JP2015060669A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解液を備えた二次電池(非水電解液二次電池)に関する。 The present invention relates to a secondary battery (non-aqueous electrolyte secondary battery) provided with a non-aqueous electrolyte.
リチウムイオン二次電池その他の非水電解液二次電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられている。非水電解液二次電池は、過充電状態になると、正極から電荷担体が過剰に放出され、負極では電荷担体が過剰に挿入される。このため、正極と負極の両極が熱的に不安定になる。正極と負極の両極が熱的に不安定になると、やがては電解液の有機溶媒が分解され、急激な発熱反応が生じて電池の安定性が損なわれる。 Lithium ion secondary batteries and other non-aqueous electrolyte secondary batteries are becoming increasingly important as on-vehicle power supplies or personal computers and portable terminals. In particular, a lithium ion secondary battery that is lightweight and obtains a high energy density is preferably used as a high-output power source mounted on a vehicle. When the nonaqueous electrolyte secondary battery is overcharged, excessive charge carriers are released from the positive electrode, and excessive charge carriers are inserted in the negative electrode. For this reason, both the positive electrode and the negative electrode are thermally unstable. When both the positive electrode and the negative electrode become thermally unstable, the organic solvent of the electrolytic solution is eventually decomposed, and a rapid exothermic reaction occurs, thereby impairing the stability of the battery.
かかる問題に対して、例えば、電池内部のガス圧力が所定圧力以上になると充電を遮断する電流遮断機構を電池ケースに備え、電解液中に予め定められた過充電状態に達するとガスを発生させるガス発生剤を添加した非水電解液二次電池が開示されている(例えば特許文献1)。かかるガス発生剤としては、例えば、シクロヘキシルベンゼン(CHB)やビフェニル(BP)などが用いられている。CHBやBPは、過充電時において重合反応が活性化し、水素ガスを発生させる。これにより、電池ケース内の圧力が高くなり、電流遮断機構が作動して過充電電流を遮断する。 To solve this problem, for example, the battery case is equipped with a current interruption mechanism that interrupts charging when the gas pressure inside the battery exceeds a predetermined pressure, and gas is generated when a predetermined overcharge state is reached in the electrolyte. A non-aqueous electrolyte secondary battery to which a gas generating agent is added is disclosed (for example, Patent Document 1). As such a gas generating agent, for example, cyclohexylbenzene (CHB) or biphenyl (BP) is used. CHB and BP activate the polymerization reaction during overcharge and generate hydrogen gas. Thereby, the pressure in a battery case becomes high, an electric current interruption mechanism act | operates, and an overcharge electric current is interrupted | blocked.
上述のように、CHBやBP等のガス発生剤は凡そ4.35Vから4.6V程度の過充電時において重合反応が活性化し、ガスを発生させる。この場合、過充電時に十分な量のガスを発生させるためには、ガス発生剤のガス発生が生じる電圧範囲(例えば4.35Vから4.6V程度)を出来るだけ長く維持することが好ましい。しかしながら、従来の非水電解液二次電池では、過充電になると電圧が急激に上昇する傾向があり、ガス発生剤のガス発生が生じる電圧範囲を維持することが困難であった。本発明は上記課題を解決するものである。 As described above, a gas generating agent such as CHB or BP activates a polymerization reaction at the time of overcharge of about 4.35V to 4.6V to generate gas. In this case, in order to generate a sufficient amount of gas at the time of overcharging, it is preferable to maintain the voltage range (for example, about 4.35V to 4.6V) in which the gas generation of the gas generating agent occurs as long as possible. However, in the conventional nonaqueous electrolyte secondary battery, the voltage tends to increase rapidly when overcharged, and it is difficult to maintain the voltage range in which gas generation of the gas generating agent occurs. The present invention solves the above problems.
本発明によって提供される非水電解液二次電池は、正極活物質層が正極集電体に保持された正極と、負極活物質層が負極集電体に保持された負極と、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータとを備える電極体と、前記電極体を収容する電池ケースと、前記電池ケースに設けられ、前記電極体に接続された外部端子と、前記電池ケースに収容され、予め定められた電圧以上の電圧で反応し、ガスを発生させるガス発生剤を含む非水電解液と、前記電池ケースの内圧が予め定められた圧力以上に高くなると、前記電極体と前記外部端子との電気的な接続を遮断する電流遮断機構とを備える。そして、前記正極活物質層と前記セパレータとの間には、LiMnPO4を含有するLiMnPO4含有層が配置されている。 The non-aqueous electrolyte secondary battery provided by the present invention includes a positive electrode in which a positive electrode active material layer is held on a positive electrode current collector, a negative electrode in which a negative electrode active material layer is held on a negative electrode current collector, and the positive electrode An electrode body including a separator interposed between the negative electrode, a battery case that houses the electrode body, an external terminal that is provided in the battery case and connected to the electrode body, and is housed in the battery case A non-aqueous electrolyte containing a gas generating agent that reacts at a voltage equal to or higher than a predetermined voltage to generate gas, and when the internal pressure of the battery case becomes higher than a predetermined pressure, the electrode body and the external A current interrupting mechanism for interrupting electrical connection with the terminal. Then, the between the positive electrode active material layer and the separator, LiMnPO 4 containing layer containing LiMnPO 4 is disposed.
このように正極活物質層とセパレータとの間にLiMnPO4含有層を配置することによって、過充電時(SOC(State of Charge)が100%を超える領域、典型的にはSOC100%〜140%の領域)の電圧上昇が緩やかになり、過充電時にガス発生剤のガス発生が生じる電圧範囲を長く維持することができる。これにより、過充電状態になったときに、ガス発生剤によるガス発生量をより適切に確保でき、電流遮断機構を適切に作動させることができる。 By disposing the LiMnPO 4 -containing layer between the positive electrode active material layer and the separator in this manner, the overcharge (SOC (State of Charge) region exceeding 100%, typically 100% to 140% SOC. The voltage rise in the region) becomes gradual, and the voltage range in which gas generation of the gas generating agent occurs during overcharge can be maintained long. Thereby, when it will be in an overcharge state, the gas generation amount by a gas generating agent can be ensured more appropriately, and a current interruption mechanism can be operated appropriately.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池等のいわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、「非水電解液二次電池」とは、非水電解液(典型的には、非水溶媒中に支持塩(支持電解質)を含む電解液)を備えた電池をいう。また、「リチウムイオン二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間のリチウムイオンの移動により充放電する二次電池をいう。また、電極活物質とは、電荷担体となる化学種(リチウムイオン二次電池ではリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出し得る材料をいう。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
In the present specification, the “secondary battery” refers to a general power storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a term including a so-called storage battery such as a lithium ion secondary battery and a power storage element such as an electric double layer capacitor. The “non-aqueous electrolyte secondary battery” refers to a battery provided with a non-aqueous electrolyte (typically, an electrolyte containing a supporting salt (supporting electrolyte) in a non-aqueous solvent). The “lithium ion secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by the movement of lithium ions between positive and negative electrodes. The electrode active material refers to a material capable of reversibly occluding and releasing chemical species (lithium ions in a lithium ion secondary battery) serving as a charge carrier.
以下、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池を図面に基づいて説明する。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かれており、必ずしも実物を反映していない。各図面は、一例を示すのみであり、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。以下、リチウムイオン二次電池に本発明を適用する場合を例として、本発明の実施形態を説明するが、本発明の適用対象を限定する意図ではない。 Hereinafter, a non-aqueous secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the member and site | part which show | play the same effect | action. Each drawing is schematically drawn and does not necessarily reflect the real thing. Each drawing shows an example only and does not limit the present invention unless otherwise specified. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by taking as an example the case where the present invention is applied to a lithium ion secondary battery, but it is not intended to limit the application target of the present invention.
図1は、本発明の一実施形態に係る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20と電池ケース30とを備えている。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に示すように、扁平形状の捲回電極体20が、図示しない液状電解質(電解液)とともに、扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されている。
FIG. 1 shows a lithium ion
電池ケース30は、一端(電池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32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蓋体34とから構成される。電池ケース30の材質は、例えばアルミニウムが例示される。図1に示すように、蓋体34には外部接続用の正極端子42および負極端子44が形成されている。蓋体34の両端子42、44の間には、安全弁36が形成されている。
The
捲回電極体20は、長尺なシート状正極(正極シート50)と、該正極シート50と同様の長尺シート状負極(負極シート60)とを計二枚の長尺シート状セパレータ(セパレータ70)とを備えている。
The
正極シート50は、帯状の正極集電体52と正極活物質層54とを備えている。正極集電体52には、例えば、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。正極集電体52の幅方向片側の縁部に沿って正極活物質層非形成部52aが設定されている。図示例では、正極活物質層54は、正極集電体52に設定された正極活物質層非形成部52aを除いて、正極集電体52の両面に保持されている。正極活物質層54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)などのリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。例えば、層状のリチウム遷移金属酸化物としてLiNi0.3+mMn0.3+nCo0.4−m−nO2で表される酸化物が例示される。上記式中、mは0≦m≦0.4を、nは0≦n≦0.4(ただし、m+n<0.4)を満たす。好適例として、NiとMnとCoとを概ね同程度の割合で含む、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等が挙げられる。正極活物質に、アセチレンブラック(AB)等の導電材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)、カルボキシメチルセルロース(CMC)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、正極活物質層形成用組成物(ペースト)を調製することができる。正極活物質層54は、この正極活物質層形成用組成物を正極集電体52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。
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 cathode active materials include lithium transition metal oxides such as LiNiCoMnO 2 (lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide). For example, an oxide represented by LiNi 0.3 + m Mn 0.3 + n Co 0.4-mn O 2 is exemplified as the layered lithium transition metal oxide. In the above formula, m satisfies 0 ≦ m ≦ 0.4, and n satisfies 0 ≦ n ≦ 0.4 (where m + n <0.4). Preferable examples include LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 that contains Ni, Mn, and Co at approximately the same ratio. A conductive material such as acetylene black (AB) 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), styrene butadiene rubber (SBR), or carboxymethyl cellulose (CMC) can be added. A positive electrode active material layer forming composition (paste) can be prepared by dispersing these in a suitable dispersion medium and kneading. The positive electrode
負極シート60は、帯状の負極集電体62と負極活物質層64とを備えている。負極集電体62には、例えば、厚さが凡そ10μmの帯状の銅箔が用いられている。負極集電体62の幅方向片側には、縁部に沿って負極活物質層非形成部62aが設定されている。負極活物質層64は、負極集電体62に設定された負極活物質層非形成部62aを除いて、負極集電体62の両面に保持されている。負極活物質層64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。
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などの炭素系材料が挙げられる。そして正極と同様、かかる負極活物質を、PVDF、SBR、CMC(増粘剤としても機能し得る)等のバインダとともに適当な分散媒体に分散させて混練することによって、負極活物質層形成用組成物(ペースト)を調製することができる。負極活物質層64は、この負極活物質層形成用組成物を負極集電体62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。
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 like a positive electrode, this negative electrode active material is disperse | distributed to a suitable dispersion medium with binders, such as PVDF, SBR, and CMC (it can function also as a thickener), and is kneaded, The composition for negative electrode active material layer formation A product (paste) can be prepared. The negative electrode
セパレータ70は、正極シート50と負極シート60とを隔てる部材である。この例では、セパレータ70は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状の基材から構成されている。該基材には、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(例えばポリエチレンの単層構造)のシート材、或いは積層構造(例えばポリプロピレンとポリエチレンとポリプロピレンの3層構造)のシート材を用いることができる。セパレータ70の片面にはLiMnPO4含有層80が形成されている。これについては後述する。
The
捲回電極体20は、電池ケース30(この例では、蓋体34)に取り付けられた電極端子42、44に取り付けられている。捲回電極体20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30に収納されている。また、捲回電極体20は、捲回軸方向において、正極シート50の正極活物質層非形成部52aと負極シート60の負極活物質層非形成部62a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42は、正極集電体52の正極活物質層非形成部52aに正極集電板42aを介して固定されており、他方の電極端子44は、負極集電体62の負極活物質層非形成部62aに負極集電板44aを介して固定されている。かかる捲回電極体20は、ケース本体32の扁平な内部空間に収容される。ケース本体32は、捲回電極体20が収容された後、蓋体34によって塞がれる。
The
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、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、等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等のリチウム塩を用いることができる。 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. As the non-aqueous solvent, for example, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, or the like can be used. Moreover, as said support salt, lithium salts, such as LiPF 6 , can be used, for example.
非水電解液には、例えば、電池電圧が予め定められた電圧以上になると反応し、ガスを発生させるガス発生剤が含まれている。かかるガス発生剤としては、例えば、シクロヘキシルベンゼン(CHB)やビフェニル(BP)などを用いることができる。CHBやBPは、例えば、凡そ4.35Vから4.6V程度の過充電時において重合反応が活性化し、水素ガスを発生させる。非水電解液に対するガス発生剤の添加量は、例えば、凡そ0.05質量%以上4.0質量%以下にするとよい。 The non-aqueous electrolyte contains, for example, a gas generating agent that reacts and generates gas when the battery voltage becomes equal to or higher than a predetermined voltage. As such a gas generating agent, for example, cyclohexylbenzene (CHB) or biphenyl (BP) can be used. For example, when CHB or BP is overcharged at about 4.35V to 4.6V, the polymerization reaction is activated to generate hydrogen gas. The amount of the gas generating agent added to the non-aqueous electrolyte is preferably about 0.05% by mass or more and 4.0% by mass or less, for example.
また、このリチウムイオン二次電池100は、上述のように、電解液にガス発生剤が添加されており、例えば、凡そ4.35Vから4.6V程度の過充電時にガスが発生し、電池ケース内の圧力が高くなる。電流遮断機構90は、電池ケース内の圧力が異常に高くなった場合に、電流経路を遮断する機構である。この実施形態では、電流遮断機構90は、図1に示すように、正極における電池電流の導通経路が遮断されるように、正極端子42の内側に構築されている。
Further, as described above, in the lithium ion
以下、このリチウムイオン二次電池100をより詳細に説明する。図2は、捲回電極体20中で重ね合わされた正極シート50とセパレータ70を、捲回軸方向(例えば、正極シート50の幅方向)で切断した断面を模式的に示している。
Hereinafter, the lithium ion
図2に示すように、捲回電極体20は、正極活物質層54とセパレータ70との間にLiMnO4含有層80が配置されている。この実施形態では、LiMnPO4含有層80は、セパレータ70の表面に形成されている。LiMnPO4含有層80は、セパレータ70の表裏のうち、正極活物質層54と対向する側の面に形成されている。LiMnPO4含有層80は、LiMnPO4を含んでいる。
As shown in FIG. 2, in the
LiMnPO4含有層80に含まれるLiMnPO4は、リチウムを吸蔵および放出し得るオリビン型リン酸化合物を主成分とするリン酸マンガンリチウムである。LiMnPO4の形状(外形)は特に制限されない。機械的強度、製造容易性等の観点から、通常は、略球形のLiMnPO4粒子を好ましく使用し得る。 LiMnPO included in LiMnPO 4 containing layer 80 4 is a lithium manganese phosphate as a main component an olivine phosphate compound of lithium can occlude and release. The shape (outer shape) of LiMnPO 4 is not particularly limited. From the viewpoint of mechanical strength, ease of production, etc., generally spherical LiMnPO 4 particles can be preferably used.
ここで、図3は、LiMnPO4含有層が設けられていない従来のリチウムイオン二次電池の充電曲線(SOCの変化に対する電圧の推移を示すグラフ)を示している。一方、図4は、正極活物質層とセパレータとの間にLiMnPO4含有層を配置したリチウムイオン二次電池の充電曲線を示している。 Here, FIG. 3 shows a charging curve of a conventional lithium ion secondary battery not provided with the LiMnPO 4 containing layer (a graph showing a transition of voltage with respect to a change in SOC). On the other hand, FIG. 4 shows a charging curve of a lithium ion secondary battery in which a LiMnPO 4 containing layer is disposed between the positive electrode active material layer and the separator.
図3に示すように、LiMnPO4含有層が設けられていないリチウムイオン二次電池では、過充電(例えばSOCが100%を超える領域)になると、電圧が急激に上昇する傾向がある。CHBやBP等のガス発生剤は凡そ4.35Vから4.6V程度の過充電時において重合反応が活性化し、ガスを発生させる。そのため、過充電時に電圧が急激に上昇すると、ガス発生剤の反応時間を十分に確保できず、ガス発生剤によるガス発生量が不足する虞がある。 As shown in FIG. 3, in the lithium ion secondary battery in which the LiMnPO 4 containing layer is not provided, the voltage tends to rapidly increase when overcharged (for example, a region where the SOC exceeds 100%). A gas generating agent such as CHB or BP activates the polymerization reaction during overcharge of about 4.35 V to 4.6 V, and generates gas. For this reason, if the voltage suddenly rises during overcharge, the reaction time of the gas generating agent cannot be ensured sufficiently, and the amount of gas generated by the gas generating agent may be insufficient.
これに対し、図1、図2および図4に示すように、ここに開示されるリチウムイオン二次電池100では、正極活物質層54とセパレータ70との間にLiMnPO4含有層80を配置する構成により、過充電(例えばSOCが100%を超える領域)になると、電圧が緩やかに上昇し、その充電曲線には、緩やかな電圧上昇を示すプラトー領域(例えば、図4における充電曲線のSOC100%〜150%の部分)が現れる。かかる特性を有するリチウムイオン二次電池100では、過充電時にガス発生剤のガス発生が生じる電圧範囲(例えば4.35Vから4.6V程度)を長く維持することができる。これにより、過充電状態になったときに、ガス発生剤によるガス発生量をより適切に確保でき、電流遮断機構90を適切に作動させることができる。
In contrast, as shown in FIGS. 1, 2, and 4, in the lithium ion
正極集電体52の単位面積当たりのLiMnPO4の質量(目付け量)としては、特に限定されないが、LiMnPO4の目付け量が少なすぎると、上述した過充電時電圧上昇抑制効果が不十分になる場合がある。この観点からは、概ね0.25mg/cm2以上(例えば0.25mg/cm2以上1mg/cm2以下)にすることが適当であり、好ましくは0.5mg/cm2以上であり、より好ましくは0.75mg/cm2以上である。一方、LiMnPO4の目付け量が多すぎると、電池容量や入出力特性が低下する場合があり得る。この観点からは、概ね1.2mg/cm2以下にすることが適当であり、好ましくは1mg/cm2以下である。
The mass (weight per unit area) of LiMnPO 4 per unit area of the positive electrode
また、LiMnPO4含有層80に含まれるLiMnPO4の体積密度としては、特に限定されないが、概ね1.8g/m3以上(例えば1.8g/m3以上2.8g/m3以下)であることが適当であり、好ましくは2g/m3以上であり、より好ましくは2.2g/m3以上である。LiMnPO4の密度が小さすぎると、LiMnPO4含有層80の膜厚を大きくする必要が生じるため、電池容量が不利になる場合がある。一方、LiMnPO4の密度が大きすぎると、LiMnPO4含有層80の透気度が低下する(リチウムイオンが通過しにくくなる)ため、電池特性が悪化する場合があり得る。
As the volume density of LiMnPO 4 contained in LiMnPO 4 containing layer 80 is not particularly limited, it is generally 1.8 g / m 3 or more (e.g., 1.8 g / m 3 or more 2.8 g / m 3 or less) Is preferably 2 g / m 3 or more, and more preferably 2.2 g / m 3 or more. If the density of LiMnPO 4 is too small, it is necessary to increase the film thickness of the LiMnPO 4 -containing
LiMnPO4含有層80の膜厚としては特に限定されないが、概ね2μm以上10μm以下にすることが適当であり、好ましくは2μm以上6μm以下である。また、LiMnPO4含有層80のガーレ値としては特に限定されないが、概ね100(sec/100cm3)以上160(sec/100cm3)以下にすることが適当であり、好ましくは100(sec/100cm3)以上110(sec/100cm3)である。なお、LiMnPO4含有層80のガーレ値は、JIS L 1096:2010「織物及び編物の生地試験方法」に準拠して測定するものとする。
The film thickness of the LiMnPO 4 -containing
LiMnPO4含有層80は、必要に応じて、LiMnPO4以外の材料を含むことができる。そのような材料として無機フィラーが例示される。LiMnPO4含有層80に用いられる無機フィラーを構成し得る材料としては、電気絶縁性が高く、かつセパレータ70よりも融点が高い材料であることが好ましい。例えば、アルミナ、アルミナ水和物(ベーマイト)、マグネシア、チタニア、シリカ、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化鉄、セリア、イットリア等の無機化合物が例示される。これらの無機材料は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。このような材質の無機フィラーをLiMnPO4含有層80に含有させることにより、LiMnPO4含有層80の耐熱性および機械的強度が向上する。そのため、過充電時や短絡発生時などに起こり得る熱収縮などを有効に防止し得る。無機フィラーの形状(外形)は特に制限されない。機械的強度、製造容易性等の観点から、通常は、略球形の無機フィラー粒子を好ましく使用し得る。
The LiMnPO 4 containing layer 80 can contain a material other than LiMnPO 4 as necessary. An inorganic filler is illustrated as such a material. A material that can constitute the inorganic filler used in the LiMnPO 4 containing layer 80 is preferably a material that has high electrical insulation and a higher melting point than the
LiMnPO4含有層80は、バインダを含んでいてもよい。LiMnPO4含有層80に用いられるバインダとしては、セパレータ70との親和性が高いバインダであることが好ましい。また、LiMnPO4含有層80を形成するための組成物が有機溶剤系の溶媒(例えばNMP)の場合には、有機溶剤系の溶媒に分散または溶解するバインダを用いることが好ましい。好適例として、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などが例示される。
The LiMnPO 4 containing layer 80 may contain a binder. The binder used for the LiMnPO 4 containing layer 80 is preferably a binder having high affinity with the
特に限定するものではないが、LiMnPO4含有層全体に占めるLiMnPO4の割合は凡そ25質量%以上(典型的には25〜100質量%)であることが好ましく、凡そ50〜100質量%であることが好ましい。また、無機フィラーを含む組成のLiMnPO4含有層では、該LiMnPO4含有層に占める無機フィラーの割合を例えば75質量%以下(例えば1質量%〜75質量%)とすることができ、凡そ50質量%以下であることが好ましく、凡そ25質量%以下であることがより好ましい。また、LiMnPO4および無機フィラー以外のLiMnPO4含有層形成成分(例えばバインダ)を含有する場合は、それら任意成分の合計含有割合を凡そ10質量%以下とすることが好ましく、凡そ5質量%以下(例えば凡そ1〜5質量%)とすることが好ましい。 Although not particularly limited, it is preferable that the proportion of LiMnPO 4 of total LiMnPO 4 containing layer is approximately 25 mass% or more (typically 25 to 100% by weight), is about 50 to 100 wt% It is preferable. Moreover, in the LiMnPO 4 containing layer having a composition containing an inorganic filler, the proportion of the inorganic filler in the LiMnPO 4 containing layer can be, for example, 75% by mass or less (eg, 1% by mass to 75% by mass), and approximately 50% by mass. % Or less, more preferably about 25% by mass or less. Further, when containing LiMnPO 4 and an inorganic filler other than LiMnPO 4 containing layer-forming components (e.g., binder) is preferably set to be lower than or equal to the total content of about 10% by weight thereof optional ingredients, about 5 wt% or less ( For example, approximately 1 to 5% by mass) is preferable.
次に、本実施形態に係るLiMnPO4含有層80の形成方法について説明する。LiMnPO4含有層80を形成するためのLiMnPO4含有層形成用塗料としては、LiMnPO4、無機フィラーおよび溶媒を混合分散したペースト状(スラリー状またはインク状を含む。以下同じ。)のものが用いられる。このペースト状の塗料を、セパレータ70の表面に適当量塗布しさらに乾燥することによって、LiMnPO4含有層80を形成することができる。LiMnPO4含有層形成用塗料に用いられる溶媒としては、N‐メチルピロリドン(NMP)が例示される。
Next, a method for forming the LiMnPO 4 containing layer 80 according to the present embodiment will be described. As the LiMnPO 4 -containing layer-forming coating material for forming the LiMnPO 4 -containing
本発明に係るLiMnPO4含有層が設けられた評価用セル(リチウムイオン二次電池)を構築し、電池の過充電試験時において電流遮断機構が作動したときの最高電池温度および出力特性を評価した。以下、具体的な方法を示す。 The evaluation cell (lithium ion secondary battery) provided with the LiMnPO 4 containing layer according to the present invention was constructed, and the maximum battery temperature and output characteristics when the current interruption mechanism was activated during the battery overcharge test were evaluated. . A specific method will be described below.
ここで、評価用セルの正極は、次のようにして作製した。正極活物質としてのLiNiCoMnO2粉末と導電材としてのABとバインダとしてのPVdFとを、これらの材料の質量比が93:4:3となるようにNMP中で混合して、正極活物質層用組成物を調製した。この正極活物質層用組成物を長尺シート状のアルミニウム箔の両面に帯状に塗布して乾燥することにより、正極集電体の両面に正極活物質層が設けられた正極シートを作製した。 Here, the positive electrode of the evaluation cell was produced as follows. LiNiCoMnO 2 powder as a positive electrode active material, AB as a conductive material, and PVdF as a binder are mixed in NMP so that the mass ratio of these materials becomes 93: 4: 3, and used for the positive electrode active material layer A composition was prepared. This positive electrode active material layer composition was applied in a strip shape on both sides of a long sheet of aluminum foil and dried to prepare a positive electrode sheet having a positive electrode active material layer provided on both sides of the positive electrode current collector.
評価用セルの負極は、次のようにして作製した。負極活物質としての黒鉛とバインダとしてのSBRと増粘剤としてのCMCとを、これらの材料の質量比が98:1:1となるように水に分散させて負極活物質層用組成物を調製した。この負極活物質層用組成物を長尺シート状の銅箔の両面に塗布し、負極集電体の両面に負極活物質層が設けられた負極シートを作製した。 The negative electrode of the evaluation cell was produced as follows. A negative electrode active material layer composition was prepared by dispersing graphite as a negative electrode active material, SBR as a binder, and CMC as a thickener in water so that the mass ratio of these materials was 98: 1: 1. Prepared. This composition for negative electrode active material layers was apply | coated on both surfaces of the elongate sheet-like copper foil, and the negative electrode sheet by which the negative electrode active material layer was provided on both surfaces of the negative electrode collector was produced.
評価用セルのLiMnPO4含有層付きセパレータは、次のようにして作製した。LiMnPO4粉末と無機フィラーとしてのベーマイト粉末とバインダとしてのPVdFとをNMP中で分散し、LiMnPO4含有層形成用塗料を調製した。このLiMnPO4含有層形成用塗料を、セパレータ(多孔質ポリエチレン(PE)シートを使用した。)の表面(片面)に塗布、乾燥することにより、LiMnPO4含有層を形成した。 The separator with the LiMnPO 4 containing layer of the evaluation cell was produced as follows. LiMnPO 4 powder, boehmite powder as an inorganic filler, and PVdF as a binder were dispersed in NMP to prepare a paint for forming a LiMnPO 4 containing layer. This LiMnPO 4 -containing layer forming coating was applied to the surface (one side) of a separator (a porous polyethylene (PE) sheet was used) and dried to form a LiMnPO 4 -containing layer.
評価用セルの非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を約1mol/リットルの濃度で含有させたものを用いた。非水電解液には、ガス発生剤としてCHB4質量%を添加したものを用いた。 As a non-aqueous electrolyte for the evaluation cell, a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3: 4: 3, and LiPF as a supporting salt. 6 was used at a concentration of about 1 mol / liter. As the non-aqueous electrolyte, a gas generator with 4% by mass of CHB added was used.
上記正極シートおよび負極シートを2枚のセパレータを介して捲回して捲回体を作製し、該捲回体を横方向から押しつぶすことによって扁平形状の捲回電極体を作製した。その際、セパレータの表面に形成されたLiMnPO4含有層が正極活物質層と対向するように配置した。このようにして得られた捲回電極体を電解液ととともに箱型の電池ケース(ここではアルミニウム製の電池ケースを使用した。)に収容し、電池ケースの開口部を封口した。このようにして、評価用セルのリチウムイオン二次電池を構築した。該リチウムイオン二次電池は、電流遮断機構90(図1参照)を備えている。かかるリチウムイオン二次電池の定格容量は20Ahである。 The positive electrode sheet and the negative electrode sheet were wound through two separators to produce a wound body, and the wound body was crushed from the lateral direction to produce a flat wound electrode body. At that time, the LiMnPO 4 containing layer formed on the surface of the separator was disposed so as to face the positive electrode active material layer. The wound electrode body thus obtained was housed in a box-shaped battery case (in this case, an aluminum battery case was used) together with the electrolyte, and the opening of the battery case was sealed. Thus, the lithium ion secondary battery of the evaluation cell was constructed. The lithium ion secondary battery includes a current interruption mechanism 90 (see FIG. 1). The rated capacity of such a lithium ion secondary battery is 20 Ah.
<サンプル1〜6>
本例では、LiMnPO4とアルミナとの配合比を異ならせてLiMnPO4含有層を形成した。表1に各サンプルのLiMnPO4およびアルミナの目付け量を示す。
<Samples 1-6>
In this example, the LiMnPO 4 containing layer was formed by changing the blending ratio of LiMnPO 4 and alumina. Table 1 shows the basis weight of each sample of LiMnPO 4 and alumina.
各サンプル1〜6のリチウムイオン二次電池の過充電時の挙動を評価するために、各電池を電流遮断機構が作動するまで充電し、電流遮断機構が作動したときの電池の最高温度を調べた。電池温度は、電池の外表面に熱電対を貼付して測定した。結果を表1および図5に示す。 In order to evaluate the overcharge behavior of the lithium ion secondary batteries of Samples 1 to 6, each battery was charged until the current interruption mechanism was activated, and the maximum temperature of the battery when the current interruption mechanism was activated was examined. It was. The battery temperature was measured by attaching a thermocouple to the outer surface of the battery. The results are shown in Table 1 and FIG.
また、各サンプル1〜6のリチウムイオン二次電池の出力特性を評価するために、各電池を−10℃の恒温槽内に入れ、250W,300W、350Wで低出力放電し、放電開始から3.0Vまでに到達した時間と、そのときの出力値から、5秒で出力する出力値(W)を算出した。結果を表1および図5に示す。 In addition, in order to evaluate the output characteristics of the lithium ion secondary batteries of Samples 1 to 6, each battery was placed in a thermostatic bath at −10 ° C., and low output discharge was performed at 250 W, 300 W, and 350 W. The output value (W) output in 5 seconds was calculated from the time when the voltage reached 0.0 V and the output value at that time. The results are shown in Table 1 and FIG.
表1および図5に示すように、サンプル1では、正極活物質層とセパレータとの間に配置したLiMnPO4層にLiMnPO4が含まれていない。かかるサンプル1では、電流遮断機構が作動するまでの時間が長かったため、過充電時の電池温度が185℃に達した。これに対し、サンプル2〜6では、正極活物質層とセパレータとの間に配置したLiMnPO4層にLiMnPO4が含まれている。かかるサンプル2〜6では、電流遮断機構が効率よく作動したため、サンプル1に比べて、過充電時の電池温度が低くかった。ここで供試した電池の場合、LiMnPO4の目付け量が増大するに従い電池温度は低下傾向となった。電流遮断機構を効率よく作動させる観点からは、LiMnPO4の目付け量は0.25mg/cm2以上にすることが適当であり、好ましくは0.5mg/cm2以上であり、特に好ましくは0.75mg/cm2以上である。 As shown in Table 1 and FIG. 5, in Sample 1, the LiMnPO 4 layer disposed between the positive electrode active material layer and the separator does not contain LiMnPO 4 . In Sample 1, since the time until the current interrupting mechanism was activated was long, the battery temperature during overcharging reached 185 ° C. On the other hand, in Samples 2 to 6, LiMnPO 4 is contained in the LiMnPO 4 layer disposed between the positive electrode active material layer and the separator. In Samples 2 to 6, the current interruption mechanism operated efficiently, so that the battery temperature during overcharging was lower than that of Sample 1. In the case of the battery used here, the battery temperature tended to decrease as the basis weight of LiMnPO 4 increased. From the viewpoint of efficiently operating the current interruption mechanism, the basis weight of LiMnPO 4 is suitably 0.25 mg / cm 2 or more, preferably 0.5 mg / cm 2 or more, particularly preferably 0.8. 75 mg / cm 2 or more.
サンプル2〜5では、LiMnPO4の目付け量が1mg/cm2以下に設定されている。かかるサンプル2〜5では、低温での出力が概ね300W前後であり、良好な特性を示した。一方、サンプル6では、LiMnPO4の目付け量が1.25mg/cm2に設定されている。かかるサンプル6では、低温での出力が285Wを下回り、サンプル2〜5に比べて特性が悪化した。低温での出力特性を向上させる観点からは、LiMnPO4の目付け量は1.2mg/cm2以下にすることが適当であり、好ましくは1mg/cm2以上であり、特に好ましくは0.9mg/cm2以下である。 In Samples 2 to 5, the basis weight of LiMnPO 4 is set to 1 mg / cm 2 or less. In Samples 2 to 5, the output at low temperature was approximately 300 W, and good characteristics were exhibited. On the other hand, in sample 6, the basis weight of LiMnPO 4 is set to 1.25 mg / cm 2 . In Sample 6, the output at low temperature was less than 285 W, and the characteristics were deteriorated compared to Samples 2-5. From the viewpoint of improving the output characteristics at low temperatures, the basis weight of LiMnPO 4 are appropriate to below 1.2 mg / cm 2, is preferably 1 mg / cm 2 or more, particularly preferably 0.9 mg / cm 2 or less.
以上、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を説明したが、本発明に係る二次電池は、上述した何れの実施形態にも限定されず、種々の変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、LiMnPO4含有層80はセパレータ70の表面に形成されている場合を例示したが、これに限定されない。LiMnPO4含有層80は正極活物質層54の表面に形成してもよい。この場合でも上述した効果を得ることができる。
Although the lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention has been described above, the secondary battery according to the present invention is not limited to any of the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the case where the LiMnPO 4 containing layer 80 is formed on the surface of the
20 捲回電極体
30 電池ケース
50 正極シート
52 正極集電体
54 正極活物質層
60 負極シート
62 負極集電体
64 負極活物質層
70 セパレータ
80 LiMnPO4含有層
90 電流遮断機構
100 リチウムイオン二次電池
20
Claims (1)
前記電極体を収容する電池ケースと、
前記電池ケースに設けられ、前記電極体に接続された外部端子と、
前記電池ケースに収容され、予め定められた電圧以上の電圧で反応し、ガスを発生させるガス発生剤を含む非水電解液と、
前記電池ケースの内圧が予め定められた圧力以上に高くなると、前記電極体と前記外部端子との電気的な接続を遮断する電流遮断機構と
を備え、
前記正極活物質層と前記セパレータとの間には、LiMnPO4を含有するLiMnPO4含有層が配置されている、非水電解液二次電池。 An electrode body comprising: a positive electrode in which a positive electrode active material layer is held on a positive electrode current collector; a negative electrode in which a negative electrode active material layer is held on a negative electrode current collector; and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; ,
A battery case that houses the electrode body;
An external terminal provided in the battery case and connected to the electrode body;
A non-aqueous electrolyte containing a gas generating agent that is contained in the battery case, reacts at a voltage equal to or higher than a predetermined voltage, and generates a gas;
When the internal pressure of the battery case becomes higher than a predetermined pressure, a current interruption mechanism that interrupts electrical connection between the electrode body and the external terminal,
Wherein between the positive electrode active material layer and the separator, LiMnPO 4 containing layer containing LiMnPO 4 is disposed, a non-aqueous electrolyte secondary battery.
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