector. Usually, a copper foil is used. In the case of reducing the thickness of the whole negative electrode in order to obtain a battery having a high energy density, the upper limit of the thickness is preferably 30 μm, and the lower limit is preferably 5 μm.
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、アルミニウム、ニッケル等の金属繊維、天然黒鉛、熱膨張黒鉛、炭素繊維、酸化ルテニウム、酸化チタン等が用いられる。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。 Examples of the conductive aid used when producing an electrode using an electrode active material include carbon black such as acetylene black and ketjen black, metal fibers such as aluminum and nickel, natural graphite, thermally expanded graphite, and carbon fiber. Ruthenium oxide, titanium oxide, etc. are used. Among these, acetylene black and ketjen black that can ensure desired conductivity with a small amount of blend are preferable. In addition, about 0.5-20 mass% is normally mix | blended with a conductive support agent with respect to an electrode active material, However, It is more preferable to mix | blend 1-10 mass%.
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、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、フェノール樹脂等が挙げられる。 As the binder used together with the conductive assistant, various known binders can be used. For example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, carboxymethyl cellulose, fluoroolefin copolymer crosslinked polymer, styrene-butadiene copolymer, poly Examples include acrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyimide, petroleum pitch, coal pitch, and phenol resin.
電解液としては、テンプレート剤を溶解する性質を有するものであり、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ない。例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6 、LiSbF6等の無機リチウム塩;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〕等の有機リチウム塩などを用いることができる。前記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。 The electrolytic solution has a property of dissolving the template agent, and a solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent is used. The lithium salt is not particularly limited as long as it dissociates in a solvent to form Li + ions and does not cause a side reaction such as decomposition in a voltage range used as a battery. For example, inorganic lithium salts such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 ; LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li 2 C 2 F 4 (SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC n F 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2), LiN (RfOSO 2 ) 2 [where Rf is a fluoroalkyl group] and the like can be used. . The concentration of the lithium salt in the electrolytic solution is preferably 0.5 to 2 mol / L, and more preferably 0.9 to 1.5 mol / L.
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制限はない。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等の環状カーボネート類;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等の鎖状カーボネート類;プロピオン酸メチルなどの鎖状エステル類;γ−ブチロラクトンといった環状エステル類;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、テトラグライム等の鎖状エーテル類;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等の環状エーテル類;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等のニトリル類;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、これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用しても差し支えない。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類の混合溶媒など、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。 The organic solvent used in the electrolytic solution is not particularly limited as long as it dissolves the above lithium salt and does not cause a side reaction such as decomposition in the voltage range used as a battery. For example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate; chain esters such as methyl propionate; cyclic such as γ-butyrolactone Esters; chain ethers such as dimethoxyethane, diethyl ether, 1,3-dioxolane, diglyme, triglyme and tetraglyme; cyclic ethers such as dioxane, tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran; acetonitrile, propionitrile, methoxypro Nitriles such as pionitrile; sulfites such as ethylene glycol sulfite; ionic liquids; and the like. It may have, may be used in combination of two or more thereof. In order to obtain a battery with better characteristics, it is desirable to use a combination that can obtain high conductivity, such as a mixed solvent of ethylene carbonate and chain carbonate.
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−ブチルベンゼン等の添加剤を適宜加えることもできる。 In addition, vinylene carbonates, 1,3-propane sultone, diphenyl disulfide, cyclohexane, biphenyl, fluorobenzene, t- for the purpose of improving safety, charge / discharge cycleability, and high-temperature storage properties of these electrolytes. Additives such as butylbenzene can also be added as appropriate.
本発明のリチウム電池又はリチウムイオン電池の形態としては、スチール缶、アルミニウム缶等を外装体(外装缶)として使用した、角筒形や円筒形などの筒形が挙げられる。また、金属を蒸着したラミネートフィルムを外装体としたソフトパッケージ電池とすることもできる。 Examples of the form of the lithium battery or lithium ion battery of the present invention include a cylindrical shape such as a rectangular tube shape or a cylindrical shape using a steel can, an aluminum can, or the like as an exterior body (outer can). Moreover, it can also be set as the soft package battery which used the laminated film which vapor-deposited the metal as an exterior body.
なお、本発明の電気化学素子用セパレータは、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。 The separator for an electrochemical device of the present invention is a polarizable electrode used in an electric double layer capacitor, one of positive and negative electrodes, and the other is a substance capable of inserting / extracting lithium ions used in a lithium ion battery. The present invention can also be applied to a hybrid type electricity storage device as an electrode as an active material.
本発明のリチウム電池又はリチウムイオン電池は、従来公知のリチウム電池又はリチウムイオン電池が用いられている各種用途と同じ用途に適用することができる。 The lithium battery or lithium ion battery of the present invention can be applied to the same applications as those in which conventionally known lithium batteries or lithium ion batteries are used.
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。ただし、下記の実施例は本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the following examples do not limit the present invention.
実施例1
<電気化学素子用セパレータの作製>
フィラー粒子としてAl2O3(アルドリッチ社製「nanopowder Al2O3」、球状フィラー、融点2020℃、)1gを秤量しメノウ乳鉢に入れた。次いで、結着剤を含む溶液としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)のN−メチルピロリドン(NMP)溶液(株式会社クレハ社製「PVDF#1120」、PVDFの濃度12重量%)をPVDFの固形分が0.5gとなるように加えて混合し、さらに、テンプレート剤としてリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド1gを加え、さらにNMP1gを加えてスラリー(a)を作製した。
Example 1
<Preparation of separator for electrochemical device>
As filler particles, 1 g of Al 2 O 3 (“nanopowder Al 2 O 3 ”, spherical filler, melting point 2020 ° C., manufactured by Aldrich) was weighed and placed in an agate mortar. Next, an N-methylpyrrolidone (NMP) solution of polyvinylidene fluoride (PVDF) (“PVDF # 1120” manufactured by Kureha Co., Ltd., concentration of 12% by weight of PVDF) is used as the solution containing the binder, and the solid content of PVDF is 0. Then, 1 g of lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide was added as a template agent, and 1 g of NMP was further added to prepare slurry (a).
このスラリー(a)をガラス基板上に、アプリケーターを用いて100μmのギャップで塗布して、80℃で2時間乾燥し、Al2O3フィラー粒子、テンプレート剤、およびPVDF結着剤で構成される耐熱性層を作製した。ガラス基板上から剥離した耐熱性層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。 This slurry (a) is applied on a glass substrate with a gap of 100 μm using an applicator, dried at 80 ° C. for 2 hours, and composed of Al 2 O 3 filler particles, a template agent, and a PVDF binder. A heat resistant layer was prepared. It was 25 micrometers when the thickness of the heat-resistant layer peeled off from the glass substrate was measured with the micrometer.
次いで、ガラス基板から剥離した耐熱性層を、エチレンカーボネート(キシダ株式会社製)、ジエチルカーボネート(キシダ株式会社製)及びジメチルカーボネート(キシダ株式会社製)の混合溶液(1:1:1体積比)溶液に1時間浸漬し、テンプレート剤を混合溶液中に溶解させ除去した。その後、ジメチルカーボネート(キシダ株式会社製)で繰り返し洗浄した後、80℃で3時間真空乾燥し、耐熱性多孔質層のみからなる電気化学素子用セパレータ(A)が得られた。耐熱性多孔質層のみからなる電気化学素子用セパレータ(A)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。 Next, the heat-resistant layer peeled from the glass substrate was mixed with ethylene carbonate (made by Kishida Co., Ltd.), diethyl carbonate (made by Kishida Co., Ltd.) and dimethyl carbonate (made by Kishida Co., Ltd.) (1: 1: 1 volume ratio). It was immersed in the solution for 1 hour, and the template agent was dissolved and removed in the mixed solution. Then, after repeatedly washing with dimethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.), it was vacuum-dried at 80 ° C. for 3 hours to obtain an electrochemical element separator (A) comprising only a heat-resistant porous layer. It was 25 micrometers when the thickness of the separator (A) for electrochemical elements which consists only of a heat resistant porous layer was measured with the micrometer.
また、電気化学素子用セパレータ(A)の表面を電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「SU−70」)を用いて5万倍で撮影した写真を図5に示す。
用いたAl2O3の平均粒子径をレーザー回折法(株式会社島津製作所製、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(50)は0.07μmであった。
Moreover, the photograph which image | photographed the surface of the separator (A) for electrochemical elements by 50,000 times using the electron microscope (Hitachi High-Technologies Corporation "SU-70") is shown in FIG.
When the average particle diameter of the Al 2 O 3 used was measured by a laser diffraction method (manufactured by Shimadzu Corporation, laser diffraction particle size measuring device “SALD3000J”), the average particle diameter (50) was 0.07 μm.
上記ジメチルカーボネート洗浄の前後における耐熱性層の熱重量変化を、熱重量分析測定計(セイコーインスツルメンツ株式会社製、「SII EXSTAR6000/TGDTA6300」)により測定したところ、ジメチルカーボネート洗浄後の測定結果が、Al2O3フィラー粒子とPVDF結着剤のみの耐熱性層(Al2O3/PVDF=2/1(重量比))の熱重量変化の測定結果と同じであったことから、洗浄によって99重量割合を超えるテンプレート剤が除去されていることを確認した。 The thermogravimetric change of the heat-resistant layer before and after the dimethyl carbonate cleaning was measured with a thermogravimetric analyzer (“SII EXSTAR6000 / TGDTA6300” manufactured by Seiko Instruments Inc.). Since it was the same as the measurement result of the thermogravimetric change of the heat-resistant layer (Al 2 O 3 / PVDF = 2/1 (weight ratio)) of only the 2 O 3 filler particles and the PVDF binder, 99 wt. It was confirmed that the template agent exceeding the ratio was removed.
<耐熱寸法安定性の評価>
実施例1の電気化学素子用セパレータ(A)を裁断して2cm×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、それらを水平にしてステンレス製のバット上に静置した。その後、120℃のオーブン中に1時間放置して面積を測定した。
<Evaluation of heat-resistant dimensional stability>
The electrochemical device separator (A) of Example 1 was cut to obtain a 2 cm × 2 cm square test piece. Next, the test piece was sandwiched between two glass plates having a length of 7.5 cm, a width of 7.5 cm, and a thickness of 5 mm, and then placed horizontally on a stainless steel vat. Then, it left to stand in 120 degreeC oven for 1 hour, and measured the area.
面積維持率=(放置後の面積/放置前の面積:4cm2)×100(%)として評価し、耐熱寸法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、耐熱寸法安定性に優れる。 The area maintenance factor was evaluated as (area after standing / area before standing: 4 cm 2 ) × 100 (%), and used as an index of heat-resistant dimensional stability. The results are shown in Table 1. In addition, it is excellent in heat-resistant dimensional stability, so that an area maintenance factor is large.
<リチウム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(日本化学工業株式会社製、「セルシード10N」)、導電性カーボン(電気化学工業株式会社製、「デンカブラック」)、バインダー樹脂としてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、「PVDF#1120」)及び塗工溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMP)を用い、正極活物質: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(日本蓄電器工業株式会社製、「20CB」)に塗布し、80℃で3時間乾燥させた後、圧延し、直径9mmの円形に打ち抜いて、リチウム二次電池用正極電極を得た。
<Preparation of positive electrode for lithium secondary battery>
Lithium cobaltate as a positive electrode active material (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., “Cellseed 10N”), conductive carbon (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., “Denka Black”), and polyvinylidene fluoride (manufactured by Kureha Corporation, “PVDF # 1120”) and N-methylpyrrolidone (hereinafter referred to as NMP) as a coating solvent, in a ratio of positive electrode active material: conductive carbon: binder resin: NMP = 94: 3: 3: 28 (weight ratio) After mixing and making a paste, applying it to an aluminum current collector foil (“20CB”, manufactured by Nippon Electric Power Industry Co., Ltd.), drying at 80 ° C. for 3 hours, rolling, punching out into a 9 mm diameter circle, A positive electrode for a secondary battery was obtained.
<リチウム二次電池の作製>
対極として厚さ1mm及び直径15mmの円状金属リチウムを用い、また作用極として前記で得られたリチウム二次電池用正極電極を用い、実施例1の電気化学素子用セパレータ(A)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微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)を各1枚ずつ介して対極と作用極を対向させた。ポリエチレン微多孔膜は正極側、電気化学素子用セパレータ(A)は負極側に配した。さらに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体積比)にビニレンカーボネートを1重量%添加した非水電解液を用いて通常の方法によってリチウム二次電池を作製した。
<Production of lithium secondary battery>
The electrochemical element separator (A) of Example 1 was cut using circular metallic lithium having a thickness of 1 mm and a diameter of 15 mm as a counter electrode and the positive electrode for a lithium secondary battery obtained above as a working electrode. The counter electrode and the working electrode were made to face each other through a circular separator having a diameter of 16 mm and a polyethylene microporous membrane (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation, “Hypore N8416”, film thickness 25 μm). The polyethylene microporous membrane was arranged on the positive electrode side, and the separator for electrochemical elements (A) was arranged on the negative electrode side. Further, a secondary lithium secondary solution is prepared by a conventional method using a nonaqueous electrolytic solution in which 1% by weight of vinylene carbonate is added to a mixed solution (1: 1: 1 volume ratio) of 1.0M LiPF 6 / ethylene carbonate, diethyl carbonate and dimethyl carbonate. A battery was produced.
<電極特性の評価>
対極(リチウム極)に対し、0.05Cに相当する電流で4.2Vまで充電した。放電はリチウム極に対して0.1Cに相当する電流で3.0Vまで行い、初期(初回)放電容量(x)を測定した。次いで、0.1Cに相当する電流で4.2Vまで充電した後、2.0Cに相当する電流で3.0Vまで放電を行い、放電容量(y)を測定し、下記式により放電容量維持率(%)を算出した。
<Evaluation of electrode characteristics>
The counter electrode (lithium electrode) was charged to 4.2 V with a current corresponding to 0.05C. Discharge was performed up to 3.0 V with a current corresponding to 0.1 C with respect to the lithium electrode, and the initial (initial) discharge capacity (x) was measured. Next, after charging to 4.2 V with a current corresponding to 0.1 C, the battery was discharged to 3.0 V with a current corresponding to 2.0 C, the discharge capacity (y) was measured, and the discharge capacity maintenance rate was calculated according to the following formula: (%) Was calculated.
放電容量維持率(%)=放電容量(y)/放電容量(x)×100
実施例2
<イオン液体の合成>
ジエチルスルフィド(東京化成工業株式会社製)9.02g(0.1mol)及びアセトニトリル(和光純薬工業株式会社製)20gを、フラスコ中で攪拌し、さらにヨードメタン14.2(0.1mol)を加えた。これを還流下、25℃で攪拌し、10時間反応を行った。反応後、濃縮して得た結晶を酢酸エチル(和光純薬工業株式会社製)500mlを用いて洗浄し、70℃で3時間真空乾燥した。この結晶2.71g(0.01mol)を精製水50mlに溶解し、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(キシダ化学株式会社製)2.87g(0.01mol)を加え、25℃で10時間攪拌した。これに塩化メチレン(和光純薬工業株式会社製)50mlを加えた後、有機相を抽出し、精製水500mlを用いて洗浄した。この有機相を濃縮することによって塩化メチレンを除去した後、160℃で3時間真空乾燥を行い、モレキュラーシーブス4A(和光純薬工業株式会社製)を加え、1日間静置した後に、下記一般式(I)で表されるイオン液体(b)2.5gを得た。
Example 2
<Synthesis of ionic liquid>
Diethyl sulfide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 9.02 g (0.1 mol) and acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 20 g were stirred in a flask, and further, iodomethane 14.2 (0.1 mol) was added. It was. This was stirred at 25 ° C. under reflux and reacted for 10 hours. After the reaction, the crystals obtained by concentration were washed with 500 ml of ethyl acetate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and dried in vacuo at 70 ° C. for 3 hours. 2.71 g (0.01 mol) of this crystal was dissolved in 50 ml of purified water, 2.87 g (0.01 mol) of lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was added, and the mixture was stirred at 25 ° C. for 10 hours. did. To this was added 50 ml of methylene chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and then the organic phase was extracted and washed with 500 ml of purified water. After the methylene chloride was removed by concentrating the organic phase, vacuum drying was performed at 160 ° C. for 3 hours, molecular sieves 4A (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and the mixture was allowed to stand for 1 day. 2.5 g of ionic liquid (b) represented by (I) was obtained.
上記一般式(I)で表されるイオン液体(b)の融点は25℃未満で、NMRスペクトルは、BRUKER社製、「AV400M」により400MHzで測定した。結果は以下の通りである。 The melting point of the ionic liquid (b) represented by the general formula (I) was less than 25 ° C., and the NMR spectrum was measured at 400 MHz by “AV400M” manufactured by BRUKER. The results are as follows.
1H−NMR[ppm]〔d6−ジメチルスルホキシド、δ1.34(t)、δ2.84(s)、δ3.30(m)〕
<電気化学素子用セパレータ及びリチウム二次電池の作製>
実施例1で用いた、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド1gの代わりに上記で得られたイオン液体1gを用いたこと以外は、実施例1と同様の工程を経て、厚さ25μmの電気化学素子用セパレータ(B)及びリチウム二次電池を作製し、同様に評価した。
1 H-NMR [ppm] [d 6 -dimethyl sulfoxide, δ 1.34 (t), δ 2.84 (s), δ 3.30 (m)]
<Preparation of separator for electrochemical element and lithium secondary battery>
An electrochemical process having a thickness of 25 μm was performed through the same steps as in Example 1 except that 1 g of the ionic liquid obtained above was used instead of 1 g of lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide used in Example 1. An element separator (B) and a lithium secondary battery were prepared and evaluated in the same manner.
実施例3
実施例1で用いた、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド1gの代わりに酸化マグネシウム(和光純薬工業株式会社製、平均粒子径50nm)1gを用いたこと、また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媒の代わりに、20重量%塩酸水溶液を用いて酸化マグネシウムを溶解、除去したこと以外は実施例1と同様の工程を経て、厚さ27μmの電気化学素子用セパレータ(C)及びリチウム電池を作製し、同様に評価した。
Example 3
Instead of 1 g of lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide used in Example 1, 1 g of magnesium oxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., average particle size 50 nm) was used, and ethylene carbonate, diethyl carbonate and dimethyl carbonate were used. A 27 μm-thick separator for electrochemical devices (C) and a lithium battery were processed in the same manner as in Example 1 except that 20 wt% hydrochloric acid aqueous solution was used instead of the mixed solvent to dissolve and remove magnesium oxide. Were prepared and evaluated in the same manner.
実施例4
実施例1において作製したスラリー(a)を、ガラス基板上に置いたポリエチレン微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)の上に塗布した後、30℃で真空乾燥した。次いで、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体積比)に1時間浸漬し、テンプレート剤を混合溶液中に溶解させ除去した。その後、ジメチルカーボネートで繰り返し洗浄した後、80℃で3時間真空乾燥し、ポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性多孔質層を配置した電気化学素子用セパレータ(D)を得た。ポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性多孔質層を配置した電気化学素子用セパレータ(D)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。
Example 4
The slurry (a) prepared in Example 1 was applied on a polyethylene microporous membrane (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation, “Hypore N8416”, film thickness 25 μm) placed on a glass substrate, and then vacuum-dried at 30 ° C. did. Subsequently, it was immersed in the mixed solution (1: 1: 1 volume ratio) of ethylene carbonate, diethyl carbonate, and dimethyl carbonate for 1 hour, and the template agent was dissolved and removed in the mixed solution. Then, after repeatedly washing with dimethyl carbonate, it was vacuum-dried at 80 ° C. for 3 hours to obtain an electrochemical element separator (D) in which a heat-resistant porous layer was disposed on a polyethylene microporous film. It was 27 micrometers when the thickness of the separator (D) for electrochemical elements which has arrange | positioned the heat resistant porous layer on the polyethylene microporous film with the micrometer was measured.
電気化学素子用セパレータ(D)を用いて実施例1と同様の操作を行いリチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例1の電気化学素子用セパレータ(A)の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性多孔質層を配置した電気化学素子用セパレータ(D)を用い、電極特性の評価は電気化学素子用セパレータ(A)とポリエチレン微多孔膜の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性多孔質層を配置した電気化学素子用セパレータ(D)を用いた。 Using the electrochemical device separator (D), the same operation as in Example 1 was performed to produce a lithium secondary battery, which was similarly evaluated. That is, the evaluation of the heat-resistant dimensional stability was performed using an electrochemical element separator (D) in which a heat-resistant porous layer was disposed on a polyethylene microporous film instead of the electrochemical element separator (A) of Example 1. For the evaluation of electrode characteristics, an electrochemical element separator (D) in which a heat-resistant porous layer was disposed on a polyethylene microporous film was used instead of the electrochemical element separator (A) and the polyethylene microporous film.
比較例1
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微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm))を2枚重ねて、電気化学素子用セパレータ(E)を作製した。電気化学素子用セパレータ(E)を用いて実施例1と同様の操作を行いリチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例1の電気化学素子用セパレータ(A)の代りに上記ポリエチレン微多孔膜1枚を用い、電極特性の評価は電気化学素子用セパレータ(A)とポリエチレン微多孔膜の代りに上記ポリエチレン微多孔膜を2枚重ねた電気化学素子用セパレータ(E)を用いた。
Comparative Example 1
Electrochemical element separator (E) by stacking two polyethylene microporous membranes (“Hypore N8416”, 25 μm thickness, manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation) widely used as separators for conventional lithium ion secondary batteries Was made. Using the electrochemical device separator (E), the same operation as in Example 1 was performed to produce a lithium secondary battery, which was similarly evaluated. That is, the heat resistant dimensional stability was evaluated by using one polyethylene microporous membrane instead of the electrochemical element separator (A) of Example 1, and the electrode characteristics were evaluated by the electrochemical element separator (A) and the polyethylene fine film. Instead of the porous membrane, an electrochemical device separator (E) in which two polyethylene microporous membranes were stacked was used.
比較例2
リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドを用いないこと以外は実施例1と同様に操作を行い、電気化学素子用セパレータ(F)を作製した。電気化学素子用セパレータ(F)の厚みをマイクロメーターにより測定したところ、24μmであった。
Comparative Example 2
The separator for electrochemical devices (F) was produced in the same manner as in Example 1 except that lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide was not used. It was 24 micrometers when the thickness of the separator (F) for electrochemical elements was measured with the micrometer.
また、電気化学素子用セパレータ(F)の表面を電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「SU−70」)を用いて5万倍で撮影した写真を図6に示す。
電気化学素子用セパレータ(F)を用いて実施例1と同様の操作を行いリチウム二次電池を作製し、同様に評価した。
Moreover, the photograph which image | photographed the surface of the separator for electrochemical elements (F) by 50,000 times using the electron microscope (Hitachi High-Technologies Corporation "SU-70") is shown in FIG.
Using the electrochemical device separator (F), the same operation as in Example 1 was performed to produce a lithium secondary battery, which was similarly evaluated.
比較例3
リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドを用いないこと以外は実施例4と同様に操作を行い、ポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性多孔質層を配置した電気化学素子用セパレータ(G)を作製した。ポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性多孔質層を配置した電気化学素子用セパレータ(G)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。
Comparative Example 3
Except not using lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, operation was performed in the same manner as in Example 4 to prepare an electrochemical device separator (G) in which a heat-resistant porous layer was disposed on a polyethylene microporous membrane. . It was 27 micrometers when the thickness of the separator (G) for electrochemical elements which has arrange | positioned the heat resistant porous layer on the polyethylene microporous film with the micrometer was measured.
電気化学素子用セパレータ(G)を用いて実施例1と同様の操作を行いリチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例1の電気化学素子用セパレータ(A)の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性多孔質層を配置した電気化学素子用セパレータ(G)を用い、電極特性の評価は電気化学素子用セパレータ(A)とポリエチレン微多孔膜の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性多孔質層を配置した電気化学素子用セパレータ(G)を用いた。
なお、実施例1〜3及び比較例2について、「面積維持率」は耐熱性多孔質層単独の面積維持率であり、「放電容量維持率」はセパレータとして耐熱性多孔質層と多孔質基体とを重ねて使用した評価用セルの放電容量維持率である。 For Examples 1 to 3 and Comparative Example 2, the “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of the heat resistant porous layer alone, and the “discharge capacity maintenance ratio” is the heat resistant porous layer and porous substrate as a separator. It is the discharge capacity maintenance rate of the cell for evaluation used repeatedly.
また、実施例4及び比較例3について、「面積維持率」は表面に耐熱性多孔質層を設けた多孔質基体の面積維持率であり、「放電容量維持率」はセパレータとして表面に耐熱性多孔質層を設けた多孔質基体を単独で使用した評価用セルの放電容量維持率である。 For Example 4 and Comparative Example 3, the “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of the porous substrate provided with the heat resistant porous layer on the surface, and the “discharge capacity maintenance ratio” is the heat resistance on the surface as a separator. It is the discharge capacity maintenance rate of an evaluation cell using a porous substrate provided with a porous layer alone.
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、「放電容量維持率」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放電容量維持率である。 In Comparative Example 1, the “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of one layer of the porous substrate, and the “discharge capacity maintenance ratio” is the discharge capacity of the evaluation cell using two layers of the porous substrate as a separator. It is a maintenance rate.
表1に示されるように、実施例1〜4の電気化学素子用セパレータは、面積維持率が高く耐熱寸法安定性に優れているため短絡時における電池の発熱を抑制でき、又、該セパレータを用いたリチウム二次電池は放電容量維持率が高いため内部抵抗を抑制でき、安全性と高性能を両立できることが明らかである。これに対し、ポリエチレン微多孔膜からなる比較例1の電気化学素子用セパレータは、フィラー粒子を含まないため面積維持率が低く耐熱寸法安定性に劣り、テンプレート剤を用いない比較例2及び3の電気化学素子用セパレータを用いたリチウム二次電池は放電容量維持率が低かった。 As shown in Table 1, the separators for electrochemical elements of Examples 1 to 4 can suppress the heat generation of the battery at the time of short circuit because the area retention rate is high and the heat resistant dimensional stability is excellent. Since the lithium secondary battery used has a high discharge capacity maintenance rate, it is clear that internal resistance can be suppressed, and both safety and high performance can be achieved. In contrast, the separator for an electrochemical element of Comparative Example 1 made of a polyethylene microporous film does not contain filler particles, and therefore has a low area maintenance ratio and poor heat-resistant dimensional stability, and Comparative Examples 2 and 3 using no template agent. The lithium secondary battery using the electrochemical element separator had a low discharge capacity retention rate.
実施例5
<電気化学素子用セパレータの作製>
フィラー粒子としてAl2O3(エボニック社製「AEROXIDE AluC」、融点2020℃)1gと、テンプレート剤として蒸留したビフェニル(和光純薬工業株式会社製)0.5gを秤量しメノウ乳鉢に入れた。次いで、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(株式会社クレハ社製「PVDF#1100」)1gを加えた後、シクロヘキサン(和光純薬工業株式会社製)2gを加えてスラリー(c)を作製した。
Example 5
<Preparation of separator for electrochemical device>
1 g of Al 2 O 3 (“AEROXIDE AluC” manufactured by Evonik, melting point 2020 ° C.) as filler particles and 0.5 g of distilled biphenyl (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a template agent were weighed and placed in an agate mortar. Next, after adding 1 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) (“PVDF # 1100” manufactured by Kureha Co., Ltd.) as a binder, 2 g of cyclohexane (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is added to prepare a slurry (c). did.
このスラリー(c)をガラス基板上に、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、Al2O3フィラー粒子、テンプレート剤、およびPVDF結着剤で構成される耐熱性層(h)を作製した。ガラス基板上から剥離した耐熱性層(h)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(株式会社島津製作所製、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。 This slurry (c) is applied on a glass substrate with a gap of 100 μm using an applicator, dried at 40 ° C. for 2 hours, and composed of Al 2 O 3 filler particles, a template agent, and a PVDF binder. A heat resistant layer (h) was produced. It was 25 micrometers when the thickness of the heat-resistant layer (h) peeled from the glass substrate was measured with the micrometer. When the average particle diameter of the Al 2 O 3 used was measured by a laser diffraction method (manufactured by Shimadzu Corporation, laser diffraction particle size measuring instrument “SALD3000J”), the average particle diameter (D50) was 0.1 μm.
<耐熱寸法安定性の評価>
実施例5の耐熱性層(h)をガラス基板から剥離し、エチレンカーボネート(キシダ株式会社製)、ジエチルカーボネート(キシダ株式会社製)及びジメチルカーボネート(キシダ株式会社製)の混合溶液(1:1:1体積比)溶液に1時間浸漬し、テンプレート剤を混合溶液中に溶解させ除去した。その後、ジメチルカーボネート(キシダ株式会社製)で繰り返し洗浄した後、80℃で3時間真空乾燥し、耐熱性多孔質層のみからなる電気化学素子用セパレータ(H)が得られた。電気化学素子用セパレータ(H)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。
<Evaluation of heat-resistant dimensional stability>
The heat-resistant layer (h) of Example 5 was peeled from the glass substrate, and a mixed solution (1: 1) of ethylene carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.), diethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.) and dimethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.). : 1 volume ratio) It was immersed in the solution for 1 hour, and the template agent was dissolved in the mixed solution and removed. Then, after repeatedly washing with dimethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.), it was vacuum-dried at 80 ° C. for 3 hours to obtain an electrochemical element separator (H) consisting only of a heat-resistant porous layer. It was 25 micrometers when the thickness of the separator (H) for electrochemical elements was measured with the micrometer.
上記ジメチルカーボネート洗浄の前後における耐熱性層の熱重量変化を、熱重量分析測定計(セイコーインスツルメンツ株式会社製、「SII EXSTAR6000/TGDTA6300」〕により測定したところ、ジメチルカーボネート洗浄後の測定結果が、Al2O3フィラー粒子とPVDF結着剤のみの耐熱性層(Al2O3/PVDF=2/1(重量比))の熱重量変化の測定結果と同じであったことから、洗浄によってテンプレート剤が除去されていることを確認した。 The thermogravimetric change of the heat-resistant layer before and after the dimethyl carbonate cleaning was measured with a thermogravimetric analyzer (“SII EXSTAR6000 / TGDTA6300” manufactured by Seiko Instruments Inc.). Since it was the same as the measurement result of the thermogravimetric change of the heat-resistant layer (Al 2 O 3 / PVDF = 2/1 (weight ratio)) of only the 2 O 3 filler particles and the PVDF binder, the template agent was washed. Was confirmed to be removed.
電気化学素子用セパレータ(H)を裁断して2cm×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。 The electrochemical element separator (H) was cut to obtain a 2 cm × 2 cm square test piece. Next, the test piece was sandwiched between two glass plates of length 7.5 cm × width 7.5 cm × thickness 5 mm, and then placed horizontally on a stainless steel bat. And it was left to stand in 120 degreeC oven for 1 hour, and the area was measured.
面積維持率=(放置後の面積/放置前の面積:4cm2)×100(%)として評価し、耐熱寸法安定性の指標とした。その結果を表2に示す。なお、面積維持率が大きい程、耐熱寸法安定性に優れる。 The area maintenance rate was evaluated as (area after standing / area before standing: 4 cm 2 ) × 100 (%) and used as an index of heat-resistant dimensional stability. The results are shown in Table 2. In addition, it is excellent in heat-resistant dimensional stability, so that an area maintenance factor is large.
<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(日本化学工業株式会社製、「セルシード10N」)と、導電性カーボン(電気化学工業株式会社製、「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(株式会社クレハ製、「PVDF#1120」)と、塗工溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMP)を用い、正極活物質: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(日本蓄電器工業株式会社製、「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。
<Preparation of positive electrode for lithium ion secondary battery>
Lithium cobalt oxide (“CELLSEED 10N” manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) as the positive electrode active material, conductive carbon (“DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), and polyvinylidene fluoride (Kureha Co., Ltd.) as the binder resin “PVDF # 1120”) and N-methylpyrrolidone (hereinafter referred to as “NMP”) as a coating solvent, positive electrode active material: conductive carbon: binder resin: NMP = 94: 3: 3: 28 (weight ratio) The mixture was made into a paste form at a ratio of, applied to an aluminum current collector foil (manufactured by Nippon Electric Power Industry Co., Ltd., “20CB”), dried at 80 ° C. for 3 hours, rolled, and punched into a circle having a diameter of 14 mm. The positive electrode for lithium ion secondary batteries was obtained.
<リチウム二次電池の作製>
対極として厚さ1mm及び直径15mmの円状金属リチウムを用い、また作用極として前記で得られた正極を用い、実施例5の耐熱性層(h)を裁断して得た直径16mmの円形状の耐熱性層(h)とポリエチレン微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)を各1枚ずつ介して対極と作用極を対向させた。ポリエチレン微多孔膜は正極側、耐熱性層(h)は負極側に配した。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体積比)にビニレンカーボネートを1重量%添加した非水電解液を用いて通常の方法によってリチウム二次電池を作製した。
<Production of lithium secondary battery>
Circular metal lithium having a diameter of 16 mm obtained by cutting the heat-resistant layer (h) of Example 5 using circular metallic lithium having a thickness of 1 mm and a diameter of 15 mm as the counter electrode and the positive electrode obtained above as the working electrode. The counter electrode and the working electrode were made to face each other through a heat-resistant layer (h) and a polyethylene microporous membrane (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation, “Hypore N8416”, film thickness 25 μm). The polyethylene microporous membrane was disposed on the positive electrode side, and the heat-resistant layer (h) was disposed on the negative electrode side. Further, by using a nonaqueous electrolytic solution in which 1% by weight of vinylene carbonate is added to a mixed solution (1: 1: 1 volume ratio) of 1.0M LiPF 6 / ethylene carbonate, diethyl carbonate and dimethyl carbonate, a secondary lithium secondary solution is obtained. A battery was produced.
<電池特性の評価>
対極(リチウム極)に対し、0.05Cに相当する電流で4.2Vまで充電した。放電はリチウム極に対して0.1Cに相当する電流で3.0Vまで行い、初期(初回)放電容量(x)を測定した。次いで、0.1Cに相当する電流で4.2Vまで充電した後、2.0Cに相当する電流で3.0Vまで放電を行い、放電容量(y)を測定し、下記式により放電容量維持率(%)を算出した。
<Evaluation of battery characteristics>
The counter electrode (lithium electrode) was charged to 4.2 V with a current corresponding to 0.05C. Discharge was performed up to 3.0 V with a current corresponding to 0.1 C with respect to the lithium electrode, and the initial (initial) discharge capacity (x) was measured. Next, after charging to 4.2 V with a current corresponding to 0.1 C, the battery was discharged to 3.0 V with a current corresponding to 2.0 C, the discharge capacity (y) was measured, and the discharge capacity maintenance rate was calculated according to the following formula: (%) Was calculated.
放電容量維持率(%)=放電容量(y)/放電容量(x)×100
<過充電防止特性>
1M 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体積比)100重量部に対して、ビニレンカーボネート1重量部及びビフェニル2重量部を溶解し、電解液を調製した。また、作用極にグラッシーカーボンを使用し、参照極と対極には金属リチウムを使用した3電極式電解セルを作製した。この電解セルに前記電解液10mlを入れ、80℃に加熱した後に、過充電防止特性の指標として過充電防止剤の酸化分解開始電圧と酸化分解電流を測定した。酸化分解開始電圧と酸化分解電流の測定は、サイクリックボルタンメトリー法により行い、掃引速度10mV/secで、電圧掃引範囲3.0V〜5.0Vとした。酸化分解開始電圧は、0.5mA/cm2の酸化分解電流が流れた電圧とし、酸化分解電流は4.7Vの酸化電流値とした。ビフェニルの分解電圧は4.48Vであり、4.7Vでの酸化電流値は18mA/cm−2であった。
Discharge capacity retention rate (%) = discharge capacity (y) / discharge capacity (x) × 100
<Overcharge prevention characteristics>
1 part by weight of vinylene carbonate and 2 parts by weight of biphenyl were dissolved in 100 parts by weight of a mixed solution (1: 1: 1 volume ratio) of 1M LiPF 6 / ethylene carbonate, diethyl carbonate and dimethyl carbonate to prepare an electrolytic solution. . In addition, a three-electrode electrolytic cell using glassy carbon as a working electrode and metallic lithium as a reference electrode and a counter electrode was produced. 10 ml of the electrolytic solution was put into this electrolytic cell and heated to 80 ° C., and then the oxidative decomposition starting voltage and oxidative decomposition current of the overcharge inhibitor were measured as indicators of the overcharge prevention characteristics. The oxidative decomposition starting voltage and the oxidative decomposition current were measured by a cyclic voltammetry method, with a sweep rate of 10 mV / sec and a voltage sweep range of 3.0 V to 5.0 V. The oxidative decomposition starting voltage was a voltage at which an oxidative decomposition current of 0.5 mA / cm 2 flowed, and the oxidative decomposition current was an oxidation current value of 4.7V. The decomposition voltage of biphenyl was 4.48 V, and the oxidation current value at 4.7 V was 18 mA / cm −2 .
実施例6
実施例5において作製したスラリー(c)を、ガラス基板上に置いたポリエチレン微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)の上に塗布した後、30℃で真空乾燥し、耐熱性層(i)を作製した。耐熱性層(i)を配置したポリエチレン微多孔膜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。
Example 6
The slurry (c) prepared in Example 5 was applied on a polyethylene microporous membrane (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation, “Hypore N8416”, film thickness 25 μm) placed on a glass substrate, and then vacuum dried at 30 ° C. The heat resistant layer (i) was produced. It was 27 micrometers when the thickness of the polyethylene microporous film | membrane which has arrange | positioned the heat resistant layer (i) was measured with the micrometer.
耐熱性層(i)を用いて実施例5と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例5の電気化学素子用セパレータ(H)の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性層(i)を配置した電気化学素子用セパレータ(I)を用い、電極特性の評価は耐熱性層(h)とポリエチレン微多孔膜の代りに、耐熱性層(i)を配置したポリエチレン微多孔膜を用いた。 Using the heat resistant layer (i), the same operation as in Example 5 was performed to produce a lithium secondary battery and evaluated in the same manner. That is, evaluation of the heat-resistant dimensional stability was performed using the electrochemical element separator (I) in which the heat-resistant layer (i) was disposed on the polyethylene microporous film instead of the electrochemical element separator (H) of Example 5. In the evaluation of the electrode characteristics, a polyethylene microporous membrane in which the heat-resistant layer (i) is arranged is used in place of the heat-resistant layer (h) and the polyethylene microporous membrane.
比較例4
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微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)を2枚重ねて、電気化学素子用セパレータ(J)を作製した。電気化学素子用セパレータ(J)を用いて実施例5と同様の操作を行いリチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例5の電気化学素子用セパレータ(H)の代りに上記ポリエチレン微多孔膜1枚を用い、電極特性の評価は耐熱性層(h)とポリエチレン微多孔膜の代りに上記ポリエチレン微多孔膜を2枚重ねた電気化学素子用セパレータ(J)を用いた。
Comparative Example 4
Two layers of polyethylene microporous membranes ("Hypore N8416" manufactured by Asahi Kasei Chemicals Co., Ltd., 25 μm thick), widely used as separators for conventional lithium ion secondary batteries, are stacked on top of each other to form an electrochemical device separator (J). Produced. Using the electrochemical device separator (J), a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 5 and evaluated in the same manner. That is, the heat resistant dimensional stability was evaluated using one polyethylene microporous film in place of the electrochemical element separator (H) of Example 5, and the electrode characteristics were evaluated using a heat resistant layer (h) and a polyethylene microporous film. Instead of the separator, an electrochemical device separator (J) in which two polyethylene microporous membranes were stacked was used.
作用極にグラッシーカーボンを使用し、参照極と対極には金属リチウムを使用した3電極式電解セルを作製した。この電解セルに電解液として1M 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体積比)100重量部にビニレンカーボネートを1重量部添加した溶液を10ml入れ、80℃に加熱した後に、過充電防止特性の指標として過充電防止剤の酸化分解開始電圧と酸化分解電流を測定した。酸化分解開始電圧と酸化分解電流の測定は、サイクリックボルタンメトリー法により行い、掃引速度10mV/secで、電圧掃引範囲3.0V〜5.0Vとして、過充電防止特性を評価したところ、3〜5Vの間において分解は観測されなかった。 A three-electrode electrolytic cell using glassy carbon as a working electrode and metallic lithium as a reference electrode and a counter electrode was produced. 10 ml of a solution obtained by adding 1 part by weight of vinylene carbonate to 100 parts by weight of a mixed solution (1: 1: 1 volume ratio) of 1M LiPF 6 / ethylene carbonate, diethyl carbonate and dimethyl carbonate as an electrolytic solution was placed in this electrolytic cell at 80 ° C. After heating, the oxidative decomposition onset voltage and oxidative decomposition current of the overcharge inhibitor were measured as indicators of overcharge prevention characteristics. The measurement of the oxidative decomposition starting voltage and the oxidative decomposition current was performed by a cyclic voltammetry method, and the overcharge prevention characteristics were evaluated at a sweep rate of 10 mV / sec and a voltage sweep range of 3.0 V to 5.0 V. No degradation was observed during
比較例5
ビフェニルを用いないこと以外は実施例5と同様に操作を行い、耐熱性層(k)を作製した。耐熱性層の厚みをマイクロメーターにより測定したところ、24μmであった。
Comparative Example 5
A heat resistant layer (k) was produced in the same manner as in Example 5 except that biphenyl was not used. It was 24 micrometers when the thickness of the heat resistant layer was measured with the micrometer.
耐熱性層(k)を用いて実施例5と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。 Using the heat-resistant layer (k), the same operation as in Example 5 was performed to produce a lithium secondary battery and evaluated in the same manner.
比較例6
ビフェニルを用いないこと以外は実施例6と同様に操作を行い、耐熱性層(l)を作製した。耐熱性層(l)を配置したポリエチレン微多孔膜の厚みををマイクロメーターにより測定したところ、27μmであった。
Comparative Example 6
A heat resistant layer (l) was prepared in the same manner as in Example 6 except that biphenyl was not used. It was 27 micrometers when the thickness of the polyethylene microporous film which has arrange | positioned the heat resistant layer (l) was measured with the micrometer.
耐熱性層(l)を用いて実施例5と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例5の電気化学素子用セパレータ(H)の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性層(l)を配置した電気化学素子用セパレータ(L)を用い、電極特性の評価は耐熱性層(h)とポリエチレン微多孔膜の代りに、耐熱性層(l)を配置したポリエチレン微多孔膜を用いた。
なお、実施例5及び比較例5について、「面積維持率」は耐熱性層単独の面積維持率であり、「放電容量維持率」はセパレータとして耐熱性層と多孔質基体とを重ねて使用した評価用セルの放電容量維持率である。 For Example 5 and Comparative Example 5, the “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of the heat resistant layer alone, and the “discharge capacity maintenance ratio” is used by overlapping the heat resistant layer and the porous substrate as a separator. It is the discharge capacity maintenance rate of the cell for evaluation.
また、実施例6及び比較例6について、「面積維持率」は表面に耐熱性層を設けた多孔質基体の面積維持率であり、「放電容量維持率」はセパレータとして表面に耐熱性層を設けた多孔質基体を単独で使用した評価用セルの放電容量維持率である。 Further, for Example 6 and Comparative Example 6, “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of the porous substrate provided with the heat resistant layer on the surface, and “discharge capacity maintenance ratio” is the surface of the heat resistant layer as a separator. It is the discharge capacity maintenance rate of the cell for evaluation which used the provided porous substrate independently.
また、比較例4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、「放電容量維持率」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放電容量維持率である。 For Comparative Example 4, the “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of one layer of the porous substrate, and the “discharge capacity maintenance ratio” is the discharge capacity of the evaluation cell using two layers of the porous substrate as a separator. It is a maintenance rate.
表2に示されるように、実施例5及び6の電気化学素子用セパレータは、面積維持率が高く耐熱寸法安定性に優れているため短絡時における電池の発熱を抑制でき、又、該セパレータを用いたリチウム二次電池は放電維持容量が高くサイクル特性に優れ、また、過充電防止特性の結果から過充電状態での安全性を向上できることが分かる。これに対し、ポリエチレン微多孔膜からなる比較例4の電気化学素子用セパレータは、フィラー粒子を含まないため面積維持率が低く耐熱寸法安定性に劣り、テンプレート剤を用いない比較例5及び6の電気化学素子用セパレータを用いたリチウム二次電池は放電容量維持率が低かった。 As shown in Table 2, the separators for electrochemical elements of Examples 5 and 6 have a high area retention rate and excellent heat-resistant dimensional stability, and thus can suppress the heat generation of the battery at the time of a short circuit. The lithium secondary battery used has a high discharge sustaining capacity and excellent cycle characteristics, and the results of the overcharge prevention characteristics indicate that the safety in the overcharged state can be improved. On the other hand, the separator for an electrochemical element of Comparative Example 4 made of a polyethylene microporous film does not contain filler particles, and therefore has a low area maintenance rate and poor heat-resistant dimensional stability, and Comparative Examples 5 and 6 using no template agent. The lithium secondary battery using the electrochemical element separator had a low discharge capacity retention rate.
実施例7
<電気化学素子用セパレータの作製>
フィラー粒子としてAl2O3(エボニック社製「AEROXIDE AluC」、融点2020℃)1gとテンプレート剤としてリン酸トリメチル(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、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(株式会社クレハ社製、「PVDF#1100」)1gを加えた後、シクロヘキサン(和光純薬工業株式会社製)2gを加えてスラリー(d)を作製した。このスラリー(d)をガラス基板上に、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、Al2O3フィラー粒子、テンプレート剤、およびPVDF結着剤で構成される耐熱性層(m)を作製した。ガラス基板上から剥離した耐熱性層(m)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(株式会社島津製作所製、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。
Example 7
<Preparation of separator for electrochemical device>
1 g of Al 2 O 3 (“AEROXIDE AluC” manufactured by Evonik, melting point 2020 ° C.) as filler particles and 1 g of trimethyl phosphate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) as a template agent were weighed and placed in an agate mortar. Next, after adding 1 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) (manufactured by Kureha Co., Ltd., “PVDF # 1100”) as a binder, 2 g of cyclohexane (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is added, and the slurry (d) is added. Produced. This slurry (d) is applied to a glass substrate with a gap of 100 μm using an applicator, dried at 40 ° C. for 2 hours, and composed of Al 2 O 3 filler particles, a template agent, and a PVDF binder. A heat-resistant layer (m) was produced. It was 25 micrometers when the thickness of the heat-resistant layer (m) peeled from the glass substrate was measured with the micrometer. When the average particle diameter of the Al 2 O 3 used was measured by a laser diffraction method (manufactured by Shimadzu Corporation, laser diffraction particle size measuring instrument “SALD3000J”), the average particle diameter (D50) was 0.1 μm.
<耐熱寸法安定性の評価>
実施例7の耐熱性層(m)をガラス基板から剥離し、エチレンカーボネート(キシダ株式会社製)、ジエチルカーボネート(キシダ株式会社製)及びジメチルカーボネート(キシダ株式会社製)の混合溶液(1:1:1体積比)溶液に1時間浸漬し、テンプレート剤を混合溶液中に溶解させ除去した。その後、ジメチルカーボネート(キシダ株式会社製)で繰り返し洗浄した後、80℃で3時間真空乾燥し、耐熱性多孔質層のみからなる電気化学素子用セパレータ(M)が得られた。電気化学素子用セパレータ(M)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。
<Evaluation of heat-resistant dimensional stability>
The heat-resistant layer (m) of Example 7 was peeled from the glass substrate, and a mixed solution (1: 1) of ethylene carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.), diethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.) and dimethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.). : 1 volume ratio) It was immersed in the solution for 1 hour, and the template agent was dissolved in the mixed solution and removed. Then, after repeatedly washing with dimethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.), it was vacuum-dried at 80 ° C. for 3 hours to obtain an electrochemical element separator (M) comprising only a heat-resistant porous layer. It was 25 micrometers when the thickness of the separator (M) for electrochemical elements was measured with the micrometer.
上記ジメチルカーボネート洗浄の前後における耐熱性層の熱重量変化を、熱重量分析測定計(セイコーインストラメンツ株式会社製、「SII EXSTAR6000/TGDTA6300」〕により測定したところ、ジメチルカーボネート洗浄後の測定結果が、Al2O3フィラー粒子とPVDF結着剤のみの耐熱性層(Al2O3/PVDF=2/1(重量比))の熱重量変化の測定結果と同じであったことから、洗浄によってテンプレート剤が除去されていることを確認した。 When the thermogravimetric change of the heat-resistant layer before and after the dimethyl carbonate washing was measured with a thermogravimetric analyzer (manufactured by Seiko Instruments Inc., “SII EXSTAR6000 / TGDTA6300”), the measurement result after dimethyl carbonate washing was Since it was the same as the measurement result of the thermogravimetric change of the Al 2 O 3 filler particles and the PVDF binder-only heat-resistant layer (Al 2 O 3 / PVDF = 2/1 (weight ratio)), the template was washed. It was confirmed that the agent was removed.
電気化学素子用セパレータ(M)を裁断して2cm×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。 The electrochemical element separator (M) was cut to obtain a square test piece of 2 cm × 2 cm. Next, the test piece was sandwiched between two glass plates of length 7.5 cm × width 7.5 cm × thickness 5 mm, and then placed horizontally on a stainless steel bat. And it was left to stand in 120 degreeC oven for 1 hour, and the area was measured.
面積維持率=(放置後の面積/放置前の面積:4cm2)×100(%)として評価し、耐熱寸法安定性の指標とした。その結果を表3に示す。なお、面積維持率が大きい程、耐熱寸法安定性に優れる。 The area maintenance rate was evaluated as (area after standing / area before standing: 4 cm 2 ) × 100 (%) and used as an index of heat-resistant dimensional stability. The results are shown in Table 3. In addition, it is excellent in heat-resistant dimensional stability, so that an area maintenance factor is large.
<リチウム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(日本化学工業株式会社製、「セルシード10N」)と、導電性カーボン(電気化学工業株式会社製、「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(株式会社クレハ製、「PVDF#1120」)と、塗工溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMP)を用い、正極活物質: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(日本蓄電器工業株式会社製、「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。
<Preparation of positive electrode for lithium secondary battery>
Lithium cobalt oxide (“CELLSEED 10N” manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) as the positive electrode active material, conductive carbon (“DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), and polyvinylidene fluoride (Kureha Co., Ltd.) as the binder resin “PVDF # 1120”) and N-methylpyrrolidone (hereinafter referred to as “NMP”) as a coating solvent, positive electrode active material: conductive carbon: binder resin: NMP = 94: 3: 3: 28 (weight ratio) The mixture was made into a paste form at a ratio of, applied to an aluminum current collector foil (manufactured by Nippon Electric Power Industry Co., Ltd., “20CB”), dried at 80 ° C. for 3 hours, rolled, and punched into a circle having a diameter of 14 mm. The positive electrode for lithium ion secondary batteries was obtained.
<リチウム二次電池の作製>
対極として厚さ1mm及び直径15mmの円状金属リチウムを用い、また作用極として前記で得られた正極を用い、実施例7の耐熱性層(m)を裁断して得た直径16mmの円形状の耐熱性層(m)とポリエチレン微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)を各1枚ずつ介して対極と作用極を対向させた。ポリエチレン微多孔膜は正極側、耐熱性層(m)は負極側に配した。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体積比)にビニレンカーボネートを1重量%添加した非水電解液を用いて通常の方法によってリチウム二次電池を作製した。
<Production of lithium secondary battery>
Circular metal lithium having a diameter of 16 mm obtained by cutting the heat-resistant layer (m) of Example 7 using circular metallic lithium having a thickness of 1 mm and a diameter of 15 mm as the counter electrode and the positive electrode obtained above as the working electrode. The counter electrode and the working electrode were made to face each other through a heat-resistant layer (m) and a polyethylene microporous membrane (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation, “Hypore N8416”, film thickness 25 μm). The polyethylene microporous film was disposed on the positive electrode side, and the heat-resistant layer (m) was disposed on the negative electrode side. Further, by using a nonaqueous electrolytic solution in which 1% by weight of vinylene carbonate is added to a mixed solution (1: 1: 1 volume ratio) of 1.0M LiPF 6 / ethylene carbonate, diethyl carbonate and dimethyl carbonate, a secondary lithium secondary solution is obtained. A battery was produced.
<電池特性の評価>
対極(リチウム極)に対し、0.05Cに相当する電流で4.2Vまで充電した。放電はリチウム極に対して0.1Cに相当する電流で3.0Vまで行い、初期(初回)放電容量(x)を測定した。次いで、0.1Cに相当する電流で4.2Vまで充電した後、2.0Cに相当する電流で3.0Vまで放電を行い、放電容量(y)を測定し、下記式により放電容量維持率(%)を算出した。
<Evaluation of battery characteristics>
The counter electrode (lithium electrode) was charged to 4.2 V with a current corresponding to 0.05C. Discharge was performed up to 3.0 V with a current corresponding to 0.1 C with respect to the lithium electrode, and the initial (initial) discharge capacity (x) was measured. Next, after charging to 4.2 V with a current corresponding to 0.1 C, the battery was discharged to 3.0 V with a current corresponding to 2.0 C, the discharge capacity (y) was measured, and the discharge capacity maintenance rate was calculated according to the following formula: (%) Was calculated.
放電容量維持率(%)=放電容量(y)/放電容量(x)×100
<加熱試験>
上記で作製したリチウム二次電池を加熱槽に設置し、加熱槽を5℃/分の昇温速度で140℃まで上昇させ、その状態で10分間放置した。その後、電池の温度をモニタし、電池温度が到達した最高温度を測定した。
Discharge capacity retention rate (%) = discharge capacity (y) / discharge capacity (x) × 100
<Heating test>
The lithium secondary battery produced above was installed in a heating tank, and the heating tank was raised to 140 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min, and left in that state for 10 minutes. Thereafter, the temperature of the battery was monitored, and the maximum temperature reached by the battery temperature was measured.
実施例8
リン酸トリメチル1gの代わりにリン酸トリフェニル(キシダ化学株式会社製)1gを用いたこと以外は実施例7と同様にして耐熱性層(n)を作製した。耐熱性層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。
Example 8
A heat-resistant layer (n) was produced in the same manner as in Example 7 except that 1 g of triphenyl phosphate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used instead of 1 g of trimethyl phosphate. It was 25 micrometers when the thickness of the heat resistant layer was measured with the micrometer.
耐熱性層(n)を用いて実施例7と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。 Using the heat-resistant layer (n), the same operation as in Example 7 was performed to produce a lithium secondary battery and evaluated in the same manner.
実施例9
実施例7において作製したスラリー(d)を、ガラス基板上に置いたポリエチレン微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)の上に塗布した後、30℃で真空乾燥し、耐熱性層(o)を作製した。耐熱性層(o)を配置したポリエチレン微多孔膜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。
Example 9
The slurry (d) produced in Example 7 was applied on a polyethylene microporous membrane (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation, “Hypore N8416”, film thickness 25 μm) placed on a glass substrate, and then vacuum-dried at 30 ° C. Thus, a heat resistant layer (o) was produced. It was 27 micrometers when the thickness of the polyethylene microporous film which has arrange | positioned the heat resistant layer (o) was measured with the micrometer.
耐熱性層(o)を用いて実施例7と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例7の電気化学素子用セパレータ(M)の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性層(o)を配置した電気化学素子用セパレータ(O)を用い、電極特性の評価は耐熱性層(m)とポリエチレン微多孔膜の代りに、耐熱性層(o)を配置したポリエチレン微多孔膜を用いた。 Using the heat-resistant layer (o), the same operation as in Example 7 was performed to produce a lithium secondary battery and evaluated in the same manner. That is, evaluation of heat-resistant dimensional stability was performed using a separator for electrochemical elements (O) in which a heat-resistant layer (o) was disposed on a polyethylene microporous membrane instead of the separator for electrochemical elements (M) of Example 7. In the evaluation of the electrode characteristics, a polyethylene microporous membrane in which the heat-resistant layer (o) is arranged is used in place of the heat-resistant layer (m) and the polyethylene microporous membrane.
比較例7
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微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)を2枚重ねて、電気化学素子用セパレータ(P)を作製した。電気化学素子用セパレータ(P)を用いて実施例7と同様の操作を行いリチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例7の電気化学素子用セパレータ(M)の代りに上記ポリエチレン微多孔膜1枚を用い、電極特性の評価は耐熱性層(m)とポリエチレン微多孔膜の代りに上記ポリエチレン微多孔膜を2枚重ねた電気化学素子用セパレータ(P)を用いた。
Comparative Example 7
Two layers of polyethylene microporous membranes ("Hypore N8416" manufactured by Asahi Kasei Chemicals Co., Ltd., 25 μm thick) widely used as separators for conventional lithium ion secondary batteries are stacked to form a separator for electrochemical devices (P). Produced. Using the electrochemical device separator (P), a lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 7 and evaluated in the same manner. That is, the heat resistant dimensional stability was evaluated by using one polyethylene microporous film instead of the electrochemical element separator (M) of Example 7, and the electrode characteristics were evaluated by the heat resistant layer (m) and the polyethylene microporous film. Instead of the separator, an electrochemical device separator (P) in which two polyethylene microporous films were stacked was used.
比較例8
リン酸トリメチルを用いないこと以外は実施例7と同様に操作を行い、耐熱性層(q)を作製した。耐熱性層の厚みをマイクロメーターにより測定したところ、24μmであった。
Comparative Example 8
A heat resistant layer (q) was produced in the same manner as in Example 7 except that trimethyl phosphate was not used. It was 24 micrometers when the thickness of the heat resistant layer was measured with the micrometer.
耐熱性層(q)を用いて実施例7と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。 The same operation as in Example 7 was performed using the heat-resistant layer (q), and a lithium secondary battery was produced and evaluated in the same manner.
比較例9
リン酸トリメチルを用いないこと以外は実施例9と同様に操作を行い、耐熱性層(r)を作製した。耐熱性層(r)を配置したポリエチレン微多孔膜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。
Comparative Example 9
A heat resistant layer (r) was produced in the same manner as in Example 9 except that trimethyl phosphate was not used. It was 27 micrometers when the thickness of the polyethylene microporous film which has arrange | positioned the heat resistant layer (r) was measured with the micrometer.
耐熱性層(r)を用いて実施例7と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例7の電気化学素子用セパレータ(M)の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性層(r)を配置した電気化学素子用セパレータ(R)を用い、電極特性の評価は耐熱性層(m)とポリエチレン微多孔膜の代りに、耐熱性層(r)を配置したポリエチレン微多孔膜を用いた。
なお、実施例7、8及び比較例8について、「面積維持率」は耐熱性層単独の面積維持率であり、「放電容量維持率」および「最高温度」はセパレータとして耐熱性層と多孔質基体とを重ねて使用した評価用セルの放電容量維持率と最高温度である。 For Examples 7 and 8 and Comparative Example 8, “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of the heat resistant layer alone, and “discharge capacity maintenance ratio” and “maximum temperature” are the heat resistant layer and porous as a separator. It is the discharge capacity maintenance rate and the maximum temperature of the evaluation cell that is used by overlapping the substrate.
また、実施例9及び比較例9について、「面積維持率」は表面に耐熱性層を設けた多孔質基体の面積維持率であり、「放電容量維持率」および「最高温度」はセパレータとして表面に耐熱性層を設けた多孔質基体を単独で使用した評価用セルの放電容量維持率と最高温度である。 For Example 9 and Comparative Example 9, “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of the porous substrate having a heat-resistant layer provided on the surface, and “discharge capacity maintenance ratio” and “maximum temperature” are the surface as a separator. The discharge capacity retention rate and the maximum temperature of the evaluation cell using a porous substrate provided with a heat resistant layer alone.
また、比較例7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、「放電容量維持率」および「最高温度」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放電容量維持率と最高温度である。 In Comparative Example 7, “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of one layer of the porous substrate, and “discharge capacity maintenance ratio” and “maximum temperature” are evaluations using two layers of porous substrates as separators. Cell discharge capacity maintenance rate and maximum temperature.
表3に示されるように、実施例7〜8の電気化学素子用セパレータは、面積維持率が高く耐熱寸法安定性に優れているため短絡時における電池の発熱を抑制でき、又、該セパレータを用いたリチウム二次電池は放電維持容量が高くサイクル特性に優れ、また、加熱試験での最高温度が低く温度上昇を抑制することができ、安全性と高性能を両立できることが分かる。これに対し、ポリエチレン微多孔膜からなる比較例7の電気化学素子用セパレータは、フィラー粒子を含まないため面積維持率が低く耐熱寸法安定性に劣り、温度上昇が抑制できず、テンプレート剤を用いない比較例8及び9の電気化学素子用セパレータを用いたリチウム二次電池は放電容量維持率が低下し、温度上昇を抑制できなかった。 As shown in Table 3, the separators for electrochemical elements of Examples 7 to 8 can suppress the heat generation of the battery at the time of short circuit because the area retention rate is high and the heat resistant dimensional stability is excellent. It can be seen that the lithium secondary battery used has a high discharge sustaining capacity and excellent cycle characteristics, and the maximum temperature in the heating test is low and the temperature rise can be suppressed, so that both safety and high performance can be achieved. On the other hand, the separator for an electrochemical element of Comparative Example 7 composed of a polyethylene microporous membrane does not contain filler particles, has a low area maintenance rate, is inferior in heat resistant dimensional stability, cannot suppress a temperature rise, and uses a template agent. In the lithium secondary batteries using the separators for electrochemical elements of Comparative Examples 8 and 9, the discharge capacity retention rate was lowered and the temperature rise could not be suppressed.
実施例10
<リチウムビス(オキサレート)ボレートの合成>
リチウムビス(オキサレート)ボレートを「B.T.Yu,W.H.Qiu,F.S.Li and G.X.Xu,Electrochemical and Solid State Letters,9(2006),A1」の記載に従い、合成した。
Example 10
<Synthesis of lithium bis (oxalate) borate>
Lithium bis (oxalate) borate was synthesized according to the description in “BT Yu, WH Qiu, FS Li and GX Xu, Electrochemical and Solid State Letters, 9 (2006), A1”. did.
<電気化学素子用セパレータの作製>
フィラー粒子としてAl2O3(エボニック社製「AEROXIDE AluC」、融点2020℃)1gとテンプレート剤としてリチウムビス(オキサレート)ボレート1gを秤量しメノウ乳鉢に入れた。次いで、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(株式会社クレハ社製、「PVDF#1100」)1gを加えた後、N−メチルピロリドン(NMP)(和光純薬工業株式会社製)2gを加えてスラリー(e)を作製した。このスラリー(e)をガラス基板上に、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、Al2O3フィラー粒子、テンプレート剤、およびPVDF結着剤で構成される耐熱性層(s)を作製した。ガラス基板上から剥離した耐熱性層(s)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。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(株式会社島津製作所製、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。
<Preparation of separator for electrochemical device>
1 g of Al 2 O 3 (“AEROXIDE AluC” manufactured by Evonik, melting point 2020 ° C.) as filler particles and 1 g of lithium bis (oxalate) borate as a template agent were weighed and placed in an agate mortar. Next, after adding 1 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) (manufactured by Kureha Co., Ltd., “PVDF # 1100”) as a binder, 2 g of N-methylpyrrolidone (NMP) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is added. Thus, slurry (e) was prepared. This slurry (e) is applied on a glass substrate with a gap of 100 μm using an applicator, dried at 40 ° C. for 2 hours, and composed of Al 2 O 3 filler particles, a template agent, and a PVDF binder. A heat-resistant layer (s) was produced. It was 25 micrometers when the thickness of the heat-resistant layer (s) peeled from the glass substrate was measured with the micrometer. A separator consisting only of the composition layer was produced. It was 25 micrometers when the thickness of the separator was measured with the micrometer. When the average particle diameter of the Al 2 O 3 used was measured by a laser diffraction method (manufactured by Shimadzu Corporation, laser diffraction particle size measuring instrument “SALD3000J”), the average particle diameter (D50) was 0.1 μm.
<耐熱寸法安定性の評価>
実施例10の耐熱性層(s)をガラス基板から剥離し、エチレンカーボネート(キシダ株式会社製)、ジエチルカーボネート(キシダ株式会社製)及びジメチルカーボネート(キシダ株式会社製)の混合溶液(1:1:1体積比)溶液に1時間浸漬し、テンプレート剤を混合溶液中に溶解させ除去した。その後、ジメチルカーボネート(キシダ株式会社製)で繰り返し洗浄した後、80℃で3時間真空乾燥し、耐熱性多孔質層のみからなる電気化学素子用セパレータ(S)が得られた。電気化学素子用セパレータ(S)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。
<Evaluation of heat-resistant dimensional stability>
The heat-resistant layer (s) of Example 10 was peeled from the glass substrate, and a mixed solution (1: 1) of ethylene carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.), diethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.) and dimethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.). : 1 volume ratio) It was immersed in the solution for 1 hour, and the template agent was dissolved in the mixed solution and removed. Then, after repeatedly washing with dimethyl carbonate (manufactured by Kishida Co., Ltd.), it was vacuum-dried at 80 ° C. for 3 hours to obtain a separator for electrochemical devices (S) consisting only of a heat-resistant porous layer. It was 25 micrometers when the thickness of the separator (S) for electrochemical elements was measured with the micrometer.
上記ジメチルカーボネート洗浄の前後における耐熱性層の熱重量変化を、熱重量分析測定計(セイコーインストラメンツ株式会社製、「SII EXSTAR6000/TGDTA6300」〕により測定したところ、ジメチルカーボネート洗浄後の測定結果が、Al2O3フィラー粒子とPVDF結着剤のみの耐熱性層(Al2O3/PVDF=2/1(重量比))の熱重量変化の測定結果と同じであったことから、洗浄によってテンプレート剤が除去されていることを確認した。 When the thermogravimetric change of the heat-resistant layer before and after the dimethyl carbonate washing was measured with a thermogravimetric analyzer (manufactured by Seiko Instruments Inc., “SII EXSTAR6000 / TGDTA6300”), the measurement result after dimethyl carbonate washing was Since it was the same as the measurement result of the thermogravimetric change of the Al 2 O 3 filler particles and the PVDF binder-only heat-resistant layer (Al 2 O 3 / PVDF = 2/1 (weight ratio)), the template was washed. It was confirmed that the agent was removed.
電気化学素子用セパレータ(S)を裁断して2cm×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。 The electrochemical device separator (S) was cut to obtain a 2 cm × 2 cm square test piece. Next, the test piece was sandwiched between two glass plates of length 7.5 cm × width 7.5 cm × thickness 5 mm, and then placed horizontally on a stainless steel bat. And it was left to stand in 120 degreeC oven for 1 hour, and the area was measured.
面積維持率=(放置後の面積/放置前の面積:4cm2)×100(%)として評価し、耐熱寸法安定性の指標とした。その結果を表4に示す。なお、面積維持率が大きい程、耐熱寸法安定性に優れる。 The area maintenance rate was evaluated as (area after standing / area before standing: 4 cm 2 ) × 100 (%) and used as an index of heat-resistant dimensional stability. The results are shown in Table 4. In addition, it is excellent in heat-resistant dimensional stability, so that an area maintenance factor is large.
<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(日本化学工業株式会社製、「セルシード10N」)と、導電性カーボン(電気化学工業株式会社製、「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(株式会社クレハ製、「PVDF#1120」)と、塗工溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMP)を用い、正極活物質: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(日本蓄電器工業株式会社製、「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。
<Preparation of positive electrode for lithium ion secondary battery>
Lithium cobalt oxide (“CELLSEED 10N” manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) as the positive electrode active material, conductive carbon (“DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), and polyvinylidene fluoride (Kureha Co., Ltd.) as the binder resin “PVDF # 1120”) and N-methylpyrrolidone (hereinafter referred to as “NMP”) as a coating solvent, positive electrode active material: conductive carbon: binder resin: NMP = 94: 3: 3: 28 (weight ratio) The mixture was made into a paste form at a ratio of, applied to an aluminum current collector foil (manufactured by Nippon Electric Power Industry Co., Ltd., “20CB”), dried at 80 ° C. for 3 hours, rolled, and punched into a circle having a diameter of 14 mm. The positive electrode for lithium ion secondary batteries was obtained.
<リチウム二次電池の作製>
対極として厚さ1mm及び直径15mmの円状金属リチウムを用い、また作用極として前記で得られた正極を用い、実施例10の耐熱性層(s)を裁断して得た直径16mmの円形状の耐熱性層(s)とポリエチレン微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)を各1枚ずつ介して対極と作用極を対向させた。ポリエチレン微多孔膜は正極側、耐熱性層(s)は負極側に配した。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体積比)にビニレンカーボネートを1重量%添加した非水電解液を用いて通常の方法によってリチウム二次電池を作製した。
<Production of lithium secondary battery>
Circular metal lithium having a diameter of 16 mm obtained by cutting the heat-resistant layer (s) of Example 10 using circular metal lithium having a thickness of 1 mm and a diameter of 15 mm as a counter electrode and the positive electrode obtained above as a working electrode. The counter electrode and the working electrode were made to face each other through the heat-resistant layer (s) and a polyethylene microporous membrane (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation, “Hypore N8416”, film thickness 25 μm). The polyethylene microporous membrane was disposed on the positive electrode side, and the heat-resistant layer (s) was disposed on the negative electrode side. Further, by using a nonaqueous electrolytic solution in which 1% by weight of vinylene carbonate is added to a mixed solution (1: 1: 1 volume ratio) of 1.0M LiPF 6 / ethylene carbonate, diethyl carbonate and dimethyl carbonate, a secondary lithium secondary solution is obtained. A battery was produced.
<電池特性の評価>
対極(リチウム極)に対し、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(x)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29回行い、30回目の放電容量(y)を測定し、下記式により放電容量維持率(%)を算出した。
<Evaluation of battery characteristics>
The counter electrode (lithium electrode) was charged to 4.2 V with a current corresponding to 0.1 C. Discharge was performed at a current corresponding to 0.1 C up to 3.0 V, and an initial (initial) discharge capacity (x) was measured. Subsequently, 29 cycles of repeating charge-discharge in the same manner at a current corresponding to 1.0 C were performed, the 30th discharge capacity (y) was measured, and the discharge capacity retention rate (%) was calculated by the following formula.
放電容量維持率(%)=放電容量(y)/放電容量(x)×100
実施例11
実施例10において作製したスラリー(e)を、ガラス基板上に置いたポリエチレン微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)の上に塗布した後、30℃で真空乾燥し、耐熱性層(t)を作製した。耐熱性層(t)を配置したポリエチレン微多孔膜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。
Discharge capacity retention rate (%) = discharge capacity (y) / discharge capacity (x) × 100
Example 11
The slurry (e) prepared in Example 10 was applied on a polyethylene microporous membrane (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation, “Hypore N8416”, film thickness 25 μm) placed on a glass substrate, and then vacuum-dried at 30 ° C. Thus, a heat resistant layer (t) was produced. It was 27 micrometers when the thickness of the polyethylene microporous film | membrane which has arrange | positioned the heat resistant layer (t) was measured with the micrometer.
耐熱性層(t)を用いて実施例10と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例10の電気化学素子用セパレータ(S)の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性層(t)を配置した電気化学素子用セパレータ(T)を用い、電極特性の評価は耐熱性層(s)とポリエチレン微多孔膜の代りに、耐熱性層(t)を配置したポリエチレン微多孔膜を用いた。 Using the heat-resistant layer (t), the same operation as in Example 10 was performed to produce a lithium secondary battery and evaluated in the same manner. That is, evaluation of the heat-resistant dimensional stability was performed using an electrochemical element separator (T) in which a heat-resistant layer (t) was disposed on a polyethylene microporous film instead of the electrochemical element separator (S) of Example 10. In the evaluation of the electrode characteristics, a polyethylene microporous membrane having a heat-resistant layer (t) disposed therein was used instead of the heat-resistant layer (s) and the polyethylene microporous membrane.
比較例10
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微多孔膜(旭化成ケミカルズ株式会社製、「ハイポアN8416」、膜厚25μm)を2枚重ねて、電気化学素子用セパレータ(U)を作製した。電気化学素子用セパレータ(U)を用いて実施例10と同様の操作を行いリチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例10の電気化学素子用セパレータ(S)の代りに上記ポリエチレン微多孔膜1枚を用い、電極特性の評価は耐熱性層(s)とポリエチレン微多孔膜の代りに上記ポリエチレン微多孔膜を2枚重ねた電気化学素子用セパレータ(U)を用いた。
Comparative Example 10
Two layers of polyethylene microporous membranes ("Hypore N8416", manufactured by Asahi Kasei Chemicals Co., Ltd., 25 μm thick) widely used as separators for conventional lithium ion secondary batteries are stacked to form an electrochemical element separator (U). Produced. Using the electrochemical device separator (U), the same operation as in Example 10 was performed to produce a lithium secondary battery and evaluated in the same manner. That is, the evaluation of heat-resistant dimensional stability was performed using one polyethylene microporous membrane instead of the electrochemical device separator (S) of Example 10, and the evaluation of electrode characteristics was performed using a heat-resistant layer (s) and a polyethylene microporous membrane. Instead of the separator, an electrochemical element separator (U) in which two polyethylene microporous films were stacked was used.
比較例11
リチウムビス(オキサレート)ボレートを用いないこと以外は実施例10と同様に操作を行い、耐熱性層(v)を作製した。耐熱性層の厚みをマイクロメーターにより測定したところ、24μmであった。
Comparative Example 11
A heat resistant layer (v) was produced in the same manner as in Example 10 except that lithium bis (oxalate) borate was not used. It was 24 micrometers when the thickness of the heat resistant layer was measured with the micrometer.
耐熱性層(v)を用いて実施例10と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。 Using the heat-resistant layer (v), the same operation as in Example 10 was performed to produce a lithium secondary battery and evaluated in the same manner.
(比較例12)
リチウムビス(オキサレート)ボレートを用いないこと以外は実施例11と同様に操作を行い、耐熱性層(w)を作製した。耐熱性層(w)を配置したポリエチレン微多孔膜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。
(Comparative Example 12)
A heat resistant layer (w) was produced in the same manner as in Example 11 except that lithium bis (oxalate) borate was not used. It was 27 micrometers when the thickness of the polyethylene microporous film which has arrange | positioned the heat resistant layer (w) was measured with the micrometer.
耐熱性層(w)を用いて実施例10と同様の操作を行い、リチウム二次電池を作製し、同様に評価した。すなわち、耐熱寸法安定性の評価は実施例10の電気化学素子用セパレータ(S)の代りにポリエチレン微多孔膜の上に耐熱性層(w)を配置した電気化学素子用セパレータ(W)を用い、電極特性の評価は耐熱性層(s)とポリエチレン微多孔膜の代りに、耐熱性層(w)を配置したポリエチレン微多孔膜を用いた。
なお、実施例10及び比較例11について、「面積維持率」は耐熱性層単独の面積維持率であり、「放電容量維持率」はセパレータとして耐熱性層と多孔質基体とを重ねて使用した評価用セルの放電容量維持率である。 In addition, for Example 10 and Comparative Example 11, the “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of the heat resistant layer alone, and the “discharge capacity maintenance ratio” is used by overlapping the heat resistant layer and the porous substrate as a separator. It is the discharge capacity maintenance rate of the cell for evaluation.
また、実施例11及び比較例12について、「面積維持率」は表面に耐熱性層を設けた多孔質基体の面積維持率であり、「放電容量維持率」はセパレータとして表面に耐熱性層を設けた多孔質基体を単独で使用した評価用セルの放電容量維持率である。 Further, for Example 11 and Comparative Example 12, “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of the porous substrate provided with the heat resistant layer on the surface, and “discharge capacity maintenance ratio” is the surface of the heat resistant layer as a separator. It is the discharge capacity maintenance rate of the cell for evaluation which used the provided porous substrate independently.
また、比較例10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、「放電容量維持率」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放電容量維持率である。 For Comparative Example 10, the “area maintenance ratio” is the area maintenance ratio of one layer of the porous substrate, and the “discharge capacity maintenance ratio” is the discharge capacity of the evaluation cell using two layers of the porous substrate as a separator. It is a maintenance rate.
表4から分かるように、実施例10及び11の電気化学素子用セパレータは、面積維持率が高く耐熱寸法安定性に優れているため短絡時における電池の発熱を抑制でき、電解質塩としてリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドを用いたにも関わらず放電維持容量が高くサイクル特性に優れることが分かる。これに対し、ポリエチレン微多孔膜からなる比較例10の電気化学素子用セパレータは、フィラー粒子を含まないため面積維持率が低く耐熱寸法安定性に劣り、テンプレート剤を用いない比較例11及び12の電気化学素子用セパレータを用いたリチウム二次電池は放電容量維持率が低かった。 As can be seen from Table 4, the separators for electrochemical devices of Examples 10 and 11 have a high area retention rate and excellent heat-resistant dimensional stability, and thus can suppress the heat generation of the battery at the time of short circuit, and lithium bis ( It can be seen that despite the use of (trifluoromethanesulfonyl) imide, the discharge sustaining capacity is high and the cycle characteristics are excellent. On the other hand, the separator for an electrochemical element of Comparative Example 10 made of a polyethylene microporous film has low area maintenance ratio and poor heat-resistant dimensional stability because it does not contain filler particles, and Comparative Examples 11 and 12 using no template agent. The lithium secondary battery using the electrochemical element separator had a low discharge capacity retention rate.
1 電気化学素子用セパレータ
2 耐熱性多孔質層
2’ 耐熱性多孔質層
3 フィラー粒子
4 空隙
5 結着剤
6 多孔質基体
7 細孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Separator for electrochemical elements 2 Heat resistant porous layer 2 'Heat resistant porous layer 3 Filler particle 4 Void 5 Binder 6 Porous substrate 7 Pore
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