JP2015076120A - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明により、正極とセパレータ40と負極20とが順に積層された電極体と、非水電解質と、を備えた非水電解質二次電池が提供される。セパレータ40は、樹脂製のセパレータ基材42と、無機フィラーを含む多孔質耐熱層30Aであって上記基材の正極に対向する側の表面に形成された多孔質耐熱層30Aと、を備える。負極20は、セパレータ40に対向する側の表面に無機フィラーを含む多孔質耐熱層30Bを備える。そして、上記多孔質耐熱層A,Bは、(1)多孔質耐熱層Aの平均厚みTaが多孔質耐熱層Bの平均厚みTbより大きい;(2)多孔質耐熱層Aに含まれる無機フィラーの平均粒径Daが多孔質耐熱層Bに含まれる無機フィラーの平均粒径Dbより大きい;を具備する。
【選択図】図1
Description
かかる要求に応える手段として、樹脂製の多孔質シートの表面に多孔質耐熱層(Heat Resistance Layer:HRL)が形成されたセパレータが提案されている。多孔質耐熱層は、典型的には無機化合物の粒子(無機フィラー)を主体として構成され、高い耐熱性と絶縁性(非導電性性)とを備える。例えば、特許文献1には、ポリオレフィン微多孔膜の両面に多孔質耐熱層が形成されたセパレータが開示されている。
また、セパレータ基材の両面に多孔質耐熱層を設けるような従来技術とは異なり、一方の多孔質耐熱層30Aをセパレータ基材42の表面に、もう一方の多孔質耐熱層30Bを負極20の表面に備えることで、セパレータ基材42と多孔質耐熱層30Bとの間に極めて薄い非水電解質層2を介在させることができる。このため、上記緩和した応力を好適に分散し得、負極20が撓んだり変形したりすることを抑制することができる。さらに、例えば上記緩和した応力によって負極20が僅かに反ったり撓んだりした場合であっても、負極20から活物質が欠落(滑落)することを抑制することができる。
したがって、かかる構成によれば優れた電池性能と信頼性(電池内に含まれ得る異物への耐性)とを、高いレベルで両立し得る非水電解質二次電池を実現することができる。
なお、本明細書において「非水電解質二次電池」とは、非水電解質(典型的には、非水溶媒中に支持塩を含む非水電解液)を備えた二次電池をいう。
具体的には、先ず多孔質耐熱層を備えた測定用試料(セパレータや負極)を適当な樹脂(好ましくは熱硬化性樹脂)で包埋した後、切断(あるいは研磨)し、断面出しを行う。次に、かかる断面を電子顕微鏡(例えばSEM:Scanning Electron Microscope)で観察する。そして、得られた観察画像において、例えば色調の濃淡等から多孔質耐熱層を特定する。多孔質耐熱層の厚み(TaおよびTb)は、上記多孔質耐熱層の複数の位置(通常は少なくとも10箇所(例えば20箇所以上))における厚みを計測し、それらの算術平均値を算出することで把握し得る。また、無機フィラーの平均粒径(DaおよびDb)は、少なくとも30個以上(例えば30個〜100個)の無機フィラー粒子について粒子径を計測し、それらの算術平均値を算出することで把握し得る。
かかる構成によれば、電池内の異物混入に起因する内部短絡をより一層好適に抑制し得る。例えば先端R(もしくは直径Φ)が30μm以下(典型的には15μm〜30μm)のような鋭利な(微小な)異物の混入に対しても、セパレータの破膜が生じ難く、高い耐性を発揮することができる。したがって、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。
多孔質耐熱層Aの平均厚みを5μm以上とすることで、電池内の異物混入に起因する内部短絡をより一層抑制することができる。また、セパレータの熱的安定性や機械的強度(形状安定性)をより一層高めることができる。加えて、多孔質耐熱層Aの平均厚みを20μm以下(好ましくは15μm以下)とすることで、高いイオン透過性を確保し得、電池抵抗を低減することができる。したがって、優れた電池性能と信頼性(電池内に含まれ得る異物への耐性)とを、より高いレベルで両立することができる。
かかる構成によれば、異物に加わり得る応力をより一層好適に分散・緩和し得、さらには負極が変形することを好適に抑制することができる。したがって、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。
これにより、異物に加わり得る応力をより好適に緩和することができ、本発明の効果をより一層高いレベルで発揮することができる。
セパレータの厚みが上記範囲内にあることで、電池内の異物混入に起因する内部短絡をより一層抑制することができる。また、イオン透過性がより良好となり、電池抵抗を低減することができる。このため、とりわけ電池性能に優れ、内部短絡(セパレータの破膜)の生じ難い電池を実現し得る。
ポリオレフィン系の多孔質樹脂シートは、シャットダウン温度が凡そ80℃〜140℃と、電池の耐熱温度(典型的には凡そ200℃以上)よりも充分に低いため、適切なタイミングでシャットダウン機能を発揮することができる。したがって、より信頼性の高い電池を実現することができる。
図4は、図3に示す捲回電極体80の構成を模式的に示す一部破断の斜視図である。また、図5は図4に示す捲回電極体80のV−V線に沿う断面構造を示す模式図である。
図4および図5に示すように、本実施形態に係る捲回電極体80は、捲回電極体80を組み立てる前段階において、扁平形状の長尺状のシート構造を有している。かかる捲回電極体80は、正極シート10、セパレータシート40、負極シート20、セパレータシート40の順に重ね合わせて長尺方向に捲回し、更に側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。このような扁平形状の捲回電極体80では、特にズレや座屈の発生を防止する必要がある。また、捲回電極体80では直線部分に比べコーナー部分で面圧が高くなりがちなため、該コーナー部分において混入異物に起因する内部短絡が生じ易いといえる。そのため、かかる耐性を高め得る本発明の適用が特に好ましい。
また、捲回電極体80の捲回軸方向の両端部では、正極シート10および負極シート20の活物質層非形成部の一部がそれぞれ捲回コア部分から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分および負極側はみ出し部分には、正極集電板および負極集電板がそれぞれ付設され、正極端子70(図3)および負極端子72(図3)とそれぞれ電気的に接続される。
図4および図5に示すように、正極シート10は、典型的には長尺状の正極集電体12と、該集電体の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って形成された正極活物質層14であって少なくとも正極活物質を含む正極活物質層14とを備えている。
このような正極シート10は、正極活物質と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒に分散させたペースト状またはスラリー状の組成物(正極活物質層形成用スラリー)を、長尺状の正極集電体12に付与し、溶媒を乾燥させることにより好ましく作製することができる。正極集電体12には、導電性の良好な金属(例えばアルミニウム、ニッケル等)からなる導電性部材が好適に使用され得る。また、上記溶媒としては水性溶媒および有機溶媒のいずれも使用可能であり、例えばN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いることができる。
図4および図5に示すように、セパレータシート40は、典型的には長尺状のセパレータ基材42と、該基材の片面に長手方向に沿って形成された多孔質耐熱層30Aであって少なくとも無機フィラーを含む多孔質耐熱層30Aとを備えている。
このようなセパレータシート40は、無機フィラーと必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒に分散させたペースト状またはスラリー状の組成物(耐熱層形成用スラリーA)を長尺状のセパレータ基材42に付与し、溶媒を乾燥させて多孔質耐熱層30Aを形成することにより好ましく作製することができる。上記溶媒としては、水性溶媒および有機溶媒のいずれも使用可能であり、例えば水を用いることができる。
セパレータ基材42の空孔率があまりに小さすぎると、例えば電極表面に異物(典型的には金属異物)が存在する場合、該異物によってセパレータが破膜され、内部短絡を生じることがあり得る。セパレータ基材42の空孔率を40体積%以上(好ましくは50体積%以上)とすることで、電池内(典型的には電極体内)に、例えば先端R(あるいは直径Φ)が30μm〜50μm程度の異物が存在する場合であっても、セパレータ基材42が撓んで異物に加わり得る応力を好適に緩和することで、セパレータの破膜を抑制することができる。さらに、イオン透過性を好適に確保することができ、電池抵抗を低く抑えることができる。加えて、セパレータ基材42に保持可能な非水電解質の量が増加することで、電池性能(例えば、入出力特性)を向上させることができる。
一方、セパレータの空孔率があまりに大きすぎると、機械的強度が不足したり、熱収縮が著しくなったりすることがあり得る。セパレータ基材42の空孔率を80体積%以下とすることで、優れた機械的強度を発揮し得、正極と負極の絶縁性を好適に維持し得る。
なお、セパレータ基材42の空孔率は、例えば構成材料の種類や延伸時の強度等によって調整することができる。
多孔質耐熱層30Aの厚みを1μm以上とすることで、好適に内部短絡を防止し得、高い短絡防止効果を発揮し得る。また、多孔質耐熱層30Aの厚みを2μm以上とすることで、セパレータがシャットダウン(溶融)したときに、その溶融物が正極活物質層14内の空隙に浸入することを好適に抑制することができる。上限値は特に限定されないが、通常はセパレータ基材42と同等もしくはそれより薄く、具体的には例えば30μm以下であって、例えば20μm以下(典型的には17μm以下、特に15μm以下)であることがより好ましい。上記範囲を満たす場合、優れた電池性能と信頼性(電池内に含まれ得る異物への耐性)とを、より高いレベルで両立し得、本発明の効果をより一層高いレベルで発揮することができる。
また、セパレータ基材42の空孔率に対する多孔質耐熱層30Aの空孔率の比は、例えば0.3以上0.6以下(好ましくは0.3以上0.4以下)とすることができる。上記範囲を満たす場合、セパレータ基材42と多孔質耐熱層30Aとが相俟って、正極表面の異物に対して緩衝材のように働き得る。すなわち、空孔率の高いセパレータ基材42と、該セパレータに比べて空孔率の低い多孔質耐熱層30Aとが相俟って、電池内の異物に加わり得る応力を段階的に分散・緩和し得、該異物がセパレータを貫通することを好適に抑制し得る。
なお、平均粒径は、上述した電子顕微鏡を用いた方法以外にも、例えば一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布おいて、微粒子側からの累積50体積%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう。)の値を用い得る。
図4および図5に示すように、負極シート20は、典型的には長尺状の負極集電体22と、該集電体の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って形成された負極活物質層24であって少なくとも負極活物質を含む負極活物質層24と、該負極活物質層の表面に長手方向に沿って形成された多孔質耐熱層30Bとを備えている。
多孔質耐熱層30Aおよび30Bが、樹脂製のセパレータ基材42の両側に配置されることにより、混入異物に加わり得る応力を好適に分散・緩和することができ、該異物がセパレータを貫通することを予防し得る。また、負極20の表面に多孔質耐熱層30Bを備えることで、セパレータ基材42と多孔質耐熱層30Bとの間に極めて薄い非水電解質層が介在され、負極20が変形することを抑制し得る。
無機フィラーの形態は特に限定されず、例えば粒子状、繊維状、板状(フレーク状)等であり得る。無機フィラーの比表面積は特に限定されないが、凡そ1m2/g〜100m2/g(例えば1.5m2/g〜50m2/g、典型的には5m2/g〜20m2/g)が好ましい。無機フィラーの平均粒径Dbは、上述の条件(すなわち、上記多孔質耐熱層30Aに含まれる無機フィラーの平均粒径Daが多孔質耐熱層30Bに含まれる無機フィラーの平均粒径Dbより大きいこと)を満たす限りにおいて特に限定されないが、分散性等を考慮して典型的には2μm以下であり、例えば1μm以下であり、好ましくは0.75μm以下であり、より好ましくは0.5μm以下である。下限値も特に限定されないが、取扱性等を考慮して、通常は0.001μm以上であり、典型的には0.005μm以上であり得る。
電池ケース50の材質としては、例えば、アルミニウム、スチール等の金属材料;ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料;が挙げられる。なかでも、放熱性向上やエネルギー密度を高める目的から、比較的軽量な金属(例えばアルミニウムやアルミニウム合金)を好ましく採用し得る。また、該ケースの形状(容器の外形)は、例えば円形(円筒形、コイン形、ボタン形)、六面体形(直方体形、立方体形)、袋体形、およびそれらを加工し変形させた形状等であり得る。
非水電解質としては、非水溶媒中に支持塩(例えば、リチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩等。リチウムイオン二次電池ではリチウム塩。)を溶解または分散させたものを好ましく採用し得る。或いは、液状の非水電解質にポリマーが添加され固体状(典型的には、いわゆるゲル状)となったものでもよい。支持塩としては、一般的な非水電解質二次電池と同様のものを適宜選択して採用し得、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiCF3SO3等のリチウム塩を用いることができる。このような支持塩は、1種を単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。特に好ましい支持塩としてLiPF6が挙げられる。また、非水電解質は上記支持塩の濃度が0.7mol/L〜1.3mol/Lの範囲内となるように調製することが好ましい。
<正極の作製>
先ず、正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2粉末(以下「LNCM」と略称する場合がある。)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)とを、これらの材料の質量比がLNCM:PVdF:AB=94:3:3となり、且つ固形分濃度が約60質量%となるようにN−メチルピロリドン(NMP)と混合して、正極活物質層形成用のスラリー状組成物(正極活物質スラリー)を調製した。次に、この正極活物質スラリーを、厚み凡そ15μmの長尺状アルミニウム箔(正極集電体)の片面に、目付量が10mg/cm2(固形分基準)となるようにローラコート法で帯状に塗布して乾燥(乾燥温度120℃、1分間)することにより、厚み凡そ65μmの正極活物質層を形成した。そして、これをロールプレス機で圧延することにより、正極シート(総厚み80μm)を作製した。
先ず、耐熱層形成用スラリーAを調製した。具体的には、無機フィラーとしてのアルミナ(平均粒径:0.5μm)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量比がアルミナ:SBR:CMC=97:2:1となるようにイオン交換水と混合して、耐熱層形成用のスラリー状組成物(耐熱層形成用スラリーA)を調製した。かかるスラリーの調製には、超音波分散機(Mテクニック社製、クレアミックス)を用い、予備分散として15000rpmで5分間、本分散として20000rpmで15分間の条件で混合、混練を行った。
そして、塗工後のセパレータを乾燥して、平均厚みが15μm、空孔率が35%の多孔質耐熱層Aを形成し、セパレータ基材、多孔質耐熱層Aの順に積層されたセパレータシート(総厚み45μm)を作製した。
先ず、負極活物質としての天然黒鉛粉末(C、平均粒径:5μm、比表面積:3m2/g)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これらの材料の質量比がC:SBR:CMC=98:1:1となり、且つ固形分濃度が約45質量%となるようにイオン交換水と混合して、負極活物質層形成用のスラリー状組成物(負極活物質スラリー)を調製した。次に、この負極活物質スラリーを、厚み凡そ10μmの長尺状銅箔(負極集電体)の片面に、目付量が7mg/cm2(固形分基準)となるようにローラコート法で帯状に塗布して乾燥(乾燥温度120℃、1分間)することにより、厚み凡そ80μmの負極活物質層を形成した。これをロールプレス機で圧延することにより、負極集電体と負極活物質層とからなる例1に係る負極シート(総厚み90μm)を得た。
上記得られた正極シートと負極シートの未塗工部には、それぞれ集電体と同種の金属からなるシール付きリード(端子)を取り付けた。そして、正極シートと負極シートとをセパレータシートを介して対面に配置し、電極体を作製した。なお、多孔質耐熱層Aは正極に対向する側に、多孔質耐熱層Bはセパレータに対向する側に、それぞれ配置されている。この電極体を、ラミネートフィルム(電池ケース)内に収容し、開口部から非水電解質(ここでは非水電解液)を注入した。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EC:DMC:EMC=3:3:4の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させた非水電解液を用いた。その後、真空引きをしながらラミネートフィルムとリードのシール部位とを熱溶着し、開口部を気密に封口することで、例1〜例6に係る非水電解質二次電池を構築した。表1に各電池の多孔質耐熱層に関する性状を纏める。例1〜例6に係る非水電解質二次電池は、負極に備えられた多孔質耐熱層Bの厚みのみが相互に異なっている。
上記作製した例1〜例6に係る電池について、異物短絡試験を実施した。具体的には、まず、構築した非水電解質二次電池をSUS(Steel Use
Stainless)製の拘束板とクリップを用いて挟み込み、該電池に凡そ0.1MPaの圧力を負荷した。次に、1/5Cの充電レートで4.2Vまで充電を行い、さらに定電圧で初期の電流値の1/10の充電レートまで充電を行った。次に、充電後の電池をドライ雰囲気で解体し、電池ケースから電極体を取り出した。そして、該電極体内であって負極の表面に、金属異物として鉄の小片を挿入した。かかる電極体を用いて上記と同様に非水電解質二次電池を構築し、再び拘束板とクリップを用いて挟み込んで、電池電圧を測定した。電池電圧が1V以上低下していた場合(すなわち、3.2V以下となっていた場合)に、内部短絡が生じたものとして試験を終了した。なお、電極体内に挿入した金属異物(鉄)は、直径Φが140μm、厚みが10μm程度の大きさのものを使用した。そして、徐々に異物の先端Rが小さくなるよう(鋭利になるよう)異物形状を異ならせていき、内部短絡が生じるまで試験を繰り返した。表1の当該欄および図6に、内部短絡を生じた際の異物の先端R(μm)を示す。
上記I.において、多孔質耐熱層AおよびBの形成時に、表1に示す平均粒径の無機フィラーを用いた以外は例1〜6と同様に、非水電解質二次電池(例7〜例15)を作製した。表2に各電池の多孔質耐熱層に関する性状を纏める。
上記作製した例7〜例15に係る電池について、異物短絡試験を実施した。具体的には、構築した電池の正負極端子に電圧計を接続した後、該電池を2枚の拘束板で挟みこみ、プレス機を用いて徐々に高い圧力(荷重)を負荷していった。そして、負荷した荷重と正負極間の電圧の変化を記録し、正負極が導通した時の荷重を「短絡強度」として求めた。結果を図7に示す。
2 非水電解質層
10 正極(正極シート)
12 正極集電体
14 正極活物質層
20 負極(負極シート)
22 負極集電体
24 負極活物質層
30A 多孔質耐熱層A
30B 多孔質耐熱層B
40 セパレータ(セパレータシート)
42 セパレータ基材
50 電池ケース
52 ケース本体
54 蓋体
55 安全弁
70 正極端子
72 負極端子
80 捲回電極体
100 非水電解質二次電池
Claims (7)
- 正極とセパレータと負極とが順に積層された電極体と、非水電解質と、を備えた非水電解質二次電池であって、
前記セパレータは、樹脂製のセパレータ基材と、無機フィラーを含む多孔質耐熱層Aであって前記基材の前記正極に対向する側の表面に形成された多孔質耐熱層Aと、を備え、
前記負極は、前記セパレータに対向する側の表面に無機フィラーを含む多孔質耐熱層Bを備え、
ここで、前記多孔質耐熱層AとBは、以下の条件(1),(2):
(1)前記多孔質耐熱層Aの平均厚みTaが、前記多孔質耐熱層Bの平均厚みTbより大きい;
(2)前記多孔質耐熱層Aに含まれる前記無機フィラーの平均粒径Daが、前記多孔質耐熱層Bに含まれる前記無機フィラーの平均粒径Dbより大きい;
をいずれも具備する、非水電解質二次電池。 - 前記多孔質耐熱層Aの平均厚みTaに対する前記多孔質耐熱層Bの平均厚みTbの比(Tb/Ta)が0.2以上0.3以下である、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記多孔質耐熱層Aに含まれる前記無機フィラーの平均粒径Daに対する前記多孔質耐熱層Aに含まれる前記無機フィラーの平均粒径Dbの比(Db/Da)が0.1以上0.5以下である、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記多孔質耐熱層Aの平均厚みTaが5μm以上15μm以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記多孔質耐熱層Aに含まれる前記無機フィラーの平均粒径Daが0.1μm以上5μm以下である、請求項1から4のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記セパレータ基材の平均厚みが30μm以下である、請求項1から5のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記セパレータ基材は、ポリエチレン樹脂および/またはポリプロピレン樹脂からなる、請求項1から6のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
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