JP2011100602A - Nonaqueous electrolyte battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、信頼性に優れた高出力の非水電解液電池に関するものである。 The present invention relates to a high-power non-aqueous electrolyte battery excellent in reliability.
非水電解液電池の一種であるリチウム二次電池は、エネルギー密度が高いという特徴から、携帯電話やノート型パーソナルコンピューターなどの携帯機器の電源として広く用いられており、その適用範囲は、電動工具に代表される高出力用途へも広がっている。更に今後は、環境問題やエネルギー問題の観点より電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、ハイブリッド電気自動車への適用を目指した車載用途高出力型リチウム二次電池の早急な開発が求められている。 Lithium secondary batteries, which are a type of non-aqueous electrolyte battery, are widely used as power sources for portable devices such as mobile phones and notebook personal computers because of their high energy density. It is also spreading to high output applications such as Furthermore, in the future, from the viewpoint of environmental problems and energy problems, rapid development of in-vehicle high-power lithium secondary batteries aimed at application to electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and hybrid electric vehicles is required.
現行のリチウム二次電池では、正極と負極の間に介在させるセパレータとして、例えば厚みが15〜30μm程度のポリオレフィン系の多孔性フィルムが使用されている。また、セパレータの素材としては、電池の熱暴走温度以下でセパレータの構成樹脂を溶融させて空孔を閉塞させ、これにより電池の内部抵抗を上昇させて短絡の際などに電池の安全性を向上させる所謂シャットダウン効果を確保するため、融点の低いポリエチレンが適用されることがある。 In current lithium secondary batteries, a polyolefin-based porous film having a thickness of, for example, about 15 to 30 μm is used as a separator interposed between a positive electrode and a negative electrode. In addition, as separator material, the constituent resin of the separator is melted below the thermal runaway temperature of the battery to close the pores, thereby increasing the internal resistance of the battery and improving the safety of the battery in the event of a short circuit. In order to ensure the so-called shutdown effect, polyethylene having a low melting point may be applied.
ところで、こうしたセパレータとしては、例えば、多孔化と強度向上のために一軸延伸または二軸延伸したフィルムが用いられている。このようなセパレータは、単独で存在する膜として供給されるため、作業性などの点で一定の強度が要求され、これを前記延伸によって確保している。しかし、このような延伸フィルムでは結晶化度が増大しており、シャットダウン温度も、電池の熱暴走温度に近い温度にまで高まっているため、電池の安全性確保のためのマージンが十分とは言い難い。 By the way, as such a separator, for example, a uniaxially stretched film or a biaxially stretched film is used for increasing the porosity and improving the strength. Since such a separator is supplied as a single film, a certain strength is required in terms of workability and the like, and this is secured by the stretching. However, with such a stretched film, the degree of crystallinity has increased, and the shutdown temperature has increased to a temperature close to the thermal runaway temperature of the battery. Therefore, it can be said that the margin for ensuring the safety of the battery is sufficient. hard.
また、前記延伸によってフィルムにはひずみが生じており、これが高温に曝されると、残留応力によって収縮が起こるという問題がある。収縮温度は、シャットダウン温度と非常に近いところに存在する。このため、ポリオレフィン系の多孔性フィルムセパレータを使用するときには、充電異常時などに電池の温度がシャットダウン温度に達すると、電流を直ちに減少させて電池の温度上昇を防止しなければならない。空孔が十分に閉塞せず電流を直ちに減少できなかった場合には、電池の温度は容易にセパレータの収縮温度にまで上昇するため、内部短絡による発火の危険性があるからである。 In addition, the film is distorted by the stretching, and there is a problem that when it is exposed to a high temperature, shrinkage occurs due to residual stress. The shrinkage temperature is very close to the shutdown temperature. For this reason, when a polyolefin-based porous film separator is used, when the battery temperature reaches the shutdown temperature in the case of abnormal charging, the current must be immediately decreased to prevent the battery temperature from rising. This is because if the pores are not sufficiently closed and the current cannot be reduced immediately, the battery temperature easily rises to the contraction temperature of the separator, and there is a risk of ignition due to an internal short circuit.
このようなセパレータの熱収縮による短絡を防止し、電池の信頼性を高める技術として、例えば、ベースとなる樹脂製の多孔質膜(微多孔膜)の表面に耐熱性の高い層を形成した多層構造のセパレータが提案されている(例えば、特許文献1〜5)。これらのセパレータを用いることで、例えば、異常過熱した際にも熱暴走が生じ難く、信頼性に優れた電池を構成することができる。 As a technique for preventing such a short circuit due to thermal contraction of the separator and improving the reliability of the battery, for example, a multilayer in which a layer having high heat resistance is formed on the surface of a resin porous film (microporous film) serving as a base Structured separators have been proposed (for example, Patent Documents 1 to 5). By using these separators, for example, thermal runaway hardly occurs even when abnormal overheating occurs, and a battery having excellent reliability can be configured.
ところで、前記のような高出力型のリチウム二次電池の場合には、従来のリチウム二次電池にも増して信頼性の向上が要求される。例えば、前記の多層構造のセパレータを使用してリチウム二次電池の信頼性を高める場合、セパレータに係る耐熱性の高い層の存在が電池の信頼性向上にとって重要であるが、前記の耐熱性の高い層は、一般に、セパレータ内を通過するリチウムイオンの運動を阻害する層としても作用する。そのため、多層構造のセパレータを使用して構成したリチウム二次電池では、前記の耐熱性の高い層の存在によって、例えば出力特性の低下が引き起こされる虞がある。 By the way, in the case of the high output type lithium secondary battery as described above, higher reliability is required than the conventional lithium secondary battery. For example, when the reliability of a lithium secondary battery is increased by using the separator having the multilayer structure described above, the presence of a high heat resistance layer related to the separator is important for improving the reliability of the battery. The higher layer generally also acts as a layer that inhibits the movement of lithium ions passing through the separator. Therefore, in a lithium secondary battery configured using a separator having a multilayer structure, the presence of the high heat-resistant layer may cause, for example, a reduction in output characteristics.
このようなことから、高出力型のリチウム二次電池において、信頼性向上の観点から前記の多層構造のセパレータを使用する場合には、前記の耐熱性の高い層による出力特性の低下抑制も考慮することが求められる。 For this reason, in the case of using the multi-layered separator from the viewpoint of improving reliability in a high-power lithium secondary battery, the reduction in output characteristics due to the high heat-resistant layer is also considered. It is required to do.
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性に優れた高出力の非水電解液電池を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said situation, The objective is to provide the high output non-aqueous electrolyte battery excellent in reliability.
前記目的を達成し得た本発明の非水電解液電池は、耐熱性微粒子を主成分として含み、厚みが3〜6μmで空孔率が55%以上の耐熱多孔質層と、熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂多孔質膜とを有する多層多孔質膜をセパレータとして備えており、満充電容量に対する残存容量が50%の状態での出力密度(以下、単に「出力密度」と省略する場合がある。)が、1200W/kg以上であることを特徴とするものである。 The non-aqueous electrolyte battery of the present invention that has achieved the above object comprises a heat-resistant porous layer containing heat-resistant fine particles as a main component, having a thickness of 3 to 6 μm and a porosity of 55% or more, and a thermoplastic resin. A multilayer porous membrane having a resin porous membrane as a main component is provided as a separator, and the output density when the remaining capacity with respect to the full charge capacity is 50% (hereinafter sometimes simply referred to as “output density”). Is) 1200 W / kg or more.
なお、本明細書でいう非水電解液電池の「満充電容量」とは、電池を4.2Vまで0.5Cの電流値で定電流充電し、更に4.2Vで定電圧充電して電流値が0.025Cまで低下した時点で充電を停止した状態(すなわち、満充電状態)とし、この状態から0.2Cの電流値で3.0Vになるまで放電した際の容量を意味している。 As used herein, the “full charge capacity” of a non-aqueous electrolyte battery means that the battery is charged with a constant current at a current value of 0.5 C up to 4.2 V, and further charged with a constant voltage at 4.2 V. It means the capacity when charging is stopped when the value drops to 0.025C (that is, fully charged) and discharged from this state to 3.0V at a current value of 0.2C. .
本発明によれば、信頼性に優れた高出力の非水電解液電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the high output nonaqueous electrolyte battery excellent in reliability can be provided.
本発明の非水電解液電池は、耐熱性微粒子を主成分として含み、厚みが3〜6μmで空孔率が55%以上の耐熱多孔質層と、熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂多孔質膜とを有する多層多孔質膜をセパレータとして用いており、これにより、信頼性を高めつつ、耐熱多孔質層の導入による出力密度の低下を抑えて、出力密度が1200W/kg以上の高出力電池としている。 The non-aqueous electrolyte battery of the present invention includes a heat-resistant porous layer containing heat-resistant fine particles as a main component, having a thickness of 3 to 6 μm and a porosity of 55% or more, and a resin porous mainly containing a thermoplastic resin. A multi-layer porous membrane having a membrane is used as a separator, thereby suppressing a decrease in output density due to introduction of a heat-resistant porous layer while improving reliability, and a high-power battery having an output density of 1200 W / kg or more It is said.
例えば、出力密度が1000W/kgを超える高出力電池においては、金属片などの混入異物、電池が高温に曝されることによるセパレータの熱収縮や破膜などによる内部短絡が発生した際に、出力密度の低い電池よりも、短絡箇所に瞬時に大電流が集中して、熱暴走に至る危険性が高い。 For example, in a high-power battery with an output density exceeding 1000 W / kg, the output is generated when a foreign matter such as a metal piece, a thermal contraction of the separator due to the battery being exposed to high temperature, or an internal short circuit due to a film breakage, etc. Compared to batteries with low density, there is a higher risk that a large current will be concentrated instantaneously at the short-circuited location, leading to thermal runaway.
本発明の電池は、電池の出力密度を1200W/kg以上としても、短絡時に短絡箇所に大電流が流れた場合に、セパレータの有する耐熱性微粒子を含有する耐熱多孔質層が溶融または破壊することがないために短絡現象を極めて限局的とすることができ、また、異常発熱時においても、耐熱多孔質層の存在によってセパレータの熱収縮率が大幅に低減されているために正負極間に生じる短絡を抑制できる。 In the battery of the present invention, even when the output density of the battery is 1200 W / kg or more, the heat-resistant porous layer containing the heat-resistant fine particles of the separator melts or breaks down when a large current flows through the short-circuited part during a short circuit. Therefore, the short-circuit phenomenon can be made extremely localized, and even during abnormal heat generation, the heat shrinkage rate of the separator is greatly reduced due to the presence of the heat-resistant porous layer, and thus it occurs between the positive and negative electrodes. Short circuit can be suppressed.
また、セパレータに係る耐熱多孔質層は、セパレータ内のリチウムイオンの運動を阻害する作用を有するが、本発明の電池では、耐熱多孔質層の構造を前記のように適正に調整することで、リチウムイオンの運動への影響を可及的に抑制して、1200W/kg以上の出力密度の確保を可能としている。 Further, the heat resistant porous layer according to the separator has an action of inhibiting the movement of lithium ions in the separator, but in the battery of the present invention, by appropriately adjusting the structure of the heat resistant porous layer as described above, The influence on the movement of lithium ions is suppressed as much as possible, and a power density of 1200 W / kg or more can be secured.
本発明の電池に係るセパレータに使用される多層多孔質膜において、樹脂多孔質膜は、正極と負極の短絡を防止しつつ、イオンを透過するセパレータ本来の機能を有する層であり、耐熱多孔質層はセパレータに耐熱性を付与する役割を担う層である。 In the multilayer porous membrane used in the separator according to the battery of the present invention, the resin porous membrane is a layer having the original function of a separator that transmits ions while preventing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode. The layer is a layer that plays a role of imparting heat resistance to the separator.
耐熱多孔質層において、耐熱性微粒子は、その主体となり、基材となる樹脂多孔質膜の熱収縮および破膜を防止する役割を担っている。また、電池内が異常に発熱し、樹脂多孔質膜が溶融した際にも、耐熱性微粒子を主成分として含む耐熱多孔質層によって、正極と負極とが隔てられ、電池の信頼性が確保される。 In the heat-resistant porous layer, the heat-resistant fine particles are the main components, and play a role of preventing thermal shrinkage and film breakage of the resin porous film serving as the base material. In addition, when the inside of the battery generates heat abnormally and the resin porous membrane melts, the positive and negative electrodes are separated by the heat-resistant porous layer containing heat-resistant fine particles as the main component, ensuring the reliability of the battery. The
耐熱性微粒子としては、電気絶縁性を有しており、電気化学的に安定で、更に後述する有機電解液や、耐熱多孔質層形成用組成物(溶媒を含む組成物)に用いる溶媒に安定であり、高温状態で有機電解液に溶解しないものであれば、特に制限はない。なお、本明細書でいう「有機電解液に対して安定な耐熱性微粒子」とは、有機電解液(非水電解液電池の電解液として使用される有機電解液)中で変形および化学的組成変化の起こらない耐熱性微粒子を意味している。また、本明細書でいう「高温状態」とは、具体的には150℃以上の温度であり、このような温度の有機電解液中で変形および化学的組成変化の起こらない安定な粒子であればよい。更に、本明細書でいう「電気化学的に安定な」とは、電池の充放電の際に化学変化が生じないことを意味している。 The heat-resistant fine particles have electrical insulation properties, are electrochemically stable, and are stable in a solvent used for an organic electrolyte and a composition for forming a heat-resistant porous layer (a composition containing a solvent) described later. As long as it does not dissolve in the organic electrolyte at high temperature, there is no particular limitation. As used herein, “stable heat-resistant fine particles with respect to an organic electrolyte” refers to deformation and chemical composition in an organic electrolyte (an organic electrolyte used as an electrolyte in a non-aqueous electrolyte battery). It means heat-resistant fine particles that do not change. In addition, the “high temperature state” in the present specification specifically refers to a temperature of 150 ° C. or higher, and may be a stable particle that does not undergo deformation or chemical composition change in an organic electrolyte at such a temperature. That's fine. Further, “electrochemically stable” as used in the present specification means that no chemical change occurs during charging / discharging of the battery.
このような耐熱性微粒子の具体例としては、例えば、酸化鉄、SiO2(シリカ)、Al2O3(アルミナ)、TiO2、BaTiO3、ZrO2などの酸化物微粒子;窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの窒化物微粒子;フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウムなどの難溶性のイオン結晶微粒子;シリコン、ダイヤモンドなどの共有結合性結晶微粒子;タルク、モンモリロナイトなどの粘土微粒子;ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイトなどの鉱物資源由来物質またはそれらの人造物;などの無機微粒子が挙げられる。また、金属微粒子;SnO2、スズ−インジウム酸化物(ITO)などの酸化物微粒子;カーボンブラック、グラファイトなどの炭素質微粒子;などの導電性微粒子の表面を、電気絶縁性を有する材料(例えば、前記の電気絶縁性の耐熱性微粒子を構成する材料など)で表面処理することで、電気絶縁性を持たせた微粒子であってもよい。また、更には、架橋ポリメタクリル酸メチル(架橋PMMA)などの高分子微粒子を用いることもできる。耐熱性微粒子には、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。耐熱性微粒子としては、シリカ、アルミナ、ベーマイトがより好ましく、アルミナ、ベーマイトが更に好ましく、ベーマイトが特に好ましい。 Specific examples of such heat-resistant fine particles include, for example, oxide fine particles such as iron oxide, SiO 2 (silica), Al 2 O 3 (alumina), TiO 2 , BaTiO 3 , ZrO 2 ; aluminum nitride, silicon nitride Nitride fine particles such as: Calcium fluoride, barium fluoride, barium sulfate and other poorly soluble ionic crystal fine particles; silicon, diamond and other covalently bonded crystal fine particles; talc, montmorillonite and other clay fine particles; boehmite, zeolite, apatite, Inorganic fine particles such as kaolin, mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite and other mineral resource-derived substances or artificial products thereof. Further, the surface of conductive fine particles such as metal fine particles; oxide fine particles such as SnO 2 and tin-indium oxide (ITO); carbon fine particles such as carbon black and graphite; It may be fine particles that have been made electrically insulating by surface treatment with the above-mentioned materials constituting the electrically insulating heat-resistant fine particles. Furthermore, polymer fine particles such as crosslinked polymethyl methacrylate (crosslinked PMMA) can also be used. These heat resistant fine particles may be used alone or in combination of two or more. As the heat-resistant fine particles, silica, alumina and boehmite are more preferable, alumina and boehmite are more preferable, and boehmite is particularly preferable.
耐熱性微粒子の形態としては、球状、粒子状、板状、針状など種々の形態が挙げられるが、セパレータの熱収縮をより良好に抑制する観点からは、アスペクト比が1以上3以下の、多面体形状または略球形状(真球形のものを含む)であることが好ましい。ここでいう「多面体形状の粒子」とは、略多角形(多角形を含む)の面で囲まれた粒子を指し、略菱面体形状(菱面体形状を含む)、略六角柱形状(六角柱形状を含む)、略立方体形状(立方体形状を含む)などの粒子が例示される。 Examples of the shape of the heat-resistant fine particles include various shapes such as a spherical shape, a particle shape, a plate shape, and a needle shape. From the viewpoint of better suppressing the thermal shrinkage of the separator, the aspect ratio is 1 or more and 3 or less. It is preferably a polyhedral shape or a substantially spherical shape (including a true spherical shape). The term “polyhedron-shaped particle” as used herein refers to a particle surrounded by a substantially polygonal surface (including a polygon), and has a substantially rhombohedral shape (including rhombohedral shape), a substantially hexagonal column shape (hexagonal column). And particles having a substantially cubic shape (including a cubic shape).
なお、多面体形状の粒子のアスペクト比とは、粒子の中心(重心)から一番遠い面中心までの距離Lf(μm)を、粒子の中心から一番近い面中心までの距離Ln(μm)で除した値、すなわち、「Lf/Ln」を意味している。また、略球形状の粒子のアスペクト比とは、球の長軸径(最長の径)Ll(μm)を、球の短軸径(最短の径)Ls(μm)で除した値、すなわち、「Ll/Ls」を意味している。なお、これらの定義から、耐熱性微粒子のアスペクト比は、1以上となる。 The aspect ratio of a polyhedral particle is the distance Lf (μm) from the center (center of gravity) of the particle to the center of the farthest surface, and the distance Ln (μm) from the center of the particle to the nearest surface center. It means the value obtained by dividing, ie, “Lf / Ln”. The aspect ratio of the substantially spherical particles is a value obtained by dividing the major axis diameter (longest diameter) Ll (μm) of the sphere by the minor axis diameter (shortest diameter) Ls (μm) of the sphere, that is, It means “Ll / Ls”. From these definitions, the aspect ratio of the heat-resistant fine particles is 1 or more.
なお、アスペクト比が3を超える耐熱性微粒子の場合には、耐熱多孔質層を樹脂多孔質膜状に形成した際に、樹脂多孔質膜に対して平行方向、すなわち、充放電の際のリチウムイオンの運動方向に対して垂直方向に粒子が配向する傾向が高いため、正負極間を移動するリチウムイオンの運動に対する障壁となる虞があり、また、このような微粒子は充填性が高いために耐熱多孔質層の空孔率を低下させる虞がある。そのため、アスペクト比が3を超える耐熱性微粒子を使用した場合、電池の出力密度の向上効果が小さくなる虞がある。 In the case of heat-resistant fine particles having an aspect ratio exceeding 3, when the heat-resistant porous layer is formed in a resin porous film shape, the lithium is in a direction parallel to the resin porous film, that is, during charge / discharge. Since particles tend to be oriented in a direction perpendicular to the direction of ion movement, there is a risk of a barrier against the movement of lithium ions moving between the positive and negative electrodes. There is a possibility that the porosity of the heat resistant porous layer may be lowered. Therefore, when heat-resistant fine particles having an aspect ratio exceeding 3 are used, the effect of improving the output density of the battery may be reduced.
本明細書でいう耐熱性微粒子のアスペクト比は、耐熱多孔質層の表面および断面について、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)により3000〜20000倍程度の測定倍率で撮影した画像を、画像解析することにより、前記のLnおよびLf、またはLlおよびLsを求め、これらにより算出することができる(後記の実施例で示す耐熱性微粒子のアスペクト比は、この方法により求めた値である)。 As used herein, the aspect ratio of the heat-resistant fine particles is obtained by image analysis of the surface and cross section of the heat-resistant porous layer, for example, an image taken at a measurement magnification of about 3000 to 20000 times with a scanning electron microscope (SEM). Thus, the above-mentioned Ln and Lf, or Ll and Ls can be obtained and calculated from them (the aspect ratio of the heat-resistant fine particles shown in the examples described later is a value obtained by this method).
耐熱性微粒子は、大きすぎると、耐熱多孔質層を薄く形成することが難しくなり、また、リチウムイオンの運動の障害となりやすいことから、その平均粒子径が、1μm以下であることが好ましく、0.8μm以下であることがより好ましい。一方、耐熱性微粒子が小さすぎると、その表面積が大きくなるため、耐熱多孔質層中での耐熱性微粒子の分散性が低下したり、耐熱性微粒子の付着水が増加して、電池内の水分量の制御が困難となる。電池内の水分量が多くなると、電池特性が低下する虞がある。よって、こうした問題の発生を抑えて、良好な特性の電池を構成し得るようにする観点から、耐熱性微粒子の平均粒子径は、0.2μm以上であることが好ましい。 If the heat-resistant fine particles are too large, it is difficult to form a thin heat-resistant porous layer, and the movement of lithium ions tends to be an obstacle, so the average particle diameter is preferably 1 μm or less. More preferably, it is 8 μm or less. On the other hand, if the heat-resistant fine particles are too small, the surface area becomes large, so that the dispersibility of the heat-resistant fine particles in the heat-resistant porous layer is reduced or the amount of water adhering to the heat-resistant fine particles is increased. It becomes difficult to control the amount. If the amount of water in the battery increases, the battery characteristics may deteriorate. Therefore, the average particle diameter of the heat-resistant fine particles is preferably 0.2 μm or more from the viewpoint of suppressing the occurrence of such problems and making it possible to construct a battery having good characteristics.
なお、本明細書でいう耐熱性微粒子の平均粒子径は、レーザー散乱粒度分布計(例えば、HORIBA社製「LA−920」)を用い、微粒子を膨潤させたり溶解させたりしない媒体(例えば水)に分散させて測定した体積基準の積算分率における50%での粒径(D50)である。 In addition, the average particle diameter of the heat-resistant fine particles referred to in this specification is a medium that does not swell or dissolve the fine particles using a laser scattering particle size distribution meter (for example, “LA-920” manufactured by HORIBA) (for example, water). The particle size (D50) at 50% of the volume-based integrated fraction measured by dispersing in a particle size.
耐熱多孔質層は耐熱性微粒子を主成分として含むが、ここでいう「主成分として含む」とは、耐熱性微粒子を、耐熱多孔質層の構成成分の全体積中、70体積%以上含むことを意味している。耐熱多孔質層における耐熱性微粒子の量は、耐熱多孔質層の構成成分の全体積中、80体積%以上であることが好ましく、90体積%以上であることがより好ましい。耐熱多孔質層中の耐熱性微粒子を前記のように高含有量とすることで、多層多孔質膜全体の熱収縮を良好に抑制することができる。また、耐熱多孔質層には、耐熱性微粒子同士を結着したり耐熱多孔質層と樹脂多孔質膜とを結着したりするためにバインダを含有させることが好ましく、このような観点から、耐熱多孔質層における耐熱性微粒子量の好適上限値は、例えば、耐熱多孔質層の構成成分の全体積中、99体積%である。なお、耐熱多孔質層における耐熱性微粒子の量を70体積%未満とすると、例えば、耐熱多孔質層中のバインダ量を多くする必要が生じるが、その場合には耐熱多孔質層の空孔がバインダによって埋められてしまい、例えばセパレータとしての機能を喪失する虞があり、また、開孔剤などを用いて多孔質化した場合には、耐熱性微粒子同士の間隔が大きくなりすぎて、熱収縮を抑制する効果が低下する虞がある。 The heat-resistant porous layer contains heat-resistant fine particles as a main component. The term “containing as a main component” as used herein means that the heat-resistant fine particles contain 70% by volume or more in the total volume of components of the heat-resistant porous layer. Means. The amount of the heat-resistant fine particles in the heat-resistant porous layer is preferably 80% by volume or more and more preferably 90% by volume or more in the total volume of the constituent components of the heat-resistant porous layer. By making the heat-resistant fine particles in the heat-resistant porous layer have a high content as described above, the heat shrinkage of the entire multilayer porous film can be satisfactorily suppressed. The heat-resistant porous layer preferably contains a binder for binding the heat-resistant fine particles to each other or binding the heat-resistant porous layer and the resin porous film. The suitable upper limit of the amount of heat-resistant fine particles in the heat-resistant porous layer is, for example, 99% by volume in the total volume of the constituent components of the heat-resistant porous layer. If the amount of the heat-resistant fine particles in the heat-resistant porous layer is less than 70% by volume, for example, it is necessary to increase the amount of the binder in the heat-resistant porous layer. There is a risk of losing the function as a separator, for example, when it is filled with a binder, and when it is made porous using a pore-opening agent or the like, the interval between the heat-resistant fine particles becomes too large, causing heat shrinkage. There is a possibility that the effect of suppressing the decrease.
耐熱多孔質層には、耐熱性微粒子同士を結着したり、耐熱多孔質層と樹脂多孔質膜とを接着したりする目的で、バインダを含有させることが好ましい。バインダとしては、耐熱多孔質層の構成成分同士を良好に接着でき、電気化学的に安定で、更に有機電解液に対して安定であれば特に制限はない。具体的には、例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA、酢酸ビニル由来の構造単位が20〜35モル%のもの)、アクリレート共重合体、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリウレタン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの樹脂が挙げられ、また、これらの樹脂の一部に、有機電解液への溶解を防止するために架橋構造を導入したものも用いることができる。これらのバインダは1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、架橋構造を有するアクリレート共重合体が特に好ましい。 The heat-resistant porous layer preferably contains a binder for the purpose of binding the heat-resistant fine particles to each other or bonding the heat-resistant porous layer and the resin porous film. The binder is not particularly limited as long as the constituent components of the heat-resistant porous layer can be satisfactorily bonded to each other, are electrochemically stable, and are stable to the organic electrolyte. Specifically, for example, ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA, structural unit derived from vinyl acetate is 20 to 35 mol%), acrylate copolymer, fluorine rubber, styrene butadiene rubber (SBR), polyvinyl Resins such as alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyurethane, and polyvinylidene fluoride (PVDF) are listed. Some of these resins prevent dissolution in organic electrolytes. In order to achieve this, those having a crosslinked structure introduced can also be used. These binders may be used alone or in combination of two or more. Among these, an acrylate copolymer having a crosslinked structure is particularly preferable.
また、前記のバインダ以外にも、公知の樹脂にアミン化合物やポリアクリル酸樹脂などを混合して柔軟性を高めたり、ガラス転移温度(Tg)を下げたり、公知の可塑剤(フタル酸エステル類など)の柔軟性付与添加剤を配合したりするなどして、破断伸びを向上させたものを用いることができる。更に、カルボキシル基を導入することで、バインダの接着性を高めることもできる。なお、樹脂のTgを下げる方法としては、架橋密度の低い架橋構造の導入、長鎖の側鎖の導入などの公知の各種方法が採用できる。 In addition to the binder, amine compounds and polyacrylic acid resins may be mixed with known resins to increase flexibility, lower the glass transition temperature (Tg), or use known plasticizers (phthalate esters). Or the like) can be used, for example, to improve the elongation at break. Furthermore, the adhesiveness of the binder can be enhanced by introducing a carboxyl group. As a method for lowering the Tg of the resin, various known methods such as introduction of a crosslinked structure having a low crosslinking density and introduction of a long side chain can be employed.
耐熱多孔質層におけるバインダの量は、バインダの使用による耐熱多孔質層と樹脂多孔質膜との接着性向上効果や、耐熱性微粒子同士の接着性向上効果をより良好に確保する観点から、耐熱性微粒子100質量部に対して、1質量部以上であることが好ましく、2質量部以上であることがより好ましい。ただし、耐熱多孔質層において、バインダの量が多すぎると、耐熱多孔質層の空孔が塞がれて、負荷特性に代表される電池特性が低下する虞がある。よって、耐熱多孔質層におけるバインダの量は、耐熱性微粒子100質量部に対して、20質量部以下であることが好ましく、10質量部以下であることがより好ましい。 The amount of the binder in the heat-resistant porous layer is determined from the viewpoint of better ensuring the effect of improving the adhesion between the heat-resistant porous layer and the resin porous film by using the binder and the effect of improving the adhesion between the heat-resistant fine particles. The amount is preferably 1 part by mass or more and more preferably 2 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the fine particles. However, in the heat-resistant porous layer, if the amount of the binder is too large, the pores of the heat-resistant porous layer are blocked, and battery characteristics represented by load characteristics may be deteriorated. Therefore, the amount of the binder in the heat resistant porous layer is preferably 20 parts by mass or less and more preferably 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the heat resistant fine particles.
耐熱多孔質層の厚み(セパレータを構成する多層多孔質膜が、耐熱多孔質層を複数有する場合には、その合計厚み。耐熱多孔質層の厚みについて、以下同じ。)は、電池の出力密度を高める観点から、6μm以下であり、5μm以下であることが好ましい。また、樹脂多孔質膜の熱収縮を良好に抑制する観点から、耐熱多孔質層の厚みは、3μm以上であり、4μm以上であることが好ましい。 The thickness of the heat-resistant porous layer (when the multilayer porous film constituting the separator has a plurality of heat-resistant porous layers, the total thickness. The same applies to the thickness of the heat-resistant porous layer). From the viewpoint of increasing the thickness, it is 6 μm or less, and preferably 5 μm or less. Further, from the viewpoint of satisfactorily suppressing the heat shrinkage of the resin porous membrane, the thickness of the heat resistant porous layer is 3 μm or more, and preferably 4 μm or more.
耐熱多孔質層の空孔率は、電池の出力密度を高める観点から、乾燥した状態で(耐熱多孔質層および樹脂多孔質膜の空孔率について、以下同じ。)、55%以上であり、56%以上であることが好ましい。また、耐熱多孔質層による前記の効果が小さくなることを抑制する観点から、耐熱多孔質層の空孔率は、70%以下であることが好ましく、65%以下であることがより好ましい。なお、耐熱多孔質層の空孔率:P(%)は、耐熱多孔質層の厚み、面積あたりの質量、構成成分の密度から、下記(1)式を用いて各成分iについての総和を求めることにより計算できる。
P = 100−(Σai/ρi)×(m/t) (1)
ここで、前記式中、ai:質量%で表した成分iの比率、ρi:成分iの密度(g/cm3)、m:耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量(g/cm2)、t:耐熱多孔質層の厚み(cm)である。
From the viewpoint of increasing the output density of the battery, the porosity of the heat resistant porous layer is 55% or more in a dry state (the same applies to the porosity of the heat resistant porous layer and the resin porous membrane), It is preferably 56% or more. Further, from the viewpoint of suppressing the reduction of the above-described effect by the heat resistant porous layer, the porosity of the heat resistant porous layer is preferably 70% or less, and more preferably 65% or less. The porosity of the heat resistant porous layer: P (%) is the sum of each component i using the following formula (1) from the thickness of the heat resistant porous layer, the mass per area, and the density of the constituent components. It can be calculated by finding it.
P = 100− (Σa i / ρ i ) × (m / t) (1)
Here, in the above formula, a i : ratio of component i expressed by mass%, ρ i : density of component i (g / cm 3 ), m: mass per unit area of heat-resistant porous layer (g / cm 2 ), t: thickness (cm) of the heat-resistant porous layer.
本発明の電池で使用するセパレータを構成する多層多孔質膜に係る樹脂多孔質膜は、80〜180℃で軟化して空孔が閉塞され、かつ電池の有する有機電解液に溶解しない熱可塑性樹脂を主成分とするものであることが好ましい。なお、80〜180℃で軟化する熱可塑性樹脂としては、例えば、JIS K 7121の規定に準じて、示差走査熱量計(DSC)を用いて測定される融解温度が80〜180℃の熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂の具体例としては、ポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタンなどが挙げられる。また、ポリオレフィンとしては、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンなどのポリエチレン(PE);ポリプロピレン(PP);などが挙げられる。熱可塑性樹脂は、前記例示のものを1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 The resin porous membrane according to the multilayer porous membrane constituting the separator used in the battery of the present invention is a thermoplastic resin that is softened at 80 to 180 ° C. to close the pores and does not dissolve in the organic electrolyte solution of the battery It is preferable that the main component is. The thermoplastic resin softening at 80 to 180 ° C. is, for example, a thermoplastic resin having a melting temperature of 80 to 180 ° C. measured using a differential scanning calorimeter (DSC) according to JIS K 7121. Is mentioned. Specific examples of the thermoplastic resin include polyolefin and thermoplastic polyurethane. Examples of the polyolefin include polyethylene (PE) such as low density polyethylene, high density polyethylene, and ultrahigh molecular weight polyethylene; polypropylene (PP); As the thermoplastic resin, those exemplified above may be used alone or in combination of two or more.
樹脂多孔質膜としては、例えば、従来から知られている溶剤抽出法や、乾式または湿式延伸法などにより形成された孔を多数有するイオン透過性の多孔質膜(電池のセパレータとして汎用されている微多孔膜)で構成された層を用いることができる。 As the resin porous membrane, for example, an ion-permeable porous membrane having a large number of pores formed by a conventionally known solvent extraction method, dry type or wet drawing method (used widely as a battery separator) A layer composed of a microporous membrane) can be used.
なお、樹脂多孔質膜において、「熱可塑性樹脂を主成分とする」とは、樹脂多孔質膜を構成する成分のうち、主成分である成分(熱可塑性樹脂)が50体積%以上であることを意味している。 In the resin porous membrane, “having a thermoplastic resin as a main component” means that the component (thermoplastic resin) as a main component among the components constituting the resin porous membrane is 50% by volume or more. Means.
また、樹脂多孔質膜における熱可塑性樹脂の含有量は、電池内が高温になった際に樹脂多孔質膜を構成する熱可塑性樹脂が溶融してセパレータの空孔を塞ぐ、いわゆるシャットダウンの効果をより得やすくするために、例えば、下記のようであることが好ましい。多層多孔質膜の全構成成分中における熱可塑性樹脂の体積は、10体積%以上であることが好ましく、20体積%以上であることがより好ましい。更に、熱可塑性樹脂の体積が、樹脂多孔質膜の全構成成分中、50体積%以上であることが好ましく、70体積%以上であることがより好ましく、80体積%以上であることがより好ましい(熱可塑性樹脂が100体積%であってもよい。)。更に、熱可塑性樹脂の体積が、耐熱多孔質層の空孔体積の50%以上であることが好ましい。 In addition, the thermoplastic resin content in the resin porous membrane has a so-called shutdown effect that the thermoplastic resin constituting the resin porous membrane melts and closes the pores of the separator when the temperature inside the battery becomes high. In order to make it easier to obtain, for example, the following is preferable. The volume of the thermoplastic resin in all the constituent components of the multilayer porous membrane is preferably 10% by volume or more, and more preferably 20% by volume or more. Furthermore, the volume of the thermoplastic resin is preferably 50% by volume or more, more preferably 70% by volume or more, and more preferably 80% by volume or more in all the constituent components of the resin porous membrane. (The thermoplastic resin may be 100% by volume). Furthermore, the volume of the thermoplastic resin is preferably 50% or more of the pore volume of the heat resistant porous layer.
樹脂多孔質膜の厚み(多層多孔質膜が樹脂多孔質膜を複数有する場合には、その合計厚み。樹脂多孔質膜の厚みについて、以下同じ。)は、電池のシャットダウン特性を良好に確保する観点から、8μm以上であることが好ましく、12μm以上であることがより好ましい。また、セパレータの全厚みを小さくして、電池の容量や出力密度をより向上させる観点から、樹脂多孔質膜の厚みは、25μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましい。 The thickness of the resin porous membrane (when the multilayer porous membrane has a plurality of resin porous membranes, the total thickness. The same applies to the thickness of the resin porous membrane). From the viewpoint, it is preferably 8 μm or more, and more preferably 12 μm or more. Further, from the viewpoint of reducing the total thickness of the separator and further improving the capacity and output density of the battery, the thickness of the resin porous membrane is preferably 25 μm or less, and more preferably 20 μm or less.
更に、樹脂多孔質膜は、その孔径が3μm以下であることが好ましい。孔径が前記のように小さな樹脂多孔質膜を用いた多層多孔質膜からなるセパレータであれば、電池内において正極や負極から小片が脱離しても、これによる短絡の発生を良好に抑制することができる。 Further, the resin porous membrane preferably has a pore size of 3 μm or less. If the separator is made of a multilayer porous membrane using a resin porous membrane having a small pore diameter as described above, even if small pieces are detached from the positive electrode or the negative electrode in the battery, the occurrence of a short circuit due to this is satisfactorily suppressed. Can do.
また、前記(1)式において、mを樹脂多孔質膜の単位面積あたりの質量(g/cm2)とし、tを樹脂多孔質膜の厚み(cm)とすることで、前記(1)式を用いて樹脂多孔質膜の空孔率:P(%)を求めることもできる。この方法により求められる樹脂多孔質膜の空孔率は、非水電解液の保持量を高める観点から、好ましくは30%以上、より好ましくは40%以上であり、また、樹脂多孔質膜の物理的強度を高めたり、シャットダウン特性をより良好に確保したりする観点から、好ましくは80%以下、より好ましくは70%以下である。 Further, in the formula (1), m is the mass per unit area (g / cm 2 ) of the resin porous membrane, and t is the thickness (cm) of the resin porous membrane. Can also be used to determine the porosity of the resin porous membrane: P (%). The porosity of the resin porous membrane required by this method is preferably 30% or more, more preferably 40% or more from the viewpoint of increasing the amount of nonaqueous electrolyte retained, and the physical properties of the resin porous membrane From the viewpoint of increasing the mechanical strength and ensuring better shutdown characteristics, it is preferably 80% or less, more preferably 70% or less.
多層多孔質膜は、樹脂多孔質膜と耐熱多孔質層とを、それぞれ1層ずつ有していてもよいが、例えば、樹脂多孔質膜の両面に耐熱多孔質層を有するなど耐熱多孔質層を複数有していたり、また、樹脂多孔質膜を複数有したりしていてもよい。ただし、層数を増やすことで多層多孔質膜の厚みが増え、この多層多孔質膜により構成されるセパレータを用いた電池において、内部抵抗の増加やエネルギー密度の低下を招く虞があるので、層数を多くしすぎるのは好ましくなく、多層多孔質膜を構成する層(樹脂多孔質膜および耐熱多孔質層)の総数は5層以下であることが好ましく、2層であることがより好ましい。 The multilayer porous film may have one resin porous film and one heat resistant porous layer. For example, the heat resistant porous layer has a heat resistant porous layer on both sides of the resin porous film. Or a plurality of porous resin membranes. However, increasing the number of layers increases the thickness of the multilayer porous membrane, and in a battery using a separator composed of this multilayer porous membrane, there is a risk of causing an increase in internal resistance and a decrease in energy density. It is not preferable to increase the number too much, and the total number of layers (resin porous film and heat-resistant porous layer) constituting the multilayer porous film is preferably 5 layers or less, and more preferably 2 layers.
多層多孔質膜の厚みは、セパレータとしての十分な強度を確保する観点から、11μm以上であることが好ましく、15μm以上であることがより好ましい。ただし、多層多孔質膜が厚すぎると、電池の高出力化の効果が小さくなる虞があることから、多層多孔質膜の厚みは32μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましい。 The thickness of the multilayer porous membrane is preferably 11 μm or more, and more preferably 15 μm or more, from the viewpoint of ensuring sufficient strength as a separator. However, if the multilayer porous membrane is too thick, the effect of increasing the output of the battery may be reduced. Therefore, the thickness of the multilayer porous membrane is preferably 32 μm or less, and more preferably 30 μm or less. .
なお、耐熱多孔質層の厚みに対して樹脂多孔質膜が薄すぎると、樹脂多孔質膜を構成する熱可塑性樹脂の融点以上の温度に曝された際に、溶融した熱可塑性樹脂の大部分が耐熱多孔質層に吸収されて膜構造の維持が困難となる場合があるため、多層多孔質膜における樹脂多孔質膜の厚みは、耐熱多孔質層の厚みの、2.2倍以上であることが好ましく、2.5倍以上であることがより好ましい。また、耐熱多孔質層の厚みに対して樹脂多孔質膜が厚すぎると、多層多孔質膜の熱収縮率を低く抑える効果が小さくなる虞があることから、多層多孔質膜における樹脂多孔質膜の厚みは、耐熱多孔質層の厚みの、10倍以下であることが好ましく、6倍以下であることがより好ましい。 If the resin porous membrane is too thin relative to the thickness of the heat-resistant porous layer, most of the molten thermoplastic resin when exposed to a temperature equal to or higher than the melting point of the thermoplastic resin constituting the resin porous membrane. May be absorbed into the heat-resistant porous layer and it may be difficult to maintain the film structure, and therefore the thickness of the resin porous film in the multilayer porous film is 2.2 times or more the thickness of the heat-resistant porous layer. It is preferable that the ratio is 2.5 times or more. In addition, if the resin porous membrane is too thick relative to the thickness of the heat resistant porous layer, the effect of suppressing the thermal shrinkage rate of the multilayer porous membrane may be reduced. The thickness of is preferably 10 times or less, more preferably 6 times or less the thickness of the heat resistant porous layer.
本発明に係る多層多孔質膜の熱収縮率は、後述する実施例に記載の方法で測定される熱収縮率が、7%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましい。多層多孔質膜の熱収縮率が大きすぎると、電池の異常発熱時に発生するセパレータの熱収縮によって正負極間の短絡発生の可能性が高まり、更に、内部短絡の発生時においては、セパレータの破膜の広がりを抑制する効果が小さくなる虞がある。多層多孔質膜の前記熱収縮率は、多層多孔質膜を、これまで説明してきた構成とすることで確保することができる。 The heat shrinkage rate of the multilayer porous membrane according to the present invention is preferably 7% or less, and more preferably 5% or less, as measured by the method described in Examples below. If the thermal contraction rate of the multilayer porous membrane is too large, the possibility of a short circuit between the positive and negative electrodes increases due to the thermal contraction of the separator that occurs when the battery heats up abnormally, and the separator breaks down when an internal short circuit occurs. There is a possibility that the effect of suppressing the spread of the film is reduced. The thermal contraction rate of the multilayer porous membrane can be ensured by configuring the multilayer porous membrane as described above.
本発明に係る多層多孔質膜は、例えば、耐熱多孔質層を構成する耐熱性微粒子およびバインダなどを、水や有機溶媒といった媒体に分散させてスラリー状やペースト状の耐熱多孔質層形成用組成物(バインダは、媒体に溶解していてもよい)を調製し、これを樹脂多孔質膜表面に塗布し、乾燥する方法により製造することができる。 The multilayer porous membrane according to the present invention is, for example, a composition for forming a heat-resistant porous layer in the form of a slurry or paste by dispersing heat-resistant fine particles and a binder constituting the heat-resistant porous layer in a medium such as water or an organic solvent. An article (a binder may be dissolved in a medium) is prepared, applied to the surface of the resin porous membrane, and dried.
なお、樹脂多孔質膜表面への耐熱多孔質層形成用組成物の塗布は、例えば、樹脂多孔質膜の表面に耐熱多孔質層形成用組成物を公知の塗工装置により塗布する方法や、樹脂多孔質膜を耐熱多孔質層形成用組成物中に含浸させる方法などによって実施することができる。 In addition, the application of the heat-resistant porous layer forming composition to the resin porous membrane surface is, for example, a method of applying the heat-resistant porous layer forming composition to the surface of the resin porous membrane with a known coating device, It can be carried out by a method of impregnating the resin porous membrane into the heat-resistant porous layer forming composition.
樹脂多孔質膜の表面に耐熱多孔質層形成用組成物を塗布する際に使用できる塗工装置としては、例えば、グラビアコーター、ナイフコーター、リバースロールコーター、ダイコーターなどが挙げられる。 Examples of the coating apparatus that can be used when applying the heat-resistant porous layer forming composition to the surface of the resin porous membrane include a gravure coater, a knife coater, a reverse roll coater, and a die coater.
耐熱多孔質層形成用組成物に用いられる媒体は、耐熱性微粒子などを均一に分散でき、また、バインダを均一に溶解または分散できるものであればよいが、例えば、トルエンなどの芳香族炭化水素、テトラヒドロフランなどのフラン類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン類など、一般的な有機溶媒が好適に用いられる。なお、これらの媒体に、界面張力を制御する目的で、アルコール(エチレングリコール、プロピレングリコールなど)、または、モノメチルアセテートなどの各種プロピレンオキサイド系グリコールエーテルなどを適宜添加してもよい。また、バインダが水溶性である場合、エマルジョンとして使用する場合などでは、前記の通り水を媒体としてもよく、この際にもアルコール類(メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチレングリコールなど)を適宜加えて界面張力を制御することもできる。 The medium used in the heat-resistant porous layer forming composition may be any medium that can uniformly disperse heat-resistant fine particles and the like, and can dissolve or disperse the binder uniformly. For example, an aromatic hydrocarbon such as toluene. Common organic solvents such as francs such as tetrahydrofuran, ketones such as methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone are preferably used. In addition, for the purpose of controlling the interfacial tension, alcohol (ethylene glycol, propylene glycol, etc.) or various propylene oxide glycol ethers such as monomethyl acetate may be appropriately added to these media. In addition, when the binder is water-soluble or used as an emulsion, water may be used as described above. In this case, alcohols (methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, ethylene glycol, etc.) are appropriately used. In addition, the interfacial tension can be controlled.
耐熱多孔質層形成用組成物は、その固形分含量を、例えば10〜80質量%とすることが好ましい。 The heat-resistant porous layer forming composition preferably has a solid content of, for example, 10 to 80% by mass.
なお、樹脂多孔質膜には、耐熱多孔質層との接着性を高めるために、表面改質を行うことができる。前記の通り、樹脂多孔質膜としてはポリオレフィンで構成されたものが好ましいが、その場合、表面の接着性は一般に高くないため、表面改質が有効であることが多い。 The resin porous membrane can be subjected to surface modification in order to enhance the adhesion with the heat resistant porous layer. As described above, the resin porous membrane is preferably made of polyolefin, but in this case, surface modification is often effective because surface adhesion is generally not high.
樹脂多孔質膜の表面改質方法としては、例えば、コロナ放電処理、プラズマ放電処理、紫外線照射処理などが挙げられる。なお、環境問題への対応の観点から、例えば耐熱多孔質層形成用組成物の媒体には水を用いることがより望ましく、このことからも、表面改質によって、樹脂多孔質膜表面の親水性を高めておくことは非常に好ましい。 Examples of the method for modifying the surface of the resin porous membrane include corona discharge treatment, plasma discharge treatment, and ultraviolet irradiation treatment. From the viewpoint of dealing with environmental problems, for example, it is more desirable to use water as the medium of the heat-resistant porous layer forming composition. From this, the hydrophilicity of the resin porous membrane surface can be improved by surface modification. It is very preferable to increase the value.
本発明の非水電解液電池は、満充電容量に対する残存容量[State of charge(SOC)]が50%の状態での出力密度が、1200W/kg以上であり、2000W/kg以上であることが好ましい。本発明の電池が主要な用途として想定している電動工具の電源用途や自動車用途においては、比較的広い放電領域において高い出力密度が要求されるため、SOCが50%の状態での出力密度が1200W/kg未満の場合には、出力不足が否めない。 The non-aqueous electrolyte battery of the present invention has a power density of 1200 W / kg or more and 2000 W / kg or more when the remaining capacity [State of charge (SOC)] with respect to the full charge capacity is 50%. preferable. In power supply applications for automobiles and automobiles, which are assumed to be the main application of the battery of the present invention, a high output density is required in a relatively wide discharge region. Therefore, the output density when the SOC is 50% is required. In the case of less than 1200 W / kg, there is no denying insufficient output.
本発明の非水電解液電池は、前記の多層多孔質膜をセパレータとし、更に、SOCが50%の状態での出力密度が1200W/kg以上であれば特に制限はなく、従来から知られている非水電解液電池で採用されている構成、構造が適用できる。なお、本発明の非水電解液電池には、一次電池と二次電池とが含まれるが、以下には、特に主要な用途である二次電池(非水電解液二次電池)の構成について例示する。 The nonaqueous electrolyte battery of the present invention is not particularly limited as long as the multilayer porous membrane is used as a separator, and the output density in a state where the SOC is 50% is 1200 W / kg or more. The configuration and structure adopted in the non-aqueous electrolyte battery can be applied. The non-aqueous electrolyte battery of the present invention includes a primary battery and a secondary battery. The configuration of a secondary battery (non-aqueous electrolyte secondary battery), which is a main application, will be described below. Illustrate.
非水電解液二次電池の形態としては、スチール缶やアルミニウム缶などを外装缶として使用した筒形(角筒形や円筒形など)などが挙げられる。また、金属を蒸着したラミネートフィルムを外装体としたソフトパッケージ電池とすることもできる。 Examples of the form of the non-aqueous electrolyte secondary battery include a cylindrical shape (such as a rectangular tube shape or a cylindrical shape) using a steel can or an aluminum can as an outer can. Moreover, it can also be set as the soft package battery which used the laminated film which vapor-deposited the metal as an exterior body.
正極としては、従来から知られている非水電解液二次電池に用いられている正極、すなわち、リチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質を含有する正極であれば特に制限はない。例えば、活物質として、Li1+xMO2(−0.1<x<0.1、M:Co、Ni、Mn、Al、Mg、Zr、Ti、Snなど)の一般式で代表される層状構造のリチウム含有遷移金属酸化物、LiMn2O4やその元素の一部を他元素で置換したスピネル構造のリチウムマンガン酸化物、LiMPO4(M:Co、Ni、Mn、Feなど)で表されるオリビン型化合物などを用いることが可能である。前記層状構造のリチウム含有遷移金属酸化物の具体例としては、LiCoO2やLiNi1−xCox−yAlyO2(0.1≦x≦0.3、0.01≦y≦0.2)などのほか、少なくともCo、NiおよびMnを含む酸化物[Li1+aMnxNiyCo1−x−yO2(−0.1<a<0.1、0<x<0.5、0<y<0.8)など]などを例示することができる。 The positive electrode is not particularly limited as long as it is a positive electrode used in a conventionally known non-aqueous electrolyte secondary battery, that is, a positive electrode containing an active material capable of occluding and releasing lithium ions. For example, as an active material, a layered structure represented by a general formula of Li 1 + x MO 2 (−0.1 <x <0.1, M: Co, Ni, Mn, Al, Mg, Zr, Ti, Sn, etc.) A lithium-containing transition metal oxide, LiMn 2 O 4 and a spinel-type lithium manganese oxide in which a part of the element is substituted with another element, LiMPO 4 (M: Co, Ni, Mn, Fe, etc.) An olivine type compound or the like can be used. Specific examples of the lithium-containing transition metal oxide having a layered structure include LiCoO 2 and LiNi 1-x Co xy Al y O 2 (0.1 ≦ x ≦ 0.3, 0.01 ≦ y ≦ 0. 2) and other oxides containing at least Co, Ni and Mn [Li 1 + a Mn x Ni y Co 1-xy O 2 (−0.1 <a <0.1, 0 <x <0.5 , 0 <y <0.8), etc.].
導電助剤としては、カーボンブラックなどの炭素材料が用いられ、バインダとしては、PVDFなどのフッ素樹脂が用いられ、これらの材料と活物質とが混合された正極合剤により正極合剤層が、例えば集電体表面に形成される。 As the conductive aid, a carbon material such as carbon black is used, and as the binder, a fluorine resin such as PVDF is used, and the positive electrode mixture layer is formed by a positive electrode mixture in which these materials and an active material are mixed. For example, it is formed on the current collector surface.
また、正極の集電体としては、アルミニウムなどの金属の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、厚みが10〜30μmのアルミニウム箔が好適に用いられる。 Further, as the positive electrode current collector, a metal foil such as aluminum, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like can be used, but usually an aluminum foil having a thickness of 10 to 30 μm is preferably used.
正極側のリード部は、通常、正極作製時に、集電体の一部に正極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残し、そこをリード部とすることによって設けられる。ただし、リード部は必ずしも当初から集電体と一体化されたものであることは要求されず、集電体にアルミニウム製の箔などを後から接続することによって設けてもよい。 The lead portion on the positive electrode side is normally provided by leaving the exposed portion of the current collector without forming the positive electrode mixture layer on a part of the current collector and forming the lead portion at the time of producing the positive electrode. However, the lead portion is not necessarily integrated with the current collector from the beginning, and may be provided by connecting an aluminum foil or the like to the current collector later.
負極としては、従来から知られている非水電解液二次電池に用いられている負極、すなわち、リチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質を含有する負極であれば特に制限はない。例えば、活物質として、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素繊維などの、リチウムを吸蔵、放出可能な炭素系材料の1種または2種以上の混合物が用いられる。また、Si、Sn、Ge、Bi,Sb、Inなどの元素およびその合金、リチウム含有窒化物、またはLi4Ti5O12などの酸化物などの、リチウム金属に近い低電圧で充放電できる化合物、もしくはリチウム金属やリチウム/アルミニウム合金も負極活物質として用いることができる。これらの負極活物質に導電助剤(カーボンブラックなどの炭素材料など)やPVDFなどのバインダなどを適宜添加した負極合剤を、集電体を芯材として成形体(負極合剤層)に仕上げたもの、または前記の各種合金やリチウム金属の箔を単独もしくは集電体表面に積層したものなどが用いられる。 The negative electrode is not particularly limited as long as it is a negative electrode used in conventionally known non-aqueous electrolyte secondary batteries, that is, a negative electrode containing an active material capable of occluding and releasing lithium ions. For example, carbon that can occlude and release lithium, such as graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, fired organic polymer compounds, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon fibers as active materials One type or a mixture of two or more types of system materials is used. Further, compounds that can be charged and discharged at a low voltage close to lithium metal, such as elements such as Si, Sn, Ge, Bi, Sb, and In and alloys thereof, lithium-containing nitrides, or oxides such as Li 4 Ti 5 O 12 Alternatively, lithium metal or a lithium / aluminum alloy can also be used as the negative electrode active material. A negative electrode mixture in which a conductive additive (carbon material such as carbon black) or a binder such as PVDF is appropriately added to these negative electrode active materials is finished into a molded body (negative electrode mixture layer) using the current collector as a core material. Or those obtained by laminating the above-mentioned various alloys or lithium metal foils alone or on the surface of the current collector.
負極に集電体を用いる場合には、集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、銅箔が用いられる。この負極集電体は、高エネルギー密度の電池を得るために負極全体の厚みを薄くする場合、厚みの上限は30μmであることが好ましく、下限は5μmであることが望ましい。また、負極側のリード部は、正極側のリード部と同様にして形成すればよい。 When a current collector is used for the negative electrode, a copper or nickel foil, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like can be used as the current collector, but a copper foil is usually used. In the negative electrode current collector, when the thickness of the entire negative electrode is reduced in order to obtain a battery having a high energy density, the upper limit of the thickness is preferably 30 μm, and the lower limit is preferably 5 μm. Further, the lead portion on the negative electrode side may be formed in the same manner as the lead portion on the positive electrode side.
なお、電池の出力密度を1200W/kgとするためには、正極に係る正極合剤層の厚み、および負極に係る負極合剤層の厚みを小さくし、正負極の対向面積を大きくすることが好ましく、具体的には、正極合剤層の質量を、正極集電体の片面あたり12mg/cm2以下とし、負極合剤層の質量を、負極集電体の片面あたり6mg/cm2以下とすることが好ましい。なお、集電体の片面あたりの合剤層の質量が低くなりすぎると、電池内部での合剤層以外の構成材料である集電体、セパレータおよび外装材などの占める質量比率が大きくなりすぎて、却って電池の出力密度が小さくなる傾向にある。よって、正極合剤層の質量は、正極集電体の片面あたり5mg/cm2以上であることが好ましく、負極合剤層の質量は、負極集電体の片面あたり2mg/cm2以上であることが好ましい。 In addition, in order to set the output density of the battery to 1200 W / kg, the thickness of the positive electrode mixture layer related to the positive electrode and the thickness of the negative electrode mixture layer related to the negative electrode should be reduced to increase the facing area of the positive and negative electrodes. Preferably, specifically, the mass of the positive electrode mixture layer is 12 mg / cm 2 or less per side of the positive electrode current collector, and the mass of the negative electrode mixture layer is 6 mg / cm 2 or less per side of the negative electrode current collector. It is preferable to do. In addition, if the mass of the mixture layer per one side of the current collector becomes too low, the mass ratio occupied by the current collector, separator, and exterior material other than the mixture layer inside the battery becomes too large. On the other hand, the output density of the battery tends to decrease. Therefore, the mass of the positive electrode mixture layer is preferably 5 mg / cm 2 or more per side of the positive electrode current collector, and the mass of the negative electrode mixture layer is 2 mg / cm 2 or more per side of the negative electrode current collector. It is preferable.
電極は、前記の正極と前記の負極とを、本発明の多層多孔質膜からなるセパレータを介して積層した積層電極体や、更にこれを巻回した巻回電極体の形態で用いることができる。 The electrode can be used in the form of a laminated electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator made of the multilayer porous film of the present invention, or a wound electrode body in which this is wound. .
有機電解液としては、リチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液が用いられる。リチウム塩としては、溶媒中で解離してLi+イオンを形成し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こしにくいものであれば特に制限は無い。例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6 、LiSbF6などの無機リチウム塩、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≧2)、LiN(RfOSO2)2〔ここでRfはフルオロアルキル基〕などの有機リチウム塩などを用いることができる。 As the organic electrolytic solution, 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 hardly causes side reactions such as decomposition in a voltage range used as a battery. For example, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 and other inorganic lithium salts, 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. .
有機電解液に用いる有機溶媒としては、前記のリチウム塩を溶解し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こさないものであれば特に限定されない。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;プロピオン酸メチルなどの鎖状エステル;γ−ブチロラクトンなどの環状エステル;1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、1,3−ジオキソラン、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどの鎖状エーテル;ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリルなどのニトリル類;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;などが挙げられ、これらは2種以上混合して用いることもできる。なお、より良好な特性の電池とするためには、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒など、高い導電率を得ることができる組み合わせで用いることが望ましい。また、これらの電解液に安全性や充放電サイクル性、高温貯蔵性といった特性を向上させる目的で、ビニレンカーボネート類、1,3−プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、フルオロベンゼン、t−ブチルベンゼンなどの添加剤を適宜加えることもできる。 The organic solvent used in the organic electrolyte is not particularly limited as long as it dissolves the 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 esters such as γ-butyrolactone; Chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, 1,3-dioxolane, diglyme, triglyme, tetraglyme; cyclic ethers such as dioxane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran; acetonitrile, propionitrile, methoxypropio Nitriles such as nitriles; sulfites such as ethylene glycol sulfite; and the like. Rukoto can also. In order to obtain a battery with better characteristics, it is desirable to use a combination that can obtain high conductivity, such as a mixed solvent of ethylene carbonate and chain carbonate. In addition, vinylene carbonates, 1,3-propane sultone, diphenyl disulfide, cyclohexyl benzene, biphenyl, fluorobenzene, t are used for the purpose of improving safety, charge / discharge cycleability, and high-temperature storage properties of these electrolytes. -Additives such as butylbenzene can be added as appropriate.
このリチウム塩の有機電解液中の濃度としては、0.5〜1.5mol/lとすることが好ましく、0.9〜1.25mol/lとすることがより好ましい。 The concentration of the lithium salt in the organic electrolyte is preferably 0.5 to 1.5 mol / l, and more preferably 0.9 to 1.25 mol / l.
また、前記の有機溶媒の代わりに、エチル−メチルイミダゾリウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、へプチル−トリメチルアンモニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、ピリジニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、グアジニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミドといった常温溶融塩を用いることもできる。 Also, instead of the organic solvent, melting at room temperature such as ethyl-methylimidazolium trifluoromethylsulfonium imide, heptyl-trimethylammonium trifluoromethylsulfonium imide, pyridinium trifluoromethylsulfonium imide, guanidinium trifluoromethylsulfonium imide A salt can also be used.
更に、前記の有機電解液に、PVDF、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFP)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、エチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体、主鎖または側鎖にエチレンオキシド鎖を含む架橋ポリマー、架橋したポリ(メタ)アクリル酸エステルといった公知のゲル電解質形成可能なホストポリマーを用いてゲル化した電解質を用いることもできる。 Furthermore, PVDF, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide, polypropylene oxide, ethylene oxide-propylene oxide copolymer, main chain or An electrolyte gelled using a known host polymer capable of forming a gel electrolyte such as a crosslinked polymer containing an ethylene oxide chain in the side chain or a crosslinked poly (meth) acrylate ester can also be used.
本発明の非水電解液電池は、電動工具の電源用途や自動車用途など、特に高出力であることが要求される用途に好適である他、各種電子機器の電源用途など、従来から知られている非水電解液電池が用いられている各種用途と同じ用途にも適用することができる。 The non-aqueous electrolyte battery of the present invention is conventionally known for use in power supplies for electric tools and automobiles, particularly for applications that require high output, and for power supplies for various electronic devices. The present invention can also be applied to the same applications as those used in which nonaqueous electrolyte batteries are used.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。なお、後記の実施例1における耐熱性微粒子のD10およびD90は、それぞれ、D50と同じ方法で測定した体積基準の積算分率における10%での粒径および90%での粒径である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention. In addition, D10 and D90 of the heat-resistant fine particles in Example 1 described later are a particle size at 10% and a particle size at 90% in the volume-based integrated fraction measured by the same method as D50, respectively.
実施例1
<多層多孔質膜の作製>
水1000g中に、耐熱性微粒子である6面体形状のベーマイト合成品(アスペクト比1.4、D10=0.31μm、D50=0.4μm、D90=0.92μm)1000gと、バインダであるアクリレート共重合体(モノマー成分としてブチルアクリレートを主成分とする市販のアクリレート共重合体;耐熱性微粒子100質量部に対して3質量部)とを、スリーワンモーターを用いて1時間攪拌させて分散させ、均一なスラリー(耐熱多孔質層形成用組成物)を調製した。
Example 1
<Preparation of multilayer porous membrane>
In 1000 g of water, 1000 g of a hexahedron-shaped boehmite synthetic product (aspect ratio 1.4, D10 = 0.31 μm, D50 = 0.4 μm, D90 = 0.92 μm) as heat-resistant fine particles and an acrylate co-binder A polymer (commercially available acrylate copolymer mainly composed of butyl acrylate as a monomer component; 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of heat-resistant fine particles) is dispersed by stirring for 1 hour using a three-one motor and uniform. Slurry (composition for forming a heat resistant porous layer) was prepared.
樹脂多孔質膜として、厚みが16μm、空孔率が40%で、片面にコロナ放電処理を施したPE製微多孔膜を用意した。PE製微多孔膜のコロナ放電処理を施した側の表面に、前記のスラリーを、ダイコーターを用いて、乾燥後の厚みが3μmになるように均一に塗布し、乾燥して多層多孔質膜を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.35mg/cm2で、空孔率が59%であり、ベーマイトの比重を3g/cm3、バインダの比重を1g/cm3として算出した耐熱性微粒子の体積比率が、91.7体積%であった。 As the porous resin membrane, a PE microporous membrane having a thickness of 16 μm and a porosity of 40% and subjected to corona discharge treatment on one side was prepared. The slurry is uniformly applied to the surface of the PE microporous membrane on the side subjected to corona discharge treatment using a die coater so that the thickness after drying becomes 3 μm, and dried to obtain a multilayer porous membrane. Was made. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane has a mass of 0.35 mg / cm 2 , a porosity of 59%, a boehmite specific gravity of 3 g / cm 3 , and a binder specific gravity of 1 g / cm 3 . The volume ratio of the heat-resistant fine particles calculated as 3 was 91.7% by volume.
<正極板の作製>
正極活物質であるLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2粉体:87質量%、バインダであるPVDF:5質量%、および導電助剤であるアセチレンブラック:8質量%を混合して正極合剤とし、これにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えてペースト状の正極合剤含有スラリーを調製した。このスラリーを、正極集電体となる厚みが20μmのアルミニウム箔の両面に、乾燥後の総厚みが55μmになるように塗布し、乾燥して、正極板を得た。なお、正極板における正極合剤層の質量は、正極集電体の片面あたり10.5mg/cm2であった。
<Preparation of positive electrode plate>
LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 powder as a positive electrode active material: 87% by mass, PVDF as a binder: 5% by mass, and acetylene black as a conductive auxiliary agent: 8% by mass are mixed. A positive electrode mixture-containing slurry was prepared by adding N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) thereto. This slurry was applied to both surfaces of an aluminum foil having a thickness of 20 μm serving as a positive electrode current collector so that the total thickness after drying was 55 μm and dried to obtain a positive electrode plate. The mass of the positive electrode mixture layer in the positive electrode plate was 10.5 mg / cm 2 per one side of the positive electrode current collector.
<負極板の作製>
負極活物質である人造黒鉛粉体:90質量%、バインダであるPVDF:5質量%、および導電助剤であるアセチレンブラック:5質量%を混合して負極合剤とし、これにNMPを加えてペースト状の負極合剤含有スラリーを調製した。このスラリーを、負極集電体となる厚みが10μmの銅箔の両面に、乾燥後の総厚みが46μmになるように塗布し、乾燥して、負極板を得た。なお、負極板における負極合剤層の質量は、負極集電体の片面あたり5mg/cm2であった。
<Preparation of negative electrode plate>
Artificial graphite powder as a negative electrode active material: 90% by mass, PVDF as a binder: 5% by mass, and acetylene black as a conductive auxiliary agent: 5% by mass are mixed into a negative electrode mixture, and NMP is added thereto. A paste-like negative electrode mixture-containing slurry was prepared. This slurry was applied to both sides of a 10 μm thick copper foil serving as a negative electrode current collector so that the total thickness after drying was 46 μm and dried to obtain a negative electrode plate. The mass of the negative electrode mixture layer in the negative electrode plate was 5 mg / cm 2 per one side of the negative electrode current collector.
<電池の組み立て>
前記の正極板を幅54mmに、負極板を幅56mmに、それぞれスリットし、これらの正極板と負極板との間に、幅58.5mmにスリットした前記の多層多孔質膜をセパレータとして介在させつつ重ね合わせ、渦巻状に巻回して巻回電極体とした。この巻回電極体を、18650円筒形電池缶に挿入し、有機電解液(エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとジメチルカーボネートとを1:1:2の体積比で混合した溶媒に、LiPF6を1mon/lの濃度で溶解させた溶液)を注入した後、電池缶を封止して、円筒形非水電解液二次電池を作製した。
<Battery assembly>
The positive electrode plate was slit to a width of 54 mm and the negative electrode plate to a width of 56 mm, and the multilayer porous film slit to a width of 58.5 mm was interposed as a separator between the positive electrode plate and the negative electrode plate. While being overlapped and wound in a spiral shape, a wound electrode body was obtained. This wound electrode body was inserted into a 18650 cylindrical battery can, and an organic electrolyte (LiPF 6 was mixed with a solvent in which ethylene carbonate, methyl ethyl carbonate, and dimethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1: 2 at 1 mon / Then, the battery can was sealed to produce a cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery.
実施例2
耐熱多孔質層の厚みを6μmとした以外は、実施例1と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.48mg/cm2で、空孔率が59%であった。
Example 2
A multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the heat-resistant porous layer was 6 μm, and a cylindrical non-aqueous solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that this multilayer porous membrane was prepared. An electrolyte secondary battery was produced. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane had a mass of 0.48 mg / cm 2 and a porosity of 59%.
実施例3
耐熱多孔質層に使用する耐熱性微粒子を、球状のアルミナ合成品(アスペクト比1.0、D50=1.0μm)に変更した以外は、実施例1と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.48mg/cm2で、空孔率が55%であり、アルミナの比重を4g/cm3、バインダの比重を1g/cm3として算出した耐熱性微粒子の体積比率が、91.7体積%であった。
Example 3
A multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heat-resistant fine particles used in the heat-resistant porous layer were changed to a spherical alumina synthetic product (aspect ratio 1.0, D50 = 1.0 μm). A cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this multilayer porous membrane was produced. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane has a mass of 0.48 mg / cm 2 , a porosity of 55%, an alumina specific gravity of 4 g / cm 3 , and a binder specific gravity of 1 g / cm 3 . The volume ratio of the heat-resistant fine particles calculated as 3 was 91.7% by volume.
実施例4
耐熱多孔質層の厚みを6μmとした以外は、実施例3と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.92mg/cm2で、空孔率が59%であった。
Example 4
A multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 3 except that the thickness of the heat-resistant porous layer was changed to 6 μm. A cylindrical non-aqueous solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that this multilayer porous membrane was prepared. An electrolyte secondary battery was produced. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane had a mass of 0.92 mg / cm 2 and a porosity of 59%.
実施例5
耐熱多孔質層に使用する耐熱性微粒子を、6面体形状のベーマイト合成品(アスペクト比1.4、D50=0.2μm)に変更し、樹脂多孔質膜を、厚みが25μm、空孔率が40%で、片面にコロナ放電処理を施したPE製微多孔膜に変更した以外は、実施例1と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.35mg/cm2で、空孔率が62%であった。
Example 5
The heat-resistant fine particles used in the heat-resistant porous layer are changed to hexahedron-shaped boehmite synthetic products (aspect ratio 1.4, D50 = 0.2 μm), and the resin porous film has a thickness of 25 μm and a porosity of 40%, except that it was changed to a PE microporous membrane with a corona discharge treatment on one side, a multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 1, and this multilayer porous membrane was manufactured except that this multilayer porous membrane was manufactured. A cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane had a mass of 0.35 mg / cm 2 and a porosity of 62%.
実施例6
耐熱多孔質層の厚みを6μmとした以外は、実施例5と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.7mg/cm2で、空孔率が62%であった。
Example 6
A multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 5 except that the thickness of the heat-resistant porous layer was changed to 6 μm, and a cylindrical non-aqueous solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that this multilayer porous membrane was prepared. An electrolyte secondary battery was produced. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane had a mass of 0.7 mg / cm 2 and a porosity of 62%.
実施例7
耐熱多孔質層に使用する耐熱性微粒子を、6面体形状のベーマイト合成品(アスペクト比1.4、D50=1.0μm)に変更した以外は、実施例5と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.35mg/cm2で、空孔率が55%であった。
Example 7
A multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 5 except that the heat-resistant fine particles used for the heat-resistant porous layer were changed to hexahedron-shaped boehmite synthesized products (aspect ratio 1.4, D50 = 1.0 μm). A cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this multilayer porous membrane was produced. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane had a mass of 0.35 mg / cm 2 and a porosity of 55%.
実施例8
耐熱多孔質層の厚みを6μmとした以外は、実施例7と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.7mg/cm2で、空孔率が55%であった。
Example 8
A multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 7 except that the thickness of the heat-resistant porous layer was 6 μm, and a cylindrical non-aqueous solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that this multilayer porous membrane was prepared. An electrolyte secondary battery was produced. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane had a mass of 0.7 mg / cm 2 and a porosity of 55%.
比較例1
耐熱多孔質層に使用する耐熱性微粒子を、板状のベーマイト合成品(アスペクト比10、D50=1.0μm)に変更した以外は、実施例1と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.39mg/cm2で、空孔率が52%であった。
Comparative Example 1
A multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heat-resistant fine particles used in the heat-resistant porous layer were changed to a plate-like boehmite synthetic product (aspect ratio 10, D50 = 1.0 μm). A cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this multilayer porous membrane was produced. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane had a mass of 0.39 mg / cm 2 and a porosity of 52%.
比較例2
耐熱多孔質層の厚みを2.2μmとした以外は、実施例1と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が0.27mg/cm2で、空孔率が59%であった。
Comparative Example 2
A multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the heat-resistant porous layer was changed to 2.2 μm. A cylindrical shape was prepared in the same manner as in Example 1 except that this multilayer porous membrane was prepared. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane had a mass of 0.27 mg / cm 2 and a porosity of 59%.
比較例3
耐熱多孔質層の厚みを8μmとした以外は、実施例1と同様にして多層多孔質膜を作製し、この多層多孔質膜を作製した以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層は、その質量が1.2mg/cm2で、空孔率が58%であった。
Comparative Example 3
A multilayer porous membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the heat-resistant porous layer was 8 μm, and a cylindrical non-aqueous solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that this multilayer porous membrane was prepared. An electrolyte secondary battery was produced. The heat-resistant porous layer according to the multilayer porous membrane had a mass of 1.2 mg / cm 2 and a porosity of 58%.
比較例4
厚みが30μm、空孔率が40%で、片面にコロナ放電処理を施したPE製微多孔膜を、耐熱多孔質層を形成することなくセパレータに用いた以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解液二次電池を作製した。
Comparative Example 4
Example 1 except that a PE microporous membrane having a thickness of 30 μm and a porosity of 40% and subjected to corona discharge treatment on one side was used as a separator without forming a heat resistant porous layer. A cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery was produced.
実施例1〜8および比較例1〜4の円筒形非水電解液二次電池にセパレータとして使用した多層多孔質膜の熱収縮率を、以下の方法により測定した。多層多孔質膜を縦5cm、横10cmの長方形に切り取り、黒インクで縦方向に平行に3cm、横方向に平行に3cmの十字線を描いた。なお、多層多孔質膜を長方形に切り取るにあたっては、その縦方向または横方向が、多層多孔質膜の製造方向(例えば、セパレータを構成する樹脂多孔質膜が、延伸工程を経て得られたものの場合、その延伸方向)となるようにし、前記十字線は、その交点が、多層多孔質膜片の中心となるようにした。その後、多層多孔質膜片を恒温槽に吊るし、槽内温度を5℃/分の割合で160℃まで上昇させ、更に160℃で1時間温度を保った。その後、多層多孔質膜片を取り出して冷却した後、十字線のうちのより短い方の長さd(mm)を計測し、下記式によって熱収縮率(%)を算出した。
熱収縮率 = 100×(30−d)/30
前記測定は各多層多孔質膜について3回ずつ行い、それらの平均値を各多層多孔質膜の熱収縮率とした。
The thermal contraction rate of the multilayer porous membrane used as a separator in the cylindrical nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 4 was measured by the following method. The multilayer porous membrane was cut into a rectangle of 5 cm in length and 10 cm in width, and a cross line of 3 cm in parallel with the vertical direction and 3 cm in parallel with the horizontal direction was drawn with black ink. When the multilayer porous membrane is cut into a rectangle, the longitudinal direction or the lateral direction is the production direction of the multilayer porous membrane (for example, the resin porous membrane constituting the separator is obtained through a stretching process) And the cross line of the cross line is the center of the multilayer porous membrane piece. Thereafter, the multilayer porous membrane piece was suspended in a thermostatic bath, the bath temperature was increased to 160 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and the temperature was further maintained at 160 ° C. for 1 hour. Then, after taking out and cooling the multilayer porous membrane piece, the shorter length d (mm) of the crosshairs was measured, and the thermal shrinkage rate (%) was calculated by the following formula.
Heat shrinkage rate = 100 × (30−d) / 30
The measurement was performed three times for each multilayer porous membrane, and the average value thereof was taken as the thermal shrinkage rate of each multilayer porous membrane.
また、実施例1〜8および比較例1〜4の円筒形非水電解液二次電池について、以下の出力密度測定、負荷特性測定および加熱試験を行った。 Moreover, about the cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery of Examples 1-8 and Comparative Examples 1-4, the following output density measurements, load characteristic measurements, and heating tests were performed.
<出力密度測定>
各電池を4.2Vまで充電後、SOCが50%の状態になるまで放電処理を行い、続いて所定の電流で20秒間放電した。放電電流は、0.5A、1A、3A、5Aおよび10Aとした。そして、それぞれの放電時に、放電開始から10秒後の電池電圧を測定した。前記の各放電電流と電池電圧との勾配から、下限電圧3.0Vとの時の電流値を算出した。そして、この下限電圧3.0Vのときの電流値と電圧3.0Vの積とから出力を求め、電池質量で規格化した値を出力密度とした。なお、全ての試験は、温度20℃に制御された試験室内で行った。
<Output density measurement>
After each battery was charged to 4.2 V, discharge treatment was performed until the SOC reached 50%, and then the battery was discharged at a predetermined current for 20 seconds. The discharge current was 0.5A, 1A, 3A, 5A and 10A. And the battery voltage 10 second after the discharge start was measured at the time of each discharge. The current value at the lower limit voltage of 3.0 V was calculated from the gradient between each discharge current and the battery voltage. And the output was calculated | required from the product of the electric current value in this lower limit voltage of 3.0V, and the voltage of 3.0V, and the value normalized with battery mass was made into the output density. All tests were performed in a test room controlled at a temperature of 20 ° C.
<負荷特性>
各電池を4.2Vまで0.5Cの電流値で充電した後、10C相当の電流値(1000mA)で3.0Vになるまで放電を行って放電容量(10C放電容量)を測定した。なお、負荷特性の測定は、温度20℃に制御された試験室内で行った。
<Load characteristics>
Each battery was charged at a current value of 0.5 C to 4.2 V, and then discharged at a current value equivalent to 10 C (1000 mA) until it reached 3.0 V, and the discharge capacity (10 C discharge capacity) was measured. The load characteristics were measured in a test room controlled at a temperature of 20 ° C.
<加熱試験>
各電池を、温度20℃に制御された試験室内で、4.2Vまで0.5Cの電流値で充電した。この充電状態の各電池を恒温槽に入れ、槽内温度を5℃/分の割合で160℃まで上昇させ、更に160℃で1時間温度を保った。恒温槽の昇温開始から160℃で1時間の定値運転が終了するまでの間に電池が到達した最高温度を、電池表面に接続した熱電対によって測定した。加熱試験は、各実施例、比較例について3個の電池で実施し、それらの平均値によって、電池の信頼性を評価した。
<Heating test>
Each battery was charged at a current value of 0.5 C up to 4.2 V in a test chamber controlled at a temperature of 20 ° C. Each battery in this charged state was placed in a thermostatic bath, the bath temperature was increased to 160 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and the temperature was further maintained at 160 ° C. for 1 hour. The maximum temperature reached by the battery during the constant temperature operation at 160 ° C. for 1 hour after the start of temperature rise in the thermostat was measured with a thermocouple connected to the battery surface. The heating test was carried out with three batteries for each example and comparative example, and the reliability of the battery was evaluated based on the average value thereof.
多層多孔質膜の構成および熱収縮率を表1に、円筒形非水電解液二次電池の評価結果を表2に、それぞれ示す。 Table 1 shows the structure of the multilayer porous membrane and the heat shrinkage rate, and Table 2 shows the evaluation results of the cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery.
実施例1〜8の電池では、いずれも1200W/kg以上となる高い出力密度と、加熱試験においても最高到達温度が環境温度(160℃)より数度の上昇に留まる高い信頼性とを両立できている。これは、各電池でセパレータに使用した多層多孔質膜が、高い熱的安定性と、高いイオン透過性能とを両立できているためであると考えられる。また、比較例1〜8の電池は、10C放電容量が大きく、負荷特性も良好であるといえる。 In the batteries of Examples 1 to 8, both high power density of 1200 W / kg or more and high reliability in which the highest temperature reached only several degrees higher than the environmental temperature (160 ° C.) in the heating test can be achieved. ing. This is considered to be because the multilayer porous membrane used for the separator in each battery can achieve both high thermal stability and high ion permeability. Moreover, it can be said that the batteries of Comparative Examples 1 to 8 have a large 10C discharge capacity and good load characteristics.
一方、耐熱多孔質層を設けずに樹脂多孔質膜のみで構成されたセパレータを用いた比較例4の電池では、加熱試験において温度上昇が確認される。これは、電池が高温に曝されることで、セパレータが熱収縮または破膜を起こしたことによると考えられる。また、セパレータに使用した多層多孔質膜に係る樹脂多孔質膜に相当する部分が厚すぎるため、出力密度が低い値となっている。 On the other hand, in the battery of Comparative Example 4 using a separator composed only of a resin porous film without providing a heat resistant porous layer, an increase in temperature is confirmed in the heating test. This is considered to be due to the thermal contraction or film breakage of the separator due to the battery being exposed to a high temperature. Moreover, since the part corresponded to the resin porous membrane which concerns on the multilayer porous membrane used for the separator is too thick, the output density is a low value.
また、比較例1〜3の電池では、加熱試験において、正極活物質の熱暴走温度付近までの温度上昇が確認されており、信頼性が劣っている。なお、比較例3では、多層多孔質膜の熱収縮率が良好であるにも関わらず加熱試験の結果が良好ではないが、これは、セパレータに係る樹脂多孔質膜が、樹脂多孔質膜を構成する熱可塑性樹脂の融点以上の高温に長時間曝されることで、溶融した熱可塑性樹脂の大部分が耐熱多孔質層内へ浸潤し、独立膜構造の維持が困難となって電極が露出する結果を招いたためであると考えられる。
Moreover, in the battery of Comparative Examples 1-3, the temperature rise to the heat runaway temperature vicinity of a positive electrode active material was confirmed in the heating test, and its reliability is inferior. In Comparative Example 3, although the heat shrinkage rate of the multilayer porous membrane is good, the result of the heating test is not good. This is because the resin porous membrane according to the separator is different from the resin porous membrane. When exposed to a high temperature above the melting point of the thermoplastic resin that constitutes it for a long time, most of the molten thermoplastic resin infiltrates into the heat-resistant porous layer, making it difficult to maintain an independent membrane structure and exposing the electrode. This is thought to be due to the result of this.
Claims (3)
満充電容量に対する残存容量が50%の状態での出力密度が、1200W/kg以上であることを特徴とする非水電解液電池。 A multilayer porous membrane comprising a heat-resistant porous layer containing heat-resistant fine particles as a main component, a thickness of 3 to 6 μm and a porosity of 55% or more, and a resin porous membrane containing a thermoplastic resin as a main component As
A non-aqueous electrolyte battery characterized in that the output density when the remaining capacity with respect to the full charge capacity is 50% is 1200 W / kg or more.
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