JP3552361B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば、電気自動車、UPS(無停電電源装置)、ロードレベリング等に使用して好適な大容量のリチウムイオン二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、リチウムイオン二次電池は電気自動車、USP、ロードレベリングをはじめ、環境問題に関連する多くの分野において研究開発が進められ、大容量、高出力、高電圧、長期保存性に優れたものが要求されている。
【0003】
このリチウムイオン二次電池は、充電時はリチウムが正極電極の正極活物質からセパレータ中の電解液中にリチウムイオンとして溶け出し、負極電極の負極活物質に入り込み、放電時はこの負極電極の負極活物質中に入り込んだリチウムイオンが電解液中に放出され、この正極電極の正極活物質中に再び戻ることによって充放電動作を行っている。
【0004】
従来の小型のリチウムイオン二次電池はエネルギー密度を上げるため、活物質を金属箔の集電体の表裏両面に塗布し、シート状の正及び負極電極を作成し、ポリエチレンもしくはポリプロピレンのセパレータを介して所定の大きさの電極対を多数順次積層した角型電池、あるいは長尺の正及び負極電極をポリエチレンもしくはポリプロピレンのセパレータを介して巻回した円筒型電池構造のものがほとんどであった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、大容量のリチウムイオン二次電池を上述小型のリチウムイオン二次電池と同様に活物質を集電体両面に塗布した正及び負極電極を順次積層して構成したときには、大容量のために、内部短絡を起こすとその個所が発熱し、隣接する正及び負極電極間のセパレータが熱溶融し、内部ショートが拡大する結果、多量の熱を周囲に放出し、多量のガスが噴出するおそれがあるという問題があった。
【0006】
一般に電池の内部ショートの模擬試験として、電池外部から釘を刺し、人為的に正及び負極電極をショートさせる、釘刺し試験が行われている。本発明者は、上述の如き大容量のリチウムイオン二次電池が釘刺し時に多量のガス噴出に至る過程では、釘刺し部分の抵抗による発熱が火種となり、隣接する正及び負極電極間のセパレータが熱溶融し、正及び負極電極間の直接反応による発熱が生じ、次の隣接電極間のセパレータの熱溶融という逐次的発熱が起こり、最終的には全電極の反応による大発熱に至るとともに、対向する正、負極電極間の微多孔性のポリオレフィン樹脂フィルムよりなるセパレータがシャットダウンする温度を超えてしまい、完全に熱溶融し、更に熱分解し正及び負極電極が直接ショートする事によって内部ショートが拡大し多量の熱を周囲に放出し多量のガスが噴出することを見出した。
【0007】
本発明は斯る点に鑑み、大容量のリチウムイオン二次電池の内部短絡による影響が隣接する正及び負極電極間に波及することを防ぎ、更に正極電極及び負極電極の直接ショートを防止するようにし、内部ショートの拡大による電池自体の損傷及び周囲への影響を最小限に抑えることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明リチウムイオン二次電池は正極集電体の片面もしくは両面に正極活物質を塗布したシート状の正極電極と、負極集電体の片面もしくは両面に負極活物質を塗布したシート状の負極電極とをセパレータを介して積層して成るリチウムイオン二次電池において、この正及び負極電極が対向しない界面を設け、この界面に金属酸化物の粉体を溶射してなる耐熱層を設けたものである。
【0009】
【作用】
本発明によれば、正極集電体の片面もしくは両面に正極活物質を塗布したシート状の正極電極と、負極集電体の片面もしくは両面に負極活物質を塗布したシート状の負極電極とをセパレータを介して積層して成るリチウムイオン二次電池において、この正及び負極電極が対向しない界面を設け、この界面に金属酸化物の粉体を溶射してなる耐熱層を設けているので、内部ショートが発生しても、隣接する正及び負極電極間にショートが波及することを防ぐことができ、更にセパレータが熱溶融又は熱分解しても正及び負極電極間の電気的絶縁性が確保されると共にこの正及び負極電極の直接ショートを防止し、このショートの拡大による大発熱及びガス噴出が抑制される。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明リチウムイオン二次電池の実施例につき説明しよう。
図3において、10はステンレス板よりなる所定形状の密閉型の偏平角型電池容器を示し、この偏平角型電池容器10内にシート状の正極電極2及びシート状の負極電極3をセパレータ8を介して積層した積層体14を収納する如くする。
【0011】
本例においては、このシート状の正極電極2は次のようにして製作した。
炭酸リチウムと炭酸コバルトをLi/Co(モル比)=1になるように混合し、空気中で900℃、5時間焼成して正極活物質(LiCoO2 )を合成した。この正極活物質を自動乳鉢を用いて粉砕し、LiCoO2 粉末を得た。
【0012】
このようにして得られたLiCoO2 粉末95重量%と炭酸リチウム5重量%とを混合して得られた混合物を91重量%、導電体材としてグラファイト6重量%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3重量%の割合で正極合剤を作成し、これをN−メチル−2−ピロリドンに分散してスラリー状とする。
【0013】
このスラリー状の正極合剤を正極集電体5である帯状のアルミニウム箔の片面に塗布し、乾燥後、ローラープレス機で圧縮成形して、図2Aに示す如き、正極集電体5の片面に正極合剤4が被着された正極電極原反を作成した。
【0014】
この正極電極原反を図2Aに示す如く、大きさ107mm×265mmに型抜きして一枚の正極電極2とした。
【0015】
本例では図2Aに示す如く、この正極電極2の集電体5の正極合剤4が被着されていない面に平均粒径20μmのアルミナ(Al2 O3 )のセラミック粉体を溶射、例えばプラズマ溶射して、耐熱断熱性皮膜20を形成する。
【0016】
ところで、溶射とは燃料−酸素の燃焼、電気エネルギー等による熱源を用いて、金属、金属酸化物等の溶射材料を加熱し、溶融またはそれに近い状態にした粒子を基材に吹き付けて、皮膜を形成する技術であり、大きく分けてガス式溶射、電気式溶射の2方式に分類される。
【0017】
このガス式溶射にはフレーム溶射、爆発溶射が含まれ、電気式溶射には、アーク溶射、プラズマ溶射、線爆溶射の3方式がある。これらの溶射の中でも、プラズマ溶射は非常に高温なプラズマジェットを使用していることから、ガス式溶射では溶射困難なセラミック、サーメット等の高融点材料を容易に溶射することができる。
【0018】
プラズマ溶射は、溶射ガン、溶射材料供給装置、電源、高周波ステーター、冷却水供給ポンプ及び制御装置から構成され、プラズマジェット(10000℃〜20000℃)で溶融された粒径数10ミクロンの粒子が高速で基材に衝突して、非常に短時間(10msecのオーダー)で冷却されて液相から固相になり、このような粒子が積層して皮膜が形成される。
【0019】
また溶射材料としては、金属、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物等種々なものが使用できるが、特に2000℃以上の耐熱性及び電気絶縁性を有し、電気化学的に電池材料として、使用できる材料としてはアルミナ(Al2 O3 )、ジルコニア(ZrO2 )、アルミナジルコニア(Al2 O3 −ZrO2 )、ジルコン酸マグネシウム(MaZrO3 )等の金属酸化物のセラミック粉体が適している。
【0020】
また、本例においては、このシート状の負極電極3は次のようにして製作した。
出発物質に石油ピッチを用い、これに酸素を含む官能基を10〜20%導入(いわゆる酸素架橋)した後、不活性ガス中1000℃で焼成してガラス状炭素に近い性質の難黒鉛化炭素材料を得た。
【0021】
この炭素材料(負極活物質)を90重量%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン10重量%の割合で混合して負極合剤を作成し、これをN−メチル−2−ピロリドンに分散してスラリー状とする。
【0022】
このスラリー状の負極合剤を負極集電体7である帯状銅箔の両面に塗布し、乾燥後、ローラープレス機で圧縮成形して、図2Bに示す如き、負極集電体7の両面に負極合剤6が被着された負極電極原反を作成した。
【0023】
この負極電極原反を図2Bに示す如く、大きさ109mm×270mmに型抜きして一枚の負極電極3とした。
【0024】
本例においては、図2Bに示す如く、この負極電極3をポリプロピレン製の微多孔性のフィルムのセパレータ8を2枚貼り合せた袋状セパレータに挿入する如くする。
【0025】
この片面に耐熱断熱性皮膜20が形成された正極電極2の60枚と袋状セパレータ8に挿入された負極電極3の30枚とを図1に示す如く負極電極3を2枚の正極電極2で溶射皮膜が無い正極合剤4が被着された面で挟む込む様にして順次正極集電体5の正極合剤4が被着されていない耳部5a同志及び負極集電体7の負極合剤6が被着されていない耳部7a同志が夫々重なり合う如く積層して積層体14を形成する。
【0026】
この場合、図1に示す如く、正極電極2、袋状セパレータ8に挿入した負極電極3及び正極電極2で電極ペア30を構成し、この電極ペア30と電極ペア30との間に正極電極2同志が対接し、正極電極2と負極電極3とが対向しない界面30aが形成され、この界面30aに耐熱断熱性皮膜20が存在するものとなる。
【0027】
図4に示す如く、この積層体14の正極集電体5の耳部5aを束ねて正極端子11に超音波溶接にて溶着すると共にこの積層体14の負極集電体7の耳部7aを束ねて負極端子12に超音波溶接にて溶着する如くする。
【0028】
この正極端子11及び負極端子12が設けられた図4に示す如き積層体14を偏平角型電池容器10内に挿入し、その後電解液注入口13を有するステンレススチールの天板10aをこの偏平角型電池容器10にレーザー溶接して蓋する如くする。
【0029】
その後、この電解液注入口13よりプロピレンカーボネート、ジェチルカーボネートの混合溶媒の中にLiPF6 を1モル/1の割合で溶解した有機電解液を注入し、この正極合剤4及び負極合剤6間にこの有機電解液を充填する如くする。
【0030】
その後、この電解液注入口13に安全弁として、厚さ例えば5μmのステンレス箔の破裂板13aを破裂板ホルダ13bで密閉固定する如くする。
【0031】
本例によるリチウムイオン二次電池の充放電を行った結果、35Ahの放電容量が得られ、充放電特性は良好であった。
【0032】
また本例によるリチウムイオン二次電池を充電電圧4.2Vで満充電し、この電池について釘刺し試験を行った結果、表1に実施例1として示す如くガスの噴出はほとんど無く、電解液の減少即ち重量減少率も28%と少なく、内部ショートに対して安全性が向上することがわかった。
【0033】
即ち、本例によれば、内部ショートが発生しても、電極ペア30の1ペアおきに正極電極2及び負極電極3が対向しない界面30aを設け、この界面30aに溶射による耐熱層20を設けたので、内部短絡が発生しても、隣接する電極ペア30に波及することを防ぐことができ、この電池自体の損傷及び周囲への影響を最小限に抑えることができる利益がある。
【0034】
【表1】
【0035】
次に、この表1に示す実施例2につき説明するに、この実施例2は図5に、示す如く上述実施例1と同様の負極電極3の両面に平均粒径18μmのアルミナジルコニア(Al2 O3 −ZrO2 )のセラミック粉体をプラズマ溶射して、この負極電極3の両面の負極合剤6の表面上に溶射皮膜即ち耐熱断熱性皮膜20aを形成した。
ここで、溶射皮膜20aの構造は溶射粒子どうしが結合した連通孔を有したポーラス(気孔率0〜20%程度)な焼結体に近いものとなっており、イオンの透過性がある。
斯る耐熱断熱性皮膜20aは溶射粒子どうしが、結合した連通孔を有したぽーらすな焼結体に近いものであり、この厚さを例えば約30μmとしたとき、空孔率が10〜20%のものが得られる。
【0036】
またこの実施例2においては、上述実施例1と同様の集電体5の正極合剤4の被着されていない面に溶射皮膜20の形成された正極電極2をプリプロピレン製の微多孔性フィルムのセパレータ8を2枚貼り合せた袋状セパレータに挿入する如くする。
【0037】
この実施例2においてはこの両面に耐熱断熱性皮膜20a形成された負極電極3の30枚と袋状セパレータ8に挿入された正極電極2の60枚とを負極電極3を2枚の正極電極2の正極合剤4が被着された面で挟み込む様にして順次積層して積層体14を形成する。その他は、実施例1と同様に構成する。
【0038】
この場合、図5に示す如く、負極電極3を袋状セパレータ8に挿入した2枚の正極電極2で挟む構成で電極ペア30を構成し、電極ペア30と電極ペア30との間に正極電極2同志が対接し、正極電極2と負極電極3とが対向しない界面30aが形成され、この界面30aに耐熱断熱性皮膜20が存在し、また正極電極2と負極電極3との間に耐熱断熱性皮膜20aが存するものとなる。
【0039】
斯る実施例2のリチウムイオン二次電池の充放電を行った結果、35Ahの放電容量が得られ、充放電特性は良好であった。
【0040】
また本例による溶射してなる耐熱断熱性皮膜は微細な連通孔を有しているので、この連通孔を通してリチウムイオンが移動できるので、通常の充放電機能には問題は生じない。
【0041】
また、実施例2によるリチウムイオン二次電池を充電電圧4.2Vで満充電し、この電池について、釘刺し試験を行った結果、表1に示す如くガスの噴出がほとんど無く、電解液の減少即ち重量減少率も18%と少なく、内部ショートに対して安全性が向上することがわかった。この実施例2においては正極電極2と負極電極3との間に耐熱断熱性皮膜20aが存するので、実施例1よりも更に内部ショートの拡大が防止されている。
【0042】
従って、この実施例2においても、上述実施例1と同様の作用効果が得られることは容易に理解できよう。
【0043】
また実施例3は図6に示す如き円筒型の大容量のリチウムイオン二次電池の例を示す。この実施例3は図7に示す如く実施例1同様に負極集電体7の両面に負極合剤6が被着された帯状の(283mm×1750mm)の大きさの負極電極3を作製すると共に正極集電体5の片面に正極合剤4が塗布された帯状の(280mm×1745mm)大きさの正極電極2を作製する。
【0044】
この負極電極3の一側のリード部にニッケル製の負極リード21の一端を抵抗溶接により溶着し、また正極電極2の他側のリード部にアルミニウム製の正極リード22の一端を抵抗溶接により溶着する。
【0045】
また、この正極電極2の集電体5の正極合剤4が被着されていない面に平均粒径18μmのアルミナ(Al2 O3 )のセラミック粉体をプラズマ溶射して、この正極電極2の集電体5の正極合剤4が被着されていない表面上に厚さ30μmの溶射皮膜即ち耐熱断熱性皮膜20を形成する。
【0046】
この実施例3においては、図7に示す如く、この正極電極2及び厚さ25μm、大きさ(287mm×1755mm)のポリプロピレン製の微多孔性フィルムのセパレータ8、負極電極3、セパレータ8及び正極電極2を順次に積層(電極ペア30)してから渦巻状に多数回巻回して渦巻状積層体23を形成する。
【0047】
この場合、この渦巻状積層体23においては図7に示す如く正極電極2の集電体5の面同志が対向する界面30aの間にアルミナよりなる60μm厚の耐熱断熱性皮膜20が存在することとなる。
【0048】
また、ニッケルメッキを施した鉄製の円筒型電池容器24の底部に絶縁板を挿入し、その後、この渦巻状積層体23を収納する。そして負極端子26、正極端子27及び電解液注入口28を有するニッケルメッキを施した鉄製の電池蓋25の負極端子26に負極リード21の他端を溶接すると共に正極端子27に正極リード22の他端を溶接する。
【0049】
そして電解液注入口28よりプロピレンカーボネートの50容量%とジエチルカーボネートの50重量%の混合溶媒中にLiPF6 を1モル/1の割合で溶解した有機電解液を注入し、この正極合剤4及び負極合剤6間にこの有機電解液を充填する如くする。
【0050】
その後、この電解液注入口28に安全弁として厚さ例えば5μmのステンレス箔の破裂板28aを破裂板ホルダ28bで密封固定する如くする。そしてこの電池蓋25と円筒型電池容器24とをレーザー溶接で固定し、直径50mm、高さ300.5mmの円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
【0051】
この円筒型のリチウムイオン二次電池を充放電した結果、20Ahの放電容量が得られ、良好な充放電特性が得られた。
【0052】
またこの実施例3によるリチウムイオン二次電池を充電電圧4.2V満充電し、この電池について、釘刺し試験を行った結果、表1に示す如く、ガスの噴出はほとんど無く、電解液の減少即ち重量減少も21%と少なく、内部ショートとに対して安全性が向上することがわかった。
【0053】
従って、この実施例3においても、上述実施例1と同様の作用効果が得られることは容易に理解できよう。
【0054】
また表1に示す比較例1は実施例1のリチウムイオン二次電池において、正極電極2の片面に溶射皮膜即ち耐熱断熱性皮膜20を形成しないもので、その他は実施例1と同様に構成したものである。この比較例1のリチウムイオン二次電池の放電容量は35Ahであった。
【0055】
この比較例1によるリチウムイオン二次電池を充電電圧4.2Vで満充電し、この電池について、釘刺し試験を行った結果、表1に示す如く多量のガス噴出があり、電解液の減少即ち重量減少が110%と大きかった。
【0056】
また比較例2は実施例3の円筒型のリチウムイオン二次電池において、帯状の正極電極2の片面に溶射皮膜即ち耐熱断熱性皮膜20を形成しないもので、その他は実施例3と同様に構成したものである。この比較例2のリチウムイオン二次電池の放電容量は20Ahであった。
【0057】
この比較例2によるリチウムイオン二次電池を充電電圧4.2Vで満充電し、この電池について、釘刺し試験を行った結果、表1に示す如く多量のガスの噴出があり、電解液の減少即ち重量減少が115%と大きかった。
【0058】
尚、上述実施例においては耐熱断熱性皮膜を正極電極又は負極電極の一方の電極面に形成した例につき述べたが、この皮膜を両方に設けるようにしても良いことは勿論である。また上述実施例では溶射材料として、アルミナ、アルミナジルコニアを用いた例につき述べたが、その他の、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物等が使用できる。
【0059】
また上述実施例では電極ペア毎に界面30aを設け、この界面30aに溶射皮膜を設けたが、この代わりに数電極ペア毎に界面30aを設け、これに溶射皮膜を設けても上述実施例同様の作用効果が得られることは容易に理解できよう。
【0060】
また本発明は上述実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成が採り得ることは勿論である。
【0061】
【発明の効果】
本発明によれば、内部ショートが発生しても、電極ペアの1ペアもしくは数ペアおきに正及び負極電極対向しない界面を設け、この界面に金属酸化物の粉体の溶射皮膜による耐熱層を設けているので、内部短絡が発生しても、隣接する電極ペアに波及することを防ぐことができ、電池自体の損傷及び周囲への影響を最小限に抑えることができる利益がある。
【0062】
更に、セパレータが熱溶融又は熱分解した場合でも、この正極電極及び負極電極の対向する界面に耐熱断熱性皮膜を形成しているので正及び負極電極間の電気的絶縁性が確保されると共にこの正及び負極電極の直接ショートを防止し、このショートの拡大による大発熱及びガス噴出が抑制される利益がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明リチウムイオン二次電池の一実施例の要部の例を示す断面図である。
【図2】図1の説明に供する線図である。
【図3】リチウムイオン二次電池の一例を示す斜視図である。
【図4】図3のリチウムイオン二次電池の例の説明に供する斜視図である。
【図5】本発明の他の実施例の要部を示す断面図である。
【図6】リチウムイオン二次電池の他の例を示す分解斜視図である。
【図7】本発明の他の実施例の要部を示す一部切欠断面図である。
【符号の説明】
2 正極電極
3 負極電極
4 正極合剤
5 正極集電体
6 負極合剤
7 負極集電体
8 セパレータ
20,20a 耐熱断熱性皮膜(溶射皮膜)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a large-capacity lithium ion secondary battery suitable for use in, for example, electric vehicles, UPS (uninterruptible power supply), load leveling, and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, lithium ion secondary batteries have been researched and developed in many fields related to environmental issues such as electric vehicles, USP, road leveling, etc., and those with excellent capacity, high output, high voltage, and long-term storage characteristics have been developed. Is required.
[0003]
In this lithium ion secondary battery, when charging, lithium dissolves as lithium ions from the positive electrode active material of the positive electrode into the electrolyte solution in the separator, enters the negative electrode active material of the negative electrode, and discharges the negative electrode of the negative electrode. The lithium ions that have entered the active material are released into the electrolytic solution, and return to the positive electrode active material of the positive electrode to perform a charge / discharge operation.
[0004]
In order to increase energy density, conventional small lithium ion secondary batteries apply an active material to both front and back surfaces of a metal foil current collector, create sheet-like positive and negative electrodes, and place them through a polyethylene or polypropylene separator. In many cases, the battery was a prismatic battery in which a large number of electrode pairs of a predetermined size were sequentially laminated, or a cylindrical battery structure in which long positive and negative electrodes were wound via a polyethylene or polypropylene separator.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when a large-capacity lithium-ion secondary battery is formed by sequentially laminating positive and negative electrodes coated with an active material on both surfaces of a current collector similarly to the above-mentioned small-sized lithium-ion secondary battery, If an internal short circuit occurs, heat is generated at that location, the separator between the adjacent positive and negative electrodes is thermally melted, and the internal short circuit is expanded.As a result, a large amount of heat may be released to the surroundings and a large amount of gas may be ejected. There was a problem.
[0006]
In general, as a simulation test of a short circuit inside a battery, a nail piercing test is performed in which a nail is pierced from the outside of the battery to artificially short the positive and negative electrodes. The present inventor has found that in the process in which a large-capacity lithium-ion secondary battery leads to a large amount of gas emission at the time of nail penetration as described above, heat generated by the resistance of the nail penetration portion becomes a fire source, and the separator between the adjacent positive and negative electrodes becomes Heat is melted, and heat is generated by the direct reaction between the positive and negative electrodes, and successive heat is generated by heat melting of the separator between the next adjacent electrodes. The temperature of the separator made of the microporous polyolefin resin film between the positive and negative electrodes exceeds the shut-down temperature, complete thermal melting, further thermal decomposition, and the positive and negative electrodes are directly short-circuited, increasing the internal short circuit It was found that a large amount of heat was released to the surroundings and a large amount of gas spouted.
[0007]
In view of the above, the present invention prevents the influence of an internal short circuit of a large-capacity lithium ion secondary battery from spreading between adjacent positive and negative electrodes, and further prevents a direct short circuit between a positive electrode and a negative electrode. The purpose of the present invention is to minimize the damage to the battery itself and the influence on the surroundings due to the expansion of the internal short circuit.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The lithium ion secondary battery of the present invention has a sheet-shaped positive electrode in which a positive electrode active material is coated on one or both surfaces of a positive electrode current collector, and a sheet-shaped negative electrode in which a negative electrode active material is coated on one or both surfaces of a negative electrode current collector. And a lithium ion secondary battery having a positive electrode and a negative electrode facing each other, and a heat-resistant layer formed by spraying metal oxide powder on the interface. is there.
[0009]
[Action]
According to the present invention, a sheet-shaped positive electrode coated with a positive electrode active material on one or both surfaces of a positive electrode current collector, and a sheet-shaped negative electrode coated with a negative electrode active material on one or both surfaces of a negative electrode current collector In a lithium ion secondary battery laminated with a separator interposed therebetween, an interface where the positive and negative electrodes do not face each other is provided, and a heat-resistant layer formed by spraying metal oxide powder is provided on this interface. Even if a short circuit occurs, the short circuit can be prevented from spreading between adjacent positive and negative electrodes, and furthermore, even if the separator is thermally melted or thermally decomposed, electrical insulation between the positive and negative electrodes is ensured. In addition, a direct short circuit between the positive and negative electrodes is prevented, and large heat generation and gas ejection due to the expansion of the short circuit are suppressed.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the lithium ion secondary battery of the present invention will be described with reference to the drawings.
3, 10 denotes a flat rectangular battery container sealed with a predetermined shape ing a stainless plate, a sheet-like
[0011]
In this example, the sheet-shaped
Lithium carbonate and cobalt carbonate were mixed so that Li / Co (molar ratio) = 1 and fired in air at 900 ° C. for 5 hours to synthesize a positive electrode active material (LiCoO 2 ). This positive electrode active material was pulverized using an automatic mortar to obtain LiCoO 2 powder.
[0012]
91% by weight of a mixture obtained by mixing 95% by weight of the LiCoO 2 powder thus obtained and 5% by weight of lithium carbonate, 6% by weight of graphite as a conductive material, and
[0013]
This slurry-like positive electrode mixture is applied to one surface of a belt-shaped aluminum foil as the positive electrode
[0014]
As shown in FIG. 2A, this positive electrode raw material was die-cut into a size of 107 mm × 265 mm to form one
[0015]
In this example, as shown in FIG. 2A, a ceramic powder of alumina (Al 2 O 3 ) having an average particle diameter of 20 μm was sprayed on the surface of the
[0016]
By the way, thermal spraying is a method of heating a thermal spray material such as a metal or a metal oxide using a heat source based on fuel-oxygen combustion, electric energy, etc., and spraying a molten or near-like particle onto a base material to form a coating. It is a technique of forming, and is roughly classified into two types, gas type thermal spraying and electric type thermal spraying.
[0017]
The gas spraying includes flame spraying and explosive spraying, and the electric spraying includes three types of arc spraying, plasma spraying, and line explosion spraying. Among these thermal sprays, since plasma spray uses a very high temperature plasma jet, it is possible to easily spray high melting point materials such as ceramics and cermets, which are difficult to spray by gas type thermal spraying.
[0018]
Plasma spraying consists of a spray gun, a spray material supply device, a power supply, a high-frequency stator, a cooling water supply pump, and a control device. Particles of several tens of microns in diameter that are melted by a plasma jet (10000 ° C. to 20,000 ° C.) are high-speed. Then, it is cooled in a very short time (on the order of 10 msec) and changes from a liquid phase to a solid phase, and such particles are laminated to form a film.
[0019]
As the thermal spray material, various materials such as metal, metal oxide, metal carbide, and metal nitride can be used, and in particular, have heat resistance of 2000 ° C. or more and electrical insulation, and are electrochemically used as battery materials. As a usable material, ceramic powder of a metal oxide such as alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), alumina zirconia (Al 2 O 3 —ZrO 2 ), magnesium zirconate (MaZrO 3 ) is suitable. I have.
[0020]
In this example, the sheet-like
After using petroleum pitch as a starting material and introducing 10 to 20% of a functional group containing oxygen (so-called oxygen cross-linking) into this, it is calcined at 1000 ° C. in an inert gas and is hardly graphitized carbon having properties similar to glassy carbon. The material was obtained.
[0021]
This carbon material (negative electrode active material) was mixed at a ratio of 90% by weight and polyvinylidene fluoride as a binder at a ratio of 10% by weight to prepare a negative electrode mixture, which was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone and slurry. State.
[0022]
This slurry-like negative electrode mixture is applied to both sides of the strip-shaped copper foil as the negative electrode
[0023]
As shown in FIG. 2B, this negative electrode material was cut into a size of 109 mm × 270 mm to form one
[0024]
In this example, as shown in FIG. 2B, the
[0025]
As shown in FIG. 1, 60
[0026]
In this case, as shown in FIG. 1, an
[0027]
As shown in FIG. 4, the
[0028]
The
[0029]
Thereafter, an organic electrolyte obtained by dissolving LiPF 6 at a ratio of 1 mol / 1 into a mixed solvent of propylene carbonate and getyl carbonate is injected from the
[0030]
Thereafter, as a safety valve, a rupture plate 13a made of stainless steel and having a thickness of, for example, 5 μm is hermetically fixed to the
[0031]
As a result of charging and discharging the lithium ion secondary battery according to this example, a discharge capacity of 35 Ah was obtained, and the charge and discharge characteristics were good.
[0032]
Further, the lithium ion secondary battery according to this example was fully charged at a charging voltage of 4.2 V, and a nail penetration test was performed on the battery. As a result, as shown in Example 1 in Table 1, there was almost no gas ejection, and The reduction, that is, the weight reduction rate was as small as 28%, and it was found that the safety against internal short circuit was improved.
[0033]
That is, according to this example, even if an internal short circuit occurs, the
[0034]
[Table 1]
[0035]
Next, Example 2 shown in Table 1 will be described. In Example 2, as shown in FIG. 5, alumina zirconia having an average particle diameter of 18 μm (Al 2 A ceramic powder of O 3 —ZrO 2 ) was plasma sprayed to form a thermal spray coating, that is, a heat-resistant and heat-insulating
Here, the structure of the
The heat-resistant and heat-insulating
[0036]
In the second embodiment, the
[0037]
In the second embodiment, 30
[0038]
In this case, as shown in FIG. 5, the
[0039]
As a result of performing charge and discharge of the lithium ion secondary battery of Example 2, a discharge capacity of 35 Ah was obtained, and the charge and discharge characteristics were good.
[0040]
In addition, since the heat-resistant and heat-insulating coating formed by thermal spraying according to the present embodiment has fine communication holes, lithium ions can move through the communication holes, so that there is no problem in the ordinary charge / discharge function.
[0041]
Further, the lithium ion secondary battery according to Example 2 was fully charged at a charging voltage of 4.2 V, and a nail penetration test was performed on this battery. As a result, as shown in Table 1, almost no gas was blown out, and the electrolyte decreased. That is, it was found that the weight reduction rate was as small as 18%, and the safety against internal short-circuit was improved. In the second embodiment, since the heat-resistant and heat-insulating
[0042]
Therefore, it can be easily understood that the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained in the second embodiment.
[0043]
[0044]
One end of a nickel
[0045]
Also, a ceramic powder of alumina (Al 2 O 3 ) having an average particle diameter of 18 μm is plasma-sprayed on the surface of the
[0046]
In Example 3, as shown in FIG. 7, the
[0047]
In this case, in this spiral laminated body 23, as shown in FIG. 7, a heat-resistant and heat-insulating
[0048]
Further, an insulating plate is inserted into the bottom of the nickel-plated iron
[0049]
Then, an organic electrolyte obtained by dissolving LiPF 6 at a ratio of 1 mol / 1 in a mixed solvent of 50% by volume of propylene carbonate and 50% by weight of diethyl carbonate was injected from the
[0050]
Thereafter, a
[0051]
As a result of charging / discharging this cylindrical lithium ion secondary battery, a discharge capacity of 20 Ah was obtained, and good charge / discharge characteristics were obtained.
[0052]
Further, the lithium ion secondary battery of Example 3 was fully charged at a charging voltage of 4.2 V, and a nail penetration test was performed on this battery. As shown in Table 1, almost no gas was blown out, and the electrolyte decreased. That is, it was found that the weight loss was as small as 21% and the safety against internal short circuit was improved.
[0053]
Therefore, it can be easily understood that the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained in the third embodiment.
[0054]
Comparative Example 1 shown in Table 1 was the same as Example 1 except that the thermal spray coating, that is, the heat-insulating
[0055]
The lithium ion secondary battery according to Comparative Example 1 was fully charged at a charging voltage of 4.2 V, and a nail penetration test was performed on the battery. As a result, a large amount of gas was blown out as shown in Table 1, and a decrease in the electrolyte, that is, The weight loss was as large as 110%.
[0056]
Comparative Example 2 was the same as Example 3 except that the thermal spray coating, that is, the heat-resistant and heat-insulating
[0057]
The lithium ion secondary battery according to Comparative Example 2 was fully charged at a charging voltage of 4.2 V, and a nail penetration test was performed on the battery. As a result, as shown in Table 1, a large amount of gas was blown out, and the electrolyte decreased. That is, the weight loss was as large as 115%.
[0058]
In the above-described embodiment, the example in which the heat-resistant and heat-insulating coating is formed on one of the positive electrode and the negative electrode has been described. However, it is needless to say that this coating may be provided on both the electrodes. Further, in the above-described embodiment, an example was described in which alumina and alumina zirconia were used as the thermal spraying material, but other metal oxides, metal carbides, metal nitrides, and the like can be used.
[0059]
In the above-described embodiment, the
[0060]
In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
[0061]
【The invention's effect】
According to the present invention, even if an internal short circuit occurs, an interface that does not face the positive and negative electrodes is provided every other pair or every few pairs of electrodes, and a heat-resistant layer of a thermal spray coating of metal oxide powder is provided on this interface. Because of the provision, even if an internal short circuit occurs, it can be prevented from spreading to adjacent electrode pairs, and there is an advantage that damage to the battery itself and influence on the surroundings can be minimized.
[0062]
Further, even when the separator is thermally melted or thermally decomposed, since the heat-resistant and heat-insulating film is formed on the facing interface between the positive electrode and the negative electrode, electrical insulation between the positive and negative electrodes is ensured, and There is an advantage that a direct short circuit between the positive and negative electrodes is prevented, and large heat generation and gas ejection due to the expansion of the short circuit are suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a main part of an embodiment of a lithium ion secondary battery of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining FIG. 1;
FIG. 3 is a perspective view showing an example of a lithium ion secondary battery.
FIG. 4 is a perspective view for explaining an example of the lithium ion secondary battery of FIG. 3;
FIG. 5 is a sectional view showing a main part of another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an exploded perspective view showing another example of the lithium ion secondary battery.
FIG. 7 is a partially cutaway sectional view showing a main part of another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
2
Claims (4)
前記耐熱層として、前記正及び負極電極が対向しない界面の少なくとも一方の電極の表面に、金属酸化物の粉体を溶射してなる皮膜を形成してなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。A sheet-shaped positive electrode having one or both surfaces of a positive electrode current collector coated with a positive electrode active material, and a sheet-shaped negative electrode having one or both surfaces of a negative electrode current collector coated with a negative electrode active material laminated via a separator. And, in the lithium ion secondary battery provided with an interface where the positive and negative electrodes do not face each other, and a heat-resistant layer having electrolyte resistance at the interface.
A lithium ion secondary battery comprising, as the heat-resistant layer, a coating formed by spraying metal oxide powder on the surface of at least one of the interfaces where the positive and negative electrodes do not face each other. .
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