JP2018156876A - Positive electrode for lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用正極及びそれを用いたリチウムイオン二次電池に関するものである。 The present invention relates to a positive electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery using the same.
近年、リチウムイオン二次電池は、携帯電話やノート型パソコンなどの電子機器、或いは電気自動車や電力貯蔵用の電源として広く使用されている。特に最近では、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載可能な、高容量で高出力かつエネルギー密度の高い電池の要望が急拡大している。このリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いという利点の反面、リチウム金属及び非水電解質を使用することから安全性に対する十分な対応策が必要となる。 In recent years, lithium ion secondary batteries have been widely used as electronic devices such as mobile phones and notebook computers, electric vehicles, and power storages for power storage. In particular, recently, there has been a rapid increase in demand for batteries with high capacity, high output, and high energy density that can be mounted on hybrid vehicles and electric vehicles. This lithium ion secondary battery has the advantage of high energy density, but uses lithium metal and a non-aqueous electrolyte, so a sufficient countermeasure for safety is required.
例えば、特許文献1に開示されたリチウム二次電池の正極は、集電基材の表面にリチウム含有酸化物を正極活物質として含む二層以上の合剤層を有し、合剤層の最表層に発熱開始温度の高い正極活物質を用いている。この従来技術は、負極と対向することにより最も合材層自身の発熱の危険が大きい正極の表層部の安全性を高め、これによって熱暴走の発生を抑制している。また、この最表層の合材層よりも発熱開始温度の低い下層の合材層では、容量密度の高いリチウム含有複合酸化物を用いることができるので、電池容量を向上させることもできるようになる。 For example, a positive electrode of a lithium secondary battery disclosed in Patent Document 1 has a mixture layer of two or more layers containing a lithium-containing oxide as a positive electrode active material on the surface of a current collecting base material. A positive electrode active material having a high heat generation starting temperature is used for the surface layer. This conventional technique increases the safety of the surface layer portion of the positive electrode, which has the greatest risk of heat generation of the composite layer itself, by facing the negative electrode, thereby suppressing the occurrence of thermal runaway. In addition, in the lower composite layer having a lower heat generation start temperature than the outermost composite layer, a lithium-containing composite oxide having a high capacity density can be used, so that the battery capacity can be improved. .
また、特許文献2に記載の発明は、集電基材と前記集電基材上に複数の合剤層からなる正極塗膜とを備え、前記正極塗膜は正極活物質として発熱開始温度が異なる2種以上のリチウム含有化合物を含有し、前記2種以上のリチウム含有化合物のうち少なくとも1種のリチウム含有化合物は300℃以上の発熱開始温度を有し、前記集電基材に最も近い第1合剤層中に、前記発熱開始温度が300℃以上のリチウム含有化合物を少なくとも1種含有するリチウム二次電池用正極である。この発明は、正極塗膜を複数の合剤層から構成し、釘刺し試験における内部短絡により高いジュール熱が発生する集電基材に最も近い第一合剤層中に、発熱開始温度が300℃以上のリチウム含有化合物を少なくとも1種含有させることにより、内部短絡による正極の発熱を確実に抑制するようにしている。 The invention described in Patent Document 2 includes a current collecting base material and a positive electrode coating film composed of a plurality of mixture layers on the current collecting base material, and the positive electrode coating film has a heat generation start temperature as a positive electrode active material. Two or more different lithium-containing compounds, and at least one lithium-containing compound of the two or more lithium-containing compounds has an exothermic onset temperature of 300 ° C. or higher and is closest to the current collecting base material. In the one mixture layer, the positive electrode for a lithium secondary battery contains at least one lithium-containing compound having a heat generation start temperature of 300 ° C. or higher. In this invention, the positive electrode coating film is composed of a plurality of mixture layers, and the heat generation start temperature is 300 in the first mixture layer closest to the current collecting base material that generates high Joule heat due to an internal short circuit in the nail penetration test. By containing at least one lithium-containing compound at or above ° C., heat generation of the positive electrode due to an internal short circuit is reliably suppressed.
しかしながら、正極合剤層の中で正極活物質の種類を変えると、充放電に伴う結晶格子の膨張収縮による正極活物質の変形度合いが異なり正極合剤層における集電構造の劣化につながるため好ましくない。 However, it is preferable to change the type of the positive electrode active material in the positive electrode mixture layer, because the degree of deformation of the positive electrode active material due to expansion and contraction of the crystal lattice accompanying charge / discharge changes and leads to deterioration of the current collecting structure in the positive electrode mixture layer. Absent.
本発明が解決しようとする課題は、リチウムイオン二次電池のサイクル特性や高容量を維持しつつ、内部短絡時に起こる瞬間的な温度上昇に対応して正極合剤層の発熱を抑制しうるリチウムイオン二次電池を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is lithium that can suppress the heat generation of the positive electrode mixture layer in response to an instantaneous temperature rise that occurs during an internal short circuit while maintaining the cycle characteristics and high capacity of the lithium ion secondary battery. It is to provide an ion secondary battery.
本発明の一実施形態にかかるリチウムイオン二次電池用正極は、集電体と、この集電体上に塗布された正極合剤層とを備える。正極合剤層は、正極活物質、導電助剤及び結着成分を含む層Aと、正極活物質、導電助剤、結着成分及びPTC機能付与成分を含む層Bと、を含むことを特徴とする。 The positive electrode for lithium ion secondary batteries concerning one Embodiment of this invention is equipped with a collector and the positive mix layer apply | coated on this collector. The positive electrode mixture layer includes a layer A including a positive electrode active material, a conductive additive, and a binder component, and a layer B including a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent, a binder component, and a PTC function-imparting component. And
正極合剤層における層Aと層Bとの位置は特に限定されないが、前記正極合剤層の厚さ方向において、層Bが集電体側に設けられ、層Aが層Bを挟んで集電体とは反対側、すなわち、セパレーター側に設けられることで、内部短絡で温度が上昇した際に、集電体と正極合剤層との間で、層Bに含まれるPTC機能付与成分の作用により導電経路の切断作用を効果的に得ることができるとともに、層Aに含まれる結着成分の作用により高温保存試験やサイクル耐久性試験の性能改善が期待できるため好ましい。 The positions of the layer A and the layer B in the positive electrode mixture layer are not particularly limited. In the thickness direction of the positive electrode mixture layer, the layer B is provided on the current collector side, and the layer A sandwiches the layer B and collects the current. By being provided on the side opposite to the body, that is, on the separator side, when the temperature rises due to an internal short circuit, the action of the PTC function-imparting component contained in layer B between the current collector and the positive electrode mixture layer Thus, the cutting action of the conductive path can be effectively obtained, and the performance of the high temperature storage test and the cycle durability test can be expected to be improved by the action of the binder component contained in the layer A, which is preferable.
また、集電体側に層Aを設け、セパレーター側を層Bとすることで、内部短絡で温度が上昇した際に、層Bに含まれるPTC機能付与成分の作用によりセパレーターのシャットダウン温度前から、セパレーターと正極合剤層との接触界面でリチウムイオンの拡散が阻害され、リチウムイオン経路の遮断作用を効果的に得ることができるとともに、層Aに含まれる結着成分の作用により高温保存試験やサイクル耐久性試験の性能改善が期待できるため好ましい。 In addition, by providing layer A on the current collector side and layer B on the separator side, when the temperature rises due to an internal short circuit, due to the action of the PTC function-imparting component contained in layer B, the shutdown temperature before the separator, Lithium ion diffusion is inhibited at the contact interface between the separator and the positive electrode mixture layer, and a blocking action of the lithium ion pathway can be effectively obtained. It is preferable because performance improvement in the cycle durability test can be expected.
また、層Aは層Bより低い濃度でPTC機能付与成分を含んでもよいが、高温保存試験やサイクル耐久性試験の観点からはPTC機能付与成分を含まないことが好ましい。 Layer A may contain a PTC function-imparting component at a lower concentration than layer B, but preferably does not contain a PTC function-imparting component from the viewpoint of a high-temperature storage test or a cycle durability test.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、内部短絡が起きた場合の瞬間的な温度上昇に対して、結着成分及びPTC機能付与成分の混合物からなる結着材の少なくとも一部が溶融して正極合剤層の導電経路を切断し、それによって電池の内部短絡時の発熱を抑制するという利点がある。 In the positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention, at least a part of a binder composed of a mixture of a binder component and a PTC function-imparting component melts in response to an instantaneous temperature rise when an internal short circuit occurs. Thus, there is an advantage that the conductive path of the positive electrode mixture layer is cut, thereby suppressing the heat generation at the time of internal short circuit of the battery.
以下、本発明のリチウムイオン二次電池用正極及びそれを用いたリチウムイオン二次電池について説明する。最初に、集電体上に塗布された正極合剤層の層状構造及び釘刺し試験時の状態を図面に基づいて説明し、その後、電池の各構成部材について詳細に説明する。 Hereinafter, the positive electrode for lithium ion secondary batteries of this invention and a lithium ion secondary battery using the same are demonstrated. First, the layered structure of the positive electrode mixture layer applied on the current collector and the state at the time of the nail penetration test will be described based on the drawings, and then each component of the battery will be described in detail.
[リチウムイオン二次電池用正極]
図1は、正極に釘刺しによる内部短絡が起きた場合の一実施形態を示す模式図である。図1に示すリチウムイオン二次電池用正極10は、集電体13の片面に正極合剤層14を有する。この正極合剤層14は、リチウムを吸蔵・放出可能な正極活物質と、導電助剤と、結着成分と、場合によりPTC機能付与成分とを含み、層A11及び層B12の二層からなる。正極合剤層14は、集電体13の少なくとも片面に塗布されていればよく、場合により集電体13の両面に塗布されていてもよい。また、他の実施形態では、1又は複数の中間層を有していてもよい。
[Positive electrode for lithium ion secondary battery]
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment when an internal short circuit occurs due to nail penetration in the positive electrode. A
層A11及び層B12に含まれる正極活物質、導電助剤及び結着成分は同一であっても異なるものであってもよいが、正極合剤層の均一性を確保する観点から同一の成分及び組成からなるものが好ましい。一方、結着成分とともに結着材を構成するPTC機能付与成分は、少なくとも層B12に含まれていればよく、層A11は、PTC機能付与剤を含まないか、あるいは層Bより低濃度のPTC機能付与成分を含んでもよい。ここで、各層におけるPTC機能付与成分の濃度とは、各層全体の質量に対する各層に含まれるPTC機能付与成分の質量比のことである。電池特性の観点からは、層Aに含まれる結着材は結着成分のみからなることが好ましく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)である。また、層Bに含まれるPTC機能付与成分の濃度は、内部短絡時に集電体13と正極合剤層14との間の導電経路の切断に寄与しうる限り特に限定されないが、典型的には、層Bの全体量に対して、0.5〜5質量%、好ましくは1〜3質量%程度である。
The positive electrode active material, the conductive additive and the binder component contained in the layers A11 and B12 may be the same or different, but from the viewpoint of ensuring the uniformity of the positive electrode mixture layer, What consists of a composition is preferable. On the other hand, the PTC function-imparting component constituting the binder together with the binder component may be contained at least in the layer B12, and the layer A11 does not contain the PTC function-imparting agent or has a lower concentration than the layer B. A function-imparting component may be included. Here, the density | concentration of the PTC function provision component in each layer is a mass ratio of the PTC function provision component contained in each layer with respect to the mass of each whole layer. From the viewpoint of battery characteristics, the binder contained in the layer A is preferably composed only of a binder component, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF). Further, the concentration of the PTC function-imparting component contained in the layer B is not particularly limited as long as it can contribute to the disconnection of the conductive path between the
図1に示すように、釘刺しによる内部短絡時には、負極を貫通し負極電位になった釘15が正極合剤層14を貫通するとき、正極集電体13又は正極集電体13と正極合剤層14の界面部分で熱エネルギーが大きく放出されることから、発熱時にこの部分(層B12)の抵抗を増大させて発熱速度を低下させることにより、電池全体の熱暴走を抑止するうえで重要と考えられる。
層B12の平均厚みは特に限定されないが、集電体の片面で5〜30μmとすることが好ましく、10〜20μmとすることがさらに好ましい。また、層Aの平均厚みは正極合剤層全体の平均厚みに基づいて適宜調整することができるが、通常は、層Bの平均厚みに対して5〜20倍、好ましくは10〜15倍程度とすることができ、集電体の片面で約30μm〜約100μmの平均厚みとすることが好ましい。
As shown in FIG. 1, at the time of an internal short circuit by nail penetration, when the
Although the average thickness of layer B12 is not specifically limited, It is preferable to set it as 5-30 micrometers on the single side | surface of a collector, and it is more preferable to set it as 10-20 micrometers. The average thickness of the layer A can be appropriately adjusted based on the average thickness of the entire positive electrode mixture layer, but is usually 5 to 20 times, preferably about 10 to 15 times the average thickness of the layer B. It is preferable to have an average thickness of about 30 μm to about 100 μm on one side of the current collector.
図2は、他の実施形態における釘刺しによる内部短絡時の正極の断面図である。図2に示すリチウムイオン二次電池用正極20は、図1と同様に、集電体23の片面に正極合剤層24を有し、リチウムを吸蔵・放出可能な正極活物質と、導電助剤と、結着成分と、場合によりPTC機能付与成分とを含み、層A22及び層B21の二層からなる。層A22及び層B21に含まれる正極活物質、導電助剤及び結着成分は、図1の場合と同様である。一方、本実施形態において、結着成分とともに結着材を構成するPTC機能付与成分は、層B21に含まれる。つまり、層A22に含まれる結着材は、結着成分のみからなるか、あるいは層Bより低濃度のPTC機能付与成分を含んでもよい。図2では、釘刺しによる内部短絡が正極合剤層24を貫通しなかった場合でも、負極を貫通してこの負極電位となった釘25が正極に触れた瞬間に、この正極表面に大電流が流れて大きなジュール熱が発生し、この熱によって正極が熱分解を始めることにより大きなエネルギーを放出し熱逸走が生じることになる。そこで、本実施形態では、正極合剤層24のうち層B21に含まれる結着材にPTC機能付与成分を添加し、発熱時にこの部分の抵抗を増大させて発熱速度を低下させ、電池全体の熱暴走を抑制することとした。層B21の平均厚みについては、上述した層B12の平均厚みと同様である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the positive electrode during an internal short circuit due to nail penetration in another embodiment. A
層B12又は層B21にPTC機能付与成分を添加することにより、正極合剤層中の上記特定部分の抵抗を増大させるメカニズムについては、必ずしも明らかではないが、リチウムイオン二次電池の短絡部分の急激な温度上昇により、この部分における正極合剤層内の結着材(結着成分及びPTC機能付与成分の混合物)が溶融する。このとき、結着材が無機物である正極活物質や導電助剤を一緒に巻き込んでフィブリル(繊維)形状の構造物を形成し、これによって正極合剤層内の局所構造が変化し、正極合剤層内の導電経路の少なくとも一部が切断されて当該部分の抵抗が増大すると推定される。このような機能は、結着材の溶融開始温度及び/又は溶融ピーク温度が低下することによって発揮されることから、本実施形態の結着材は、通常の結着成分単独の溶融開始温度及び/又は溶融ピーク温度よりも低下していることを特徴とする。また、電池温度は、発熱と放熱とのバランスで制御されることから、内部短絡による発熱の初期段階において抵抗を増大させて発熱速度を抑えることで電池の熱暴走を抑制できると考えられる。
以下、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の各構成部材について詳細に説明する。
Although the mechanism for increasing the resistance of the specific portion in the positive electrode mixture layer by adding the PTC function-imparting component to the layer B12 or the layer B21 is not necessarily clear, the short-circuited portion of the lithium ion secondary battery Due to the temperature rise, the binder (mixture of the binder component and the PTC function-imparting component) in the positive electrode mixture layer at this portion melts. At this time, a fibril (fiber) -shaped structure is formed by wrapping together a positive electrode active material and a conductive additive whose binder is an inorganic substance, thereby changing the local structure in the positive electrode mixture layer, and It is estimated that at least a part of the conductive path in the agent layer is cut and the resistance of the part increases. Since such a function is exhibited by a decrease in the melting start temperature and / or the melting peak temperature of the binding material, the binding material of the present embodiment has a normal melting start temperature of a single binding component and The temperature is lower than the melting peak temperature. In addition, since the battery temperature is controlled by the balance between heat generation and heat dissipation, it is considered that the thermal runaway of the battery can be suppressed by increasing the resistance in the initial stage of heat generation due to an internal short circuit to suppress the heat generation rate.
Hereinafter, each component of the lithium ion secondary battery according to the present embodiment will be described in detail.
(正極活物質)
正極活物質は、リチウムの吸蔵放出が可能な材料であれば特に限定されず、リチウムイオン二次電池に通常用いられる正極活物質である。具体的には、リチウム(Li)とニッケル(Ni)とを構成金属元素とする酸化物のほか、リチウム及びニッケル以外に他の少なくとも一種の金属元素(すなわち、LiとNi以外の遷移金属元素及び/又は典型金属元素)を、原子数換算でニッケルと同程度またはニッケルよりも少ない割合で構成金属元素として含む酸化物をも包含する意味である。上記LiおよびNi以外の金属元素は、例えば、Co,Mn,Al,Cr,Fe,V,Mg,Ca,Na,Ti,Zr,Nb,Mo,W,Cu,Zn,Ga,In,Sn,LaおよびCeからなる群から選択される一種または二種以上の金属元素であり得る。これらの正極活物質は、単独で用いても複数を混合して用いてもよい。
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a material capable of occluding and releasing lithium, and is a positive electrode active material usually used for lithium ion secondary batteries. Specifically, in addition to an oxide having lithium (Li) and nickel (Ni) as constituent metal elements, at least one metal element other than lithium and nickel (that is, a transition metal element other than Li and Ni and (Or a typical metal element) is also meant to include an oxide containing a constituent metal element in a proportion equivalent to or less than nickel in terms of the number of atoms. Examples of the metal element other than Li and Ni include, for example, Co, Mn, Al, Cr, Fe, V, Mg, Ca, Na, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Cu, Zn, Ga, In, Sn, It may be one or more metal elements selected from the group consisting of La and Ce. These positive electrode active materials may be used alone or in combination.
好ましい実施形態において、上記正極活物質は、例えば、一般式(1):LitNi1−x−yCoxAlyO2(但し、式中において、0.95≦t≦1.15、0≦x≦0.3、0.1≦y≦0.2、x+y<0.5を満たす。)で表されるリチウムニッケルコバルトアルミニウム系酸化物(NCA)が挙げられる。NCAの具体例としては、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2があげられる。 In a preferred embodiment, the positive electrode active material has, for example, the general formula (1): Li t Ni 1-xy Co x Al y O 2 (where 0.95 ≦ t ≦ 1.15, 0 ≦ x ≦ 0.3, 0.1 ≦ y ≦ 0.2, and x + y <0.5 are satisfied.) Lithium nickel cobalt aluminum-based oxide (NCA). A specific example of NCA is LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 .
他の好ましい実施形態において、上記正極活物質は、例えば、一般式(2):LiNiaCobMncO2(ただし式中、0<a<1、0<b<1、0<c<1であり、a+b+c=1を満たす)で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン系酸化物(NCM)が挙げられる。NCMは体積当たりのエネルギー密度が高く、熱安定性にも優れている。
正極合剤層中の正極活物質の含有量は、通常10質量%以上、好ましくは30質量%以上、更に好ましくは50質量%以上であり、特に好ましくは70質量%以上である。また、通常99.9質量%以下、好ましくは99質量%以下である。
In another preferred embodiment, the positive electrode active material may be, for example, the general formula (2): LiNi a Co b Mn c O 2 (where 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c < 1 and satisfying a + b + c = 1). A lithium nickel cobalt manganese-based oxide (NCM) is given. NCM has a high energy density per volume and excellent thermal stability.
The content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture layer is usually 10% by mass or more, preferably 30% by mass or more, more preferably 50% by mass or more, and particularly preferably 70% by mass or more. Moreover, it is 99.9 mass% or less normally, Preferably it is 99 mass% or less.
(導電助剤)
正極合剤層は、導電助剤を含むことが好ましい。本発明で用いる導電助剤としては、公知の導電助剤を使用することができる。公知の導電助剤としては、導電性を有する炭素材料であれば特に限定されるものではないが、グラファイト、カーボンブラック、導電性炭素繊維(カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー)、フラーレン等を単独で、もしくは2種類以上を併せて使用することができる。市販のカーボンブラックとしては、例えば、トーカブラック#4300、#4400、#4500、#5500等(東海カーボン社製、ファーネスブラック)、プリンテックスL等(デグサ社製、ファーネスブラック)、Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA等、Conductex SC ULTRA、Conductex 975ULTRA等、PUER BLACK100、115、205等(コロンビヤン社製、ファーネスブラック)、#2350、#2400B、#2600B、#30050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B等(三菱化学社製、ファーネスブラック)、MONARCH1400、1300、900、VulcanXC−72R、BlackPearls2000、LITX−50、LITX−200等(キャボット社製、ファーネスブラック)、Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、SuperP−Li(TIMCAL社製)、ケッチェンブラックEC−300J、EC−600JD(アクゾ社製)、デンカブラック、デンカブラックHS−100、FX−35(電気化学工業社製、アセチレンブラック)等、グラファイトとしては例えば人造黒鉛や燐片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛などの天然黒鉛が挙げられるが、これらに限定されるものではない。正極合材層中に含まれる導電助剤の含有量は、好ましくは1質量%以上であり、例えば1〜10質量%程度とすることが好ましい。
(Conductive aid)
The positive electrode mixture layer preferably contains a conductive additive. As the conductive auxiliary agent used in the present invention, a known conductive auxiliary agent can be used. The known conductive aid is not particularly limited as long as it is a carbon material having conductivity, but graphite, carbon black, conductive carbon fiber (carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon fiber), fullerene, etc. It can be used alone or in combination of two or more. Examples of commercially available carbon black include Toka Black # 4300, # 4400, # 4500, # 5500 (Tokai Carbon Co., Furnace Black), Printex L and the like (Degussa Co., Furnace Black), Raven 7000, 5750, 5250, 5000 ULTRA III, 5000 ULTRA, etc., Conductex SC ULTRA, Conductex 975 ULTRA, etc., PUER BLACK100, 115, 205, etc. (manufactured by Colombian, Furnace Black), # 2350, # 2400B, # 2600B, # 30050B, # 3030B, # 3030B, # 3030B 3350B, # 3400B, # 5400B, etc. (Mitsubishi Chemical Corporation, furnace black), MONARCH1400, 1300, 900, VulcanXC-7 2R, BlackPearls2000, LITX-50, LITX-200, etc. (Cabot, Furnace Black), Ensaco250G, Ensaco260G, Ensaco350G, SuperP-Li (manufactured by TIMCAL), Ketjen Black EC-300J, EC-600JD (manufactured by Akzo) ), Denka Black, Denka Black HS-100, FX-35 (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., acetylene black) and the like, for example, natural graphite such as artificial graphite, flake graphite, massive graphite, earth graphite, etc. However, it is not limited to these. The content of the conductive additive contained in the positive electrode mixture layer is preferably 1% by mass or more, and is preferably about 1 to 10% by mass, for example.
(結着材)
結着材としては、結着成分としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)と、場合によりPTC機能付与成分とを含む。電極を製造するために結着成分を使用する目的は、第一に、電気化学的に活性な活物質表面を実質的に覆い隠すことなしに、粉末状態の活物質の接着を確かなものにするためである。この効果は結着成分の湿潤性に依存する。また、結着成分は集電体金属に対する粘着性を有する必要があり、これは結着成分中の極性基の存在によって達成される。また、結着成分は、電極を扱うための十分な可撓性と、充放電サイクル中の活物質の寸法変化に対応できなければならない。結着成分は、特定の電気化学的特性を備えていなければならず、使用される非水電解質液と相溶性でなければならない。最後に、活物質として使用される還元剤及び酸化剤は極めて強力であるため、結着成分は劣化することなく極限作動条件に耐えられ得るような可能な限り最小の反応性を有していなければならない。
(Binder)
As a binder, the polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder component and the PTC function provision component depending on the case are included. The purpose of using the binder component to produce the electrode is to first ensure the adhesion of the powdered active material without substantially obscuring the electrochemically active active material surface. It is to do. This effect depends on the wettability of the binder component. Also, the binder component needs to have adhesion to the current collector metal, which is achieved by the presence of polar groups in the binder component. Also, the binder component must be able to handle sufficient flexibility to handle the electrode and dimensional changes of the active material during the charge / discharge cycle. The binder component must have specific electrochemical properties and must be compatible with the non-aqueous electrolyte solution used. Finally, because the reducing and oxidizing agents used as active materials are extremely powerful, the binder must have the lowest possible reactivity that can withstand extreme operating conditions without degradation. I must.
PVDFの機械的特性および電気化学的特性は、結着成分に必要な上記多数の目的に適している。PVDF単独の融点は約180℃であることが報告されているが、リチウムイオン二次電池の中では非水電解質と接触しているためにその融点が若干低下していると考えられる。さらにPTC機能付与成分を含むことによって、本実施形態の結着材はリチウムイオン二次電池の温度上昇時に溶融してより低い温度域から正極合剤層の抵抗を増大させ、リチウムイオン二次電池の熱暴走を抑制することができる。結着材はPTC機能付与成分を含むことによって、溶融開始温度と溶融ピーク温度のいずれか、もしくは双方が、PVDF単独に比して低下している。熱暴走を抑制するという観点からは、結着材の溶融開始温度及び/又は溶融ピーク温度は低いことが好ましいが、あまりに低すぎると結着材としての機能を阻害するため好ましくない。このため、結着材の溶融開始温度としては約60℃から約150℃が好ましく、約65℃から約130℃がより好ましく、約70℃から約100℃がさらに好ましい。 The mechanical and electrochemical properties of PVDF are suitable for the numerous purposes described above required for the binder component. Although it has been reported that the melting point of PVDF alone is about 180 ° C., it is considered that the melting point of the lithium ion secondary battery is slightly lowered because it is in contact with the nonaqueous electrolyte. Further, by including a PTC function-imparting component, the binder of the present embodiment melts when the temperature of the lithium ion secondary battery rises, and increases the resistance of the positive electrode mixture layer from a lower temperature range, thereby recharging the lithium ion secondary battery. Can prevent thermal runaway. Since the binder contains the PTC function-imparting component, either or both of the melting start temperature and the melting peak temperature are lowered as compared with PVDF alone. From the viewpoint of suppressing thermal runaway, it is preferable that the melting start temperature and / or the melting peak temperature of the binder is low, but if it is too low, the function as the binder is hindered. Therefore, the melting start temperature of the binder is preferably about 60 ° C. to about 150 ° C., more preferably about 65 ° C. to about 130 ° C., and further preferably about 70 ° C. to about 100 ° C.
結着材の溶融ピーク温度(融点)も低下する場合があり、上記測定条件下において、結着材の溶融ピーク温度が、70℃〜130℃であることが好ましい。結着材の溶融ピーク温度は、70℃以上であることが熱安定性の点で好ましい。一方、安全性の観点からは、結着材の融点が130℃以下であることが好ましい。さらに好ましくは130℃未満であり、120℃以下であることがより好ましく、110℃以下であることがさらになお好ましい。 The melting peak temperature (melting point) of the binder may also decrease, and the melting peak temperature of the binder is preferably 70 ° C to 130 ° C under the above measurement conditions. The melting peak temperature of the binder is preferably 70 ° C. or higher from the viewpoint of thermal stability. On the other hand, from the viewpoint of safety, the melting point of the binder is preferably 130 ° C. or lower. More preferably, it is less than 130 degreeC, It is more preferable that it is 120 degrees C or less, It is still more preferable that it is 110 degrees C or less.
本実施形態における「PTC機能付与成分」とは、上記PVDFの溶融開始温度及び/又は溶融ピーク温度を低下させることによって結着材にPTC機能を付与する、又はPTC機能を増強する成分をいう。温度上昇に伴い抵抗値が増加するPTC(正温度係数)機能と、PVDFの溶融との関係は以下のように考えられる。例えば、電極活物質と導電助剤とを結着して構成される電極に短絡電流が流れると短絡発熱によって電極の温度が上昇する。このとき、結着材が溶融すると無機物である電極活物質や導電助剤を一緒に巻き込んでフィブリル(繊維)形状の構造物を形成し、これによって電極の形状が変化し、電極内の導電経路の少なくとも一部が切断されて電極の抵抗が増大すると推定される。このような機能は、結着材の溶融開始温度及び/又は溶融ピーク温度が低下することによって発揮されることから、本実施形態の結着材は、通常の結着成分単独の溶融開始温度及び/又は溶融ピーク温度よりも低下していることを特徴とする。 The “PTC function imparting component” in the present embodiment refers to a component that imparts a PTC function to the binder or enhances the PTC function by lowering the melting start temperature and / or the melting peak temperature of the PVDF. The relationship between the PTC (positive temperature coefficient) function in which the resistance value increases as the temperature rises and the melting of PVDF is considered as follows. For example, when a short-circuit current flows through an electrode formed by binding an electrode active material and a conductive additive, the temperature of the electrode increases due to short-circuit heat generation. At this time, when the binder melts, an inorganic electrode active material and a conductive auxiliary agent are wound together to form a fibril (fibre) -shaped structure, which changes the shape of the electrode, and the conductive path in the electrode. It is estimated that at least a part of the electrode is cut to increase the resistance of the electrode. Since such a function is exhibited by a decrease in the melting start temperature and / or the melting peak temperature of the binding material, the binding material of the present embodiment has a normal melting start temperature of a single binding component and The temperature is lower than the melting peak temperature.
したがって、本実施形態の結着材は、結着成分であるPVDFと、PTC機能付与成分とを混合し、当該混合物を、非水電解質の共存下に、示差走査熱量測定法で測定したときの溶融開始温度及び/又は溶融ピーク温度が、同一条件で測定したPVDFのみの場合に比べて低下しているものを選択することができる。なお、本実施形態において、溶融開始温度とは、示差走査熱量分析法(以下、DSCともいう)によって分析される吸熱がベースラインから立ち上がるときの温度を意味し、具体的には、JIS7121(プラスチックの転移温度測定法)に準拠して、低温側のベースラインを高温側に延長した直線と、融解ピークの低温側の曲線にこう配が最大になる点で引いた接線の交点の温度とした。あるいは、結着材が溶融することによる吸熱量をDSCカーブのピーク面積から計算し、総吸熱量の約2分の1に達したときの温度を指標としてもよい。結着材の溶融開始温度が低下することによって、より低い温度から吸熱が始まり、ある一定の吸熱量に達したときにPTC機能が発揮されるからである。 Therefore, the binder of the present embodiment is a mixture of PVDF as a binding component and a PTC function-imparting component, and the mixture is measured by differential scanning calorimetry in the presence of a non-aqueous electrolyte. The melting start temperature and / or the melting peak temperature can be selected as compared with the case of only PVDF measured under the same conditions. In the present embodiment, the melting start temperature means the temperature at which the endotherm analyzed by differential scanning calorimetry (hereinafter also referred to as DSC) rises from the baseline, and specifically, JIS7121 (plastic The temperature at the intersection of a straight line obtained by extending the base line on the low temperature side to the high temperature side and the tangent line drawn at the point where the gradient is maximized on the low temperature side curve of the melting peak is defined. Alternatively, the endothermic amount due to melting of the binder may be calculated from the peak area of the DSC curve, and the temperature when reaching about one-half of the total endothermic amount may be used as an index. This is because, when the melting start temperature of the binder is lowered, the endothermic heat starts from a lower temperature, and the PTC function is exhibited when a certain endothermic amount is reached.
[融点及び溶融開始温度の測定方法]
例えば、日立ハイテクサイエンス製高感度型示差走査熱量計DSC7000X装置等を用い、PVDFとPTC機能付与成分とを有機溶媒に溶解するか、または粉体のまま乳鉢等で混合した後、乾燥した粉体約5mgをアルミパンに詰め、これに非水電解質を加えて試料とする。試料に添加する非水電解質は、環状カーボネート及び鎖状カーボネートから選ばれる有機溶媒が単独あるいは複数種を組み合せた溶媒混合物中に、電解質として少なくともLiPF6を含むリチウム塩を溶解させた電解液が好ましい。本実施形態では、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との、3:7の混合溶液中、1Mの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解した非水電解質を用いる。測定条件は、例えば、室温から約200℃まで、5℃/分で昇温する。このとき得られる吸熱曲線より求めることができる。
[Measuring method of melting point and melting start temperature]
For example, using a high-sensitivity differential scanning calorimeter DSC7000X device manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd., PVDF and PTC function-imparting component are dissolved in an organic solvent or mixed in a mortar or the like as a powder and then dried. About 5 mg is packed in an aluminum pan, and a nonaqueous electrolyte is added to this to make a sample. The nonaqueous electrolyte to be added to the sample is preferably an electrolytic solution in which a lithium salt containing at least LiPF 6 as an electrolyte is dissolved in a solvent mixture in which an organic solvent selected from cyclic carbonates and chain carbonates is used alone or in combination. . In this embodiment, a non-aqueous electrolyte in which 1M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in a 3: 7 mixed solution of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) is used. For example, the temperature is raised from room temperature to about 200 ° C. at a rate of 5 ° C./min. It can obtain | require from the endothermic curve obtained at this time.
PTC機能付与成分としては、結着成分として用いられるPVDFの溶融開始温度及び溶融ピーク温度を降下させうる物質であれば特に限定されるものではないが、結晶性高分子であるPVDFと相溶(適合)する化合物、好ましくは結晶性又は非結晶性の高分子化合物を用いることができる。本明細書において、用語「相溶」とは、2種類の異なる物質、特に、高分子が均一に混和する状態をいい、これらは、完全に相溶しても、また一部が相溶してもよい。混合後の試料が透明になるか、又はフィルム形成能を有することによって均一に混和したことを判定することができる。例えば、カルボニル基又はシアノ基を含有する化合物である。カルボニル基は、−C(=O)−なる構造を有し、酸素原子は、炭素原子よりもはるかに電気陰性度が大きいので、C=O結合の電子は、電気的に陽性な炭素原子の近傍よりも、電気陰性度の大きい酸素原子の近傍に偏って存在する。同様に、シアノ基は、炭素原子と窒素原子間の三重構造を有し、窒素原子上に電子が偏っており、強い電子吸引基である。カルボニル基及びシアノ基は1又は複数個含まれていてもよく、例えば、カルボニル基を2個含むジオン化合物等も、本発明のPTC機能付与成分に含まれる。 The PTC function-imparting component is not particularly limited as long as it is a substance that can lower the melting start temperature and the melting peak temperature of PVDF used as a binder component, but is compatible with PVDF that is a crystalline polymer ( Compatible), preferably crystalline or non-crystalline polymeric compounds. In this specification, the term “compatible” refers to a state in which two different substances, particularly polymers, are uniformly mixed. These are completely compatible or partially compatible. May be. It can be determined that the mixed sample is transparent or has a film-forming ability so as to be uniformly mixed. For example, it is a compound containing a carbonyl group or a cyano group. A carbonyl group has a structure of —C (═O) —, and an oxygen atom has a much higher electronegativity than a carbon atom, so that an electron of a C═O bond is an electrically positive carbon atom. It exists in the vicinity of oxygen atoms having a higher electronegativity than in the vicinity. Similarly, the cyano group is a strong electron-withdrawing group having a triple structure between a carbon atom and a nitrogen atom, with electrons biased on the nitrogen atom. One or a plurality of carbonyl groups and cyano groups may be contained. For example, a dione compound containing two carbonyl groups is also included in the PTC function-imparting component of the present invention.
一般に、結晶性高分子と非結晶性高分子に相溶性がある場合には、結晶性高分子の融点降下が生じることが知られている。融点降下に最も影響を与える因子は、両高分子間の相互作用の強さを表す熱力学的パラメータχ12値であり、フローリー−ハギンス(Flory-Huggins)理論により導き出される。この理論に基づくと、相溶する結晶性/非結晶性高分子ブレンド系においては、χ12値が負の値を示す場合に融点降下が生じるといわれている。好ましい実施形態では、前記相溶性物質が、カルボキシル基(−COOH)、カルボン酸エステル(−COO−R)、カーボネート基(R−O−(C=O)−O−R')、イミド基(R−CONHCO−R')、又はアミド基(R−C=ONH−R')を含有する結晶性又は非結晶性高分子である。 In general, it is known that when a crystalline polymer and an amorphous polymer are compatible, the melting point of the crystalline polymer is lowered. The factor that most affects the melting point drop is a thermodynamic parameter χ 12 value representing the strength of interaction between the two polymers, and is derived by the Flory-Huggins theory. Based on this theory, it is said that a melting point drop occurs in a compatible crystalline / amorphous polymer blend system when the χ 12 value shows a negative value. In a preferred embodiment, the compatible substance is a carboxyl group (—COOH), a carboxylic acid ester (—COO—R), a carbonate group (R—O— (C═O) —O—R ′), an imide group ( R-CONHCO-R ′), or a crystalline or non-crystalline polymer containing an amide group (R—C═ONH—R ′).
本実施形態において、このような相溶性物質からなるPTC機能付与成分が、PVDFの融点を降下させる具体的理由は明らかではないが、これらの添加剤がカルボニル基やシアノ基に由来する電気的性質(極性)を有することが、PDVFとの相互作用を強め、その融点降下作用を発揮するものと推察される。 In this embodiment, the specific reason why the PTC function-imparting component made of such a compatible material lowers the melting point of PVDF is not clear, but the electrical properties of these additives derived from a carbonyl group or a cyano group It is presumed that having (polarity) enhances the interaction with PDVF and exhibits its melting point lowering effect.
したがって、好ましい実施形態では前記PTC機能付与成分が、アクリル酸(AAc)、メタクリル酸(MAc)、バルビツール酸(BTA)、アセチルアセトン、ポリアクリル酸メチル(PMA)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)、フタル酸ジ−2−エチルヘキシル(DEHP)、ポリブチレンサクシネート(PBS)、ポリカーボネート(PC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、及びそれらの誘導体(共重合体)からなる群より選ばれる1種以上である。 Therefore, in a preferred embodiment, the PTC function-imparting component is acrylic acid (AAc), methacrylic acid (MAc), barbituric acid (BTA), acetylacetone, polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), Polyvinyl acetate (PVAc), di-2-ethylhexyl phthalate (DEHP), polybutylene succinate (PBS), polycarbonate (PC), polyacrylonitrile (PAN), polyamide (PA), polyimide (PI), polyamideimide ( PAI) and one or more selected from the group consisting of derivatives (copolymers) thereof.
PVDFと相溶性の良いメタクリル酸エステルとしては、例えば、以下の化合物を挙げることができる。メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−プロピル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸t−ブチル、メタクリル酸ヘキシル、メタクリル酸オクチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸メトキシエチル、メタクリル酸エトキシエチル、メタクリル酸n−ブトキシエチル、メタクリル酸イソブトキシエチル、メタクリル酸t−ブトキシエチル、メタクリル酸フェノキシエチル、メタクリル酸ノニルフェノキシエチル、メタクリル酸3−メトキシブチル、ブレンマーPME−100(商品名、日本油脂(株)製)、ブレンマーPME−200(商品名、日本油脂(株)製)。
前記メタクリル酸エステルの中では、入手のし易さやPVDFとの相溶性などの観点から、以下のものが好ましく用いられる。メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸t−ブチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸2−エチルヘキシルが好ましく、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸t−ブチルがより好ましい。ビニル単量体は、1種を単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
Examples of the methacrylic acid ester having good compatibility with PVDF include the following compounds. Methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-propyl methacrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, t-butyl methacrylate, hexyl methacrylate, octyl methacrylate, dodecyl methacrylate, stearyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, phenyl methacrylate, benzyl methacrylate, methoxyethyl methacrylate, ethoxyethyl methacrylate, n-butoxyethyl methacrylate, isobutoxyethyl methacrylate, t-butoxyethyl methacrylate, phenoxyethyl methacrylate, methacryl Nonylphenoxyethyl acid, 3-methoxybutyl methacrylate, Blemmer PME-100 (trade name, manufactured by NOF Corporation), Blemmer PME-200 (trade name) Nippon Oil & Fats Co., Ltd.).
Among the methacrylic acid esters, the following are preferably used from the viewpoint of easy availability and compatibility with PVDF. Methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, t-butyl methacrylate, dodecyl methacrylate, stearyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate are preferred, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, More preferred is t-butyl methacrylate. A vinyl monomer may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
また、フッ素化アルキルメタクリレートとしては、以下の化合物が好適に使用可能である。2,2,2−トリフルオロエチルメタクリレート、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルメタクリレート、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピルメタクリレート、2,2,3,4,4,4−ヘキサフルオロブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロペンチルメタクリレート、2,2,2−トリフロオロエチルαフルオロアクリレート、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルαフルオロアクリレート、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピルαフルオロアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロペンチルαフルオロアクリレート等。 Moreover, as a fluorinated alkyl methacrylate, the following compounds can be used conveniently. 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl methacrylate, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl methacrylate, 2,2,3,4,4,4 -Hexafluorobutyl methacrylate, 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoropentyl methacrylate, 2,2,2-trifluoroethyl α-fluoroacrylate, 2,2,3,3-tetra Fluoropropyl alpha fluoroacrylate, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl alpha fluoroacrylate, 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoropentyl alpha fluoroacrylate and the like.
本発明の1つの実施形態として、上記PTC機能付与成分は、アミド、イミド、マレイミド及びジオン化合物などが含まれる。
アミドとしては、 第1級アミドが特に好ましく、例えば、N−ビニルアミド、ジビニルアミド、シリル(ビニル)アミド、グリオキシル化ビニルアミドなどを挙げることができる。
As one embodiment of the present invention, the PTC function-imparting component includes an amide, an imide, a maleimide, a dione compound, and the like.
As the amide, a primary amide is particularly preferable, and examples thereof include N-vinyl amide, divinyl amide, silyl (vinyl) amide, and glyoxylated vinyl amide.
イミドの具体例としては、例えば、N−ビニルイミド、N−ビニルフタルイミド、ビニルアセトアミドなどのジビニルイミドを挙げることができる。
マレイミドとしては、例えば、モノマレイミド、ビスマレイミド、トリスマレイミド、ポリマレイミドなどを挙げることができる。
Specific examples of the imide include divinylimide such as N-vinylimide, N-vinylphthalimide, and vinylacetamide.
Examples of maleimides include monomaleimide, bismaleimide, trismaleimide, and polymaleimide.
ビスマレイミドの具体例としては、例えば、N,N'−ビスマレイミド−4,4'−ジフェニルメタン、1,1'−(メチレンジ−4,1−フェニレン)ビスマレイミド、N,N'−(1,1'−ビフェニル−4,4'−ジイル)ビスマレイミド、N,N'−(4−メチル−1,3−フェニレン)ビスマレイミド、1,1'−(3,3'−ジメチル−1,1'−ビフェニル−4,4'−ジイル)ビスマレイミド、N,N'−エチレンジマレイミド、N,N'−(1,2−フェニレン)ジマレイミド、N,N'−(1,3−フェニレン)ジマレイミド、N,N'−チオジマレイミド、N,N'−ジチオジマレイミド、N,N'−ケトンジマレイミド、N,N'−メチレンビスマレインイミド、ビスマレインイミドメチル−エーテル、1,2−ビスマレイミド−1,2−エタンジオール、N,N'−4,4'−ジフェニルエーテル−ビスマレイミド、4,4'−ビスマレイミド−ジフェニルスルホンなどを挙げることができる。 Specific examples of bismaleimide include, for example, N, N′-bismaleimide-4,4′-diphenylmethane, 1,1 ′-(methylenedi-4,1-phenylene) bismaleimide, N, N ′-(1, 1′-biphenyl-4,4′-diyl) bismaleimide, N, N ′-(4-methyl-1,3-phenylene) bismaleimide, 1,1 ′-(3,3′-dimethyl-1,1 '-Biphenyl-4,4'-diyl) bismaleimide, N, N'-ethylenedimaleimide, N, N'-(1,2-phenylene) dimaleimide, N, N '-(1,3-phenylene) dimaleimide N, N'-thiodimaleimide, N, N'-dithiodimaleimide, N, N'-ketone dimaleimide, N, N'-methylene bismaleimide, bismaleimide methyl ether, 1,2-bis Maleimide-1,2-d Njioru, N, N'-4,4'-diphenyl ether - bismaleimide, 4,4'-bismaleimide - diphenyl sulfone and the like.
本実施形態で用いるジオン化合物とは、2つのカルボニル炭素間に炭素原子を有するβジケト化合物、またはバルビツール酸およびその誘導体をいう。ジオン化合物としては、例えば、バルビツール酸およびその誘導体、アセチルアセトンおよびその誘導体などを挙げることができる。 The dione compound used in the present embodiment refers to a β-diketo compound having a carbon atom between two carbonyl carbons, or barbituric acid and derivatives thereof. Examples of dione compounds include barbituric acid and its derivatives, acetylacetone and its derivatives, and the like.
前記結着材中に含まれるこれらのPTC機能付与成分の含有率は、0〜50質量%であることが好ましく、より好ましくは、1〜40質量%であり、さらに好ましくは5〜30質量%である。PTC機能付与成分の含有量が50質量%より多いと、結着材として正極活物質との結合力が低下するおそれがある。 It is preferable that the content rate of these PTC function provision components contained in the said binder is 0-50 mass%, More preferably, it is 1-40 mass%, More preferably, it is 5-30 mass%. It is. When there is more content of a PTC function provision component than 50 mass%, there exists a possibility that the bond strength with a positive electrode active material may decline as a binder.
本実施形態の結着材は、結着成分としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)と、PTC機能付与成分とを、これらを共に溶解する共通溶媒に溶解した後、溶媒置換して沈殿させた混合物として調製することが好ましい。この方法により調製された結着材は、結着成分とPTC機能付与成分とが分子レベルで均一に混合した状態で存在するからである。 The binder of the present embodiment is a mixture obtained by dissolving polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder component and a PTC function-imparting component in a common solvent that dissolves them together, and then substituting the solvent for precipitation. It is preferable to prepare. This is because the binder prepared by this method exists in a state where the binding component and the PTC function-imparting component are uniformly mixed at the molecular level.
他の実施形態では、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)と、PTC機能付与成分との粉体混合物を、ボールミルやロッキングミキサーなどの粉体混合機又は公知の解砕機などにて混合して調製してもよい。電解液若しくは電極合剤層を調製する際の溶媒中で容易に均一化して結着材となるからである。 In another embodiment, a powder mixture of polyvinylidene fluoride (PVDF) and a PTC function-imparting component may be prepared by mixing with a powder mixer such as a ball mill or a rocking mixer or a known crusher. Good. This is because it is easily uniformized in a solvent for preparing the electrolytic solution or electrode mixture layer to become a binder.
(PVDF共重合体)
あるいは、他の一実施形態として、結着成分であるPVDFと、PTC機能付与成分とを分子内に含むポリフッ化ビニリデン(PVDF)共重合体を結着材として用いてもよい。この場合には、非水電解質の存在下に、PVDF共重合体の溶融開始温度及び/又は溶融ピーク温度が、フッ化ビニリデン単独のポリマーであるPVDFの場合に比べて低下していることが好ましく、例えば、50℃〜100℃、より好ましくは、60℃〜90℃に溶融開始温度及び/又は溶融ピーク温度を有するものである。このようなPVDF共重合体としては、PVDF−HFP(ヘキサフルオロプロピレン)及びPVDF−PEO(ポリオキシエチレン)等を用いることができる。
(PVDF copolymer)
Alternatively, as another embodiment, a polyvinylidene fluoride (PVDF) copolymer containing PVDF as a binding component and a PTC function-imparting component in the molecule may be used as the binding material. In this case, in the presence of the non-aqueous electrolyte, it is preferable that the melting start temperature and / or the melting peak temperature of the PVDF copolymer is lower than that of PVDF, which is a vinylidene fluoride single polymer. For example, it has a melting start temperature and / or a melting peak temperature at 50 ° C. to 100 ° C., more preferably 60 ° C. to 90 ° C. As such a PVDF copolymer, PVDF-HFP (hexafluoropropylene), PVDF-PEO (polyoxyethylene), or the like can be used.
(集電体)
本実施形態における集電体としては、各種のものを使用することができるが、通常は金属や合金が用いられる。具体的には、正極集電体としては、アルミニウムやニッケル、SUS等が挙げられ、負極集電体としては、銅やニッケル、SUS等が挙げられる。
(Current collector)
Various types of current collectors can be used in the present embodiment, but metals and alloys are usually used. Specifically, examples of the positive electrode current collector include aluminum, nickel, and SUS, and examples of the negative electrode current collector include copper, nickel, and SUS.
(その他の成分)
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極が備える正極合剤層には、上記正極活物質に加えて、正極合剤層を製造するために用いられる適当な成分が含まれていてもよい。例えば、正極合剤層が合剤スラリーから形成される場合、正極合剤層には、その合剤スラリー由来の各種配合成分が含まれることがある。そのような合剤スラリー由来の各種配合成分の例として、増粘剤、並びに、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、消泡剤などその他の添加剤が挙げられる。
(Other ingredients)
In addition to the positive electrode active material, the positive electrode mixture layer included in the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to this embodiment may include an appropriate component used for producing the positive electrode mixture layer. . For example, when the positive electrode mixture layer is formed from a mixture slurry, the positive electrode mixture layer may contain various blending components derived from the mixture slurry. Examples of various compounding components derived from such a mixture slurry include thickeners and other additives such as surfactants, dispersants, wetting agents, and antifoaming agents.
(負極活物質)
負極活物質としては、金属リチウム、リチウム含有合金、リチウムとの合金化が可能な金属もしくは合金、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な酸化物、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な遷移金属窒素化物、および、リチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な炭素材料からなる群から選ばれた少なくとも1種(単独で用いてもよいし、これらの2種以上を含む混合物を用いてもよい)を用いることができる。
(Negative electrode active material)
Negative electrode active materials include metallic lithium, lithium-containing alloys, metals or alloys that can be alloyed with lithium, oxides that can be doped / undoped with lithium ions, and transition metals that can be doped / undoped with lithium ions At least one selected from the group consisting of nitrides and carbon materials capable of doping and undoping lithium ions (may be used alone or a mixture containing two or more of these may be used) Can be used.
リチウム(又はリチウムイオン)との合金化が可能な金属もしくは合金としては、シリコン、シリコン合金、スズ、スズ合金などを挙げることができる。また、チタン酸リチウムでもよい。
これらの中でもリチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な炭素材料が好ましい。このような炭素材料としては、カーボンブラック、活性炭、黒鉛材料(人造黒鉛、天然黒鉛)、非晶質炭素材料、等が挙げられる。前記炭素材料の形態は、繊維状、球状、ポテト状、フレーク状いずれの形態であってもよい。
Examples of metals or alloys that can be alloyed with lithium (or lithium ions) include silicon, silicon alloys, tin, and tin alloys. Further, lithium titanate may be used.
Among these, carbon materials that can be doped / undoped with lithium ions are preferable. Examples of such carbon materials include carbon black, activated carbon, graphite materials (artificial graphite, natural graphite), amorphous carbon materials, and the like. The form of the carbon material may be any of a fibrous form, a spherical form, a potato form, and a flake form.
前記非晶質炭素材料として具体的には、ハードカーボン、コークス、1500℃以下に焼成したメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソペーズビッチカーボンファイバー(MCF)などが例示される。 Specific examples of the amorphous carbon material include hard carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB) fired at 1500 ° C. or less, and mesopause bitch carbon fiber (MCF).
前記黒鉛材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。人造黒鉛としては、黒鉛化MCMB、黒鉛化MCFなどが用いられる。また、黒鉛材料としては、ホウ素を含有するものなども用いることができる。また、黒鉛材料としては、金、白金、銀、銅、スズなどの金属で被覆したもの、非晶質炭素で被覆したもの、非晶質炭素と黒鉛を混合したものも使用することができる。
これらの炭素材料は、1種類で使用してもよく、2種類以上混合して使用してもよい。
Examples of the graphite material include natural graphite and artificial graphite. As artificial graphite, graphitized MCMB, graphitized MCF, and the like are used. Further, as the graphite material, a material containing boron can be used. As the graphite material, those coated with a metal such as gold, platinum, silver, copper and tin, those coated with amorphous carbon, and those obtained by mixing amorphous carbon and graphite can be used.
These carbon materials may be used alone or in combination of two or more.
(正極合剤層の形成方法)
本発明のリチウムイオン二次電池用正極が備える合剤層は、上述した正極活物質、導電助剤、及び結着材を含む正極合剤スラリーを集電体の表面に塗布して、乾燥することによって製造することができる。この場合、上述した結着材を溶媒に溶解させた溶液に、前記正極活物質及び導電助剤を分散させで正極合剤スラリーを形成することが好ましい。正極合剤スラリーに含まれる結着材の量は、全固形成分の例えば1〜10質量%程度とすることができる。結着材の含有量が1質量%より少ないと、合剤層の温度上昇時に導電経路の遮断効果が小さくなる。一方、結着材は一般に絶縁性を示すためその含有量が10質量%より多いと、合剤層内の接触抵抗が増加して電池容量が低下するため好ましくない。
(Method for forming positive electrode mixture layer)
The mixture layer included in the positive electrode for the lithium ion secondary battery of the present invention is applied by applying the positive electrode mixture slurry containing the positive electrode active material, the conductive additive, and the binder to the surface of the current collector and then drying. Can be manufactured. In this case, it is preferable to form the positive electrode mixture slurry by dispersing the positive electrode active material and the conductive additive in a solution obtained by dissolving the above-described binder in a solvent. The amount of the binder contained in the positive electrode mixture slurry can be, for example, about 1 to 10% by mass of the total solid components. When the content of the binder is less than 1% by mass, the effect of blocking the conductive path is reduced when the temperature of the mixture layer is increased. On the other hand, since the binder generally exhibits insulating properties, if its content is more than 10% by mass, the contact resistance in the mixture layer increases and the battery capacity decreases, which is not preferable.
合材スラリーに含まれる溶剤は、上記結着材を調製する際の共通溶媒と兼ねるものであり、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、プロピレンカーボネート、ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトンなどに代表される非プロトン性極性溶剤もしくはこれらの混合液を選択できる。 The solvent contained in the mixture slurry also serves as a common solvent for preparing the binder, and is a non-proton represented by N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, propylene carbonate, dimethylformamide, γ-butyrolactone, etc. Polar solvent or a mixture thereof can be selected.
集電体へ合材スラリーを塗布・乾燥する上で、塗布・乾燥方法は特に限定されない。例えば、スロット・ダイコーティング、スライドコーティング、カーテンコーティング、又はグラビアコーティングなどの方法が挙げられる。乾燥方法としては、温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、(遠)赤外線などの乾燥法が挙げられる。乾燥時間や乾燥温度については、特に限定されないが、乾燥時間は通常1分〜30分であり、乾燥温度は通常40℃〜180℃である。
PTC機能付与成分の濃度が異なる複数の層を形成するためには複数の合材スラリーを用意し、これを逐次塗布する方法がある。例えば、下層にPTC機能付与成分の含有量が高い層を設ける場合は、Al集電箔の両面に、PTC機能付与成分を所定濃度(例えば、2質量%)含有する正極合剤層を片面が所定の厚み(例えば、15μm)になるように塗布・乾燥する。次いで、上層にPTC機能付与成分を含まない正極合剤層を片面が所定の厚み(例えば、85μm)になるように塗布する。これを所望の密度になるようにプレスすると、例えば、片面が約70μmの2層の正極合剤層を形成することができる。多層コートを作製するためには、片面逐次コート又は両面逐次コートの何れの方法でもよい
合材層の製造方法においては、集電体上に上記合材スラリーを塗布乾燥後、金型プレスやロールプレスなどを用い、加圧処理により活物質層の空隙率を低くする工程を有することが好ましい。
In applying and drying the mixture slurry to the current collector, the application and drying method is not particularly limited. For example, methods such as slot die coating, slide coating, curtain coating, or gravure coating may be used. Examples of the drying method include drying with warm air, hot air, low-humidity air, vacuum drying, and (far) infrared rays. Although it does not specifically limit about drying time and drying temperature, Drying time is normally 1 minute-30 minutes, and drying temperature is 40 to 180 degreeC normally.
In order to form a plurality of layers having different concentrations of the PTC function-imparting component, there is a method in which a plurality of mixture slurry is prepared and applied sequentially. For example, when providing a layer having a high content of the PTC function-imparting component in the lower layer, a positive electrode mixture layer containing a predetermined concentration (for example, 2% by mass) of the PTC function-imparting component on both sides of the Al current collector foil is provided on one side. Application and drying are performed so as to have a predetermined thickness (for example, 15 μm). Next, a positive electrode material mixture layer containing no PTC function-imparting component is applied to the upper layer so that one surface has a predetermined thickness (for example, 85 μm). When this is pressed to a desired density, for example, a two-layer positive electrode mixture layer having a single side of about 70 μm can be formed. In order to produce a multi-layer coating, either single-sided sequential coating or double-sided sequential coating may be used. In the method for producing a composite layer, after applying and drying the above-mentioned composite slurry on a current collector, a die press or roll It is preferable to have a step of reducing the porosity of the active material layer by pressurization using a press or the like.
電解液としては、例えば、通常リチウムイオン二次電池で用いられるものであることが好ましく、具体的には、有機溶媒に支持塩(リチウム塩)が溶解した形態を有する。リチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、六フッ化タンタル酸リチウム(LiTaF6)、四塩化アルミニウム酸リチウム(LiAlCl4)、リチウムデカクロロデカホウ素酸(Li2B10Cl10)等の無機酸陰イオン塩、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Li(CF3SO2)2N)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(Li(C2F5SO2)2N)等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩等を挙げることができる。その中でも、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)が好ましい。 For example, the electrolyte solution is preferably one that is usually used in a lithium ion secondary battery, and specifically has a form in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in an organic solvent. Examples of the lithium salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), six Inorganic acid anion salts such as lithium fluorotantalate (LiTaF 6 ), lithium tetrachloroaluminate (LiAlCl 4 ), lithium decachlorodecaborate (Li 2 B 10 Cl 10 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3) Organic acids such as SO 3 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide (Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N) List at least one lithium salt selected from anionic salts Can. Among these, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is preferable.
また、有機溶媒としては、例えば、環状カーボネート類、含フッ素環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、含フッ素鎖状カーボネート類、脂肪族カルボン酸エステル類、含フッ素脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ラクトン類、含フッ素γ−ラクトン類、環状エーテル類、含フッ素環状エーテル類、鎖状エーテル類及び含フッ素鎖状エーテル類からなる群より選ばれる少なくとも1種の有機溶媒を用いることができる。 Examples of the organic solvent include cyclic carbonates, fluorine-containing cyclic carbonates, chain carbonates, fluorine-containing chain carbonates, aliphatic carboxylic acid esters, fluorine-containing aliphatic carboxylic acid esters, and γ-lactone. , Fluorine-containing γ-lactones, cyclic ethers, fluorine-containing cyclic ethers, chain ethers, and at least one organic solvent selected from the group consisting of fluorine-containing chain ethers can be used.
環状カーボネート類としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)を挙げることができる。また、含フッ素環状カーボネート類としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を挙げることができる。更に、鎖状カーボネート類としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、ジプロピルカーボネート(DPC)を挙げることができる。また、脂肪族カルボン酸エステル類としては、例えば、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチルを挙げることができる。更に、γ−ラクトン類としては、例えば、γ−ブチロラクトンを挙げることができる。また、環状エーテル類としては、例えば、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンを挙げることができる。更に、鎖状エーテル類としては、例えば、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンを挙げることができる。その他としては、アセトニトリル等のニトリル類、ジメチルホルムアミド等のアミド類を挙げることができる。これらは、1種を単独で、2種以上を組み合わせて用いることができる。 Examples of cyclic carbonates include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and butylene carbonate (BC). Moreover, as a fluorine-containing cyclic carbonate, fluoroethylene carbonate (FEC) can be mentioned, for example. Further, examples of the chain carbonates include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), and dipropyl carbonate (DPC). Can be mentioned. Examples of the aliphatic carboxylic acid esters include methyl formate, methyl acetate, and ethyl propionate. Furthermore, examples of γ-lactones include γ-butyrolactone. Examples of cyclic ethers include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and 1,4-dioxane. Furthermore, examples of the chain ethers include 1,2-ethoxyethane (DEE), ethoxymethoxyethane (EME), diethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, and 1,2-dibutoxyethane. . Other examples include nitriles such as acetonitrile and amides such as dimethylformamide. These can be used alone or in combination of two or more.
電解液には、スルトン誘導体や環状スルホン酸エステルなどの有機スルホン系化合物、ジスルトン誘導体や環状ジスルホン酸エステルなどの有機ジスルホン系化合物、ビニレンカーボネート誘導体、エチレンカーボネート誘導体、エステル誘導体、2価フェノール誘導体、エチレングリコール誘導体、テルフェニル誘導体、ホスフェート誘導体などの添加剤を添加してもよい。これらは負極活物質の表面に被膜を形成し、電池におけるガス発生が低減され、更に容量維持率の向上を図ることができる。 The electrolyte includes organic sulfone compounds such as sultone derivatives and cyclic sulfonate esters, organic disulfone compounds such as disulfone derivatives and cyclic disulfonate esters, vinylene carbonate derivatives, ethylene carbonate derivatives, ester derivatives, divalent phenol derivatives, ethylene Additives such as glycol derivatives, terphenyl derivatives, and phosphate derivatives may be added. These form a film on the surface of the negative electrode active material, reduce gas generation in the battery, and further improve the capacity retention rate.
有機スルホン系化合物としては、例えば、1,3−プロパンスルホン(飽和スルトン)、1,3−プロペンスルトン(不飽和スルトン)を挙げることができる。また、有機ジスルホン系化合物としては、例えば、メタンジスルホン酸メチレンを挙げることができる。ビニレンカーボネート誘導体としては、例えば、ビニレンカーボネート(VC)を挙げることができる。また、エチレンカーボネート誘導体としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を挙げることができる。更に、エステル誘導体としては、例えば、4−ビフェニリルアセテート、4−ビフェニリルベンゾエート、4−ビフェニリルベンジルカルボキシレート、2−ビフェニリルプロピオネートを挙げることができる。また、2価フェノール誘導体としては、例えば、1,4−ジフェノキシベンゼン、1,3−ジフェノキシベンゼンを挙げることができる。更に、エチレングリコール誘導体としては、例えば、1,2−ジフェノキシエタン、1−(4−ビフェニリルオキシ)−2−フェノキシエタン、1−(2−ビフェニリルオキシ)−フェノキシエタンを挙げることができる。また、テルフェニル誘導体としては、例えば、o−テルフェニル、m−テルフェニル、p−テレフェニル、2−メチル−o−テルフェニル、2,2−ジメチル−o−テルフェニルを挙げることができる。更に、ホスフェート誘導体としては、例えば、トリフェニルホスフェートを挙げることができる。 Examples of the organic sulfone compounds include 1,3-propanesulfone (saturated sultone) and 1,3-propene sultone (unsaturated sultone). Examples of organic disulfone compounds include methylene methanedisulfonate. Examples of the vinylene carbonate derivative include vinylene carbonate (VC). Moreover, as an ethylene carbonate derivative, fluoroethylene carbonate (FEC) can be mentioned, for example. Furthermore, examples of the ester derivative include 4-biphenylyl acetate, 4-biphenylyl benzoate, 4-biphenylyl benzyl carboxylate, and 2-biphenylyl propionate. Examples of the divalent phenol derivative include 1,4-diphenoxybenzene and 1,3-diphenoxybenzene. Furthermore, examples of the ethylene glycol derivative include 1,2-diphenoxyethane, 1- (4-biphenylyloxy) -2-phenoxyethane, and 1- (2-biphenylyloxy) -phenoxyethane. . Examples of the terphenyl derivative include o-terphenyl, m-terphenyl, p-terephenyl, 2-methyl-o-terphenyl, and 2,2-dimethyl-o-terphenyl. Further, examples of the phosphate derivative include triphenyl phosphate.
セパレーターとしては、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィンからなる微多孔膜や多孔質の平板、更には不織布を挙げることができる。 Examples of the separator include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP), a porous flat plate, and a nonwoven fabric.
本発明に係るリチウムイオン二次電池用の正極が、内部短絡時等に発揮する発熱抑制作用は結着材に含まれるPTC機能付与成分の融点降下作用に起因すると考えられる。そこで、以下にその典型的な具体例を挙げて説明する。
[参考例1〜34] DSCによる非水電解質共存下での結着材の融点測定
<PTC機能付与成分一覧表>
PTC機能付与成分として用いた化合物の一覧表を以下の表1に示す。
[Reference Examples 1 to 34] Measurement of melting point of binder in the presence of non-aqueous electrolyte by DSC <List of components imparting PTC function>
Table 1 below shows a list of compounds used as PTC function-imparting components.
<サンプル調製>
PVDFと種々のPTC機能付与成分(粉末)とを、所定の割合にてメノウ乳鉢を用いて約15分混合した。例えば、PVDF(粉末)とPTC機能付与成分(粉末)との混合比が1:1の場合、それぞれ0.1gを秤量して混合した。この混合粉末を常温(25℃)で10時間以上真空乾燥した。
予め秤量しておいたDSC測定用のSUS−PANに、上記試料3mgを秤量し投入した。続いて、電解液(1M−LiPF6/3EC7EMC)6mgを、上記SUS−PANへ追加した(重量比で粉:電解液=1:2)。その際、目視で粉体がほぼ全て液に浸漬している状態になっていることを確認した。素早く蓋(予め秤量)をセット(秤量)し、専用プレスで密閉シールした。
<Sample preparation>
PVDF and various PTC function-imparting components (powder) were mixed at a predetermined ratio for about 15 minutes using an agate mortar. For example, when the mixing ratio of PVDF (powder) and PTC function-imparting component (powder) was 1: 1, 0.1 g was weighed and mixed. This mixed powder was vacuum dried at room temperature (25 ° C.) for 10 hours or more.
3 mg of the sample was weighed and put into SUS-PAN for DSC measurement weighed in advance. Subsequently, 6 mg of an electrolytic solution (1M-LiPF 6 / 3EC7EMC) was added to the SUS-PAN (powder: electrolytic solution = 1: 2 by weight ratio). At that time, it was visually confirmed that almost all of the powder was immersed in the liquid. The lid (weighed in advance) was quickly set (weighed) and hermetically sealed with a dedicated press.
<測定>
日立ハイテクサイエンス製高感度型示差走査熱量計DSC7000X装置を用い、走査速度5℃/分、室温→210℃の条件で融解温度を測定した。
<Measurement>
Using a high-sensitivity differential scanning calorimeter DSC7000X manufactured by Hitachi High-Tech Science, the melting temperature was measured under conditions of a scanning speed of 5 ° C./min and room temperature → 210 ° C.
<結果> <Result>
参考例1〜34で用いたPVDFのメーカー名及び商品名と、比較例としてDSCで測定したPVDF単独の溶融温度を示す。
表3に、結着成分(PVDF)75質量%とPTC機能付与成分25質量%、又はそれぞれ50質量%ずつを混合した時の融解開始温度及びピーク温度(融点)を表に示す。
表2及び3に示したように、上記PVDFとPTC機能付与成分との混合物は、約70℃から融解が始まり、90℃〜130℃付近にピーク温度を有することが分かった。
また、実施例1、2及び比較例2で測定した試料のDSCチャートを図3に示す。図3に示した結果から、PTC機能付与成分の添加によって、結着成分であるPVDFの溶融開始温度及び融点が明らかに低下していることが分かる。
As shown in Tables 2 and 3, it was found that the mixture of the PVDF and the PTC function-imparting component started melting at about 70 ° C and had a peak temperature in the vicinity of 90 ° C to 130 ° C.
Moreover, the DSC chart of the sample measured in Example 1, 2 and Comparative Example 2 is shown in FIG. From the results shown in FIG. 3, it can be seen that the melting start temperature and melting point of PVDF, which is a binder component, are clearly reduced by the addition of the PTC function-imparting component.
[実施例1]
正極作製(下層)
1.スラリー調製(A)
スラリー調製は5Lのプラネタリーディスパを用いた。
NCM523(Umicore社製、組成式 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)920gと、Super−P(TIMCAL社製導電性カーボン)20g、KS−6(TIMREX社製鱗片状黒鉛)20gを10分間混合した後、N−メチルピロリドン(NMP)を50g加え更に20分間混合した。
次いで、BMI−1000/BTA=2/1の混合物10gをNMPに溶解した10%−溶液100gと8%−PVDF溶液(クレハ製PVDFW#7200をNMPに溶解)125gを加えて、30分間混練した後、更に、BMI−1000/BTA=2/1の混合物10gをNMPに溶解した10%−溶液100gと8%−PVDF溶液125gを加えて30分間混練した。その後、粘度調整のためNMP106gを加えて30分間混合した後、真空脱泡30分間を行った。こうして固形分濃度60%のスラリーを調製した。
[Example 1]
Positive electrode fabrication (lower layer)
1. Slurry preparation (A)
The slurry preparation used 5 L planetary dispa.
NCM523 (made by Umicore, composition formula LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 ) 920 g, Super-P (conductive carbon made by TIMCAL) 20 g, KS-6 (flaky graphite made by TIMREX) After mixing 20 g for 10 minutes, 50 g of N-methylpyrrolidone (NMP) was added and further mixed for 20 minutes.
Next, 10 g of a BMI-1000 / BTA = 2/1 mixture dissolved in NMP (100 g) and an 8% -PVDF solution (Kureha PVDFW # 7200 dissolved in NMP) (125 g) were added and kneaded for 30 minutes. Thereafter, 100 g of a 10% solution obtained by dissolving 10 g of a BMI-1000 / BTA = 2/1 solution in NMP and 125 g of an 8% -PVDF solution were added and kneaded for 30 minutes. Thereafter, 106 g of NMP was added to adjust the viscosity and mixed for 30 minutes, followed by vacuum defoaming for 30 minutes. Thus, a slurry having a solid content concentration of 60% was prepared.
2.塗工・乾燥
スラリー塗工にはダイコーターを用いた。乾燥後の塗布重量が3.0mg/cm2(塗布厚みが約15μm)になるように、上記スラリーをアルミ箔(厚み20μm、幅200mm)の片面に塗布し乾燥した。次いで、反対面(未塗工面)に、同様に塗布重量が3.0mg/cm2になるように、上記スラリーをアルミ箔に塗布し乾燥した。
2. Coating / Drying A die coater was used for slurry coating. The slurry was applied to one side of an aluminum foil (
正極作製(上層)
1.スラリー調製(B)
スラリー調製は5Lのプラネタリーディスパを用いた。
NCM523(Umicore社製、組成式 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)920gと、Super−P(TIMCAL社製導電性カーボン)20g、KS−6(TIMREX社製鱗片状黒鉛)20gを10分間混合した後、N−メチルピロリドン(NMP)を50g加え更に20分間混合した。
Positive electrode fabrication (upper layer)
1. Slurry preparation (B)
The slurry preparation used 5 L planetary dispa.
NCM523 (made by Umicore, composition formula LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 ) 920 g, Super-P (conductive carbon made by TIMCAL) 20 g, KS-6 (flaky graphite made by TIMREX) After mixing 20 g for 10 minutes, 50 g of N-methylpyrrolidone (NMP) was added and further mixed for 20 minutes.
次いで、8%−PVDF溶液(クレハ製PVDFW#7200をNMPに溶解)230gを加えて、30分間混練した後、更に8%−PVDF溶液230gを加えて30分間混練した。次いで、NMPに溶解した溶液を100g加えて30分間混練した。その後、真空脱泡30分間を行った。こうして固形分濃度62%のスラリーを調製した。 Next, 230 g of 8% -PVDF solution (Kureha PVDFW # 7200 dissolved in NMP) was added and kneaded for 30 minutes, and then 230 g of 8% -PVDF solution was added and kneaded for 30 minutes. Next, 100 g of a solution dissolved in NMP was added and kneaded for 30 minutes. Thereafter, vacuum defoaming was performed for 30 minutes. Thus, a slurry having a solid content concentration of 62% was prepared.
2.塗工・乾燥
スラリー塗工にはダイコーターを用いた。乾燥後の塗布重量が17.0mg/cm2(塗布厚みが約85μm、片面塗布量合計20.0mg/cm2)になるように、上記スラリーを下層が塗布されたシートの片面に塗布し乾燥した。次いで、反対面に、同様に塗布重量が17.0mg/cm2になるように、上記スラリーを塗布し乾燥した。
こうして得た両面塗工した正極ロールを、真空乾燥オーブンで130℃、12時間乾燥した。
2. Coating / Drying A die coater was used for slurry coating. The slurry is applied to one side of the sheet coated with the lower layer so that the coating weight after drying is 17.0 mg / cm 2 (the coating thickness is about 85 μm, the total coating amount on one side is 20.0 mg / cm 2 ) and dried. did. Next, the slurry was applied to the opposite surface in the same manner so that the coating weight was 17.0 mg / cm 2 and dried.
The double-sided positive electrode roll thus obtained was dried in a vacuum drying oven at 130 ° C. for 12 hours.
3.プレス
35トンプレス機を用いた。上下ロールのギャップ(隙間)を調整し、上記正極をプレス密度が2.9±0.05g/cm3になるように圧縮した(プレス後の塗布厚みは約75μm)。
3. Press A 35-ton press was used. The gap (gap) between the upper and lower rolls was adjusted, and the positive electrode was compressed so that the press density was 2.9 ± 0.05 g / cm 3 (the coating thickness after pressing was about 75 μm).
4.スリット
電極塗布面積(表面:56mm×334mm、裏:56mm×408mm)とタブ溶接余白が得られるように電極をスリットし正極C−1を得た。
4). Slit The electrode was slit to obtain a positive electrode C-1 so that an electrode application area (surface: 56 mm × 334 mm, back: 56 mm × 408 mm) and a tab welding margin were obtained.
負極作製
1.スラリー調製
スラリー調製は5Lのプラネタリーディスパを用いた。
天然黒鉛930gと、Super−P(導電性カーボン、BET比表面積62m2/g)1gを10分間混合した後、NMPを500g加え更に20分間混合した。次いで、8%−PVDF溶液(PVDFをNMPに溶解)500gを加えて30分間混練した後、更に8%−PVDF溶液250gを加えて30分間混練した。その後、粘度調整のためNMP32gを加えて30分間混合した後、真空脱泡30分間を行った。こうして固形分濃度45%のスラリーを調製した。
Production of negative electrode Slurry preparation A 5 L planetary dispa was used for slurry preparation.
After mixing 930 g of natural graphite and 1 g of Super-P (conductive carbon, BET specific surface area 62 m 2 / g) for 10 minutes, 500 g of NMP was added and further mixed for 20 minutes. Next, 500 g of 8% -PVDF solution (PVDF dissolved in NMP) was added and kneaded for 30 minutes, and then 250 g of 8% -PVDF solution was further added and kneaded for 30 minutes. Thereafter, 32 g of NMP was added to adjust the viscosity and mixed for 30 minutes, followed by vacuum defoaming for 30 minutes. Thus, a slurry having a solid content concentration of 45% was prepared.
2.塗工・乾燥
スラリー塗工にはダイコーターを用いた。
乾燥後の塗布重量が11.0mg/cm2になるように、上記スラリーを銅箔(厚み10μm)の片面に塗布し乾燥した。次いで、反対面(未塗工面)に、同様に塗布重量が11.0mg/cm2になるように、上記スラリーを銅箔に塗布し乾燥した。こうして得た両面塗工(22.0mg/cm2)した負極ロールを、真空乾燥オーブンで120℃、12時間乾燥した。
2. Coating / Drying A die coater was used for slurry coating.
The slurry was applied to one side of a copper foil (
3.プレス
小型プレス機を用いた。
上下ロールのギャップ(隙間)を調整し、上記負極をプレス密度が1.45±0.05g/cm3になるように圧縮した。
3. Press A small press was used.
The gap (gap) between the upper and lower rolls was adjusted, and the negative electrode was compressed so that the press density was 1.45 ± 0.05 g / cm 3 .
4.スリット
電極塗布面積(表面:58mm×372mm、裏面:58mm×431mm)とタブ溶接余白が得られるように電極をスリットし、負極A−1を得た。
4). Slit The electrode was slit so that an electrode application area (front surface: 58 mm × 372 mm, back surface: 58 mm × 431 mm) and a tab welding margin were obtained, and negative electrode A-1 was obtained.
電池作製
捲回型電池(設計容量1Ah)
1.捲回
セパレーターには、空隙率45%、厚み25μmのポリエチレン製多孔質膜(60.5mm×450mm)を用いた(S−1)。
負極A−1(表面/裏面)とセパレーター(S−1)と正極C−1(裏面/表面)とセパレーター(S−1)を重ねて捲回した後プレス成型した。次いで、正極C−1の余白部分にアルミニウム製タブを超音波接合機で接合し、負極A−1の余白部分にニッケル製タブを超音波接合機で接合した。これをラミネートシートで挟み込み、3辺を加熱シールした。
Battery fabrication Winding type battery (design capacity 1Ah)
1. For the winding separator, a polyethylene porous membrane (60.5 mm × 450 mm) having a porosity of 45% and a thickness of 25 μm was used (S-1).
The negative electrode A-1 (front surface / back surface), the separator (S-1), the positive electrode C-1 (back surface / front surface), and the separator (S-1) were wound and pressed. Next, an aluminum tab was joined to the blank portion of the positive electrode C-1 with an ultrasonic bonding machine, and a nickel tab was joined to the blank portion of the negative electrode A-1 with an ultrasonic bonding machine. This was sandwiched between laminate sheets and heat-sealed on the three sides.
2.電解液注液
電解液注液前に、上記を真空乾燥機にて、70℃×12h減圧乾燥した。電解液(1mol−LiPF6、EC/DEC=3/7(vol.比)、添加剤VC 1.0重量%)4.7±0.1gを注液した後、真空引きしながら加熱シールした。
2. Electrolyte Injection Before the electrolyte injection, the above was dried under reduced pressure at 70 ° C. × 12 h in a vacuum dryer. An electrolyte solution (1 mol-LiPF 6 , EC / DEC = 3/7 (vol. Ratio), additive VC 1.0 wt%) 4.7 ± 0.1 g was injected, and then heat-sealed while evacuating. .
3.活性化処理
電解液注液後の電池を24h保持した。次いで、0.05Cで4h定電流充電(0.05C−CC)した後12h休止した。その後、0.1Cで4.2Vまで定電流定電圧充電(0.1C−CCCV)し、30分間休止した後、2.8Vまで0.1Cで定電流放電(0.1C−CC)した。更に、充放電サイクル(0.1C−CCCVで4.2Vの充電と、0.1C−CCで2.8Vの放電)を5回繰り返した後、4.2V(SOC100%)の満充電にした状態で、25℃、5日間保存した。こうして電池D−1を得た。
3. Activation treatment The battery after electrolyte injection was maintained for 24 hours. Next, the battery was charged at a constant current of 0.05 C for 4 hours (0.05 C-CC) and then rested for 12 hours. Thereafter, the battery was charged with constant current and constant voltage (0.1C-CCCV) at 0.1 C to 4.2 V, paused for 30 minutes, and then discharged with constant current (0.1 C-CC) at 0.1 C up to 2.8 V. Furthermore, after charging / discharging cycle (4.2V charging at 0.1C-CCCV and 2.8V discharging at 0.1C-CC) was repeated 5 times, the battery was fully charged at 4.2V (
[実施例2]
実施例1と同様にして作製した正極ロールを、電極塗布面積(表面および裏面:174mm×94mm)とタブ溶接余白が得られるように電極をスリットし正極C−2を得た。
実施例1と同様にして作製した負極ロールを、電極塗布面積(表面および裏面:180mm×100mm)とタブ溶接余白が得られるように電極をスリットし正極C−2を得た。
[Example 2]
A positive electrode roll produced in the same manner as in Example 1 was slit to obtain a positive electrode C-2 so that an electrode application area (front and back surfaces: 174 mm × 94 mm) and a tab welding margin were obtained.
A negative electrode roll produced in the same manner as in Example 1 was slit to obtain a positive electrode C-2 so that an electrode application area (front and back surfaces: 180 mm × 100 mm) and a tab welding margin were obtained.
電池作製
積層型電池(設計容量5Ah)
正極C−2の余白部分にアルミニウム製タブを超音波接合機で接合した。負極A−2の余白部分にニッケル製タブを超音波接合機で接合した。
Battery fabrication Multi-layer battery (design capacity 5Ah)
An aluminum tab was joined to the blank portion of the positive electrode C-2 with an ultrasonic joining machine. A nickel tab was joined to the blank portion of the negative electrode A-2 with an ultrasonic joining machine.
1.積層
セパレーターには、空隙率45%、厚み25μmのポリエチレン製多孔質膜(183mm×100mm)を用いた(S−2)。
負極A−2とセパレーター(S−2)と正極C−2とセパレーター(S−2)と負極A−2の順に、正極5層と負極6層になるよう交互に積層した。次いで、ラミネートシートで挟み込み、3辺を加熱シールした。
1. As the laminated separator, a polyethylene porous membrane (183 mm × 100 mm) having a porosity of 45% and a thickness of 25 μm was used (S-2).
The negative electrode A-2, the separator (S-2), the positive electrode C-2, the separator (S-2), and the negative electrode A-2 were laminated in this order so as to form a positive electrode 5 layer and a negative electrode 6 layer. Subsequently, the laminate sheet was sandwiched and heat-sealed on the three sides.
2.電解液注液
電解液注液前に、上記を真空乾燥機にて、70℃×12h減圧乾燥した。電解液(1mol−LiPF6、EC/DEC=3/7(vol.比)、添加剤VC 1.0重量%)19.6±0.3gを注液した後、真空引きしながら加熱シールした。
3.活性化処理
実施例1と同様にして、活性化処理を行い、電池D−2を得た。
2. Electrolyte Injection Before the electrolyte injection, the above was dried under reduced pressure at 70 ° C. × 12 h in a vacuum dryer. 19.6 ± 0.3 g of electrolyte (1 mol-LiPF 6 , EC / DEC = 3/7 (vol. Ratio), additive VC 1.0 wt%) was injected, and then heat-sealed while evacuating. .
3. Activation treatment An activation treatment was performed in the same manner as in Example 1 to obtain a battery D-2.
[試験例1及び比較試験例1]
実施例1で作製した捲回型電池(設計容量1Ah)を用いて釘刺し試験を行った。直径6mmの釘を、速度20mm/秒で電池(セル)の中部に刺し込み、電池容器の内部において正極と負極とを短絡させた。電池の破裂、膨張並びに電池からの発火及び発煙の有無を調べた結果、同一仕様で作製した電池を用いて行った10回の釘刺し試験のうち発火が認められたのは3回のみであり、残りの7回はわずかに発煙しただけであった。
比較試験例1としては、実施例1においてBMI−1000/BTA=2/1の混合物を添加せずにPVDFのみを結着材として用いた正極を塗布して捲回型電池(設計容量1Ah)を作製した。同様の釘刺し試験を行ったところ、10回中5回において発火が認められた。
[Test Example 1 and Comparative Test Example 1]
A nail penetration test was performed using the wound battery (design capacity 1 Ah) produced in Example 1. A nail having a diameter of 6 mm was inserted into the middle part of the battery (cell) at a speed of 20 mm / second, and the positive electrode and the negative electrode were short-circuited inside the battery container. As a result of investigating the presence or absence of battery rupture and expansion, and ignition and smoke from the battery, ignition was recognized only 3 times out of 10 nail penetration tests conducted using the battery manufactured with the same specifications. The remaining 7 times only smoked slightly.
As Comparative Test Example 1, a positive electrode using only PVDF as a binder was applied without adding a mixture of BMI-1000 / BTA = 2/1 in Example 1, and a wound battery (design capacity 1 Ah) Was made. When a similar nail penetration test was performed, ignition was observed in 5 out of 10 times.
[試験例2]
実施例1のBMI−1000/BTA=2/1の混合物の代りにPMMA(分子量15,000)を用いて、実施例2に記載の方法で作製した積層型電池(設計容量5Ah)を用いて、試験例1と同様の釘刺し試験(釘の直径6mm、釘刺し速度20mm/秒)を行った。その結果、10回中一度も発火が認められなかった。本試験例でも上記比較試験例1と比べて明らかな違いが認められた。
[Test Example 2]
Using PMMA (molecular weight 15,000) instead of the mixture of BMI-1000 / BTA = 2/1 in Example 1 and using a stacked battery (design capacity 5 Ah) manufactured by the method described in Example 2. The same nail penetration test (nail diameter 6 mm,
[試験例3及び比較試験例2]
実施例1の正極活物質であるNCM523の代わりにNCAを用い、BMI−1000/BTA=2/1の混合物の代りにBMI−1000を用いて作製した捲回型電池(設計容量1Ah)を用いて、試験例1と同様の釘刺し試験(釘の直径3mm、釘刺し速度10mm/秒)を行った。その結果、10回中6回で発火が認められた。これに対し、比較試験例2として、実施例1の正極活物質であるNCM523の代わりにNCAを用い、BMI−1000/BTA=2/1の混合物を添加せずにPVDFのみを結着材として用いた正極を塗布した捲回型電池(設計容量1Ah)では、10回中すべてに発火が認められ、発熱性の明らかな違いが認められた。
[Test Example 3 and Comparative Test Example 2]
A wound battery (design capacity: 1 Ah) manufactured using NCA instead of NCM523 which is the positive electrode active material of Example 1 and using BMI-1000 instead of the mixture of BMI-1000 / BTA = 2/1 is used. Then, the same nail penetration test as in Test Example 1 (nail diameter 3 mm,
10、20 正極
11、22 層A
12、21 層B
13、23 正極集電体
14、24 正極合剤層
15、25 釘
10, 20
12, 21 layer B
13, 23 Cathode
Claims (10)
前記正極合剤層は、正極活物質、導電助剤及び結着成分を含む層Aと、正極活物質、導電助剤、結着成分及びPTC機能付与成分を含む層Bと、を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。 A positive electrode for a lithium ion secondary battery comprising a current collector and a positive electrode mixture layer applied on the current collector,
The positive electrode mixture layer includes a layer A including a positive electrode active material, a conductive additive and a binder component, and a layer B including a positive electrode active material, a conductive additive, a binder component and a PTC function-imparting component. A positive electrode for a lithium ion secondary battery.
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