JP2020068123A - 電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】高レート及び高安全性を両立させる。【解決手段】セパレータ３００は、基材３１０及び絶縁層３２０を含んでいる。絶縁層３２０は、基材３１０の両面（第１面３１２及び第２面３１４）上にある。活物質層１２２、活物質層１２４、活物質層２２２及び活物質層２２４のそれぞれは、６０μｍ以下の厚さを有している。基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さ（基材３１０の第１面３１２上の絶縁層３２０（絶縁層３２２）の厚さ及び基材３１０の第２面３１４上の絶縁層３２０（絶縁層３２４）の厚さの合計）の比は、１．５０以上３．００以下となっている。【選択図】図３

Description

本発明は、電池に関する。
電池の一種として、二次電池、特に、非水電解質二次電池が開発されている。非水電解質二次電池は、正極、負極及びセパレータを含んでいる。セパレータは、正極及び負極の間に位置している。
特許文献１には、セパレータの一例について記載されている。セパレータは、ポリエチレン微多孔膜及びポリエチレン微多孔膜の両面上の耐熱性多孔質層を含んでいる。耐熱性多孔質層は、ポリメタフェニレンイソフタルアミド及び水酸化アルミニウムからなる無機フィラーを含んでいる。
特許文献２には、セパレータの一例について記載されている。セパレータは、ポリエチレン微多孔膜及びポリエチレン微多孔膜の両面上の多孔質層を含んでいる。多孔質層は、メタ型全芳香族ポリアミド及びα−アルミナからなる無機フィラーを含んでいる。
特許文献３及び４には、セパレータの一例について記載されている。セパレータは、ポリエチレン多孔質フィルム及びポリエチレン多孔質フィルム上の耐熱多孔層を含んでいる。耐熱多孔層は、液晶ポリエステル及びアルミナ粒子を含んでいる。
特許文献５には、電池の圧壊試験の耐性を向上させることについて記載されている。特許文献５では、圧壊試験の耐性を向上させるため、正極の引張伸び率、負極の引張伸び率及びセパレータの引張伸び率を特定している。
特開２００９−２３１２８１号公報 特開２０１０−１６０９３９号公報 特開２００８−３１１２２１号公報 特開２００８−３０７８９３号公報 特開２０１０−１６５６６４号公報
本発明者は、電池において、高レート及び高安全性の両立が困難な場合があることを見出した。具体的には、本発明者は、高レートのため電極（例えば、正極又は負極）の活物質層の厚さを薄くすると、電池の釘刺し試験の耐性（つまり、安全性）が低下し得ることを見出した。
本発明の目的の一例は、高レート及び高安全性を両立させることにある。本発明の他の目的は、本明細書の開示から明らかになるであろう。
本発明の一態様によれば、
正極又は負極として機能可能な電極と、
基材と、絶縁層と、を含むセパレータと、
を含み、
前記電極は、第１面及び前記第１面の反対側の第２面を有する集電体と、前記集電体の前記第１面上に位置し、６０μｍ以下の厚さを有する活物質層と、を含み、
前記基材の厚さに対する前記絶縁層の厚さの比が１．５０以上３．００以下である、電池が提供される。
本発明の上述した一態様によれば、高レート及び高安全性を両立させることができる。
実施形態に係る電池の上面図である。 図１のＡ−Ａ´断面図である。 図２の一部分を拡大した図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１は、実施形態に係る電池１０の上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ´断面図である。図３は、図２の一部分を拡大した図である。図２では、説明のため、図１に示した外装材４００を示していない。
図３を用いて、電池１０の概要を説明する。電池１０は、正極１００、負極２００及びセパレータ３００を含んでいる。セパレータ３００は、基材３１０及び絶縁層３２０を含んでいる。図３に示す例では、絶縁層３２０は、基材３１０の両面（第１面３１２及び第２面３１４）上にある。正極１００は、集電体１１０、活物質層１２２及び活物質層１２４を含んでいる。集電体１１０は、第１面１１２及び第２面１１４を有している。第２面１１４は、第１面１１２の反対側にある。活物質層１２２及び活物質層１２４は、それぞれ、集電体１１０の第１面１１２上及び第２面１１４上に位置している。負極２００は、集電体２１０、活物質層２２２及び活物質層２２４を含んでいる。集電体２１０は、第１面２１２及び第２面２１４を有している。第２面２１４は、第１面２１２の反対側にある。活物質層２２２及び活物質層２２４は、それぞれ、集電体２１０の第１面２１２上及び第２面２１４上に位置している。活物質層１２２、活物質層１２４、活物質層２２２及び活物質層２２４のそれぞれは、６０μｍ以下の厚さを有している。基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さ（図３に示す例では、基材３１０の第１面３１２上の絶縁層３２０（絶縁層３２２）の厚さ及び基材３１０の第２面３１４上の絶縁層３２０（絶縁層３２４）の厚さの合計）の比は、１．５０以上３．００以下となっている。
上述した構成によれば、高レート及び高安全性を両立させることができる。具体的には、上述した構成においては、各電極（正極１００又は負極２００）の各活物質層（活物質層１２２、活物質層１２４、活物質層２２２又は活物質層２２４）は、高レートのため、上述したように薄くなっている。詳細には、活物質層の両面（集電体側の面及び反対側の面）間の距離が短いほど、活物質層の両面間の電気抵抗が小さくなり、これによって一定電圧下において活物質層の両面間に大電流を流すことができる。本発明者は、活物質層の厚さが薄いと、活物質層の両面間の低抵抗によって釘刺し試験耐性（すなわち、安全性）が低下する場合があることを見出した。本発明者は、釘刺し試験耐性を向上させるための構造を検討し、その結果、基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比に着目し、この比が上述した範囲にある場合に釘刺し試験耐性が向上することを見出した。
図３に示す例では、絶縁層３２０は、基材３１０の両面（第１面３１２及び第２面３１４）上にある。他の例において、絶縁層３２０は、基材３１０の両面（第１面３１２及び第２面３１４）のうちの一方のみにあってもよい。この例においても、基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比は、１．５０以上３．００以下とすることができる。
図１を用いて、電池１０の詳細を説明する。
電池１０は、第１リード１３０、第２リード２３０及び外装材４００を含んでいる。
第１リード１３０は、図２に示す正極１００に電気的に接続されている。第１リード１３０は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成させてもよい。
第２リード２３０は、図２に示す負極２００に電気的に接続されている。第２リード２３０は、例えば、銅若しくは銅合金又はそれらにニッケルメッキを施したもので形成させてもよい。
図１に示す例において、外装材４００は、４辺を有する矩形形状を有している。図１に示す例において、第１リード１３０及び第２リード２３０は、外装材４００の４辺のうちの共通の１辺から突出している。他の例において、第１リード１３０及び第２リード２３０は、外装材４００の４辺のうちの異なる辺（例えば、互いに反対側の辺）から突出していてもよい。
外装材４００は、図２に示す積層体１２を電解液（不図示）とともに収容している。
外装材４００は、例えば、熱融着性樹脂層及びバリア層を含み、例えば、熱融着性樹脂層及びバリア層を含む積層フィルムにしてもよい。
熱融着性樹脂層を形成する樹脂材料は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等にしてもよい。熱融着性樹脂層の厚さは、例えば、２０μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以上１００μｍ以下である。
バリア層は、例えば、電解液の漏出又は外部からの水分の侵入防止といったバリア性を有しており、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）箔、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、チタン箔等の金属により形成されたバリア層にしてもよい。バリア層の厚さは、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは２０μｍ以上８０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以上５０μｍ以下である。
積層フィルムの熱融着性樹脂層は、１層であってもよいし、又は２層以上であってもよい。同様にして、積層フィルムのバリア層は、１層であってもよいし、又は２層以上であってもよい。
電解液は、例えば、非水電解液である。この非水電解液は、リチウム塩及びリチウム塩を溶解する溶媒を含んでいてもよい。
リチウム塩は、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＢ（Ｃ２Ｈ５）４、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、低級脂肪酸カルボン酸リチウム等にしてもよい。
リチウム塩を溶解する溶媒は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）等のカーボネート類；γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等のラクトン類；トリメトキシメタン、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類；ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類；１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン等のオキソラン類；アセトニトリル、ニトロメタン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド等の含窒素溶媒；ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の有機酸エステル類；リン酸トリエステルやジグライム類；トリグライム類；スルホラン、メチルスルホラン等のスルホラン類；３−メチル−２−オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類；１，３−プロパンスルトン、１，４−ブタンスルトン、ナフタスルトン等のスルトン類等にしてもよい。これらの物質は、単独で使用されてもよいし、又は組み合わせて使用されてもよい。
図２を用いて、積層体１２の詳細を説明する。
積層体１２は、複数の正極１００、複数の負極２００及びセパレータ３００を含んでいる。複数の正極１００及び複数の負極２００は、交互に積層されている。図２に示す例では、セパレータ３００は、隣り合う正極１００及び負極２００の間にセパレータ３００の一部分が位置するように、つづら折りに折り返されている。他の例において、互いに離間した複数のセパレータ３００が、隣り合う正極１００及び負極２００の間に位置していてもよい。
図３を用いて、正極１００、負極２００及びセパレータ３００のそれぞれの詳細を説明する。
正極１００は、集電体１１０及び活物質層１２０（活物質層１２２及び活物質層１２４）を含んでいる。集電体１１０は、第１面１１２及び第２面１１４を有している。第２面１１４は、第１面１１２の反対側にある。活物質層１２２は、集電体１１０の第１面１１２上にある。活物質層１２４は、集電体１１０の第２面１１４上にある。
集電体１１０は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン又はこれらの合金で形成させてもよい。集電体１１０の形状は、例えば、箔、平板又はメッシュにしてもよい。
活物質層１２０（活物質層１２２及び活物質層１２４）は、活物質、バインダー樹脂及び導電助剤を含んでいる。
活物質層１２０（活物質層１２２及び活物質層１２４）に含まれる活物質は、例えば、ＬｉＮｉａＭ１−ａＯ２（Ｍは、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎａ、Ｂａ及びＭｇの中から選ばれる少なくとも一種以上の元素である。）（例えば、リチウム−ニッケル複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン複合酸化物、リチウム−ニッケル−アルミニウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−ナトリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−バリウム−複合酸化物、リチウム−ニッケル−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−ナトリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−アルミニウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−ナトリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−アルミニウム−ナトリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−アルミニウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−アルミニウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−ナトリウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−ナトリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−バリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−アルミニウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−ナトリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム−ナトリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−ナトリウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−ナトリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−バリウム−ナトリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−アルミニウム−ナトリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−アルミニウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−アルミニウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−ナトリウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−ナトリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−バリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−アルミニウム−ナトリウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−アルミニウム−ナトリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−ナトリウム−バリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−アルミニウム−ナトリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−アルミニウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−アルミニウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−ナトリウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−ナトリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−バリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム−ナトリウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム−ナトリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−ナトリウム−ナリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−アルミニウム−ナトリウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−アルミニウム−ナトリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−ナトリウム−バリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−アルミニウム−ナトリウム−バリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−アルミニム−ナトリウム−バリウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−アルミニム−ナトリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−アルミニム−ナトリウム−バリウム−マグネシウム複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン−アルミニム−ナトリウム−バリウム-マグネシウム複合酸化物）である。ＬｉＮｉａＭ１−ａＯ２の組成比ａは、例えば電池１０のエネルギー密度に応じて適宜決定することができる。電池１０のエネルギー密度は、組成比ａが大きい高くなる。組成比ａは、例えば、ａ≧０．５０、好ましくはａ≧０．８０である。他の例において、活物質層１２０（活物質層１２２及び活物質層１２４）に含まれる活物質は、リチウム−コバルト複合酸化物、リチウム−マンガン複合酸化物等のリチウム及び遷移金属の複合酸化物；ＴｉＳ２、ＦｅＳ、ＭｏＳ２等の遷移金属硫化物；ＭｎＯ、Ｖ２Ｏ５、Ｖ６Ｏ１３、ＴｉＯ２等の遷移金属酸化物、オリビン型リチウムリン酸化物等であってもよい。オリビン型リチウムリン酸化物は、例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｎｂ及びＦｅからなる群のうちの少なくとも１種の元素と、リチウムと、リンと、酸素とを含んでいる。これらの化合物は、その特性を向上させるために一部の元素を部分的に他の元素に置換したものであってもよい。これらの物質は、単独で使用されてもよいし、又は組み合わせて使用されてもよい。
活物質層１２０（活物質層１２２及び活物質層１２４）に含まれる活物質の密度は、例えば、２．０ｇ／ｃｍ３以上４．０ｇ／ｃｍ３以下、好ましくは２．４ｇ／ｃｍ３以上３．８ｇ／ｃｍ３以下、より好ましくは２．８ｇ／ｃｍ３以上３．６ｇ／ｃｍ３以下である。
集電体１１０の両面（第１面１１２及び第２面１１４）のうちの一方の面上の活物質層（活物質層１２２又は活物質層１２４）の厚さは、例えば電池１０のレートに応じて適宜決定することができる。電池１０のレートは、当該厚さが薄いほど高くなる。当該厚さは、例えば、６０μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以下である。
集電体１１０の両面（第１面１１２及び第２面１１４）上の活物質層（活物質層１２２及び活物質層１２４）の厚さの合計は、例えば電池１０のレートに応じて適宜決定することができる。電池１０のレートは、当該厚さが薄いほど高くなる。当該厚さは、例えば、１２０μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは８０μｍ以下である。
活物質層１２０（活物質層１２２及び活物質層１２４）は、例えば次のようにして製造可能である。まず、活物質、バインダー樹脂及び導電助剤を有機溶媒中に分散させてスラリーを調製する。有機溶媒は、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）である。次いで、このスラリーを集電体１１０の第１面１１２上に塗布し、スラリーを乾燥させ、必要に応じてプレスを実施して、集電体１１０上に活物質層１２０（活物質層１２２）を形成する。活物質層１２４も同様にして形成可能である。
活物質層１２０（活物質層１２２及び活物質層１２４）に含まれるバインダー樹脂は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）である。
活物質層１２０（活物質層１２２又は活物質層１２４）に含まれるバインダー樹脂の量は、適宜決定することができる。活物質層１２２は、活物質層１２２の総質量１００質量部に対して、例えば、０．１質量部以上１０．０質量部以下、好ましくは０．５質量部以上５．０質量部以下、より好ましくは２．０質量部以上４．０質量部以下のバインダー樹脂を含んでいる。活物質層１２４についても同様である。
活物質層１２０（活物質層１２２及び活物質層１２４）に含まれる導電助剤は、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、天然黒鉛、人工黒鉛、炭素繊維等である。黒鉛は、例えば、鱗片状黒鉛又は球状黒鉛であってもよい。これらの物質は、単独で使用されてもよいし、又は組み合わせて使用されてもよい。
活物質層１２０（活物質層１２２又は活物質層１２４）に含まれる導電助剤の量は、例えば電池１０のサイクル特性に応じて適宜決定することができる。電池１０のサイクル特性は、活物質層１２０の導電助剤の量が大きいほど向上する。活物質層１２２は、活物質層１２０の総質量１００質量部に対して、例えば、３．０質量部以上８．０質量部以下、好ましくは５．０質量部以上６．０質量部以下の導電助剤を含んでいる。活物質層１２４についても同様である。
負極２００は、集電体２１０及び活物質層２２０（活物質層２２２及び活物質層２２４）を含んでいる。集電体２１０は、第１面２１２及び第２面２１４を有している。第２面２１４は、第１面２１２の反対側にある。活物質層２２２は、集電体２１０の第１面２１２上にある。活物質層２２４は、集電体２１０の第２面２１４上にある。
集電体２１０は、例えば、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン又はこれらの合金で形成させてもよい。集電体２１０の形状は、例えば、箔、平板又はメッシュにしてもよい。
活物質層２２０（活物質層２２２及び活物質層２２４）は、活物質及びバインダー樹脂を含んでいる。活物質層２２０は、必要に応じて、導電助剤をさらに含んでいてもよい。
活物質層２２０（活物質層２２２及び活物質層２２４）に含まれる活物質は、例えば、リチウムを吸蔵する黒鉛、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素材料；リチウム金属、リチウム合金等のリチウム系金属材料；Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘ（０＜ｘ≦２）、Ｓｉ含有複合材料等のＳｉ系材料；ポリアセン、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性ポリマー材料等である。これらの物質は、単独で使用されてもよいし、又は組み合わせて使用されてもよい。一例において、活物質層２２０（活物質層２２２及び活物質層２２４）は、第１平均粒径を有する第１群の黒鉛粒子（例えば、天然黒鉛）及び第２平均粒径を有する第２群の黒鉛粒子（例えば、天然黒鉛）を含んでいてもよい。第２平均粒径は第１平均粒径より小さくてもよく、第２群の黒鉛粒子の総質量は、第１群の黒鉛粒子の総質量より小さくてもよく、第２群の黒鉛粒子の総質量は、第１群の黒鉛粒子の総質量１００質量部に対して、例えば、２０質量部以上３０質量部以下であってもよい。
活物質層２２０（活物質層２２２及び活物質層２２４）に含まれる活物質の密度は、例えば、１．２ｇ／ｃｍ３以上２．０ｇ／ｃｍ３以下、好ましくは１．３ｇ／ｃｍ３以上１．９ｇ／ｃｍ３以下、より好ましくは１．４ｇ／ｃｍ３以上１．８ｇ／ｃｍ３以下である。
集電体２１０の両面（第１面２１２及び第２面２１４）のうちの一方の面上の活物質層（活物質層２２２又は活物質層２２４）の厚さは、例えば電池１０のレートに応じて適宜決定することができる。電池１０のレートは、当該厚さが薄いほど高くなる。当該厚さは、例えば、６０μｍ以下、好ましくは５５μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下である。
集電体２１０の両面（第１面２１２及び第２面２１４）上の活物質層（活物質層２２２及び活物質層２２４）の厚さの合計は、例えば電池１０のレートに応じて適宜決定することができる。電池１０のレートは、当該厚さが薄いほど高くなる。当該厚さは、例えば、１２０μｍ以下、好ましくは１１０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。
活物質層２２０（活物質層２２２及び活物質層２２４）は、例えば次のようにして製造可能である。まず、活物質及びバインダー樹脂を溶媒中に分散させてスラリーを調製する。溶媒は、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の有機溶媒であってもよいし、又は水であってもよい。次いで、このスラリーを集電体２１０の第１面２１２上に塗布し、スラリーを乾燥させ、必要に応じてプレスを実施して、集電体２１０上に活物質層２２０（活物質層２２２）を形成する。活物質層２２４も同様にして形成可能である。
活物質層２２０（活物質層２２２及び活物質層２２４）に含まれるバインダー樹脂は、スラリーを得るための溶媒として有機溶媒を用いた場合、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のバインダー樹脂にすることができ、スラリーを得るための溶媒として水を用いた場合、例えば、ゴム系バインダー（例えば、ＳＢＲ（スチレン・ブタジエンゴム））又はアクリル系バインダー樹脂にすることができる。このような水系バインダー樹脂は、エマルジョン形態にしてもよい。溶媒として水を用いる場合、水系バインダー及びＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）等の増粘剤を併用することが好ましい。
活物質層２２０（活物質層２２２又は活物質層２２４）に含まれるバインダー樹脂の量は、適宜決定することができる。活物質層２２２は、活物質層２２２の総質量１００質量部に対して、例えば、０．１質量部以上１０．０質量部以下、好ましくは０．５質量部以上８．０質量部以下、より好ましくは１．０質量部以上５．０質量部以下、さらにより好ましくは１．０質量部以上３．０質量部以下のバインダー樹脂を含んでいる。活物質層２２４についても同様である。
セパレータ３００は、基材３１０及び絶縁層３２０（絶縁層３２２及び絶縁層３２４）を含んでいる。基材３１０は、第１面３１２及び第２面３１４を有している。第２面３１４は、第１面３１２の反対側にある。絶縁層３２２は、基材３１０の第１面３１２上にある。絶縁層３２４は、基材３１０の第２面３１４上にある。
図３に示す例において、セパレータ３００は、基材３１０の両面（第１面３１２及び第２面３１４）上に絶縁層３２０（絶縁層３２２及び絶縁層３２４）を含んでいる。他の例において、セパレータ３００は、基材３１０の両面（第１面３１２及び第２面３１４）のうちの一方の面上のみに絶縁層３２０を含んでいてもよい。
セパレータ３００は、正極１００及び負極２００を電気的に絶縁させ、イオン（例えば、リチウムイオン）を透過させる機能を有している。セパレータ３００は、例えば、多孔性セパレータにすることができる。
セパレータ３００の形状は、正極１００又は負極２００の形状に応じて適宜決定することができ、例えば、矩形にすることができる。
基材３１０は、耐熱性樹脂を含む樹脂層を含んでいることが好ましい。樹脂層は、耐熱性樹脂を主成分として含んでおり、具体的には、樹脂層の総質量１００質量部に対して、５０質量部以上、好ましくは７０質量部以上、より好ましくは９０質量部以上の耐熱性樹脂を含んでおり、樹脂層の総質量１００質量部に対して１００質量部の耐熱性樹脂を含んでいてもよい。樹脂層は、単層であってもよいし、又は二種以上の層であってもよい。
耐熱性樹脂は、例えば、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフタレート、ポリカーボネート、ポリエステルカーボネート、脂肪族ポリアミド、全芳香族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、全芳香族ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリイミド、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、フッ素系樹脂、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル等から選択される一種又は二種以上である。
絶縁層３２０（絶縁層３２２及び絶縁層３２４）は、例えば以下のようにして製造可能である。まず、無機フィラー及び樹脂を溶媒中に分散させて溶液を調製する。溶媒は、例えば、水、エタノール等のアルコール類、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、トルエン、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等である。次いで、基材３１０の第１面３１２上に溶液を塗布して絶縁層３２０（絶縁層３２２）を形成する。絶縁層３２４も同様にして形成可能である。
絶縁層３２０（絶縁層３２２及び絶縁層３２４）に含まれる無機フィラーを形成する材料は、例えば、水酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、ベーマイト、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化バリウム、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化鉄等から選択される一種又は二種以上である。例えば釘刺し試験の耐性を向上させる観点から、当該材料は、水酸化マグネシウムであることが好ましい。
絶縁層３２０（絶縁層３２２及び絶縁層３２４）に含まれる樹脂は、例えば、メタ系アラミド、パラ系アラミド等のアラミド（芳香族ポリアミド）系樹脂；カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等のセルロース系樹脂；アクリル系樹脂；ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）等のフッ素系樹脂；等である。これらの中でも、アラミド（芳香族ポリアミド）系樹脂が好ましく、メタ系アラミドがより好ましい。これらの物質は、単独で使用されてもよいし、又は組み合わせて使用されてもよい。
基材３１０の厚さは、適宜決定することができ、例えば、５．０μｍ以上１０．０μｍ以下、好ましくは、６．０μｍ以上１０．０μｍ以下にすることができる。
絶縁層３２２の厚さ及び絶縁層３２４の厚さの合計は、適宜決定することができ、例えば、１０．０μｍ以上２０．０μｍ以下、好ましくは、１２．５μｍ以上１７．５μｍ以下にすることができる。
セパレータ３００の厚さは、適宜決定することができ、例えば、１５．０μｍ以上３０．０μｍ以下、好ましくは１６．０μｍ以上２７．５μｍ以下にすることができる。
図３に示す例では、正極１００、負極２００及びセパレータ３００は、正極１００の第１面１１２がセパレータ３００の第２面３１４に対向し、かつ負極２００の第２面２１４がセパレータ３００の第１面３１２に対向するように、互いに重なっている。
（実施例１）
以下のようにして電池１０を製造した。
正極１００を次のようにして形成した。まず、以下の材料を有機溶媒に分散させてスラリーを調製した。
活物質：９４．０質量部のリチウムニッケル含有複合酸化物（化学式：Ｌｉ（Ｎｉ０．８０Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）Ｏ２）
導電助剤：２．０質量部の球状黒鉛及び１．０質量部の鱗片状黒鉛
バインダー樹脂：３．０質量部のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）
次いで、このスラリーを１５μｍのアルミニウム箔（集電体１１０）の両面（第１面１１２及び第２面１１４）上に塗布し、スラリーを乾燥させ、プレスを実施して、活物質層１２０（活物質層１２２及び活物質層１２４）を形成した。活物質層１２２の活物質の密度は、３．３５ｇ／ｃｍ３であり、活物質層１２２の厚さは、３６．６μｍである。活物質層１２４の活物質の密度は、３．３５ｇ／ｃｍ３であり、活物質層１２４の厚さは、３６．６μｍである。
負極２００を次のようにして形成した。まず、以下の材料を水に分散させてスラリーを調製した。
活物質：７７．３６質量部の天然黒鉛（平均粒径：１６．０μｍ）及び１９．３４質量部の天然黒鉛（平均粒径：１０．５μｍ）
導電助剤：０．３質量部の球状黒鉛
バインダー樹脂：２．０質量部のスチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）
増粘剤：１．０質量部のカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）
次いで、このスラリーを８μｍの銅箔（集電体２１０）の両面（第１面２１２及び第２面２１４）上に塗布し、スラリーを乾燥させ、プレスを実施して、活物質層２２０（活物質層２２２及び活物質層２２４）を形成した。活物質層２２２の活物質の密度は、１．５５ｇ／ｃｍ３であり、活物質層２２２の厚さは、５０．０μｍである。活物質層２２４の活物質の密度は、１．５５ｇ／ｃｍ３であり、活物質層２２４の厚さは、５０．０μｍである。
セパレータ３００を次のようにして形成した。まず、以下の材料を溶媒中に分散させて溶液を調製した。
無機フィラー：水酸化マグネシウム
樹脂：メタ系アラミド
次いで、この溶液を６．０μｍのポリエチレンフィルム（基材３１０）の両面（第１面３１２及び第２面３１４）上に塗布して絶縁層３２０（絶縁層３２２及び絶縁層３２４）を形成した。絶縁層３２２の厚さ（８．０μｍ）及び絶縁層３２４の厚さ（８．０μｍ）の合計は、１６．０μｍである。
積層体１２を、図２に示すように、１４個の正極１００及び１４個の負極２００が交互に並び、かつセパレータ３００がつづら折りに折り返されるように、形成した。
電池１０を、図１に示すように、積層体１２を電解液とともに外装材４００に収容させて、製造した。電解液は、ＬｉＰＦ６を含んでいる。
電池１０について釘刺し試験を行った。具体的には、電池１０のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）につき満充電において、室温下で、直径３ｍｍの釘（ＳＵＳ３０４）を電池１０の中央に８０ｍｍ／ｓで刺した。以下の基準で電池１０の釘刺し試験耐性を評価した。
◎：試験開始から３分後の時点で発火が観察されなかった
○：試験開始から３分未満に発火が観察されなかった（試験開始から３分後の時点で発火が観察された）
×：試験開始から１０秒未満に発火が観察された
（実施例２）
実施例２は、基材３１０の厚さが９．０μｍであり、かつ絶縁層３２２の厚さ（８．０μｍ）及び絶縁層３２４の厚さ（８．０μｍ）の合計が１６．０μｍである点を除いて、実施例１と同様とした。
（比較例１）
比較例１は、基材３１０の厚さが７．５μｍであり、かつ絶縁層３２２の厚さ（３．７５μｍ）及び絶縁層３２４の厚さ（３．７５μｍ）の合計が７．５μｍである点を除いて、実施例１と同様とした。
（比較例２）
比較例２は、基材３１０の厚さが９．０μｍであり、かつ絶縁層３２２の厚さ（６．０μｍ）及び絶縁層３２４の厚さ（６．０μｍ）の合計が１２．０μｍである点を除いて、実施例１と同様とした。
表１は、実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２のそれぞれの結果を示している。
Figure 2020068123
表１に示す結果は、基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比に応じて釘刺し試験耐性の向上が可能なことを示唆する。具体的には、基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比が大きいほど、釘刺し試験耐性は向上しているといえる。実施例２の結果（基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比：約１．７８）から、基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比は、１．５０以上にしてよいといえる。実施例１の結果（基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比：約２．６７）から、基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比は、３．００以下にしてよいといえる。
基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比に応じて釘刺し試験耐性の向上が可能な理由は、次のように推定される。釘刺し試験では、釘を介して正極１００及び負極２００が短絡して釘から熱が発生し得る。釘が貫通して留まっている領域の周辺において、基材３１０は、釘から発生する熱によって、釘から離れるように収縮し得るのに対して、絶縁層３２０は、基材３１０の収縮を抑え得る。仮に、絶縁層３２０が基材３１０の収縮を十分に抑えることができずに基材３１０（すなわち、セパレータ３００全体）が収縮すると、釘の周辺において、正極１００及び負極２００が直接接触して発火し得る。これに対して、上述したように、基材３１０の厚さに対する絶縁層３２０の厚さの比が大きい場合（すなわち、基材３１０の厚さが小さく、絶縁層３２０の厚さが大きい場合）、基材３１０の収縮を絶縁層３２０によって抑えることができ、釘刺し試験耐性が向上し得る。
以上、図面を参照して本発明の実施形態及び実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
１０ 電池
１２ 積層体
１００ 正極
１１０ 集電体
１１２ 第１面
１１４ 第２面
１２０ 活物質層
１２２ 活物質層
１２４ 活物質層
１３０ 第１リード
２００ 負極
２１０ 集電体
２１２ 第１面
２１４ 第２面
２２０ 活物質層
２２２ 活物質層
２２４ 活物質層
２３０ 第２リード
３００ セパレータ
３１０ 基材
３１２ 第１面
３１４ 第２面
３２０ 絶縁層
３２２ 絶縁層
３２４ 絶縁層
４００ 外装材

Claims (5)

  1. 正極又は負極として機能可能な電極と、
    基材と、絶縁層と、を含むセパレータと、
    を含み、
    前記電極は、第１面及び前記第１面の反対側の第２面を有する集電体と、前記集電体の前記第１面上に位置し、６０μｍ以下の厚さを有する活物質層と、を含み、
    前記基材の厚さに対する前記絶縁層の厚さの比が１．５０以上３．００以下である、電池。
  2. 請求項１に記載の電池において、
    前記絶縁層は、水酸化マグネシウムを含む、電池。
  3. 請求項１又は２に記載の電池において、
    前記絶縁層は、芳香族ポリアミドをさらに含む、電池。
  4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の電池において、
    前記正極は、活物質層を含み、
    前記正極の前記活物質層は、前記正極の前記活物質層の総質量１００質量部に対して５．０質量部以上の導電助剤を含む、電池。
  5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の電池において、
    前記セパレータは、隣り合う前記正極及び前記負極の間に前記セパレータの一部分が位置するように、つづら折りに折り返されている、電池。
JP2018200252A 2018-10-24 2018-10-24 電池 Active JP7198041B2 (ja)

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