JP4142921B2 - 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、リチウムイオン二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウムイオン二次電池は、炭素材料のようなリチウムイオンをドープ・脱ドープが可能な物質を負極として使用し、正極にリチウムコバルト複合酸化物のようなリチウム複合酸化物を使用し、電池電圧が高く、高エネルギー密度を有し、さらに優れたサイクル特性を有する。
【0003】
前記リチウムイオン二次電池、例えば角形リチウムイオン二次電池は、帯状の正極集電体の両面に活性物質層を形成した正極と、帯状の負極集電体の両面に活性物質層を形成した負極とを、ポリプロピレンフィルムのようなセパレータを介して捲回して電極群とし、この電極群の上下に絶縁体を載置した状態で容器に収納した構造を有する。なお、充電時にリチウムが析出して内部で短絡を生じるのを防止するために、正極にセパレータを介在して対向する負極の幅および長さを大きくしている。
【0004】
このようなリチウムイオン二次電池では、何らかの原因によって、過大な電流が流れた際に電気化学反応によって発熱を生じ、万一その熱でセパレータが収縮(特に幅方向に収縮)すると、正負極の長さ方向(電極群の捲き方向)に沿う両端部付近はセパレータが介されることなく直接対向して正極と負極間の絶縁性が維持できなくなるため、内部短絡を生じて、発熱を促進する可能性があった。
【0005】
本発明者らは、前記現象を模擬するために、正極、負極およびセパレータからなる捲回物を乾燥機の中に入れ、150℃で15分放置した。その結果、セパレータは透明に変色し、かつ捲回物の上下方向に対し収縮し、正極と負極が捲回物の上下端で直接接触してしまうことが明らかとなった。したがって、電池作動時に、このようなセパレータの収縮を生じた場合には、正極と負極の内部短絡を引き起こし、ジュール発熱によって高温に発熱する可能性がある。リチウムイオン二次電池においては、発熱に至る事故が極めて稀であっても、ユーザにとっては重大で、未然に回避することが切望されている。
【0006】
ところで、特開平7−130389号公報には帯状の金属箔の表裏両面に正極に対向する負極の長さが該正極の長さより大きくなるように電極合剤が塗布された正極及び負極をセパレータを介して対向させて捲回してなる捲回電極群を有し、捲回電極群の巻き始め及び/又は巻き終わりに位置する負極又は正極の非対向部分の少なくとも一部に電解液に不溶の絶縁性樹脂を被覆することによって、前記被覆部分を外部との接触が絶たれた状態に維持できるため、電池の充電時において電解液中のリチウムイオンとの反応に殆ど関与しない状態で保持して前記被覆部分へのリチウムイオンの拡散を防止したリチウムイオン二次電池のような非水電解液二次電池が開示されている。
【0007】
このような非水電解液二次電池において、捲回電極群の巻き始め及び/又は巻き終わりに位置する負極と正極との間が絶縁性樹脂により覆われているものの、過充電反応などによる温度上昇によりセパレータが収縮した場合には正極と負極が短絡してしまうことが予想され、大きな電流が流れて前述したような発熱を生じる可能性が稀にあった。
【0008】
一方、特開平10−241655号公報には正極、負極およびこれらの間に介在されるセパレータを備えた電池において、前記正極の活物質層および前記負極の活物質層の少なくともいずれか一方に特定の比表面積を持つ絶縁性物質粒子とこの粒子同士を結合するバインダからなる絶縁性物質粒子集合体層を固定してセパレータを形成した電池が記載されている。前記絶縁性物質粒子集合体層は、正負極のいずれかに固定されているため、正負極間の内部短絡を防止する効果を有する。しかしながら、この絶縁性物質粒子集合体層は従来の樹脂製セパレータ(例えば微多孔性ポリエチレンセパレータ)と異なり、柔軟性に欠けるため、通常の電池反応において欠落が生じた場合、その欠落箇所で正負極間の内部短絡が生じ、高温発熱に至る危険性を有している。したがって、前記絶縁性物質粒子集合体層は一部を確実に絶縁する場合において優れた効果を発揮するものの、応力が弱いために正負極表面を広範囲に覆う形態には適していない。正負極表面を広範囲に覆うには、従来より用いられている柔軟性に優れ、シャットダウン作用も有する樹脂製セパレータが適していると考えられる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電極群を構成するセパレータが熱で収縮し、セパレータの幅が正極と負極の幅よりも縮小した場合でも、高温の発熱に至ることを未然に防止することが可能なリチウムイオン二次電池を提供しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、集電体に活物質層を形成した正極および集電体に活物質層を形成した負極をそれらの間にセパレータを介在して捲回した電極群を備え、
500℃以上の耐熱性を有する粉体がバインダ樹脂で結着され、前記粉体100に対し前記バインダ樹脂が重量割合で5〜35配合される絶縁性被膜は、前記電極群の捲き始め端部を少なくとも含む前記正負極の捲き方向に沿う両端部に固定することを特徴とするものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0012】
本発明に係る非水電解液二次電池は、集電体に活物質層を形成した正極および集電体に活物質層を形成した負極をそれらの間にセパレータを介在して捲回した電極群を具備する。この電極群は、例えばアルミニウム箔を中間に介在したプラスチックラミネートフィルムのような外装部材に非水電解液とともに収納されている。
【0013】
少なくとも前記電極群の捲き始め端部を含む前記正負極の捲き方向に沿う両端部には、500℃以上の耐熱性を有する粉体がバインダ樹脂で結着された絶縁性被膜が固定されている。
【0014】
次に前記正極、負極、セパレータ、電極群、非水電解液について説明する。
【0015】
1)正極
この正極は、集電体と、集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質を含む正極層とを含む。
【0016】
前記正極層は、正極活物質、結着剤及び導電剤を含む。
【0017】
前記正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。中でも、リチウム含有コバルト酸化物(例えば、LiCoO2 )、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物(例えば、LiNi0.8 Co0.2 O2 )、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn2 O4 、LiMnO2 )を用いると、高電圧が得られるために好ましい。なお、正極活物質としては、1種類の酸化物を単独で使用しても、あるいは2種類以上の酸化物を混合して使用しても良い。
【0018】
前記導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。
【0019】
前記結着剤は、活物質を集電体に保持させ、かつ活物質同士をつなぐ機能を有する。前記結着剤としては、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)、ポリエーテルサルフォン、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。
【0020】
前記正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質80〜95重量%、導電剤3〜20重量%、結着剤2〜7重量%の範囲にすることが好ましい。
【0021】
前記集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、アルミニウム、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。
【0022】
前記正極は、例えば、正極活物質に導電剤および結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗布、乾燥して薄板状にすることにより作製される。
【0023】
2)負極
前記負極は、集電体と、集電体の片面もしくは両面に担持される負極層とを含む。
【0024】
前記負極層は、リチウムイオンを吸蔵・放出する負極活物質及び結着剤を含む。
【0025】
前記負極活物質としては、例えば、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体などの黒鉛質材料もしくは炭素質材料;熱硬化性樹脂、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ系炭素、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソフェーズ小球体など(特に、メソフェーズピッチ系炭素繊維が容量や充放電サイクル特性が高くなり好ましい)に500〜3000℃で熱処理を施すことにより得られる黒鉛質材料または炭素質材料;二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブ等のカルコゲン化合物;アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム、リチウム合金等の軽金属;等を挙げることができる。中でも、(002)面の面間隔d002が0.34nm以下である黒鉛結晶を有する黒鉛質材料を用いるのが好ましい。このような黒鉛質材料を負極活物質として含む負極を備えた非水電解液二次電池は、電池容量および大電流放電特性を大幅に向上することができる。前記面間隔d002 は、0.337nm以下であることが更に好ましい。
【0026】
前記結着剤としては、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)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等を用いることができる。
【0027】
前記負極活物質及び前記結着剤の配合割合は、炭素質物80〜98重量%、結着剤2〜20重量%の範囲であることが好ましい。
【0028】
前記集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、銅、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。
【0029】
前記負極は、例えば、負極活物質と結着剤とを溶媒の存在下で混練し、得られた懸濁物を集電体に塗布し、乾燥した後、所望の圧力で1回プレスもしくは2〜5回多段階プレスすることにより作製される。
【0030】
3)セパレータ
このセパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物等を用いることができる。中でも、微多孔性の膜は、過充電等による発熱で電極群の温度が異常に上昇すると、セパレータを構成する樹脂が塑性変形し微細な孔が塞がる、いわゆるシャットダウン現象を生じ、リチウムイオンの流れが遮断され、それ以上の発熱を防止し、過充電状態を安全に終了させることができるので好ましい。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー等を挙げることができる。セパレータの形成材料としては、前述した種類の中から選ばれる1種類または2種類以上を用いることができる。
【0031】
前記セパレータは、透気度が200〜600秒/100cm3 であることが好ましい。透気度は、100cm3の空気がセパレータを透過するのに要した時間(秒)を意味し、JIS(日本工業規格)P8117に規定する方法により測定することができる。前記透気度を200秒/100cm3未満にすると、セパレータの孔が大きくかつ粗い状態であるので、前記シャットダウン現象が速やかに起こらず、高温発熱を防ぐことが困難になる。一方、前記透気度が600秒/100cm3を超えると、セパレータの孔が極めて小さいために非水電解液がセパレータの孔に完全に含浸しない部分が生じ、シャットダウン現象が部分的にしか生じず、従ってリチウムイオンの流れを完全に遮断することができない。また透気度が600秒/100cm3を超える場合、通常の充放電を行う際のイオンの移動抵抗が大きくなり、従って電池の内部抵抗が大きくなるため好ましくない。透気度の値は250〜500秒/100cm3 にすることがより好ましく、さらに好ましい値は300〜450秒/100cm3 である。
【0032】
前記セパレータがシャットダウン現象を生じる温度、いわゆるシャットダウン温度は、100〜160℃であることが好ましい。このシャットダウン温度は、セパレータを一定温度に加熱した後の透気度を測定し、その透気度の値が10万秒/100cm3以上になる温度として測定できる。シャットダウン温度が160℃を超えると、過充電状態においてセパレータのシャットダウンが速やかに起こらず、高温発熱を防ぐことが困難になる。一方、シャットダウン温度を100℃未満にすると、非水電解液二次電池の通常の使用状態において、例えば炎天下の自動車内などの高温状態に置かれたときにセパレータの透気度が上昇し、電池の大電流放電特性が低下するなどの問題を生じる虞がある。より好ましいセパレータのシャットダウン温度は110〜150℃である。
【0033】
前記セパレータは、溶融して破膜を生じる温度(溶融温度)が160℃以上であるか、または前記シャットダウン温度よりも15℃以上高い温度を有することが望ましい。溶融温度を160℃未満、またはシャットダウン温度との差が15℃未満である場合は、電池温度の上昇により一旦シャットダウン現象を生じても、その後にセパレータが溶融して破膜することにより正極と負極とが直接接触する、いわゆる短絡状態に至る危険性が大きくなる。短絡状態に至った場合、短絡した箇所の電気抵抗が極めて小さいために短絡した箇所で大電流が流れ続け、ジュール熱を生じることにより短絡した箇所の温度が局所的に上がり、更に周囲のセパレータが溶融したり、或いは高温に発熱したりする可能性がある。
【0034】
前記セパレータは、多孔度が30〜60%の範囲であることが好ましい。多孔度のより好ましい範囲は、35〜50%である。
【0035】
前記セパレータの厚さは、30μm以下、より好ましくは25μm以下であることが望ましい。また、セパレータの厚さの下限値は5μm、より好ましくは8μmであることが望ましい。
【0036】
前記セパレータの幅は、正極と負極の幅に比べて広くすることが望ましい。このような構成にすることにより、正極と負極がセパレータを介さずに直接接触するのを防ぐことができる。
【0037】
4)電極群
この電極群は、前記正極および負極をこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に捲回した構造を有する。この電極群は、例えば、(i)正極および負極をその間にセパレータを介在させて偏平形状または渦巻き状に捲回するか、(ii)正極および負極をその間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回した後、径方向に圧縮するか、いずれかの方法により作製される。
【0038】
前記電極群は、プレスを施さなくても良いが、正極、負極およびセパレータを一体化して強度を高めるためにプレスを施すことが好ましい。また、プレス時に加熱を施すことも可能である。
【0039】
前記電極群には、正極、負極およびセパレータを一体化して強度を高めるために、接着性高分子を含有させることを許容する。この接着性高分子は、非水電解液を保持した状態で高い接着性を維持できるものが望ましい。また、前記接着性高分子は高いリチウムイオン伝導性を有することがより好ましい。具体的には、前記接着性高分子としてポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアクリレート(PMMA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ塩化ビニル(PVC)、またはポリエチレンオキサイド(PEO)等を挙げることができる。
【0040】
5)非水電解液
この非水電解液は、非水溶媒に例えばリチウム塩のような電解質を溶解した組成を有する。これら非水溶媒および電解質について説明する。
【0041】
(a)γ−ブチロラクトン(GBL)
GBLは、充電状態、すなわち、正極の電位が高い状態での正極との反応性が低いため、過充電状態における非水溶媒の分解反応と発熱反応を抑えることができる。非水溶媒中に占めるGBLの比率は、40重量%以上にすることが望ましい。GBLの比率を40重量%未満にすると、GBLよりも正極との反応性の高い例えば、エチレンカーボネート(EC)のような非水溶媒の比率が相対的に高くなり、過充電状態における非水溶媒の分解反応と発熱反応が生じ易くなって電池の温度が上昇し、更に非水溶媒の分解反応が促進される、いわゆる熱暴走状態に陥る危険性が大きくなる。
【0042】
GBLの比率は、より好ましくは50重量%以上、さらに好ましいくは55重量%以上である。
【0043】
(b)環状カーボネート
このエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)等の環状カーボネートは、GBLの利点、すなわち凝固点が低くてリチウムイオン伝導性が高く、かつ安全性に優れるという利点を損なうことなく、負極活物質中に吸蔵されたリチウムイオンとGBLとの反応を抑えることができるので好ましい。特に、ECはリチウムイオンとGBLとの反応を抑える効果が大きいのでより好ましい。
【0044】
溶媒としてGBLを用いた場合、非水溶媒中に占めるECの比率は、20〜50重量%の範囲内にすることが望ましい。ECの比率を20重量%未満にすると、特に高温環境下でのリチウムイオンとGBLとの反応を抑えられなくなる虞がある。一方、ECは充電状態の正極との反応性がGBLよりも高いため、ECの比率が50重量%を超えると過充電状態における非水溶媒の分解反応と発熱反応が生じ易くなる。また、ECは凝固点が高いため、ECの比率が50重量%を超えると低温放電特性が著しく低下する恐れがある。さらに、ECの比率が50重量%を超えると非水電解液の粘度が高くなってイオン伝導度が低下して、大電流放電特性が低下する虞れがある。より好ましいECの比率は、25〜50重量%、さらに好ましくは25〜45重量%である。
【0045】
前記非水溶媒には、セパレータとの濡れ性を良くするために、トリオクチルフォスフェート(TOP)のような界面活性剤を含有させることを許容する。この界面活性剤の添加量は、3%以下、より好ましくは0.1〜1%にすることが望ましい。
【0046】
前記非水溶媒には、例えばビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、γ−バレロラクトン、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、2―メチルフラン、フラン、チオフェン、カテコールカーボネート、エチレンサルファイト、12−クラウン−4、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等の物質を副成分として含むことを許容する。中でも、ビニレンカーボネート(VC)を含む副成分は、負極表面に緻密な保護皮膜を生成するため、溶媒にGBLを使用した場合には負極活物質中に吸蔵されたリチウムイオンとGBLとの反応を抑えることが可能になる。非水溶媒中のVCの比率は、10重量%以下にすることが望ましい。このVCの比率が10重量%を超えると、負極表面に形成される保護皮膜のリチウムイオン透過性が低下して低温放電特性が大幅に損なわれる虞がある。より好ましいVCの比率は0.01〜5重量%、更に好ましくは0.1〜3重量%である。
【0047】
(c)鎖状カーボネート
メチルエチルカーボネート(MEC),ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)などの鎖状カーボネートを非水溶媒として用いることができる。特に、前述した環状カーボネートの一つであるEC等と組み合わせて用いることによって、低温での放電特性や充放電サイクル特性を向上できる。
【0048】
鎖状カーボネートは、前記MECを含むことが好ましく、例えばMEC単独またはMECと他の鎖状カーボネートとの混合物の形態で用いることができる。
【0049】
前記MECと混合される他の鎖状カーボネートは、凝固点が低く、かつ粘度の低いものが好ましい。この他の鎖状カーボネートは、さらに分子量が比較的小さいことが好ましく、低温での放電特性を向上することが可能になる。このような他の鎖状カーボネートとしては、DECおよびDMCのうちの少なくとも一方が好ましい。特に、優れた充放電サイクル特性を発現する観点からMECとDECを含む他の鎖状カーボネートとの組み合わせ、優れた低温放電特性を発現する観点からMECとDMCを含む他の鎖状カーボネートとの組み合わせが好ましい。
【0050】
(d)電解質
この電解質としては、例えば過塩素酸リチウム(LiClO4 )、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6 )、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )2 )、ビスペンタフルオロエチルスルホニルイミドリチウム(LiN(C2F5SO2)2)などのリチウム塩を挙げることができる。これらの電解質は、1種類または2種類以上の混合物で使用することができる。
【0051】
前記電解質の中でも、LiBF4は二次電池の温度が上昇したときの正極との反応性が低いため、過充電状態における発熱量が小さくなるので好ましい。また、(LiN(CF3SO2)2およびLiN(C2F5SO2)2のうち少なくとも一方からなるリチウム塩と、LiBF4からなるリチウム塩とを含有する混合塩か、あるいはLiBF4およびLiPF6を含有する混合塩を用いると、高温でのサイクル寿命をより向上することができる。
【0052】
前記電解質の総重量に対するLiBF4の重量比率は、50重量%以上にすることが好ましい。これは、LiBF4の重量比率を50重量%未満にすると、LiBF4よりも反応性の高い電解質(例えばLiPF6)の比率が大きくなり、過充電状態における発熱反応が生じ易く、高温状態から熱暴走状態になる可能性がある。好ましいLiBF4の比率は、70重量%以上、さらに好ましいくは80重量%以上である。
【0053】
前記電解質の前記非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜2.5モル/Lとすることが好ましい。さらに好ましい溶解量は、1〜2.5モル/Lである。
【0054】
前記非水電解液の量は、電池単位容量100mAh当たり0.2〜0.6gにすることが好ましい。より好ましい非水電解液量は、0.25〜0.55g/100mAhである。
【0055】
6)絶縁性被膜
この絶縁性被膜は、500℃以上の耐熱性を有する粉体がバインダ樹脂で結着した構造を有し、少なくとも前記電極群の捲き始め端部を含む前記正負極の捲き方向に沿う両端部に固定される。
【0056】
ここで『電極群の捲き始め端部を含む前記正負極の捲き方向に沿う両端部』とは、正負極の捲き始め端部に位置する露出した集電体およびこの集電体の両面に形成された活物質層部分に亘る領域を意味する。
【0057】
特に、前記絶縁性被膜を前記電極群の捲き始め端部から1回捲回した前記正負極の捲き方向に沿う両端部に固定することによって、前記電極群を構成するセパレータが熱で収縮し、セパレータの幅が正極と負極の幅よりも縮小した場合、正負極間での電池反応の場の低減を抑えつつ、より効果的に高温の発熱に至ることを未然に防止することが可能になる。勿論、前記絶縁性被膜を前記電極群の捲き始め端部から巻き終わり端部に位置する前記正負極の捲き方向に沿う両端部の全長に固定してもよい。
【0058】
前記絶縁性被膜は、前記セパレータの幅が前記正負極の幅より大きい場合、少なくとも前記二次電池の発熱に伴う前記セパレータの幅方向への収縮分に相当する幅で前記正負極の捲き方向に沿う両端部に固定することが好ましい。特に、正負極の捲き方向に沿う両端部には所定の寸法にスリッティングすることに伴うバリが発生し、内部短絡の要因の一つとなるため、前記絶縁性被膜は前記正負極の捲き方向に沿う両端部にこのバリを覆う観点から正負極の全幅に対して0.5%以上、より好ましくは1.0%以上の幅で固定することが望ましい。一方、前記絶縁性被膜の幅を広くしすぎると、この絶縁性被膜で覆われる正負極の活物質層の割合が大きくなって、電池反応効率を低下させる虞がある。このため、前記絶縁性被膜の幅の上限は正負極の全幅に対して30%以下、好ましくは15%以下、最も好ましくは10%以下にすることが望ましい。
【0059】
前記粉体としては、例えばアルミナ、シリカ、ゼオライトおよび酸化チタンから選ばれる少なくとも1つの無機物粉体を挙げることができる。
【0060】
前記粉体は、平均粒径が30μm以下、より好ましくは0.005〜5μmであることが望ましい。前記粉体の平均粒径が30μmを超えると、塗布工程での絶縁性被膜の形成が困難になるばかりか、電極群を作製する際に適した比較的薄い絶縁性被膜の形成が困難になる虞がある。
【0061】
前記粉体として球状のものを用いる場合には、塗工スラリの流動性の向上や塗布装置の磨耗防止を図ることが可能になる。この球状粉体としては、アルミナやシリカなどが市販されている。
【0062】
前記バインダ樹脂としては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。
【0063】
前記絶縁性被膜を構成する前記粉体と前記バインダ樹脂の混合比率は、重量割合で前記粉体100に対して前記バインダ樹脂が5〜35であることが好ましい。前記バインダ樹脂の混合比率を5未満にすると、前記絶縁性被膜を塗布手段で形成する際の塗布性が低下したり、前記絶縁性被膜の強度が低下したり、前記集電体の露出面への前記絶縁性被膜の固定性が低下する虞がある。一方、前記バインダ樹脂の混合比率が35を超えると、前記絶縁性被膜に占めるバインダ樹脂量が多くなりすぎて正負極化での短絡に伴うジュール発熱による絶縁性被膜の溶融、損傷を防ぐことが困難になる虞がある。
【0064】
前記絶縁性被膜は、10〜60μmの厚さを有することが好ましい。前記絶縁性被膜の厚さを10μm未満にすると、正負極化での短絡に伴うジュール発熱による絶縁性被膜の溶融、損傷を防ぐことが困難になる虞がある。一方、前記絶縁性被膜の厚さが60μmを超えると、正極、負極の活物質層より厚くなって、電極群を作製するための捲回操作に支障をきたしたり、それら活物質層の電極群に占める割合が低下したりする虞がある。
【0065】
前記絶縁性被膜は、例えば次のような方法により形成される。
【0066】
前記粉体と前記バインダ樹脂を適切な溶媒、例えばN−メチルピロリドンに添加し、撹拌して前記バインダ樹脂を溶解すると共に前記粉体をバインダ樹脂溶解液に分散させて塗工スラリを調製する。つづいて、塗工スラリを少なくとも前記電極群の捲き始め端部を含む前記正負極の捲き方向に沿う両端部にスプレーするか、刷毛塗りした後、乾燥して絶縁性被膜を形成し固定する。
【0067】
次に、本発明に係るリチウムイオン二次電池、例えばラミネートフィルムを外装部材として用いる薄形リチウムイオン二次電池を図1〜図5を参照して説明する。
【0068】
電極群1は、図2〜図4に示すように例えば活物質および結着剤を含む正極活物質層2が集電体3の両面に担持された正極4とセパレータ5と活物質および結着剤を含む負極活物質層6が集電体7の両面に担持された負極8とセパレータ5とを渦巻状に捲回し、さらに成形した扁平で矩形状をなす。前記正負極4,8に接続された外部リード9,10は、それぞれ前記電極群1の同一側面から外部に延出されている。500℃以上の耐熱性を有する粉体がバインダ樹脂で結着された正極側絶縁性被膜11は、図5に示すように前記電極群1の捲き始め端部を含む前記正極4の捲き方向に沿う両端部、例えば前記電極群1の捲き始め端部から捲き終わり端部に亘る前記正極4の捲き方向に沿う両端部全長の両面に固定されている。また、500℃以上の耐熱性を有する粉体がバインダ樹脂で結着された負極側絶縁性被膜12は、図5に示すように前記電極群1の捲き始め端部を含む前記負極8の捲き方向に沿う両端部、例えば前記電極群1の捲き始め端部から捲き終わり端部に亘る前記負極8の捲き方向に沿う両端部全長の両面に固定されている。
【0069】
前記電極群1は、図1に示すように例えば2つ折りのカップ型外装フィルム13のカップ14内にその折曲げ部が前記電極群1の前記外部リード9,10が延出された側面と反対側の側面側に位置するように包み込まれている。この外装フィルム13は、図2に示すように中間にアルミニウムまたはアルミニウム合金のシート15を有し、前記電極群1が位置する前記シート15の内面側にシーラントフィルム16が接着剤を介して貼着され、かつ前記シート15の外側に少なくとも剛性を有するプラスチックフィルム17が接着剤を介して貼着された積層フィルムにより構成されている。接着性絶縁フィルム18は、前記正極の外部リード9の上下面と前記外装フィルム13のシーラントフィルム16との間および前記負極の外部リード10の上下面と前記外装フィルム13のシーラントフィルム16との間にそれぞれ介在されている。前記外装フィルム13における前記折り曲げ部を除く前記電極群1の2つの長側面および1つの短側面に対応する3つの側部は、前記シーラントフィルム16同士を熱シールして水平方向に延出したシール部19a、19b、19cが形成され、これらのシール部19a、19b、19cにより前記電極群1を封口している。シール部19bにおいて、前記シーラントフィルム16と前記接着性絶縁フィルム18とが熱シールされるとともに、溶融された前記接着性絶縁フィルム18と前記電極群1の正負極4,8に接続された外部端子9,10とが密着され、かつ前記外部端子9,10がそのシール部19bを通して外部に延出されている。前記電極群1内部および前記シール部19a、19b、19cで封口された前記外装フィルム13内には、非水電解液が含浸・収容されている。
【0070】
前記シーラントフィルムとしては、非水電解液に溶解したり、膨潤したりしない無延伸のフィルムが好ましい。例えば、延伸してないポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系ポリマー、エチレン・酢酸ビニル(EVA)共重合体、アイオノマー(IO)、ポリアミド(PA)、ナイロン(Ny)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリビニルアルコール(PVA)、エチレン・ビニルアルコール(EVOH)、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、ポリアクリロニトリル(PAN)、エチレン・アクリル酸共重合体(EAA)、エチレン・メタクリル酸共重合体(EMAA)、エチレン・メチルアクリレート共重合体(EMA)、エチレン・メチルメタクリレート共重合体(EMMA)、エチレン・エチルアクリレート共重合体(EEA)、ポリメチルペンテン(PMP)等を用いることができる。特に、これら樹脂をベースポリマーとし、例えば無水マレイン酸等の酸無水物をグラフト重合させた樹脂フィルムは、接着性絶縁フィルムを用いない場合に好適であるばかりか、金属との接着性を増すため有益である。
【0071】
前記剛性を有する樹脂プラスチックフィルムは、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金のシートを保護し、電池の機械的構造特性を維持する機能を持つ。この剛性を有する樹脂としては、例えば二軸延伸したポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系ポリマー、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ナイロンなどを使用できる。
【0072】
前記接着性絶縁フィルムとしては、シーラントフィルムと同等の特性、成形性を備えつつ、正負極側外部端子である金属との接着性が優れたものを用いることが好ましい。具体的には、前述したシーラントフィルムに使用した樹脂からなるベースポリマーに無水マレイン酸等の酸無水物をグラフト重合させたものを用いることができる。前記接着性絶縁フィルムは、前記シーラントフィルムと同一系統でも、異なっていてもよい。特に、前記接着性絶縁フィルムと前記シーラントフィルムとを同一組成のものから作れば、正負極側外部端子部まわりが均質で信頼性の高い封止構造が得られる。ただし、接着性絶縁フィルムは電池の構造上、必須なものではなく、必要に応じて使用しなくてもよい。
【0073】
なお、本発明に係るリチウムイオン二次電池は前述した薄形リチウムイオン二次電池に限らず、角形リチウムイオン二次電池、円筒形リチウムイオン二次電池にも同様に適用できる。
【0074】
以上説明したように本発明によれば、少なくとも前記電極群の捲き始め端部を含む前記正負極の捲き方向に沿う両端部に500℃以上の耐熱性を有する粉体がバインダ樹脂で結着された絶縁性被膜を固定することによって、二次電池が例えば過充電等により発熱を生じ、その熱でセパレータが収縮(特に幅方向に収縮)しても、正極と負極間が直接対向して内部短絡を生じ、高温発熱や熱暴走に至ることを防ぐことができる。
【0075】
すなわち、リチウム二次電池は例えば過充電等により過大な電流が流れた際に電気化学反応によって発熱を生じる。この発熱に伴って電極群の温度が上昇するが、電極群の捲き始め端部がその捲き終り端部に比べて過度に温度上昇する。このため、特に電極群の捲き始め端部付近に位置するセパレータが多大な熱影響により長さ方向および幅方向に収縮する。セパレータの収縮(特に、幅方向の収縮)は、電極群の捲き始め端部を含む正負極の長さ方向(電極群の捲き方向)に沿う両端部がセパレータを介されることなく直接対向する状態を招き、正極と負極のそれら両端部間の絶縁性が維持できなくなるため、内部短絡を生じて、熱暴走に至る可能性がある。
【0076】
このような状況において、本発明の二次電池は少なくとも前記電極群の捲き始め端部を含む正負極の前記電極群の捲き方向に沿う両端部に500℃以上の耐熱性を有する粉体がバインダ樹脂で結着された絶縁性被膜を固定した構造を有するため、セパレータの幅方向に収縮しても前記正負極の両端部の箇所での絶縁性を前記絶縁性被膜で確保できるため、前記正負極間の内部短絡を防止できる。したがって、内部短絡に伴って熱暴走に至ることを未然に防止でき、信頼性の高いリチウムイオン二次電池を実現できる。
【0077】
特に、前記絶縁被膜を構成する粉体として、平均粒径が30μm以下のものを用いれば、その粉体がより均一に分散された絶縁性被膜を前記少なくとも前記電極群の捲き始め端部を含む正負極の捲き方向に沿う両端部に固定できるため、塗布加工性が良好で前述した発熱による前記絶縁性被膜の溶融を前記粉体で効果的に防ぐことができる。
【0078】
また、前記絶縁性被膜を構成する前記粉体と前記バインダ樹脂の混合比率を重量割合で前記粉体100に対して前記バインダ樹脂が5〜35になるように設定すれば、前記粉体が高密度で分散された絶縁性被膜を前記少なくとも前記電極群の捲き始め端部を含む正負極の捲き方向に沿う両端部に強固に固定できるため、前述した発熱に伴う前記絶縁性被膜の溶融を前記粉体で一層効果的に防ぐことができる。
【0079】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【0080】
(実施例1)
<正極の作製>
まず、リチウムコバルト酸化物(LixCoO2;但し、Xは0<X≦1である)粉末90重量%に、アセチレンブラック5重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%のジメチルフォルムアミド(DMF)溶液とを加えて混合し、スラリを調製した。前記スラリを厚さが15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布した後、乾燥し、プレスすることにより、正極層が集電体の両面に担持された構造の正極を作製した。なお、前記正極層は厚さが片面当り60μm、幅が55mmであった。
【0081】
<負極の作製>
炭素質材料として3000℃で熱処理したメソフェーズピッチ系炭素繊維(粉末X線回折により求められる(002)面の面間隔(d002 )が0.336nm)の粉末を95重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%のジメチルフォルムアミド(DMF)溶液とを混合し、スラリを調製した。前記スラリを厚さが12μmの銅箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、負極層が集電体に担持された構造の負極を作製した。なお、前記負極層は厚さが片面当り55μm、幅が58mmであった。
【0082】
なお、炭素質物の(002)面の面間隔d002は、粉末X線回折スペクトルから半値幅中点法によりそれぞれ求めた。この際、ローレンツ散乱等の散乱補正は行わなかった。
【0083】
<絶縁性被膜の形成>
前記負極、正極について、前述した図5に示すように電極群とした時にその捲き始め端部から捲き終わり端部に亘る前記正極および負極の捲き方向に沿う両端部全長の両面にPVdF20重量部およびアルミナ80重量部を含む塗工液をそれら正極、負極のそれぞれ全幅の5%に相当する幅でスプレー法にて厚さ約20μmになるよう塗布した。塗布後に十分に乾燥させることにより、前記正負極の両端部全長に絶縁性被膜が強固に接着されていることを確認した。
【0084】
<電極群の作製>
前記正極の集電体に帯状アルミニウム箔(厚さ100μm)からなる正極リードを超音波溶接し、前記負極の集電体に帯状ニッケル箔(厚さ100μm)からなる負極リードを超音波溶接した後、前記正極及び前記負極をその間に前記セパレータを介して渦巻き状に捲回し、電極群を作製した。この電極群を加熱しながらプレス機で加圧することにより、偏平状に成形した。この成形の際の加熱温度及び圧力を変えることによって、成形した後のセパレータの透気度を調整することができる。本実施例1では、温度80℃、圧力1.4MPaで成形し、成形後のセパレータの透気度をJIS(日本工業規格)P8117に規定する方法により測定した結果、400秒/100cm3であった。
【0085】
<非水電解液の調製>
エチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(GBL)を重量比率(EC:GBL)が40:60になるように混合して非水溶媒を調製した。得られた非水溶媒に四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )をその濃度が1.5モル/Lになるように溶解させて、非水電解液を調製した。
【0086】
次いで、アルミニウムシートの両面をポリエチレンフィルムで覆った厚さ100μmのラミネートフィルムを、プレス機により矩形のカップ状に成形して外装フィルム素材を作製し、この外装フィルム素材のカップ内に前記電極群を正負極の外部リードが外装フィルム素材の外部へ突き出すように収納した。つづいて、カップ内に電極群を収納した前記外装フィルム素材を80℃、12時間真空乾燥することにより電極群および外装フィルムに含まれる水分を除去した。
【0087】
次いで、前記外装フィルム素材と正負極の外部リードの上下面の間に絶縁性接着フィルムとしての厚さ70μmの酸変性LLDPEフィルム(日本ポリオレフィン社製商品名;アドテックスER615F)を介在させた後、前記外装フィルム素材のカップの短辺側成形端で180゜折り曲げた。この状態で加熱したプレスヘッドにより、加熱・加圧し正負極の外部リードと酸変性LLDPEフィルム、およびポリエチレンフィルム同士を接着させて外部リードが延出される辺にシール部を形成した。正負極の外部リードが存在しない外装フィルム素材の1つの長辺側の部分も加熱したプレスヘッドにより、加熱・加圧し、ポリエチレンフィルム同士を接着してシール部を形成した。これらの熱シール順序は、同時でも、どちらかを先にしても構わない。
【0088】
前記外装フィルム素材の開放された長辺側部分を通して、前記組成の非水電解液を注入した後、未シール部を加熱したプレスヘッドにより、加熱・加圧して封止することにより前述した図1、2に示す構造を有し、厚さが3.6mm、幅が35mm、高さが62mmで、公称容量が0.65Ahの薄形のリチウムイオン二次電池を組み立てた。
【0089】
(実施例2〜16)
電極群の捲き始め端部から捲き終わり端部に亘る正極および負極の捲き方向に沿う両端部全長の両面に下記表1に示す組成、形態の絶縁性被膜をそれら正負極の全幅の5%に相当する幅で形成、固定した以外、実施例1と同様で、前述した図1および図2に示す構造を有する15種の薄形のリチウムイオン二次電池を組立てた。
【0090】
(比較例1)
電極群の捲き始め端部から捲き終わり端部に亘る正極および負極の捲き方向に沿う両端部全長の両面に絶縁性被膜を形成しない以外、実施例1と同様で、前述した図1、図2に示す構造を有する薄形のリチウムイオン二次電池を組立てた。
【0091】
(比較例2)
電極群の捲き始め端部から捲き終わり端部に亘る正極および負極の捲き方向に沿う両端部全長の両面に下記表1に示す組成、形態の絶縁性被膜をそれら正負極の全幅の5%に相当する幅で形成、固定した以外、実施例1と同様で、前述した図1、図2に示す構造を有する薄形のリチウムイオン二次電池を組立てた。
【0092】
得られた実施例1〜16および比較例1、2のリチウムイオン二次電池に対し、以下の初充放電工程を施した。まず、室温で0.2Cで4.2Vまで定電流・定電圧充電を15時間行った。その後、室温で0.2Cで3.0Vまで放電し、非水電解液二次電池を製造した。ここで、1Cとは公称容量(Ah)を1時間で放電するために必要な電流値である。よって、0.2Cは、公称容量(Ah)を5時間で放電するために必要な電流値である。
【0093】
初充電後の実施例1〜16および比較例1、2の二次電池の各100個について、電流値3Cで充電を続ける過充電試験を行い、その際に熱暴走を生じたリチウムイオン二次電池の個数を調べた。その結果を下記表1に併記する。
【0094】
【表1】
【0095】
前記表1から明らかなように絶縁性被膜として500℃以上の耐熱性を有する粉体がバインダ樹脂で結着された構造のものを用いた実施例1〜16の二次電池は、過充電試験での発熱によってセパレータが収縮しても正負極の捲き方向に沿う両端部での内部短絡を防止して、熱暴走に至らないことがわかる。
【0096】
これに対し、絶縁性被膜を形成しない比較例1の二次電池は勿論、正負極の捲き方向に沿う両端部に絶縁性被膜を固定した場合でも、その絶縁性被膜がポリフッ化ビニリデン(PVdF)のみの電解液に不溶の絶縁性樹脂から作られる比較例2の二次電池では、過充電によってセパレータが収縮すると熱暴走へ至ることがわかる。
【0097】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば電極群を構成するセパレータが熱で収縮し、セパレータの幅が正極と負極の幅よりも縮小した場合でも、高温の発熱に至ることを未然に防止することが可能な信頼性、安全性の高いリチウムイオン二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る薄形のリチウムイオン二次電池を示す切欠斜視図。
【図2】図1のII−II線に沿う断面図。
【図3】図1のリチウムイオン二次電池に組み込まれる電極群を示す斜視図。
【図4】図3のIV−IV線に沿う断面図。
【図5】図1のリチウムイオン二次電池に組み込まれる電極群として捲回する前の正極、セパレータおよび負極の捲き始め端部側を示す斜視図。
【符号の説明】
1…電極群、
4…正極、
5…セパレータ、
8…負極、
9…正極側外部リード、
10…負極側外部リード、
11,12…絶縁性被膜、
13…外装フィルム、
14…カップ、
19a,19b,19c…シール部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
[0002]
[Prior art]
Lithium ion secondary batteries use a material that can be doped / undoped with lithium ions, such as carbon materials, as a negative electrode, and use a lithium composite oxide, such as a lithium cobalt composite oxide, as the positive electrode. High, high energy density, and excellent cycle characteristics.
[0003]
The lithium ion secondary battery, for example, a prismatic lithium ion secondary battery, includes a positive electrode in which an active material layer is formed on both surfaces of a strip-shaped positive electrode current collector, and a negative electrode in which an active material layer is formed on both surfaces of the strip-shaped negative electrode current collector Are wound through a separator such as a polypropylene film to form an electrode group, and an insulator is placed on the upper and lower sides of the electrode group and housed in a container. In order to prevent lithium from depositing during charging and causing a short circuit therein, the width and length of the opposing negative electrode are increased by interposing a separator on the positive electrode.
[0004]
In such a lithium ion secondary battery, heat is generated by an electrochemical reaction when an excessive current flows for some reason, and if the separator contracts (especially in the width direction) with the heat, The vicinity of both ends along the length direction (the electrode group firing direction) faces each other directly without a separator, and insulation between the positive electrode and the negative electrode cannot be maintained, thereby causing an internal short circuit and promoting heat generation. There was sex.
[0005]
In order to simulate the above phenomenon, the inventors put a wound product composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator in a dryer and left it at 150 ° C. for 15 minutes. As a result, it became clear that the separator turned transparent and contracted in the vertical direction of the wound product, and the positive electrode and the negative electrode were in direct contact with the upper and lower ends of the wound product. Therefore, when such a separator contraction occurs during battery operation, an internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode is caused, and there is a possibility that heat is generated to a high temperature due to Joule heat generation. In a lithium ion secondary battery, even if an accident that leads to heat generation is extremely rare, it is serious for the user, and it is desired to avoid it in advance.
[0006]
In JP-A-7-130389, a positive electrode and a negative electrode coated with an electrode mixture so that the length of the negative electrode facing the positive electrode is larger than the length of the positive electrode on both the front and back surfaces of a strip-shaped metal foil are separated from each other. Insulation insoluble in the electrolyte solution at least in part of the non-opposing portion of the negative electrode or the positive electrode located at the beginning and / or end of winding of the wound electrode group By covering the conductive resin, it is possible to maintain the coated portion in a state in which contact with the outside is cut off, so that the battery is held in a state of little involvement in the reaction with lithium ions in the electrolyte during charging of the battery. A non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion secondary battery that prevents diffusion of lithium ions into the coating portion is disclosed.
[0007]
In such a non-aqueous electrolyte secondary battery, although the space between the negative electrode and the positive electrode located at the beginning and / or end of winding of the wound electrode group is covered with an insulating resin, the temperature due to overcharge reaction, etc. When the separator contracts due to the rise, it is expected that the positive electrode and the negative electrode are short-circuited, and there is a possibility that a large current flows and the above-described heat generation occurs.
[0008]
On the other hand, in JP-A-10-241655, in a battery including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween, at least one of the active material layer of the positive electrode and the active material layer of the negative electrode is specified. A battery is described in which a separator is formed by fixing an insulating substance particle aggregate layer composed of insulating substance particles having a specific surface area and a binder that bonds the particles. Since the insulating substance particle aggregate layer is fixed to one of the positive and negative electrodes, it has an effect of preventing an internal short circuit between the positive and negative electrodes. However, unlike the conventional resin separator (for example, a microporous polyethylene separator), this insulating substance particle aggregate layer lacks flexibility, so that when there is a lack in a normal battery reaction, the positive and negative electrodes There is a risk that an internal short circuit will occur, resulting in high temperature heat generation. Therefore, the insulating substance particle aggregate layer exhibits an excellent effect in the case where a part of the insulating substance particle aggregate layer is reliably insulated, but is not suitable for a form covering the positive and negative electrode surfaces in a wide range due to weak stress. In order to cover the positive and negative electrode surfaces in a wide range, it is considered that a resin separator that is excellent in flexibility and has a shutdown function is suitable.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
According to the present invention, even when the separator constituting the electrode group is contracted by heat and the width of the separator is smaller than the width of the positive electrode and the negative electrode, it is possible to prevent the occurrence of high temperature heat generation. The next battery is to be provided.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The lithium ion secondary battery according to the present invention includes an electrode group in which a positive electrode having an active material layer formed on a current collector and a negative electrode having an active material layer formed on a current collector are wound with a separator interposed therebetween. Prepared,
An insulating film in which a powder having a heat resistance of 500 ° C. or higher is bound with a binder resin, and the binder resin is blended in an amount of 5 to 35 by weight with respect to the powder 100, The at least It fixes to the both ends along the rolling direction of the said positive / negative electrode containing.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0012]
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is an electrode in which a positive electrode having an active material layer formed on a current collector and a negative electrode having an active material layer formed on the current collector are wound with a separator interposed therebetween. With groups. This electrode group is housed together with a non-aqueous electrolyte in an exterior member such as a plastic laminate film with an aluminum foil interposed therebetween.
[0013]
An insulating film in which a powder having a heat resistance of 500 ° C. or higher is bound with a binder resin is fixed to both ends along the rolling direction of the positive and negative electrodes including at least the starting end of the electrode group. .
[0014]
Next, the positive electrode, negative electrode, separator, electrode group, and non-aqueous electrolyte will be described.
[0015]
1) Positive electrode
The positive electrode includes a current collector and a positive electrode layer that is supported on one or both sides of the current collector and includes an active material.
[0016]
The positive electrode layer includes a positive electrode active material, a binder, and a conductive agent.
[0017]
Examples of the positive electrode active material include various oxides such as manganese dioxide, lithium manganese composite oxide, lithium-containing nickel oxide, lithium-containing cobalt oxide, lithium-containing nickel cobalt oxide, lithium-containing iron oxide, and lithium. Examples thereof include vanadium oxide and chalcogen compounds such as titanium disulfide and molybdenum disulfide. Among them, lithium-containing cobalt oxide (for example, LiCoO 2 ), Lithium-containing nickel cobalt oxide (eg, LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 ), Lithium manganese composite oxide (for example, LiMn 2 O Four LiMnO 2 ) Is preferable because a high voltage can be obtained. As the positive electrode active material, one kind of oxide may be used alone, or two or more kinds of oxides may be mixed and used.
[0018]
Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
[0019]
The binder has a function of holding the active material on the current collector and connecting the active materials to each other. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethersulfone, ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), and styrene-butadiene rubber (SBR). be able to.
[0020]
The mixing ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 80 to 95% by weight of the positive electrode active material, 3 to 20% by weight of the conductive agent, and 2 to 7% by weight of the binder.
[0021]
As the current collector, a conductive substrate having a porous structure or a non-porous conductive substrate can be used. These conductive substrates can be formed from, for example, aluminum, stainless steel, or nickel.
[0022]
The positive electrode is produced, for example, by suspending a conductive agent and a binder in an appropriate solvent in a positive electrode active material, applying the suspension to a current collector, and drying to form a thin plate.
[0023]
2) Negative electrode
The negative electrode includes a current collector and a negative electrode layer carried on one side or both sides of the current collector.
[0024]
The negative electrode layer includes a negative electrode active material that absorbs and releases lithium ions and a binder.
[0025]
Examples of the negative electrode active material include graphite materials, carbonaceous materials such as graphite, coke, carbon fiber, spherical carbon, pyrolytic vapor phase carbonaceous material, and resin fired body; thermosetting resin, isotropic pitch, and mesophase. Graphite material obtained by subjecting pitch-based carbon, mesophase pitch-based carbon fiber, mesophase microspheres, etc. (especially mesophase pitch-based carbon fiber is preferable because of its high capacity and charge / discharge cycle characteristics) to 500-3000 ° C. Or a carbonaceous material; a chalcogen compound such as titanium disulfide, molybdenum disulfide, or niobium selenide; a light metal such as aluminum, an aluminum alloy, a magnesium alloy, lithium, or a lithium alloy; Among these, the (002) plane spacing d 002 It is preferable to use a graphite material having a graphite crystal having a thickness of 0.34 nm or less. A non-aqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode containing such a graphite material as a negative electrode active material can greatly improve battery capacity and large current discharge characteristics. The surface spacing d 002 Is more preferably 0.337 nm or less.
[0026]
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), and the like. Can be used.
[0027]
The blending ratio of the negative electrode active material and the binder is preferably in the range of 80 to 98% by weight of the carbonaceous material and 2 to 20% by weight of the binder.
[0028]
As the current collector, a conductive substrate having a porous structure or a non-porous conductive substrate can be used. These conductive substrates can be formed from, for example, copper, stainless steel, or nickel.
[0029]
The negative electrode is prepared by, for example, kneading a negative electrode active material and a binder in the presence of a solvent, applying the obtained suspension to a current collector, drying it, and then pressing it once at a desired pressure or 2 It is produced by multi-stage pressing ˜5 times.
[0030]
3) Separator
As this separator, a microporous film, a woven fabric, a non-woven fabric, a laminate of the same material or different materials among these can be used. In particular, the microporous membrane causes a so-called shutdown phenomenon in which the resin constituting the separator plastically deforms and closes the fine pores when the temperature of the electrode group rises abnormally due to heat generated by overcharging, etc., and the flow of lithium ions Is prevented, and further overheating is prevented, and the overcharge state can be safely terminated, which is preferable. Examples of the material for forming the separator include polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, and ethylene-butene copolymer. As a material for forming the separator, one type or two or more types selected from the types described above can be used.
[0031]
The separator has an air permeability of 200 to 600 seconds / 100 cm. Three It is preferable that Air permeability is 100cm Three Means the time (seconds) required for the air to pass through the separator, and can be measured by the method specified in JIS (Japanese Industrial Standards) P8117. The air permeability is 200 seconds / 100 cm. Three If it is less than this, since the pores of the separator are large and rough, the shutdown phenomenon does not occur promptly and it becomes difficult to prevent high-temperature heat generation. On the other hand, the air permeability is 600 seconds / 100 cm. Three Exceeding the limit, the separator hole is so small that the non-aqueous electrolyte does not completely impregnate the separator hole, and the shutdown phenomenon occurs only partially, thus completely blocking the flow of lithium ions. I can't. Air permeability is 600 seconds / 100cm Three If it exceeds 1, the ion movement resistance during normal charge / discharge increases, and therefore the internal resistance of the battery increases, which is not preferable. The air permeability value is 250 to 500 seconds / 100 cm. Three More preferably, the value is more preferably 300 to 450 seconds / 100 cm. Three It is.
[0032]
The temperature at which the separator causes a shutdown phenomenon, so-called shutdown temperature, is preferably 100 to 160 ° C. This shutdown temperature is measured by measuring the air permeability after heating the separator to a constant temperature, and the value of the air permeability is 100,000 seconds / 100 cm. Three It can be measured as the above temperature. When the shutdown temperature exceeds 160 ° C., the separator does not shut down quickly in an overcharged state, and it becomes difficult to prevent high temperature heat generation. On the other hand, when the shutdown temperature is lower than 100 ° C., the air permeability of the separator increases when the nonaqueous electrolyte secondary battery is used in a high temperature state such as in a car under the hot sun, for example. There is a possibility that problems such as deterioration of the large current discharge characteristics of the battery may occur. A more preferable shutdown temperature of the separator is 110 to 150 ° C.
[0033]
It is desirable that the separator has a temperature at which it melts and causes film breakage (melting temperature) of 160 ° C. or higher, or a temperature that is 15 ° C. higher than the shutdown temperature. When the melting temperature is less than 160 ° C. or the difference from the shutdown temperature is less than 15 ° C., even if the shutdown phenomenon once occurs due to the rise in battery temperature, the separator melts and breaks the film after that, so that the positive electrode and the negative electrode There is a greater risk of a so-called short-circuit condition. When the short circuit is reached, the electrical resistance of the shorted part is extremely small, so a large current continues to flow in the shorted part, and the temperature of the shorted part rises locally by generating Joule heat, and the surrounding separator There is a possibility of melting or heat generation to a high temperature.
[0034]
The separator preferably has a porosity in the range of 30 to 60%. A more preferable range of the porosity is 35 to 50%.
[0035]
The thickness of the separator is desirably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less. Further, the lower limit value of the thickness of the separator is desirably 5 μm, more preferably 8 μm.
[0036]
The width of the separator is preferably wider than the width of the positive electrode and the negative electrode. By adopting such a configuration, it is possible to prevent the positive electrode and the negative electrode from coming into direct contact without a separator.
[0037]
4) Electrode group
This electrode group has a structure in which the positive electrode and the negative electrode are spirally wound with a separator interposed therebetween. For example, (i) the positive electrode and the negative electrode are wound in a flat shape or a spiral shape with a separator interposed therebetween, or (ii) the positive electrode and the negative electrode are wound in a spiral shape with a separator interposed therebetween. After turning, it is compressed in the radial direction or produced by any method.
[0038]
The electrode group need not be pressed, but is preferably pressed in order to increase the strength by integrating the positive electrode, the negative electrode and the separator. It is also possible to heat at the time of pressing.
[0039]
The electrode group is allowed to contain an adhesive polymer in order to integrate the positive electrode, the negative electrode, and the separator to increase the strength. The adhesive polymer is desirably one that can maintain high adhesiveness while holding the non-aqueous electrolyte. More preferably, the adhesive polymer has high lithium ion conductivity. Specifically, examples of the adhesive polymer include polyacrylonitrile (PAN), polyacrylate (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl chloride (PVC), and polyethylene oxide (PEO).
[0040]
5) Non-aqueous electrolyte
This non-aqueous electrolyte has a composition in which an electrolyte such as a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent. These nonaqueous solvents and electrolytes will be described.
[0041]
(A) γ-butyrolactone (GBL)
Since GBL has low reactivity with the positive electrode in the charged state, that is, in the state where the potential of the positive electrode is high, the decomposition reaction and exothermic reaction of the nonaqueous solvent in the overcharged state can be suppressed. The ratio of GBL in the non-aqueous solvent is preferably 40% by weight or more. When the ratio of GBL is less than 40% by weight, the ratio of a non-aqueous solvent such as ethylene carbonate (EC) having a higher reactivity with the positive electrode than GBL is relatively high, and the non-aqueous solvent in an overcharged state. The decomposition reaction and the exothermic reaction easily occur, the temperature of the battery rises, and the risk of falling into a so-called thermal runaway state in which the decomposition reaction of the nonaqueous solvent is promoted is increased.
[0042]
The ratio of GBL is more preferably 50% by weight or more, and further preferably 55% by weight or more.
[0043]
(B) Cyclic carbonate
The cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) can be used in the negative electrode active material without impairing the advantages of GBL, that is, the low freezing point, the high lithium ion conductivity, and the safety. This is preferable because the reaction between lithium ions occluded in GBL and GBL can be suppressed. In particular, EC is more preferable because it has a large effect of suppressing the reaction between lithium ions and GBL.
[0044]
When GBL is used as the solvent, the ratio of EC in the non-aqueous solvent is preferably in the range of 20 to 50% by weight. If the EC ratio is less than 20% by weight, the reaction between lithium ions and GBL, particularly in a high temperature environment, may not be suppressed. On the other hand, since EC has a higher reactivity with the positive electrode in the charged state than GBL, when the EC ratio exceeds 50% by weight, the decomposition reaction and exothermic reaction of the nonaqueous solvent in the overcharged state are likely to occur. Further, since EC has a high freezing point, if the EC ratio exceeds 50% by weight, the low-temperature discharge characteristics may be remarkably deteriorated. Furthermore, if the EC ratio exceeds 50% by weight, the viscosity of the non-aqueous electrolyte solution becomes high and the ionic conductivity is lowered, which may reduce the high current discharge characteristics. A more preferable EC ratio is 25 to 50% by weight, still more preferably 25 to 45% by weight.
[0045]
The non-aqueous solvent is allowed to contain a surfactant such as trioctyl phosphate (TOP) in order to improve the wettability with the separator. The addition amount of the surfactant is desirably 3% or less, more preferably 0.1 to 1%.
[0046]
Examples of the non-aqueous solvent include vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, phenyl ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, γ-valerolactone, methyl propionate, ethyl propionate, 2-methylfuran, furan, and thiophene. , Catechol carbonate, ethylene sulfite, 12-crown-4, tetraethylene glycol dimethyl ether and the like are allowed to be contained as accessory components. Among these, the secondary component containing vinylene carbonate (VC) produces a dense protective film on the negative electrode surface. Therefore, when GBL is used as a solvent, the reaction between lithium ions occluded in the negative electrode active material and GBL occurs. It becomes possible to suppress. The ratio of VC in the non-aqueous solvent is desirably 10% by weight or less. If the VC ratio exceeds 10% by weight, the lithium ion permeability of the protective film formed on the negative electrode surface may be reduced, and the low-temperature discharge characteristics may be significantly impaired. A more preferable VC ratio is 0.01 to 5% by weight, still more preferably 0.1 to 3% by weight.
[0047]
(C) Chain carbonate
Chain carbonates such as methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), and dimethyl carbonate (DMC) can be used as the non-aqueous solvent. In particular, by using it in combination with EC, which is one of the cyclic carbonates described above, it is possible to improve discharge characteristics at low temperatures and charge / discharge cycle characteristics.
[0048]
The chain carbonate preferably contains the MEC, and can be used in the form of, for example, MEC alone or a mixture of MEC and another chain carbonate.
[0049]
The other chain carbonate mixed with the MEC preferably has a low freezing point and a low viscosity. The other chain carbonates preferably have a relatively low molecular weight, and can improve discharge characteristics at low temperatures. As such other chain carbonate, at least one of DEC and DMC is preferable. In particular, a combination of MEC and other chain carbonates including DEC from the viewpoint of developing excellent charge / discharge cycle characteristics, and a combination of MEC and other chain carbonates including DMC from the viewpoint of exhibiting excellent low-temperature discharge characteristics. Is preferred.
[0050]
(D) Electrolyte
Examples of the electrolyte include lithium perchlorate (LiClO). Four ), Lithium hexafluorophosphate (LiPF) 6 ), Lithium tetrafluoroborate (LiBF) Four ), Lithium hexafluoroarsenide (LiAsF) 6 ), Lithium trifluorometasulfonate (LiCF) Three SO Three ), Bistrifluoromethylsulfonylimide lithium (LiN (CF Three SO 2 ) 2 ), Bispentafluoroethylsulfonylimide lithium (LiN (C 2 F Five SO 2 ) 2 ) And the like. These electrolytes can be used in one kind or a mixture of two or more kinds.
[0051]
Among the electrolytes, LiBF Four Is preferable because the reactivity with the positive electrode when the temperature of the secondary battery rises is low, and the amount of heat generated in the overcharged state becomes small. Also, (LiN (CF Three SO 2 ) 2 And LiN (C 2 F Five SO 2 ) 2 A lithium salt comprising at least one of LiBF and LiBF Four A mixed salt containing a lithium salt consisting of or LiBF Four And LiPF 6 When the mixed salt containing is used, the cycle life at a high temperature can be further improved.
[0052]
LiBF relative to the total weight of the electrolyte Four The weight ratio is preferably 50% by weight or more. This is LiBF Four When the weight ratio of Li is less than 50% by weight, LiBF Four More reactive electrolytes (eg LiPF 6 ) Ratio increases, an exothermic reaction is likely to occur in an overcharged state, and there is a possibility of a thermal runaway state from a high temperature state. Preferred LiBF Four The ratio is 70% by weight or more, more preferably 80% by weight or more.
[0053]
The amount of the electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 2.5 mol / L. A more preferable dissolution amount is 1 to 2.5 mol / L.
[0054]
The amount of the non-aqueous electrolyte is preferably 0.2 to 0.6 g per 100 mAh of battery unit capacity. A more preferable amount of the non-aqueous electrolyte is 0.25 to 0.55 g / 100 mAh.
[0055]
6) Insulating coating
This insulating coating has a structure in which a powder having a heat resistance of 500 ° C. or higher is bound with a binder resin, and at least both ends along the rolling direction of the positive and negative electrodes including the rolling start end of the electrode group. Fixed.
[0056]
Here, “both ends along the winding direction of the positive and negative electrodes including the starting start portion of the electrode group” are formed on both sides of the exposed current collector located at the starting start portion of the positive and negative electrodes and the current collector. It means a region extending over the active material layer portion.
[0057]
In particular, by fixing the insulating coating to both ends along the winding direction of the positive and negative electrodes wound once from the starting end portion of the electrode group, the separator constituting the electrode group is contracted by heat, When the width of the separator is smaller than the width of the positive electrode and the negative electrode, it is possible to prevent the occurrence of high-temperature heat generation more effectively while suppressing the reduction of the battery reaction field between the positive and negative electrodes. . Of course, you may fix the said insulating film to the full length of the both ends along the winding direction of the said positive / negative electrode located in the winding end edge part from the winding start edge part of the said electrode group.
[0058]
When the width of the separator is larger than the width of the positive and negative electrodes, the insulating coating has a width corresponding to at least a contraction in the width direction of the separator due to heat generation of the secondary battery in the rolling direction of the positive and negative electrodes. It is preferable to fix to the both ends along. In particular, burrs associated with slitting to a predetermined dimension occur at both end portions along the positive and negative electrode rolling directions, and this is one of the causes of internal short circuit. From the viewpoint of covering the burrs at both ends along the line, it is desirable to fix the burrs at a width of 0.5% or more, more preferably 1.0% or more with respect to the entire width of the positive and negative electrodes. On the other hand, if the width of the insulating coating is too wide, the ratio of the positive and negative active material layers covered with the insulating coating increases, which may reduce the battery reaction efficiency. For this reason, it is desirable that the upper limit of the width of the insulating coating is 30% or less, preferably 15% or less, and most preferably 10% or less with respect to the entire width of the positive and negative electrodes.
[0059]
Examples of the powder include at least one inorganic powder selected from alumina, silica, zeolite, and titanium oxide.
[0060]
The powder preferably has an average particle size of 30 μm or less, more preferably 0.005 to 5 μm. When the average particle size of the powder exceeds 30 μm, it is difficult to form an insulating coating in the coating process, and it is difficult to form a relatively thin insulating coating suitable for manufacturing an electrode group. There is a fear.
[0061]
When a spherical powder is used as the powder, it becomes possible to improve the fluidity of the coating slurry and prevent the coating apparatus from being worn. As this spherical powder, alumina, silica and the like are commercially available.
[0062]
Examples of the binder resin that can be used include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), and styrene-butadiene rubber (SBR).
[0063]
The mixing ratio of the powder and the binder resin constituting the insulating coating is preferably 5 to 35 with respect to the powder 100 by weight. When the mixing ratio of the binder resin is less than 5, applicability when the insulating coating is formed by a coating means is decreased, the strength of the insulating coating is decreased, or the exposed surface of the current collector is exposed. There is a possibility that the fixing property of the insulating coating will deteriorate. On the other hand, when the mixing ratio of the binder resin exceeds 35, the amount of the binder resin in the insulating film becomes too large, and it is possible to prevent melting and damage of the insulating film due to Joule heat generation due to short-circuiting in the positive and negative electrodes. It can be difficult.
[0064]
The insulating film preferably has a thickness of 10 to 60 μm. If the thickness of the insulating coating is less than 10 μm, it may be difficult to prevent melting and damage of the insulating coating due to Joule heat generation due to a short circuit in the positive / negative polarity. On the other hand, when the thickness of the insulating coating exceeds 60 μm, it becomes thicker than the active material layers of the positive electrode and the negative electrode, which hinders the winding operation for producing the electrode group, or the electrode group of these active material layers. There is a risk that the proportion of
[0065]
The insulating film is formed by the following method, for example.
[0066]
The powder and the binder resin are added to an appropriate solvent, for example, N-methylpyrrolidone, and stirred to dissolve the binder resin, and the powder is dispersed in a binder resin solution to prepare a coating slurry. Subsequently, the coating slurry is sprayed on both ends along the winding direction of the positive and negative electrodes including at least the starting end portion of the electrode group, or is applied with a brush and then dried to form and fix an insulating film.
[0067]
Next, a lithium ion secondary battery according to the present invention, for example, a thin lithium ion secondary battery using a laminate film as an exterior member will be described with reference to FIGS.
[0068]
As shown in FIGS. 2 to 4, the electrode group 1 includes, for example, a positive electrode 4, a
[0069]
As shown in FIG. 1, the electrode group 1 has, for example, a folded portion in a
[0070]
The sealant film is preferably an unstretched film that does not dissolve or swell in the non-aqueous electrolyte. For example, polyolefin polymer such as unstretched polypropylene (PP), ethylene / vinyl acetate (EVA) copolymer, ionomer (IO), polyamide (PA), nylon (Ny), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene Terephthalate (PBT), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride (PVDC), polyvinyl alcohol (PVA), ethylene vinyl alcohol (EVOH), polycarbonate (PC), polystyrene (PS), polyacrylonitrile (PAN), ethylene Acrylic acid copolymer (EAA), ethylene / methacrylic acid copolymer (EMAA), ethylene / methyl acrylate copolymer (EMA), ethylene / methyl methacrylate copolymer (EMMA), ethylene / ethyl acrylate Preparative copolymer (EEA), it may be used polymethylpentene (PMP) and the like. In particular, a resin film obtained by graft polymerization of an acid anhydride such as maleic anhydride with these resins as a base polymer is suitable not only when an adhesive insulating film is not used, but also for increasing the adhesion to a metal. It is beneficial.
[0071]
The rigid plastic plastic film has a function of protecting the aluminum or aluminum alloy sheet and maintaining the mechanical structural characteristics of the battery. As the resin having this rigidity, for example, a polyolefin polymer such as biaxially stretched polyethylene (PE) or polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), nylon or the like can be used.
[0072]
As the adhesive insulating film, it is preferable to use a film that has characteristics and moldability equivalent to those of a sealant film and has excellent adhesion to a metal that is a positive and negative external terminal. Specifically, a polymer obtained by graft polymerization of an acid anhydride such as maleic anhydride to the base polymer made of the resin used for the sealant film described above can be used. The adhesive insulating film may be the same system as or different from the sealant film. In particular, if the adhesive insulating film and the sealant film are made of the same composition, a highly reliable sealing structure in which the positive and negative electrode side external terminal portions are homogeneous is obtained. However, the adhesive insulating film is not essential for the structure of the battery and may not be used as necessary.
[0073]
The lithium ion secondary battery according to the present invention is not limited to the thin lithium ion secondary battery described above, but can be similarly applied to a square lithium ion secondary battery and a cylindrical lithium ion secondary battery.
[0074]
As described above, according to the present invention, a powder having a heat resistance of 500 ° C. or higher is bound with a binder resin at both ends along the rolling direction of the positive and negative electrodes including at least the rolling start end of the electrode group. By fixing the insulating film, even if the secondary battery generates heat due to overcharging, etc., and the separator contracts due to the heat (especially in the width direction), the positive electrode and the negative electrode are directly opposed to each other. A short circuit can be prevented and high temperature heat generation and thermal runaway can be prevented.
[0075]
That is, the lithium secondary battery generates heat by an electrochemical reaction when an excessive current flows due to, for example, overcharging. As the heat is generated, the temperature of the electrode group rises, but the temperature at the end of the electrode group starts excessively as compared with the end of the electrode group. For this reason, especially the separator located in the vicinity of the starting end of the electrode group contracts in the length direction and the width direction due to a great heat effect. Separation of the separator (particularly in the width direction) is a state in which both end portions along the length direction of the positive and negative electrodes including the starting end portion of the electrode group (the winding direction of the electrode group) are directly opposed without a separator interposed therebetween. And the insulation between the both ends of the positive electrode and the negative electrode cannot be maintained, so that an internal short circuit may occur, leading to thermal runaway.
[0076]
Under such circumstances, the secondary battery of the present invention has a binder having a heat resistant powder of 500 ° C. or more at both ends along the rolling direction of the electrode group of the positive and negative electrodes including at least the starting start portion of the electrode group. Since it has a structure in which an insulating film bound with resin is fixed, the width direction of the separator In Even if it shrinks, the insulating film can ensure the insulation at both ends of the positive and negative electrodes. Ru Therefore, an internal short circuit between the positive and negative electrodes can be prevented. Therefore, it is possible to prevent thermal runaway due to an internal short circuit and to realize a highly reliable lithium ion secondary battery.
[0077]
In particular, if a powder having an average particle size of 30 μm or less is used as the powder constituting the insulating coating, the insulating coating in which the powder is more uniformly dispersed includes at least the starting start portion of the electrode group. Since it can fix to the both ends along the rolling direction of a positive / negative electrode, application | coating processability is favorable and can melt | dissolve the said insulating film by the heat_generation | fever mentioned above with the said powder effectively.
[0078]
In addition, if the mixing ratio of the powder constituting the insulating coating and the binder resin is set so that the binder resin is 5 to 35 with respect to the powder 100 in a weight ratio, the powder becomes high. Since the insulating coating dispersed in density can be firmly fixed to both ends along the rolling direction of the positive and negative electrodes including at least the starting start portion of the electrode group, the melting of the insulating coating due to the heat generation described above The powder can prevent it more effectively.
[0079]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0080]
(Example 1)
<Preparation of positive electrode>
First, lithium cobalt oxide (Li x CoO 2 Wherein X is 0 <X ≦ 1) and 90% by weight of powder, 5% by weight of acetylene black and 5% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) in dimethylformamide (DMF) are added and mixed; A slurry was prepared. The slurry was applied to both sides of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 15 μm, then dried and pressed to produce a positive electrode having a structure in which the positive electrode layer was supported on both sides of the current collector. The positive electrode layer had a thickness of 60 μm per side and a width of 55 mm.
[0081]
<Production of negative electrode>
Mesophase pitch carbon fiber heat treated at 3000 ° C. as a carbonaceous material ((002) plane spacing (d determined by powder X-ray diffraction) (d 002 ) 0.336 nm) was mixed with 95% by weight of a powder and 5% by weight of a polyvinylidene fluoride (PVdF) dimethylformamide (DMF) solution to prepare a slurry. The slurry was applied to both sides of a current collector made of a copper foil having a thickness of 12 μm, dried, and pressed to prepare a negative electrode having a structure in which the negative electrode layer was supported on the current collector. The negative electrode layer had a thickness of 55 μm per side and a width of 58 mm.
[0082]
Note that the spacing d of the (002) plane of the carbonaceous material 002 Was determined from the powder X-ray diffraction spectrum by the half-width half-point method. At this time, scattering correction such as Lorentz scattering was not performed.
[0083]
<Formation of insulating coating>
About the negative electrode and the positive electrode, when it is an electrode group as shown in FIG. 5 described above, 20 parts by weight of PVdF on both sides of the positive electrode and the negative electrode in the entire length from the starting end to the end of the negative electrode. A coating solution containing 80 parts by weight of alumina was applied to a thickness corresponding to 5% of the total width of each of the positive electrode and the negative electrode so as to have a thickness of about 20 μm by a spray method. By sufficiently drying after application, it was confirmed that the insulating coating was firmly adhered to the entire length of both ends of the positive and negative electrodes.
[0084]
<Production of electrode group>
After the positive electrode lead made of a strip-shaped aluminum foil (thickness 100 μm) is ultrasonically welded to the positive electrode current collector, and the negative electrode lead made of a strip-shaped nickel foil (thickness 100 μm) is ultrasonically welded to the negative electrode current collector The positive electrode and the negative electrode were spirally wound through the separator between them to prepare an electrode group. The electrode group was formed into a flat shape by applying pressure with a press while heating. By changing the heating temperature and pressure during molding, the air permeability of the separator after molding can be adjusted. In Example 1, the temperature of the separator was molded at a temperature of 80 ° C. and a pressure of 1.4 MPa, and the air permeability of the molded separator was measured by a method defined in JIS (Japanese Industrial Standard) P8117. Three Met.
[0085]
<Preparation of non-aqueous electrolyte>
A nonaqueous solvent was prepared by mixing ethylene carbonate (EC) and γ-butyrolactone (GBL) so that the weight ratio (EC: GBL) was 40:60. Lithium tetrafluoroborate (LiBF) was added to the obtained non-aqueous solvent. Four ) Was dissolved so that the concentration became 1.5 mol / L to prepare a non-aqueous electrolyte.
[0086]
Next, a laminate film having a thickness of 100 μm in which both surfaces of an aluminum sheet are covered with a polyethylene film is formed into a rectangular cup shape by a press machine to produce an exterior film material, and the electrode group is placed in the cup of the exterior film material. The positive and negative external leads were housed so as to protrude outside the exterior film material. Then, the moisture contained in the electrode group and the exterior film was removed by vacuum drying the exterior film material containing the electrode group in the cup at 80 ° C. for 12 hours.
[0087]
Next, an acid-modified LLDPE film having a thickness of 70 μm as an insulating adhesive film (trade name, manufactured by Nippon Polyolefin Co., Ltd .; Adtex ER615F) is interposed between the upper and lower surfaces of the outer film material and the positive and negative external leads. The outer film material cup was bent 180 ° at the molding end on the short side. The press head heated in this state was heated and pressurized to adhere the positive and negative external leads, the acid-modified LLDPE film, and the polyethylene film to form a seal portion on the side where the external leads are extended. One long side portion of the exterior film material having no positive and negative external leads was also heated and pressurized by a heated press head, and the polyethylene films were bonded to form a seal portion. These heat sealing orders may be performed simultaneously or first.
[0088]
After injecting the non-aqueous electrolyte of the above composition through the open long side portion of the exterior film material, the unsealed portion is heated and pressurized with a heated press head and sealed as described above with reference to FIG. 2, a thin lithium ion secondary battery having a thickness of 3.6 mm, a width of 35 mm, a height of 62 mm, and a nominal capacity of 0.65 Ah was assembled.
[0089]
(Examples 2 to 16)
The insulating film having the composition and configuration shown in Table 1 below is 5% of the total width of the positive and negative electrodes on both sides of the total length of both ends of the positive electrode and the negative electrode extending from the starting end portion to the ending end portion of the electrode group. 15 thin lithium ion secondary batteries having the structure shown in FIGS. 1 and 2 were assembled in the same manner as in Example 1 except that they were formed and fixed in a corresponding width.
[0090]
(Comparative Example 1)
1 and FIG. 2 described above in the same manner as in Example 1 except that the insulating coating is not formed on both sides of the entire length of both ends of the positive electrode and the negative electrode extending from the start end to the end end of the electrode group. A thin lithium ion secondary battery having the structure shown in FIG.
[0091]
(Comparative Example 2)
The insulating film having the composition and configuration shown in Table 1 below is 5% of the total width of the positive and negative electrodes on both sides of the total length of both ends of the positive electrode and the negative electrode extending from the starting end portion to the ending end portion of the electrode group. A thin lithium ion secondary battery having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was assembled in the same manner as in Example 1 except that it was formed and fixed in a corresponding width.
[0092]
The following initial charge / discharge steps were performed on the obtained lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 and 2. First, constant current / constant voltage charging was performed for 15 hours at room temperature to 4.2 V at 0.2C. Then, it discharged to 3.0V at 0.2C at room temperature, and the nonaqueous electrolyte secondary battery was manufactured. Here, 1C is a current value necessary for discharging the nominal capacity (Ah) in one hour. Therefore, 0.2 C is a current value necessary for discharging the nominal capacity (Ah) in 5 hours.
[0093]
Lithium ion secondary that caused thermal runaway during an overcharge test that continued charging at a current value of 3 C for each of the secondary batteries of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 and 2 after the initial charge The number of batteries was examined. The results are also shown in Table 1 below.
[0094]
[Table 1]
[0095]
As apparent from Table 1, the secondary batteries of Examples 1 to 16 using a structure in which a powder having a heat resistance of 500 ° C. or higher was bound with a binder resin as the insulating coating were overcharge tests. It can be seen that even if the separator contracts due to heat generation at, internal short-circuits at both ends along the rolling direction of the positive and negative electrodes are prevented and thermal runaway does not occur.
[0096]
On the other hand, not only the secondary battery of Comparative Example 1 in which an insulating film is not formed, but also when the insulating film is fixed to both ends along the winding direction of the positive and negative electrodes, the insulating film is polyvinylidene fluoride (PVdF). It can be seen that in the secondary battery of Comparative Example 2 made of an insulating resin that is insoluble only in the electrolyte, thermal runaway occurs when the separator contracts due to overcharging.
[0097]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, even when the separator constituting the electrode group is contracted by heat and the width of the separator is smaller than the width of the positive electrode and the negative electrode, it is possible to prevent high temperature heat generation. A lithium ion secondary battery with high reliability and safety that can be provided can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cutaway perspective view showing a thin lithium ion secondary battery according to the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
3 is a perspective view showing an electrode group incorporated in the lithium ion secondary battery of FIG. 1. FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
FIG. 5 is a perspective view showing a starting start side of a positive electrode, a separator, and a negative electrode before winding as an electrode group incorporated in the lithium ion secondary battery of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
1 ... Electrode group,
4 ... positive electrode,
5 ... separator,
8 ... negative electrode,
9: Positive external lead,
10: negative electrode side external lead,
11, 12 ... Insulating coating,
13 ... exterior film,
14 ... Cup,
19a, 19b, 19c ... seal part.
Claims (5)
500℃以上の耐熱性を有する粉体がバインダ樹脂で結着され、前記粉体100に対し前記バインダ樹脂が重量割合で5〜35配合される絶縁性被膜は、前記電極群の捲き始め端部を少なくとも含む前記正負極の捲き方向に沿う両端部に固定することを特徴とするリチウムイオン二次電池。A positive electrode in which an active material layer is formed on a current collector and an electrode group in which a negative electrode in which an active material layer is formed on a current collector are wound with a separator interposed therebetween,
An insulating film in which a powder having a heat resistance of 500 ° C. or higher is bound with a binder resin, and the binder resin is blended in an amount of 5 to 35 by weight with respect to the powder 100, It fixes to the both ends along the rolling direction of the said positive / negative electrode containing at least lithium ion secondary battery characterized by the above-mentioned.
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