JP2016213133A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】ハイレートパルス充放電を繰り返し行ったときの抵抗増加が抑制されている非水電解液二次電池を提供する。【解決手段】本発明によって提供される非水電解液二次電池は、正極30と、負極40と、セパレータ50と、非水電解液と、を備えている。セパレータ50は、不織布からなるセパレータ基材52と、セパレータ基材52の正極30に対向する側の表面に設けられた第1樹脂層R1と、セパレータ基材52の負極40に対向する側の表面に設けられた第2樹脂層R2とを備えている。そして第1樹脂層R1の樹脂マトリックスは、ポリテトラフルオロエチレンまたはポリテトラフルオロエチレンを主成分とする共重合体により構成され、第2樹脂層R2は、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデンを主成分とする共重合体により構成されている。【選択図】図3

Description

本発明は、捲回電極体を備える非水電解液二次電池に関する。
リチウム二次電池に代表される非水電解液二次電池は、既存の電池に比べて軽量かつエネルギー密度が高いことから、従来よりパソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源、住宅用蓄電装置等として用いられている。特に近年、非水電解液二次電池は、大容量でかつハイレートでの放電を行う、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両の駆動用高出力電源として好ましく用いられている。
この種の非水電解液二次電池は、正極活物質層を備える正極と、負極活物質層を備える負極とが、セパレータを介して対向配置され、非水電解液と共に電池ケースに収容されている。非水電解液は、一般に、正極活物質層、負極活物質層およびセパレータに含浸されている。そして正負の活物質層の間で電解質イオンを往き来させ、正負の活物質が電解質イオンを吸蔵および放出することにより、充放電が実現され得る。このとき、セパレータに、高い機械的強度と、高い電解質保持性およびイオン伝導性を付与するために、セパレータの構成や材料を工夫することが提案されている(例えば特許文献1および2等参照)。
特開2006−092829号公報 特開2010−500717号公報
ところで、二次電池には、大電流を瞬時に充電または放電するハイレート充放電(ハイレートパルス充放電を含む。)に供される使用態様のものがある。ハイレート充放電では、電極間で瞬時に多量の電荷担体を移動させる必要があることから、例えば、充電後または放電後の正負極間で非水電解液の濃度に偏りが発生し得る。そしてハイレート充放電が繰り返し行われると非水電解液の濃度の偏りも蓄積され、ローレートでの充放電を行う場合に比べて、正極および負極間で電解質濃度にムラが発生しやすい。典型的には、負極の表面において電解質が優先的に消費され、電解質濃度が低下し得る。かかる現象は、さらなる充放電時の抵抗を増大させ、ハイレート充放のサイクル特性の劣化(例えば、ハイレート充放電による抵抗の増加)を引き起こし得るために好ましくない。このような電解質濃度の偏りは、充電および放電に、ハイレートとローレートとを組み合わせた充放電方式(ハイレートパルス充放電という。)において極めて顕著に表れ得る。
本発明は、上記の従来の課題を解決すべく創出されたものであり、その目的は、ハイレートパルス充放電による抵抗の増加が抑制されている非水電解液二次電池を提供することである。
上記目的を実現すべく、本発明により、正極と、負極と、上記正極および上記負極の間に介在されたセパレータと、非水電解液と、を備える非水電解液二次電池が提供される。この二次電池において、上記セパレータは、不織布からなるセパレータ基材と、上記セパレータ基材の上記正極に対向する側の表面に設けられた第1樹脂層と、上記セパレータ基材の上記負極に対向する側の表面に設けられた第2樹脂層と、を備えている。そして上記第1樹脂層は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)およびその共重合体を主成分として構成され、上記第2樹脂層は、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)およびその共重合体を主成分として構成されていることを特徴としている。
上記構成により、負極から排出される非水電解液を、PVdFを主とする第2樹脂層が膨潤して保持することができる。また、正極から排出された非水電解液はPTFEを主とする第1樹脂層に捕捉されることなくセパレータ基材を通過して負極側へと送られる。これにより負極近傍により多くの非水電解液を確保することができ、電解液の濃度ムラを抑制することができる。延いては、ハイレートパルス充放電を繰り返し行うことによる当該二次電池の抵抗増加が好適に抑制される。これにより、例えば、長期耐久性に優れた非水電解液二次電池が提供される。
ここに開示される非水電解液二次電池の好ましい一態様において、上記セパレータ基材は、ガーレー試験機法に基づくガーレー値が40秒/100mL以上55秒/100mL以下であることを特徴としている。上記構成によると、例えばこのようにガーレー値が低いセパレータ基材を用いても、非水電解液の濃度ムラの発生を抑制でき、ハイレートパルス充放電サイクルによる抵抗増加を防止することができる。
なお、本明細書において、ガーレー値とは、JIS P 8117:2009に規定された方法にて規定されるガーレー試験機法に基づいて測定される値である。
ここに開示される非水電解液二次電池の好ましい一態様において、上記第1樹脂層と上記第2樹脂層の少なくとも一方は、絶縁性無機粒子を含むことを特徴としている。このような構成により、二次電池の耐熱性を高めることができ、安全性の高い二次電池を実現することができる。また、より一層の抵抗の低減を図ることができる。
ここに開示される非水電解液二次電池の好ましい一態様において、上記第1樹脂層および上記第2樹脂層のそれぞれの平均厚さは7μm以下であることを特徴としている。このような構成により、効率的に抵抗の低減を図ることができる。
ここに開示される非水電解液二次電池の好ましい一態様において、上記正極は、正極集電体の表面に正極活物質層を備え、上記負極は、負極集電体の表面に負極活物質層を備えており、上記負極活物質層の平均細孔径は、上記正極活物質層の平均細孔径よりも大きいことを特徴としている。負極活物質層が正極活物質層よりも平均細孔径が大きいと、ハイレートパルス充放電により電解質濃度にムラが発生しやすい。しかしながらここに開示される技術によると、負極活物質層と正極活物質層との平均細孔径が上記の関係にあっても、ハイレートパルス充放電による非水電解液の濃度ムラの発生を抑制でき、抵抗増加を防止することができる。
ここに開示される非水電解液二次電池の好ましい一態様において、上記正極、上記負極および上記セパレータは長尺であり、上記正極と上記負極とが上記セパレータで絶縁された状態で重ねられ、捲回されてなる捲回型電極体を構成していることを特徴としている。電極が捲回型電極体を構成している場合は、充放電に伴う活物質層の膨張および収縮が捲回により拘束され、捲回型電極体から非水電解液が排出されるとの問題が生じている。ハイレートで充放電を行う電池については、かかる問題が顕著に起こり得る。ここに開示される技術によると、セパレータにおける樹脂層の組成と、電極に対する位置関係とが適切に調整されており、ハイレート充放電(特に、ハイレートパルス充放電)を行った場合でも電捲回電極体からの非水電解液の排出を好適に抑制でき、非水電解液の欠如や抵抗増加を防止することができる。
なお、本出願において、ハイレートとは、1Cよりも大きな電流(すなわち1C超過の電流)で行う放電または放電を意味する。例えば、3C以上、例えば5C以上、好ましくは10C以上、特に好ましくは20C以上の大電流での放電または放電を意味する。なお、1Cとは、公称容量値の容量を有する二次電池を定電流放電したとき、1時間で放電が終了する電流値を意味する。
また、本出願において、ハイレート充放電とは、放電および放電の少なくとも一方をハイレートで行う充放電形態を意味している。つまり、通常のハイレート充放電を含み得る。また、本出願において、ハイレートパルス充放電とは、放電および放電の一方のみをハイレートで行う充放電形態を意味している。具体的には、ハイレートで放電(または充電)し、その後、同じ電気量を該放電レート(または該充電レート)よりも低いローレートで充電(または放電)する形態であり得る。この充放電でのレート差は、2C以上(好ましくは5C以上)とすることができる。このハイレートパルス充放電によると、充電および放電の両方をハイレートで行う一般的なハイレート充放電と比較して、充電と放電のバランスが悪くなり、電極体内での非水電解液の存在位置に偏りが生じやすくなることが確認されている。
一実施形態に係る非水電解液二次電池の構成を模式的に示す断面図である。 捲回電極体の構成を説明する模式図である。 一実施形態に係る電極体の断面構造の一部を模式的に示す分解断面図である。 従来の電極体の断面構造の一部を模式的に示す分解断面図である。 従来の他の電極体の断面構造の一部を模式的に示す分解断面図である。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明に係る非水電解液二次電池について、好適な実施形態に基づき説明する。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(例えば、本発明を特徴付けない電池構造等)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。また、下記に示す図面における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において「非水電解液二次電池」とは、電解質として非水系の電解液を用いた繰り返し充放電可能な電池であって、電荷担体として電解質イオン(リチウムイオン電池の場合はリチウムイオン)を利用し、正負極間においてこの電荷担体の移動に伴い充放電が実現される二次電池を包含する。一般にリチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等と称される二次電池は、本明細書における非水電解液二次電池に包含される典型例である。また、本明細書において「活物質」とは、電荷担体となる化学種(例えばリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出し得る材料をいう。そこで、ここに開示される非水電解液二次電池がリチウムイオン電池である場合を例にして、以下に詳細に説明をする。
[リチウムイオン電池]
図1は、好適な一実施形態としての非水電解液二次電池(ここではリチウムイオン電池)100の構成を示す断面模式図である。このリチウムイオン電池1は、正極30と、負極40と、これら正極30および負極40の間に介在されたセパレータ50と、非水電解液(図示せず)と、を備えている。本例では、図2に示すように、長尺の正極30および長尺の負極40が長尺の2枚のセパレータ50を介して重ね合わされてなる電極体が、長手方向に直交する幅方向を捲回軸として捲回されて、捲回型電極体20を構成している。この捲回電極体20は、非水電解液とともに電池ケース10に収容されている。ここに開示される技術は、捲回型電極体20を構成する電池に限らず、電極体が複数積層された積層型電極体等の任意の形態の電極体を備える電池に広く適用することができる。図3は、電極体の断面構造の一部を説明する図である。
[正極]
正極30は、典型的には、長尺(帯状であり得る)の正極集電体32と、この正極集電体32の表面に保持された正極活物質層34とを備えている。正極集電体32には、典型的には、長手方向に沿う一方の端部に沿って帯状に集電体露出部36が設けられており、この集電体露出部36以外の部分に帯状に正極活物質層34が備えられている。正極活物質層34は、正極集電体32の両面に設けられてもよいし、いずれか一方の面にのみ設けられてもよい。正極集電体32としては、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である。この正極活物質層34は、少なくとも正極活物質を含み、非水電解液の含浸が可能なように多孔質構造を有している。
なおここで、上記正極活物質としては特に制限されないが、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料であって、例えば、リチウム元素と一種または二種以上の遷移金属元素を含むリチウム含有化合物(例えばリチウム遷移金属複合酸化物)を好適に用いることができる。かかるリチウム遷移金属酸化物は、例えば、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLiCoO)、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMn)、或いは、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3)のような三元系リチウム含有複合酸化物であり得る。これらの活物質には、所望の電池性能を実現するために、各種の金属元素が添加されていても良い。
なお、正極活物質層34には、上記正極活物質に加えて、一般的なリチウムイオン電池において正極活物質層の構成成分として使用され得る1種または2種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例として、導電材やバインダが挙げられる。導電材としては、例えば、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラックやケッチェンブラック)、活性炭、黒鉛、炭素繊維等の炭素材料を好適に用いることができる。また、バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のハロゲン化ビニル樹脂、ポリエチレンオキサイド(PEO)等のポリアルキレンオキサイドを好適に用いることができる。
正極活物質層34全体に占める正極活物質の割合は、高エネルギー密度を実現する観点から、およそ60質量%以上(典型的には60質量%〜95質量%)とすることが適当であり、通常はおよそ70質量%〜95質量%であることが好ましい。また、バインダを使用する場合、正極活物質層全体に占めるバインダの割合は、機械的強度(形状保持性)を好適に確保する観点から、例えばおよそ0.5質量%〜10質量%とすることができ、通常はおよそ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。導電材を使用する場合、出力特性とエネルギー密度とを高いレベルで両立する観点から、正極活物質層全体に占める導電材の割合は、例えばおよそ1質量%〜20質量%とすることができ、通常はおよそ2質量%〜10質量%とすることが好ましい。
また、正極活物質層34の平均厚み(片面当たり)は特に限定されないが、例えば20μm以上、典型的には50μm以上であって、200μm以下、典型的には100μm以下とすることができる。正極集電体32の単位面積当たりに設けられる正極活物質層34の質量(目付量)は、高エネルギー密度を実現する観点から、正極集電体32の片面当たり3mg/cm以上(例えば5mg/cm以上、典型的には7mg/cm以上)とするとよい。優れた出力特性を実現する観点からは、正極集電体32の片面当たり100mg/cm以下(例えば70mg/cm以下、典型的には50mg/cm以下)とするとよい。また、正極活物質層34の密度は、例えば1.0g/cm以上(典型的には2.0g/cm以上)であって、4.5g/cm以下(例えば4.0g/cm以下)とするとよい。さらに、特に制限されるものではないが、正極活物質層34の平均細孔径は、例えば、0.08μm以上(典型的には0.1μm以上)であって、0.5μm以下(例えば0.25μm以下)とするとよい。
[負極]
長尺の負極40は、典型的には、長尺の負極集電体42の長手方向に沿う一方の端部に集電体露出部46が設けられ、この集電体露出部46以外の部分に活物質層44が備えられている。この負極集電体露出部46は、典型的には、負極集電体42の幅方向の一方の端部に沿って長尺に設けられる。負極活物質層44は、負極集電体42の両面に設けられてもよいし、いずれか一方の面にのみ設けられてもよい。負極集電体42としては、導電性の良好な金属(例えば銅、ニッケル等)からなる導電性部材が好適である。この負極活物質層44は、少なくとも負極活物質を備えており、非水電解液の含浸が可能なように多孔質構造を有している。
なおここで、負極活物質としては特に制限されないが、リチウムイオン電池の負極活物質として使用し得ることが知られている各種の材料を1種または2種以上を採用することができる。好適例として、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、カーボンナノチューブ等の炭素材料、或いは、これらを組み合わせた材料が挙げられる。なかでも、エネルギー密度の観点から、天然黒鉛(石墨)や人造黒鉛等の黒鉛系材料を好ましく用いることができる。かかる黒鉛系材料は、少なくとも一部の表面に非晶質炭素が配置されているものを好ましく用いることができる。より好ましくは、粒状炭素材料の表面のほぼ全てを非晶質炭素の膜で被覆された形態である。
なお、負極活物質層44には、上記負極活物質に加えて、一般的なリチウムイオン電池において負極活物質層44の構成成分として使用され得る1種または2種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例として、バインダや各種添加剤が挙げられる。バインダとしては、一般的なリチウムイオン電池の負極に使用されるバインダと同様のものを適宜採用することができる。例えば、正極30におけるのと同様のバインダを用いることができる。そして好ましい形態として、負極活物質層44を形成するために上記の水性溶媒を用いる場合には、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム類、ポリエチレンオキサイド(PEO)、酢酸ビニル共重合体等の水溶性のポリマー材料または水分散性のポリマー材料を好ましく採用し得る。その他、増粘剤、分散剤、導電材等の各種添加剤を適宜使用することもできる。例えば、増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)やメチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)等のセルロース系ポリマーが挙げられる。
負極活物質層44全体に占める負極活物質の割合は、およそ50質量%以上とすることが適当であり、通常は90質量%〜99質量%(例えば95質量%〜99質量%)とすることが好ましい。これにより、高エネルギー密度を実現することができる。バインダを使用する場合、負極活物質層44全体に占めるバインダの割合は、例えばおよそ1質量%〜10質量%とすることができ、通常はおよそ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。これにより、負極活物質層44の機械的強度(形状保持性)を好適に確保することができ、良好な耐久性を実現することができる。増粘剤を使用する場合、負極活物質層44全体に占める増粘剤の割合は、例えばおよそ1質量%〜10質量%とすることができ、通常はおよそ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。
負極集電体42の単位面積当たりに設けられる負極活物質層44の質量(目付量)は、高エネルギー密度と出力密度とを実現する観点から、負極集電体42の片面当たり5mg/cm以上(典型的には7mg/cm以上)であって、20mg/cm以下(典型的には15mg/cm以下)程度とするとよい。また、負極活物質層44の片面当たりの厚みは、例えば40μm以上(典型的には50μm以上)であって、100μm以下(典型的には80μm以下)とするとよい。また、負極活物質層44の密度は、例えば0.5g/cm以上(典型的には1.0g/cm以上)であって、2.0g/cm以下(典型的には1.5g/cm以下)とするとよい。さらに、特に限定されるものではないが、負極活物質層44の平均細孔径は、例えば、0.8μm以上(典型的には1μm以上)であって、3μm以下(例えば2.5μm以下)とするとよい。
[セパレータ]
セパレータ50は、正極30と負極40とを絶縁するとともに、電荷担体を保持し、この電荷担体の通過を可能とする構成部材である。ここに開示される技術において、セパレータ50は、図3に示されるように、セパレータ基材52と、セパレータ基材52の正極30に対向する側の表面に設けられた第1樹脂層R1と、セパレータ基材52の負極40に対向する側の表面に設けられた第2樹脂層R2と、を有する。これら第1および第2の樹脂層R1,R2と、セパレータ基材52とは、単に重ね合わされていても良いし、互いが一体的に接合されていても良い。必ずしもこれに限定されるものではないが、第1および第2の樹脂層R1,R2と、セパレータ基材52とは、一体的に接合されて積層構造を形成していることが好ましい。
セパレータ基材52は、不織布から構成されている。不織布については、例えば、長尺の繊維を織らずにシート状に成形一体化させた各種の材料を考慮することができる。このような不織布は、例えば、長尺の繊維が結合することなく絡み合って一体のシート状となっていても良いし、長尺の繊維が交点において直接結合していても良いし、長尺の繊維が交点においてバインダを介して結合していても良い。不織布を構成する材料としては特に制限されないが、リチウム二次電池のセパレータとして電気化学的に安定な材料により構成することができる。不織布を構成する材料としては、例えば、ポリスチレン等のスチレン系樹脂、ポリエチレン(PE),ポリプロピレン(PP),ポリ塩化ビニル等のポリオレフィン系樹脂、ポリアミド等のアミド系樹脂、およびこれらの熱可塑性エラストマー、ポリエステル,ポリエチレンテレフタレート(PET)等のポリエステル系樹脂、セルロース等のセルロース系樹脂、ポリフェニレンサルファイド(PPS)等のサルフォン系樹脂等の繊維が挙げられる。かかる材料としては、例えば一例として、電池が所定の温度にまで上昇したときに軟化溶融して、電荷担体の移動を妨げ電池反応を停止させる機能(シャットダウン機能)を有する樹脂であることが好ましい。具体的には、例えば、典型的には、ポリオレフィン樹脂からなることが好ましい。一方で、ここに開示される技術においては、後述の通り第2樹脂層にシャットダウン機能を付与することも可能である。その場合は、不織布は、ポリエステル系樹脂、アミド系樹脂、サルフォン系樹脂等の溶融し難いが高強度な材料により好適に構成することができる。
セパレータ基材52のガーレー値(透気度)は特に制限されないが、例えば、0秒/100mL以上100秒/100mL以下(100秒/100mL未満であり得る)のものを用いることができる。セパレータ基材52のガーレー値を100秒/100mL以下と低くすることで、例えば従来の微多孔膜(100〜400秒/100mL程度)と比較してリチウムイオン等の電荷担体が良好に移動することができる。セパレータ基材52のガーレー値の上限は、60秒/100mL以下であることが好ましく、55秒/100mL以下であることがより好ましく、50秒/100mL以下(例えば、50秒/100mL未満)であることが特に好ましい。ガーレー値の下限は規定されないが、例えば、10秒/100mL以上とすることができ、20秒/100mL以上とすることができ、40秒/100mL以上(例えば、40秒/100mL超過)であることが好ましく、45秒/100mL以上であることが特に好ましい。このような構成により、セパレータ内での電荷担体の移動がスムーズに行われ、例えばハイレートパルス充放電を繰り返した場合であっても、抵抗の増大を好適に抑制することができる。なお、セパレータ基材52は、単層構造の不織布であってよく、材質や性状(繊維の太さや密度(空孔率)、厚み等)の異なる2種以上の不織布が積層された積層構造であってもよい。
なお、このようなガーレー値の低いセパレータ基材52を単独でセパレータ50として用いると、電荷担体の移動抵抗は低減されるものの、電荷担体の偏りも容易に発現し得る。本発明者らの鋭意研究によると、セパレータ基材52をセパレータとして単独で用いた場合、下記の事象が生じることが確認されている。すなわち、例えば、充電と放電とをハイレートで行うハイレート充放電を行うと、非水電解液が容易に移動して溜まりが形成され易くなる(後述の図4A参照)。これに対し、充電と放電との一方をハイレートで行うハイレートパルス充放電を繰り返し行うと、充電および放電のバランスが悪く溜まりの形成が加速され、更なる充放電により溜まった非水電解液が電極体外に更に排出され易くなる。このため、ここに開示される技術においては、セパレータ基材52の両面を、2つの樹脂層R1,R2で覆うようにしている。
第1樹脂層R1の樹脂マトリックスは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)またはポリテトラフルオロエチレンを主成分とする共重合体(すなわち、ホモポリマーまたはコポリマーであり得る。)を含んでいる。ポリテトラフルオロエチレンの共重合体としては特に制限されず、例えば、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)等が挙げられる。ここで、PTFEを「主成分」とするとは、当該共重合体を構成する樹脂成分(樹脂単位)のうちの最大成分がPTFEであることをいう。典型的には、当該樹脂層を構成する成分のうちの50質量%以上をPTFEが占める構成であり、70質量%以上を占めることが好ましく、80質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることが特に好ましい。また、樹脂マトリックスとは、第1樹脂層R1を構成する樹脂成分を意味する。第1樹脂層R1が後述の絶縁性無機粒子を含む場合においては、かかる絶縁性無機粒子を除き第1樹脂層R1を構成する樹脂成分が樹脂マトリックスとなり得る。第1樹脂層R1は、樹脂マトリックスとして、実質的に、PTFEのみから構成されることが好ましい。この第1樹脂層R1は、微多孔質シート状あるいは不織シート状等であってよい。
ここで、PTFEは非水電解液に膨潤し難く、また融点が350℃を超えており、350℃程度の高温では溶融することなく安定して形状を保つ性質を有している。また化学的安定性にも優れている。主としてこのようなPTFEからなる第1樹脂層R1が、セパレータ50の正極に対向する側の表面に配置されていることで、膨張収縮に伴い正極活物質層34から非水電解液が排出された場合に、この第1樹脂層R1は非水電解液を吸収することなく、セパレータ基材52および後述の第2樹脂層R2に送り込むことができる。これにより、負極40近傍に非水電解液を供給し、負極40近傍で電解質が不足するのを抑制することができる。また、セパレータ基材52や後述の第2樹脂層R2にシャットダウン機能を付与したときに、この第1樹脂層R1はかかるシャットダウン温度においても軟化溶融することなくセパレータ機能を維持し得る。すなわち、第1樹脂層R1は耐熱層としても機能し、二次電池1の安全性を高め得る点で好ましい。さらに、PTFEは正極近傍の酸化性環境に対する耐性を備えている点においても好ましい。
第2樹脂層R2の樹脂マトリックスは、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)またはポリフッ化ビニリデンを主成分とする共重合体(ホモポリマーまたはコポリマーであり得る。)を主成分として構成されている。ポリフッ化ビニリデンの共重合体としては特に制限されず、例えば、フッ化ビニリデン−フッ化ビニル共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体,フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン等が挙げられる。ここで、PVdFを「主成分」とするとは、当該共重合体を構成する樹脂成分(樹脂単位)のうちの最大成分がPVdFであることをいう。典型的には、当該樹脂層を構成する成分のうちの50質量%以上をPVdFが占める構成であり、70質量%以上を占めることが好ましく、80質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることが特に好ましい。また、第2樹脂層R2の樹脂マトリックスとは、第2樹脂層R2を構成する樹脂成分を意味する。第2樹脂層R2が後述の絶縁性無機粒子を含む場合においては、かかる絶縁性無機粒子を除き第2樹脂層R2を構成する樹脂成分が樹脂マトリックスとなり得る。第2樹脂層R2は、樹脂マトリックスとして、実質的に、PVdFのみから構成されることが好ましい。この第2樹脂層R2は、微多孔質シート状あるいは不織シート状等であってよい。
なお、ハイレートで充放電を行う二次電池1においては、電極30,40(具体的には、活物質層34,44)の膨張収縮が急激に生じるため、電極30,40とセパレータ50との間に隙間が生じ得る。このとき、上記樹脂層R1,R2を備えていない不織布(例えばセパレータ基材52のみ)をセパレータとして用いた場合、電極30,40から排出された非水電解液は、この隙間に溜まると考えられる。二次電池1においては、一般に、負極活物質層44の方が正極活物質層34よりも平均細孔径が大きいことから、非水電解液は負極40側から排出されやすく、例えば図4Aに示すように、負極40とセパレータ(ここではセパレータ基材52)との間に液溜まりLが形成されやすい。このような液溜まりLは、一見、非水電解液の保持と同様の効果を奏するように思われるが、セパレータ基材52中を連通して正極30と負極40との間に短絡を招き、電池としての機能を損なう要因となり得る。また、充放電の繰り返しにより液溜まりLは容易に電極体外に排出されて、再度の含浸が困難となり得る。かかる傾向は、電極体が捲回型電極体を構成している場合に特に顕著となり得る。
なお、従来より、電池が高温となった場合の正負極間の絶縁性を確保するために、微多孔質樹脂シートからなるセパレータ基材の一方(典型的には負極側)の面に無機フィラー(絶縁性無機粒子)を含む耐熱層(HRL)を設けたHRL付きセパレータ150が利用されてもいる。このようなHRL付きセパレータ150を使用した場合、例えば図4Bに示すように、負極40から排出された非水電解液は、平均細孔径のより大きな耐熱層を通過し、さらには微多孔質シートをも通過して、正極30側に達して液溜まりLを形成し得る。
この液溜まりLも、充放電の繰り返しにより容易に電極体外に排出されて、再度の含浸が困難となり得る。すなわち、正極30と負極40との間の非水電解液の濃度ムラが発生し、ハイレートでの充放電が繰り返されるたびにかかる濃度ムラは顕著となり得る。
これに対し、PVdFは非水電解液に膨潤する性質を有している。ここに開示される技術においては、主としてPVdFからなる第2樹脂層R2が、セパレータ50の負極に対向する側の表面に配置されていることで、膨張収縮に伴い負極活物質層44から非水電解液が排出されたときに、この第2樹脂層R2に非水電解液を好適に取り込むことができる。第2樹脂層R2に含浸された非水電解液は、膨張収縮によりセパレータ基材52に押し出されることが抑制される。これにより、負極活物質層44から排出される非水電解液を負極活物質層44の近傍に保持することができ、正極30と負極40との間で非水電解液の濃度ムラが発生するのを好適に抑制することができる。
なお、第2樹脂層R2の電解液保持量は、例えば、第2樹脂層R2の厚みや空孔率等により調整することができる。したがって、例えば第2樹脂層R2の厚みを電池構成に合わせて適切に調整することで、負極活物質層44から排出された非水電解液がセパレータ基材52に到達するのを防ぐことができる。これにより、負極40近傍に非水電解液を安定して確保することができる。
なお、PVdFは、α型、β型およびγ型の3種の多形が存在し、典型的にはこれらが混在した結晶構造を有し得る。そして例えば、130℃程度(例えば、120〜160℃)に結晶化温度を有し、低温で結晶化させることで多孔質なPVdFを形成できるとともに、これを加熱することで結晶を融解させて孔を封鎖するシャットダウン効果を実現することができる。したがって、電池が高温となった場合にはこの第2樹脂層R2により電解質の移動を妨げ、電池反応を停止させるシャットダウン機能を実現することができる。
以上の第1樹脂層R1および第2樹脂層R2を主として構成するポリテトラフルオロエチレンおよびポリフッ化ビニリデンは、フッ素系樹脂としてこれまで二次電池のセパレータ材料などとして使用され得た材料である。しかしながら、ポリテトラフルオロエチレンおよびポリフッ化ビニリデンは、二次電池内部における特性が異なり、各材料を適切な場所に配置させることで、非水電解液の濃度ムラの抑制というこれまでに知られていない優れた効果を発現し得る。このことは、第1樹脂層R1および第2樹脂層R2のいずれか一方が配置されることのみでは得られない効果であり、両者が適切な位置に配置されて初めて実現される稀有な特性である。
なお、第1樹脂層R1および第2樹脂層R2が主として構成される限り、これらの層R1,R2は、例えば、電池の内部短絡の防止および耐熱性の向上等を目的として、絶縁性の無機化合物粒子(無機フィラー)を含むことができる。ここで、無機化合物粒子としては、例えば、金属酸化物、金属水酸化物等の粒子を考慮することができる。例えば、アルミナ(Al)、アルミナ水和物(例えばベーマイト(Al・HO))、シリカ(SiO)、ジルコニア(ZrO)、イットリア(Y)、ムライト(Al13Si)、水酸化マグネシウム(Mg(OH))、炭酸マグネシウム(MgCO)等の無機金属化合物が好適例として挙げられる。これらの無機化合物は、1種を単独で含んでも良いし、2種以上を組み合わせて含んでいても良い。この無機化合物粒子としては、例えば、平均粒子径が0.01μm以上0.8μm以下(好ましくは0.02μm以上0.5μm以下、例えば0.05μm以上0.1μm以下)のものを好適に用いることができる。
樹脂層R1,R2に占める無機化合物粒子の割合は特に制限されないが、多すぎると上記樹脂による非水電解液濃度のムラ抑制の効果が得られ難くなるために好ましくない。かかる観点において、樹脂層R1,R2に占める無機化合物粒子の割合は、50質量%以下(例えば50質量%未満)とすることが好ましく、45質量%以下とすることがより好ましく、30質量%以下とすることが特に好ましい。無機化合物粒子の割合の下限は特に制限ないが、5質量%以上とすることが好ましく、10質量%以上とすることがより好ましく、15質量%以上とすることが特に好ましい。
第1樹脂層R1および/または第2樹脂層R2が無機化合物粒子を含む構成においては、当該樹脂層を構成する上記の樹脂(ポリテトラフルオロエチレン等や、ポリフッ化ビニリデン等)は、これら無機化合物粒子をセパレータ基材52に結合するバインダの機能を果たしても良い。
セパレータ基材52、第1樹脂層R1および第2樹脂層R2の厚み(平均厚み、以下同じ。)は特に制限されず、二次電池に求められる特性を実現し得る範囲で適宜設定することができる。例えば、セパレータの総厚みは、特に制限されるものではないが、例えば、通常、10μm以上、典型的には15μm以上、例えば17μm以上とすることができる。また、上限については、40μm以下、典型的には30μm以下、例えば25μm以下とすることができる。平均厚みが上記範囲内にあることで、電荷担体の透過性を良好に保つことができ、かつ、微小な短絡(漏れ電流)がより生じ難くなる。このため、入出力密度と安全性とを高いレベルで両立することができる。
また、樹脂層R1,R2の厚みは、特に制限されるものではないが、薄くても適切な位置に備えられていることで、上記効果を得ることができる。樹脂層R1,R2の厚みは、独立して、例えば、通常、0.5μm以上、典型的には1μm以上、好ましくは2μm以上、例えば3μm以上とすることができる。また、上限については、10μm以下、典型的には7μm以下、例えば6μm以下とすることができる。樹脂層R1,R2の厚みが上記範囲にあることで、安定して、抵抗増加の抑制効果を得ることができる。
セパレータ50の全体のガーレー値(透気度)についても特に制限されないが、この値は通常セパレータ基材52のガーレー値より高い値となり得る。かかるセパレータ50の全体のガーレー値は、例えば、40秒/100mL以上300秒/100mL以下程度とすることができ、50秒/100mL以上250秒/100mL以下であることが好ましく、60秒/100mL以上200秒/100mL以下であることがより好ましく、70秒/100mL以上150秒/100mL以下であることが特に好ましい。
[捲回電極体]
電池1の構築においては、上記で用意した正極30、負極40およびセパレータ50を用い、図2に示すような扁平型捲回電極体20を構成する。すなわち、長尺の正極30と長尺の負極40と、二枚の長尺のセパレータ50とを、下からセパレータ50、負極40、セパレータ50、正極30の順に積層し、長手方向に捲回する。換言すると、長手方向に直交する幅方向を倦回軸として捲回する。このとき、例えば、捲回軸に直交する断面の形状が長円形となるように成形すると、図1に例示したような、扁平角型の電池ケース10に対応した扁平形状の捲回型電極体20を構築することができる。このような断面が長円形の捲回電極体20は、円筒状に捲回した捲回電極体20を捲回軸に直交する一の方向で押しつぶして拉げさせることによって形成しても良い。あるいは、板状の捲回軸を中心にして扁平形状に捲回して扁平型捲回電極体20を形成してもよい。このような扁平型捲回電極体20の詳細な形状は、使用する電池ケース10の形状に合わせて適切に整形することができる。なお、長円形とは、長方形の短辺部分を、かかる短辺を直径とする半円に置き換えた形状を意味し、小判型,俵型等として表現され得る形状を包含し得る。
また、正極30、負極40およびセパレータ50の積層の際には、正極30の正極集電体露出部36と、負極40の負極集電体露出部46とが、セパレータ50の幅方向の両側からそれぞれ互いに異なる側にはみ出すように、正極30と負極40とを幅方向でややずらして重ね合わせる。その結果、扁平型捲回電極体20の捲回軸方向では、正極集電体露出部36と負極集電体露出部46とが、それぞれ捲回コア部分(すなわち正負の活物質層34,44が積み重なった部分)から外方にはみ出すこととなる。図1に示すように、この正極集電体露出部36と負極集電体露出部46とを、上記断面の長円形の短径方向で寄せ集めて集電部64,74を形成することで、高効率な集電を行うことができる。
[非水電解液]
非水電解液としては、典型的には、非水溶媒中に支持塩(例えば、リチウムイオン電池ではリチウム塩)を溶解または分散させたものを採用し得る。
非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン電池において電解液として用いられるカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の各種の有機溶媒を特に制限なく用いることができる。例えば、具体的には、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等が挙げられる。また、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F−DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)、メチル(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネート(MTFEC)等の環状または鎖状のフッ素化カーボネートからなる非水溶媒を用いるようにしても良い。このような非水溶媒は、いずれか1種を単独で、あるいは2種以上を混合溶媒として用いることができる。
支持塩としては、一般的なリチウムイオン電池に用いられる各種のものを適宜選択して採用することができる。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、Li(CFSON、LiCFSO等のリチウム塩を用いることが例示される。このような支持塩は、1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。かかる支持塩は、非水電解液における濃度が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。
この非水電解液は、本発明の非水電解液二次電池の特性を損なわない限り、各種の添加剤等を含んでいても良い。かかる添加剤としては、被膜形成剤、過充電添加剤等として、電池の入出力特性の向上、サイクル特性の向上、初期充放電効率の向上、安全性の向上等のうち、1または2以上の目的で使用され得る。かかる添加剤としては、具体的には、リチウムビス(オキサラト)ボレート(LiBOB)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等の被膜形成剤;ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等の芳香族化合物に代表される過充電時にガスを発生させ得る化合物からなる過充電添加剤;界面活性剤;分散剤;増粘剤;凍結防止剤等が挙げられる。非水電解液全体に対するこれらの添加剤の濃度は、添加剤の種類にもよって異なるものの、被膜形成剤で通常0.1mol/L程度以下(典型的には0.005mol/L〜0.05mol/L)、過充電添加剤で通常6質量%程度以下(典型的には0.5質量%〜4質量%)とすることが例示される。
なお、電池ケース10は、扁平型捲回電極体20を挿入するための開口を備える角型のケース本体12と、ケース本体12の開口を封止している封口体14と、を含んでいる。これらは、例えば、アルミニウムおよびその合金、鉄およびその合金などからなる金属製、ポリアミド等の樹脂製、ラミネートフィルム製等の各種のものを好適に用いることができる。図1の例で、ケース本体(外装ケース)12は、アルミニウム合金製の薄い角型であって、上面が開放された有底の扁平な箱型形状(典型的には直方体形状)である。封口体14には、上記捲回電極体20の正極30と電気的に接続する正極端子60と、捲回電極体20の負極40と電気的に接続する負極端子70とが設けられている。捲回電極体20は、この封口体14に固定した状態でケース本体12内に収容すると、収容位置が安定すると共に、破損等の虞が低減されて好ましい。
封口体14への捲回電極体20の固定に際しては、具体的には、図1に示すように、正極集電体露出部36の集電部64と、正極端子60(例えばアルミニウム製)とを、正極集電部材62を介して接合するとよい。これにより、扁平型捲回電極体20の正極30と正極端子60とを電気的に接続することができる。同様に、負極集電体露出部46の集電部74と負極端子70(例えばニッケル製)とを、負極集電部材72を介して接合するとよい。これにより、負極40と負極端子70とを電気的に接続することができる。このような集電構造によると、捲回電極体20は、封口体14が上方となるように電池ケース10を水平面に置いたとき、長円形の長径が垂直方向となるよう電池ケース10内に収容される。換言すると、捲回軸が水平方向となるよう前記電池ケース内に収容されることとなる。この状態で非水電解液を電池ケース10内に注入すると、非水電解液の含浸方向である捲回軸方向が水平となり、非水電解液の含浸がスムーズに進行し、非水電解液の含浸に要する時間が短縮され得るために好ましい。なお、正負の集電部材62,72と、正負極端子60,70および正負極集電体32,42とは、例えば、超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合することができる。また、ケース本体12の開口部と封口体14との封止は、レーザ溶接等により好適に実現することができる。
なお、電池ケース10の内部には、電池ケース10内の圧力が所定の圧力にまで上昇した際に作動する電流遮断機構(CID;図示せず)が設けられていてもよい。CIDは、電池ケース10の内圧が上昇した場合に少なくとも一方の電極端子から電極体20に至る導電経路(例えば、充電経路)を切断するように構成されていればよく、特定の形状に限定されない。典型的には、正極端子60と電極体20との間に設けられ、電池ケース10の内圧が上昇した場合に正極端子60から電極体20に至る導電経路を切断するように構成されている。
封口体14とケース本体12とを密閉したのち、例えば、封口体14に設けられた注液口(図示せず)から電池ケース10内に非水電解液を注液するようにしてもよい。非水電解液の注液は、電池ケース10内を減圧しながら、或いは減圧後に、行っても良い。非水電解液の注液後に注液口を蓋等により封止することで、非水電解液二次電池を用意することができる。組立後の電池は、例えば、非水電解液の注液後、非水電解液が捲回型電極体に十分に浸透するように、例えば、5時間〜50時間程度静置することが好ましい。その後、適切な初期充電処理を施すことで、電池としての機能が備えられる。
ここに開示される非水電解液二次電池1は各種用途に利用可能であるが、従来品と比較して、例えば、非水電解液の濃度ムラが抑制される構成となっている。したがって、ハイレートで充放電を行った場合に、負極に十分に電解質を供給することができ、抵抗の増加を抑制することができる。このように抵抗が長期に亘って低く維持されることは、サイクル特性の向上に繋がり、耐久性の高い二次電池を提供するものとなり得る。また、ここに開示される非水電解液二次電池1は、非水電解液の液溜まりによる短絡が防止され、電池の発熱時にはシャットダウン機能が発現された、信頼性(安全性)の高いものであり得る。これにより、ハイレート充放電(特に、ハイレートパルス充放電)でのサイクル特性と安全性との両立を高いレベルで達成することができる。かかる構成は、例えば、比較的大きな容量(例えば電池容量が20Ah以上の、典型的には25Ah以上の、例えば30Ah以上)が求められる電池にも、好ましく適用することができる。したがって、このような特徴を活かして、ここに開示される技術は、高エネルギー密度,高入出力密度およびサイクル特性等が要求される用途ならびに高い信頼性を要求される用途の二次電池に、特に好ましく適用することができる。かかる用途としては、例えば、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。この非水電解液二次電池は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態としても使用され得る。
以下、具体的な実施例として、ここに開示される非水電解液二次電池の効果を確認するための評価用電池を作製し、その特性について評価した。すなわち、絶縁性フィルタの効果を確認するために、正負の活物質層の全端面が絶縁性フィルタに覆われたラミネートセル型の電池を作製し、その特性について評価した。なお、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。
[実施形態1]
(例1)
[評価用リチウムイオン電池の構築]
正極活物質としては、組成が一般式:Li1.14(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O(NCM、平均粒子径6μm)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を用いた。導電材としてはアセチレンブラック(AB)を、バインダとしてはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いた。そして、正極活物質、導電材およびバインダの質量比が、NCM:AB:PVdF=93:4:3となるよう秤量し、固形分濃度(NV)がおよそ50質量%となるようにN−メチルピロリドン(NMP)を加えてプラネタリーミキサーで混練することで、正極活物質層形成用スラリーを調製した。そして、正極集電体としての厚み15μmの長尺のアルミニウム箔の両面に、正極活物質層形成用スラリーを順に塗布・乾燥させることで、正極シートを作製した。なお、正極活物質層形成用スラリーは目付量が30mg/cmとなるように、塗布量を調整した。このようにして得られた正極活物質層の厚み(片面)は約25μm、密度は約2.3g/cm、平均細孔径は約0.15μmであった。
負極活物質として鱗片状黒鉛(C、平均粒子径10μm)を、バインダとしてスチレンブタジエンゴム(SBR)を、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)ナトリウム塩を用い、これらの質量比が、C:SBR:CMC=98:1:1となるように秤量し、イオン交換水加えて混練することで、負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、負極集電体としての厚み10μmの長尺の銅箔の両面に塗布し、乾燥させることにより、両面に負極活物質層を備える負極シートを作製した。なお、負極活物質層形成用スラリーは目付量が18mg/cmとなるように、塗布量を調整した。このようにして得られた負極活物質層の厚み(片面)は約35μm、密度は約1.1g/cm、平均細孔径は約1.5μmであった。
セパレータ基材として、ポリプロピレン(PP)繊維からなる厚みが約21μmの長尺の不織布を用意した。この不織布のガーレー値は51秒であった。
また、第1樹脂としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末とアルミナ粉末(平均粒子径0.08μm)とを、質量比が、80:20となるように配合し、固形分率が40質量%となるようにNMPを添加して、クレアミックスで混合することで、第1樹脂スラリーを調製した。
第2樹脂としてのPVdF粉末とアルミナ粉末(平均粒子径0.08μm)とを、質量比が、80:20となるように配合し、固形分率が30質量%となるようにNMPを添加して、クレアミックスで混合することで、第2樹脂スラリーを調製した。
そしてセパレータ基材の一方の面に第1樹脂スラリーを、他方の面に第2樹脂スラリーを、それぞれ厚さ2μmとなるように塗布し、乾燥させることで、セパレータ基材の両面に第1樹脂層と第2樹脂層とがそれぞれ備えられたセパレータを用意した。
上記で用意した正極シートと負極シートとを2枚のセパレータを介して絶縁状態で重ね合わせ、捲回することにより、捲回型電極体を得た。このとき、セパレータの第1樹脂層が形成された側の面が正極に対向し、第2樹脂層が形成された側の面が負極に対向するように、セパレータの配置を調整した。そしてこの捲回型電極体を、非水電解液と共に電池ケースに収容した。電池ケースとしては、直径18mm、高さ650mmのアルミニウム製円筒型ケースを用いた。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=3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPFを1.0mol/Lの濃度で溶解させたものを用意した。そして、上記電池ケースを密封することで、例1の18650型リチウムイオン電池(理論容量:約1.0Ah)を構築した。
(例2)
上記例1において、セパレータ基材の両面に第2樹脂スラリーを塗布することで、セパレータ基材の両面に第2樹脂層を備えるセパレータを作製した。このセパレータを用い、その他の条件は例1と同様にして、例3のリチウムイオン電池を構築した。
(例3)
上記例1において、セパレータの裏表の向きを逆にし、その他の条件は例1と同様にして、例3のリチウムイオン電池を構築した。すなわち、セパレータの第2樹脂層が形成された側の面が正極に対向し、第1樹脂層が形成された側の面が負極に対向するように、セパレータの配置を調整して電池を構築した。
(例4)
上記例3におけるセパレータ基材として、ポリフェニレンサルファイド(PPS)繊維からなる厚みが約21μmの長尺の不織布を用いた。この不織布のガーレー値は55秒であった。そしてその他の条件は例3と同様にして、例4のリチウムイオン電池を構築した。
(例5)
上記例1において、セパレータ基材の一方の面に第2樹脂層を設け、他方の面に第1樹脂層を設けず、セパレータを用意した。ここで、第1樹脂層を設けない分、セパレータ基材(不織布)の厚みを23μmと若干厚くした。この不織布のガーレー値は55秒であった。このセパレータを用い、セパレータの第2樹脂層が形成された側の面を負極に、セパレータ基材が露出した側の面を正極に対向させ、その他の条件は例1と同様にして、例5のリチウムイオン電池を構築した。
(例6)
上記例1において、セパレータ基材の一方の面に第1樹脂層を設け、他方の面に第2樹脂層を設けず、セパレータを用意した。ここで、第2樹脂層を設けない分、セパレータ基材(不織布)の厚みを23μmと若干厚くした。このセパレータを用い、セパレータの第2樹脂層が形成された側の面を正極に、セパレータ基材が露出した側の面を負極に対向させ、その他の条件は例1と同様にして、例6のリチウムイオン電池を構築した。
(例7)
上記例1において、セパレータ基材(不織布)をそのままセパレータとして用いた。ここで、セパレータに第1樹脂層および第2樹脂層を設けない分、不織布の厚みを25μmと若干厚くした。このセパレータを用い、その他の条件は例1と同様にして、例7のリチウムイオン電池を構築した。
[セパレータの物性]
例1〜7で用意したセパレータについて、ガーレー値と、空孔率とを測定し、下記表1に示した。ガーレー値は、JIS P 8117:2009にて規定されるガーレー試験機法に基づいて測定した。また、空孔率は、水銀ポロシメータを用いて測定される全細孔容積(cm)をセパレータの見かけの体積(cm)で除して100を掛けることにより算出した。なお、セパレータの見かけの体積は、測定対象たるセパレータを打ち抜き機やカッター等で所定の試験片形状(正方形や長方形)に切りだし、この試験片の平面視における面積(cm)と厚み(cm)とを計測して、これらの値を乗ずることにより算出することができる。このとき、厚みは、例えばマイクロメータや厚み計(例えばロータリーカリパー)等により計測することができる。
[ハイレートパルスサイクル試験]
上記で用意した例1〜7のリチウムイオン電池について、以下の手順で、ハイレートパルス充放電後の抵抗増加率を調べた。すなわち、まず、25℃の恒温槽中で、各例の電池に対し、1Cのレートで4.1Vまで定電流(CC)充電した後に5分間休止し、1Cのレートで3.0Vまで定電流(CC)放電した後に5分間休止する初回コンディショニング処理を行った。
引き続き、電池の初期のIV抵抗を測定した。すなわち、各電池をSOC60%の充電状態として、1C、3C、5C、10Cの各レートでCC放電を行って、放電開始から10秒間の電圧降下量を測定した。測定された測定電流値を横軸に、初期電圧値から10秒後の電圧値を差し引いた電圧降下量ΔVを縦軸にプロットし、その傾きから初期IV抵抗値(Ω)を算出した。
そして、25℃の環境下、各電池のSOCを60%に調整し、10Cで80秒間のハイレート充電を行った後、2Cの比較的ローレートで400秒間放電する、充電過多の充放電を1サイクルとし、これを3000サイクル行った。そして、3000サイクル後のIV抵抗を、上記初期IV抵抗と同様に測定し、抵抗増加率を求めた。なお、抵抗上昇率(%)は、次式:[充放電サイクル試験後のIV抵抗/充放電サイクル試験前のIV抵抗]×100;により求めた。その結果を、表1の「抵抗増加率」の欄に示した。
Figure 2016213133
表1に示した通り、例7の不織布のみをセパレータとして用いた電池は、充電過多の状況では正極と負極との絶縁性が低く、充放電サイクル中に短絡が生じてしまった。一方、例5および例6に示されるように、セパレータの正極側または負極側のいずれか一方に樹脂層を設けることで、このような短絡は防止できることがわかった。なお、このとき、セパレータの正極側表面にPTFEからなる第1樹脂層を設けることよりも、セパレータの負極側表面にPVDFからなる第2樹脂層を設けた場合の方が、抵抗増加の抑制の効果が高くなることがわかった。そしてさらに、例1〜4に示されるように、セパレータのいずれか一方の側の表面にだけ樹脂層を設ける場合よりも、セパレータの両面に樹脂層を設けた場合の方が、短絡を防止でき、かつ、充電過多のハイレートパルス充放電サイクルでの抵抗増加率を低く抑え得ることが確認できた。
なお、例1〜3に示されるように、セパレータの正極側表面と負極側表面とに設ける樹脂の配置と組み合わせにより、充電過多のハイレートパルス充放電サイクルでの抵抗増加率に違いが生じることがわかった。すなわち、例1に示されるように、セパレータの正極側表面に設けられた第1樹脂層がPTFEで、かつ、セパレータの負極側表面に設けられた第2樹脂層がPVDFの組み合わせの場合に、サイクル後の抵抗増加率が108%と、最も抵抗上昇が抑えられることがわかった。なお、例3に示されるように、セパレータ自体が例1と同じ構成であっても、セパレータの裏表を逆にして樹脂層の配置を正極側と負極側とで逆にすると、片面配置(例6,7)の場合よりは効果的であるものの、抵抗の増加を抑制する効果が大きく低減してしまうことがわかった。
また、例5および例6の結果から、PTFEからなる第1樹脂層を設けることよりも、PVDFからなる第2樹脂層の方が、抵抗増加を抑制する効果が高いといえた。しかしながら、例2のように、第1樹脂層と第2樹脂層の両方をPVDFで構成すると、例1よりも抵抗増加率が上昇してしまった。すなわち、例1の二次電池の構成において、第1樹脂層をPTFEで構成し、かつ、第2樹脂層をPVDFで構成するとの組み合わせが、抵抗増加を抑制するうえで最も適していることが確認できた。
なお、例4に示されるように、セパレータ基材の材質を変えることで抵抗増加率に若干の変化が見られるが、例4と例5との間の抵抗増加率の差は小さく、抵抗増加率については、セパレータ基材の材質よりも、第1樹脂層と第2樹脂層の樹脂組成およびその組み合わせの影響が大きいことが確認できた。また、セパレータ基材は、PPSよりもPPである方が好適であることが確認できた。
[実施形態2]
下記例8〜22では、上記実施形態1におけるセパレータ基材と第1樹脂層との構成を変化させてセパレータを用意し、リチウムイオン電池を構築したときの抵抗増加率に与える影響を調べた。例8〜22で作製したリチウムイオン電池については、上記実施形態1と同様の条件でガーレー値、空孔率および抵抗増加率を測定し、下記表2に示した。なお、参考のために、表2には例1の結果も併せて示した。
(例8)
上記実施形態1の例1におけるセパレータ基材として、PPS繊維からなる厚みが約21μmの長尺の不織布を用いた。この不織布のガーレー値は55秒であった。そしてその他の条件は例1と同様にして、例8のリチウムイオン電池を構築した。
(例9)
上記実施形態1の例1におけるセパレータ基材として、PET繊維からなる厚みが約21μmの長尺の不織布を用いた。この不織布のガーレー値は55秒であった。そしてその他の条件は例1と同様にして、例9のリチウムイオン電池を構築した。
(例10)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂スラリーに含ませるアルミナ粉末をベーマイト粉末(平均粒子径0.06μm)に換え、その他の条件は例1と同様にして、例10のリチウムイオン電池を構築した。
(例11)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂スラリーに含ませるアルミナ粉末をマグネシア粉末(平均粒子径0.05μm)に換え、その他の条件は例1と同様にして、例11のリチウムイオン電池を構築した。
(例12)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂スラリーに含ませるアルミナ粉末をチタニア粉末(平均粒子径0.06μm)に換え、その他の条件は例1と同様にして、例12のリチウムイオン電池を構築した。
(例13)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂スラリーにおけるPVdF粉末とアルミナ粉末との割合を、質量比で、90:10となるように配合した。そしてアルミナ粉末を減少させた分、セパレータ基材の厚みを23μmと若干厚くし、セパレータ基材の両面に第1樹脂層と第2樹脂層とをそれぞれ形成することでセパレータを用意した。このセパレータを用い、その他の条件は例1と同様にして、例13のリチウムイオン電池を構築した。
(例14)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂スラリーにおけるPVdF粉末とアルミナ粉末との割合を、質量比で、70:30となるように配合した。そしてセパレータ基材の厚みを含むその他の条件は例1と同様にして、例14のリチウムイオン電池を構築した。
(例15)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂スラリーにおけるPVdF粉末とアルミナ粉末との割合を、質量比で、60:40となるように配合した。そしてセパレータ基材の厚みを含むその他の条件は例1と同様にして、例15のリチウムイオン電池を構築した。
(例16)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂スラリーにおけるPVdF粉末とアルミナ粉末との割合を、質量比で、50:50となるように配合した。そしてセパレータ基材の厚みを含むその他の条件は例1と同様にして、例16のリチウムイオン電池を構築した。
(例17)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂層の厚みを1μmと薄くし、その分セパレータ基材の厚みを24μmと若干厚くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータ基材のガーレー値は53であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例17のリチウムイオン電池を構築した。
(例18)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂層の厚みを3μmと厚くし、セパレータ基材の厚みを22μmと若干厚くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータ基材のガーレー値は50であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例18のリチウムイオン電池を構築した。
(例19)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂層の厚みを4μmと厚くし、その分セパレータ基材の厚みは21μmのまま、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータ基材のガーレー値は50であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例19のリチウムイオン電池を構築した。
(例20)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂層の厚みを5μmと厚くし、その分セパレータ基材の厚みを20μmと若干薄くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータ基材のガーレー値は49であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例20のリチウムイオン電池を構築した。
(例21)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂層の厚みを6μmと厚くし、その分セパレータ基材の厚みを19μmと若干薄くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータ基材のガーレー値は47であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例21のリチウムイオン電池を構築した。
(例22)
上記実施形態1の例1において、第1樹脂層の厚みを7μmと厚くし、その分セパレータ基材の厚みを18μmと若干薄くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータ基材のガーレー値は45であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例22のリチウムイオン電池を構築した。
なお、例えば、例17〜22では、セパレータの総厚みが25μmではなく27μmとなっているが、これらは不可避な製品のバラつき等に伴う誤差の範囲(約2μm以内)と考えることができる。
Figure 2016213133
例8〜9に示されるように、セパレータ基材の材質を変化させることで抵抗増加率を若干低減できることがわかった。ただし、抵抗増加率の低減効果は少なく、セパレータ基材の材質の寄与はさほど高くないと考えられた。
また、例10〜12に示されるように、第1樹脂層に含ませるフィラーの種類を変化させることでも、抵抗増加率を若干低減できることがわかった。ただし、抵抗増加率の低減効果は少なく、フィラーの種類の寄与はさほど高くないと考えられた。
例13〜16では、第1樹脂層に含ませる樹脂とフィラーとの割合を変化させることで、抵抗増加率が変化されることがわかった。すなわち、本例ではフィラーの割合が30質量%(例14)近傍で抵抗増加率が最も小さくなり、フィラーの割合が例えば10質量%(例14)まで少なくなったり、50質量%(例16)まで多くなったりすると、抵抗増加率の低減効果が低くなってしまうことが確認できた。
例17〜22では、第1樹脂層の厚みを変化させることで、抵抗増加率が変化されることがわかった。本例では、第1樹脂層の厚みが3〜6μmの範囲で抵抗増加率が安定して低く維持できることがわかった。なお、第1樹脂層の厚みが1μmと薄い例17では、例7のように短絡が発生することはないものの、第1樹脂層による抵抗増加率の低減効果よりも、セパレータ基材の厚みの増大による抵抗増加率の上昇の影響が大きくなることがわかった。また、第1樹脂層の厚みが7μmと厚い例22では、例17のセパレータ基材による影響ほどではないが、第1樹脂層の厚みの増大により抵抗増加率の低減効果が薄れる傾向にあることがわかった。
[実施形態3]
下記例23〜35では、主として上記実施形態1における第2樹脂層の構成を変化させたセパレータを用意し、リチウムイオン電池を構築したときの抵抗増加率に与える影響を調べた。例23〜35で作製したリチウムイオン電池については、上記実施形態1と同様の条件でセパレータのガーレー値、空孔率および抵抗増加率を測定し、下記表3に示した。なお、参考のために、表3には例1の結果も併せて示した。
(例23)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂スラリーに含ませるアルミナ粉末をベーマイト粉末(平均粒子径0.06μm)に換え、その他の条件は例1と同様にして、例23のリチウムイオン電池を構築した。
(例24)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂スラリーに含ませるアルミナ粉末をマグネシア粉末(平均粒子径0.05μm)に換え、その他の条件は例1と同様にして、例24のリチウムイオン電池を構築した。
(例25)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂スラリーに含ませるアルミナ粉末をチタニア粉末(平均粒子径0.06μm)に換え、その他の条件は例1と同様にして、例25のリチウムイオン電池を構築した。
(例26)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂スラリーにおけるPVdF粉末とアルミナ粉末との割合を、質量比で、90:10となるように配合した。そしてアルミナ粉末を減少させた分、セパレータ基材の厚みを23μmと若干厚くし、セパレータ基材の両面に第1樹脂層と第2樹脂層とをそれぞれ形成することでセパレータを用意した。このセパレータを用い、その他の条件は例1と同様にして、例26のリチウムイオン電池を構築した。
(例27)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂スラリーにおけるPVdF粉末とアルミナ粉末との割合を、質量比で、70:30となるように配合した。そしてその他の条件は例1と同様にして、例27のリチウムイオン電池を構築した。
(例28)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂スラリーにおけるPVdF粉末とアルミナ粉末との割合を、質量比で、60:40となるように配合した。そしてその他の条件は例1と同様にして、例28のリチウムイオン電池を構築した。
(例29)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂スラリーにおけるPVdF粉末とアルミナ粉末との割合を、質量比で、50:50となるように配合した。そしてその他の条件は例1と同様にして、例29のリチウムイオン電池を構築した。
(例30)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂層の厚みを1μmと薄くし、その分セパレータ基材の厚みを22μmと若干厚くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータ基材のガーレー値は50であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例30のリチウムイオン電池を構築した。
(例31)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂層の厚みを3μmと厚くし、セパレータ基材の厚みを20μmと若干薄くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータのガーレー値は49であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例31のリチウムイオン電池を構築した。
(例32)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂層の厚みを4μmと厚くし、セパレータ基材の厚みを19μmと若干薄くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータのガーレー値は47であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例32のリチウムイオン電池を構築した。
(例33)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂層の厚みを5μmと厚くし、その分セパレータ基材の厚みを18μmと薄くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータのガーレー値は45であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例33のリチウムイオン電池を構築した。
(例34)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂層の厚みを6μmと厚くし、その分セパレータ基材の厚みを17mと薄くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータのガーレー値は43であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例34のリチウムイオン電池を構築した。
(例35)
上記実施形態1の例1において、第2樹脂層の厚みを7μmと厚くし、その分セパレータ基材の厚みを16μmと薄くし、その他の条件は同様にしてセパレータを用意した。このセパレータのガーレー値は40であった。このセパレータを用い、例1と同様にして、例35のリチウムイオン電池を構築した。
Figure 2016213133
例23〜25に示されるように、第2樹脂層についても、フィラーの種類を変化させることで抵抗増加率を若干低減できる場合があることがわかった。ただし、抵抗増加率の低減効果は少なく、フィラーの種類の寄与はさほど高くないと考えられた。
例26〜29では、第2樹脂層に含ませる樹脂とフィラーとの割合を変化させることで、抵抗増加率が変化されることがわかった。すなわち、本例ではフィラーの割合が30質量%(例27)近傍で抵抗増加率が最も小さくなり、フィラーの割合が例えば10質量%(例26)まで少なくなったり、50質量%(例29)まで多くなったりすると、抵抗増加率の低減効果が低くなってしまうことが確認できた。
例31〜35では、第2樹脂層の厚みを変化させることで、抵抗増加率が変化されることがわかった。本例では、第2樹脂層の厚みが3〜6μmの範囲で抵抗増加率が110%以下と安定して低く維持できることがわかった。なお、第1樹脂層の厚みが1μmと薄い例30では、例7のように短絡が発生することはないものの、第2樹脂層による抵抗増加率の低減効果よりも、セパレータ基材の厚みの増大による抵抗増加率の上昇の影響が大きくなることがわかった。また、第2樹脂層の厚みが7μmと厚い例35では、例30のセパレータ基材による影響と同様、第1樹脂層の厚みの増大により抵抗増加率の低減効果が薄れる傾向にあることがわかった。
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、特許請求の範囲を限定するものではない。例えば、上記実施形態には、樹脂層に絶縁性フィラーを配合した形態が具体的に開示されているが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、樹脂層に絶縁性フィラーを配合することなく形成することもできる。この場合は、公知のエレクトロスピニング法を採用することで、好適に樹脂層を形成することができる。本出願の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。
1 非水電解液二次電池
10 電池ケース
12 ケース本体
14 封口体
20 捲回型電極体
30 正極
32 正極集電体
33 正極集電体露出部
34 正極活物質層
36 集電体露出部
40 負極
42 負極集電体
43 負極集電体露出部
44 負極活物質層
46 集電体露出部
50 セパレータ
52 セパレータ基材
R1 第1樹脂層
R2 第2樹脂層
60 正極端子
70 負極端子

Claims (6)

  1. 正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在されたセパレータと、非水電解液と、を備え、
    前記セパレータは、
    不織布からなるセパレータ基材と、
    前記セパレータ基材の前記正極に対向する側の表面に設けられた第1樹脂層と、
    前記セパレータ基材の前記負極に対向する側の表面に設けられた第2樹脂層と、
    を備え、
    前記第1樹脂層の樹脂マトリックスは、ポリテトラフルオロエチレンまたはポリテトラフルオロエチレンを主成分とする共重合体により構成され、
    前記第2樹脂層の樹脂マトリックスは、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデンを主成分とする共重合体により構成されている、
    非水電解液二次電池。
  2. 前記セパレータ基材は、ガーレー試験機法に基づくガーレー値が40秒/100mL以上55秒/100mL以下である、請求項1に記載の非水電解液二次電池。
  3. 前記第1樹脂層と前記第2樹脂層の少なくとも一方は、絶縁性無機粒子を含む、請求項1または2に記載の非水電解液二次電池。
  4. 前記第1樹脂層および前記第2樹脂層のそれぞれの平均厚さは7μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池。
  5. 前記正極は、正極集電体の表面に正極活物質層を備え、
    前記負極は、負極集電体の表面に負極活物質層を備えており、
    前記負極活物質層の平均細孔径は、前記正極活物質層の平均細孔径よりも大きい、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池。
  6. 前記正極、前記負極および前記セパレータは長尺であり、前記正極と前記負極とが前記セパレータで絶縁された状態で重ねられ、捲回されてなる捲回型電極体を構成している、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池。
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