JP2022118649A - Separator used for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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本発明は、リチウムイオン二次電池に用いられるセパレータ、およびリチウムイオン二次電池に関する。詳しくは、基材と、該基材上に形成された耐熱層を備えるセパレータの、耐熱層の構成に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a separator used in a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery. More specifically, it relates to the structure of a heat-resistant layer of a separator comprising a base material and a heat-resistant layer formed on the base material.
近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、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)等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。 In recent years, secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries have been used in portable power sources such as personal computers and mobile terminals, and power sources for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). is preferably used for
上記のような用途の二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)は、典型的には、正極と、負極と、これらの間に介在して両極を離隔するセパレータを有する電極体を備えている。二次電池を安全に使用するために、例えば二次電池の充放電における正負極の短絡を抑制するための工夫が、従来から種々検討されている。特許文献1では、少なくとも負極に対向する面の正極表面を絶縁体で被覆することが提案されている。また、特許文献2では、セパレータに耐熱層を設けることが記載されている。 A secondary battery (for example, a lithium-ion secondary battery) for use as described above typically includes an electrode body having a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween to separate the two electrodes. . In order to use secondary batteries safely, various methods have been conventionally studied to suppress short-circuiting of positive and negative electrodes during charging and discharging of secondary batteries, for example. Patent Literature 1 proposes covering at least the surface of the positive electrode facing the negative electrode with an insulator. Further, Patent Literature 2 describes that a separator is provided with a heat-resistant layer.
ところで、二次電池に、短絡を防止するための従来の工夫を施すと、活物質におけるリチウムイオンの脱離/挿入を阻害することがあり、これは電池性能を低下させる要因となり得た。そのため、電池性能を低下させずに、短絡を防止する技術が要求されている。 By the way, when a secondary battery is conventionally devised to prevent a short circuit, the detachment/insertion of lithium ions in the active material may be inhibited, which could be a factor in degrading the battery performance. Therefore, there is a demand for a technique for preventing short circuits without deteriorating battery performance.
本発明は、かかる事情を鑑みて創出されたものであり、電池性能の低下を抑制しつつ、内部短絡の発生を抑制することができる技術を提供することを目的とする。 The present invention was created in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing the occurrence of an internal short circuit while suppressing deterioration of battery performance.
本発明者は、リチウムイオン二次電池の短絡の一要因である金属リチウムの析出に着目した。リチウムイオン二次電池の充放電を行うと、一方の電極(例えば負極)において金属リチウムが析出し、これが樹枝状(デンドライト状)に成長すると、セパレータを貫通して他方の電極(例えば正極)に到達し、短絡を引き起こし得る。本発明者は、金属リチウムの析出を抑制すること、あるいは、析出した金属リチウムを再イオン化することについて、鋭意検討を行った。その結果、リチウムイオン二次電池に用いられるセパレータの耐熱層に多環芳香族炭化水素を含ませることによって、電池性能の低下を抑制しつつ、内部短絡の発生を抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventor focused on deposition of metallic lithium, which is one of the causes of short circuits in lithium ion secondary batteries. When a lithium-ion secondary battery is charged and discharged, metallic lithium is deposited on one electrode (e.g., the negative electrode), and when this grows in a dendrite shape, it penetrates the separator and reaches the other electrode (e.g., the positive electrode). can reach and cause a short circuit. The present inventor has made extensive studies on suppressing the deposition of metallic lithium or reionizing the deposited metallic lithium. As a result, it was found that by including a polycyclic aromatic hydrocarbon in the heat-resistant layer of the separator used in a lithium ion secondary battery, it is possible to suppress the deterioration of the battery performance and suppress the occurrence of internal short circuit. I came to complete it.
即ち、ここで開示される技術によると、リチウムイオン二次電池に用いられるセパレータが提供される。このセパレータは、基材と、上記基材上に形成された、耐熱性フィラーを含む耐熱層と、を備えている。ここで、上記耐熱層は、多環芳香族炭化水素を含む。多環芳香族炭化水素は、金属リチウムの析出を抑制、あるいは、析出した金属リチウムを再イオン化することができる。このため、上記構成のセパレータを用いることによって、活物質におけるリチウムイオンの脱離/挿入が阻害されるのを防止できる。リチウムイオン二次電池の電池性能の低下を抑制しつつ、内部短絡の発生を抑制することができる。 That is, according to the technology disclosed herein, a separator for use in lithium ion secondary batteries is provided. This separator includes a base material and a heat-resistant layer containing a heat-resistant filler formed on the base material. Here, the heat-resistant layer contains a polycyclic aromatic hydrocarbon. The polycyclic aromatic hydrocarbon can suppress deposition of metallic lithium or reionize the deposited metallic lithium. Therefore, by using the separator having the above configuration, it is possible to prevent inhibition of desorption/insertion of lithium ions in the active material. It is possible to suppress the occurrence of an internal short circuit while suppressing deterioration of the battery performance of the lithium ion secondary battery.
好ましい一態様では、上記耐熱層は、前記基材の一の面に形成されている。かかる構成によると、ここで開示される技術の効果を適切に実現することができる。 In a preferred aspect, the heat-resistant layer is formed on one surface of the base material. According to such a configuration, it is possible to appropriately achieve the effects of the technology disclosed herein.
他の好ましい一態様では、多環芳香族炭化水素として、コロネンまたはクアテリレンを含む。これらの化合物を耐熱層に含ませることによって、ここで開示される技術の効果を適切に実現することができる。 In another preferred embodiment, coronene or quaterrylene is included as the polycyclic aromatic hydrocarbon. By including these compounds in the heat-resistant layer, the effects of the technology disclosed herein can be appropriately realized.
また、ここで開示される技術は、正極活物質層を備える正極、負極活物質層を備える負極、および、上記正極と上記負極との間に介在するセパレータを有する電極体と、非水電解液と、を備えるリチウムイオン二次電池を提供する。このリチウムイオン二次電池は、ここで開示されるセパレータを備えている。上記のとおり、当該セパレータは、二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)の電池性能の低下(例えば容量維持率の低下)を抑制しつつ、該リチウムイオン二次電池における内部短絡の発生を抑制することができる。そのため、ここで開示されるリチウムイオン二次電池では、電池性能の低下、および内部短絡の発生がともに抑制されている。 Further, the technology disclosed herein includes an electrode body having a positive electrode having a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode active material layer, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. and a lithium ion secondary battery. This lithium ion secondary battery includes the separator disclosed here. As described above, the separator suppresses the deterioration of the battery performance of the secondary battery (for example, a lithium ion secondary battery) (for example, the deterioration of the capacity retention rate), and suppresses the occurrence of an internal short circuit in the lithium ion secondary battery. can do. Therefore, in the lithium-ion secondary battery disclosed herein, both deterioration of battery performance and occurrence of internal short circuit are suppressed.
好ましい一態様では、上記耐熱層は、上記基材の、上記正極活物質層側の面に形成されている。かかる構成のリチウムイオン二次電池では、ここで開示される技術の効果が適切に実現されている。 In a preferred embodiment, the heat-resistant layer is formed on the surface of the substrate on the positive electrode active material layer side. In the lithium-ion secondary battery having such a configuration, the effects of the technology disclosed herein are appropriately achieved.
以下、図面を参照しながらここで開示される技術に係る実施の形態を説明する。なお、本明細書において言及していない事柄であってここで開示される技術の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。ここで開示される技術は、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。 Hereinafter, embodiments according to the technology disclosed herein will be described with reference to the drawings. Matters not mentioned in this specification but necessary for implementing the technology disclosed here can be understood as design matters by those skilled in the art based on the prior art in the relevant field. The technology disclosed here can be implemented based on the content disclosed in this specification and common general technical knowledge in the field.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイスをいい、いわゆる蓄電池、および電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンにともなう電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。以下、扁平角形のリチウムイオン二次電池を例にして、ここで開示される技術の一実施形態を詳細に説明するが、ここで開示される技術をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。 In this specification, the term "secondary battery" refers to an electricity storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a term that includes so-called storage batteries and electricity storage elements such as electric double layer capacitors. In this specification, the term "lithium ion secondary battery" refers to a secondary battery that utilizes lithium ions as a charge carrier and that charges and discharges by the transfer of charge associated with the lithium ions between the positive and negative electrodes. In the drawings below, members and portions having the same function are denoted by the same reference numerals. Also, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect the actual dimensional relationships. Hereinafter, one embodiment of the technology disclosed herein will be described in detail by taking a flat prismatic lithium ion secondary battery as an example, but the intention is to limit the technology disclosed here to such an embodiment. is not.
図1に示されるように、リチウムイオン二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20(以下、単に「電極体20」ともいう。)と非水電解液80とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型電池である。電池ケース30には、外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に、該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36とが設けられている。また、電池ケース30には、非水電解液80を注入するための注入口(図示なし)が設けられている。正極端子42は、正極集電板42aと電気的に接続されている。負極端子44は、負極集電板44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。
As shown in FIG. 1, a lithium ion
電極体20は、図1~3に示すように、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された正極シート50と、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成された負極シート60とが、2枚の長尺状のセパレータ70を介して重ね合わされて長手方向に回された形態を有する。なお、電極体20の捲回軸方向(即ち、上記長手方向に直交するシート幅方向)の両端から外方にはみ出すように設けられた正極活物質層非形成部分52a(即ち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)と負極活物質層非形成部分62a(即ち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)には、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
正極シート50および負極シート60には、従来のリチウムイオン二次電池に用いられているものと同様のものを特に制限なく使用することができる。典型的な一態様を以下に示す。
For the
正極シート50を構成する正極集電体52としては、例えばアルミニウム箔等が挙げられる。正極活物質層54は、少なくとも正極活物質を含有する。正極活物質としては、例えばリチウム遷移金属酸化物(例、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiCoO2、LiFeO2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等)、リチウム遷移金属リン酸化合物(例、LiFePO4等)等が挙げられる。正極活物質層54は、活物質以外の成分、例えば導電材やバインダ等を含み得る。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(例、グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。
Examples of the positive electrode
負極シート60を構成する負極集電体62としては、例えば銅箔等が挙げられる。負極活物質層64は、少なくとも負極活物質を含有する。負極活物質としては、例えば黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料を使用でき、黒鉛が好ましい。負極活物質層64は、活物質以外の成分、例えばバインダや増粘剤等を含み得る。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等を使用し得る。
Examples of the negative electrode
セパレータ70としては、ここで開示されるセパレータが使用される。図3に示されるように、セパレータ70は、基材74と、耐熱層72と、を備えている。耐熱層72は、正極シート50、負極シート60、およびセパレータ70の積層方向において、基材74の少なくとも片面に形成されている。耐熱層72を設けることによって、例えばリチウムイオン二次電池100の充放電時における基材74の熱収縮を抑制し、内部短絡の発生を防ぐことができる。図3では、耐熱層72は、基材74の正極活物質層54側の面に形成されている。かかる構成は、耐熱層72による基材74の熱収縮の抑制効果が得られやすくなるため、好ましい。
As the
基材74は、典型的には多孔質樹脂シートである。多孔質樹脂シートを構成する樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等が挙げられる。基材74は、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。
The
耐熱層72は、耐熱性フィラーと、バインダと、多環芳香族炭化水素を含む。耐熱性フィラーおよびバインダとしては、この種のリチウムイオン二次電池に典型的に用いられる材質のものを特に制限なく使用することができる。耐熱性フィラーとしては、例えば、アルミナ(Al2O3)、マグネシア(MgO)、シリカ(SiO2)、チタニア(TiO2)等の金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の金属窒化物、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム等の金属水酸化物が挙げられる。バインダとしては、例えば、アクリル系樹脂等が挙げられる。
The heat-
ここで開示されるセパレータは、耐熱層が多環芳香族炭化水素を含むことによって特徴づけられている。多環芳香族炭化水素は、複数個の芳香環(例えば六員環)が縮合した構造を有する炭化水素であり、本実施形態において、多環芳香族炭化水素は、六員環を少なくとも4個有する化合物をいう。六員環は、他の環と縮合していてよい。六員環の数を数えるにあたり、例えば、4個の六員環が二次元方向に縮合したテトラセンが有する六員環の数は、4個として数える。また、6個の六員環が環状に縮合して中央部にさらに六員環が形成されているコロネンが有する六員環の数は、7個として数える。 The separator disclosed herein is characterized by the heat-resistant layer containing a polycyclic aromatic hydrocarbon. A polycyclic aromatic hydrocarbon is a hydrocarbon having a structure in which a plurality of aromatic rings (e.g., six-membered rings) are condensed. In the present embodiment, the polycyclic aromatic hydrocarbon has at least four six-membered rings. A compound having The six-membered ring may be fused with another ring. In counting the number of six-membered rings, for example, the number of six-membered rings possessed by tetracene in which four six-membered rings are two-dimensionally condensed is counted as four. In addition, the number of six-membered rings possessed by coronene, in which six six-membered rings are cyclically condensed to form a further six-membered ring in the central portion, is counted as seven.
多環芳香族炭化水素は、複数個の芳香環(例えば六員環)が縮合した構造に置換基が導入された化合物を含む。上記置換基は、例えば1個の芳香環(例えば六員環)であってよく、複数の芳香環が縮合した基(例えばナフチル基)であってよい。例えば、3個の六員環が縮合したアントラセンに、2つのナフチル基が結合したジナフトアントラセン(1-ジナフトアントラセン、2-ジナフトアントラセン)が有する六員環の数は、7個として数える。 Polycyclic aromatic hydrocarbons include compounds in which a substituent is introduced into a structure in which multiple aromatic rings (eg, six-membered rings) are condensed. The substituent may be, for example, one aromatic ring (eg, six-membered ring) or a group in which multiple aromatic rings are condensed (eg, naphthyl group). For example, the number of six-membered rings in dinaphthoanthracene (1-dinaphthoanthracene, 2-dinaphthoanthracene) in which two naphthyl groups are bonded to anthracene in which three six-membered rings are condensed is counted as seven. .
上記多環芳香族炭化水素の例としては、ピレン(六員環の数4、炭素数16)、クリセン(六員環の数4、炭素数18)、テトラセン(六員環の数4、炭素数18)、トリフェニレン(六員環の数4、炭素数18)、ペリレン(六員環の数5、炭素数20)、ペンタセン(六員環の数5、炭素数22)、ベンゾピレン(六員環の数5、炭素数20)、ベンゾペリレン(六員環の数6、炭素数22)、コランニュレン(六員環の数5、炭素数20)、コロネン(六員環の数7、炭素数24)、1-ジナフトアントラセン(六員環の数7、炭素数34)、2-ジナフトアントラセン(六員環の数7、炭素数34)、ルブレン(六員環の数8、炭素数42)、テリレン(六員環の数8、炭素数30)、オバレン(六員環の数10、炭素数32)、ヘキサベンゾテトラセン(六員環の数10、炭素数40)、クアテリレン(六員環の数11、炭素数40)等が挙げられる。これらは単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。上記多環芳香族炭化水素の六員環の数は5以上(例えば6以上)とすることができ、析出した金属リチウムを再イオン化させる観点、あるいは耐熱層72に含有させる観点から、7以上であることが好ましく、さらには8以上、9以上、あるいは10以上とすることができる。また、特に限定するものではないが、上記多環芳香族炭化水素の六員環の数は、15以下とすることができる。 Examples of the polycyclic aromatic hydrocarbons include pyrene (4 six-membered rings, 16 carbon atoms), chrysene (4 six-membered rings, 18 carbon atoms), tetracene (4 six-membered rings, 4 carbon atoms), 18), triphenylene (4 six-membered rings, 18 carbon atoms), perylene (5 six-membered rings, 20 carbon atoms), pentacene (5 six-membered rings, 22 carbon atoms), benzopyrene (6-membered 5 rings, 20 carbon atoms), benzoperylene (6 6-membered rings, 22 carbon atoms), corannulene (5 6-membered rings, 20 carbon atoms), coronene (7 6-membered rings, 20 carbon atoms) 24), 1-dinaphthoanthracene (six-membered ring number 7, carbon number 34), 2-dinaphthoanthracene (six-membered ring number 7, carbon number 34), rubrene (six-membered ring number 8, carbon number 42), terylene (8 six-membered rings, 30 carbon atoms), ovalene (10 six-membered rings, 32 carbon atoms), hexabenzotetracene (10 six-membered rings, 40 carbon atoms), quaterrylene (6 11 membered rings and 40 carbon atoms). These can be used alone or in combination of two or more. The number of six-membered rings in the polycyclic aromatic hydrocarbon can be 5 or more (for example, 6 or more). There is preferably one, and it can be eight or more, nine or more, or ten or more. Although not particularly limited, the number of six-membered rings in the polycyclic aromatic hydrocarbon can be 15 or less.
ここで開示される技術の効果を効率よく実現させる観点から、上記多環芳香族炭化水素の好適例としては、コロネン(下記式(1))、1-ジナフトアントラセン(下記式(2))、2-ジナフトアントラセン(下記式(3))、ルブレン(下記式(4))、テリレン(下記式(5))、およびクアテリレン(下記式(6))が挙げられる。なかでも、コロネンやクアテリレンを使用することが好ましい。 From the viewpoint of efficiently realizing the effects of the technology disclosed herein, preferred examples of the polycyclic aromatic hydrocarbon include coronene (formula (1) below) and 1-dinaphthoanthracene (formula (2) below). , 2-dinaphthanthracene (formula (3) below), rubrene (formula (4) below), terylene (formula (5) below), and quaterylene (formula (6) below). Among them, it is preferable to use coronene or quaterrylene.
式(1):
式(2):
式(3):
式(4):
式(5):
式(6):
特に限定するものではないが、例えば以下のようなメカニズムによって、多環芳香族炭化水素の含有は、析出した金属リチウム(Li)を減らすことができる。上記多環芳香族炭化水素は、芳香環(例えば六員環)にリチウムイオンを効果的に配位させることができる。したがって、上記多環芳香族炭化水素をセパレータの耐熱層に含有させると、下記式(A):
Li+PAH→LiPAH・・・(A)
が示すように、多環芳香族炭化水素(PAH)が析出した金属リチウム(Li)と反応してLiをイオンとして引き抜いて、LiとPAHとが配位結合したLiPAHが生成する。
また、上記のように生成したLiPAHは、下記式(B):
LiPAH→Li++PAH-・・・(B)
が示すように、非水電解液中で、リチウムイオン(Li+)とPAHイオン(PAH-)とに解離できる。このように、析出した金属リチウム(Li)が上記のように再イオン化されるため、電池性能の低下を抑制しつつ、内部短絡を抑制することができる。
Although not particularly limited, the inclusion of polycyclic aromatic hydrocarbons can reduce deposited metallic lithium (Li) by the following mechanism, for example. The polycyclic aromatic hydrocarbon can effectively coordinate lithium ions to an aromatic ring (for example, a six-membered ring). Therefore, when the polycyclic aromatic hydrocarbon is contained in the heat-resistant layer of the separator, the following formula (A):
Li+PAH→LiPAH (A)
, the polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) reacts with the deposited metal lithium (Li) and extracts Li as ions to form LiPAH in which Li and PAH are coordinated.
In addition, LiPAH produced as described above can be represented by the following formula (B):
LiPAH → Li + +PAH - (B)
, can be dissociated into lithium ions (Li + ) and PAH ions (PAH − ) in the non-aqueous electrolyte. In this way, since the deposited metallic lithium (Li) is reionized as described above, it is possible to suppress internal short circuits while suppressing deterioration in battery performance.
上記多環芳香族炭化水素は、化合物中に含まれる芳香環(例えば六員環)の数が多くなるほど、金属リチウムからのリチウムイオンの引き抜きが強くなる。即ち、芳香環の数が多くなるほど、電池性能の低下抑制効果および短絡抑制効果が高くなるといえる。一方で、大きな多環芳香族炭化水素は、非水電解液への溶解性が低くなる。そこで、セパレータの耐熱層にこのような化合物を含有させることによって、上好適に記効果を実現させることができる。 As the number of aromatic rings (eg, six-membered rings) contained in the compound of the polycyclic aromatic hydrocarbon increases, the extraction of lithium ions from metallic lithium increases. That is, it can be said that the more the number of aromatic rings, the higher the effect of suppressing deterioration of battery performance and the effect of suppressing short circuit. On the other hand, large polycyclic aromatic hydrocarbons have low solubility in non-aqueous electrolytes. Therefore, by including such a compound in the heat-resistant layer of the separator, the above effect can be realized more favorably.
電池性能の低下を抑制する観点から、上記多環芳香族炭化水素は、耐熱層72にのみ含有させることが好ましい。これによって、上記多環芳香族炭化水素がセパレータの細孔を塞ぐことを抑制し、電極間のリチウムイオンの移動を円滑に行わせることができる。耐熱層に上記多環芳香族炭化水素を含ませることによって、活物質へのリチウムイオンの脱離/挿入を抑制することなく、析出した金属リチウムを再イオン化し、電池性能の低下を抑制しつつ、短絡の発生を抑制することができる。ただし、上記多環芳香族炭化水素は、ここで開示される技術の効果を実現し得る限り、耐熱層72のほか、基材74に含まれてもよい。なお、上記多環芳香族炭化水素を正極や負極に含ませると、上記多環芳香族炭化水素が正極活物質や負極活物質の表面に配置され、活物質へのリチウムイオンの脱離/挿入が阻害され得る。また、活物質と、該活物質の表面に配置された上記多環芳香族炭化水素との間で電位差が生じて(局所的に電池が形成されて)、正極と負極との間の電池反応が円滑に行われなくなる虞がある。
From the viewpoint of suppressing deterioration in battery performance, it is preferable that the polycyclic aromatic hydrocarbon be contained only in the heat-
上記多環芳香族炭化水素をセパレータの耐熱層に含有させる方法としては、特に限定されないが、後述の実施例に記載のとおり、スピンコート法を採用することができる。あるいは、所定量の多環芳香族炭化水素を含む耐熱層形成用スラリーを用いることによって、耐熱層に含有させてもよい。なお、耐熱層72における多環芳香族炭化水素の含有量は、特に限定されず、必要に応じて適宜変更され得る。
A method for incorporating the polycyclic aromatic hydrocarbon into the heat-resistant layer of the separator is not particularly limited, but a spin coating method can be employed as described in Examples below. Alternatively, it may be contained in the heat-resistant layer by using a heat-resistant layer-forming slurry containing a predetermined amount of polycyclic aromatic hydrocarbon. The content of the polycyclic aromatic hydrocarbon in the heat-
セパレータ70(典型的には、耐熱層72)に含まれる上記多環芳香族炭化水素の検出方法は、特に限定されない。一例として、セパレータ試験片を用意して、これをテトラクロロエタン中に浸漬させて、多環芳香族炭化水素を抽出する。次いで、多環芳香族炭化水素の抽出液を濃縮し、この濃縮残渣について、テトラクロロエタン-d4を重溶媒とした1H-NMR測定や、THF懸濁液を用いたMALDI-TOF-MS分析等を行うことによって多環芳香族炭化水素の検出することができる。また、上記式(B)に記載のとおり、非水電解液中には、多環芳香族炭化水素のイオンが存在し得る。このような多環芳香族炭化水素のイオンは、試験対象となる非水電解液を濃縮し、この濃縮残渣について、上記1H-NMR測定やMALDI-TOF-MS分析等を行うことによって検出することができる。 A method for detecting the polycyclic aromatic hydrocarbon contained in the separator 70 (typically, the heat-resistant layer 72) is not particularly limited. As an example, a separator test piece is prepared and immersed in tetrachloroethane to extract polycyclic aromatic hydrocarbons. Next, the polycyclic aromatic hydrocarbon extract is concentrated, and the concentrated residue is subjected to 1H-NMR measurement using tetrachloroethane-d4 as a heavy solvent, MALDI-TOF-MS analysis using a THF suspension, etc. Polycyclic aromatic hydrocarbons can be detected by In addition, as described in formula (B) above, ions of polycyclic aromatic hydrocarbons may be present in the non-aqueous electrolyte. Such polycyclic aromatic hydrocarbon ions can be detected by concentrating the non-aqueous electrolyte to be tested and performing the above-mentioned 1H-NMR measurement, MALDI-TOF-MS analysis, etc. on the concentrated residue. can be done.
ここで開示されるセパレータは、公知方法に従い、リチウムイオン二次電池に用いることができる。ここで開示されるセパレータをリチウムイオン二次電池に用いることにより、当該リチウムイオン二次電池において、析出した金属リチウムを再イオン化することができる。よって、析出した金属リチウムのデンドライト成長による内部短絡を抑制することができる。また、リチウムイオン二次電池の金属リチウムの析出による電池性能の低下を抑制することができる。 The separator disclosed herein can be used in lithium ion secondary batteries according to known methods. By using the separator disclosed herein in a lithium ion secondary battery, deposited metallic lithium can be reionized in the lithium ion secondary battery. Therefore, it is possible to suppress an internal short circuit due to dendrite growth of deposited metallic lithium. In addition, deterioration of battery performance due to precipitation of metallic lithium in the lithium ion secondary battery can be suppressed.
非水電解液80は、典型的には、非水溶媒および支持塩を含有する。非水溶媒および支持塩としては、この種のリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種の溶媒を特に制限なく使用することができる。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、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)、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)等のカーボネート類が挙げられる。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4等のリチウム塩(好ましくはLiPF6)を用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下とするとよい。また、非水電解液80は、必要に応じて各種被膜形成剤、増粘剤、分散剤等の従来公知の添加剤を含有してもよい。なお、図1は、電池ケース30内に注入される非水電解液80の量を厳密に示すものではない。
リチウムイオン二次電池100は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、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)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。また、リチウムイオン二次電池100は、小型電力貯蔵装置等の蓄電池として使用することができる。リチウムイオン二次電池100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でも使用され得る。
The lithium ion
なお、一例として扁平形状の捲回電極体20を備える角形のリチウムイオン二次電池100について説明した。しかしながら、リチウムイオン二次電池は、積層型電極体(すなわち、複数の正極と、複数の負極とが交互に積層された電極体)を備えるリチウムイオン二次電池として構成することもできる。また、リチウムイオン二次電池は、円筒形リチウムイオン二次電池、ラミネート型リチウムイオン二次電池等として構成することもできる。
As an example, the prismatic lithium ion
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明を下記実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to the examples shown below.
<評価用リチウムイオン二次電池の作製>
下記のとおり、例1~10に係る評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
-例1-
正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(LNCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、LNCM:AB:PVdF=87:10:3の質量比でN-メチルピロリドン(NMP)と混合し、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、アルミニウム箔に塗布して乾燥することにより、正極活物質層を備える正極シートを作製した。なお、正極活物質層の寸法は、47mm×45mmとした。
<Production of lithium-ion secondary battery for evaluation>
Evaluation lithium ion secondary batteries according to Examples 1 to 10 were produced as follows.
-Example 1-
LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (LNCM) as a positive electrode active material, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder, LNCM: AB : PVdF = 87:10:3, and mixed with N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare a slurry for forming a positive electrode active material layer. This slurry was applied to an aluminum foil and dried to prepare a positive electrode sheet having a positive electrode active material layer. The dimensions of the positive electrode active material layer were 47 mm×45 mm.
負極活物質としての黒鉛(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比でイオン交換水と混合して、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、銅箔に塗布して乾燥することにより、負極活物質層を備える負極シートを作製した。なお、負極活物質層の寸法は、49mm×47mmとした。 Graphite (C) as a negative electrode active material, styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were mixed at a mass ratio of C:SBR:CMC=98:1:1. A negative electrode active material layer forming slurry was prepared by mixing with ion-exchanged water. A negative electrode sheet having a negative electrode active material layer was produced by applying this slurry to a copper foil and drying it. The dimensions of the negative electrode active material layer were 49 mm×47 mm.
セパレータ基材として、厚さ12μmの微多孔性ポリプロピレンシートを用意した。無機フィラーとしてのアルミナ粉末と、バインダとしてのPVDFと、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)と、を水中で分散し、耐熱層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、上記微多孔性ポリプロピレンシートの片面に塗布して、厚さ4μmの耐熱層を形成した。次いで、多環芳香族炭化水素としてのコロネンを0.1Mの濃度で含むエチルメチルカーボネートを用意し、耐熱層にスピンコートした。乾燥処理後の耐熱層付きセパレータ基材を、耐熱層が内側になるように袋状に加工した。このようにして、正極シートを収容するセパレータを作製した。なお、セパレータの寸法は、51×49mmとした。 A microporous polypropylene sheet having a thickness of 12 μm was prepared as a separator base material. Alumina powder as an inorganic filler, PVDF as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were dispersed in water to prepare a slurry for forming a heat-resistant layer. This slurry was applied to one side of the microporous polypropylene sheet to form a heat-resistant layer having a thickness of 4 μm. Next, ethyl methyl carbonate containing 0.1 M concentration of coronene as a polycyclic aromatic hydrocarbon was prepared and spin-coated on the heat-resistant layer. The separator base material with the heat-resistant layer after the drying treatment was processed into a bag shape so that the heat-resistant layer was on the inside. Thus, a separator containing a positive electrode sheet was produced. The dimensions of the separator were 51×49 mm.
セパレータ基材として、厚さ12μmの微多孔性ポリプロピレンシートを用意した。該微多孔性ポリプロピレンシートを、袋状に加工した。このようにして、負極シートを収容するセパレータを作製した。なお、セパレータの寸法は、51×49mmとした。 A microporous polypropylene sheet having a thickness of 12 μm was prepared as a separator base material. The microporous polypropylene sheet was processed into a bag. Thus, a separator containing a negative electrode sheet was produced. The dimensions of the separator were 51×49 mm.
正極シートと負極シートとをそれぞれ袋状のセパレータに収容した後、正極活物質層と負極活物質層とが対向するように積層して電極体を作製した。この電極体に集電端子を取り付け、これをラミネートケースに収容した。ラミネートケースに、非水電解液を注液し、ラミネートケースを熱融着して封止することにより、例1に係る評価用リチウムイオン二次電池を得た。なお、上記非水電解液として、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)とジメチルカーボネート(DMC)とをEC:EMC:DMC=3:3:4の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1.16Mの濃度で溶解させたものを用いた。また、本例においては、多環芳香族炭化水素が上記耐熱層にのみ含まれている。表1では、多環芳香族炭化水素の含有部位(例1では、耐熱層)に「〇」を記載しており、「-」は多環芳香族炭化水素を含有していないことを示している。 After each of the positive electrode sheet and the negative electrode sheet was accommodated in a bag-like separator, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer were laminated so as to face each other to prepare an electrode body. A collector terminal was attached to this electrode body, and this was housed in a laminate case. A lithium ion secondary battery for evaluation according to Example 1 was obtained by injecting a non-aqueous electrolyte into the laminate case and heat-sealing the laminate case for sealing. As the non-aqueous electrolyte, a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) at a volume ratio of EC:EMC:DMC=3:3:4 is supported. LiPF 6 as a salt dissolved at a concentration of 1.16M was used. Moreover, in this example, the polycyclic aromatic hydrocarbon is contained only in the heat-resistant layer. In Table 1, the polycyclic aromatic hydrocarbon-containing site (heat-resistant layer in Example 1) is marked with "○", and "-" indicates that it does not contain polycyclic aromatic hydrocarbons. there is
-例2~5-
耐熱層に、表1の該当欄に示す濃度のコロネンを含むエチルメチルカーボネートをスピンコートした。それ以外は例1と同様の材料および手順を用いて、例2~5に係る評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
-例6-
多環芳香族炭化水素としてクアテリレンを使用したこと以外は例1と同様の材料および手順を用いて、例6に係る評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
-Examples 2 to 5-
The heat-resistant layer was spin-coated with ethyl methyl carbonate containing coronene at a concentration shown in the corresponding column of Table 1. Other than that, using the same materials and procedures as in Example 1, lithium ion secondary batteries for evaluation according to Examples 2 to 5 were produced.
-Example 6-
A lithium ion secondary battery for evaluation according to Example 6 was produced using the same materials and procedures as in Example 1, except that quaterrylene was used as the polycyclic aromatic hydrocarbon.
-例7-
上記のとおり作製した正極活物質層を備える正極シートを、多環芳香族炭化水素としてのコロネンを1.0Mの濃度で含むエチルメチルカーボネートに10分間浸漬した。これを乾燥させて使用したこと以外は、例1と同様の材料および手順を用いて、例7に係る評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
-Example 7-
The positive electrode sheet having the positive electrode active material layer prepared as described above was immersed in ethyl methyl carbonate containing 1.0 M concentration of coronene as the polycyclic aromatic hydrocarbon for 10 minutes. A lithium-ion secondary battery for evaluation according to Example 7 was produced using the same materials and procedures as in Example 1, except that this was dried before use.
-例8-
上記のとおり作製した負極活物質層を備える負極シートを、多環芳香族炭化水素としてのコロネンを1.0Mの濃度で含むエチルメチルカーボネートに10分間浸漬した。これを乾燥させて使用したこと以外は、例1と同様の材料および手順を用いて、例8に係る評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
-Example 8-
The negative electrode sheet having the negative electrode active material layer prepared as described above was immersed in ethyl methyl carbonate containing 1.0 M concentration of coronene as the polycyclic aromatic hydrocarbon for 10 minutes. A lithium-ion secondary battery for evaluation according to Example 8 was produced using the same materials and procedure as in Example 1, except that this was dried before use.
-例9-
正極シートを収容するセパレータの耐熱層に、多環芳香族炭化水素のスピンコートを行わなかった以外は、例1と同様の材料および手順を用いて、例9に係る評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
-Example 9-
A lithium-ion secondary battery for evaluation according to Example 9 was prepared using the same materials and procedures as in Example 1, except that the heat-resistant layer of the separator containing the positive electrode sheet was not spin-coated with the polycyclic aromatic hydrocarbon. was made.
<短絡抑制評価>
上記作製した各評価用リチウムイオン二次電池について、短絡抑制効果を評価した。各評価用リチウムイオン二次電池に対して、3.0Vから4.3Vまで1Cの電流値での定電流充電および4.3Vから3.0Vまで0.5Cでの定電流放電を1サイクルとする充放電を行った。所定サイクル数の充放電を行った時の各評価用リチウムイオン二次電池の電圧を測定し、200mVの電圧低下が確認された場合に、短絡が生じたと判断した。なお、上記充放電サイクル数は、最大100サイクルであった。結果を表1の該当欄に示す。
<Short-circuit suppression evaluation>
The short-circuit suppressing effect was evaluated for each lithium-ion secondary battery for evaluation produced as described above. One cycle of constant current charging at a current value of 1 C from 3.0 V to 4.3 V and constant current discharging at 0.5 C from 4.3 V to 3.0 V was performed for each lithium ion secondary battery for evaluation. The battery was charged and discharged. The voltage of each lithium ion secondary battery for evaluation was measured when charging and discharging were performed for a predetermined number of cycles, and when a voltage drop of 200 mV was confirmed, it was determined that a short circuit had occurred. The number of charge/discharge cycles was 100 cycles at maximum. The results are shown in the corresponding columns of Table 1.
短絡抑制効果の評価基準は、以下のとおりである。
◎(優れた短絡抑制効果):充放電100サイクル後の短絡なし。
〇(良好な短絡抑制効果):充放電90サイクル後の短絡なし。
×(短絡抑制効果なし):90サイクル未満の充放電サイクルにおいて短絡発生。
The evaluation criteria for the short-circuit suppression effect are as follows.
⊚ (excellent short-circuit suppressing effect): No short-circuit after 100 charge/discharge cycles.
○ (good short-circuit suppressing effect): no short-circuit after 90 cycles of charging and discharging.
x (no short-circuit suppressing effect): Short-circuit occurred in less than 90 charge-discharge cycles.
<サイクル試験後の容量維持率評価>
上記作製した各評価用リチウムイオン二次電池の容量(初期容量)を測定した。各評価用リチウムイオン二次電池に対して、3.0Vから4.3Vまで1Cの電流値での定電流充電および4.3Vから3.0Vまで0.5Cでの定電流放電を1サイクルとする充放電を、3サイクル行った。その後、各評価用リチウムイオン二次電池の容量を測定し、下記数式(1)を用いて求めた値を、各例の容量維持率(%)とした。結果を表1の該当欄に示す。
数式(1):容量維持率(%)=(サイクル試験後の容量/初期容量)×100
<Evaluation of capacity retention rate after cycle test>
The capacity (initial capacity) of each lithium-ion secondary battery for evaluation produced above was measured. One cycle of constant current charging at a current value of 1 C from 3.0 V to 4.3 V and constant current discharging at 0.5 C from 4.3 V to 3.0 V was performed for each lithium ion secondary battery for evaluation. Three cycles of charging and discharging were performed. After that, the capacity of each evaluation lithium ion secondary battery was measured, and the value obtained using the following formula (1) was defined as the capacity retention rate (%) of each example. The results are shown in the corresponding columns of Table 1.
Formula (1): Capacity retention rate (%) = (capacity after cycle test/initial capacity) x 100
表1に示されるように、耐熱層に多環芳香族炭化水素を含むセパレータを備える例1~6に係る評価用リチウムイオン二次電池では、多環芳香族炭化水素を含まない例9に係る評価用リチウムイオン二次電池と比較すると、短絡抑制効果が向上されたことがわかった。また、短絡抑制効果と容量維持率の低下抑制効果とを両立できることがわかった。さらに、多環芳香族炭化水素としてコロネンを含有する例1~5について、多環芳香族炭化水素の濃度依存的に上記効果が実現されることがわかった。また、多環芳香族炭化水素としてクアテリレンを含む例6と、コロネンを含む例2とを比較すると、多環芳香族炭化水素に含まれる六員環の数が多くなると上記効果がよりよく実現され得ることがわかった。 As shown in Table 1, in the lithium ion secondary batteries for evaluation according to Examples 1 to 6 having a separator containing a polycyclic aromatic hydrocarbon in the heat-resistant layer, the lithium ion secondary battery for evaluation according to Example 9 containing no polycyclic aromatic hydrocarbon It was found that the short-circuit suppressing effect was improved when compared with the lithium-ion secondary battery for evaluation. In addition, it was found that both the effect of suppressing a short circuit and the effect of suppressing a decrease in capacity retention rate can be achieved. Further, it was found that Examples 1 to 5 containing coronene as the polycyclic aromatic hydrocarbon realized the above effect depending on the concentration of the polycyclic aromatic hydrocarbon. Further, when comparing Example 6 containing quaterrylene as the polycyclic aromatic hydrocarbon and Example 2 containing coronene, the above effects are more effectively realized when the number of six-membered rings contained in the polycyclic aromatic hydrocarbon increases. found to get
なお、多環芳香族炭化水素を正極のみに含む例7、多環芳香族炭化水素を負極のみに含む例8のそれぞれに係る評価用リチウムイオン二次電池では、短絡抑制効果および容量維持率の低下抑制効果は、いずれも確認されなかった。これらの例では、多環芳香族炭化水素は正極活物質や負極活物質の表面に配置され、活物質におけるリチウムイオンの脱離/挿入が阻害されたことが考えられる。 In addition, in the lithium ion secondary batteries for evaluation according to each of Example 7 containing the polycyclic aromatic hydrocarbon only in the positive electrode and Example 8 containing the polycyclic aromatic hydrocarbon only in the negative electrode, the short circuit suppressing effect and the capacity retention rate were improved. No decrease suppressing effect was confirmed. In these examples, the polycyclic aromatic hydrocarbon was arranged on the surface of the positive electrode active material and the negative electrode active material, and it is considered that desorption/insertion of lithium ions in the active material was inhibited.
以上より、ここで開示される技術によると、基材と、該基材上に形成された耐熱層と、を含むリチウムイオン二次電池に用いられるセパレータが提供される。このセパレータの耐熱層は、多環芳香族炭化水素を含む。これによって、当該セパレータを備えるリチウムイオン二次電池において、電池性能の低下を抑制しつつ、内部短絡の発生を抑制することができる。 As described above, according to the technology disclosed herein, there is provided a separator for use in a lithium ion secondary battery that includes a base material and a heat-resistant layer formed on the base material. The heat-resistant layer of this separator contains a polycyclic aromatic hydrocarbon. This makes it possible to suppress the occurrence of an internal short circuit while suppressing deterioration of battery performance in a lithium ion secondary battery including the separator.
以上、ここで開示される技術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。特許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。例えば、ここで開示されるセパレータを、リチウムイオン二次電池のセパレータとして上記実施形態を説明したが、これに限定されない。例えば、当該セパレータをナトリウムイオン二次電池のセパレータとして使用してもよい。 Although specific examples of the technology disclosed herein have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. For example, the above embodiments have been described with the separator disclosed herein as a separator for a lithium ion secondary battery, but the separator is not limited to this. For example, the separator may be used as a separator for a sodium ion secondary battery.
20 捲回電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータ
72 耐熱層
74 基材
80 非水電解液
100 リチウムイオン二次電池
20
52 positive electrode
62 Negative electrode
Claims (5)
基材と、
前記基材上に形成された、耐熱性フィラーを含む耐熱層と、
を備えており、
ここで、前記耐熱層は、多環芳香族炭化水素を含む、セパレータ。 A separator used in a lithium ion secondary battery,
a substrate;
a heat-resistant layer containing a heat-resistant filler formed on the substrate;
and
Here, the separator, wherein the heat-resistant layer contains a polycyclic aromatic hydrocarbon.
非水電解液と、
を備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記セパレータとして、請求項1~3のいずれか1項に記載のセパレータを備えている、リチウムイオン二次電池。 an electrode assembly having a positive electrode comprising a positive electrode active material layer, a negative electrode comprising a negative electrode active material layer, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode;
a non-aqueous electrolyte;
A lithium ion secondary battery comprising
A lithium ion secondary battery comprising the separator according to any one of claims 1 to 3 as the separator.
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