JP2022143728A - Aqueous electrolyte bipolar secondary battery, battery pack, vehicle and stationary power source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、二次電池、電池パック、車両、及び定置用電源に関する。 Embodiments of the present invention relate to secondary batteries, battery packs, vehicles, and stationary power sources.
リチウムイオン電池などの非水電解質電池は、幅広い分野において、電源として用いられている。非水電解質電池の形態は、各種電子機器用などの小型の物から、電気自動車用などの大型の物まで多岐にわたっている。非水電解質電池は、エチレンカーボネートなどの可燃性物質を含む非水電解質を用いるため、安全性対策が必要となる。 Non-aqueous electrolyte batteries such as lithium ion batteries are used as power sources in a wide range of fields. Non-aqueous electrolyte batteries have a wide variety of forms, from small ones for various electronic devices to large ones for electric vehicles and the like. Non-aqueous electrolyte batteries use a non-aqueous electrolyte containing a combustible substance such as ethylene carbonate, and thus require safety measures.
非水電解質の代わりに、可燃性を有さない水系溶媒を含む水系電解質を用いた水系電解質電池の開発が進められている。 Development of an aqueous electrolyte battery using an aqueous electrolyte containing a non-flammable aqueous solvent instead of a non-aqueous electrolyte is underway.
バイポーラ電極では単一セル内で直列接続可能であるため、外部接続することなく高電圧化が可能である。しかし、水系電解質を用いた水系電解質電池では高性能を実現するためにそれぞれの電極側に異なる水系電解質を用いることがある。この水系電解質電池にバイポーラ電極を用いると、バイポーラ電極の集電体の耐久性に課題があった。 Since bipolar electrodes can be connected in series within a single cell, high voltage is possible without external connection. However, in an aqueous electrolyte battery using an aqueous electrolyte, different aqueous electrolytes may be used on each electrode side in order to achieve high performance. When a bipolar electrode is used in this water-based electrolyte battery, there is a problem with the durability of the current collector of the bipolar electrode.
高い耐久性を示す集電体を有するバイポーラ電極を備えることで、優れた寿命特性を持つ水系電解質バイポーラ二次電池及び電池パック、並びに、当該電池パックを備えた車両及び定置用電源を提供することを目的とする。 To provide a water-based electrolyte bipolar secondary battery and a battery pack having excellent life characteristics by providing a bipolar electrode having a current collector exhibiting high durability, and to provide a vehicle and a stationary power source equipped with the battery pack. With the goal.
実施形態によれば、水系電解質バイポーラ二次電池が提供される。この水系電解質バイポーラ二次電池は、第1の負極活物質含有層を負極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた負極と、第1の正極活物質含有層を正極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた正極と、一方の面に第2の正極活物質含有層が、対向する他方の面に第2の負極活物質含有層が、それぞれ設けられたバイポーラ電極集電体を有するバイポーラ電極と、水系電解質とを具備する。バイポーラ電極集電体は金属層aと金属層bを有し、金属層aは、Cr、Ni、Fe、Ti及びAlからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含み、金属層bは、金属層bの1層当たりの重量に対して10wt.%以上100wt.%以下のZn及びSnのいずれか1種の元素を含む。金属層a及び金属層bは電気的に接続されており、金属層aの面上に第2の正極活物質含有層を有し、金属層bの面上に第2の負極活物質含有層を有する。 According to embodiments, an aqueous electrolyte bipolar secondary battery is provided. This aqueous electrolyte bipolar secondary battery has a negative electrode provided on at least one surface of a negative electrode current collector as a first negative electrode active material containing layer, and a first positive electrode active material containing layer provided on at least one surface of a positive electrode current collector. A bipolar electrode current collector having a positive electrode provided on one surface, a second positive electrode active material-containing layer provided on one surface, and a second negative electrode active material-containing layer provided on the opposite surface. and an aqueous electrolyte. The bipolar electrode current collector has a metal layer a and a metal layer b, the metal layer a containing at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti and Al, and the metal layer b , 10 wt. % or more 100 wt. % or less of any one element of Zn and Sn. The metal layer a and the metal layer b are electrically connected, have a second positive electrode active material containing layer on the surface of the metal layer a, and have a second negative electrode active material containing layer on the surface of the metal layer b. have
以下、実施形態について説明する。特段の断りがなければ、pHや他の測定により得られる値は大気圧、25℃で測定した値である。 Embodiments will be described below. Unless otherwise specified, values given for pH and other measurements are values measured at atmospheric pressure and 25°C.
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る水系電解質バイポーラ二次電池は、第1の負極活物質含有層を負極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた負極と、第1の正極活物質含有層を正極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた正極と、一方の面に第2の正極活物質含有層が、対向する他方の面に第2の負極活物質含有層が、それぞれ設けられたバイポーラ電極集電体を有するバイポーラ電極と、水系電解質とを具備する水系電解質バイポーラ二次電池であって、バイポーラ電極集電体は金属層aと金属層bを有し、金属層aは、Cr、Ni、Fe、Ti及びAlからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含み、金属層bは、金属層bの1層当たりの重量に対して10wt.%以上100wt.%以下のZn及びSnのいずれか1種の元素を含み、金属層a及び金属層bは電気的に接続されており、金属層aの面上に第2の正極活物質含有層を有し、金属層bの面上に第2の負極活物質含有層を有する。
(First embodiment)
The aqueous electrolyte bipolar secondary battery according to the first embodiment includes a negative electrode provided with a first negative electrode active material containing layer on at least one surface of a negative electrode current collector, and a first positive electrode active material containing layer. A positive electrode provided on at least one surface of a positive electrode current collector, a second positive electrode active material-containing layer provided on one surface, and a second negative electrode active material-containing layer provided on the other opposite surface. An aqueous electrolyte bipolar secondary battery comprising a bipolar electrode having a bipolar electrode current collector and an aqueous electrolyte, wherein the bipolar electrode current collector has a metal layer a and a metal layer b, and the metal layer a is The metal layer b contains at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti and Al, and the metal layer b contains 10 wt. % or more 100 wt. % or less of any one of Zn and Sn, the metal layer a and the metal layer b are electrically connected, and the metal layer a has a second positive electrode active material-containing layer on the surface of the metal layer a , has a second negative electrode active material-containing layer on the surface of the metal layer b.
図1は第1の実施形態に係る水系電解質バイポーラ二次電池の概略図である。水系電解質バイポーラ二次電池500は、負極3、正極5及びバイポーラ電極501を備える。負極3は第1の負極活物質含有層3b1を負極集電体3aの少なくとも一方の面上に設けられる。正極5は第1の正極活物質含有層5b1を正極集電体5aの少なくとも一方の面上に設けられる。バイポーラ電極501は、第1の負極活物質含有層3b1と第1のセパレータ4aを挟んで対向する第2の正極活物質含有層5b2と、第1の正極活物質含有層5a1と第2のセパレータ4bを挟んで対向する第2の負極活物質含有層3b2と接しているバイポーラ電極集電体502を備える。第1のセパレータ4a及び第2のセパレータ4bは多孔質でも非多孔質でもよい。第1のセパレータ4aと第2のセパレータ4bは同じ種類でもそれぞれ異なってもよい。バイポーラ電極集電体502は金属層a502aと金属層b502bを有し、金属層a502aは正極活物質含有層5b2と接し、金属層b502bは負極活物質含有層3b2と接している。水系電解質バイポーラ二次電池500の備える水系電解質は、正極活物質含有層及び負極活物質含有層に保持される。図1では便宜上負極側水系電解質504及び正極側水系電解質505を示している。金属層a502aと接する正極側水系電解質505と金属層b502bと接する負極側水系電解質504があり、正極側水系電解質と負極側水系電解質は異なる。第1の正極活物質含有層と第2の正極活物質含有層に含まれる水系電解質は同じ種類を用いることができるし、異なってもよい。同様に第1の負極活物質含有層と第2の負極活物質含有層に含まれる水系電解質は同じ種類を用いることもできるし、異なってもよい。
FIG. 1 is a schematic diagram of a water-based electrolyte bipolar secondary battery according to the first embodiment. An aqueous electrolyte bipolar
第1及び第2のセパレータが多孔質である場合、水系電解質はセパレータにも保持される。 If the first and second separators are porous, the aqueous electrolyte is also retained in the separators.
第1の負極活物質と第2の負極活物質の種類は異なってもよいし、同じでもよい。第1の正極活物質と第2の正極活物質の種類は異なってもよいし、同じでもよい。 The types of the first negative electrode active material and the second negative electrode active material may be different or the same. The types of the first positive electrode active material and the second positive electrode active material may be different or the same.
特定されてない限りは、正極側水系電解質及び負極側水系電解質を総称して、単に“水系電解質”と呼ぶ。 Unless otherwise specified, the positive electrode side aqueous electrolyte and the negative electrode side aqueous electrolyte are collectively referred to simply as "aqueous electrolyte".
水系電解質電池にバイポーラを用いることで、単一セル内で直列接続可能であるため、外部接続することなく高電圧化が可能となる。特に、正極及び負極に用いる活物質に合わせた水系電解質を用いることで、さらに電池特性を向上させることが可能となる。しかし、正極、負極にはそれぞれ適した集電体を用いるべきだが、この集電体は水系電解質の種類により腐食が生じやすくなる。そのため、水系電解質及び電極に合わせたバイポーラ電極集電体を用いることにより、集電体の腐食を抑制することができ、二次電池の容量維持率や初期放電容量の向上及び自己放電率の改善といった電池特性を向上させることができる。 By using a bipolar for the aqueous electrolyte battery, it is possible to connect in series within a single cell, so it is possible to increase the voltage without external connection. In particular, by using an aqueous electrolyte that matches the active materials used for the positive electrode and the negative electrode, it is possible to further improve the battery characteristics. However, suitable current collectors should be used for the positive and negative electrodes, respectively, but these current collectors tend to corrode depending on the type of water-based electrolyte. Therefore, by using a bipolar electrode current collector that matches the aqueous electrolyte and electrodes, it is possible to suppress corrosion of the current collector, improve the capacity retention rate and initial discharge capacity of the secondary battery, and improve the self-discharge rate. Such battery characteristics can be improved.
ここで、本実施形態に係る水系電解質バイポーラ二次電池の構成部材について説明する。 Here, constituent members of the water-based electrolyte bipolar secondary battery according to this embodiment will be described.
(正極)
正極は、正極集電体と、正極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた正極活物質含有層を備え得る。第1の正極活物質含有層及び第2の正極活物質含有層を総称して正極活物質含有層と呼ぶ。正極活物質含有層は、正極活物質と、任意に導電剤及び結着剤とを含む。
(positive electrode)
The positive electrode can include a positive electrode current collector and a positive electrode active material-containing layer provided on at least one surface of the positive electrode current collector. The first positive electrode active material-containing layer and the second positive electrode active material-containing layer are collectively referred to as positive electrode active material-containing layers. The positive electrode active material-containing layer contains a positive electrode active material and optionally a conductive agent and a binder.
正極集電体は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム(Al)及びチタン(Ti)などの金属を含む。正極集電体は、例えば、箔、多孔体又はメッシュの形状を有する。正極集電体と水系電解質との反応による腐食を防止するため、正極集電体の表面は、異種元素で被覆されていてもよい。正極集電体は、例えばTi箔などの耐蝕性及び耐酸化性に優れたものであることが好ましい。なお、水系電解質としてLi2SO4を使用した場合は、腐食が進行しないことから、正極集電体としてAlを使用してもよい。 Positive electrode current collectors include, for example, metals such as stainless steel, aluminum (Al), and titanium (Ti). The positive electrode current collector has, for example, the shape of foil, porous body or mesh. In order to prevent corrosion due to reaction between the positive electrode current collector and the aqueous electrolyte, the surface of the positive electrode current collector may be coated with a different element. The positive electrode current collector is preferably made of, for example, a Ti foil having excellent corrosion resistance and oxidation resistance. When Li 2 SO 4 is used as the aqueous electrolyte, corrosion does not progress, so Al may be used as the positive electrode current collector.
また、正極集電体は、その表面に正極活物質含有層が設けられていない部分を含むことができる。この部分は、正極集電タブとして働くことができる。 In addition, the positive electrode current collector can include a portion on the surface of which the positive electrode active material-containing layer is not provided. This portion can serve as a positive current collecting tab.
正極活物質含有層は、正極活物質を含んでいる。正極活物質含有層は、正極集電体の表裏両方の面に担持されていてもよい。 The positive electrode active material containing layer contains a positive electrode active material. The positive electrode active material-containing layer may be carried on both the front and back surfaces of the positive electrode current collector.
正極活物質としては、リチウムイオン挿入-脱離電位がリチウムの酸化-還元電位に対し2.5V以上5.5V以下(vs.Li/Li+)である化合物を用いることができる。正極は、正極活物質として1種類の化合物を単独で含んでいてもよく、正極活物質として2以上の化合物を含んでいてもよい。 As the positive electrode active material, a compound having a lithium ion insertion-desorption potential of 2.5 V or more and 5.5 V or less with respect to the oxidation-reduction potential of lithium (vs. Li/Li + ) can be used. The positive electrode may contain one compound alone as a positive electrode active material, or may contain two or more compounds as a positive electrode active material.
正極活物質として用いることのできる化合物の例には、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウム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マンガン複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、リチウム鉄酸化物、リチウムフッ素化硫酸鉄、オリビン結晶構造のリン酸化合物(例えば、LikFePO4で表され0<k≦1である化合物、LikMnPO4で表され0<k≦1である化合物)などが含まれる。オリビン結晶構造のリン酸化合物は、熱安定性に優れている。 Examples of compounds that can be used as positive electrode active materials include lithium-manganese composite oxides, lithium-nickel composite oxides, lithium-cobalt-aluminum composite oxides, lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxides, spinel-type lithium-manganese-nickel composite oxides, Lithium manganese cobalt composite oxides, lithium iron oxides, lithium fluorinated iron sulfates, phosphoric acid compounds with an olivine crystal structure (for example, compounds represented by Li k FePO 4 where 0 < k ≤ 1, Li k MnPO 4 and 0<k≦1). Phosphate compounds with an olivine crystal structure are excellent in thermal stability.
高い正極電位を得られる化合物の例としては、例えば、スピネル構造のLikMn2O4で表され0<k≦1である化合物、LikMnO2で表され0<k≦1である化合物などのリチウムマンガン複合酸化物;例えば、LikNi1-iAliO2で表され0<k≦1、0<i<1である化合物などのリチウムニッケルアルミニウム複合酸化物;例えばLikCoO2で表され0<k≦1である化合物などのリチウムコバルト複合酸化物;例えばLikNi1-i-tCoiMntO2で表され0<k≦1、0<i<1、0≦t<1である化合物などのリチウムニッケルコバルト複合酸化物;例えばLikMniCo1-iO2で表され0<k≦1、0<i<1である化合物などのリチウムマンガンコバルト複合酸化物;例えばLikMn1-iNiiO4で表され0<k≦1、0<i<1である化合物などのスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物;例えばLikFePO4で表され0<k≦1である化合物、LikFe1-yMnyPO4で表され0<k≦1、0≦y≦1である化合物、LikCoPO4で表され0<k≦1である化合物などのオリビン構造を有するリチウムリン酸化物;フッ素化硫酸鉄(例えば、LikFeSO4Fで表され0<k≦1である化合物)が挙げられる。 Examples of the compound capable of obtaining a high positive electrode potential include, for example, a compound represented by Li k Mn 2 O 4 having a spinel structure and satisfying 0<k≦1, and a compound represented by Li k MnO 2 satisfying 0<k≦1. Lithium-manganese composite oxides such as; Lithium-nickel-aluminum composite oxides such as compounds represented by Li k Ni 1-i Al i O 2 where 0 < k ≤ 1 and 0 < i <1; For example Li k CoO Lithium cobalt composite oxides such as compounds represented by 2 and 0 <k≦1; for example Li k Ni 1-i-t Co i Mnt O lithium-nickel-cobalt composite oxides such as compounds where 0 ≦ t <1; Composite oxides; for example, spinel-type lithium manganese nickel composite oxides such as compounds represented by Li k Mn 1-i Ni i O 4 where 0 < k ≤ 1 and 0 < i <1; a compound represented by LikFe1 - yMnyPO4 with 0< k≤1 and 0≤y≤1 ; a compound represented by LikCoPO4 with 0<k≤1 and fluorinated iron sulfate (for example, a compound represented by Li k FeSO 4 F where 0<k≦1).
正極活物質として、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及びオリビン構造を有するリチウムリン酸化物からなる群より選択される1以上を含むことが好ましい。これら化合物の作動電位は、3.5V(vs.Li/Li+)以上4.2V(vs.Li/Li+)以下である。すなわち、これらの化合物の活物質としての作動電位は比較的高い。これら化合物を、上述したスピネル型のチタン酸リチウム及びアナターゼ型酸化チタンなどの負極活物質と組み合わせて使用することにより、高い電池電圧が得られる。 The positive electrode active material preferably contains one or more selected from the group consisting of lithium cobalt composite oxides, lithium manganese composite oxides, and lithium phosphorous oxides having an olivine structure. The action potentials of these compounds are 3.5 V (vs. Li/Li + ) or more and 4.2 V (vs. Li/Li + ) or less. That is, the action potential of these compounds as active materials is relatively high. A high battery voltage can be obtained by using these compounds in combination with the aforementioned negative electrode active materials such as spinel-type lithium titanate and anatase-type titanium oxide.
正極活物質は、例えば、粒子の形態で正極に含まれている。正極活物質粒子は、単独の一次粒子、一次粒子の凝集体である二次粒子、あるいは、一次粒子と二次粒子の混合物であり得る。粒子の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、球状、楕円形状、扁平形状、又は繊維状等にすることができる。 The positive electrode active material is contained in the positive electrode in the form of particles, for example. The positive electrode active material particles can be single primary particles, secondary particles that are aggregates of primary particles, or mixtures of primary particles and secondary particles. The shape of the particles is not particularly limited, and can be, for example, spherical, elliptical, flattened, or fibrous.
正極活物質の一次粒子の平均粒子径(直径)は10μm以下であることが好ましく、より好ましくは0.1μm以上5μm以下である。正極活物質の二次粒子の平均粒子径(直径)は100μm以下であることが好ましく、より好ましくは10μm以上50μm以下である。正極活物質の一次粒子径及び二次粒子径は、負極活物質粒子と同様の方法で測定できる。 The average particle size (diameter) of the primary particles of the positive electrode active material is preferably 10 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 5 μm or less. The average particle size (diameter) of the secondary particles of the positive electrode active material is preferably 100 μm or less, more preferably 10 μm or more and 50 μm or less. The primary particle size and secondary particle size of the positive electrode active material can be measured by the same method as for the negative electrode active material particles.
正極活物質含有層は、正極活物質の他に、導電剤及び結着剤などを含んでいてもよい。 導電剤は、集電性能を高め、且つ活物質と正極集電体との接触抵抗を抑えるために、必要に応じて配合される。導電剤の例には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛及びコークスなどの炭素質物が含まれる。導電剤は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。 The positive electrode active material-containing layer may contain a conductive agent, a binder, and the like in addition to the positive electrode active material. The conductive agent is blended as necessary in order to improve the current collection performance and suppress the contact resistance between the active material and the positive electrode current collector. Examples of conductive agents include carbonaceous materials such as acetylene black, ketjen black, graphite and coke. The conductive agent may be of one type or a mixture of two or more types.
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、エチレン-ブタジエンゴム、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド(PI)、ポリアクリルイミド(PAI)などが挙げられる。結着剤は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。 Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluororubber, ethylene-butadiene rubber, polypropylene (PP), polyethylene (PE), carboxymethylcellulose (CMC), polyimide ( PI), polyacrylimide (PAI), and the like. One type of binder may be used, or two or more types may be mixed and used.
正極活物質含有層における正極活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、それぞれ、70質量%以上95質量%以下、3質量%以上20質量%以下、及び2質量%以上10質量%以下であることが好ましい。導電剤の配合比が3質量%以上であると正極の導電性を良好にすることができ、20質量%以下であると導電剤表面での水系電解質の分解を低減できる。結着剤の配合比が2質量%以上であると十分な電極強度が得られ、10質量%以下であると電極の絶縁部を減少させることができる。 The compounding ratio of the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder in the positive electrode active material-containing layer is 70% by mass or more and 95% by mass or less, 3% by mass or more and 20% by mass or less, and 2% by mass or more and 10% by mass or less. is preferably When the compounding ratio of the conductive agent is 3% by mass or more, the conductivity of the positive electrode can be improved, and when it is 20% by mass or less, decomposition of the aqueous electrolyte on the surface of the conductive agent can be reduced. When the compounding ratio of the binder is 2% by mass or more, sufficient electrode strength can be obtained, and when it is 10% by mass or less, the insulating portion of the electrode can be reduced.
正極集電体は、正極活物質含有層の第2面と接する。正極集電体は、1つの正極活物質含有層の第2面と接していてもよく、或いは、2つの正極活物質含有層の第2面とそれぞれ接していてもよい。例えば、正極集電体は、一方の面にて1つの正極活物質含有層の第2面と接するとともに、裏側の他方の面にて別の正極活物質含有層の第2面と接することもできる。つまり、1つの正極集電体を間に挟んだ2つの正極活物質含有層を含むことができる。 The positive electrode current collector is in contact with the second surface of the positive electrode active material-containing layer. The positive electrode current collector may be in contact with the second surface of one positive electrode active material-containing layer, or may be in contact with the second surfaces of two positive electrode active material-containing layers. For example, one surface of the positive electrode current collector may contact the second surface of one positive electrode active material-containing layer, and the other surface of the positive electrode current collector may contact the second surface of another positive electrode active material-containing layer. can. That is, it can include two positive electrode active material-containing layers with one positive electrode current collector sandwiched therebetween.
正極は、例えば、以下の方法により得ることができる。先ず、正極活物質、導電剤及び結着剤を適切な溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを正極集電体の片面又は両面に塗布する。正極集電体上の塗膜を乾燥させて正極活物質含有層を形成する。その後、正極集電体及びその上に形成された正極活物質含有層にプレスを施す。正極活物質含有層としては、正極活物質、導電剤及び結着剤の混合物をペレット状に形成したものを用いてもよい。 A positive electrode can be obtained, for example, by the following method. First, a slurry is prepared by suspending a positive electrode active material, a conductive agent and a binder in an appropriate solvent. This slurry is applied to one side or both sides of the positive electrode current collector. The coating film on the positive electrode current collector is dried to form a positive electrode active material-containing layer. Thereafter, the positive electrode current collector and the positive electrode active material-containing layer formed thereon are pressed. As the positive electrode active material-containing layer, a pellet-shaped mixture of a positive electrode active material, a conductive agent and a binder may be used.
(負極)
負極は、負極集電体と、負極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた負極活物質含有層を備え得る。第1の負極活物質含有層及び第2の負極活物質含有層を総称して負極活物質含有層と呼ぶ。負極活物質含有層は、負極活物質と、任意に導電剤及び結着剤とを含む。負極活物質含有層に含ませる負極活物質としてリチウムイオン挿入-脱離電位の下限値が1V以上(vs.Li/Li+)である化合物を用いると、高容量で、かつ、安定性に優れた二次電池を実現できる。
(negative electrode)
The negative electrode can include a negative electrode current collector and a negative electrode active material-containing layer provided on at least one surface of the negative electrode current collector. The first negative electrode active material-containing layer and the second negative electrode active material-containing layer are collectively referred to as negative electrode active material-containing layers. The negative electrode active material-containing layer contains a negative electrode active material and optionally a conductive agent and a binder. When a compound having a lower limit of lithium ion insertion-extraction potential of 1 V or more (vs. Li/Li + ) is used as the negative electrode active material contained in the negative electrode active material-containing layer, high capacity and excellent stability can be obtained. A secondary battery can be realized.
リチウムイオン挿入-脱離電位がリチウムの酸化-還元電位を基準とする電位で、1V以上3V以下(vs.Li/Li+)である化合物としては、例えば、チタン酸化物及びチタン含有酸化物が挙げられる。チタン含有酸化物としては、リチウムチタン複合酸化物、ニオブチタン複合酸化物、ナトリウムニオブチタン複合酸化物などが挙げられる。負極活物質は、チタン酸化物及びチタン含有酸化物を1以上含むことができる。 Examples of compounds having a lithium ion insertion-desorption potential of 1 V or more and 3 V or less (vs. Li/Li + ) based on the oxidation-reduction potential of lithium include titanium oxides and titanium-containing oxides. mentioned. Titanium-containing oxides include lithium-titanium composite oxides, niobium-titanium composite oxides, sodium-niobium-titanium composite oxides, and the like. The negative electrode active material can include one or more titanium oxides and titanium-containing oxides.
チタン酸化物は、例えば、単斜晶構造のチタン酸化物、ルチル構造のチタン酸化物、アナターゼ構造のチタン酸化物を含む。各結晶構造のチタン酸化物は、充電前の組成をTiO2、充電後の組成をLiyTiO2(添字yは0≦y≦1)で表すことができる。また、単斜晶構造のチタン酸化物の充電前構造をTiO2(B)と表すことができる。 Titanium oxide includes, for example, monoclinic structure titanium oxide, rutile structure titanium oxide, and anatase structure titanium oxide. The titanium oxide of each crystal structure can be represented by TiO 2 for the composition before charging and by Li y TiO 2 (subscript y is 0≦y≦1) after charging. In addition, the pre-charged structure of titanium oxide having a monoclinic structure can be expressed as TiO 2 (B).
リチウムチタン酸化物は、例えば、スピネル構造のリチウムチタン酸化物(例えば一般式Li4+jTi5O12で表され-1≦j≦3である化合物)、ラムスデライト構造のリチウムチタン酸化物(例えば、Li2+jTi3O7で表され-1≦j≦3である化合物)、Li1+yTi2O4で表され0≦y≦1である化合物、Li1.1+yTi1.8O4で表され0≦y≦1である化合物、Li1.07+yTi1.86O4で表され0≦y≦1である化合物、LikTiO2で表され0<k≦1である化合物などを含む。また、リチウムチタン酸化物は、異種元素が導入されているリチウムチタン複合酸化物であってもよい。 Lithium titanium oxides include, for example, spinel structure lithium titanium oxides (for example, compounds represented by the general formula Li 4+j Ti 5 O 12 and −1≦j≦3), ramsdellite structure lithium titanium oxides (for example, a compound represented by Li 2+j Ti 3 O 7 where −1≦j≦3), a compound represented by Li 1+y Ti 2 O 4 where 0≦y≦1, and a compound represented by Li 1.1+y Ti 1.8 O 4 and 0 ≤ y ≤ 1, a compound represented by Li 1.07 + y Ti 1.86 O 4 and 0 ≤ y ≤ 1, a compound represented by Li k TiO 2 with 0 < k ≤ 1, etc. . Also, the lithium-titanium oxide may be a lithium-titanium composite oxide into which a dissimilar element is introduced.
ニオブチタン複合酸化物は、例えば、LiχTiMeαNb2±βO7±σで表され0≦χ≦5、0≦α≦0.3、0≦β≦0.3、0≦σ≦0.3、MeはFe,V,Mo及びTaよりなる群から選択される1以上である化合物を含む。 The niobium-titanium composite oxide is represented, for example, by Li χ TiMe α Nb 2±β O 7±σ , where 0≦χ≦5, 0≦α≦0.3, 0≦β≦0.3, and 0≦σ≦0. .3, Me includes compounds that are one or more selected from the group consisting of Fe, V, Mo and Ta.
ナトリウムニオブチタン複合酸化物は、例えば、一般式Li2+dNa2-eMe1fTi6-g-hNbgMe2hO14+δで表され、0≦d≦4、0≦e<2、0≦f<2、0<g<6、0≦h<3、-0.5≦δ≦0.5、Me1はCs,K,Sr,Ba,Caより選択される1以上を含み、Me2はZr,Sn,V,Ta,Mo,W,Fe,Co,Mn,Alより選択される1以上を含む直方晶(orthorhombic)型Na含有ニオブチタン複合酸化物を含む。 The sodium-niobium-titanium composite oxide is represented, for example, by the general formula Li 2+d Na 2-e Me1 f Ti 6-g-h Nb g Me2 h O 14+δ , where 0≦d≦4, 0≦e<2, 0≦ f < 2, 0 < g < 6, 0 ≤ h < 3, -0.5 ≤ δ ≤ 0.5, Me1 contains one or more selected from Cs, K, Sr, Ba, Ca, Me2 is Zr , Sn, V, Ta, Mo, W, Fe, Co, Mn, and Al.
負極活物質として、アナターゼ構造のチタン酸化物、単斜晶構造のチタン酸化物、スピネル構造のリチウムチタン酸化物、ニオブチタン複合酸化物、又はこれらの混合物を用いることが好ましい。一方では、アナターゼ構造のチタン酸化物、単斜晶構造のチタン酸化物、又はスピネル構造のリチウムチタン酸化物を負極活物質として用いると、例えば、リチウムマンガン複合酸化物を正極活物質に用いた正極と組み合わせることで、高い起電力を得ることができる。他方、ニオブチタン複合酸化物を用いることで、高容量を発揮できる。 As the negative electrode active material, it is preferable to use an anatase-structured titanium oxide, a monoclinic-structured titanium oxide, a spinel-structured lithium-titanium oxide, a niobium-titanium composite oxide, or a mixture thereof. On the other hand, when a titanium oxide with an anatase structure, a titanium oxide with a monoclinic structure, or a lithium titanium oxide with a spinel structure is used as a negative electrode active material, for example, a positive electrode using a lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material A high electromotive force can be obtained by combining with On the other hand, by using a niobium-titanium composite oxide, a high capacity can be exhibited.
負極活物質は、例えば、粒子の形態で負極活物質含有層に含まれ得る。負極活物質粒子は、一次粒子、一次粒子の凝集体である二次粒子、あるいは、単独の一次粒子及び二次粒子の混合物であり得る。粒子の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、球状、楕円形状、扁平形状、及び繊維状などであり得る。 The negative electrode active material may be included in the negative electrode active material-containing layer in the form of particles, for example. The negative electrode active material particles can be primary particles, secondary particles that are aggregates of primary particles, or mixtures of single primary particles and secondary particles. The shape of the particles is not particularly limited, and may be, for example, spherical, elliptical, flattened, or fibrous.
負極活物質の二次粒子は、例えば、以下の方法により得ることができる。先ず、活物質原料を反応合成して平均粒子径1μm以下の活物質前駆体を作製する。その後、活物質前駆体に対し焼成処理を行い、ボールミルやジェットミルなどの粉砕機を用いて粉砕処理を施す。次いで焼成処理において、活物質前駆体を凝集させて粒子径の大きい二次粒子に成長させる。 Secondary particles of the negative electrode active material can be obtained, for example, by the following method. First, active material raw materials are reacted and synthesized to prepare an active material precursor having an average particle size of 1 μm or less. After that, the active material precursor is subjected to a calcination treatment, and then subjected to a pulverization treatment using a pulverizer such as a ball mill or a jet mill. Next, in the baking treatment, the active material precursor is aggregated and grown into secondary particles having a large particle size.
負極活物質の二次粒子の平均粒子径(直径)は、3μm以上であることが好ましく、5μm以上20μm以下であることがより好ましい。この範囲であると、活物質の表面積が小さいため、水の分解をより抑制できる。 The average particle size (diameter) of the secondary particles of the negative electrode active material is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more and 20 μm or less. Within this range, since the surface area of the active material is small, decomposition of water can be further suppressed.
負極活物質の一次粒子の平均粒子径は1μm以下とすることが望ましい。これにより、活物質内部でのLiイオンの拡散距離が短くなり、比表面積が大きくなる。そのため、優れた高入力性能(急速充電)が得られる。一方、負極活物質の一次粒子の平均粒子径が小さいと、粒子の凝集が起こりやすくなる。負極活物質の粒子の凝集が生じると、二次電池内において水系電解質が、その負極に偏在し易くなり、正極において、イオン種の枯渇を招く恐れがある。それゆえ、負極活物質の一次粒子の平均粒子径は、0.001μm以上であることが好ましい。負極活物質の一次粒子の平均粒子径は、0.1μm以上0.8μm以下であることがより好ましい。 The average particle size of the primary particles of the negative electrode active material is desirably 1 μm or less. This shortens the diffusion distance of Li ions inside the active material and increases the specific surface area. Therefore, excellent high input performance (rapid charging) can be obtained. On the other hand, when the average particle diameter of the primary particles of the negative electrode active material is small, aggregation of the particles tends to occur. If the particles of the negative electrode active material aggregate, the aqueous electrolyte tends to be unevenly distributed on the negative electrode in the secondary battery, which may lead to depletion of ionic species in the positive electrode. Therefore, the average particle size of the primary particles of the negative electrode active material is preferably 0.001 μm or more. The average particle size of the primary particles of the negative electrode active material is more preferably 0.1 μm or more and 0.8 μm or less.
なお、この一次粒子径及び二次粒子径は、レーザー回折式の粒度分布測定装置により求めた粒度分布において、体積積算値が50%となる粒径を意味している。レーザー回折式の粒度分布測定装置としては、例えば、島津SALD-300を用いる。測定に際しては、2秒間隔で64回光度分布を測定する。この粒度分布測定を行う際の試料としては、活物質粒子の濃度が0.1質量%から1質量%となるようにN-メチル-2-ピロリドンで希釈した分散液を用いる。あるいは、測定試料としては、0.1gの活物質を、界面活性剤を含む1ml-2mlの蒸留水に分散させたものを用いる。 The primary particle size and secondary particle size mean the particle size at which the volume integrated value is 50% in the particle size distribution determined by a laser diffraction type particle size distribution analyzer. For example, Shimadzu SALD-300 is used as a laser diffraction particle size distribution analyzer. During the measurement, the light intensity distribution is measured 64 times at intervals of 2 seconds. As a sample for this particle size distribution measurement, a dispersion diluted with N-methyl-2-pyrrolidone so that the concentration of the active material particles is 0.1% by mass to 1% by mass is used. Alternatively, a measurement sample is prepared by dispersing 0.1 g of the active material in 1 to 2 ml of distilled water containing a surfactant.
負極活物質は、窒素(N2)吸着によるBET法での比表面積が、例えば、3m2/g以上200m2/g以下の範囲内にある。負極活物質の比表面積がこの範囲内にあると、電極と水系電解質との親和性を更に高くすることができる。この比表面積は、例えば、後述する負極活物質含有層の比表面積の測定方法と同様の方法で求めることができる。 The negative electrode active material has a specific surface area of, for example, 3 m 2 /g or more and 200 m 2 /g or less as determined by the BET method by nitrogen (N 2 ) adsorption. When the specific surface area of the negative electrode active material is within this range, the affinity between the electrode and the aqueous electrolyte can be further increased. This specific surface area can be obtained, for example, by a method similar to the method for measuring the specific surface area of the negative electrode active material-containing layer, which will be described later.
負極活物質含有層の多孔度は、20%以上50%以下にすることが望ましい。これにより、水系電解質との親和性に優れ、かつ高密度な電極を得ることができる。負極活物質含有層の多孔度は、25%以上40%以下であることがより好ましい。 The porosity of the negative electrode active material-containing layer is desirably 20% or more and 50% or less. As a result, it is possible to obtain an electrode having excellent affinity with the aqueous electrolyte and having a high density. More preferably, the porosity of the negative electrode active material-containing layer is 25% or more and 40% or less.
負極活物質含有層の多孔度は、例えば、水銀圧入法により得ることができる。具体的には、先ず、水銀圧入法により、負極活物質含有層の細孔分布を得る。この細孔分布から全細孔量を算出する。全細孔量と負極活物質含有層の体積との比から、多孔度を算出することが出来る。 The porosity of the negative electrode active material-containing layer can be obtained, for example, by mercury porosimetry. Specifically, first, the pore size distribution of the negative electrode active material-containing layer is obtained by a mercury intrusion method. The total pore volume is calculated from this pore distribution. The porosity can be calculated from the ratio of the total pore volume to the volume of the negative electrode active material-containing layer.
負極活物質含有層の窒素(N2)吸着によるBET法での比表面積は、3m2/g以上50m2/g以下であることがより好ましい。負極活物質含有層の比表面積が3m2/g未満であると、活物質と水系電解質との親和性が低くなる。その結果、電極の界面抵抗が増加して、二次電池の出力性能及び充放電サイクル性能が低下する恐れがある。一方、負極活物質含有層の比表面積が50m2/gを超えると、水系電解質が含む電解質塩から電離したイオン種の分布が負極に偏り、正極での該イオン種の不足を招くため、出力性能及び充放電サイクル性能が低下することがある。 More preferably, the specific surface area of the negative electrode active material-containing layer by nitrogen (N 2 ) adsorption by the BET method is 3 m 2 /g or more and 50 m 2 /g or less. If the specific surface area of the negative electrode active material-containing layer is less than 3 m 2 /g, the affinity between the active material and the aqueous electrolyte will be low. As a result, the interfacial resistance of the electrode increases, and the output performance and charge/discharge cycle performance of the secondary battery may deteriorate. On the other hand, when the specific surface area of the negative electrode active material-containing layer exceeds 50 m 2 /g, the distribution of the ion species ionized from the electrolyte salt contained in the aqueous electrolyte is biased toward the negative electrode, leading to a shortage of the ion species at the positive electrode. Performance and charge/discharge cycle performance may be degraded.
この比表面積は、例えば、以下の方法により求めることができる。測定対象の負極活物質含有層を含んだ負極が二次電池に組み込まれている場合は、二次電池を解体して、負極活物質含有層の一部を採取する。77K(窒素の沸点)の窒素ガス中で、窒素ガスの圧力P(mmHg)を徐々に高めながら、圧力P毎に、試料の窒素ガス吸着量(mL/g)を測定する。圧力P(mmHg)を窒素ガスの飽和蒸気圧P0(mmHg)で除した値を相対圧力P/P0として、各相対圧力P/P0に対する窒素ガス吸着量をプロットすることにより吸着等温線を得る。この窒素吸着等温線とBET式とからBETプロットを算出し、このBETプロットを利用して比表面積を得る。なお、BETプロットの算出には、BET多点法を用いる。 This specific surface area can be determined, for example, by the following method. When the negative electrode including the negative electrode active material-containing layer to be measured is incorporated in a secondary battery, the secondary battery is disassembled and part of the negative electrode active material-containing layer is collected. In nitrogen gas at 77K (boiling point of nitrogen), the nitrogen gas pressure P (mmHg) is gradually increased, and the nitrogen gas adsorption amount (mL/g) of the sample is measured for each pressure P. The value obtained by dividing the pressure P (mmHg) by the saturated vapor pressure P0 (mmHg) of nitrogen gas is defined as the relative pressure P/P0, and the adsorption isotherm is obtained by plotting the nitrogen gas adsorption amount against each relative pressure P/P0. A BET plot is calculated from this nitrogen adsorption isotherm and the BET equation, and the specific surface area is obtained using this BET plot. Note that the BET multi-point method is used to calculate the BET plot.
導電剤は、集電性能を高め、且つ活物質と集電体との接触抵抗を抑えるために、必要に応じて配合される。導電剤の例には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛及びコークスなどの炭素質物が含まれる。導電剤は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。 The conductive agent is added as necessary in order to improve the current collection performance and suppress the contact resistance between the active material and the current collector. Examples of conductive agents include carbonaceous materials such as acetylene black, ketjen black, graphite and coke. The conductive agent may be of one type or a mixture of two or more types.
結着剤は、活物質及び導電剤を結着させる作用を有する。結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、カルボキシメチルセルロース(CMC)などのセルロース系ポリマー、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリル樹脂又はその共重合体、ポリアクリル酸及びポリアクリロニトリルからなる群より選ばれる少なくとも1つを用いることができるが、これらに限定されない。例えば、セパレータの固体電解質層が含む高分子材料を結着剤として用いることができる。結着剤は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。 The binder has a function of binding the active material and the conductive agent. Binders include, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), cellulosic polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC), fluororubbers, styrene-butadiene rubbers, acrylic resins or copolymers thereof, At least one selected from the group consisting of polyacrylic acid and polyacrylonitrile can be used, but is not limited thereto. For example, a polymer material contained in the solid electrolyte layer of the separator can be used as the binder. One type of binder may be used, or two or more types may be mixed and used.
負極活物質含有層における負極活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、それぞれ、70質量%以上95質量%以下、3質量%以上20質量%以下、及び2質量%以上10質量%以下の範囲であることが好ましい。導電剤の配合比が3質量%以上であると負極活物質含有層の導電性を良好にでき、20質量%以下であると導電剤表面での水系電解質の分解を低減できる。結着剤の配合比が2質量%以上であると十分な電極強度が得られ、10質量%以下であると電極の絶縁部を減少させることができる。 The compounding ratio of the negative electrode active material, the conductive agent, and the binder in the negative electrode active material-containing layer is 70% by mass or more and 95% by mass or less, 3% by mass or more and 20% by mass or less, and 2% by mass or more and 10% by mass or less. is preferably in the range of When the compounding ratio of the conductive agent is 3% by mass or more, the conductivity of the negative electrode active material-containing layer can be improved, and when it is 20% by mass or less, decomposition of the aqueous electrolyte on the surface of the conductive agent can be reduced. When the compounding ratio of the binder is 2% by mass or more, sufficient electrode strength can be obtained, and when it is 10% by mass or less, the insulating portion of the electrode can be reduced.
負極集電体は、負極活物質含有層の第2面と接する。負極集電体は、1つの負極活物質含有層の第2面と接していてもよく、或いは、2つの負極活物質含有層の第2面とそれぞれ接していてもよい。例えば、負極集電体は、一方の面にて1つの負極活物質含有層の第2面と接するとともに、裏側の他方の面にて別の負極活物質含有層の第2面と接することもできる。つまり、1つの負極集電体を間に挟んだ2つの負極活物質含有層を含むことができる。 The negative electrode current collector is in contact with the second surface of the negative electrode active material-containing layer. The negative electrode current collector may be in contact with the second surface of one negative electrode active material-containing layer, or may be in contact with the second surfaces of two negative electrode active material-containing layers. For example, one surface of the negative electrode current collector may be in contact with the second surface of one negative electrode active material-containing layer, and the other surface of the negative electrode current collector may be in contact with the second surface of another negative electrode active material-containing layer. can. That is, it can include two negative electrode active material-containing layers with one negative electrode current collector sandwiched therebetween.
負極集電体は、その少なくとも一部において、その箇所での表裏両方の面にて負極活物質含有層と接していない部分を含むことができる。この部分は、集電タブとして働くことができる。或いは、負極集電体とは別体の集電タブを電極に電気的に接続してもよい。また、負極集電体の両側の面に負極活物質含有層がそれぞれ配置されている場合は、負極集電体の一方の面の少なくとも一部において、その箇所では負極活物質含有層と接していない部分を含むことができる。例えば、負極集電体とは別体の集電タブをこの部分に接続することができる。 At least a portion of the negative electrode current collector can include a portion that is not in contact with the negative electrode active material-containing layer on both the front and back surfaces at that location. This portion can act as a current collecting tab. Alternatively, a collector tab separate from the negative electrode collector may be electrically connected to the electrode. Further, when the negative electrode active material-containing layers are arranged on both sides of the negative electrode current collector, at least part of one surface of the negative electrode current collector is in contact with the negative electrode active material-containing layer at that location. It can contain parts that are not For example, a current collecting tab separate from the negative electrode current collector can be connected to this portion.
負極集電体の材料には、アルカリ金属イオンが挿入又は脱離するときの電極電位範囲において、電気化学的に安定である物質が用いられる。負極集電体は、例えば、亜鉛箔、アルミニウム箔、又は、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、亜鉛(Zn)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、銅(Cu)及びケイ素(Si)から選択される1以上を含むアルミニウム合金箔で、且つZnやSnと言った水素過電圧の大きい金属で表面被覆されていることが好ましい。負極集電体は、多孔体又はメッシュなどの他の形態であってもよい。負極集電体の厚さは、5μm以上20μm以下であることが好ましい。このような厚さを有する負極集電体は、電極の強度と軽量化のバランスをとることができる。 A material that is electrochemically stable in the electrode potential range when alkali metal ions are intercalated or deintercalated is used as the material of the negative electrode current collector. The negative electrode current collector is, for example, zinc foil, aluminum foil, or magnesium (Mg), titanium (Ti), zinc (Zn), manganese (Mn), iron (Fe), copper (Cu) and silicon (Si). It is preferable that the surface is coated with an aluminum alloy foil containing one or more selected from and with a metal having a large hydrogen overvoltage such as Zn or Sn. The negative electrode current collector may be in other forms such as a porous body or a mesh. The thickness of the negative electrode current collector is preferably 5 μm or more and 20 μm or less. A negative electrode current collector having such a thickness can balance the strength and weight reduction of the electrode.
負極は、例えば、以下の方法により得ることができる。先ず、負極活物質、導電剤及び結着剤を適切な溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを負極集電体の片面又は両面に塗布する。負極集電体上の塗膜を乾燥させて負極活物質含有層を形成する。その後、負極集電体及びその上に形成された負極活物質含有層にプレスを施す。負極活物質含有層としては、負極活物質、導電剤及び結着剤の混合物をペレット状に形成したものを用いてもよい。 A negative electrode can be obtained, for example, by the following method. First, a slurry is prepared by suspending a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder in an appropriate solvent. This slurry is applied to one side or both sides of the negative electrode current collector. The coating film on the negative electrode current collector is dried to form a negative electrode active material-containing layer. After that, the negative electrode current collector and the negative electrode active material-containing layer formed thereon are pressed. As the negative electrode active material-containing layer, a mixture of a negative electrode active material, a conductive agent and a binder formed into pellets may be used.
(バイポーラ電極)
バイポーラ電極は、一方の面に正極活物質含有層が、対向する他方の面に負極活物質含有層が、それぞれ設けられている。正極活物質含有層及び負極活物質含有層がバイポーラ電極集電体の2つの面に設けられている。
(bipolar electrode)
The bipolar electrode has a positive electrode active material containing layer on one surface and a negative electrode active material containing layer on the opposite surface. A positive electrode active material-containing layer and a negative electrode active material-containing layer are provided on two sides of a bipolar electrode current collector.
正極活物質含有層と負極活物質含有層に含まれる活物質含有層は、それぞれ前述した正極、負極で説明したものを用いることができる。 As the active material-containing layer contained in the positive electrode active material-containing layer and the negative electrode active material-containing layer, the active material-containing layers described above for the positive electrode and the negative electrode can be used, respectively.
バイポーラ電極はひとつの二次電池に1以上備えることができる。例えば2枚以上備えることができる。 One or more bipolar electrodes can be provided in one secondary battery. For example, two or more can be provided.
バイポーラ電極集電体は、金属層aと金属層bを有する。金属層aと金属層bは電気的に接続されている。金属層aの面上に正極活物質含有層を有し、金属層bの面上に負極活物質含有層を有する。例えば、図2は水系電解質バイポーラ二次電池の備えるバイポーラ電極集電体の概略図である。図2aはバイポーラ電極集電体502の金属層a502aと金属層b502bが直接接している。図2bはバイポーラ電極集電体の金属層a502aと金属層b502bの間に導電性接着層503が存在している。図2cは金属層a502aと金属層b502bの間に導電性接着層a503aと導電性接着層b503bが存在している。図2dは金属層a502aと金属層b502bの間に導電性接着層a503a、導電性接着層b503b及び導電性接着層c503cが存在している。バイポーラ電極集電体の金属層aと金属層bは電気的に接続されていればよい。
A bipolar electrode current collector has a metal layer a and a metal layer b. The metal layer a and the metal layer b are electrically connected. It has a positive electrode active material containing layer on the surface of the metal layer a, and has a negative electrode active material containing layer on the surface of the metal layer b. For example, FIG. 2 is a schematic diagram of a bipolar electrode current collector provided in a water-based electrolyte bipolar secondary battery. In FIG. 2a, the metal layer a 502a and the
金属層aはCr、Ni、Fe、Ti、Alからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。金属層aは正極活物質含有層と接するため、正極側に用いられる水系電解質(正極側水系電解質)と接することになる。金属層aに上記金属元素を用いることで、正極側水系電解質からの腐食に対して耐久性を持つことができる。正極側水系電解質については詳しくは後述する。 The metal layer a contains at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti and Al. Since the metal layer a is in contact with the positive electrode active material containing layer, it is in contact with the aqueous electrolyte used on the positive electrode side (positive electrode side aqueous electrolyte). By using the above metal element for the metal layer a, it is possible to have durability against corrosion from the positive electrode side aqueous electrolyte. The positive electrode side aqueous electrolyte will be described later in detail.
金属層aはCr、Ni、Fe、Ti、Alからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むため、金属層aはNi箔、Ti箔などのほぼ1種類の金属元素で構成される金属箔、つまり金属層aの1層当たりの重量に対してほぼ100wt.%の、Ni、Fe、Ti、Alからなる群より選択される1種の元素が含まれるでもよいし、ステンレス箔やAl-Mg合金及びAl-Zn-Mg合金といった合金箔でもよいし、基材にメッキを施すことで基材の表面にCr、Ni、Fe、Ti、Alからなる群より選択される少なくとも1種の元素を備えさせてもよい。つまり、金属層aが水系電解質と接する部分に、Cr、Ni、Fe、Ti、Alからなる群より選択される少なくとも1種の元素を備えていればよい。そのため、金属層aの水系電解質と接する表面のすべてにCr、Ni、Fe、Ti、Alからなる群より選択される少なくとも1種の元素が存在することが好ましい。上記元素を備えさせるには、箔状やメッキを行い被覆された状態にすることが好ましい。 Since the metal layer a contains at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti, and Al, the metal layer a is composed of almost one metal element such as Ni foil and Ti foil. Approximately 100 wt. % of one element selected from the group consisting of Ni, Fe, Ti, and Al may be contained, and alloy foils such as stainless steel foils, Al-Mg alloys and Al-Zn-Mg alloys may be included, and The surface of the substrate may be provided with at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti and Al by plating the material. That is, at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti and Al should be provided in the portion of the metal layer a in contact with the aqueous electrolyte. Therefore, it is preferable that at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti and Al is present on all the surfaces of the metal layer a that are in contact with the aqueous electrolyte. In order to provide the above elements, it is preferable to use a foil shape or a coated state by plating.
金属層a及び金属層bの厚さは、それぞれ金属層が水系電解質に接する表面の金属種により厚さを変えることができる。用いる金属種の硬度が高ければ、バイポーラ電極にした際に電極の強度を保つことができる。そのため、用いる金属種の硬度が高いものはバイポーラ電極集電体の厚さに対して金属層a及び金属層bの厚さを薄くすることができる。 The thicknesses of the metal layer a and the metal layer b can be changed depending on the metal species on the surface of the metal layer in contact with the aqueous electrolyte. If the hardness of the metal species used is high, the strength of the electrode can be maintained when it is made into a bipolar electrode. Therefore, when the hardness of the metal used is high, the thickness of the metal layer a and the metal layer b can be made thinner than the thickness of the bipolar electrode current collector.
バイポーラ電極の強度は、金属層a及び金属層bの少なくとも一方の金属層によりバイポーラ電極の強度を保てればよい。 The strength of the bipolar electrode should be maintained by at least one of the metal layer a and the metal layer b.
金属層aに用いる金属種や、厚みによって、バイポーラ電極集電体に生じるピンホールやクラックを抑制できるとともに、電池にした際には外部からの衝撃による負極、正極及びバイポーラ電極を含む電極群の折れ曲がりなども低減させることができる。 Depending on the metal type and thickness used for the metal layer a, pinholes and cracks occurring in the bipolar electrode current collector can be suppressed, and when a battery is made, an electrode group including a negative electrode, a positive electrode, and a bipolar electrode due to external impact can be formed. Bending or the like can also be reduced.
バイポーラ電極集電体の厚さは10μm以上100μm以下が好ましい。100μmより大きいと、エネルギー密度が低下するため、好ましくない。10μm未満だと強度が足りないため、バイポーラ電極としての強度を保つことが難しい。 The thickness of the bipolar electrode current collector is preferably 10 μm or more and 100 μm or less. If it is larger than 100 μm, the energy density is lowered, which is not preferable. If the thickness is less than 10 μm, the strength is insufficient, and it is difficult to maintain strength as a bipolar electrode.
金属層aにAlを用いる場合、金属層aの厚みはバイポーラ電極集電体の厚みに対し9%以上95%以下であることが好ましい。Alを用いるとは、例えばAl箔といったほぼ1種類の金属元素で構成されるものを用いる場合である。バイポーラ電極集電体の厚さに対して、金属層aと金属層bの厚さはトレードオフの関係なので、金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して9%以上95%以下であることでバイポーラ電極集電体としての耐食性が保持できるためである。金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して9%未満だと金属層aがプレス加工などにより、金属層aに剥離などが生じた場合、金属層bが露出してしまい、耐食性が低下するため好ましくない。金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して95%より大きくなると金属層bがプレス加工などにより、金属層bに剥離などが生じた場合、金属層aが露出してしまい、耐食性が低下するため好ましくない。より好ましくは金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して40%以上60%下である。 When Al is used for the metal layer a, the thickness of the metal layer a is preferably 9% or more and 95% or less of the thickness of the bipolar electrode current collector. The use of Al means the case of using a material composed of almost one kind of metal element, such as Al foil. Since the thicknesses of the metal layer a and the metal layer b are in a trade-off relationship with respect to the thickness of the bipolar electrode current collector, the thickness of the metal layer a is 9% or more and 95% of the thickness of the bipolar electrode current collector. This is because the corrosion resistance as a bipolar electrode current collector can be maintained by satisfying the following. If the thickness of the metal layer a is less than 9% of the thickness of the bipolar electrode current collector, the metal layer b will be exposed if the metal layer a is peeled off due to press working or the like. It is not preferable because it lowers corrosion resistance. If the thickness of the metal layer a exceeds 95% of the thickness of the bipolar electrode current collector, the metal layer a will be exposed if peeling or the like occurs in the metal layer b due to press working or the like. It is not preferable because it lowers corrosion resistance. More preferably, the thickness of the metal layer a is 40% or more and 60% less than the thickness of the bipolar electrode current collector.
金属層aにCr、Fe、Ni、Ti、Al-Mg合金、Al-Mg-Zn合金が含まれる場合、金属層aの厚みはバイポーラ電極集電体の厚みに対し7%以上95%以下であることが好ましい。Cr、Fe、Ni、Ti、Al-Mg合金、Al-Mg-Zn合金は箔として用いてもよいし、メッキでもよい。バイポーラ電極集電体の厚さに対して、金属層aと金属層bの厚さはトレードオフの関係なので、金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して7%以上95%以下であることでバイポーラ電極集電体としての耐食性が保持できるためである。金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して7%未満だと金属層aがプレス加工などにより、金属層aに剥離などが生じた場合、金属層bが露出してしまい、耐食性が低下するため好ましくない。金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して95%より大きくなると金属層bがプレス加工などにより、金属層bに剥離などが生じた場合、金属層aが露出してしまい、耐食性が低下するとなるため好ましくない。より好ましくは金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して30%以上70%以下である。さらにより好ましくは金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して40%以上60%以下である。 When the metal layer a contains Cr, Fe, Ni, Ti, an Al-Mg alloy, or an Al-Mg-Zn alloy, the thickness of the metal layer a is 7% or more and 95% or less of the thickness of the bipolar electrode current collector. Preferably. Cr, Fe, Ni, Ti, Al--Mg alloy, and Al--Mg--Zn alloy may be used as foil or plated. Since the thicknesses of the metal layer a and the metal layer b are in a trade-off relationship with respect to the thickness of the bipolar electrode current collector, the thickness of the metal layer a is 7% or more and 95% of the thickness of the bipolar electrode current collector. This is because the corrosion resistance as a bipolar electrode current collector can be maintained by satisfying the following. If the thickness of the metal layer a is less than 7% of the thickness of the bipolar electrode current collector, the metal layer b will be exposed if the metal layer a is peeled off due to press working or the like. It is not preferable because it lowers corrosion resistance. If the thickness of the metal layer a exceeds 95% of the thickness of the bipolar electrode current collector, the metal layer a will be exposed if peeling or the like occurs in the metal layer b due to press working or the like. This is not preferable because it lowers the corrosion resistance. More preferably, the thickness of the metal layer a is 30% or more and 70% or less of the thickness of the bipolar electrode current collector. Even more preferably, the thickness of the metal layer a is 40% or more and 60% or less of the thickness of the bipolar electrode current collector.
金属層aにステンレスを用いる場合、金属層aの厚みはバイポーラ電極集電体の厚みに対し、5%以上95%以下であることが好ましい。ステンレスを用いるとは、例えばステンレス箔を用いる場合である。バイポーラ電極集電体の厚さに対して、金属層aと金属層bの厚さはトレードオフの関係なので、金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して5%以上95%以下であることでバイポーラ電極集電体としての耐食性が保持できるためである。金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して5%未満だと金属層aがプレス加工などにより、金属層aに剥離などが生じた場合、金属層bが露出してしまい、耐食性が低下するとなるため好ましくない。金属層aの厚みがバイポーラ電極集電体の厚みに対して95%より大きくなると金属層bがプレス加工などにより、金属層bに剥離などが生じた場合、金属層aが露出してしまい、耐食性が低下するとなるため好ましくない。 When stainless steel is used for the metal layer a, the thickness of the metal layer a is preferably 5% or more and 95% or less of the thickness of the bipolar electrode current collector. The use of stainless means, for example, the use of stainless steel foil. Since the thicknesses of the metal layer a and the metal layer b are in a trade-off relationship with respect to the thickness of the bipolar electrode current collector, the thickness of the metal layer a is 5% or more and 95% of the thickness of the bipolar electrode current collector. This is because the corrosion resistance as a bipolar electrode current collector can be maintained by satisfying the following. If the thickness of the metal layer a is less than 5% with respect to the thickness of the bipolar electrode current collector, the metal layer b is exposed when the metal layer a is peeled off due to press working or the like. This is not preferable because it lowers the corrosion resistance. If the thickness of the metal layer a exceeds 95% of the thickness of the bipolar electrode current collector, the metal layer a will be exposed if peeling or the like occurs in the metal layer b due to press working or the like. This is not preferable because it lowers the corrosion resistance.
金属層aにメッキを施してCr、Ni、Fe、Ti、Alからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含ませる場合、金属層aの厚さは、メッキの厚さと基材の厚さの合計となる。このメッキの厚さはバイポーラ電極集電体の厚みに対し、5%以上95%以下であることが好ましい。メッキの厚さが上記範囲であることで、バイポーラ電極集電体としての耐食性が保持できるためである。 When the metal layer a is plated to contain at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti, and Al, the thickness of the metal layer a is the thickness of the plating and the thickness of the base material. is the sum of the The thickness of this plating is preferably 5% or more and 95% or less of the thickness of the bipolar electrode current collector. This is because when the thickness of the plating is within the above range, the corrosion resistance as a bipolar electrode current collector can be maintained.
金属層bは、金属層bの1層当たりの重量に対して10wt.%以上100wt.%以下のZn及びSnのいずれか1種の元素を含む。金属層bの1層当たりとは、1つのバイポーラ電極が備えるバイポーラ電極集電体が有する金属層bのことである。金属層bは負極活物質含有層と接するため、負極側に用いられる水系電解質(負極側水系電解質)と接することになる。金属層bは、金属層bの1層当たりの重量に対して10wt.%以上100wt.%以下のZn及びSnのいずれか1種の元素を含むことで、負極側水系電解質からの腐食に対して耐久性を持つことができる。負極側水系電解質については詳しくは後述する。金属層bはZn及びSnのいずれか1種を少なくとも金属層bの1層当たりの重量に対して10wt.%以上含むとは、金属層bがZn箔、Sn箔などの金属箔や合金箔である場合や、基材にメッキを施すことで基材の表面にZn及びSnのいずれか1種を備えさせてもよい。メッキを施した場合、金属層bはメッキ部分と基材部分をあわせたものとなる。つまり、金属層bが水系電解質と接する部分にZn及びSnのいずれか1種を少なくとも金属層bの1層当たりの重量に対して10wt.%以上備えていればよい。 The metal layer b has a weight of 10 wt. % or more 100 wt. % or less of any one element of Zn and Sn. The term "per layer of metal layer b" refers to the metal layer b of a bipolar electrode current collector included in one bipolar electrode. Since the metal layer b is in contact with the negative electrode active material containing layer, it is in contact with the aqueous electrolyte used on the negative electrode side (negative electrode side aqueous electrolyte). The metal layer b has a weight of 10 wt. % or more 100 wt. % or less of any one element of Zn and Sn, it is possible to have durability against corrosion from the negative electrode side aqueous electrolyte. The details of the negative electrode side aqueous electrolyte will be described later. The metal layer b contains at least one of Zn and Sn in an amount of 10 wt. % or more means that the metal layer b is a metal foil or alloy foil such as Zn foil or Sn foil, or that the surface of the base material is provided with either Zn or Sn by plating the base material. You may let When plating is applied, the metal layer b is a combination of the plated portion and the substrate portion. That is, at least one of Zn and Sn is added to the portion of the metal layer b in contact with the water-based electrolyte in an amount of 10 wt. % or more.
より好ましくは15wt.%以上であり、さらにより好ましくは20wt.%以上である。これらの範囲であることで副反応を抑制でき、より耐食性を向上させることができるためである。 More preferably 15 wt. % or more, and more preferably 20 wt. % or more. This is because side reactions can be suppressed within these ranges, and corrosion resistance can be further improved.
より好ましくは金属層bが、Cu-Zn合金又はCu-Sn合金である。金属層bが、Cu-Zn合金、Cu-Sn合金のいずれかであることで、より耐食性が向上する。 More preferably, the metal layer b is a Cu--Zn alloy or a Cu--Sn alloy. Corrosion resistance is further improved by using either a Cu--Zn alloy or a Cu--Sn alloy for the metal layer b.
金属層bの厚さのバイポーラ電極集電体に対する厚さは、金属層aの種類や厚さに合わせて適宜変更することができる。 The thickness of the metal layer b relative to the bipolar electrode current collector can be appropriately changed according to the type and thickness of the metal layer a.
バイポーラ電極集電体の金属層aと金属層bが接している場合、これら2層はクラッド材のように作製されてもよいし、金属層aと金属層bを重ねただけの積層したものでもよい。 When the metal layer a and the metal layer b of the bipolar electrode current collector are in contact with each other, these two layers may be produced like a clad material, or a laminate obtained by simply stacking the metal layer a and the metal layer b. It's okay.
バイポーラ電極集電体は、導電性接着層を備えてもよい。導電性接着層は、金属層aと金属層bの間に存在し、金属層aと金属層bに接している。導電性接着層は図2c、図2dのように2層、3層と複数層設けてもよい。導電性接着層が複数ある場合、それぞれに用いる材は異なってもよいし、同じでもよい。 A bipolar electrode current collector may comprise a conductive adhesive layer. The conductive adhesive layer is present between metal layer a and metal layer b and is in contact with metal layer a and metal layer b. As shown in FIGS. 2c and 2d, the conductive adhesive layer may have two layers, three layers, or a plurality of layers. When there are a plurality of conductive adhesive layers, the materials used for each may be different or the same.
導電性接着層は、導電性を有し、金属層aと金属層bの電気的接続が保てれば種類は問わない。そのため、導電性接着層は導電性樹脂又は金属を用いてよい。金属とは、例えばはんだに用いられるものである。具体的には、Pb-Zn合金や導電性炭素を分散させた樹脂が好ましい。導電性樹脂と金属をひとつの導電性接着層として用いてもよいし、導電性接着層が複数ある場合は、各層ごとに異なる種類の導電性樹脂を備えることや、各層ごとに異なる異なる種類の金属どうしを備えるようにして導電性接着層としてよい。導電性樹脂を備える層と、金属備える層とを用いて導電性接着層を複数にしてもよい。また、ひとつの導電性接着層に複数種類の材料を用いてもよい。 The conductive adhesive layer has conductivity, and any type can be used as long as the electrical connection between the metal layer a and the metal layer b can be maintained. Therefore, the conductive adhesive layer may use a conductive resin or metal. Metals are those used, for example, in solders. Specifically, a Pb--Zn alloy or a resin in which conductive carbon is dispersed is preferable. A conductive resin and a metal may be used as one conductive adhesive layer, or if there are multiple conductive adhesive layers, each layer may be provided with a different type of conductive resin, or each layer may be provided with a different type of conductive resin. A conductive adhesive layer may be formed by providing metal to metal. A plurality of conductive adhesive layers may be formed by using a layer provided with a conductive resin and a layer provided with a metal. Also, a plurality of types of materials may be used for one conductive adhesive layer.
導電性接着層の厚さは特に問わないが、0.1μm以上10μm以下の厚さであることが好ましい。 Although the thickness of the conductive adhesive layer is not particularly limited, it is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less.
金属層a、金属層b及び導電性接着層の厚みと、金属層a、金属層b及び導電性接着層に含まれる元素の割合の測定方法について記載する。 A method for measuring the thicknesses of the metal layer a, the metal layer b, and the conductive adhesive layer and the ratio of elements contained in the metal layer a, the metal layer b, and the conductive adhesive layer will be described.
(バイポーラ電極の導電性の確認)
まず、バイポーラ電極に導電性があるかを確認する。導電性があれば、後の測定で金属層aと金属層bの間に層があった場合、その層は導電性接着層とする。
(Confirmation of conductivity of bipolar electrode)
First, make sure the bipolar electrodes are conductive. If conductive, if there is a layer between metal layer a and metal layer b in later measurements, that layer is a conductive adhesive layer.
(金属層a、金属層b及び導電性接着層の厚みの測定方法)
走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;SEM)で断面を確認し、測定する。倍率は例えば100倍から5000倍である。断面をエネルギー分散型X線分光法(EnergyDispersive X-ray Spectroscopy;EDX)で元素分析を行い、金属層a、金属層b及び導電性接着層に含まれている元素及び層の厚みを測定する。
(Method for measuring thickness of metal layer a, metal layer b, and conductive adhesive layer)
A section is checked and measured with a scanning electron microscope (SEM). Magnification is, for example, 100 times to 5000 times. Elemental analysis is performed on the cross section by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) to measure the elements and layer thicknesses contained in the metal layer a, the metal layer b and the conductive adhesive layer.
(セパレータ)
正極と負極との間にはセパレータを設置することができる。第1のセパレータ及び第2のセパレータを総称してセパレータと呼ぶ。
(separator)
A separator can be installed between the positive electrode and the negative electrode. The first separator and the second separator are collectively called separators.
セパレータを絶縁材料で構成することで、正極と負極とが電気的に接触することを防止することができる。また、セパレータ内を電解質が移動可能な形状のものを使用することが望ましい。 By configuring the separator with an insulating material, it is possible to prevent electrical contact between the positive electrode and the negative electrode. Moreover, it is desirable to use a separator having a shape in which the electrolyte can move within the separator.
セパレータの例に、不織布、フィルム、紙などが含まれる。セパレータの構成材料の例に、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、セルロースが含まれる。好ましいセパレータの例に、セルロース繊維を含む不織布、ポリオレフィン繊維を含む多孔質フィルム等を挙げることができる。 Examples of separators include non-woven fabrics, films, paper, and the like. Examples of constituent materials of the separator include polyolefins such as polyethylene and polypropylene, and cellulose. Examples of preferred separators include nonwoven fabrics containing cellulose fibers, porous films containing polyolefin fibers, and the like.
セパレータは多孔質も非多孔質用いることができるが、非多孔質のものが好ましい。非多孔質のものを用いることで、水系電解質が混ざることを防ぐことができる。 The separator can be porous or non-porous, preferably non-porous. By using a non-porous material, mixing of the aqueous electrolyte can be prevented.
繊維を含むセパレータにおける繊維径は10μm以下が好ましい。繊維径を10μm以下にすることで、電解質に対するセパレータの親和性が向上するので電池抵抗を小さくすることができる。繊維径のより好ましい範囲は3μm以下である。 The fiber diameter of the separator containing fibers is preferably 10 μm or less. By setting the fiber diameter to 10 μm or less, the affinity of the separator to the electrolyte is improved, so that the battery resistance can be reduced. A more preferable range of the fiber diameter is 3 μm or less.
セパレータは、厚さが20μm以上100μm以下、密度が0.2g/cm3以上0.9g/cm3以下であることが好ましい。この範囲であると、機械的強度と電池抵抗の軽減のバランスを取ることができ、高出力で内部短絡が抑制された二次電池を提供することができる。また、高温環境下でのセパレータの熱収縮が少なく、良好な高温貯蔵性能を出すことが出来る。 The separator preferably has a thickness of 20 μm or more and 100 μm or less and a density of 0.2 g/cm 3 or more and 0.9 g/cm 3 or less. Within this range, a balance can be achieved between the mechanical strength and the reduction in battery resistance, and a secondary battery with high output and suppressed internal short-circuiting can be provided. Moreover, the heat shrinkage of the separator in a high-temperature environment is small, and good high-temperature storage performance can be obtained.
また、セパレータとして、固体電解質粒子を含む固体電解質層を使用することもできる。固体電解質層は、1種類の固体電解質粒子を含んでいても良く、複数種類の固体電解質粒子を含んでいてもよい。固体電解質層は、固体電解質粒子を含む固体電解質複合膜であってもよい。固体電解質複合膜は、例えば、固体電解質粒子を高分子結着剤を用いて膜状に成形したものである。固体電解質層は、可塑剤及び電解質塩からなる群より選択される少なくとも1つを含んでいても良い。固体電解質層が電解質塩を含んでいると、例えば、固体電解質層のアルカリ金属イオン伝導性をより高めることができる。 A solid electrolyte layer containing solid electrolyte particles can also be used as the separator. The solid electrolyte layer may contain one type of solid electrolyte particles, or may contain a plurality of types of solid electrolyte particles. The solid electrolyte layer may be a solid electrolyte composite membrane containing solid electrolyte particles. The solid electrolyte composite membrane is, for example, formed by molding solid electrolyte particles into a membrane using a polymer binder. The solid electrolyte layer may contain at least one selected from the group consisting of a plasticizer and an electrolyte salt. If the solid electrolyte layer contains an electrolyte salt, for example, the alkali metal ion conductivity of the solid electrolyte layer can be further enhanced.
固体電解質層に含まれる無機固体粒子としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、イットリア、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化バナジウムなどの酸化物系セラミックス、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸ランタン、炭酸セリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、石膏、硫酸バリウムなどの炭酸塩及び硫酸塩、水酸燐灰石、リチウムリン酸塩、リン酸ジルコニウム、リン酸チタニウムなどのリン酸塩、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物系セラミックスなどが例として挙げられる。以上に挙げた無機粒子は水和物の形態をとっていてもよい。 Examples of inorganic solid particles contained in the solid electrolyte layer include oxide-based ceramics such as alumina, silica, zirconia, yttria, magnesium oxide, calcium oxide, barium oxide, strontium oxide and vanadium oxide, sodium carbonate, potassium carbonate, magnesium carbonate, Carbonates and sulfates such as calcium carbonate, barium carbonate, lanthanum carbonate, cerium carbonate, calcium sulfate, magnesium sulfate, aluminum sulfate, gypsum, barium sulfate, hydroxyapatite, lithium phosphate, zirconium phosphate, titanium phosphate, etc. Nitride-based ceramics such as phosphates, silicon nitride, titanium nitride, and boron nitride are examples. The inorganic particles listed above may be in the form of hydrates.
無機固体粒子は、アルカリ金属イオンのイオン伝導性を有する固体電解質粒子を含むことが好ましい。具体的には、リチウムイオン及びナトリウムイオンに対するイオン伝導性を有する無機固体粒子がより好ましい。 The inorganic solid particles preferably contain solid electrolyte particles having ion conductivity for alkali metal ions. Specifically, inorganic solid particles having ion conductivity with respect to lithium ions and sodium ions are more preferable.
リチウムイオン伝導性を有する無機固体粒子としては、例えば、酸化物系固体電解質、又は硫化物系固体電解質を挙げることができる。酸化物系固体電解質としては、NASICON(Sodium (Na) Super Ionic Conductor)型構造を有し、一般式Li1+xM2(PO4)3で表されるリチウムリン酸固体電解質を用いることが好ましい。上記一般式中のMは、例えば、チタン(Ti)、ゲルマニウム(Ge)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム(Zr)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、及びカルシウム(Ca)からなる群より選択される1以上である。添字xは、0≦x≦2の範囲内にある。一般式LiM2(PO4)3で表されるリチウムリン酸固体電解質のイオン伝導度は、例えば、1×10-5S/cm以上1×10-3S/cm以下である。 Examples of inorganic solid particles having lithium ion conductivity include oxide-based solid electrolytes and sulfide-based solid electrolytes. As the oxide-based solid electrolyte, a lithium phosphoric acid solid electrolyte having a NASICON (Sodium (Na) Super Ionic Conductor) structure and represented by the general formula Li 1+x M 2 (PO 4 ) 3 can be used. preferable. M in the above general formula is, for example, selected from the group consisting of titanium (Ti), germanium (Ge), strontium (Sr), zirconium (Zr), tin (Sn), aluminum (Al), and calcium (Ca). is one or more. The subscript x is in the range 0≤x≤2. The ion conductivity of the lithium phosphoric acid solid electrolyte represented by the general formula LiM 2 (PO 4 ) 3 is, for example, 1×10 −5 S/cm or more and 1×10 −3 S/cm or less.
NASICON型構造を有するリチウムリン酸固体電解質の具体例としては、Li1+wAlwTi2-w(PO4)3で表され0.1≦w≦0.5であるLATP化合物;Li1+yAlzM12-z(PO4)3で表されM1はTi,Ge,Sr,Zr,Sn,及びCaからなる群より選択される1以上であり0≦y≦1及び0≦z≦1である化合物;Li1+xAlxGe2-x(PO4)3で表され0≦x≦2である化合物;及び、Li1+xAlxZr2-x(PO4)3で表され0≦x≦2である化合物;Li1+u+vAluMα2-uSivP3-vO12で表されMαはTi及びGeからなる群より選択される1以上であり0<u≦2、0≦v<3である化合物;Li1+2tZr1-tCat(PO4)3で表され0≦t<1である化合物を挙げることができる。Li1+2tZr1-tCat(PO4)3は、耐水性が高く、還元性及びコストが低いことから、無機固体電解質粒子として用いることが好ましい。 A specific example of a lithium phosphate solid electrolyte having a NASICON structure is a LATP compound represented by Li 1+w Al w Ti 2-w (PO 4 ) 3 where 0.1≦w≦0.5; Li 1 +y Al z M1 2-z (PO 4 ) 3 , where M1 is 1 or more selected from the group consisting of Ti, Ge, Sr, Zr, Sn, and Ca, and 0 ≤ y ≤ 1 and 0 ≤ z a compound represented by Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 and wherein 0≦x≦2; and Li 1+x Al x Zr 2-x (PO 4 ) 3 represented by Li 1+u+v Al u Mα 2-u Si v P 3-v O 12 and Mα is 1 or more selected from the group consisting of Ti and Ge; compounds where 0<u≦2 and 0≦v<3; and compounds represented by Li 1+2t Zr 1-t Cat (PO 4 ) 3 and where 0≦t<1. Li 1+2t Zr 1-t Cat (PO 4 ) 3 has high water resistance, low reducibility and low cost, and is therefore preferably used as inorganic solid electrolyte particles.
また、酸化物系固体電解質としては、上記リチウムリン酸固体電解質の他にも、LipPOqNrで表され2.6≦p≦3.5、1.9≦q≦3.8、及び0.1≦r≦1.3であるアモルファス状のLIPON化合物(例えば、Li2.9PO3.3N0.46);ガーネット型構造のLa5+sAsLa3-sMβ2O12で表されAはCa,Sr,及びBaからなる群より選択される1以上でMβはNb及びTaからなる群より選択される1以上であり0≦s≦0.5である化合物;Li3Mγ2-sL2O12で表されMγはTa及びNbからなる群より選択される1以上でありLはZrを含み得0≦s≦0.5である化合物;Li7-3sAlsLa3Zr3O12で表され0≦s≦0.5である化合物;及びLi5+xLa3M22-xZrxO12で表されM2はNb及びTaから成る群より選択される1以上であり0≦x≦2であるLLZ化合物(例えば、Li7La3Zr2O12)が挙げられる。固体電解質は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。LIPONのイオン伝導度は、例えば、1×10-6S/cm以上5×10-6S/cm以下である。LLZのイオン伝導度は、例えば、1×10-4S/cm以上5×10-4S/cm以下である。 In addition to the lithium phosphoric acid solid electrolyte described above, the oxide-based solid electrolyte may be represented by Li p PO q N r with 2.6 ≤ p ≤ 3.5, 1.9 ≤ q ≤ 3.8, and an amorphous LIPON compound ( for example, Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ) where 0.1≦ r ≦1.3; A compound represented by O 12 , wherein A is 1 or more selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba, Mβ is 1 or more selected from the group consisting of Nb and Ta, and 0 ≤ s ≤ 0.5; A compound represented by Li 3 Mγ 2-s L 2 O 12 , wherein Mγ is 1 or more selected from the group consisting of Ta and Nb, L may contain Zr, and 0≦s≦0.5; Li 7-3s a compound represented by Al s La 3 Zr 3 O 12 where 0≦s≦0.5; and Li 5+x La 3 M2 2-x Zr x O 12 where M2 is selected from the group consisting of Nb and Ta. and 0≦x≦2 (for example, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ). One type of solid electrolyte may be used, or two or more types may be mixed and used. The ionic conductivity of LIPON is, for example, 1×10 −6 S/cm or more and 5×10 −6 S/cm or less. The ion conductivity of LLZ is, for example, 1×10 −4 S/cm or more and 5×10 −4 S/cm or less.
また、ナトリウムイオンのイオン伝導性を有する無機固体粒子としては、ナトリウム含有固体電解質を用いてもよい。ナトリウム含有固体電解質は、ナトリウムイオンのイオン伝導性に優れている。ナトリウム含有固体電解質としては、β-アルミナ、ナトリウムリン硫化物、及びナトリウムリン酸化物などを挙げることができる。ナトリウムイオン含有固体電解質は、ガラスセラミックスの形態にあることが好ましい。 Moreover, a sodium-containing solid electrolyte may be used as the inorganic solid particles having ion conductivity of sodium ions. Sodium-containing solid electrolytes are excellent in ion conductivity of sodium ions. Examples of sodium-containing solid electrolytes include β-alumina, sodium phosphate sulfide, and sodium phosphate. The sodium ion-containing solid electrolyte is preferably in the form of glass ceramics.
無機固体粒子は、25℃において1×10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導度を有する固体電解質であることが好ましい。リチウムイオン伝導度は、例えば、交流インピーダンス法により測定できる。詳細は、後述する。 The inorganic solid particles are preferably a solid electrolyte having a lithium ion conductivity of 1×10 −5 S/cm or higher at 25°C. Lithium ion conductivity can be measured, for example, by an AC impedance method. Details will be described later.
無機固体粒子の形状は特に限定されないが、例えば、球状、楕円形状、扁平形状、又は繊維状などにすることができる。 The shape of the inorganic solid particles is not particularly limited, but may be, for example, spherical, elliptical, flattened, or fibrous.
無機固体粒子の平均粒子径は、15μm以下であることが好ましく、12μm以下であることがより好ましい。無機固体粒子の平均粒子径が小さいと、固体電解質層の緻密性を高めることができる。 The average particle size of the inorganic solid particles is preferably 15 μm or less, more preferably 12 μm or less. When the average particle size of the inorganic solid particles is small, the denseness of the solid electrolyte layer can be enhanced.
無機固体粒子の平均粒子径は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。無機固体粒子の平均粒子径が大きいと、粒子同士の凝集が抑制される傾向にある。 The average particle size of the inorganic solid particles is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more. If the average particle size of the inorganic solid particles is large, aggregation of the particles tends to be suppressed.
なお、無機固体粒子の平均粒子径は、レーザー回折式の粒度分布測定装置により求めた粒度分布において、体積積算値が50%となる粒径を意味している。この粒度分布測定を行う際の試料としては、無機固体粒子の濃度が0.01質量%から5質量%となるようにエタノールで希釈した分散液を用いる。 The average particle size of the inorganic solid particles means the particle size at which the volume integrated value is 50% in the particle size distribution determined by a laser diffraction type particle size distribution analyzer. As a sample for this particle size distribution measurement, a dispersion diluted with ethanol so that the concentration of the inorganic solid particles is 0.01% by mass to 5% by mass is used.
固体電解質層において、無機固体粒子は主成分であることが好ましい。固体電解質層における無機固体粒子の割合は、固体電解質層のイオン伝導性を高めるという観点からは、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、85質量%以上であることが更に好ましい。固体電解質層における無機固体粒子の割合は、固体電解質層の膜強度を高めるという観点からは、98質量%以下であることが好ましく、95質量%以下であることがより好ましく、90質量%以下であることが更に好ましい。固体電解質層における無機固体粒子の割合は、熱重量(Thermogravimetricanalysis;TG)分析により算出できる。 Solid electrolyte layer WHEREIN: It is preferable that an inorganic solid particle is a main component. From the viewpoint of increasing the ion conductivity of the solid electrolyte layer, the proportion of the inorganic solid particles in the solid electrolyte layer is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and 85% by mass or more. is more preferable. From the viewpoint of increasing the film strength of the solid electrolyte layer, the proportion of the inorganic solid particles in the solid electrolyte layer is preferably 98% by mass or less, more preferably 95% by mass or less, and 90% by mass or less. It is even more preferable to have The proportion of inorganic solid particles in the solid electrolyte layer can be calculated by thermogravimetric analysis (TG).
固体電解質層に含まれる高分子材料は、無機固体粒子同士の結着性を高める。高分子材料の重量平均分子量は、例えば、3000以上である。高分子材料の重量平均分子量が3000以上であると、無機固体粒子の結着性をより高められる。高分子材料の重量平均分子量は、3000以上5000000以下であることが好ましく、5000以上2000000以下であることがより好ましく、10000以上1000000以下であることが更に好ましい。高分子材料の重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GelPermeation Chromatography:GPC)により求めることができる。 The polymer material contained in the solid electrolyte layer enhances the binding properties between the inorganic solid particles. The weight average molecular weight of the polymeric material is, for example, 3000 or more. When the weight average molecular weight of the polymer material is 3000 or more, the binding property of the inorganic solid particles can be further enhanced. The weight average molecular weight of the polymeric material is preferably 3,000 to 5,000,000, more preferably 5,000 to 2,000,000, and even more preferably 10,000 to 1,000,000. The weight average molecular weight of the polymeric material can be determined by gel permeation chromatography (GPC).
高分子材料は、単一のモノマーユニットからなる重合体(ポリマー)、複数のモノマーユニットからなる共重合体(コポリマー)、又はこれらの混合物であり得る。高分子材料は、酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)、及びフッ素(F)からなる群より選択される1以上を含む官能基を有する炭化水素で構成されるモノマーユニットを含んでいることが好ましい。高分子材料において、モノマーユニットで構成された部分が占める割合は70モル%以上であることが好ましい。以下、このモノマーユニットを、第1モノマーユニットと称する。また、共重合体において、第1モノマーユニット以外のものを、第2モノマーユニットと称する。第1モノマーユニットと第2モノマーユニットとの共重合体は、交互共重合体であってもよく、ランダム共重合体であってもよく、又は、ブロック共重合体であってもよい。 The polymeric material can be a polymer (polymer) consisting of a single monomer unit, a copolymer (copolymer) consisting of multiple monomer units, or a mixture thereof. The polymer material contains monomer units composed of hydrocarbons having functional groups containing one or more selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N), and fluorine (F). It is preferable to be In the polymer material, it is preferable that the ratio of the portion composed of the monomer unit is 70 mol % or more. Hereinafter, this monomer unit is referred to as the first monomer unit. In addition, in the copolymer, those other than the first monomer units are referred to as second monomer units. A copolymer of the first monomer unit and the second monomer unit may be an alternating copolymer, a random copolymer, or a block copolymer.
高分子材料において、第1モノマーユニットで構成された部分が占める割合が70モル%より低いと、第1及び第2固体電解質層の遮水性が低下するおそれがある。高分子材料において、第1モノマーユニットで構成された部分の割合は、90モル%以上であることが好ましい。高分子材料は、第1モノマーユニットで構成された部分の割合が100モル%、すなわち、第1モノマーユニットのみからなる重合体であることが最も好ましい。 In the polymer material, if the proportion of the portion composed of the first monomer units is less than 70 mol %, the water impermeability of the first and second solid electrolyte layers may deteriorate. In the polymer material, it is preferable that the ratio of the portion composed of the first monomer unit is 90 mol % or more. Most preferably, the polymer material has a proportion of 100 mol % of the portion composed of the first monomer units, that is, a polymer composed only of the first monomer units.
第1モノマーユニットは、酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)、及びフッ素(F)からなる群より選択される1以上の元素を含む官能基を側鎖に有し、主鎖が炭素-炭素結合により構成された化合物であってもよい。炭化水素は、酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)、及びフッ素(F)からなる群より選択される1以上の元素を含む官能基を、1以上有していてもよい。第1モノマーユニットにおける上記官能基は、固体電解質層を通過するアルカリ金属イオンの伝導性を高める。 The first monomer unit has a functional group containing one or more elements selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N), and fluorine (F) in the side chain, and the main chain may be a compound composed of carbon-carbon bonds. The hydrocarbon may have one or more functional groups containing one or more elements selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N), and fluorine (F). The functional group in the first monomer unit enhances the conductivity of alkali metal ions passing through the solid electrolyte layer.
第1モノマーユニットを構成する炭化水素は、酸素(O)、硫黄(S)、及び窒素(N)からなる群より選択される1以上を含む官能基を有することが好ましい。第1モノマーユニットが、このような官能基を有すると、固体電解質層におけるアルカリ金属イオンの伝導性がより高まり、内部抵抗が低まる傾向にある。 The hydrocarbon constituting the first monomer unit preferably has a functional group containing one or more selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S) and nitrogen (N). When the first monomer unit has such a functional group, the alkali metal ion conductivity in the solid electrolyte layer is further enhanced, and the internal resistance tends to be lowered.
第1モノマーユニットに含まれる官能基としては、ホルマール基、ブチラール基、カルボキシメチルエステル基、アセチル基、カルボニル基、水酸基及びフルオロ基からなる群より選択される1以上を含むことが好ましい。また、第1モノマーユニットは、カルボニル基及び水酸基の少なくとも一方を官能基に含むことがより好ましく、両方を含むことが更に好ましい。 The functional group contained in the first monomer unit preferably contains one or more selected from the group consisting of formal group, butyral group, carboxymethyl ester group, acetyl group, carbonyl group, hydroxyl group and fluoro group. Moreover, the first monomer unit more preferably contains at least one of a carbonyl group and a hydroxyl group as a functional group, and still more preferably contains both.
第1モノマーユニットは、下記式により表すことができる。
上記式において、R1は、水素(H)、アルキル基、及びアミノ基からなる群より選択されることが好ましい。また、R2は、水酸基(-OH)、-OR1、-COOR1、-OCOR1、-OCH(R1)O-、-CN、-N(R1)3、及びSO2R1からなる群より選択されることが好ましい。 In the above formula, R1 is preferably selected from the group consisting of hydrogen (H), alkyl groups and amino groups. R2 is selected from the group consisting of hydroxyl group (-OH), -OR1, -COOR1, -OCOR1, -OCH(R1)O-, -CN, -N(R1) 3 and SO 2 R1 is preferred.
第1モノマーユニットとしては、例えば、ビニルホルマール、ビニルアルコール、酢酸ビニル、ビニルアセタール、ビニルブチラール、アクリル酸及びその誘導体、メタクリル酸及びその誘導体、アクリロニトリル、アクリルアミド及びその誘導体、スチレンスルホン酸、ポリフッ化ビニリデン、及びテトラフルオロエチレンからなる群より選択される1以上を挙げることができる。 Examples of the first monomer unit include vinyl formal, vinyl alcohol, vinyl acetate, vinyl acetal, vinyl butyral, acrylic acid and its derivatives, methacrylic acid and its derivatives, acrylonitrile, acrylamide and its derivatives, styrenesulfonic acid, and polyvinylidene fluoride. , and one or more selected from the group consisting of tetrafluoroethylene.
高分子材料は、ポリビニルホルマール、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリビニルブチラール、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデン、及びポリテトラフルオロエチレンからなる群より選択される1以上を含むことが好ましい。 The polymeric material preferably contains one or more selected from the group consisting of polyvinyl formal, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetal, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene.
以下に、高分子材料として用いることができる化合物の構造式の一例を記載する。 Examples of structural formulas of compounds that can be used as the polymer material are described below.
ポリビニルホルマールの構造式は、以下の通りである。下記式において、aは、50以上80以下であり、bは0以上5以下であり、cは15以上50以下であることが好ましい。
ポリビニルブチラールの構造式は、以下の通りである。下記式において、lは、50以上80以下であり、mは0以上10以下であり、nは10以上50以下であることが好ましい。
ポリビニルアルコールの構造式は、以下の通りである。下記式において、nは、70以上20000以下であることが好ましい。
ポリメタクリル酸メチルの構造式は、以下の通りである。下記式において、nは、30以上10000以下であることが好ましい。
第2モノマーユニットとは、第1モノマーユニット以外の化合物、すなわち、酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)、及びフッ素(F)からなる群より選択される1以上を含む官能基を有さないか、又は、この官能基を有していても炭化水素ではないものである。第2モノマーユニットとしては、例えば、エチレンオキシド及びスチレンを挙げることができる。第2モノマーユニットからなる重合体としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)及びポリスチレン(PS)を挙げることができる。 The second monomer unit is a compound other than the first monomer unit, that is, a functional group containing one or more selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N), and fluorine (F). or, if it does have this functional group, it is not a hydrocarbon. Second monomer units can include, for example, ethylene oxide and styrene. Examples of polymers composed of second monomer units include polyethylene oxide (PEO) and polystyrene (PS).
第1モノマーユニット及び第2モノマーユニットに含まれる官能基の種類は、赤外線分光分析法(Fourier TransformInfrared Spectroscopy;FT-IR)により同定できる。また、第1モノマーユニットが炭化水素からなることは、核磁気共鳴(Nuclear MagneticResonance;NMR)により判断できる。また、第1モノマーユニットと第2モノマーユニットとの共重合体において、第1モノマーユニットで構成された部分が占める割合は、NMRにより算出できる。 The types of functional groups contained in the first monomer unit and the second monomer unit can be identified by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). Moreover, it can be determined by nuclear magnetic resonance (NMR) that the first monomer unit is composed of a hydrocarbon. In the copolymer of the first monomer unit and the second monomer unit, the ratio of the portion composed of the first monomer unit can be calculated by NMR.
高分子材料は、電解質を含有し得る。高分子材料が含有し得る電解質の割合は、その吸水率により把握できる。ここで、高分子材料の吸水率とは、23℃の温度の水中に24時間にわたって浸漬した後の高分子材料の質量Mp’から、浸漬する前の高分子材料の質量Mpを減じて得られた値を、浸漬する前の高分子材料の質量Mpで除した値([Mp’-Mp]/Mp×100)である。高分子材料の吸水率は、高分子材料の極性と関連していると考えられる。 A polymeric material may contain an electrolyte. The proportion of electrolyte that can be contained in the polymer material can be grasped from its water absorption rate. Here, the water absorption rate of the polymer material is obtained by subtracting the mass Mp of the polymer material before immersion from the mass Mp′ of the polymer material after being immersed in water at a temperature of 23° C. for 24 hours. This value is divided by the mass Mp of the polymer material before immersion ([Mp'-Mp]/Mp×100). It is believed that the water absorption of polymeric materials is related to the polarity of the polymeric materials.
高分子結着剤の例は、他にもポリビニル系、ポリエーテル系、ポリエステル系、ポリアミン系、ポリエチレン系、シリコーン系及びポリスルフィド系を含む。 Examples of polymeric binders also include polyvinyl-based, polyether-based, polyester-based, polyamine-based, polyethylene-based, silicone-based and polysulfide-based.
吸水率の高い高分子材料を用いると、固体電解質層のアルカリ金属イオン伝導性が高まる傾向にある。また、吸水率が高い高分子材料を用いると、無機固体粒子と、高分子材料との結着力が高まるため、固体電解質層の可撓性を高めることができる。高分子材料の吸水率は、0.01%以上であることが好ましく、0.5%以上であることより好ましく、2%以上であることが更に好ましい。 Using a polymer material with a high water absorption rate tends to increase the alkali metal ion conductivity of the solid electrolyte layer. In addition, when a polymer material having a high water absorption rate is used, the bonding strength between the inorganic solid particles and the polymer material increases, so the flexibility of the solid electrolyte layer can be increased. The water absorption rate of the polymer material is preferably 0.01% or more, more preferably 0.5% or more, and even more preferably 2% or more.
吸水率の低い高分子材料を用いると、固体電解質層の強度を高められる。すなわち、高分子材料の吸水率が高すぎると、固体電解質層が電解質により膨潤することがある。また、高分子材料の吸水率が高すぎると、固体電解質層中の高分子材料が、電解質内に流出することがある。高分子材料の吸水率は、15%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、7%以下であることが更に好ましく、3%以下であることが特に好ましい。 The strength of the solid electrolyte layer can be increased by using a polymer material with a low water absorption rate. That is, if the water absorption rate of the polymeric material is too high, the solid electrolyte layer may swell due to the electrolyte. Moreover, if the water absorption rate of the polymer material is too high, the polymer material in the solid electrolyte layer may flow out into the electrolyte. The water absorption of the polymeric material is preferably 15% or less, more preferably 10% or less, even more preferably 7% or less, and particularly preferably 3% or less.
固体電解質層における高分子材料の割合は、固体電解質層の可撓性を高めるという観点からは、1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましく、10質量%以上であることが更に好ましい。また、高分子材料の割合が多い方が、固体電解質層の緻密度が高くなりやすい。 From the viewpoint of increasing the flexibility of the solid electrolyte layer, the proportion of the polymer material in the solid electrolyte layer is preferably 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and more preferably 10% by mass or more. is more preferable. Also, the denser the solid electrolyte layer, the higher the proportion of the polymer material.
また、固体電解質層における高分子材料の割合は、固体電解質層のリチウムイオン伝導性を高めるという観点からは、20質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましく、5質量%以下であることが更に好ましい。固体電解質層における高分子材料の割合は、熱重量(TG)分析により算出することができる。 In addition, the proportion of the polymer material in the solid electrolyte layer is preferably 20% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, from the viewpoint of increasing the lithium ion conductivity of the solid electrolyte layer. % by mass or less is more preferable. The proportion of polymeric material in the solid electrolyte layer can be calculated by thermogravimetric (TG) analysis.
セパレータは固体電解質層のみからなってもよいし、基材層を設けて基材層と固体電解質層からなることもできる。基材層は、その一方の面に固体電解質層(第1固体電解質層)を担持することができる。或いは、基材層は、その両方の面に第1固体電解質層及び第2固体電解質層をそれぞれ担持することができる。基材層の表裏の両方の面にそれぞれ第1固体電解質層及び第2固体電解質層を設ける場合は、各々の固体電解質層の厚さは互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。厚みが異なる場合、負極活物質含有層の第1面と接する第1固体電解質層の方が、他方の第2固体電解質層より厚いことが好ましい。第1固体電解質層の方が厚いことで、遮水性を高めることができる。また、基材層の表裏両面にそれぞれ設ける固体電解質層は、互いに同じ構成を有していてもよく、異なる構成を有していてもよい。 The separator may consist of only the solid electrolyte layer, or may consist of a base layer and a solid electrolyte layer provided with a base layer. The substrate layer can carry a solid electrolyte layer (first solid electrolyte layer) on one surface thereof. Alternatively, the base layer can carry the first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer on both sides thereof. When the first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer are provided on both the front and back surfaces of the base material layer, the thickness of each solid electrolyte layer may be the same or different. When the thicknesses are different, it is preferable that the first solid electrolyte layer in contact with the first surface of the negative electrode active material-containing layer is thicker than the other second solid electrolyte layer. Since the first solid electrolyte layer is thicker, the water impermeability can be improved. Moreover, the solid electrolyte layers respectively provided on both the front and back surfaces of the base material layer may have the same configuration, or may have different configurations.
第1固体電解質層及び第2固体電解質層を含む場合は、各固体電解質層に含まれる高分子材料は、互いに同一のものであってもよく、異なる種類のものを用いてもよい。また、高分子材料は、単一の種類のものを用いてもよく、複数種類を混合して用いてもよい。 When the first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer are included, the polymer materials included in each solid electrolyte layer may be the same as each other, or different types may be used. Moreover, a single type of polymeric material may be used, or a plurality of types may be mixed and used.
固体電解質層の厚さは、内部短絡が生じにくいという観点からは、3μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、7μm以上であることが更に好ましい。また、固体電解質層の厚さは、イオン伝導性及びエネルギー密度を高めるという観点からは、50μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることが更に好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and even more preferably 7 μm or more, from the viewpoint of preventing internal short circuits. The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and even more preferably 20 μm or less, from the viewpoint of increasing ion conductivity and energy density.
上記の厚さは第1固体電解質層、第2固体電解質層それぞれに好ましい厚さであるが、両方の固体電解質層が必ずしも満たす必要はない。 Although the above thicknesses are preferable for the first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer, they are not necessarily required for both solid electrolyte layers.
基材層は、例えば、不織布、又は、自立型多孔質膜である。不織布又は自立型多孔質膜の材料としては、例えば、ポリエチレン(polyethylene;PE)、ポリプロピレン(polypropylene;PP)、セルロース、又はポリフッ化ビニリデン(polyvinylidenefluoride;PVdF)を用いる。基材層は、セルロース製の不織布であることが好ましい。 The substrate layer is, for example, a nonwoven fabric or a self-supporting porous membrane. Materials for the non-woven fabric or self-supporting porous membrane include, for example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), cellulose, or polyvinylidenefluoride (PVdF). The base material layer is preferably a cellulose nonwoven fabric.
基材層は、空孔を多く含むことができ、多量の電解質を含浸できる。基材層は、典型的には、無機固体粒子を含まない。例えば、基材層の断面において無機固体粒子の面積が占める割合は、5%以下であり得る。 The substrate layer can contain many pores and can be impregnated with a large amount of electrolyte. The substrate layer typically does not contain inorganic solid particles. For example, the ratio of the area occupied by the inorganic solid particles in the cross section of the substrate layer may be 5% or less.
基材層の厚さは、例えば、1μm以上であり、好ましくは3μm以上である。基材層が厚いと、セパレータの機械的強度が高まり、二次電池の内部短絡が生じにくくなる。基材層の厚さは、例えば、30μm以下であり、好ましくは10μm以下である。基材層が薄いと、二次電池の内部抵抗が低下し、二次電池の体積エネルギー密度が高まる傾向にある。基材層の厚さは、例えば、走査型電子顕微鏡により測定できる。 The thickness of the base layer is, for example, 1 μm or more, preferably 3 μm or more. When the base material layer is thick, the mechanical strength of the separator increases, and the internal short circuit of the secondary battery is less likely to occur. The thickness of the base material layer is, for example, 30 μm or less, preferably 10 μm or less. When the base layer is thin, the internal resistance of the secondary battery tends to decrease and the volume energy density of the secondary battery tends to increase. The thickness of the substrate layer can be measured, for example, with a scanning electron microscope.
固体電解質層に含ませる電解質塩としては、水系電解質に含むことが出来るリチウム塩及び/又はナトリウム塩を用いることが出来る。 As the electrolyte salt to be contained in the solid electrolyte layer, lithium salt and/or sodium salt that can be contained in the aqueous electrolyte can be used.
固体電解質層における電解質塩の割合は、0.01質量%以上10質量%以下であることが好ましく、0.05質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。固体電解質層における電解質塩の割合は、熱重量(TG)分析により算出することができる。 The proportion of the electrolyte salt in the solid electrolyte layer is preferably 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 0.05% by mass or more and 5% by mass or less. The proportion of electrolyte salt in the solid electrolyte layer can be calculated by thermogravimetric (TG) analysis.
固体電解質層が電解質塩を含んでいることは、例えば、固体電解質層の断面について、エネルギー分散型X線分析(Energy DispersiveX-ray spectrometry;EDX)から得られたアルカリ金属イオンの分布により、確認することができる。すなわち、固体電解質層が、電解質塩を含んでいない材料からなる場合、アルカリ金属イオンは、固体電解質層中の高分子材料の表層に留まるため、固体電解質層の内部にはほとんど存在しからたがって、固体電解質層の表層ではアルカリ金属イオンの濃度が高く、固体電解質層の内部ではアルカリ金属イオンの濃度が低いという濃度勾配が観察され得る。一方、固体電解質層が、電解質塩を含む材料からなる場合、アルカリ金属イオンが固体電解質層の内部にまで均一に存在していることが確認できる。 Whether the solid electrolyte layer contains an electrolyte salt is confirmed, for example, by the distribution of alkali metal ions obtained from energy dispersive X-ray spectrometry (EDX) on a cross section of the solid electrolyte layer. be able to. That is, when the solid electrolyte layer is made of a material that does not contain an electrolyte salt, most of the alkali metal ions remain in the surface layer of the polymer material in the solid electrolyte layer. A concentration gradient can be observed in which the concentration of alkali metal ions is high in the surface layer of the solid electrolyte layer and the concentration of alkali metal ions is low in the interior of the solid electrolyte layer. On the other hand, when the solid electrolyte layer is made of a material containing an electrolyte salt, it can be confirmed that the alkali metal ions are uniformly present even inside the solid electrolyte layer.
あるいは、固体電解質層が含む電解質塩と、水系電解質が含む電解質塩とが異なる種類である場合、存在するイオンの種類の違いにより、固体電解質層が、水系電解質とは異なる電解質塩を含んでいることが分かる。例えば、水系電解質として塩化リチウム(LiCl)を、固体電解質層にLiTFSI(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド)を用いた場合、固体電解質層中には(フルオロスルホニル)イミドイオンの存在が確認できる。一方、水系電解質には(フルオロスルホニルイミド)イオンの存在が確認できないか、或いは、極めて低い濃度で存在する。 Alternatively, when the electrolyte salt contained in the solid electrolyte layer and the electrolyte salt contained in the aqueous electrolyte are different types, the solid electrolyte layer contains an electrolyte salt different from the aqueous electrolyte due to the difference in the type of ions present. I understand. For example, when lithium chloride (LiCl) is used as the aqueous electrolyte and LiTFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide) is used as the solid electrolyte layer, the presence of (fluorosulfonyl)imide ions in the solid electrolyte layer can be confirmed. On the other hand, the presence of (fluorosulfonylimide) ions cannot be confirmed in the aqueous electrolyte, or they are present at extremely low concentrations.
セパレータは、1×10-13m2以下の透気係数を有し得る。例えば、セルロース繊維を含む不織布の透気係数は、5×10-14m2程度である。固体電解質複合膜の透気係数は1×10-16m2以下、例えば、1×10-17m2になり得る。透気係数が低いセパレータを用いることで、正極側、負極側で異なる水系電解質を用いる場合、これら水系電解質の混流をさらに抑制できる。セパレータが基材層を含む場合でも、基材層の透気係数は固体電解質層に比べて大きいため、固体電解質層と基材層を分離しなくとも、固体電解質層の透気係数として測定できる。 The separator can have an air permeability coefficient of 1×10 −13 m 2 or less. For example, a nonwoven fabric containing cellulose fibers has an air permeability coefficient of the order of 5×10 −14 m 2 . The air permeability coefficient of the solid electrolyte composite membrane can be 1×10 −16 m 2 or less, eg, 1×10 −17 m 2 . By using a separator with a low air permeability coefficient, when different aqueous electrolytes are used on the positive electrode side and the negative electrode side, mixing of these aqueous electrolytes can be further suppressed. Even when the separator includes a base material layer, the air permeability coefficient of the base material layer is larger than that of the solid electrolyte layer, so the air permeability coefficient of the solid electrolyte layer can be measured without separating the solid electrolyte layer and the base material layer. .
セパレータの透気係数KT(m2)は、以下のようにして算出できる。透気係数KTの算出では、例えば、厚さL(m)のセパレータを測定対象とする場合、測定面積A(m2)の範囲に、動粘性係数σ(Pa・s)の気体を透過させる。この際、投入される気体の圧力p(Pa)が互いに対して異なる複数の条件で、気体を透過させ、複数の条件のそれぞれにおいて、セパレータを透過した気体量Q(m3/s)を測定する。そして、測定結果から、圧力pに対する気体量Qをプロットし、傾きであるdQ/dpを求める。そして、厚さL、測定面積A、動粘性係数σ及び傾きdQ/dpから、式(1)のようにして、透気係数KTが算出される:
KT =((σ・l)/A)×(dQ/dp) (1)
The air permeability coefficient KT(m 2 ) of the separator can be calculated as follows. In the calculation of the air permeability coefficient KT, for example, when a separator having a thickness L (m) is to be measured, a gas having a dynamic viscosity coefficient σ (Pa s) is allowed to permeate the range of the measurement area A (m 2 ). . At this time, the gas is permeated under a plurality of conditions in which the pressure p (Pa) of the introduced gas is different from each other, and the amount of gas Q (m 3 /s) permeated through the separator is measured under each of the plurality of conditions. do. Then, from the measurement results, the amount of gas Q is plotted against the pressure p, and the slope dQ/dp is obtained. Then, from the thickness L, the measured area A, the dynamic viscosity coefficient σ, and the slope dQ/dp, the air permeability coefficient KT is calculated as in Equation (1):
KT = ((σ l)/A) x (dQ/dp) (1)
透気係数KTが算出方法のある一例では、それぞれに直径10mmの孔が開いた一対のステンレス板でセパレータを挟み込む。そして、一方のステンレス板の孔から空気を圧力pで送り込む。そして、他方のステンレス板の孔から漏れる空気の気体量Qを測定する。したがって、孔の面積(25πmm2)が測定面積Aとして用いられ、動粘性係数σとしては0.000018Pa・sが用いられる。また、気体量Qは、100秒の間に孔から漏れる量δ(m3)を測定し、測定された量δを100で割ることにより算出する。 In one example of a method for calculating the air permeability coefficient KT, a separator is sandwiched between a pair of stainless steel plates each having a hole with a diameter of 10 mm. Then, air is fed at pressure p from the hole of one stainless steel plate. Then, the gas amount Q of the air leaking from the hole of the other stainless steel plate is measured. Therefore, the hole area (25πmm 2 ) is used as the measurement area A, and 0.000018 Pa·s is used as the kinematic viscosity coefficient σ. Also, the gas amount Q is calculated by measuring the amount δ (m 3 ) leaked from the hole for 100 seconds and dividing the measured amount δ by 100.
そして、圧力pが互いに対して少なくとも1000Pa離れる4点で、前述のようにして圧力pに対する気体量Qを測定する。例えば、圧力pが1000Pa、2500Pa、4000Pa及び6000Paとなる4点のそれぞれで、圧力pに対する気体量Qを測定する。そして、測定した4点について圧力pに対する気体量Qをプロットし、直線フィッティング(最小二乗法)によって圧力pに対する気体量Qの傾き(dQ/dp)を算出する。そして、算出した傾き(dQ/dp)に(σ・L)/Aを乗算することにより、透気係数KTを算出する。 Then, at four points where the pressure p is at least 1000 Pa apart from each other, the gas amount Q is measured with respect to the pressure p as described above. For example, at four points where the pressure p is 1000 Pa, 2500 Pa, 4000 Pa and 6000 Pa, the gas amount Q is measured with respect to the pressure p. Then, the gas amount Q is plotted against the pressure p for the four measured points, and the slope (dQ/dp) of the gas amount Q against the pressure p is calculated by linear fitting (least squares method). Then, the air permeability coefficient KT is calculated by multiplying the calculated gradient (dQ/dp) by (σ·L)/A.
なお、セパレータの透気係数の測定においては、電池から分解し、セパレータを電池の他の部品から分離する。セパレータは、純水で両面を洗い流した後、純水に浸漬させて48時間以上放置する。その後、さらに純水で両面を洗い流し、100℃の真空乾燥炉にて48時間以上乾燥させた後に、透気係数の測定を行う。また、セパレータにおいて任意の複数箇所で、透気係数を測定する。そして、任意の複数箇所の中で透気係数が最も低い値になる箇所での値を、セパレータの透気係数とする。 In addition, in measuring the air permeability coefficient of the separator, the battery is disassembled and the separator is separated from other parts of the battery. After washing both sides of the separator with pure water, the separator is immersed in pure water and left for 48 hours or longer. After that, both surfaces are rinsed with pure water, dried in a vacuum drying oven at 100° C. for 48 hours or more, and then the air permeability coefficient is measured. In addition, the air permeability coefficient is measured at a plurality of arbitrary points on the separator. Then, the value at the place where the air permeability coefficient is the lowest value among arbitrary plural places is taken as the air permeability coefficient of the separator.
(無機固体粒子のリチウムイオン伝導度の測定方法)
交流インピーダンス法による無機固体粒子のリチウムイオン伝導度の測定を説明する。先ず、錠剤成形器を用いて無機固体粒子を成形して、圧粉体を得る。この圧粉体の両面に金(Au)を蒸着して、測定試料を得る。インピーダンス測定装置を用いて、測定試料の交流インピーダンスを測定する。測定装置としては、例えば、ソーラトロン社製周波数応答アナライザ1260型を用いることができる。測定に際しては、測定周波数を5Hzから32MHzとし、測定温度を25℃とし、アルゴン雰囲気下で行う。
(Method for measuring lithium ion conductivity of inorganic solid particles)
Measurement of lithium ion conductivity of inorganic solid particles by AC impedance method will be described. First, inorganic solid particles are molded using a tablet molding machine to obtain a green compact. Gold (Au) is vapor-deposited on both sides of this green compact to obtain a measurement sample. An impedance measuring device is used to measure the AC impedance of the measurement sample. As a measuring device, for example, a frequency response analyzer Model 1260 manufactured by Solartron can be used. The measurement is performed at a measurement frequency of 5 Hz to 32 MHz, a measurement temperature of 25° C., and an argon atmosphere.
次いで、測定された交流インピーダンスに基づいて、複素インピーダンスプロットを作成する。複素インピーダンスプロットは、横軸を実数成分として、縦軸に虚数成分をプロットしたものである。以下の式(2)により、無機固体粒子のイオン伝導度σLiを算出する。なお、下記式において、ZLiは複素インピーダンスプロットの円弧の直径から算出される抵抗値であり、Sは面積であり、dは厚みである。
σLi=(1/ZLi)×(d/S) (2)
A complex impedance plot is then generated based on the measured AC impedance. The complex impedance plot plots the real component on the horizontal axis and the imaginary component on the vertical axis. The ionic conductivity σLi of the inorganic solid particles is calculated by the following formula (2). In the following formula, ZLi is the resistance value calculated from the diameter of the arc of the complex impedance plot, S is the area, and d is the thickness.
σLi=(1/ZLi)×(d/S) (2)
(水系電解質)
水系電解質は、水系溶媒と電解質塩とを含む。水系電解質は、例えば、液状である。液状水系電解質は、溶質としての電解質塩を水系溶媒に溶解することにより調製される。
(Aqueous electrolyte)
The aqueous electrolyte contains an aqueous solvent and an electrolyte salt. The aqueous electrolyte is, for example, liquid. A liquid aqueous electrolyte is prepared by dissolving an electrolyte salt as a solute in an aqueous solvent.
水系電解質は、金属層aと接する正極側水系電解質と、金属層bと接する負極側水系電解質があり、正極側水系電解質と負極側水系電解質は異なる。この、異なる、とは正極側水系電解質と負極側水系電解質に含まれる電解質塩や、電解質塩濃度、pHが異なることを示す。特定されてない限りは、正極側水系電解質及び負極側水系電解質を総称して、単に“水系電解質”と呼ぶ。 The aqueous electrolyte includes a positive electrode side aqueous electrolyte in contact with the metal layer a and a negative electrode side aqueous electrolyte in contact with the metal layer b, and the positive electrode side aqueous electrolyte and the negative electrode side aqueous electrolyte are different. "Different" means that the electrolyte salt contained in the positive electrode side aqueous electrolyte and the negative electrode side aqueous electrolyte, the electrolyte salt concentration, and the pH are different. Unless otherwise specified, the positive electrode side aqueous electrolyte and the negative electrode side aqueous electrolyte are collectively referred to simply as "aqueous electrolyte".
電解質塩としては、例えば、リチウム塩、ナトリウム塩又はこれらの混合物を用いる。電解質塩は、1種類又は2種類以上のものを使用することができる。 As the electrolyte salt, for example, lithium salt, sodium salt, or a mixture thereof is used. One type or two or more types of electrolyte salts can be used.
リチウム塩として、例えば、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、水酸化リチウム(LiOH)、硫酸リチウム(Li2SO4)、硝酸リチウム(LiNO3)、酢酸リチウム(CH3COOLi)、シュウ酸リチウム(Li2C2O4)、炭酸リチウム(Li2CO3)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)(LiTFSI;LiN(SO2CF3)2)、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI;LiN(SO2F)2)、及びリチウムビスオキサレートボラート(LiBOB:LiB[(OCO)2]2)などを用いる。 Examples of lithium salts include lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), lithium hydroxide (LiOH), lithium sulfate (Li2SO4), lithium nitrate (LiNO3), lithium acetate ( CH3COOLi ), lithium oxalate (Li2 C 2 O 4 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) (LiTFSI; LiN(SO2CF3)2), lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI; LiN(SO2F)2) , and lithium bisoxalate borate (LiBOB: LiB[(OCO)2]2).
ナトリウム塩としては、塩化ナトリウム(NaCl)、硫酸ナトリウム(Na2SO4)、水酸化ナトリウム(NaOH)、硝酸ナトリウム(NaNO3)及びナトリウムトリフルオロメタンスルホニルアミド(NaTFSA)などを用いる。 Sodium salts include sodium chloride (NaCl), sodium sulfate (Na2SO4), sodium hydroxide (NaOH), sodium nitrate (NaNO3) and sodium trifluoromethanesulfonylamide (NaTFSA).
リチウム塩としては、LiClを含むことが好ましい。LiClを用いると、水系電解質のリチウムイオン濃度を高めることができる。また、リチウム塩は、LiClに加えて、LiSO4及びLiOHの少なくとも一方を含んでいることが好ましい。 LiCl is preferably included as the lithium salt. LiCl can be used to increase the lithium ion concentration of the aqueous electrolyte. Also, the lithium salt preferably contains at least one of LiSO4 and LiOH in addition to LiCl.
また、リチウム塩以外に塩化亜鉛や硫酸亜鉛と言った亜鉛塩を水系電解質に添加しても良い。このような化合物を水系電解質液に添加することで、負極において亜鉛含有被覆層及び/又は酸化型亜鉛含有領域が形成され得る。 Besides the lithium salt, a zinc salt such as zinc chloride or zinc sulfate may be added to the aqueous electrolyte. By adding such a compound to the aqueous electrolyte solution, a zinc-containing coating layer and/or a zinc oxide-containing region can be formed on the negative electrode.
水系電解質におけるリチウムイオンのモル濃度は、3mol/L以上であることが好ましく、6mol/L以上であることが好ましく、12mol/L以上であることが好ましい。水系電解質中のリチウムイオンの濃度が高いと、負極における水系溶媒の電気分解が抑制されやすく、負極からの水素発生が少ない傾向にある。 The molar concentration of lithium ions in the aqueous electrolyte is preferably 3 mol/L or more, preferably 6 mol/L or more, and preferably 12 mol/L or more. When the concentration of lithium ions in the aqueous electrolyte is high, electrolysis of the aqueous solvent at the negative electrode tends to be suppressed, and hydrogen generation from the negative electrode tends to be small.
水系電解質は、溶質となる塩1molに対し、水系溶媒量が1mol以上であることが好ましい。さらに好ましい形態は、溶質となる塩1molに対する水系溶媒量が3.5mol以上である。水系溶媒は、例えば、水を50体積%以上の割合で含む。 水系電解質は、アニオン種として、塩素イオン(Cl-)、水酸化物イオン(OH-)、硫酸イオン(SO4 2-)、硝酸イオン(NO3 -)から選ばれる少なくとも1種以上を含むことが好ましい。 The water-based electrolyte preferably contains 1 mol or more of the water-based solvent per 1 mol of the salt serving as the solute. A more preferred form is that the amount of the aqueous solvent is 3.5 mol or more per 1 mol of the salt as the solute. The aqueous solvent contains, for example, water at a rate of 50% by volume or more. The aqueous electrolyte contains, as an anion species, at least one selected from chloride ions (Cl − ), hydroxide ions (OH − ), sulfate ions (SO 4 2− ), and nitrate ions (NO 3 − ). is preferred.
水系電解質のpHは、3以上14以下であることが好ましく、4以上13以下であることがより好ましい。 The pH of the aqueous electrolyte is preferably 3 or more and 14 or less, more preferably 4 or more and 13 or less.
水系電解質のpHは、初回充電後は、負極側と、正極側とで異なっている場合、初回充電後の二次電池において、負極側水系電解質のpHは、3以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、7以上であることが更に好ましい。また、初回充電後の二次電池において、正極側水系電解質のpHは、0以上7以下の範囲内にあることが好ましく、0以上6以下の範囲内にあることがより好ましい。 When the pH of the aqueous electrolyte differs between the negative electrode side and the positive electrode side after the initial charge, the pH of the negative electrode side aqueous electrolyte in the secondary battery after the initial charge is preferably 3 or more. It is more preferably 7 or more, and still more preferably 7 or more. In the secondary battery after the initial charge, the pH of the positive electrode side aqueous electrolyte is preferably in the range of 0 to 7, more preferably in the range of 0 to 6.
負極側、及び正極側の水系電解質のpHは、例えば、二次電池を解体して、セパレータと、負極及び正極との間に存在する水系電解質のpHをそれぞれ測定することにより得られる。 The pH of the aqueous electrolyte on the negative electrode side and the positive electrode side can be obtained, for example, by disassembling the secondary battery and measuring the pH of the aqueous electrolyte present between the separator and the negative electrode and the positive electrode.
水系溶媒としては、水を含む溶液を用い得る。水を含む溶液とは、純水であってもよく、水と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。 A solution containing water can be used as the aqueous solvent. The solution containing water may be pure water or a mixed solvent of water and an organic solvent.
水系電解質は、ゲル状電解質であってもよい。ゲル状電解質は、上述した液状水系電解質と、高分子化合物とを混合して複合化することにより調製される。高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びポリエチレンオキシド(PEO)等を挙げることができる。第1の正極活物質含有層と第2の正極活物質含有層とに含まれる水系電解質と、第1の負極活物質含有層と第2の負極活物質含有層とに含まれる水系電解質は、それぞれ液状かゲル状電解質か適宜選択することができる。 The aqueous electrolyte may be a gel electrolyte. The gel electrolyte is prepared by mixing the above liquid aqueous electrolyte and a polymer compound to form a composite. Examples of polymer compounds include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), and polyethylene oxide (PEO). The aqueous electrolyte contained in the first positive electrode active material-containing layer and the second positive electrode active material-containing layer, and the aqueous electrolyte contained in the first negative electrode active material-containing layer and the second negative electrode active material-containing layer are Either a liquid electrolyte or a gel electrolyte can be selected as appropriate.
水系電解質に水が含まれていることは、GC-MS(ガスクロマトグラフィー-質量分析;GasChromatography - Mass Spectrometry)測定により確認できる。また、水系電解質中の塩濃度及び水含有量は、例えばICP(誘導結合プラズマ;InductivelyCoupled Plasma)発光分析などで測定できる。水系電解質を規定量はかり取り、含まれる塩濃度を算出することで、モル濃度(mol/L)を算出できる。また水系電解質の比重を測定することで、溶質と溶媒のモル数を算出できる。 The presence of water in the aqueous electrolyte can be confirmed by GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry) measurement. Also, the salt concentration and water content in the aqueous electrolyte can be measured by, for example, ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectrometry. The molar concentration (mol/L) can be calculated by weighing out a specified amount of the aqueous electrolyte and calculating the salt concentration contained therein. Also, by measuring the specific gravity of the aqueous electrolyte, the number of moles of the solute and the solvent can be calculated.
(水系電解質のpHの測定方法)
水系電解質のpHの測定方法は、以下の通りである。
(Method for measuring pH of aqueous electrolyte)
The method for measuring the pH of the aqueous electrolyte is as follows.
二次電池を解体して取り出した電極やセパレータに含まれている水系電解質をそれぞれ抽出し、液量を測定後、pHメータでpH値を測定する。pH測定の測定は、例えば以下のように行う。この測定には、例えば(株)堀場製作所製のF-74を使用し、25±2℃の環境下にて行う。まず、pH4.0、7.0及び9.0の標準液を用意する。次に、これら標準液を用いて、F-74の校正を行う。測定対象の水系電解質(水系電解液)を適量調製したものを容器に入れ、pHを測定する。pHの測定後に、F-74のセンサー部を洗浄する。別の測定対象を測定する際は、上述した手順、即ち、校正、測定及び洗浄をその都度実施する。 The secondary battery is dismantled and the aqueous electrolyte contained in the electrodes and separators taken out is extracted, and after the liquid volume is measured, the pH value is measured with a pH meter. Measurement of pH measurement is performed, for example, as follows. For this measurement, for example, F-74 manufactured by HORIBA, Ltd. is used, and the measurement is carried out in an environment of 25±2°C. First, standard solutions of pH 4.0, 7.0 and 9.0 are prepared. Next, these standard solutions are used to calibrate the F-74. An appropriate amount of the aqueous electrolyte (aqueous electrolytic solution) to be measured is prepared and placed in a container, and the pH is measured. After measuring the pH, the sensor part of the F-74 is washed. When measuring another object to be measured, the procedures described above, namely calibration, measurement and cleaning, are carried out each time.
第1の実施形態に係る二次電池は、負極、正極及びバイポーラ電極を含む電極群及び水系電解質を収容する外層部材を更に具備することができる。 The secondary battery according to the first embodiment can further include an electrode group including a negative electrode, a positive electrode, and a bipolar electrode, and an outer layer member containing an aqueous electrolyte.
(外層部材)
電極群及び水系電解質が収容される外層部材には、金属製容器、ラミネートフィルム製容器、又は樹脂製容器を使用することができる。
(Outer layer member)
A metal container, a laminate film container, or a resin container can be used for the outer layer member in which the electrode group and the aqueous electrolyte are accommodated.
金属製容器としては、ニッケル、鉄、及びステンレス鋼などからなる金属缶で角形、円筒形の形状のものが使用できる。樹脂製容器としては、ポリエチレン又はポリプロピレンなどからなるものを用いることができる。 As the metal container, a metal can made of nickel, iron, stainless steel, or the like and having a rectangular or cylindrical shape can be used. As the resin container, a container made of polyethylene, polypropylene, or the like can be used.
樹脂製容器及び金属製容器のそれぞれの板厚は、0.05mm以上1mm以下の範囲内にあることが好ましい。板厚は、より好ましくは0.5mm以下であり、更に好ましくは0.3mm以下である。 The plate thickness of each of the resin container and the metal container is preferably in the range of 0.05 mm or more and 1 mm or less. The plate thickness is more preferably 0.5 mm or less, still more preferably 0.3 mm or less.
ラミネートフィルムとしては、例えば、金属層を樹脂層で被覆した多層フィルムなどを挙げることができる。金属層の例に、ステンレス鋼箔、アルミニウム箔、及びアルミニウム合金箔が含まれる。樹脂層には、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、及びポリエチレンテレフタレート(PET)などの高分子を用いることができる。ラミネートフィルムの厚さは、0.01mm以上0.5mm以下の範囲内にあることが好ましい。ラミネートフィルムの厚さは、より好ましくは0.2mm以下である。 Examples of laminate films include multilayer films in which a metal layer is coated with a resin layer. Examples of metal layers include stainless steel foil, aluminum foil, and aluminum alloy foil. Polymers such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, and polyethylene terephthalate (PET) can be used for the resin layer. The thickness of the laminate film is preferably in the range of 0.01 mm or more and 0.5 mm or less. The thickness of the laminate film is more preferably 0.2 mm or less.
二次電池は、角形、円筒形、扁平型、薄型、コイン型等の様々な形態で使用され得る。 Secondary batteries can be used in various forms such as prismatic, cylindrical, flat, thin, and coin-shaped.
(端子)
負極端子は、例えば、リチウムの酸化-還元電位に対し1V以上3V以下の電位範囲(vs.Li/Li+)において電気化学的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成されることができる。具体的には、負極端子の材料としては、亜鉛、銅、ニッケル、ステンレス鋼やアルミニウム、又は、Mg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子の材料としては、亜鉛又は亜鉛合金を用いることが好ましい。負極端子は、負極集電体(例えば、負極構造体が含む集電層)との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料からなることが好ましい。
(Terminal)
The negative electrode terminal may be made of a material that is electrochemically stable and conductive in a potential range of 1 V or more and 3 V or less (vs. Li/Li + ) with respect to the oxidation-reduction potential of lithium, for example. can. Specifically, the material of the negative electrode terminal is zinc, copper, nickel, stainless steel, aluminum, or at least one selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. Aluminum alloys containing elements are mentioned. Zinc or a zinc alloy is preferably used as the material for the negative electrode terminal. The negative electrode terminal is preferably made of the same material as the negative electrode current collector in order to reduce the contact resistance with the negative electrode current collector (for example, the current collecting layer included in the negative electrode structure).
正極端子は、例えば、リチウムの酸化-還元電位に対し2.5V以上4.5V以下の電位範囲(vs.Li/Li+)において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成することができる。正極端子の材料としては、チタン、アルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。 The positive electrode terminal is, for example, electrically stable in a potential range of 2.5 V or more and 4.5 V or less (vs. Li/Li + ) with respect to the oxidation-reduction potential of lithium, and is made of a conductive material. be able to. Materials for the positive electrode terminal include titanium, aluminum, and aluminum alloys containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu and Si. In order to reduce contact resistance with the positive electrode current collector, the positive electrode terminal is preferably made of the same material as the positive electrode current collector.
以下、実施形態に係る二次電池の詳細を、図3及び図4を参照しながら説明する。図3は、実施形態に係る二次電池の一例を概略的に示す断面図である。図4は、図3に示す二次電池のIV-IV線に沿った断面図である。 Details of the secondary battery according to the embodiment will be described below with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an example of the secondary battery according to the embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view of the secondary battery shown in FIG. 3 taken along line IV-IV.
電極群1は、矩形筒状の金属製容器からなる外装部材2内に収納されている。電極群1は、負極3、正極5及びバイポーラ電極を含む。電極群1は、正極5、負極3及びバイポーラ電極の間にセパレータ4が介在するように配置させて偏平形状となるように渦巻き状に捲回した構造を有する。水系電解質(図示しない)は、電極群1に保持されている。図3に示すように、電極群1の端面に位置する負極3の端部の複数箇所それぞれに帯状の負極集電タブ16が電気的に接続されている。また、この端面に位置する正極5の端部の複数箇所それぞれに帯状の正極集電タブ17が電気的に接続されている。この複数ある負極集電タブ16は、図4に示すとおり一つに束ねられた状態で負極端子6と接続されている。また、図示しないが正極集電タブ17も同様に、一つに束ねられた状態で正極端子7と電気的に接続されている。
The
金属製の封口板10は、金属製の外装部材2の開口部に溶接等により固定されている。負極端子6及び正極端子7は、それぞれ、封口板10に設けられた取出穴から外部に引き出されている。封口板10の各取出穴の内周面は、負極端子6及び正極端子7との接触による短絡を回避するために、それぞれ負極ガスケット8及び正極ガスケット9が配置されている。負極ガスケット8及び正極ガスケット9を配置することで、二次電池100の気密性を維持できる。
The sealing
封口板10には制御弁11(安全弁)が配置されている。水系溶媒の電気分解により発生したガスに起因して電池セルにおける内圧が高まった場合には、制御弁11から発生ガスを外部へと放散できる。制御弁11としては、例えば内圧が設定値よりも高くなった場合に作動し、内圧が低下すると封止栓として機能する復帰式のものを使用することができる。或いは、一度作動すると封止栓としての機能が回復しない非復帰式の制御弁を使用してもよい。図3では、制御弁11が封口板10の中央に配置されているが、制御弁11の位置は封口板10の端部であってもよい。制御弁11は省略してもよい。
A control valve 11 (safety valve) is arranged on the sealing
また、封口板10には注液口12が設けられている。水系電解質は、この注液口12を介して注液され得る。注液口12は、水系電解質が注液された後、封止栓13により塞がれ得る。注液口12及び封止栓13は省略してもよい。
In addition, the sealing
図5は、実施形態に係る二次電池の他の例を概略的に示す部分切欠斜視図である。図6は、図5に示す二次電池のB部を拡大した断面図である。図5及び図6は、容器として、ラミネートフィルム製外装部材を用いた二次電池100の一例を示している。
FIG. 5 is a partially cutaway perspective view schematically showing another example of the secondary battery according to the embodiment. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the B portion of the secondary battery shown in FIG. FIGS. 5 and 6 show an example of a
図5及び図6に示す二次電池100は、図5及び図6に示す電極群1と、図5に示す外装部材2と、図示しない水系電解質とを具備する。電極群1及び水系電解質は、外装部材2内に収納されている。水系電解質は、電極群1に保持されている。
A
外装部材2は、2つの樹脂層とこれらの間に介在した金属層とを含むラミネートフィルムからなる。
The
図6はバイポーラ電極を複数積層した水系電解質バイポーラ二次電池の概略図である。 FIG. 6 is a schematic diagram of an aqueous electrolyte bipolar secondary battery in which a plurality of bipolar electrodes are laminated.
バイポーラ電極を複数積層した水系電解質バイポーラ二次電池は、負極活物質含有層3b2と、バイポーラ電極集電体502、及び正極活物質含有層5b2とをこの順で積層した構造を有するバイポーラ電極501と、バイポーラ電極501の負極活物質含有層3b2及び正極活物質含有層5b2と対向するように配置されたセパレータ4とを複数有し、最外層には正極集電体5aに担持された正極活物質含有層5b1及び負極集電体3aに担持された負極活物質含有層3b1を備えている。
A water-based electrolyte bipolar secondary battery in which a plurality of bipolar electrodes are laminated includes a
積層した際に最外層にあたる正極集電体及び負極集電体は、正極活物質含有層と負極活物質含有層と接しておらず、引き出された部分がある。この部分がリードとなる。このリードは図示しないが、帯状の負極端子6や帯状の正極端子7に電気的に接続されている。帯状の負極端子6の先端は、外装部材2の外部に引き出されている。帯状の正極端子7の先端は、負極端子6とは反対側に位置し、外装部材2の外部に引き出されている。
The positive electrode current collector and the negative electrode current collector, which are the outermost layers when laminated, are not in contact with the positive electrode active material-containing layer and the negative electrode active material-containing layer, and have portions that are pulled out. This part is the lead. Although not shown, the lead is electrically connected to the strip-shaped negative terminal 6 and the strip-shaped positive terminal 7 . The tip of the strip-shaped negative electrode terminal 6 is drawn out of the
第1の実施形態に係る水系電解質バイポーラ二次電池は、第1の負極活物質含有層を負極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた負極と、第1の正極活物質含有層を正極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた正極と、一方の面に第2の正極活物質含有層が、対向する他方の面に第2の負極活物質含有層が、それぞれ設けられたバイポーラ電極集電体を有するバイポーラ電極と、水系電解質とを具備する水系電解質バイポーラ二次電池であって、バイポーラ電極集電体は金属層aと金属層bを有し、金属層aは、Cr、Ni、Fe、Ti及びAlからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含み、金属層bは、金属層bの1層当たりの重量に対して10wt.%以上100wt.%以下のZn及びSnのいずれか1種の元素を含み、金属層a及び金属層bは電気的に接続されており、金属層aの面上に第2の正極活物質含有層を有し、金属層bの面上に第2の負極活物質含有層を有する。そのため、バイポーラ電極集電体を正極側水系電解質、負極側水系電解質の種類に合わせることができるので、当該二次電池は、優れた寿命特性を持つ。 The aqueous electrolyte bipolar secondary battery according to the first embodiment includes a negative electrode provided with a first negative electrode active material containing layer on at least one surface of a negative electrode current collector, and a first positive electrode active material containing layer. A positive electrode provided on at least one surface of a positive electrode current collector, a second positive electrode active material-containing layer provided on one surface, and a second negative electrode active material-containing layer provided on the other opposite surface. An aqueous electrolyte bipolar secondary battery comprising a bipolar electrode having a bipolar electrode current collector and an aqueous electrolyte, wherein the bipolar electrode current collector has a metal layer a and a metal layer b, and the metal layer a is The metal layer b contains at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti and Al, and the metal layer b contains 10 wt. % or more 100 wt. % or less of any one of Zn and Sn, the metal layer a and the metal layer b are electrically connected, and the metal layer a has a second positive electrode active material-containing layer on the surface of the metal layer a , has a second negative electrode active material-containing layer on the surface of the metal layer b. Therefore, since the bipolar electrode current collector can be matched to the types of the positive electrode side aqueous electrolyte and the negative electrode side aqueous electrolyte, the secondary battery has excellent life characteristics.
[第2の実施形態]
第2の実施形態によると、組電池が提供される。該組電池は、第1の実施形態に係る二次電池を複数個具備している。
[Second embodiment]
According to a second embodiment, an assembled battery is provided. The assembled battery includes a plurality of secondary batteries according to the first embodiment.
実施形態に係る組電池において、各単電池は、電気的に直列又は並列に接続して配置してもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて配置してもよい。 In the assembled battery according to the embodiment, each unit cell may be electrically connected in series or parallel and arranged, or may be arranged by combining series connection and parallel connection.
次に、組電池の一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of the assembled battery will be described with reference to the drawings.
図7は、実施形態に係る組電池の一例を概略的に示す斜視図である。図7に示す組電池200は、5つの単電池100a~100eと、4つのバスバー21と、正極側リード22と、負極側リード23とを具備している。5つの単電池100a~100eのそれぞれは、第1の実施形態に係る二次電池である。
FIG. 7 is a perspective view schematically showing an example of the assembled battery according to the embodiment. The assembled
バスバー21は、例えば、1つの単電池100aの負極端子6と、隣に位置する単電池100bの正極端子7とを接続している。このようにして、5つの単電池100は、4つのバスバー21により直列に接続されている。すなわち、図7の組電池200は、5直列の組電池である。例を図示しないが、電気的に並列に接続されている複数の単電池を含む組電池では、例えば、複数の負極端子同士がバスバーにより接続されるとともに複数の正極端子同士がバスバーにより接続されることで、複数の単電池が電気的に接続され得る。
The
5つの単電池100a~100eのうち少なくとも1つの電池の正極端子7は、外部接続用の正極側リード22に電気的に接続されている。また、5つの単電池100a~100eうち少なくとも1つの電池の負極端子6は、外部接続用の負極側リード23に電気的に接続されている。
The positive terminal 7 of at least one of the five
実施形態に係る組電池は、実施形態に係る二次電池を具備する。そのため、当該組電池は、優れた寿命特性を示すことができる。 The assembled battery according to the embodiment includes the secondary battery according to the embodiment. Therefore, the assembled battery can exhibit excellent life characteristics.
[第3の実施形態]
第3の実施形態によると、第1の実施形態に係る二次電池を含む電池パックが提供される。この電池パックは、第2の実施形態に係る組電池を具備することができる。この電池パックは、第2の実施形態に係る組電池の代わりに、単一の第1の実施形態に係る二次電池を具備していてもよい。
[Third embodiment]
According to a third embodiment, a battery pack including the secondary battery according to the first embodiment is provided. This battery pack can comprise the assembled battery according to the second embodiment. This battery pack may include a single secondary battery according to the first embodiment instead of the assembled battery according to the second embodiment.
係る電池パックは、保護回路を更に具備することができる。保護回路は、二次電池の充放電を制御する機能を有する。或いは、電池パックを電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を、電池パックの保護回路として使用してもよい。 Such a battery pack can further comprise a protection circuit. The protection circuit has a function of controlling charging and discharging of the secondary battery. Alternatively, a circuit included in a device that uses a battery pack as a power source (for example, an electronic device, an automobile, etc.) may be used as a protection circuit for the battery pack.
また、電池パックは、通電用の外部端子を更に具備することもできる。通電用の外部端子は、外部に二次電池からの電流を出力するため、及び/又は二次電池に外部からの電流を入力するためのものである。言い換えれば、電池パックを電源として使用する際、電流が通電用の外部端子を通して外部に供給される。また、電池パックを充電する際、充電電流(自動車などの動力の回生エネルギーを含む)は通電用の外部端子を通して電池パックに供給される。 In addition, the battery pack may further include an external terminal for energization. The external terminal for energization is for outputting current from the secondary battery to the outside and/or for inputting current from the outside to the secondary battery. In other words, when the battery pack is used as a power source, current is supplied to the outside through the external terminals for power supply. Also, when charging the battery pack, a charging current (including regenerated energy from the power of an automobile or the like) is supplied to the battery pack through an external terminal for power supply.
次に、実施形態に係る電池パックの一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of the battery pack according to the embodiment will be described with reference to the drawings.
図8は実施形態に係る電池パックの一例を概略的に示す斜視図である。 FIG. 8 is a perspective view schematically showing an example of the battery pack according to the embodiment.
電池パック300は、例えば、図5及び図6に示す二次電池からなる組電池を備える。電池パック300は、筐体310と、筐体310内に収容された組電池200とを含む。組電池200は、複数(例えば5個)の二次電池100が電気的に直列に接続されたものである。二次電池100は、厚さ方向に積層されている。筐体310は、上部及び4つの側面それぞれに開口部320を有している。二次電池100の負極端子6及び正極端子7が突出している側面が、筐体310の開口部320に露出している。組電池200の出力用正極端子332は、帯状をなし、一端が二次電池100のいずれかの正極端子7と電気的に接続され、かつ他端が筐体310の開口部320から突出して筐体310の上部から突き出ている。一方、組電池200の出力用負極端子333は、帯状をなし、一端が二次電池100いずれかの負極端子6と電気的に接続され、かつ他端が筐体310の開口部320から突出して筐体310の上部から突き出ている。
The
係る電池パックの別の例を図9及び図10を参照して詳細に説明する。図9は、実施形態に係る電池パックの他の例を概略的に示す分解斜視図である。図10は、図9に示す電池パックの電気回路の一例を示すブロック図である。 Another example of such a battery pack will be described in detail with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. FIG. 9 is an exploded perspective view schematically showing another example of the battery pack according to the embodiment. 10 is a block diagram showing an example of an electric circuit of the battery pack shown in FIG. 9. FIG.
図9及び図10に示す電池パック300は、収容容器31と、蓋32と、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35と、図示しない絶縁板とを備えている。
A
図9に示す収容容器31は、長方形の底面を有する有底角型容器である。収容容器31は、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35とを収容可能に構成されている。蓋32は、矩形型の形状を有する。蓋32は、収容容器31を覆うことにより、上記組電池200等を収容する。収容容器31及び蓋32には、図示していないが、外部機器等へと接続するための開口部又は接続端子等が設けられている。
A
組電池200は、複数の単電池100と、正極側リード22と、負極側リード23と、粘着テープ24とを備えている。
The assembled
複数の単電池100の少なくとも1つは、実施形態に係る二次電池である。複数の単電池100の各々は、図10に示すように電気的に直列に接続されている。複数の単電池100は、電気的に並列に接続されていてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されていてもよい。複数の単電池100を並列接続すると、直列接続した場合と比較して、電池容量が増大する。
At least one of the plurality of
粘着テープ24は、複数の単電池100を締結している。粘着テープ24の代わりに、熱収縮テープを用いて複数の単電池100を固定してもよい。この場合、組電池200の両側面に保護シート33を配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて複数の単電池100を結束させる。
The
正極側リード22の一端は、組電池200に接続されている。正極側リード22の一端は、1以上の単電池100の正極と電気的に接続されている。負極側リード23の一端は、組電池200に接続されている。負極側リード23の一端は、1以上の単電池100の負極と電気的に接続されている。
One end of the
プリント配線基板34は、収容容器31の内側面のうち、一方の短辺方向の面に沿って設置されている。プリント配線基板34は、正極側コネクタ342と、負極側コネクタ343と、サーミスタ345と、保護回路346と、配線342a及び343aと、通電用の外部端子350と、プラス側配線(正側配線)348aと、マイナス側配線(負側配線)348bとを備えている。プリント配線基板34の一方の面は、組電池200の一側面と向き合っている。プリント配線基板34と組電池200との間には、図示しない絶縁板が介在している。
The printed
正極側コネクタ342に、正極側リード22の他端22aが電気的に接続されている。負極側コネクタ343に、負極側リード23の他端23aが電気的に接続されている。
The
サーミスタ345は、プリント配線基板34の一方の面に固定されている。サーミスタ345は、単電池100の各々の温度を検出し、その検出信号を保護回路346に送信する。
The
通電用の外部端子350は、プリント配線基板34の他方の面に固定されている。通電用の外部端子350は、電池パック300の外部に存在する機器と電気的に接続されている。通電用の外部端子350は、正側端子352と負側端子353とを含む。
An
保護回路346は、プリント配線基板34の他方の面に固定されている。保護回路346は、プラス側配線348aを介して正側端子352と接続されている。保護回路346は、マイナス側配線348bを介して負側端子353と接続されている。また、保護回路346は、配線342aを介して正極側コネクタ342に電気的に接続されている。保護回路346は、配線343aを介して負極側コネクタ343に電気的に接続されている。更に、保護回路346は、複数の単電池100の各々と配線35を介して電気的に接続されている。
A
保護シート33は、収容容器31の長辺方向の両方の内側面と、組電池200を介してプリント配線基板34と向き合う短辺方向の内側面とに配置されている。保護シート33は、例えば、樹脂又はゴムからなる。
The
保護回路346は、複数の単電池100の充放電を制御する。また、保護回路346は、サーミスタ345から送信される検出信号、又は、個々の単電池100又は組電池200から送信される検出信号に基づいて、保護回路346と外部機器への通電用の外部端子350(正側端子352、負側端子353)との電気的な接続を遮断する。
The
サーミスタ345から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の温度が所定の温度以上であることを検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100又は組電池200から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の過充電、過放電及び過電流を検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100について過充電等を検出する場合、電池電圧を検出してもよく、正極電位又は負極電位を検出してもよい。後者の場合、参照極として用いるリチウム電極を個々の単電池100に挿入する。
Examples of the detection signal transmitted from the
なお、保護回路346としては、電池パック300を電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を用いてもよい。
As the
また、この電池パック300は、上述したように通電用の外部端子350を備えている。したがって、この電池パック300は、通電用の外部端子350を介して、組電池200からの電流を外部機器に出力するとともに、外部機器からの電流を、組電池200に入力することができる。言い換えると、電池パック300を電源として使用する際には、組電池200からの電流が、通電用の外部端子350を通して外部機器に供給される。また、電池パック300を充電する際には、外部機器からの充電電流が、通電用の外部端子350を通して電池パック300に供給される。この電池パック300を車載用電池として用いた場合、外部機器からの充電電流として、車両の動力の回生エネルギーを用いることができる。
The
なお、電池パック300は、複数の組電池200を備えていてもよい。この場合、複数の組電池200は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。また、プリント配線基板34及び配線35は省略してもよい。この場合、正極側リード22及び負極側リード23を通電用の外部端子の正側端子と負側端子としてそれぞれ用いてもよい。
Note that the
このような電池パックは、例えば大電流を取り出したときにサイクル性能が優れていることが要求される用途に用いられる。この電池パックは、具体的には、例えば、電子機器の電源、定置用電池、各種車両の車載用電池として用いられる。電子機器としては、例えば、デジタルカメラを挙げることができる。この電池パックは、車載用電池として特に好適に用いられる。 Such battery packs are used in applications that require excellent cycle performance when drawing a large current, for example. Specifically, this battery pack is used, for example, as a power supply for electronic equipment, a stationary battery, and a vehicle battery for various vehicles. Examples of electronic devices include digital cameras. This battery pack is particularly suitable for use as a vehicle battery.
第3の実施形態に係る電池パックは、第1の実施形態に係る二次電池又は第2の実施形態に係る組電池を備えている。そのため、当該電池パックは、優れた寿命特性を示すことができる。 A battery pack according to the third embodiment includes the secondary battery according to the first embodiment or the assembled battery according to the second embodiment. Therefore, the battery pack can exhibit excellent life characteristics.
[第4の実施形態]
第4の実施形態によると、第3の実施形態に係る電池パックを含む車両が提供される。
[Fourth embodiment]
According to a fourth embodiment, a vehicle is provided that includes the battery pack according to the third embodiment.
係る車両において、電池パックは、例えば、車両の動力の回生エネルギーを回収するものである。車両は、この車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構(Regenerator:再生器)を含んでいてもよい。 In such a vehicle, the battery pack, for example, recovers regenerative energy of the power of the vehicle. The vehicle may include a mechanism (regenerator) that converts the kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.
実施形態に係る車両の例としては、例えば、二輪から四輪のハイブリッド電気自動車、二輪から四輪の電気自動車、アシスト自転車、及び鉄道用車両が挙げられる。 Examples of vehicles according to embodiments include, for example, two- to four-wheeled hybrid electric vehicles, two- to four-wheeled electric vehicles, assisted bicycles, and railroad vehicles.
実施形態に係る車両における電池パックの搭載位置は、特には限定されない。例えば、電池パックを自動車に搭載する場合、電池パックは、車両のエンジンルーム、車体後方又は座席の下に搭載することができる。 The mounting position of the battery pack in the vehicle according to the embodiment is not particularly limited. For example, when the battery pack is installed in an automobile, the battery pack can be installed in the engine compartment of the vehicle, behind the vehicle body, or under the seat.
実施形態に係る車両は、複数の電池パックを搭載してもよい。この場合、それぞれの電池パックが含む電池同士は、電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。例えば、各電池パックが組電池を含む場合は、組電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、又は電気的に並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。或いは、各電池パックが単一の電池を含む場合は、それぞれの電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。 A vehicle according to an embodiment may be equipped with a plurality of battery packs. In this case, the batteries included in each battery pack may be electrically connected in series, may be electrically connected in parallel, or may be electrically connected by combining series connection and parallel connection. good too. For example, when each battery pack includes an assembled battery, the assembled batteries may be electrically connected in series or may be electrically connected in parallel. may be connected to Alternatively, if each battery pack contains a single battery, the respective batteries may be electrically connected in series, electrically in parallel, or a combination of series and parallel connections. may be electrically connected.
次に、実施形態に係る車両の一例について、図面を参照しながら説明する。 Next, an example of a vehicle according to the embodiment will be described with reference to the drawings.
図11は、実施形態に係る車両の一例を概略的に示す部分透過図である。
図11に示す車両400は、車両本体40と、第4の実施形態に係る電池パック300とを含んでいる。図11に示す例では、車両400は、四輪の自動車である。
FIG. 11 is a partially transparent view schematically showing an example of the vehicle according to the embodiment.
A
この車両400は、複数の電池パック300を搭載してもよい。この場合、電池パック300が含む電池(例えば、単電池又は組電池)は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。
This
図11では、電池パック300が車両本体40の前方に位置するエンジンルーム内に搭載されている例を図示している。上述したとおり、電池パック300は、例えば、車両本体40の後方又は座席の下に搭載してもよい。この電池パック300は、車両400の電源として用いることができる。また、この電池パック300は、車両400の動力の回生エネルギーを回収することができる。
FIG. 11 shows an example in which the
第4の実施形態に係る車両は、第4の実施形態に係る電池パックを搭載している。したがって、当該車両は、走行性能及び信頼性に優れる。 A vehicle according to the fourth embodiment is equipped with the battery pack according to the fourth embodiment. Therefore, the vehicle is excellent in running performance and reliability.
[第5の実施形態]
第5の実施形態によると、第4の実施形態に係る電池パックを含む定置用電源が提供される。
[Fifth embodiment]
According to a fifth embodiment, there is provided a stationary power supply including the battery pack according to the fourth embodiment.
係る定置用電源は、第4の実施形態に係る電池パックの代わりに、第2の実施形態に係る組電池又は第1の実施形態に係る二次電池を搭載していてもよい。実施形態に係る定置用電源は、長寿命を実現できる。 Such stationary power supply may be equipped with the assembled battery according to the second embodiment or the secondary battery according to the first embodiment instead of the battery pack according to the fourth embodiment. The stationary power supply according to the embodiment can achieve a long life.
図12は、実施形態に係る定置用電源を含むシステムの一例を示すブロック図である。図12は、実施形態に係る電池パック300A、300Bの使用例として、定置用電源112、123への適用例を示す図である。図12に示す一例では、定置用電源112,123が用いられるシステム110が示される。システム110は、発電所111、定置用電源112、需要家側電力系統113及びエネルギー管理システム(EMS)115を備える。また、システム110には、電力網116及び通信網117が形成され、発電所111、定置用電源112、需要家側電力系統113及びEMS115は、電力網116及び通信網117を介して、接続される。EMS115は、電力網116及び通信網117を活用して、システム110全体を安定化させる制御を行う。
FIG. 12 is a block diagram showing an example of a system including the stationary power supply according to the embodiment. FIG. 12 is a diagram showing an example of application of the battery packs 300A and 300B according to the embodiment to
発電所111は、火力及び原子力等の燃料源によって、大容量の電力を生成する。発電所111からは、電力網116等を通して電力が供給される。また、定置用電源112には、電池パック300Aが搭載される。電池パック300Aは、発電所111から供給される電力等を蓄電できる。また、定置用電源112は、電池パック300Aに蓄電された電力を、電力網116等を通して供給できる。システム110には、電力変換装置118が設けられる。電力変換装置118は、コンバータ、インバータ及び変圧器等を含む。したがって、電力変換装置118は、直流と交流との間の変換、互いに対して周波数が異なる交流の間の変換、及び、変圧(昇圧及び降圧)等を行うことができる。このため、電力変換装置118は、発電所111からの電力を、電池パック300Aへ蓄電可能な電力に変換できる。
The
需要家側電力系統113には、工場用の電力系統、ビル用の電力系統、及び、家庭用の電力系統等が、含まれる。需要家側電力系統113は、需要家側EMS121、電力変換装置122及び定置用電源123を備える。定置用電源123には、電池パック300Bが搭載される。需要家側EMS121は、需要家側電力系統113を安定化させる制御を行う。
The consumer-
需要家側電力系統113には、発電所111からの電力、及び、電池パック300Aからの電力が、電力網116を通して供給される。電池パック300Bは、需要家側電力系統113に供給された電力を蓄電できる。また、電力変換装置122は、電力変換装置118と同様に、コンバータ、インバータ及び変圧器等を含む。したがって、電力変換装置122は、直流と交流との間の変換、互いに対して周波数が異なる交流の間の変換、及び、変圧(昇圧及び降圧)等を行うことができる。このため、電力変換装置122は、需要家側電力系統113に供給された電力を、電池パック300Bへ蓄電可能な電力に変換できる。
Power from the
なお、電池パック300Bに蓄電された電力は、例えば、電気自動車等の車両の充電等に用いることができる。また、システム110には、自然エネルギー源が設けられてもよい。この場合、自然エネルギー源は、風力及び太陽光等の自然エネルギーによって、電力を生成する。そして、発電所111に加えて自然エネルギー源からも、電力網116を通して、電力が供給される。
The electric power stored in the
[実施例]
(実施例1)
<水系電解質バイポーラ二次電池の製造>
以下の方法により、水系電解質バイポーラ二次電池を製造した。
[Example]
(Example 1)
<Production of aqueous electrolyte bipolar secondary battery>
An aqueous electrolyte bipolar secondary battery was manufactured by the following method.
(バイポーラ電極の作製)
正極活物質スラリーの準備
正極活物質含有層を形成するため、正極活物質スラリーを準備する。正極活物質スラリーには正極活物質としてLiMn2O4、導電助剤としてアセチレンブラック、結着剤としてPVDFを100:5:5の割合で混合したものを用いた。
(Preparation of bipolar electrode)
Preparation of Positive Electrode Active Material Slurry A positive electrode active material slurry is prepared in order to form a positive electrode active material containing layer. A mixture of LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material, acetylene black as a conductive agent, and PVDF as a binder in a ratio of 100:5:5 was used for the positive electrode active material slurry.
負極活物質スラリーの準備
負極活物質含有層を形成するため、負極活物質スラリーを準備する。負極活物質スラリーには負極活物質としてLi4Ti5O12、導電助剤としてグラファイト、結着剤としてPVDFを、100:5:1の割合で混合したものを用いた。
Preparation of Negative Electrode Active Material Slurry In order to form the negative electrode active material containing layer, a negative electrode active material slurry is prepared. Li 4 Ti 5 O 12 as a negative electrode active material, graphite as a conductive aid, and PVDF as a binder were mixed at a ratio of 100:5:1 for the negative electrode active material slurry.
金属層aに金属層aの1層当たりの重量に対して100wt.%のTiが含まれるTi箔、金属層bに金属層bの1層当たりの重量に対して100wt.%のZnが含まれるZn箔を用いる。この金属層aと金属層bを積層したものをバイポーラ電極集電体として用いた。Ti箔片面に正極活物質スラリーを塗布し、Zn箔片面に負極活物質スラリーを非塗工部が残るように塗布し、120℃で12時間乾燥させ正極活物質含有層及び負極活物質含有層を形成した。金属層Ti箔の正極活物質スラリーを塗布していない、もう一方の片面にアセチレンブラックを分散させたPVdF溶液を塗布し、Zn箔の負極活物質スラリーを塗工していない面を接合したあと、120℃で12時間真空乾燥し、片面は正極面、もう一方の面は負極面としたバイポーラ電極を作製した。 100 wt. % Ti, 100 wt. % Zn is used. A laminate of the metal layer a and the metal layer b was used as a bipolar electrode current collector. A positive electrode active material slurry is applied to one side of a Ti foil, and a negative electrode active material slurry is applied to one side of a Zn foil so that an uncoated portion remains, and dried at 120° C. for 12 hours to form a positive electrode active material-containing layer and a negative electrode active material-containing layer. formed. After applying a PVdF solution in which acetylene black is dispersed to the other side of the metal layer Ti foil that is not coated with the positive electrode active material slurry, and bonding the surface of the Zn foil that is not coated with the negative electrode active material slurry. , and vacuum-dried at 120° C. for 12 hours to prepare a bipolar electrode having a positive electrode surface on one side and a negative electrode surface on the other side.
(水系電解質バイポーラ二次電池の作製)
バイポーラ電極のTi箔面の非塗工部にTi箔を溶接し、これをリードとした。バイポーラ電極の負極面に12M-LiCl電解液を塗布し、上から固体電解質としてLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3を含む固体電解質シートを置いた後、上から2M-Li2SO4電解質を塗布し、上から先述と同様に作製した他のバイポーラ電極の正極面を対向させるように置いた。その際、リードの方向が同一となるようにバイポーラ電極を置いた。この操作を繰り返し、バイポーラ電極を3枚積層させた。
(Production of aqueous electrolyte bipolar secondary battery)
A Ti foil was welded to the non-coated portion of the Ti foil surface of the bipolar electrode, and this was used as a lead. A 12M-LiCl electrolyte solution was applied to the negative electrode surface of the bipolar electrode, and a solid electrolyte sheet containing Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 was placed as a solid electrolyte from above. A -Li 2 SO 4 electrolyte was applied, and another bipolar electrode prepared in the same manner as described above was placed facing the positive surface. At that time, the bipolar electrodes were placed so that the directions of the leads were the same. This operation was repeated to stack three bipolar electrodes.
積層したバイポーラ電極をポリエチレン製の容器に入れ、リードを容器の外に出した後、バイポーラ電極と容器の空間をなくすようにシリコンシーラントで空間を埋め、蓋を被せ、水系電解質バイポーラ二次電池とした。 After placing the stacked bipolar electrodes in a polyethylene container and taking the lead out of the container, the space between the bipolar electrodes and the container was filled with silicon sealant, covered with a lid, and an aqueous electrolyte bipolar secondary battery was created. did.
サイクル数の評価と自己放電特性を評価するため、次のように試験を行った。 In order to evaluate the number of cycles and the self-discharge characteristics, the following tests were conducted.
<サイクル数>
二次電池を、セルを組んでからの待機時間12時間を空けた後、25℃環境下で0.2Cのレートにおいて(負極活物質換算)の定電流で2.55Vまで充電した後、1.8Vまで0.2Cでの放電を実施して初期の放電容量を測定した。
<Number of cycles>
After waiting for 12 hours after assembling the secondary battery, the secondary battery was charged at a constant current of 2.55 V at a rate of 0.2 C in an environment of 25 ° C. (converted to the negative electrode active material). Discharge at 0.2 C to 0.8 V was performed to measure the initial discharge capacity.
<自己放電特性>
(初期放電容量)
二次電池を、セルを組んでからの待機時間12時間を空けた後、25℃環境下で0.1Cのレートにおいて(負極活物質換算)の定電流で2.6Vまで充電した後、2.2Vまで0.1Cでの放電を実施して初期の放電容量(mAh/g(負極活物質重量あたり))を測定した。
<Self-discharge characteristics>
(initial discharge capacity)
After waiting for 12 hours after assembling the secondary battery, the secondary battery was charged at a constant current of 2.6 V at a rate of 0.1 C in an environment of 25 ° C. (converted to the negative electrode active material). The battery was discharged at 0.1 C to 0.2 V, and the initial discharge capacity (mAh/g (per weight of negative electrode active material)) was measured.
(自己放電率)
初期放電容量測定後、0.25Cレートにおいて所定のサイクル数の充放電測定を繰り返した後、0.1Cレート(負極活物質換算)の定電流で2.6Vまで充電した後、24時間放置した後に2.2Vまで0.1Cでの放電を実施する。貯蔵性能の指標として、自己放電率(%)を下記式より算出した。
(自己放電率) = 100-(24時間後の放電容量÷初期の放電容量)×100
(Self-discharge rate)
After measuring the initial discharge capacity, after repeating the charge-discharge measurement for a predetermined number of cycles at a rate of 0.25C, the battery was charged to 2.6V at a constant current of 0.1C rate (in terms of negative electrode active material), and left for 24 hours. A discharge at 0.1C to 2.2V is then carried out. As an index of storage performance, the self-discharge rate (%) was calculated from the following formula.
(Self-discharge rate) = 100 - (discharge capacity after 24 hours / initial discharge capacity) x 100
(実施例2)
金属層aにステンレス箔、金属層bに金属層bの1層当たりの重量に対して100wt.%のSnが含まれるSn箔を用いたこと以外は実施例1記載と同じ方法で作製し、評価を行った。
(Example 2)
100 wt. % of Sn was used, and evaluation was performed in the same manner as described in Example 1 except that Sn foil was used.
(実施例3)
金属層aにAl-Mg合金箔、金属層bに金属層bの1層当たりの重量に対して100wt.%のSnが含まれるSn箔を用いたこと以外は実施例1記載と同じ方法で作製し、評価を行った。
(Example 3)
100 wt. % of Sn was used, and evaluation was performed in the same manner as described in Example 1 except that Sn foil was used.
(実施例4)
金属層aに金属層aの1層当たりの重量に対して100wt.%のTiが含まれるTi箔、金属層bに金属層bの1層当たりの重量に対してZnが15wt.%含まれるZn-Snメッキ銅箔を用いたこと以外は実施例1記載と同じ方法で作製し、評価を行った。
(Example 4)
100 wt. % of Ti, and a Zn—Sn plated copper foil containing 15 wt. It was produced by the method and evaluated.
(実施例5)
金属層aに金属層aの1層当たりの重量に対して100wt.%のTiが含まれるTi箔、金属層bに金属層bの1層当たりの重量に対してZnが30wt.%含まれるCu-Zn合金箔を用いたこと以外は実施例1記載と同じ方法で作製し、評価を行った。
(Example 5)
100 wt. % of Ti, and a Cu—Zn alloy foil containing 30 wt. was produced and evaluated.
(実施例6)
金属層aに金属層aの1層当たりの重量に対して100wt.%のTiが含まれるTi箔、金属層bに金属層bの1層当たりの重量に対してSnが15wt.%含まれるSnメッキ銅箔を用いたこと以外は実施例1記載と同じ方法で作製し、評価を行った。
(Example 6)
100 wt. % of Ti, and Sn-plated copper foil containing 15 wt. It was produced and evaluated.
(比較例1)
金属層aにステンレス箔、金属層bにもステンレス箔を用いたこと以外は実施例1記載と同じ方法で作製し、評価を行った。
(Comparative example 1)
A stainless steel foil was used for the metal layer a, and a stainless steel foil was used for the metal layer b.
(比較例2)
金属層aに金属層aの1層当たりの重量に対して100wt.%のAlが含まれるAl箔、金属層bにも金属層aに用いたものと同じAl箔を用い、正極面に接する電解液に12M-LiClを用いたこと以外は実施例1記載と同じ方法で作製し、評価を行った。Al箔は金属層bの1層当たりの重量に対して100wt.%である。
(Comparative example 2)
100 wt. % Al, the same Al foil as that used for the metal layer a was used for the metal layer b, and 12M-LiCl was used as the electrolyte in contact with the positive electrode surface. It was produced by the method and evaluated. The Al foil is 100 wt. %.
(比較例3)
金属層aに金属層aの1層当たりの重量に対して100wt.%のTiが含まれるTi箔、金属層bにステンレス箔を用いたこと以外は実施例1記載と同じ方法で作製し、評価を行った。
(Comparative Example 3)
100 wt. % of Ti, and stainless steel foil was used for the metal layer b.
(比較例4)
金属層bに金属層bの1層当たりの重量に対して3wt.%のSnが含まれるCu-Sn合金箔を用いたこと以外は実施例1と同様に水系電解質バイポーラ二次電池を作製し、評価を行った。
3 wt. Aqueous electrolyte bipolar secondary batteries were fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1, except that a Cu—Sn alloy foil containing 10% Sn was used.
以上の結果より、第1の負極活物質含有層を負極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた負極と、第1の正極活物質含有層を正極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた正極と、一方の面に第2の正極活物質含有層が、対向する他方の面に第2の負極活物質含有層が、それぞれ設けられたバイポーラ電極集電体を有するバイポーラ電極と、水系電解質とを具備する水系電解質バイポーラ二次電池であって、バイポーラ電極集電体は金属層aと金属層bを有し、金属層aは、Cr、Ni、Fe、Ti及びAlからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含み、金属層bは、金属層bの1層当たりの重量に対して10wt.%以上100wt.%以下のZn及びSnのいずれか1種の元素を含み、金属層a及び金属層bは電気的に接続されており、金属層aの面上に第2の正極活物質含有層を有し、金属層bの面上に第2の負極活物質含有層を有する水系電解質バイポーラ二次電池であることで、バイポーラ電極集電体の腐食を抑制できたため、比較例よりも容量維持率、初期放電容量が向上し、自己放電が改善した。水系電解質を用いる場合でも寿命性能が優れることがわかる。 From the above results, it was confirmed that the first negative electrode active material-containing layer was provided on at least one surface of the negative electrode current collector, and the first positive electrode active material-containing layer was provided on at least one surface of the positive electrode current collector. and a bipolar electrode current collector provided with a second positive electrode active material-containing layer on one surface and a second negative electrode active material-containing layer on the opposite surface, respectively. and an aqueous electrolyte, wherein the bipolar electrode current collector has a metal layer a and a metal layer b, the metal layer a comprising Cr, Ni, Fe, Ti and Al The metal layer b contains at least one element selected from the group consisting of 10 wt. % or more 100 wt. % or less of any one of Zn and Sn, the metal layer a and the metal layer b are electrically connected, and the metal layer a has a second positive electrode active material-containing layer on the surface of the metal layer a , Since corrosion of the bipolar electrode current collector can be suppressed by being an aqueous electrolyte bipolar secondary battery having a second negative electrode active material-containing layer on the surface of the metal layer b, the capacity retention rate and the initial The discharge capacity was improved and the self-discharge was improved. It can be seen that the life performance is excellent even when the aqueous electrolyte is used.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
1…電極群、2…外装部材、3…負極、3a…負極集電体、3b…負極活物質含有層、3b1…第1の負極活物質含有層、3b2…第2の負極活物質含有層、4…セパレータ、4a…第1のセパレータ、4b…第2のセパレータ、5…正極、5a…正極集電体、5b…正極活物質含有層、5b1…第1の正極活物質含有層、5b2…第2の正極活物質含有層、6…負極端子、7…正極端子、8…負極ガスケット、9…正極ガスケット、10…封口板、11…制御弁、12…注液口、13…封止栓、16…負極集電タブ、17…正極集電タブ、21…バスバー、22…正極側リード、23…負極側リード、24…粘着テープ、31…収容容器、32…蓋、33…保護シート、34…プリント配線基板、35…配線、40…車両本体、100…二次電池、110…システム、111…発電所、112…定置用電源、113…需要家側電力系統、115…エネルギー管理システム、116…電力網、117…通信網、118…電力変換装置、121…需要家側EMS、122…電力変換装置、123…定置用電源、200…組電池、300…電池パック、300A…電池パック、300B…電池パック、310…筐体、320…開口部、332…出力用正極端子、333…出力用負極端子、342…正極側コネクタ、343…負極側コネクタ、345…サーミスタ、346…保護回路、342a…配線、343a…配線、350…通電用の外部端子、352…正側端子、353…負側端子、348a…プラス側配線、348b…マイナス側配線、400…車両、500…水系電解質バイポーラ二次電池、501…バイポーラ電極、502…バイポーラ電極集電体、502a…金属層a、502b…金属層b、503…導電性接着層、504…負極側水系電解質、505…正極側水系電解質。
DESCRIPTION OF
Claims (22)
第1の正極活物質含有層を正極集電体の少なくとも一方の面上に設けられた正極と、
一方の面に第2の正極活物質含有層が、対向する他方の面に第2の負極活物質含有層が、それぞれ設けられたバイポーラ電極集電体を有するバイポーラ電極と、
水系電解質とを具備する水系電解質バイポーラ二次電池であって、
前記バイポーラ電極集電体は金属層aと金属層bを有し、
前記金属層aは、Cr、Ni、Fe、Ti及びAlからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含み、
前記金属層bは、前記金属層bの1層当たりの重量に対して10wt.%以上100wt.%以下のZn及びSnのいずれか1種の元素を含み、
前記金属層a及び金属層bは電気的に接続されており、
前記金属層aの面上に前記第2の正極活物質含有層を有し、
前記金属層bの面上に前記第2の負極活物質含有層を有する水系電解質バイポーラ二次電池。 a negative electrode provided with a first negative electrode active material-containing layer on at least one surface of a negative electrode current collector;
A positive electrode provided with a first positive electrode active material-containing layer on at least one surface of a positive electrode current collector;
a bipolar electrode having a bipolar electrode current collector provided with a second positive electrode active material-containing layer on one surface and a second negative electrode active material-containing layer on the opposite surface;
An aqueous electrolyte bipolar secondary battery comprising an aqueous electrolyte,
The bipolar electrode current collector has a metal layer a and a metal layer b,
The metal layer a contains at least one element selected from the group consisting of Cr, Ni, Fe, Ti and Al,
The metal layer b has a weight of 10 wt. % or more 100 wt. % or less of any one element of Zn and Sn,
The metal layer a and the metal layer b are electrically connected,
Having the second positive electrode active material-containing layer on the surface of the metal layer a,
A water-based electrolyte bipolar secondary battery having the second negative electrode active material-containing layer on the surface of the metal layer b.
前記導電性接着層は導電性樹脂又は金属である、
請求項1記載の水系電解質バイポーラ二次電池。 Having a conductive adhesive layer between the metal layer a and the metal layer b;
The conductive adhesive layer is a conductive resin or metal,
The water-based electrolyte bipolar secondary battery according to claim 1.
前記金属層aにAlを用いる場合、前記金属層aの厚みは前記バイポーラ電極集電体の厚みに対し9%以上95%以下である請求項1から4のいずれか1項に記載の水系電解質バイポーラ二次電池。 The bipolar electrode current collector is
The water-based electrolyte according to any one of claims 1 to 4, wherein when Al is used for the metal layer a, the thickness of the metal layer a is 9% or more and 95% or less of the thickness of the bipolar electrode current collector. Bipolar secondary battery.
前記金属層aにCr、Fe、Ni、Ti、Al-Mg合金、Al-Mg-Zn合金が含まれる場合、前記金属層aの厚みは前記バイポーラ電極集電体の厚みに対し7%以上95%以下である請求項1から5のいずれか1項に記載の水系電解質バイポーラ二次電池。 The bipolar electrode current collector is
When the metal layer a contains Cr, Fe, Ni, Ti, an Al-Mg alloy, or an Al-Mg-Zn alloy, the thickness of the metal layer a is 7% or more of the thickness of the bipolar electrode current collector and 95%. % or less, the aqueous electrolyte bipolar secondary battery according to any one of claims 1 to 5.
前記金属層aにステンレスを用いる場合、前記金属層aの厚みは前記バイポーラ電極集電体の厚みに対し5%以上95%以下である請求項1から6のいずれか1項に記載の水系電解質バイポーラ二次電池。 The bipolar electrode current collector is
7. The water-based electrolyte according to any one of claims 1 to 6, wherein when stainless steel is used for the metal layer a, the thickness of the metal layer a is 5% or more and 95% or less of the thickness of the bipolar electrode current collector. Bipolar secondary battery.
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- 2021-03-18 JP JP2021044409A patent/JP2022143728A/en active Pending
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Legal Events
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RD07 | Notification of extinguishment of power of attorney |
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RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
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RD07 | Notification of extinguishment of power of attorney |
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A621 | Written request for application examination |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
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RD07 | Notification of extinguishment of power of attorney |
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A521 | Request for written amendment filed |
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