JP2014154295A - Secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池に関する。詳しくは、長尺な正極集電体の両面に正極活物質層を備える正極シートと、長尺な負極集電体の両面に負極活物質層を備える負極シートと、前記正極シートと前記負極シートとの間に介在するセパレータとを重ねて捲回した捲回電極体を備える二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery. Specifically, a positive electrode sheet having a positive electrode active material layer on both sides of a long positive electrode current collector, a negative electrode sheet having a negative electrode active material layer on both sides of a long negative electrode current collector, the positive electrode sheet, and the negative electrode sheet The present invention relates to a secondary battery including a wound electrode body wound with a separator interposed therebetween.
近年、リチウム二次電池(例えばリチウムイオン電池)、ニッケル水素電池等の二次電池は、車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末の電源として好ましく用いられている。特に、リチウム二次電池は、軽量で高エネルギー密度が得られることから、車両搭載用の高出力電源あるいは電力貯蔵システムの電源等としての重要性が高まっている。
この種の電池の一つとして、長尺の正極シートと負極シートとをセパレータを介して積層させて渦巻き状に捲回した捲回電極体を備える電池構造が知られている。電極体を渦巻き状とすることにより正負極の反応面積を増大させることができ、これによってエネルギー密度を高め、高出力を可能としている。
2. Description of the Related Art In recent years, secondary batteries such as lithium secondary batteries (for example, lithium ion batteries) and nickel metal hydride batteries are preferably used as power sources for mounting on vehicles or personal computers and portable terminals. In particular, since lithium secondary batteries are lightweight and have a high energy density, their importance as a high output power source for mounting on a vehicle or a power source for a power storage system is increasing.
As one of this type of battery, a battery structure including a wound electrode body in which a long positive electrode sheet and a negative electrode sheet are stacked via a separator and wound in a spiral shape is known. By making the electrode body spiral, the reaction area of the positive and negative electrodes can be increased, thereby increasing the energy density and enabling high output.
この捲回電極体において、正極シートおよび負極シートは、一般的に、集電体の両面に活物質層形成用組成物(例えば、ペースト状、スラリー状に調製され得る。)を供給して活物質層を形成することで作製されている。また、例えば、車両搭載用等の高出力用途の場合には、これらの電極シート(すなわち正極シートおよび/または負極シート)の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部の両面に、活物質層が形成されない未塗工部を、集電効率を高めるために帯状に設けて集電部として利用するようにしている。そして、上記電極シートを用いて捲回電極体を構築する際には、正極シートの未塗工部と負極シートの未塗工部とが幅方向の反対側に突出するように両電極シートの未塗工部を互い違いに配置し、捲回するようにしている(例えば特許文献1)。 In this wound electrode body, the positive electrode sheet and the negative electrode sheet are generally activated by supplying a composition for forming an active material layer (for example, prepared in a paste form or a slurry form) on both sides of the current collector. It is produced by forming a material layer. Further, for example, in the case of high output use such as for vehicle mounting, the active material is formed on both surfaces of one edge portion in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of these electrode sheets (that is, the positive electrode sheet and / or the negative electrode sheet). An uncoated portion where no layer is formed is provided in a strip shape to increase the current collection efficiency and used as a current collection portion. And when constructing a wound electrode body using the above electrode sheet, the uncoated part of the positive electrode sheet and the uncoated part of the negative electrode sheet are protruded to the opposite side in the width direction. Uncoated portions are alternately arranged and wound (for example, Patent Document 1).
特許文献1では、負極活物質層は、負極集電体の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部が設けられないように形成されている。また、正極活物質層も負極活物質層と同様に、正極集電体の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部が設けられないように形成されている。そして、負極集電体と正極集電体とは、互いの未塗工部が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている。かかる形態について、本発明者は、正極活物質層の縁部で正極活物質層に含まれる金属(例えば遷移金属)が局所的に溶出する事象を見出した。正極活物質層の縁部で金属が局所的に溶出する事象は、満充電後に高温環境で長期間保存された時などに生じやすい傾向がある。二次電池の性能を安定させるべく、正極活物質層の縁部で金属が局所的に溶出するのをできる限り少なく抑えたい。本発明は、上記課題を解決することを目的とする。 In Patent Document 1, the negative electrode active material layer is provided with an uncoated portion on one edge in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of the negative electrode current collector, and substantially uncoated on the other edge. It is formed so that no part is provided. In addition, the positive electrode active material layer is provided with an uncoated portion at one edge in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of the positive electrode current collector, and substantially the other edge, as with the negative electrode active material layer. Is formed so that an uncoated portion is not provided. The negative electrode current collector and the positive electrode current collector are arranged and wound so that the uncoated portions of the negative electrode current protrude from the opposite side in the width direction. About this form, this inventor discovered the phenomenon in which the metal (for example, transition metal) contained in a positive electrode active material layer locally elutes at the edge of a positive electrode active material layer. The phenomenon that the metal is locally eluted at the edge of the positive electrode active material layer tends to occur when it is stored for a long time in a high temperature environment after full charge. In order to stabilize the performance of the secondary battery, it is desired to minimize the local elution of metal at the edge of the positive electrode active material layer. The present invention aims to solve the above problems.
ここで提案される二次電池は、長尺な正極集電体上に正極活物質層を備える正極シートと、長尺な負極集電体の両面に負極活物質層を備える負極シートと、前記正極シートと前記負極シートとの間に介在するセパレータとを重ねて捲回した捲回電極体を備える二次電池である。上記負極活物質層は、上記負極集電体の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部が設けられないように形成されている。そして、上記未塗工部が形成されていない側の負極活物質層の縁部には、フィブリル化された増粘剤を含有するフィブリル化増粘剤含有領域が選択的に形成されている。かかる構成によれば、上記未塗工部が形成されていない側の負極活物質層の縁部に電荷担体(リチウムイオン二次電池の場合、リチウムイオン)が拡散しにくい。そのため、当該縁部に近い、正極活物質層の縁部での金属の溶出が抑制され得る。 The secondary battery proposed here includes a positive electrode sheet having a positive electrode active material layer on a long positive electrode current collector, a negative electrode sheet having negative electrode active material layers on both sides of the long negative electrode current collector, It is a secondary battery provided with a wound electrode body wound by overlapping and winding a separator interposed between a positive electrode sheet and the negative electrode sheet. The negative electrode active material layer is provided with an uncoated portion at one edge in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of the negative electrode current collector, and a substantially uncoated portion is provided at the other edge. It is formed so that it is not possible. A fibrillated thickener-containing region containing a fibrillated thickener is selectively formed at the edge of the negative electrode active material layer on the side where the uncoated portion is not formed. According to this configuration, charge carriers (lithium ions in the case of a lithium ion secondary battery) are unlikely to diffuse into the edge of the negative electrode active material layer on the side where the uncoated part is not formed. Therefore, metal elution at the edge of the positive electrode active material layer close to the edge can be suppressed.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記フィブリル化された増粘剤は、繊維長1μm〜10μmのセルロース系繊維が凝集した塊状集合体を構成しており、該集合体の外表部にフィブリル繊維が突出している。繊維長1μm〜10μmのセルロース系繊維は、容易にフィブリル化できる点で好ましい。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, the fibrillated thickener constitutes a mass aggregate in which cellulose fibers having a fiber length of 1 μm to 10 μm are aggregated, and the outer surface of the aggregate Fibril fibers protrude from the part. Cellulosic fibers having a fiber length of 1 μm to 10 μm are preferable in that they can be easily fibrillated.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記集合体の外表部に突出したフィブリル繊維の平均繊維径が0.3μm〜1.0μmである。フィブリル繊維の平均繊維径が上記範囲内であると、ピンホールや凝集塊(ダマ)がない好適なフィブリル化増粘剤含有領域を形成することができる。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, the average fiber diameter of the fibril fibers protruding from the outer surface of the aggregate is 0.3 μm to 1.0 μm. When the average fiber diameter of the fibril fibers is within the above range, a suitable fibrillated thickener-containing region free from pinholes and aggregates (dama) can be formed.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記正極活物質層は、上記正極集電体において、長手方向の一方の縁部に帯状に設けられる未塗工部を除いた全面に備えられている。そして、上記負極活物質層の幅が上記正極活物質層の幅よりも広く、上記負極活物質層が上記正極活物質層を覆う状態で、かつ、上記負極集電体と上記正極集電体とは、互いの未塗工部が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている。正極活物質層での金属溶出は、上記のような形態の捲回電極体を用いる場合に顕著にみられる。しかし、本発明によると、未塗工部が形成されていない側の負極活物質層の縁部にフィブリル化増粘剤含有領域を有するので、当該縁部に電荷担体が拡散しにくい。そのため、当該縁部に近い、正極活物質層の縁部での金属の溶出が確実に抑制され得る。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, the positive electrode active material layer is provided on the entire surface of the positive electrode current collector excluding an uncoated portion provided in a strip shape at one edge in the longitudinal direction. It has been. And the width of the negative electrode active material layer is wider than the width of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer covers the positive electrode active material layer, and the negative electrode current collector and the positive electrode current collector Is arranged and wound so that the uncoated portions of each other protrude on the opposite side in the width direction. The metal elution in the positive electrode active material layer is noticeable when the wound electrode body having the above-described form is used. However, according to the present invention, since the fibrillated thickener-containing region is provided at the edge of the negative electrode active material layer on the side where the uncoated part is not formed, the charge carrier is unlikely to diffuse to the edge. Therefore, the elution of the metal at the edge of the positive electrode active material layer close to the edge can be reliably suppressed.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記負極活物質層は、上記フィブリル化された増粘剤を含有するフィブリル化増粘剤含有領域において、上記正極活物質層に対向している部位と、上記正極活物質層に対向していない部位とを有する。そして、上記正極活物質層に対向している部位の幅が、1mm以上3mm以下である。フィブリル化増粘剤含有領域を上記範囲に設定することで、電池性能(例えば出力特性)を犠牲にすることなく、正極活物質層の縁部での金属の溶出を適切に回避し得る。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, the negative electrode active material layer is opposed to the positive electrode active material layer in the fibrillated thickener-containing region containing the fibrillated thickener. And a portion not facing the positive electrode active material layer. And the width | variety of the site | part facing the said positive electrode active material layer is 1 mm or more and 3 mm or less. By setting the fibrillated thickener-containing region in the above range, elution of metal at the edge of the positive electrode active material layer can be appropriately avoided without sacrificing battery performance (for example, output characteristics).
以下、本発明の一実施形態に係る二次電池を図面に基づいて説明する。ここでは、リチウムイオン二次電池を例に挙げて二次電池を説明する。なお、同じ作用を奏する部材、部位には適宜に同じ符号を付している。また、各図面は、模式的に描いており、必ずしも実物を反映しない。また、各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。 Hereinafter, a secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a secondary battery will be described by taking a lithium ion secondary battery as an example. In addition, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the member and site | part which show | play the same effect | action. Moreover, each drawing is drawn typically and does not necessarily reflect the real thing. Each drawing shows only an example, and each drawing does not limit the present invention unless otherwise specified.
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充電可能な電池一般をいい、リチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン二次電池)、ニッケル水素電池などのいわゆる蓄電池を包含する。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。 In the present specification, the “secondary battery” generally refers to a battery that can be repeatedly charged, and includes so-called storage batteries such as lithium secondary batteries (typically lithium ion secondary batteries) and nickel metal hydride batteries. Further, in the present specification, the “lithium ion secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as a charge carrier and is charged / discharged by movement of charges accompanying the lithium ions between the positive and negative electrodes.
図1は、リチウムイオン二次電池100を示している。このリチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、捲回電極体200と電池ケース300とを備えている。また、図2は、捲回電極体200を示す図である。図3は、図2中のIII−III断面を示している。
FIG. 1 shows a lithium ion
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、図1に示すような扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)300に構成されている。リチウムイオン二次電池100は、図2に示すように、扁平形状の捲回電極体200が、図示しない液状電解質(電解液)とともに、電池ケース300に収容されている。
A lithium ion
≪電池ケース300≫
電池ケース300は、一端(電池100の通常の使用状態における上端部に相当する。)に開口部を有する箱形(すなわち有底直方体状)のケース本体320と、その開口部に取り付けられて該開口部を塞ぐ矩形状プレート部材からなる封口板(蓋体)340とから構成される。
The
電池ケース300の材質は、従来の密閉型電池で使用されるものと同じであればよく、特に制限はない。軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成された電池ケース300が好ましく、このような金属製材料としてアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等が例示される。本実施形態に係る電池ケース300(ケース本体320および封口板340)はアルミニウム若しくはアルミニウムを主体とする合金によって構成されている。
The material of the
図1に示すように、封口板340には外部接続用の正極端子420および負極端子440が形成されている。封口板340の両端子420、440の間には、電池ケース300の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成された薄肉の安全弁360と、注液口350が形成されている。なお、図1では、当該注液口350が注液後に封止材352によって封止されている。
As shown in FIG. 1, a
≪捲回電極体200(電極体)≫
捲回電極体200は、図2に示すように、長尺なシート状正極(正極シート220)と、該正極シート220と同様の長尺シート状負極(負極シート240)とを計二枚の長尺シート状セパレータ(セパレータ262,264)とを備えている。
≪Winded electrode body 200 (electrode body) ≫
As shown in FIG. 2, the
≪正極シート220≫
正極シート220は、帯状の正極集電体221と正極活物質層223とを備えている。正極集電体221には、例えば、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、正極集電体221として、厚さが凡そ15μmの帯状のアルミニウム箔が用いられている。正極シート220は、正極集電体221の長手方向に直交する幅方向の一方の端部には、正極活物質層223が形成されずに正極集電体221が露出している未塗工部222を設けている。また、他方の端部には実質的に未塗工部222が設けられないように正極活物質層223が形成されている。図示例では、正極活物質層223は、正極集電体221に設定された未塗工部222を除いて、正極集電体221の両面に保持されている。正極活物質層223には、正極活物質や導電材やバインダが含まれている。
≪
The
正極活物質には、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いられる物質を使用することができる。正極活物質の例を挙げると、LiNiCoMnO2(リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物)、LiNiO2(ニッケル酸リチウム)、LiCoO2(コバルト酸リチウム)、LiMn2O4(マンガン酸リチウム)、LiFePO4(リン酸鉄リチウム)などのリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。ここで、LiMn2O4は、例えば、スピネル構造を有している。また、LiNiO2やLiCoO2は層状の岩塩構造を有している。また、LiFePO4は、例えば、オリビン構造を有している。オリビン構造のLiFePO4には、例えば、ナノメートルオーダーの粒子がある。また、オリビン構造のLiFePO4は、さらにカーボン膜で被覆することができる。 As the positive electrode active material, a material used as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery can be used. Examples of positive electrode active materials include LiNiCoMnO 2 (lithium nickel cobalt manganese composite oxide), LiNiO 2 (lithium nickelate), LiCoO 2 (lithium cobaltate), LiMn 2 O 4 (lithium manganate), LiFePO 4 ( Lithium transition metal oxides such as lithium iron phosphate). Here, LiMn 2 O 4 has, for example, a spinel structure. LiNiO 2 and LiCoO 2 have a layered rock salt structure. LiFePO 4 has, for example, an olivine structure. LiFePO 4 having an olivine structure includes, for example, nanometer order particles. Moreover, LiFePO 4 having an olivine structure can be further covered with a carbon film.
例えば、正極活物質に、導電材としてアセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の粉末状カーボン材料を混合することができる。また、正極活物質と導電材の他に、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)等のバインダを添加することができる。これらを適当な分散媒体に分散させて混練することによって、正極合剤(ペースト)を調製することができる。正極活物質層223は、この正極合剤を正極集電体221に塗布し、乾燥させ、予め定められた厚さにプレスすることによって形成されている。
For example, carbon black such as acetylene black (AB) and ketjen black and other powdery carbon materials (such as graphite) can be mixed with the positive electrode active material. In addition to the positive electrode active material and the conductive material, a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or styrene butadiene rubber (SBR) can be added. A positive electrode mixture (paste) can be prepared by dispersing these in a suitable dispersion medium and kneading. The positive electrode
≪負極シート240≫
負極シート240は、図2に示すように、帯状の負極集電体241と負極活物質層243とを備えている。負極集電体241には、例えば、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、負極集電体241には、厚さが凡そ10μmの帯状の銅箔が用いられている。負極シート240は、負極集電体241の長手方向に直交する幅方向の一方の端部には、負極活物質層243が形成されずに負極集電体241が露出している未塗工部242を設けている。また、他方の端部には実質的に未塗工部242が設けられないように負極活物質層243が形成されている。負極活物質層243は、負極集電体241に設定された未塗工部242を除いて、負極集電体241の両面に保持されている。負極活物質層243には、負極活物質や増粘剤やバインダなどが含まれている。
<<
As shown in FIG. 2, the
なお、ここで「実質的に未塗工部が設けられない」とは、意図的に未塗工部222、243が設けられていないことを意味するものである。したがって、例えば、未塗工部222、243を設けなかったにもかかわらず、その後の何らかの意図しない要因により集電体221、241が伸長したり、あるいは、活物質層223、243が収縮したりして、微視的に未塗工部222、243が生じた場合等は、ここでいう「実質的に未塗工部が設けられない」ものに包含され得る。
Here, “substantially no uncoated portion is provided” means that the
負極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。好適例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボンなどの炭素系材料、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属窒化物などが挙げられる。 As the negative electrode active material, one type or two or more types of materials conventionally used in lithium ion secondary batteries can be used without any particular limitation. Preferable examples include carbon-based materials such as graphite carbon and amorphous carbon, lithium transition metal oxides, and lithium transition metal nitrides.
また、かかる負極活物質の他に、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)等のバインダを添加することができる。さらに、負極活物質やバインダの他に、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)、エチレン‐ビニルアルコール共重合体(EVOH)等の増粘剤を添加することができる。負極活物質層243に含まれる増粘剤については後で詳細に述べる。そして、正極と同様、これらの負極活物質層構成成分を適当な分散媒体に分散させて混練することによって、負極合剤(ペースト)を調製することができる。負極活物質層243は、この負極合剤を負極集電体241に塗布し、乾燥させ、予め定められた厚さにプレスすることによって形成されている。
In addition to the negative electrode active material, a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or styrene butadiene rubber (SBR) can be added. Furthermore, in addition to the negative electrode active material and the binder, a thickener such as carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) can be added. The thickener contained in the negative electrode
≪セパレータ262、264≫
セパレータ262、264は、図2および図3に示すように、正極シート220と負極シート240とを隔てる部材である。この例では、セパレータ262、264は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ262、264には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。樹脂で構成された多孔質シート材の表面に絶縁性を有する粒子の多孔質層を形成してもよい。ここで、絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー(例えば、金属酸化物(例えばアルミナ)、金属水酸化物などのフィラー)で構成してもよい。この例では、図2および図3に示すように、負極活物質層243の幅b1は、正極活物質層223の幅a1よりも少し広い。さらにセパレータ262、264の幅c1、c2は、負極活物質層243の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。
<<
The
≪捲回電極体200≫
捲回電極体200は、正極活物質層223と負極活物質層243との間にセパレータ262、264を介在させつつ、正極シート220と負極シート240とを重ね、かつ、捲回した電極体である。この実施形態では、図2および図3に示すように、正極シート220と負極シート240とセパレータ262、264は、長さ方向を揃えて、正極シート220、セパレータ262、負極シート240、セパレータ264の順で重ねられている。この実施形態では、セパレータ262、264が介在した状態ではあるが、負極活物質層243は正極活物質層223を覆うように重ねられている。さらに、負極集電体241と正極集電体221とは、集電性を高める目的で、互いの未塗工部242、222が捲回電極体200の幅方向で反対側に突出するように、重ねられている。重ねられたシート材(例えば、正極シート220)は、幅方向に設定された捲回軸周りに捲回されている。
≪
The
捲回電極体200は、電池ケース300(この例では、蓋体340)に取り付けられた電極端子420、440に取り付けられている。捲回電極体200は、捲回軸に直交する一の方向において扁平に押し曲げられた状態で電池ケース300に収納されている。また、捲回電極体200は、セパレータ262、264の幅方向において、正極シート220の未塗工部222と負極シート240の未塗工部242とが互いに反対側にはみ出ている。このうち、一方の電極端子420は、正極集電体221の未塗工部222に固定されており、他方の電極端子440は、負極集電体241の未塗工部242に固定されている。
かかる捲回電極体200は、ケース本体320の扁平な内部空間に収容される。ケース本体320は、捲回電極体200が収容された後、蓋体340によって塞がれる。
The
The
≪電解液(非水電解液)≫
電解液(非水電解液)としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF6,LiBF4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiN(CF3SO2)2,LiC(CF3SO2)3等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば質量比1:1)にLiPF6を約1mol/Lの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。
≪Electrolyte (nonaqueous electrolyte) ≫
As the electrolytic solution (non-aqueous electrolytic solution), the same non-aqueous electrolytic solution conventionally used for lithium ion secondary batteries can be used without any particular limitation. Such a nonaqueous electrolytic solution typically has a composition in which a supporting salt is contained in a suitable nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, and the like. One kind or two or more kinds selected from the group can be used. Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and the like. Lithium salts can be used. As an example, a nonaqueous electrolytic solution in which LiPF 6 is contained in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (for example, a mass ratio of 1: 1) at a concentration of about 1 mol / L can be given.
以下、このリチウムイオン二次電池100の負極活物質層243をより詳細に説明する。図4は、捲回電極体200中で重ね合わされた負極シート240とセパレータ262と正極シート220を、幅方向(例えば、正極シート220の幅方向)で切断した断面を模式的に示している。上述したリチウムイオン二次電池100では、図4に示すように、負極活物質層243は、負極集電体241の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部242を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部242が設けられないように形成されている。また、正極活物質層223は、正極集電体221の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部222を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部222が設けられないように形成されている。そして、負極集電体241と正極集電体221とは、互いの未塗工部242,222が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている。
Hereinafter, the negative electrode
本発明者は、かかる形態のリチウムイオン二次電池100について、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245に近い、正極活物質層223の縁部225で正極活物質層223に含まれる金属(例えば遷移金属)が局所的に溶出する事象を見出した。正極活物質層223の縁部225で金属が局所的に溶出する事象は、満充電後に高温環境で長期間保存された時などに生じやすい傾向があった。リチウムイオン二次電池100の性能を安定させるべく、正極活物質層223の縁部225で金属が局所的に溶出するのはできる限り少なく抑えられることが望ましい。
The inventor of the present invention uses the
正極活物質層223の縁部225で金属が溶出する事象について、本発明者は鋭意研究し、以下のような推察を得た。すなわち、本発明者の推察によれば、リチウムイオン二次電池100は、充電時に、正極活物質層223からリチウムイオンが電解液中に放出される。この際、負極では、電解液中のリチウムイオンが負極活物質層243に入り込み、負極活物質層243に吸蔵されていく。
The present inventor diligently studied the phenomenon of metal elution at the
その際、正極集電体221の両面に設けられた正極活物質層223a、223bのうち、正極集電体221に対して内周側(捲回電極体において正極集電体221の内周側を向く面)に設けられた正極活物質層223aは、セパレータ262を介して負極集電体241の外周側を向く面に設けられた負極活物質層243aと対向して配置され、該負極活物質層243aとの間でリチウムイオンの行き来が行われる。一方、正極集電体221に対して外周側(捲回電極体において正極集電体221の外周側を向く面)に設けられた正極活物質層223bは、セパレータ264(図2)を介して負極集電体241の内周側を向く面に設けられた負極活物質層243bと対向して配置され、該負極活物質層243bとの間でリチウムイオンの行き来が行われる。つまり、距離的な近さから、正極集電体221の内周側にある正極活物質層223aから放出されたリチウムイオンは、負極集電体241の外周側にある負極活物質層243aに優先的に吸蔵されていき、負極集電体241の内周側にある負極活物質層243bには移動しにくい。
At that time, of the positive electrode active material layers 223 a and 223 b provided on both surfaces of the positive electrode
しかしながら、上述したリチウムイオン二次電池では、負極活物質層243は、負極集電体241の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部242を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部242が設けられないように形成されている。また、正極活物質層223は、正極集電体221の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部222を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部222が設けられないように形成されている。そして、負極集電体241と正極集電体221とは、互いの未塗工部242,222が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている。
However, in the above-described lithium ion secondary battery, the negative electrode
この場合、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245には、負極集電体241が存在せず、負極集電体241の内周側にある負極活物質層243bが、正極集電体221の内周側にある正極活物質層223aに対して露出している。このため、充電が進むにつれて、正極集電体221の内周側にある正極活物質層223aから放出されたリチウムイオンは、負極集電体241の外周側にある負極活物質層243aだけでなく(矢印90参照)、負極集電体241の内周側にある負極活物質層243bにも移動するようになる(矢印92参照)。この際、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245に近い、正極活物質層223の縁部225では、充電時に、リチウムイオンの放出量が他の部位に比べて多くなる傾向が生じ得る。このため、当該正極活物質層223の縁部225では、電位が局所的に上昇する可能性があると考えられる。このように、正極活物質層223の縁部225の電位が局所的に著しく上昇した状態で、さらに高温環境に長時間(例えば、100日間)保存すると、正極活物質層223に含まれる金属(例えば遷移金属)の溶出を招く要因になり得る。
In this case, the negative electrode
本発明者は、このように満充電に近い状態で高温環境に長時間保存された場合に、正極活物質層223の縁部225に含まれる金属が溶出する原因の一つをこのように考えている。本発明者は、リチウムイオン二次電池100の性能を高く維持するため、このような金属の溶出は出来る限り少なくするべきと考えている。このため、リチウムイオン二次電池100について、正極活物質層223の縁部225に含まれる金属が溶出しにくい新規な構造を提案する。
The present inventor thus considers one of the causes of the dissolution of the metal contained in the
≪フィブリル化増粘剤≫
ここで開示されるリチウムイオン二次電池100では、図5に示すように、負極活物質層243は、負極集電体241の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部242を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部242が設けられないように形成されている。負極活物質層243は、負極活物質310と増粘剤312とバインダ314とを含んでいる。そして、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245には、フィブリル化された増粘剤312aを含有するフィブリル化増粘剤含有領域Rが選択的(部分的)に形成されている。換言すれば、負極活物質層243のうち、未塗工部242が形成されていない側の縁部245のフィブリル化増粘剤含有領域Rに含まれる増粘剤312aはフィブリル化されている一方で、それ以外の領域に含まれる増粘剤312bはフィブリル化されていない。
≪Fibrylated thickener≫
In the lithium ion
かかる増粘剤としては、負極合剤の増粘剤として機能し、かつフィブリル化できる繊維状のポリマーであれば特に制限されない。例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、ヒドロキシエチルメチルセルロース(HEMC)等のセルロース系のポリマー繊維を好ましく用いることができる。あるいは、ポリビニルアルコール(PVA)、エチレン‐ビニルアルコール共重合体(EVOH)等のポリマー繊維を用いてもよい。上述したポリマー繊維はそれぞれ単独であるいは適宜組み合わせて使用することができる。 Such a thickener is not particularly limited as long as it is a fibrous polymer that functions as a thickener for a negative electrode mixture and can be fibrillated. For example, cellulose polymer fibers such as carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose (MC), hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), and hydroxyethylmethylcellulose (HEMC) can be preferably used. Alternatively, polymer fibers such as polyvinyl alcohol (PVA) and ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) may be used. The polymer fibers described above can be used alone or in appropriate combination.
ここで開示されるフィブリル化された増粘剤の好適例として、図6に示すように、繊維長1μm〜10μmのセルロース系繊維が凝集した塊状集合体(基幹部分)316を構成しており、該集合体316の外表部にフィブリル繊維318が突出しているものが挙げられる。上記集合体316の外表部に突出したフィブリル繊維318の平均繊維径dとしては、概ね0.3μm〜1.0μmが適当であり、好ましくは0.4μm〜0.9μmであり、より好ましくは0.5μm〜0.8μmである。フィブリル繊維318の繊維径dが小さすぎると、フィブリル化増粘剤含有領域Rを形成するための合剤(例えば、ペースト状、スラリー状に調製され得る。)に混入した気泡が乾燥時まで抜けきらず、該領域Rにピンホールが生じる要因になり得る。一方、フィブリル繊維318の繊維径dが大きすぎると、セルロース系繊維同士が凝集してダマが生じやすくなる。フィブリル繊維318の繊維径dは、例えば負極活物質層243のSEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)画像で、任意に選択した少なくとも10個以上の増粘剤312aを抽出し、それらの繊維径の凡その平均値(算術平均値)で評価するとよい。なお、図2では、フィブリル繊維を1つ図示しているが、実際には多数存在する。
As a suitable example of the fibrillated thickener disclosed herein, as shown in FIG. 6, it constitutes a mass aggregate (base part) 316 in which cellulose fibers having a fiber length of 1 μm to 10 μm are aggregated, An example is one in which
特に限定されるものではないが、フィブリル化された増粘剤312bの塊状集合体316(基幹部分)のサイズは、概ね3μm〜20μm程度にすることが適当であり、例えば3μm〜10μm(例えば5μm程度)にすることがより好ましい。また、集合体316を構成するセルロース系繊維の繊維長としては、概ね0.5μm〜10μmにすることが適当であり、例えば1μm〜5μmにすることがより好ましい。例えば、集合体316
のサイズが3μm〜20μm程度であり、かつ繊維長が0.5μm〜10μm程度のものを好適に使用することができる。
Although not particularly limited, the size of the aggregate 316 (main part) of the fibrillated
A size of about 3 μm to 20 μm and a fiber length of about 0.5 μm to 10 μm can be suitably used.
上記増粘剤をフィブリル化する方法としては、例えば、増粘剤の凝集物(塊状)をジェットミル、回転ミル、磨砕機(例えばマスコロイダー)、リファイナー、高圧ホモジナイザー等を用いて粉砕する方法が挙げられる。これらを使用して増粘剤に機械的な剪断力および圧縮力を加えることにより、増粘剤が主として繊維軸と平行な方向に引き裂かれ、ほぐされて表面に微細繊維(フィブリル繊維)が発現する。かかる粉砕の条件は、使用する装置によっても異なり得るが、例えばジェットミルを用いる場合、粉砕圧力0.1MPa〜2MPa、粉砕回数1回〜5回の条件を採用するとよい。かかる粉砕は乾式で行ってもよいし、湿式で行ってもよい。 Examples of the method for fibrillating the thickener include a method of pulverizing the thickener agglomerates (lumps) using a jet mill, a rotary mill, an attritor (for example, a mass collider), a refiner, a high-pressure homogenizer, or the like. Can be mentioned. By applying mechanical shear force and compressive force to the thickener using these, the thickener is torn mainly in the direction parallel to the fiber axis and loosened, and fine fibers (fibril fibers) appear on the surface. To do. The conditions for the pulverization may vary depending on the apparatus to be used. For example, when a jet mill is used, it is preferable to employ conditions of a pulverization pressure of 0.1 MPa to 2 MPa and a pulverization frequency of 1 to 5 times. Such pulverization may be carried out dry or wet.
≪フィブリル化増粘剤含有領域Rの幅≫
フィブリル化増粘剤含有領域Rの幅としては特に限定されないが、負極活物質層243の縁から概ね1mm以上(好ましくは2mm以上、より好ましくは4mm以上)の領域とするとよい。また、負極活物質層243の縁から概ね5mm以下(好ましくは4mm以下)の領域とするとよい。この実施形態では、リチウムイオン二次電池100は、図7に示すように、負極活物質層243の幅が正極活物質層223よりも広い。この場合、負極活物質層243は、フィブリル化増粘剤含有領域Rにおいて、正極活物質層223に対向している部位226aと、正極活物質層223に対向していない部位226bとを有している。この場合、フィブリル化増粘剤含有領域Rのうち、正極活物質層223に対向している部位226aの幅Wが、1mm以上3mm以下(好ましくは1.5mm以上2.5mm以下)であることが好ましい。
≪Width of fibrillated thickener-containing region R≫
The width of the fibrillated thickener-containing region R is not particularly limited, but may be approximately 1 mm or more (preferably 2 mm or more, more preferably 4 mm or more) from the edge of the negative electrode
本発明者の知見によれば、負極活物質層243のうちフィブリル化された増粘剤312bを含む部位(すなわちフィブリル化増粘剤含有領域R)は、フィブリル化されていない増粘剤312bを含む部位よりも、リチウムイオンの移動(拡散)に対する抵抗が大きい。そのため、負極活物質層243のうちフィブリル化された増粘剤312bを含む部位では、フィブリル化されていない増粘剤312bを含む部位よりも、リチウムイオンが拡散しにくい傾向がある。
According to the knowledge of the present inventor, the portion containing the fibrillated
ここで開示されるリチウムイオン二次電池100では、負極活物質層243は、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245に、フィブリル化された増粘剤312aを含有するフィブリル化増粘剤含有領域Rを有する。このため、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245では、フィブリル化されていない増粘剤312bを含む他の部位に比べて、リチウムイオンが拡散しにくい。そのため、当該負極活物質層243の縁部245に近い、正極活物質層223の縁部225では、当該縁部225を除く正極活物質層223の全域に比べて、過度にリチウムイオンが放出される事態が生じ難い。そして、正極活物質層223の縁部225から過度にリチウムイオンが放出されることに起因して、かかる正極活物質層223の縁部225で電位が局所的に上昇する事象が緩和される。その結果、満充電に近い状態で高温保存された場合に起こり得る、正極活物質層223の縁部225での金属(例えば遷移金属)の溶出を抑制することができる。
In the lithium ion
≪負極活物質層243の形成方法≫
負極活物質層243は、フィブリル化増粘剤含有領域Rと、それ以外の領域とで、異なる合剤を基に形成するとよい。例えば、フィブリル化増粘剤含有領域Rを形成するための第1合剤と、それ以外の領域を形成するための第2合剤とを用意するとよい。第1合剤には、フィブリル化された増粘剤312aが含まれる。また、第2合剤には、フィブリル化されていない増粘剤312bが含まれる。第1合剤を負極集電体241のフィブリル化増粘剤含有領域Rが形成される部分に塗布して乾燥することにより、負極集電体241の表面に負極活物質層243の一部分を形成する。この一部分が負極活物質層243のフィブリル化増粘剤含有領域Rとなる。また、第2合剤を負極集電体241の長手方向の残りの部分に帯状に塗布して乾燥することにより、負極集電体241の表面に負極活物質層243の残りの部分を形成するとよい。
<< Method for Forming Negative Electrode
The negative electrode
好ましくは、図8に示すように、一枚の負極集電体241に長さ方向に1列の負極合剤の塗膜を形成し、当該塗膜の中央部にスリットを形成する(スリットを形成する位置は、図8中の一点鎖線で示す)。そして、当該スリットで負極集電体241を切断することで、2枚の負極シート240を製造するとよい。この場合、フィブリル化された増粘剤312aを含む第1合剤322は、負極集電体241のフィブリル化増粘剤含有領域が形成される部分(すなわち負極集電体241の幅方向の中央部分)に塗布され得る。また、フィブリル化されていない増粘剤312bを含む第2合剤324は、負極集電体241の長手方向の残りの部分に帯状に塗布され得る。そして、乾燥後、図示しない切断装置によりスリット(図8中の一点鎖線)で負極集電体241を切断し、2枚の負極シート240に分割して使用するとよい。
Preferably, as shown in FIG. 8, a single negative electrode mixture coating film is formed in the length direction on one negative electrode
≪試験評価≫
本発明者は、かかる負極シート240の作用効果を評価するべく試験をした。かかる試験で用いられたリチウムイオン二次電池では、図1〜図4に示すように、正極集電体221の両面に正極活物質層223が形成された正極シート220と、負極集電体241の両面に負極活物質層243が形成された負極シート240とを備えている。負極活物質層243は、負極集電体241の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部242を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部242が設けられないように形成されている。また、図5に示すように、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245には、フィブリル化された増粘剤312aを含有するフィブリル化増粘剤含有領域Rが選択的に形成されている。本例では、正極活物質層223は、正極集電体221において、長手方向の一方の縁部に帯状に設けられる未塗工部222を除いた全面に備えられている。負極活物質層243の幅が正極活物質層223の幅よりも広い。そして、負極活物質層243が正極活物質層223を覆う状態で、かつ、負極集電体241と正極集電体221とは、互いの未塗工部222、242が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている。このため、図7に示すように、負極活物質層243は、フィブリル化増粘剤含有領域Rにおいて、正極活物質層223に対向している部位226aと、正極活物質層223に対向していない部位226bとを有する。
≪Test evaluation≫
The inventor conducted a test to evaluate the effect of the
<負極シート>
負極シート240は、負極活物質層243のフィブリル化増粘剤含有領域Rに含まれる増粘剤312のフィブリル繊維318の平均繊維径dを変えるとともに、フィブリル化増粘剤含有領域Rの正極活物質層223に対向している部位226aの幅Wを変えた複数のサンプルを形成した。
<Negative electrode sheet>
The
負極活物質層243を形成する際の合剤は、負極活物質としての黒鉛粉末、バインダとしてスチレンブタジエン共重合体(SBR)、溶媒として水を用いた。また、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC;繊維長1.2μm)を用意した。負極活物質とSBRとCMCの重量割合は、負極活物質:SBR:CMC=100:1:1にした。そして、かかる合剤を、負極集電体241としての銅箔(厚さ10μm)の上に塗布し、乾燥させ、圧延を行なって、負極シート240を形成した。負極合材の塗布量は、両面合わせて約140mg/cm2(固形分基準)となるように調節した。負極シート240全体の厚みは154μm、長さは4700mm、負極活物質層243の塗工幅は100mmとした。
As a mixture for forming the negative electrode
ここでは、負極活物質層243は、フィブリル化増粘剤含有領域Rと、それ以外の領域とで、異なる合剤を基に形成した。すなわち、フィブリル化増粘剤含有領域Rを形成するための第1合剤と、それ以外の領域を形成するための第2合剤とを用意した。第1合剤には、フィブリル化された増粘剤312aが含まれる。また、第2合剤には、フィブリル化されていない増粘剤312bが含まれる。第1合剤を負極集電体241のフィブリル化増粘剤含有領域Rが形成される部分に塗布して乾燥することにより、負極集電体241の表面に負極活物質層243の一部分を形成した。また、第2合剤を負極集電体241の長手方向の残りの部分に帯状に塗布して乾燥することにより、負極集電体241の表面に負極活物質層243の残りの部分を形成した。
Here, the negative electrode
フィブリル化増粘剤含有領域Rに用いられる増粘剤のフィブリル化は、増粘剤の凝集物(塊状)をPJMジェットミル機(日本ニューマチック工業株式会社製;粉砕圧力0.9MPa、粉砕回数1回)及びスーパーマスコロイダー機(増幸産業株式会社製;回転数3000rpm、砥石間のクリアランス5μm)を用いて粉砕処理することで行った。その際、増粘剤に加わる剪断力および圧縮力を適当に変化させて粉砕し、MDS−1型気流分級機(日本ニューマチック工業株式会社製)で分級し、フィブリル繊維318の繊維径d(図6)が異なる増粘剤を得た。 The fibrillation of the thickener used in the fibrillated thickener-containing region R is performed by using a PJM jet mill machine (manufactured by Nippon Pneumatic Industrial Co., Ltd .; crushing pressure: 0.9 MPa, crushing count) 1 time) and a super mass collider (manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd .; rotation speed: 3000 rpm, clearance between grinding wheels: 5 μm). At that time, the shearing force and compressive force applied to the thickener are appropriately changed and pulverized, classified by an MDS-1 type airflow classifier (manufactured by Nippon Pneumatic Industry Co., Ltd.), and the fiber diameter d of the fibril fiber 318 ( Fig. 6) obtained different thickeners.
<サンプル1〜6>
サンプル1〜6では、フィブリル化増粘剤含有領域Rに含まれる増粘剤312のフィブリル繊維318の平均繊維径dが異なる。また、サンプル1〜6は、かかるフィブリル繊維318の平均繊維径dを除き、同じ構成にした。
<Samples 1-6>
In samples 1 to 6, the average fiber diameter d of the
<サンプル7〜10>
サンプル7〜10では、フィブリル化増粘剤含有領域Rの正極活物質層223に対向している部位226aの幅W(図7)を変えたこと以外はサンプル1と同じ構成にした。
<Samples 7 to 10>
Samples 7 to 10 have the same configuration as Sample 1 except that the width W (FIG. 7) of the
<サンプル11>
サンプル11では、従来と同様に、フィブリル化増粘剤含有領域Rについてもフィブリル化されていない増粘剤を用いて負極シートを作製した。
<Sample 11>
In Sample 11, a negative electrode sheet was prepared using a thickener that has not been fibrillated in the fibrillated thickener-containing region R as in the prior art.
<ピンホールの測定>
上記負極シートの作製の際に、負極活物質層のフィブリル化増粘剤含有領域Rの表面をSEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)で観察し、負極シート1000cm2あたりに生じた凝集塊と、直径0.5mm以上のピンホールの個数を測定した。
<Measurement of pinhole>
During the production of the negative electrode sheet, the surface of the fibrillated thickener-containing region R of the negative electrode active material layer was observed with a SEM (Scanning Electron Microscope), and agglomerates formed per 1000 cm 2 of the negative electrode sheet The number of pinholes having a diameter of 0.5 mm or more was measured.
<正極シート>
正極シート220は次のようにして作製した。正極活物質としてのニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)粉末100質量部と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)5質量部と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)2質量部とをN−メチルピロリドン(NMP)に加えて正極合剤を調製し、これを長尺シート状のアルミニウム箔(正極集電体、厚み15μm)の両面に帯状に塗布して乾燥することにより、正極集電体221の両面に正極活物質層223が設けられた正極シート220を作製した。正極合剤の塗布量は、両面合わせて約30mg/cm2(固形分基準)となるように調節した。正極シート220全体の厚みは170μm、長さは4500mm、正極活物質層223の塗工幅は94mmとした。
<Positive electrode sheet>
The
<リチウムイオン二次電池>
上記正極シート220及び負極シート240を2枚のセパレータ262、264を介して捲回することによって捲回体を作製し、この捲回体を横方向から平板にて4kN/cm2の圧力にて2分間プレスして押し潰すことによって扁平状の捲回電極体200を作製した。このようにして得られた捲回電極体200を非水電解質(非水電解液)とともに電池ケース(ここでは角型を使用した。)300に収容し、電池ケース300の開口部を気密に封口した。ここでは、セパレータ262、264には、ポリプロピレン(PP)とポリエチレン(PE)とポリプロピレン(PP)の3層構造からなる多孔質膜(厚さ20μm)の表面にアルミナ粒子からなる多孔質層を形成したものを使用した。また、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比率において、3:3:4で配合し、LiPF6を1モル溶解させた電解液を使用した。
<Lithium ion secondary battery>
The
<スプリングバック率の測定>
上記捲回電極体200の作製の際に、プレス直後の捲回電極体扁平部の厚さTAとプレス終了(プレス開放)から5分後の捲回電極体扁平部の厚さTBとを測定した。測定した厚さは、具体的には図9に模式的に示す捲回電極体200の扁平部210の厚さTである。式:スプリングバック率(%)=(TB−TA)/TA×100;からスプリングバック率を求めた。また、上記捲回電極体200を電池ケース300に収容した際、電池ケース300から捲回電極体200を一旦抜き取り、捲回電極体200の電池ケース300との接触による損傷や位置ズレを確認した。ダメージのあるものを「かじり品」とした。ここでは各サンプルの電池10個に対して上記NG品を調べた。
<Measurement of springback rate>
During manufacturing the
<電池容量の測定>
また、各サンプル1〜11で得られた試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれを、25℃の温度条件にて、電流値1Cで電圧4.1Vまで充電した。5分間の休止後、かかる充電後の電池を、25℃において、電流値1Cで電圧3.0Vまで放電した。そして、5分間の休止後、電流値1Cで電圧4.1Vまで充電し、その後、定電圧方式で電流値が0.1Cに減少するまで充電した。かかる充電後の電池を、25℃において、電流値1Cで電圧3.0Vまで放電し、その後、定電圧方式で電流値が0.1Cに減少するまで放電した。このときの放電容量を電池容量(電池定格容量)とした。ここで、試験用リチウムイオン二次電池の電池容量(電池定格容量)は24Ahとした。
<Measurement of battery capacity>
In addition, each of the test lithium ion secondary batteries obtained in Samples 1 to 11 was charged to a voltage of 4.1 V at a current value of 1 C under a temperature condition of 25 ° C. After 5 minutes of rest, the charged battery was discharged to a voltage of 3.0 V at a current value of 1 C at 25 ° C. Then, after a pause of 5 minutes, the battery was charged at a current value of 1 C to a voltage of 4.1 V, and then charged by a constant voltage method until the current value was reduced to 0.1 C. The charged battery was discharged at 25 ° C. at a current value of 1 C to a voltage of 3.0 V, and then discharged by a constant voltage method until the current value was reduced to 0.1 C. The discharge capacity at this time was defined as battery capacity (battery rated capacity). Here, the battery capacity (battery rated capacity) of the test lithium ion secondary battery was 24 Ah.
<高温保存試験>
各サンプルの試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれに対し、定格容量の凡そ100%の充電状態(SOC100%)に調整した後、60℃の恒温槽に収容し、100日間の高温エージングを行った。そして、高温保存後の電池容量を、定格容量と同じ条件で測定し、[(高温保存後の電池容量)/(定格容量)]×100(%)から、高温保存後容量維持率を求めた。ここでは各サンプルの電池50個に対して上記試験を実施し、その平均値を算出した。
<High temperature storage test>
Each of the test lithium ion secondary batteries of each sample was adjusted to a charged state (
<電池抵抗>
各サンプルの試験用リチウムイオン二次電池について、定格容量の凡そ60%の充電状態(SOC60%)に調整した後、25℃の環境雰囲気下において、10Cの電流値で10秒間の放電を行い、放電開始から10秒後の電圧値を測定し、IV抵抗を算出した。ここでは各サンプルの電池10個に対して上記電池抵抗を実施し、その平均値を算出した。
<Battery resistance>
About the test lithium ion secondary battery of each sample, after adjusting to a charged state (SOC 60%) of about 60% of the rated capacity, discharging was performed at a current value of 10 C for 10 seconds in an environmental atmosphere of 25 ° C., The voltage value 10 seconds after the start of discharge was measured, and the IV resistance was calculated. Here, the battery resistance was applied to 10 batteries of each sample, and the average value was calculated.
<各サンプルの評価>
各サンプルについて、上記試験の結果を表1に示す。表1は、各サンプルについて、構成と評価を纏めた表である。
<Evaluation of each sample>
The results of the above test are shown in Table 1 for each sample. Table 1 summarizes the configuration and evaluation for each sample.
表1に示すように、サンプル1〜10では、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部には、フィブリル化された増粘剤を含有するフィブリル化増粘剤含有領域Rが選択的に形成されている。これらのサンプル1〜10については、60℃で100日間保存した高温保存試験後における容量維持率はいずれも80%以上と良好であり、フィブリル化増粘剤含有領域Rを形成していないサンプル11に比べて、極めて高い耐久性能を示した。また、スプリングバック率および捲回電極体のかじり率についても、サンプル1〜10では、サンプル11に比べて改善されていた。このように、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部にフィブリル化増粘剤含有領域Rを選択的に形成することによって、リチウムイオン二次電池は、高温保存後の容量維持率が格段に向上する。
As shown in Table 1, in samples 1 to 10, a fibrillated thickener containing a fibrillated thickener is provided at the edge of the negative electrode
本発明者は、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部にフィブリル化増粘剤含有領域Rが選択的に形成することによって、耐久後容量維持率を高くできることを見出した。かかる事象について、本発明者は、以下のように推察している。すなわち、未塗工部242が形成されていない側の負極活物質層243の縁部245は、フィブリル化された増粘剤312bを含むため、リチウムイオンが拡散しにくい。そのため、当該負極活物質層243の縁部245に近い、正極活物質層223の縁部225では、当該縁部225を除く正極活物質層223の全域に比べて、過度にリチウムイオンが放出される事態が生じ難い。そして、正極活物質層223の縁部225から過度にリチウムイオンが放出されることに起因して、かかる正極活物質層223の縁部225で電位が局所的に上昇する事象が緩和される。その結果、満充電に近い状態で高温保存された場合に起こり得る、正極活物質層223の縁部225での金属(例えば遷移金属)の溶出が生じにくいので、電池容量の低下が抑えられ、耐久後容量維持率が向上する。
The inventor selectively increases the post-endurance capacity retention rate by selectively forming the fibrillated thickener-containing region R at the edge of the negative electrode
サンプル1〜5では、フィブリル化増粘剤含有領域Rに含まれる増粘剤312のフィブリルの平均繊維径dが1.0μm以下である。これらのサンプル1〜5では、高温保存試験後における容量維持率が97%以上と格段に良好な結果が得られ、サンプル6(平均繊維径d:1.2μm)よりも耐久性に優れるものであった。また、サンプル1〜5では、サンプル6に比べて、電池抵抗を小さくすることができた。サンプル6では、フィブリル繊維径dが大きいため、増粘剤同士の凝集が生じて負極内での反応が不均一になり、電池特性が低下したものと解される。この結果から、増粘剤312のフィブリル繊維径dは1.0μm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く、0.6μm以下であることが特に好ましい。
In Samples 1 to 5, the fibril average fiber diameter d of the
また、サンプル2〜5では、フィブリルの平均繊維径dが0.3μm以上である。これらのサンプル2〜5では、サンプル1(平均繊維径d:0.2μm)よりも、凝集塊およびピンホールの数をさらに減らすことができた。サンプル2では、フィブリル繊維径dが小さいため、第1合剤に混入した気泡が乾燥時まで抜けきらず、ピンホールとなり、面質の低下を招いたと考えられる。この結果から、増粘剤312のフィブリル繊維径dは0.3μm以上であることが好ましく、0.4μm以上であることが特に好ましい。
In Samples 2 to 5, the fibril average fiber diameter d is 0.3 μm or more. In these samples 2 to 5, the number of aggregates and pinholes could be further reduced as compared with sample 1 (average fiber diameter d: 0.2 μm). In sample 2, since the fibril fiber diameter d is small, it is considered that the air bubbles mixed in the first mixture could not be removed until drying, became pinholes, and the surface quality was deteriorated. From this result, the fibril fiber diameter d of the
サンプル1、8〜10では、フィブリル化増粘剤含有領域Rの正極活物質層223に対向している部位226aの幅Wが1mm以上に設定されている。かかるサンプル1、8〜10は、高温保存試験後における容量維持率が97%以上と格段に良好な結果が得られ、サンプル7(幅W:0.8mm)よりも耐久性に優れるものであった。サンプル7では、フィブリル化増粘剤含有領域Rの正極活物質層223に対向している部位226aの幅Wが狭いため、正極活物質層223の縁部225での金属の溶出が生じ、電池容量の低下を招いたものと解される。この結果から、フィブリル化増粘剤含有領域Rの正極活物質層223に対向している部位226aの幅Wは概ね1mm以上であることが好ましく、概ね1.5mm以上であることがより好ましく、概ね2mm以上であることが特に好ましい。
In Samples 1 and 8 to 10, the width W of the
また、サンプル1、8および9では、フィブリル化増粘剤含有領域Rの正極活物質層223に対向している部位226aの幅Wが3mm以下に設定されている。かかるサンプル1、8および9では、サンプル10(幅W:3.2mm)に比べて、電池抵抗を小さくすることができた。サンプル10では、フィブリル化増粘剤含有領域Rの正極活物質層223に対向している部位226aの幅Wが広いため、充放電においてリチウムイオンの一部がフィブリル化された増粘剤に捕捉され、反応性が低下したものと推測される。この結果から、フィブリル化増粘剤含有領域Rの正極活物質層223に対向している部位226aの幅Wは概ね3mm以下であることが好ましく、概ね2.5mm以下であることがより好ましい。
In Samples 1, 8, and 9, the width W of the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
ここまでは二次電池の典型例としてリチウムイオン二次電池について説明したが、この形態の二次電池に限定されない。例えば、リチウムイオン以外の金属イオン(例えばナトリウムイオン)を電荷担体とする非水電解液型二次電池や、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池であってもよく、また、上述した電極体を備えるリチウムイオンキャパシタ等の電気二重層キャパシタ(物理電池)であってもよい。 Up to this point, a lithium ion secondary battery has been described as a typical example of a secondary battery, but the present invention is not limited to this form of secondary battery. For example, it may be a non-aqueous electrolyte secondary battery using a metal ion other than lithium ion (for example, sodium ion) as a charge carrier, a nickel hydride battery, a nickel cadmium battery, or a lithium battery equipped with the electrode body described above. It may be an electric double layer capacitor (physical battery) such as an ion capacitor.
ここに開示される技術により提供される二次電池は、上述したように正極活物質層の縁部での金属の溶出が起こりにくく、高温保存後の容量維持率が向上するので、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。従って本発明は、図10に模式的に示すように、かかる二次電池100(典型的には複数直列接続してなる組電池)を電源として備える車両1(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供する。 As described above, the secondary battery provided by the technology disclosed herein is unlikely to cause metal elution at the edge of the positive electrode active material layer, and the capacity retention rate after high-temperature storage is improved. It can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on the vehicle. Therefore, as schematically shown in FIG. 10, the present invention provides a vehicle 1 (typically an automobile, particularly a hybrid automobile) provided with such a secondary battery 100 (typically, a battery pack formed by connecting a plurality of batteries in series) as a power source. , Automobiles equipped with electric motors such as electric vehicles and fuel cell vehicles).
1 車両
100 二次電池
200 捲回電極体
220 正極シート
221 正極集電体
222 正極集電体の未塗工部
223 正極活物質層
225 正極活物質層の縁部
240 負極シート
241 負極集電体
242 負極集電体の未塗工部
243 負極活物質層
245 負極活物質層の縁部
262,264 セパレータ
300 電池ケース
310 負極活物質
312a フィブリル化された増粘剤
312b フィブリル化されていない増粘剤
314 バインダ
316 塊状集合体
318 フィブリル繊維
R フィブリル化増粘剤含有領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
前記負極活物質層は、前記負極集電体の長手方向に直交する幅方向の一方の縁部に未塗工部を設け、かつ、他方の縁部には実質的に未塗工部が設けられないように形成され、
前記未塗工部が形成されていない側の負極活物質層の縁部には、フィブリル化された増粘剤を含有するフィブリル化増粘剤含有領域が選択的に形成されている、二次電池。 A positive electrode sheet having a positive electrode active material layer on a long positive electrode current collector, a negative electrode sheet having negative electrode active material layers on both sides of the long negative electrode current collector, and between the positive electrode sheet and the negative electrode sheet A secondary battery comprising a wound electrode body wound with a separator interposed therebetween,
The negative electrode active material layer is provided with an uncoated portion at one edge in the width direction perpendicular to the longitudinal direction of the negative electrode current collector, and a substantially uncoated portion is provided at the other edge. Formed so as not to
A fibrillated thickener-containing region containing a fibrillated thickener is selectively formed at the edge of the negative electrode active material layer on the side where the uncoated portion is not formed. battery.
前記正極集電体において、長手方向の一方の縁部に帯状に設けられる未塗工部を除いた全面に備えられており、
前記負極活物質層の幅が前記正極活物質層の幅よりも広く、
前記負極活物質層が前記正極活物質層を覆う状態で、かつ、
前記負極集電体と前記正極集電体とは、互いの未塗工部が幅方向の反対側に突出するように、配置されて捲回されている、請求項1〜3の何れか一つに記載の二次電池。 The positive electrode active material layer is
In the positive electrode current collector, provided on the entire surface excluding the uncoated part provided in a strip shape at one edge in the longitudinal direction,
The negative electrode active material layer is wider than the positive electrode active material layer,
In a state where the negative electrode active material layer covers the positive electrode active material layer, and
The negative electrode current collector and the positive electrode current collector are arranged and wound so that a non-coated portion protrudes on the opposite side in the width direction. Secondary battery described in 1.
前記フィブリル化された増粘剤を含有するフィブリル化増粘剤含有領域において、
前記正極活物質層に対向している部位と、
前記正極活物質層に対向していない部位と
を有し、
前記正極活物質層に対向している部位の幅が、1mm以上3mm以下である、請求項4に記載の二次電池。
The negative electrode active material layer is
In the fibrillated thickener-containing region containing the fibrillated thickener,
A portion facing the positive electrode active material layer;
A portion not facing the positive electrode active material layer,
The secondary battery according to claim 4, wherein a width of a portion facing the positive electrode active material layer is 1 mm or more and 3 mm or less.
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JP2017149838A (en) * | 2016-02-24 | 2017-08-31 | 京セラ株式会社 | Cellulose member and laminate |
CN108417886A (en) * | 2018-03-06 | 2018-08-17 | 深圳前海优容科技有限公司 | Battery core and its manufacturing method, battery |
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