JP2015060670A - Method for manufacturing 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)の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a secondary battery (nonaqueous electrolyte secondary battery) provided with a nonaqueous 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(例えば特許文献1)。このような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 has a high energy density is preferably used as a high-output power source for mounting on a vehicle (for example, Patent Document 1). When such a nonaqueous electrolyte secondary battery is overcharged, excessive charge carriers are released from the positive electrode, and excessive charge carriers are inserted into 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。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. 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.
ところで、電流遮断機構を効率よく作動させるためには、ガス発生剤の添加量を多くすることが有効である。しかし、ガス発生剤は、電池の抵抗成分として働くため、ガス発生剤の添加量を多くすると、電池性能が低下する要因になり得る。その一方、電池性能を高く保つためにガス発生剤の添加量を少なくすると、過充電時にガスの発生が鈍化し、電流遮断機構の作動が遅れる要因になり得る。このように、ガス発生剤のみに頼ってガスを発生させるという従来の構成では、電池性能を高く保ちつつ、電流遮断機構を適切に作動させることが難しかった。本発明は上記課題を解決するものである。 By the way, in order to operate the current interruption mechanism efficiently, it is effective to increase the addition amount of the gas generating agent. However, since the gas generating agent works as a resistance component of the battery, if the amount of the gas generating agent added is increased, the battery performance may be a factor. On the other hand, if the addition amount of the gas generating agent is decreased in order to keep the battery performance high, the generation of gas may be slowed during overcharging, and the operation of the current interruption mechanism may be delayed. As described above, in the conventional configuration in which the gas is generated by relying only on the gas generating agent, it is difficult to appropriately operate the current interrupting mechanism while keeping the battery performance high. The present invention solves the above problems.
本発明によって提供される製造方法は、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、前記正極活物質層と前記セパレータとの間に無機フィラーを含む多孔質耐熱層が配置された、非水電解液二次電池を製造する方法である。この製造方法は、N−メチルピロリドン(NMP)を含有する正極活物質層を形成する工程を包含する。また、前記正極活物質層とセパレータとの間に多孔質耐熱層を配置して電極体を作製する工程を包含する。また、前記電極体を電池ケースに収容する工程を包含する。また、前記電極体を収容した電池ケースを60℃以上の温度域で熱処理することにより前記正極活物質層中のNMPを前記多孔質耐熱層に吸着させる工程を包含する。さらに、前記熱処理後の電池ケースに非水電解液を注液する工程を包含する。 The manufacturing method 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 a gap between the positive electrode and the negative electrode. An electrode body including a separator interposed in the battery body, a battery case housing the electrode body, an external terminal provided in the battery case and connected to the electrode body, and housed in the battery case and predetermined. When the internal pressure of the non-aqueous electrolyte containing a gas generating agent that reacts at a voltage higher than the voltage and generates gas and the battery case becomes higher than a predetermined pressure, the electrical connection between the electrode body and the external terminal A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a current blocking mechanism for cutting off a simple connection, and a porous heat-resistant layer including an inorganic filler disposed between the positive electrode active material layer and the separator. . This manufacturing method includes a step of forming a positive electrode active material layer containing N-methylpyrrolidone (NMP). Further, the method includes a step of producing an electrode body by disposing a porous heat-resistant layer between the positive electrode active material layer and the separator. Moreover, the process which accommodates the said electrode body in a battery case is included. Moreover, the battery case which accommodated the said electrode body is heat-processed in the temperature range of 60 degreeC or more, and the process which makes NMP in the said positive electrode active material layer adsorb | suck to the said porous heat-resistant layer is included. Furthermore, a step of injecting a non-aqueous electrolyte into the battery case after the heat treatment is included.
本発明の製造方法によると、電極体を収容した電池ケースを60℃以上の温度域で熱処理することによって正極活物質層中のNMPが多孔質耐熱層に吸着するため、所定量(例えば2000ppm以上)のNMPを含有する多孔質耐熱層を備えた非水電解液二次電池を製造することができる。かかる非水電解液二次電池では、過充電時に多孔質耐熱層内のNMPが気化することによって、多量のガスが発生する。そのため、過充電状態になったときに、速やかに内圧が上昇し、電流遮断機構を適切に作動させることができる。 According to the manufacturing method of the present invention, since the NMP in the positive electrode active material layer is adsorbed to the porous heat-resistant layer by heat-treating the battery case containing the electrode body in a temperature range of 60 ° C. or higher, a predetermined amount (for example, 2000 ppm or higher) The nonaqueous electrolyte secondary battery provided with a porous heat-resistant layer containing NMP) can be produced. In such a nonaqueous electrolyte secondary battery, a large amount of gas is generated by vaporizing NMP in the porous heat-resistant layer during overcharge. Therefore, when the overcharge state is reached, the internal pressure quickly increases, and the current interrupt mechanism can be appropriately operated.
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56(図2参照)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、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, 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の片面には多孔質耐熱層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との間に多孔質耐熱層80が配置されている。この実施形態では、多孔質耐熱層80は、セパレータ70の表面に形成されている。多孔質耐熱層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。多孔質耐熱層80は、無機フィラーとバインダとN−メチルピロリドン(NMP)とを含んでいる。
As shown in FIG. 2, in the
多孔質耐熱層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、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。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 material that can constitute the inorganic filler used for the porous heat-
多孔質耐熱層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、多孔質耐熱層80を形成するための組成物が水系の溶媒の場合には、水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、アクリル系ポリマー、アラミド樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などの溶液状あるいはエマルション状のバインダが例示される。多孔質耐熱層80は、増粘剤(例えばCMC)を含んでいてもよい。
The binder used for the porous heat-
多孔質耐熱層80は、上述した無機フィラー及びバインダのほか、N−メチルピロリドン(NMP)を含んでいる。かかるNMPは、例えば、無機フィラー粒子の表面や粒子間の隙間に保持されている。NMPの含有量は、多孔質耐熱層80の全固形分(即ち無機フィラーと導電材とバインダとの合計質量)に対して500ppm以上であり、好ましくは2000ppm以上である。このことにより、NMPを含有していない若しくはNMPの含有量が500ppm未満であるような従来のリチウム二次電池と比較して、過充電時に適切に内圧を上昇させることができる。即ち、上記構成によると、過充電時に多孔質耐熱層80内のNMPが気化することによって、CHBやBP等のガス発生剤以外からもガスが発生する。そのため、過充電状態になったときに、速やかに内圧が上昇し、電流遮断機構90(図1)を適切に作動させることができる。かかる構成によると、ガス発生剤の添加量を増やすことなく(電池性能を低下させることなく)、内圧上昇アシスト効果を得ることができる。したがって、本構成によれば、高性能で、かつ、安定性に優れたリチウム二次電池を提供することができる。
The porous heat-
ここで開示される多孔質耐熱層80としては、上記NMPの含有量Xが、500ppm≦Xを満足することが適当であり、2000ppm≦Xを満足するものが好ましく、3000ppm≦Xを満足するものがより好ましく、5000ppm≦Xを満足するものがさらに好ましく、7000ppm≦Xを満足するものが特に好ましい。NMPの含有量Xが少なすぎると、上述した内圧上昇アシスト効果が不十分になる場合がある。一方、NMPの含有量が多すぎると、製造が難しくなってくることに加えて内圧上昇アシスト効果も鈍化するため、メリットがあまりない。例えば、上記NMPの含有量Xが、500ppm≦X≦10000ppm(特に2000ppm≦X≦8000ppm)を満足する多孔質耐熱層80が、高い内圧上昇アシスト効果と製造容易性とを両立する観点から好適である。なお、上記NMPの含有量は、ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC−MS法)により把握することができる。
As the porous heat-
次に、上述した非水電解液二次電池の製造方法について説明する。この製造方法は、多孔質耐熱層80にNMPを含有させる方法としても把握され得る。この製造方法は、N−メチルピロリドン(NMP)を含有する正極活物質層54を形成する工程(正極活物質層形成工程)と、正極活物質層54とセパレータ70との間に多孔質耐熱層80を配置して電極体20を作製する工程(電極体作製工程)と、電極体20を電池ケース30に収容する工程(電極体収容工程)と、電極体20を収容した電池ケース30を60℃以上の温度域で熱処理する工程(熱処理工程)と、熱処理後の電池ケース30に非水電解液を注液する工程(注液工程)とを包含する。
Next, the manufacturing method of the nonaqueous electrolyte secondary battery described above will be described. This manufacturing method can also be grasped as a method of causing the porous heat-
正極活物質層形成工程では、NMPを含有する正極活物質層54を形成する。この実施形態では、正極活物質とバインダと導電材とをNMPに分散させた正極活物質層形成用組成物を調製する。該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正極活物質層54を形成する。その際、上記組成物を乾燥するときの乾燥温度や乾燥時間等の条件を適宜選択することにより、NMPの含有量が所定範囲(例えば2000ppm〜10000ppm、好ましくは2500ppm〜5000ppm)を満たす正極活物質層54を形成することができる。上記組成物中の固形分率としては特に限定されないが、概ね60質量%〜80質量%程度である。
In the positive electrode active material layer forming step, the positive electrode
電極体作製工程では、正極活物質層54とセパレータ70との間に多孔質耐熱層80を配置して電極体20を作製する。この実施形態では、無機フィラーとバインダを適当な溶媒(例えば水)に分散した多孔質耐熱層形成用組成物を調製する。該組成物をセパレータ70の表面に塗布し乾燥することによって、多孔質耐熱層80を形成する。その後、2枚の多孔質耐熱層80付きセパレータ70と、別途用意した正極シート50と負極シート60とを重ね合わせて捲回することにより捲回電極体20を作製する。その際、多孔質耐熱層80と正極シート50の正極活物質層54とが対向するように重ね合わせるとよい。
In the electrode body manufacturing step, the
電極体収容工程では、捲回電極体20を電池ケース30に収容する。この実施形態では、ケース本体32の上端開口部から該本体32内に捲回電極体20を収容する。そして、捲回電極体20をケース本体32に収容した後、該ケース本体32の上端開口を蓋体34によって塞ぐ。そして、蓋体34とケース本体32の合わせ目を、レーザ溶接によって封止するとよい。
In the electrode body housing step, the
熱処理工程では、捲回電極体20を収容した電池ケース30を60℃以上の温度域で熱処理する。この熱処理によって正極活物質層54中のNMPが気化し、多孔質耐熱層80に吸着する。熱処理の温度としては、正極活物質層54中のNMPが気化して多孔質耐熱層80に吸着する程度の温度域であればよい。例えば熱処理の温度は、概ね60℃以上(例えば60℃〜100℃)にすることが適当であり、好ましくは60℃〜80℃である。熱処理の時間としては、正極活物質層54中のNMPが気化して多孔質耐熱層80に十分に吸着する程度の長さであればよい。例えば熱処理の時間は、概ね10時間以上(例えば10時間〜50時間)にすることが適当であり、好ましくは20時間以上(例えば20時間〜36時間)である。
In the heat treatment step, the
注液工程では、熱処理後の電池ケース30に非水電解液を注液する。この実施形態では、蓋体34に設けられた注液孔から電池ケース30内に電解液を注入する。その後、注液孔に金属製の封止キャップを取り付けて(例えば溶接して)電池ケース30を封止する。このようにして、リチウムイオン二次電池100を製造(構築)することができる。
In the liquid injection process, a non-aqueous electrolyte is injected into the
かかる製造方法によれば、所定量(例えば2000ppm以上、好ましくは2500ppm以上)のNMPを含有する多孔質耐熱層80を備えたリチウムイオン二次電池100を適切に製造することができる。また、上記製造方法によれば、正極活物質層54中のNMPが多孔質耐熱層80に吸着するため、製造過程で正極活物質層54中に残留したNMPの量が低下する。そのため、正極活物質層54の残留NMPに起因する性能低下が抑制され、より高性能なリチウムイオン二次電池100を製造することができる。
According to this manufacturing method, it is possible to appropriately manufacture the lithium ion
本発明に係る製造方法を用いて評価用セル(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けるガス発生量を評価した。以下、具体的な方法を示す。 An evaluation cell (lithium ion secondary battery) was constructed using the production method according to the present invention, and the amount of gas generated during an overcharge test of the battery was evaluated. A specific method will be described below.
<試験例1>
ここで、評価用セルの正極は、次のようにして作製した。まず、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(正極集電体:厚み12〜15μm)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。正極活物質層の乾燥は、100℃、次いで120℃の乾燥炉を6m/sで通過させることにより行った。乾燥後、正極活物質層の密度が2.6〜3g/cm3となるようにプレスした。正極活物質層用組成物の塗布量は、両面合わせて約26mg/cm2(固形分基準)となるように調節した。
<Test Example 1>
Here, the positive electrode of the evaluation cell was produced as follows. First, 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 is 93: 4: 3. A layer composition was prepared. The positive electrode active material layer composition is coated on both sides of a long sheet-like aluminum foil (positive electrode current collector: thickness 12 to 15 μm) and dried to form a positive electrode active material on both sides of the positive electrode current collector. A positive electrode sheet provided with a layer was produced. The positive electrode active material layer was dried by passing it through a drying furnace at 100 ° C. and then at 120 ° C. at 6 m / s. After drying, the density of the positive electrode active material layer was pressed to a 2.6~3g / cm 3. The coating amount of the positive electrode active material layer composition was adjusted so that the total amount of both surfaces was about 26 mg / cm 2 (solid content basis).
評価用セルの負極は、次のようにして作製した。まず、負極活物質としてのアモルファスコートグラファイト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(負極集電体:厚み10μm)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。乾燥後、負極活物質層の密度が1.1〜1.3g/cm3となるようにプレスした。また、負極活物質層用組成物の塗布量は、両面合わせて約14.7mg/cm2(固形分基準)となるように調節した。 The negative electrode of the evaluation cell was produced as follows. First, amorphous coated graphite as a negative electrode active material, SBR as a binder and CMC as a thickener are dispersed in water so that the mass ratio of these materials is 98: 1: 1, and the negative electrode active material layer A composition was prepared. This negative electrode active material layer composition was applied to both sides of a long sheet-like copper foil (negative electrode current collector: thickness 10 μm) to produce a negative electrode sheet having a negative electrode active material layer provided on both sides of the negative electrode current collector did. After drying, the negative electrode active material layer was pressed so as to have a density of 1.1 to 1.3 g / cm 3 . Moreover, the coating amount of the negative electrode active material layer composition was adjusted so as to be about 14.7 mg / cm 2 (solid content basis) for both surfaces.
評価用セルの多孔質耐熱層付きセパレータは、次のようにして作製した。無機フィラーとしてのアルミナ粉末とバインダとしてのアクリル系ポリマーとを、それらの材料の質量比が固形分比で99:1となるように水中で分散し、多孔質耐熱層形成用組成物を調製した。この多孔質耐熱層形成用組成物を、セパレータ(厚み18μmの多孔質ポリエチレン(PE)シートを使用した。)の表面に塗布、乾燥することにより、多孔質耐熱層を形成した。 The separator with a porous heat-resistant layer of the evaluation cell was produced as follows. A porous heat-resistant layer forming composition was prepared by dispersing alumina powder as an inorganic filler and acrylic polymer as a binder in water such that the mass ratio of these materials was 99: 1 in terms of solid content. . This porous heat-resistant layer forming composition was applied to the surface of a separator (a porous polyethylene (PE) sheet having a thickness of 18 μm was used) and dried to form a porous heat-resistant 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。また、非水電解液には、ガス発生剤としてCHB4質量%を添加した。 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. In addition, 4% by mass of CHB was added as a gas generating agent to the non-aqueous electrolyte.
実施例1では、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多孔質耐熱層が正極活物質層と対向するように配置した(電極体作製工程)。このようにして得られた捲回電極体を箱型の電池ケースに収容し、電池ケースの開口部を蓋体で封口した。そして、捲回電極体を収容した電池ケースを密閉オーブンにて60℃で24時間、熱処理した(熱処理工程)。その後、注液孔から電池ケース内に電解液を注入し、注液孔に金属製の封止キャップを取り付けて電池ケースを封止した。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。 In Example 1, 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. . In that case, it arrange | positioned so that the porous heat resistant layer formed in the surface of a separator might oppose a positive electrode active material layer (electrode body preparation process). The wound electrode body thus obtained was housed in a box-shaped battery case, and the opening of the battery case was sealed with a lid. And the battery case which accommodated the winding electrode body was heat-processed at 60 degreeC for 24 hours in the airtight oven (heat treatment process). Then, electrolyte solution was inject | poured in the battery case from the injection hole, the metal sealing cap was attached to the injection hole, and the battery case was sealed. Thus, the lithium ion secondary battery of the evaluation cell was constructed.
比較例1では、上述した熱処理工程において、捲回電極体のまま(即ち電池ケースに収容していない開放状態の電極体を)密閉オーブンにて熱処理した。そして、熱処理後の捲回電極体を非水電解液とともに電池ケースに収容した。それ以外は実施例1と同じ条件で評価用セルを構築した。 In Comparative Example 1, in the heat treatment step described above, the wound electrode body was left as it was (that is, the open electrode body that was not accommodated in the battery case) was heat-treated in a sealed oven. And the wound electrode body after heat processing was accommodated in the battery case with the non-aqueous electrolyte. Otherwise, an evaluation cell was constructed under the same conditions as in Example 1.
比較例2では、上述した電極体作製工程において、セパレータの表面に形成された多孔質耐熱層が負極活物質層と対向するように配置した。それ以外は実施例1と同じ条件で評価用セルを構築した。 In Comparative Example 2, in the electrode body manufacturing process described above, the porous heat-resistant layer formed on the separator surface was disposed so as to face the negative electrode active material layer. Otherwise, an evaluation cell was constructed under the same conditions as in Example 1.
比較例3では、上述した熱処理工程を行わずに評価用セルを構築した。それ以外は実施例1と同じ条件で評価用セルを構築した。 In Comparative Example 3, an evaluation cell was constructed without performing the above-described heat treatment step. Otherwise, an evaluation cell was constructed under the same conditions as in Example 1.
比較例4では、正極活物質層の乾燥条件を変更して評価用セルを構築した。具体的には、正極活物質層の乾燥は、正極活物質層用組成物を正極集電体の両面に帯状に塗布した後、100℃、次いで120℃の乾燥炉を1.5m/s(実施例1の1/4倍の速度)で通過させることにより行った。かかる正極活物質層はしっかりと乾燥されているため、実施例1に比べて残留NMP量が少ない。それ以外は実施例1と同じ条件で評価用セルを構築した。 In Comparative Example 4, an evaluation cell was constructed by changing the drying conditions of the positive electrode active material layer. Specifically, the positive electrode active material layer is dried by applying the composition for the positive electrode active material layer on both sides of the positive electrode current collector in a strip shape, and then using a drying furnace at 100 ° C. and then 120 ° C. in 1.5 m / s ( This was carried out by passing at a speed 1/4 times that of Example 1). Since this positive electrode active material layer is firmly dried, the amount of residual NMP is smaller than that in Example 1. Otherwise, an evaluation cell was constructed under the same conditions as in Example 1.
実施例1および比較例1〜4の各評価用セルの多孔質耐熱層および正極活物質層に含まれるNMP量をGC−MS法により測定した。結果を表1に示す。 The amount of NMP contained in the porous heat-resistant layer and the positive electrode active material layer of each evaluation cell of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 was measured by the GC-MS method. The results are shown in Table 1.
実施例1および比較例1〜4の各評価用セルの過充電ガス発生量は、角型セルに内圧センサを取り付け、SOC140%の過充電状態とし、そのときの内圧を比較することにより把握した。結果を表1および図3に示す。図3では、比較例4の過充電ガス発生量を100としたときの各例の相対値を示している。また表1では、比較例4に比べて過充電ガス発生量が良好なものを○、不十分なものを×で表している。
The amount of overcharge gas generated in each evaluation cell of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 was grasped by attaching an internal pressure sensor to the square cell, making the
また、実施例1および比較例1〜4の各評価用セルの電池特性を調べた。具体的には、
25℃の試験槽中でSOC60%に調整し、8Cの定電流で充電したときの抵抗を測定した。結果を表1および図4に示す。図4では比較例4の過充電ガス発生量を100としたときの各例の相対値を示している。また表1では、比較例4に比べて電池特性が変わらないものを○、電池特性が悪化したものを×で表している。
Moreover, the battery characteristic of each cell for evaluation of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 was examined. In particular,
The SOC was adjusted to 60% SOC in a 25 ° C. test tank, and the resistance when charged with a constant current of 8 C was measured. The results are shown in Table 1 and FIG. In FIG. 4, the relative value of each example when the overcharge gas generation amount of the comparative example 4 is set to 100 is shown. In Table 1, the case where the battery characteristics did not change as compared with Comparative Example 4 was indicated by ◯, and the case where the battery characteristics deteriorated was indicated by x.
表1、図3および図4に示すように、多孔質耐熱層を正極活物質層に対向させ、かつ、電極体を電池ケースに収容した状態で熱処理を行った実施例1では、電池特性を損なうことなく、過充電時のガス発生量が増大した。これに対し、開放状態で電極体を熱処理した比較例1では、正極活物質層中のNMPが多孔質耐熱層に十分に吸着しなかったため、ガス発生量は低下傾向であった。比較例2では、多孔質耐熱層を負極活物質層に対向させたため、正極活物質層中のNMPが多孔質耐熱層に十分に吸着せず、ガス発生量は低下傾向であった。また、比較例2では、セパレータの樹脂基材を正極活物質層に対向させたため、正極活物質層中のNMPが樹脂基材を膨潤させ、電池抵抗が上昇した。比較例3では、過充電時のガス発生量は増大したものの、正極活物質層中のNMP量が多いため電池抵抗が上昇した。この結果から、電池性能を高く保ちつつ、ガス発生量を増大させるためには、多孔質耐熱層を正極活物質層に対向させ、かつ、電極体を電池ケースに収容した状態で熱処理を行う(多孔質耐熱層にNMPを吸着させる)ことが有効であることが確認された。 As shown in Table 1, FIG. 3 and FIG. 4, in Example 1 where heat treatment was performed with the porous heat-resistant layer facing the positive electrode active material layer and the electrode body housed in the battery case, the battery characteristics were Without loss, the amount of gas generated during overcharge increased. On the other hand, in Comparative Example 1 in which the electrode body was heat-treated in an open state, NMP in the positive electrode active material layer was not sufficiently adsorbed on the porous heat-resistant layer, and thus the gas generation amount tended to decrease. In Comparative Example 2, since the porous heat-resistant layer was opposed to the negative electrode active material layer, NMP in the positive electrode active material layer was not sufficiently adsorbed to the porous heat-resistant layer, and the gas generation amount tended to decrease. In Comparative Example 2, since the separator resin base material was opposed to the positive electrode active material layer, NMP in the positive electrode active material layer swelled the resin base material, and the battery resistance increased. In Comparative Example 3, although the amount of gas generated during overcharge increased, the battery resistance increased because the amount of NMP in the positive electrode active material layer was large. From this result, in order to increase the amount of gas generated while keeping the battery performance high, heat treatment is performed with the porous heat-resistant layer facing the positive electrode active material layer and the electrode body accommodated in the battery case ( It was confirmed that it was effective to adsorb NMP to the porous heat-resistant layer.
さらに、多孔質耐熱層中のNMP量がガス発生量に及ぼす影響を確認するため、以下の試験を行った。 Furthermore, in order to confirm the influence of the amount of NMP in the porous heat-resistant layer on the gas generation amount, the following test was performed.
<試験例2>
本例では、上述した実施例1と同様の手順で、ただし多孔質耐熱層および正極活物質層のNMP量を表2のように異ならせて評価用セルを構築した。多孔質耐熱層および正極活物質層のNMP量は、正極活物質層を乾燥するときの条件を適宜変更することにより調整した。結果を表2および図5に示す。図5は、多孔質耐熱層のNMP量とガス発生量との関係を示すグラフである。図5では、多孔質耐熱層のNMP量が0ppmのときの過充電ガス発生量を100としたときの各例の相対値を示している。また表2では、過充電ガス発生量が特に良好なものを◎、良好なものを○で表している。
<Test Example 2>
In this example, an evaluation cell was constructed in the same procedure as in Example 1 described above except that the amounts of NMP in the porous heat-resistant layer and the positive electrode active material layer were varied as shown in Table 2. The amount of NMP in the porous heat-resistant layer and the positive electrode active material layer was adjusted by appropriately changing the conditions for drying the positive electrode active material layer. The results are shown in Table 2 and FIG. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the amount of NMP and the amount of gas generated in the porous heat-resistant layer. In FIG. 5, the relative value of each example when the amount of overcharge gas generation when the NMP amount of the porous heat-resistant layer is 0 ppm is 100 is shown. Moreover, in Table 2, the thing with especially favorable overcharge gas generation amount is represented by (double-circle), and the favorable thing is represented by (circle).
表2および図5に示すように、多孔質耐熱層中のNMP量が増大するに従いガス発生量は増大傾向であった。特に多孔質耐熱層中のNMP量を2000ppmとした実施例4〜6は、実施例2、3に比べて、ガス発生量が著しく増大した。この結果から、過充電時のガス発生量を増大させる観点からは、多孔質耐熱層中のNMP量は2000ppm以上とすることが好ましく、5500ppm以上とすることがより好ましく、7000ppm以上とすることが特に好ましい。 As shown in Table 2 and FIG. 5, the gas generation amount tended to increase as the amount of NMP in the porous heat-resistant layer increased. In particular, in Examples 4 to 6 in which the amount of NMP in the porous heat-resistant layer was 2000 ppm, the amount of gas generated was significantly increased as compared with Examples 2 and 3. From this result, from the viewpoint of increasing the amount of gas generated during overcharge, the amount of NMP in the porous heat-resistant layer is preferably 2000 ppm or more, more preferably 5500 ppm or more, and more preferably 7000 ppm or more. Particularly preferred.
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、多孔質耐熱層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。多孔質耐熱層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 porous heat-
20 捲回電極体
30 電池ケース
50 正極シート
54 正極活物質層
60 負極シート
64 負極活物質層
70 セパレータ
80 多孔質耐熱層
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無機フィラーを含む多孔質耐熱層が配置された、非水電解液二次電池を製造する方法であって、
以下の工程:
N−メチルピロリドン(NMP)を含有する正極活物質層を形成する工程;
前記正極活物質層とセパレータとの間に多孔質耐熱層を配置して電極体を作製する工程;
前記電極体を電池ケースに収容する工程;
前記電極体を収容した電池ケースを60℃以上の温度域で熱処理することにより前記正極活物質層中のNMPを前記多孔質耐熱層に吸着させる工程;および、
前記熱処理後の電池ケースに非水電解液を注液する工程
を包含する、非水電解液二次電池の製造方法。 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,
A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery in which a porous heat-resistant layer containing an inorganic filler is disposed between the positive electrode active material layer and the separator,
The following steps:
Forming a positive electrode active material layer containing N-methylpyrrolidone (NMP);
A step of producing an electrode body by disposing a porous heat-resistant layer between the positive electrode active material layer and the separator;
Housing the electrode body in a battery case;
Adsorbing NMP in the positive electrode active material layer to the porous heat-resistant layer by heat-treating a battery case containing the electrode body in a temperature range of 60 ° C. or higher; and
A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising a step of injecting a non-aqueous electrolyte into the battery case after the heat treatment.
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