JP4297472B2 - Secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、カメラ一体型VTR装置、オーディオ機器、携帯型コンピュータ、携帯電話等様々な機器の小型化、軽量化が進んでおり、これら機器の電源としての電池に対する高性能化の要請が高まっている。中でも高電圧、高エネルギー密度の実現が可能なリチウム二次電池の開発が盛んになっている。
【0003】
リチウム二次電池は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極と負極、及び非水電解質を含有する電解質層とからなり、従来、非水電解質として非水系有機物からなる液体が用いられていた。ところが、このような非水系電解液を用いたリチウム二次電池は、リチウムデンドライトの析出による内部短絡からくる発熱、発火など、漏液や発火の危険を有していた。そこで近年では安全性を向上させるために、非水電解液、例えばゲル状ポリマ−に含有させ非流動化させたポリマ−電解質の開発が行われてきた。
【0004】
更に、上記のようなゲル高分子中に電解液を含有した電解質等を含めたポリマ−電解質は、電解液の保持性能が高いため、従来のリチウム二次電池で用いられた金属缶に変わり、簡便なケースに封入して用いることが出来る。この様なポリマーは、液系に比して軽量で形状柔軟性を有するので、例えばシ−ト状の様な薄膜化が可能であり、軽量、省スペースな電池が作成可能となる有利な点がある。
【0005】
しかしながら、これらの二次電池は防湿の処理、例えば金属製の外装材に密封したり、ガスバリア層の両面に樹脂層を設けてなる外装材で密封したりする必要があった。外装材を設けることによりその分厚みを増すことになり小スペースというメリットは低減してしまうし、そもそも外装材を設ける工程が余分に必要であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
外装材を設ける工程を必要とせず、厚み、コストで有利な二次電池が求められていた。
【0007】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者らは上記課題を解決すべくその原因を検討した結果、集電体自身に外装材としての機能を持たせることにより外装材を別途設ける工程を省略できることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち本発明の要旨は、下記(1)〜(9)に存する。
【0008】
(1)リチウム化合物を正極活物質とする正極と、リチウムをドープ・脱ドープし得る化合物を負極活物質とする負極と、正極と負極を絶縁する、正極と負極よりも広いスペーサーと、非水電解質とを具備してなる二次電池において、非水電解質が非流動性電解質であり、正極または負極のどちらか一方(以下「極A」という)が集電体の両面に極材層を有しており、ここで「両面に極材層を有している」とは、集電体の片面に極材を有するものを集電体を背中合わせにして積層したものであるか、または、集電体の片面に極材を有するものを集電体を内側にして折り曲げたものであるかいずれかであり、他方(以下「極B」という)が集電体の片面に極材層を有し、極Bは左右対称となる中心線で極材層を内側にして折り曲げられており、その際に、スペーサー及び極Aは、極Bの折り曲げた間に入りきる大きさであり、極Bの集電体の外周部が、極A及びスペーサーを介在した状態でシールされていることを特徴とする二次電池。
【0009】
(2)非流動性電解質がモノマー含有電解質塗料を調製してから正極、負極、スペーサー上に塗布した後、架橋反応させる方法によって形成されるものである上記(1)に記載の二次電池。
(3)スペーサーが高分子多孔質フィルムである上記(1)又は(2)に記載の二次電池。
【0010】
(4)極Aが、極Bの外部と電気的に接続するためのタブ又はリードを有し、該タブ又はリードは極Bのシール部分を貫通して極B外部に出ている(1)〜(3)のいずれかに記載の二次電池。
(5)極Aが袋状のスペーサーの中に入っている上記(1)〜(4)のいずれかに記載の二次電池。
(6)極Aが正極であり、極Bが負極である上記(1)〜(5)のいずれかに記載の二次電池。
【0011】
(7)リチウム化合物が、リチウムコバルト複合酸化物である(1)〜(6)のいずれかに記載の二次電池。
(8)リチウムをドープ・脱ドープし得る化合物が、炭素質材料である請求項1〜7のいずれかに記載の二次電池。
(9)(1)〜(8)のいずれかに記載の二次電池の複数個を積層した電池パック。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明におけるリチウム化合物としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な化合物が用いられ、例えば、Fe、Co、Ni、Mn等の遷移金属の酸化物、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属硫化物等の無機化合物が挙げられる。具体的には、MnO、V2O5、V6O13、TiO2 等の遷移金属酸化物粉末、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウムなどのリチウム等のリチウムと遷移金属との複合酸化物粉末、TiS2、FeS等の遷移金属硫化物粉末が挙げられる。上記のリチウム化合物の複数種を混合して用いても良い。本発明における好ましいリチウム化合物としてはリチウムと遷移金属との複合酸化物が挙げられ、具体的には、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム等が挙げられる。より好ましくはコバルト酸リチウムである。リチウム化合物が粒状の場合の粒径は、レ−ト特性、サイクル特性等の電池特性が優れる点で通常1〜30μm、好ましくは1〜10μm程度である。
【0013】
本発明においては、上記リチウム化合物は正極活物質として用いられている。なお、本発明において活物質とは該電池の起電反応のもとになる主要物質であり、Liイオンを吸蔵・放出できる物質を意味する。
本発明におけるリチウムをドープ・脱ドープし得る化合物としては、Li金属箔の他にグラファイトやコ−クス等を挙げることができ、好ましくはグラファイトである。粒状の負極活物質の粒径は、初期効率、レ−ト特性、サイクル特性等の電池特性が優れる点で、通常1〜50μm、好ましくは5〜30μm程度である。
【0014】
本発明の二次電池の正極及び負極の形成法は特に制約されず、任意の手法を用いることができる。例えば、活物質、モノマーを含有した電解質塗料を混合、混練し、ペーストとした後、集電体上に塗布しモノマーを架橋することによって形成する手法が挙げられる。本発明においては、活物質とバインダーを該バインダーを溶解しうる溶剤を用いて分散塗料化し、その塗料を集電体上に塗布、乾燥することによって活物質をバインダーによって集電体上に結着することにより電極を形成するのが好ましい。分散塗料化には通常用いられる分散機が使用でき、ボールミル、サンドミル、二軸混練機などが使用できる。
【0015】
なお、塗布に関しては集電体の両面でも片面でもよいが、本発明においては集電体の片面に塗布されたものが好ましい。
集電体上に塗料を塗布する塗布装置に関しては特に限定されず、スライドコーティングやエクストルージョン型のダイコーティング、リバースロール、グラビア、ナイフコーター、キスコーター、マイクログラビア、ナイフコーター、ロッドコーター、ブレードコーターなどが挙げられるが、塗料粘度および塗布膜厚等を考慮するとエクストルージョン方式が最も好ましい。
【0016】
本発明においては、上記活物質を集電体上に結着させるためにバインダーを使用することができる。バインダーとしては、電解液等に対して安定である必要があり、耐候性、耐薬品性、耐熱性、難燃性等の観点から各種の材料が使用される。具体的には、シリケート、ガラスのような無機化合物や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−1,1−ジメチルエチレンなどのアルカン系ポリマー;ポリブタジエン、ポリイソプレンなどの不飽和系ポリマー;ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルピリジン、ポリ−N−ビニルピロリドンなどの環を有するポリマー;ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミドなどのアクリル誘導体系ポリマー;ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂;ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニドなどのCN基含有ポリマー;ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコールなどのポリビニルアルコール系ポリマー;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのハロゲン含有ポリマー;ポリアニリンなどの導電性ポリマーなどが使用できる。また上記のポリマーなどの混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体などであっても使用できる。これらの樹脂の重量分子量は、通常10000〜3000000、好ましくは100000〜1000000程度である。低すぎると塗膜の強度が低下する傾向にある。一方高すぎると粘度が高くなり電極の形成が困難になることがある。好ましいバインダー樹脂としては、フッ素系樹脂、CN基含有ポリマーが挙げられ、より好ましくはポリフッ化ビニリデンである。
【0017】
活物質100重量部に対するバインダーの使用量は通常0.1重量部以上、好ましくは1重量部以上であり、また通常30重量部以下、好ましくは20重量部以下である。バインダーの量が少なすぎると電極の強度が低下する傾向にあり、バインダーの量が多すぎるとイオン伝導度が低下する傾向にある。
電極中には、電極の導電性や機械的強度を向上させるため、導電性材料、補強材など各種の機能を発現する添加剤、粉体、充填材などを含有させても良い。導電性材料としては、上記活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限は無いが、通常、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末や、各種の金属のファイバー、箔などが挙げられる。炭素粉末導電性材料のDBP吸油量は120cc/100g以上が好ましく、特に150cc/100g以上が電解液を保持するという理由から好ましい。添加剤としては、トリフルオロプロピレンカーボネート、1,6−ジオキサスピロ[4,4]ノナン−2,7−ジオン、12−クラウン−4−エーテル、ビニレンカーボネート、カテコールカーボネートなどが電池の安定性、寿命を高めるために使用することができる。補強材としては各種の無機、有機の球状、繊維状フィラーなどが使用できる。
【0018】
塗布に使用する溶剤としては、使用する活物質やバインダーに合わせて有機、無機各種のものが使用できるが、例えばN−メチルピロリドンや、ジメチルホルムアミドを挙げることができ、好ましくはN−メチルピロリドンである。塗料中の溶剤濃度は、少なくとも10重量%より大きくするが、通常20重量%以上、好ましくは30重量%より大、さらに好ましくは35重量%以上である。また、下限としては、通常90重量%以下、好ましくは80重量%以下である。溶剤濃度が低すぎると、塗布が困難になることがあり、高すぎると塗布膜厚を上げることが困難になると共に塗料の安定性が悪化することがある。
【0019】
正極活物質及び負極活物質の膜厚は容量的には厚い方が、レート上は薄い方が好ましい。膜厚は通常20μm以上、好ましくは、30μm以上、さらに好ましくは50μm以上、最も好ましくは80μm以上である。正極及び負極膜厚は、通常200μm以下、好ましくは150μm以下である。
なお、上記における正極材層、負極材層とは、それぞれ活物質を含む層を意味する。
【0020】
本発明における集電体としては、電気化学的に溶出等の問題が生じず、電池の集電体として機能しうる各種のものを使用でき、通常は金属や合金が用いられる。例えば、正極の集電体としては一般的にはアルミニウムを用いる。また負極の集電体としては、銅箔を用いる場合が多い。
これら集電体の表面を予め粗面化処理しておくことは、電極材料層との結着効果を向上させることができるので好ましい方法である。表面の粗面化方法としては、ブラスト処理や粗面ロールにより圧延するなどの方法、研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線などを備えたワイヤ−ブラシなどで集電体表面を研磨する機械的研磨法、電解研磨法、化学研磨法などが挙げられる。
【0021】
導電性電極基材の厚さは、通常1μm以上、好ましくは5μm以上、より好ましくは1μm以上であり、通常100μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは30μm以下である。あまりに厚すぎると、電池全体の容量が低下しすぎることになり、逆に薄すぎると取り扱いが困難になることがある。
集電体上にアンダーコートプライマー層を形成することもできる。プライマー層の機能は、集電体に対する正極あるいは負極の接着性を向上させることであり、プライマー層を設けない場合に比べ、接着性向上による電池内部抵抗の低減、充放電サイクル試験過程における基材からの塗膜脱離による急速な容量低下を防ぐものである。アンダーコートプライマー層は、例えば、導電性材料とバインダーと溶剤を含むアンダーコートプライマー材料塗料を集電体上に塗布した後、これを乾燥することによって形成することができる。
【0022】
アンダーコートプライマー層に使用する導電性材料としては、カーボンブラック、グラファイト等の炭素材料、金属粉体、導電性の有機共役系樹脂等を挙げることができるが、好ましくは、電極の活物質としても機能しうるカーボンブラック、グラファイト等の物質である。
アンダーコートプライマー層に使用するバインダーや溶剤は、前記電極材料の塗料に使用するバインダーや溶剤と同様のものを使用することができる。また、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ジスルフィド系化合物、ポリスルフィド系化合物等の導電性樹脂は、前記導電性材料とバインダーとの両方の機能を兼ね備えることが可能なので、これを導電性材料とバインダーの両者を兼ねてアンダーコートプライマー層に用いることができる。無論、アンダーコートプライマー層に使用するバインダーや溶剤は、電極材料の塗料に使用するものと同一であってもよく、異なっていてもよい。
【0023】
導電性材料とバインダーとをそれぞれ用いた場合、導電性材料に対するバインダーの割合は、通常1重量%以上、好ましくは5重量%以上であり、また通常300重量%以下、好ましくは100重量%以下である。あまりに低すぎると、電池使用時、工程上での剥離などが生じやすい。あまりに高すぎると伝導度が低下して電池特性が低下することがある。
【0024】
アンダーコートプライマー層の厚さは、一般的に0.05〜200μm程度である。この範囲の中でも、通常0.05μm以上、好ましくは0.1μm以上であり、通常10μm以下、好ましくは1μm以下である。薄すぎると均一性が確保しにくくなり、あまりに厚すぎると電池の体積容量が低下しすぎることがある。
【0025】
本発明における電解質層は、電解液を高分子に含有させ非流動化させたゲル状ポリマ−電解質、または電解液を含有しない支持電解質と高分子からなる固体電解質等からなる。好ましくはゲル状ポリマー電解質である。
ゲル状ポリマ−電解質としては、最初からポリマーを電解液に溶解させた電解質塗料を用いる方法、またモノマー含有電解質塗料を調整してから架橋反応させて非流動化電解質とする方法など必要に応じた材料・製法を採用することができる。
【0026】
含有させる電解液は非水電解液が好適であり、これは非水溶媒にリチウム塩である支持電解質を溶解させたものを用いるのが一般的である。電解液としては、電解質として上記正極活物質及び負極活物質に対して安定であり、かつリチウムイオンが前記正極活物質あるいは負極活物質と電気化学反応をするための移動を行い得る非水物質であるものを使用することができる。
【0027】
支持電解質としてのリチウム塩としては、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiClO4、LiI、LiBr、LiCl、LiAlCl、LiHF2、LiSCN、LiSO3CF2 等を挙げることができる。これらのうちでは特にLiPF6及びLiClO4が好適である。これら支持電解質の電解液における含有量は、一般的に0.5〜2.5mol/Lである。
【0028】
電解液に用いられる溶媒の種類は特に限定されないが、比較的高誘電率の溶媒が好適に用いられる。具体的にはエチレンカ−ボネ−ト、プロピレンカ−ボネ−ト等の環状カ−ボネ−ト類、ジメチルカ−ボネ−ト、ジエチルカ−ボネ−ト、エチルメチルカ−ボネ−ト等の非環状カ−ボネ−ト類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のグライム類、γ−ブチルラクトン等のラクトン類、スルフォラン等の硫黄化合物、アセトニトリル等のニトリル類等1種又は2種以上の混合物を挙げることができる。これらのうちでは、特にエチレンカ−ボネ−ト、プロピレンカ−ボネ−ト等の環状カ−ボネ−ト類、ジメチルカ−ボネ−ト、ジエチルカ−ボネ−ト、エチルメチルカ−ボネ−ト等の非環状カ−ボネ−ト類から選ばれた1種又は2種以上の混合溶液が好適であり、特に好ましくはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートから選ばれる1種又は2種以上の混合溶液である。
【0029】
モノマー含有電解質塗料を調整してから架橋反応させて非流動化電解質とする方法においては、紫外線硬化や熱硬化などの重合処理を施すことによって高分子を形成するモノマーを電解液に添加する。
重合性モノマーとしては、例えばアクリロイル基、メタクリロイル基、ビニル基、アリル基等の不飽和二重結合を有するものが挙げられる。例えばアクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、エトキシエチルアクリレート、メトキシエチルアクリレート、エトキシエトキシエチルアクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、エトキシエチルメタクリレート、メトキシエチルメタクリレート、エトキシエトキシエチルメタクリレート、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、N、Nジエチルアミノエチルアクリレート、N、Nジメチルアミノエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、アリルアクリレート、アクリロニトリル、N−ビニルピロリドン、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、テトラエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリアルキレングリコールジアクリレート、ポリアルキレングリコールジメタクリレート等が使用でき、さらにトリメチロールプロパンアルコキシレートトリアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートトリアクリレートなどの3官能モノマー、ペンタエリスリトールアルコキシレートテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンアルコキシレートテトラアクリレートなどの4官能以上のモノマー等も使用できる。これらの中から反応性、極性、安全性などから好ましいものを単独、または組み合わせて用いれば良い。これらの中で特にポリエチレングリコールジアクリレート、トリメチロールプロパンアルコキシレートトリアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートテトラアクリレートから、単独又は組み合わせで用いるのが好ましい。
【0030】
これらのモノマーを熱、紫外線、電子線等によって重合させ、電解質塗料を非流動性化させることができる。この場合反応を効果的に進行させるため、電解液に重合開始剤を入れておくこともできる。重合開始剤としては、ベンゾイン、ベンジル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ビアセチル、ベンゾイルパーオキザイド等が使用でき、更に、t―ブチルパーオキシネオデカノエート、α―クミルパーオキシネオデカノエート、t―ヘキシルパーオキシネオデカノエート、1−シクロヘキシルー1―メチルエチルパーオキシネオデカノエート、t―アミルパーオキシネオデカノエート等のパーオキシネオデカノエート類、t―ブチルパーオキシネオヘプタノエート、α―クミルパーオキシネオヘプタノエート、t―ヘキシルパーオキシネオヘプタノエート、1−シクロヘキシルー1―メチルエチルパーオキシネオヘプタノエート、t―アミルパーオキシヘプタノエート等のパーオキシネオヘプタノエート類等も使用できる。好ましくはt−ブチルパーオキシネオデカノエート、α−クミルパーオキシネオデカノエート、t−ヘキシルパーオキシネオデカノエートである。
【0031】
また、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド等の重縮合によって生成される高分子、ポリウレタン、ポリウレア等の重付加によって生成される高分子を生成するモノマーを、重合性モノマーとして使用することもできる。
モノマーの含有量は特に制限されないが、好ましくは電解質塗料中に1%以上含有することが好ましい。含有量が低いと高分子の形成効率が低下し、電解液を非流動化しにくくなる。
【0032】
最初からポリマーを含有した電解質塗料を用いる方法においては、高温で電解液に溶解し、常温でゲル状電解質を形成する高分子が好ましく使用できる。かかる特性を持つ高分子であり、電池材料として安定なものであればどのようなものであっても使用できるが、例えばポリビニルピリジン、ポリ−N−ビニルピロリドン等の環を有するポリマー。ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸ポリアクリルアミドなどのアクリル誘導体系ポリマー。ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂。ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニド等のCN基含有ポリマー。ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール等のポリビニルアルコール系ポリマー。ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のハロゲン含有ポリマー等が挙げられる。好ましくはポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂である。また上記のポリマー等の混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体等であっても使用できる。後述するようにリチウム電池に使用される電解液、電解質が極性を有するものであるから、高分子も有る程度の極性を有する方が好ましい。これらの高分子の分子量は、好ましくは10000〜5000000の範囲である。分子量が低いとゲルを形成しにくくなる。分子量が高いと粘度が高くなりすぎて取り扱いが難しくなる。高分子の電解液に対する濃度は、分子量に応じて変えることが望ましく、好ましくは0.1%から30%である。濃度が0.1%以下ではゲルを形成しにくくなり、電解液の保持性が低下して流動、液漏れの問題が生じる。濃度が30%以上になると粘度が高くなりすぎて工程上困難を生じるとともに、電解液の割合が低下してイオン伝導度が低下しレート特性などの電池特性が低下する。
【0033】
電解液を含有しない支持電解質と高分子からなる固体電解質は、上記の電解質塗料から溶媒を除いた組成の塗料をもちいれば、形成することができる。この場合、モノマーを用いる処方が、粘度が低いという点から好ましい。
本発明におけるスペーサーとしては、多孔質フィルムが好ましい。なお、位置ずれによるショートを防止するという観点から、該スペーサーは袋状であることが好ましい。袋状にするという観点からは、熱融着しやすいものが好ましく、融点が90〜150℃のスペーサーが好ましい。多孔質フィルムとしては、高分子からなるフィルムや、粉体とバインダーからなる薄膜が好ましく使用でき、より好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜である。
【0034】
スペーサーの大きさは、電極よりも広いことを必須とする。
なお、電解質層は例えば上記スペーサーを支持体として併用するのが好ましい。集電体上にバインダーによって活物質が結着されている電極上にスペーサー上をラミネートし、所定の処理によって非流動化する上記の電解質塗料をスペーサー上に塗布し、多孔質フィルム中の空隙に含浸させた後、非流動化処理を実施することにより電解質を非流動化させ、電解質層を形成することができる。
【0035】
これらの正極、負極、正極と負極よりも広いスペーサーは、平板状に形成される。必要なサイズへの裁断、平板状への形成、正極、負極、スペーサーの積層は工程上任意の場所でおこなうことができる。本発明は、正極または負極のどちらか一方(極A)が集電体の両面に極材層を有し、他方(極B)が集電体の片面に極材層を有し、極Bは左右対称となる中心線で極材層を内側にして折り曲げられており、その際に、スペーサー及び極Aは、極Bの折り曲げた間に入りきる大きさであり、極Bの集電体の外周部が、極A及びスペーサーを介在した状態でシールされていることを必須とする。
【0036】
本発明の正極または負極のどちらか一方(極A)は集電体の両面に極材層を有するが、ここで「両面に極材層を有している」とは、集電体の片面に極材を有するものを集電体を背中合わせにして積層したものであるか、または、集電体の片面に極材を有するものを集電体を内側にして折り曲げたものであるかいずれかであり、
なお、集電体に片面塗布したものを左右対称となる中心線で集電体を内側にして折り曲げたものは、図1に示す通りである。なお、集電体がタブを有する場合は、タブの部分を除いて左右対称となる中心線で集電体を内側にして折り曲げればよい。
【0037】
極Aに対して、他方(極B)は集電体の片面に極材層を有し、極Bは左右対称となる中心線で極材層を内側にして折り曲げられている。極Aが正極である場合、極Bは負極であり、極Aが負極である場合、極Bは正極である。リチウムの拡散の関係から通常負極の方が正極より面積が広い方が好ましいので、極Aが正極であり、極Bが負極であることが好ましい。なお、左右対称となる中心線で極材層を内側にして折り曲げるとは、図2に示す通りである。なお、集電体がタブを有する場合は、タブの部分を除いて左右対称となる中心線で極材層を内側にして折り曲げればよい。
【0038】
極Aは両面にスペーサーを介して極Bの極材層間に介在されている(図3)。水分の侵入を防ぐという観点から、極Bは極A及びスペーサーを介在させた状態で密封されている。製造のし易さという観点から、図4に示すように、極Bの集電体の外周部をシールすることが好ましい。シールの方法としては、超音波融着、シーム融着等が挙げられ、封止材を外周部の間に入れて熱融着させてもよい。なお、スペーサーにより極Aと極Bは絶縁されている必要があり、通常、極Aは両面にスペーサーを介して極Bに介在されている。なお、極Aと極Bの絶縁性を高めるために、スペーサーが袋状で有ることが好ましく、極Aが袋状のスペーサーの中に入っていることが好ましい。
【0039】
極Bの集電体の外周部をシールする関係から、スペーサー及び極Aは、極Bを左右対称となる中心線で極材層を内側にして折り曲げた際に、極Bの折り曲げた間に入りきる大きさである必要がある。
またその際は、極Aは極Bの外部と電気的に接続するためのタブ又はリードを設ける(図5)必要があり、タブ又はリードは極Bのシール部分を貫通して極B外部に出ている(図6)。この際、タブ又はリードと極Bは絶縁されている必要があり、タブ又はリードと極Bの間には絶縁体を介する必要がある。該絶縁体は、フィルム状、コーティング等で実施される。絶縁材料は、電気伝導度が十分小さい材料、合成樹脂、紙、などが用いられ、充填材として、ガラス繊維、マイカ、シリカ、酸化チタン、炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム、珪藻土などを添加したものも使用できる。合成樹脂は、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂が一般的である。熱可塑性樹脂には、例えば、変性品も含め、ポリエチレン、ポリプロピレン等ポリオレフィン樹脂、アイオノマー、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、塩化ビニル樹脂がある。また、熱硬化性樹脂にはアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂などがある。好ましくは合成樹脂からなるフィルムが挙げられ、より好ましくは極性基を有するポリオレフィン系樹脂酸変性物のフィルムである。
【0040】
本発明の二次電池は、極Bの集電体がその外装部となっているため、極Bの電気取り出し口を自由に選択できるというメリットもある。また、本発明の二次電池を積層するだけで全ての極Bは電気的に接続されるため、本発明の二次電池の複数を積層して組み電池とする際に、従来の電池に比べ、極Bの接続の手間(プロセス)が省くことができ、効率的である。
【0041】
本発明の二次電池の複数個を接続し電池パックとする際は、前述した通り、積層することにより容易に極Bの電気的接続は可能であり、かつ二次電池電池外装部の任意の箇所に電池パックの外部と接続するリードを接続すればよい。極Aについては極Bから出ている極Aのタブ又はリードを任意に接続すればよい。
【0042】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更し実施することができる。なお組成中の部は、重量部を示す。
実施例1
最初に以下の塗料を調整した。
【0043】
[正極塗料]
組成
コバルト酸リチウム 90部
アセチレンブラック 5部
ポリフッ化ビニリデン 5部
N-メチル-2-ピロリドン 80部
上記の全ての原料について、混練機により2時間混練し正極用ペーストとした。
【0044】
[負極塗料]
組成
グラファイト(粒径15μm) 90部
ポリフッ化ビニリデン 10部
N-メチル-2-ピロリドン 100部
上記の全ての原料について、混練機により2時間混練し負極用ペーストとした。
【0045】
[電解質塗料]
組成
テトラエチレングルコールジアクリレート 14部
ポリエチレンオキシドトリアクリレート 7部
過塩素酸リチウム 21部
重合開始剤 1部
添加剤(スピロジラクトン) 14部
電解液(プロピレンカーボネート) 120部
電解液(エチレンカーボネート) 120部
上記組成全部を混合攪拌溶解し、電解質塗料とした。
【0046】
次いで正極塗料を20μm厚のアルミニウム集電体基材上に、負極塗料を10μm厚の銅集電体基材上にエクストルージョン型のダイコーティングによって塗布、乾燥し、活物質がバインダーによって集電体上に結着された多孔質膜を作成した。ついで、ロールプレス(カレンダー)をもちいて、線圧を100〜400kgf/cmの範囲で条件を変えながら圧密することによって図7に示すような電極シートを作製した。この正極の正極材層の厚みは61μmであり、負極の厚みは52μmであった。
【0047】
この正極、負極の極材層部分に電解質塗料を塗布した後、図1に示すように、正極を左右対称となる中心線で集電体を内側にして折り曲げ、図2に示すように、負極を左右対称となる中心線で極材層を内側にして折り曲げた。次いで、別途電解質塗料に浸した、電極より面積の広い高分子多孔質フィルム(ポリエチレン製)を用い、図3に示すように、正極の両面にセパレータを介して負極の極材層間に介在させた。負極を左右対称となる中心線で極材層を内側にして完全に折り曲げた状態で、これを90℃にて30分加熱することにより電解質を非流動化した。
【0048】
図6に示すように、タブと負極集電体の間にポリオレフィン系樹脂酸変性物(製品名:三菱化学製モディックAP−P513V)を原料とするフィルム上絶縁体を配し、タブ側外周部は上記絶縁体を配した状態で真空熱シール、他の外周部は、図4及び図6に示すように、シーム融着して密封した。
試験例1:電池特性評価
初期特性と負極特性:コバルト酸リチウムの1時間当たりの放電容量を120mAh/gとし、これと評価用リチウム二次電池の正極の活物質量との比から放電速度1Cを求めてレート設定をした上で、0.5Cで4.2Vまで充電した後1Cで3.2V、まで放電し、充電時と放電時とでそれぞれ初期容量を求めた。また、これらの比から初期効率を求めた。ついで、1Cで充電した後2Cで放電し、得られた放電容量を高レート容量とした。更に、得られた高レート容量と前期1Cでの放電容量との比から容量維持率を求めた。
【0049】
初期充電容量:155mAh/g
初期放電容量:143mAh/g
初期効率 :92%
高レート容量:110mAh/g
容量維持率 :77%
【0050】
【発明の効果】
本発明により、外装材を設ける工程を必要とせず、厚み、コストで有利な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】 本発明における「左右対称となる中心線で集電体を内側にして折り曲げる」ことを図示した図
【図2】 本発明における「左右対称となる中心線で極材層を内側にして折り曲げる」ことを図示した図
【図3】 本発明における「極Aが両面にセパレータを介して極Bの極材層間に介在されている」ことを図示した図
【図4】 本発明における「極Bの集電体の外周部をシールする」ことを図示した図
【図5】 本発明における「タブ又はリードを設けた極A又は極B」を図示した図
【図6】 本発明の二次電池の断面図
【図7】 本発明における電極シートの図
【符号の説明】
1 集電体(A極集電体)
2 極材層(A極極材層)
3 集電体(B極集電体)
4 極材層(B極極材層)
5 セパレータ
6 タブ又はリード
7 絶縁体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium secondary battery.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various devices such as a camera-integrated VTR device, an audio device, a portable computer, a mobile phone, and the like have been reduced in size and weight, and a demand for higher performance of a battery as a power source of these devices is increasing. In particular, lithium secondary batteries capable of realizing high voltage and high energy density are actively developed.
[0003]
A lithium secondary battery includes a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, and an electrolyte layer containing a non-aqueous electrolyte. Conventionally, a liquid made of a non-aqueous organic material has been used as the non-aqueous electrolyte. However, a lithium secondary battery using such a non-aqueous electrolyte has a risk of leakage and ignition such as heat generation and ignition due to an internal short circuit due to deposition of lithium dendrite. Therefore, in recent years, in order to improve safety, a polymer electrolyte that has been contained in a non-aqueous electrolyte, for example, a gel polymer, and has been made non-fluid has been developed.
[0004]
Furthermore, since the polymer electrolyte including the electrolyte containing the electrolyte solution in the gel polymer as described above has a high retention performance of the electrolyte solution, it is changed to a metal can used in a conventional lithium secondary battery, It can be used in a simple case. Since such a polymer is lighter and more flexible than a liquid system, it can be made into a thin film like a sheet, for example, and it is possible to produce a lightweight and space-saving battery. There is.
[0005]
However, these secondary batteries have been required to be moisture-proof, for example, sealed with a metal exterior material or sealed with an exterior material provided with resin layers on both sides of the gas barrier layer. By providing the exterior material, the thickness is increased accordingly, and the merit of a small space is reduced. In the first place, an extra process for providing the exterior material is necessary.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
There has been a demand for a secondary battery that does not require a step of providing an exterior material and is advantageous in terms of thickness and cost.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, as a result of examining the cause to solve the above problems, the present inventors have found that the step of separately providing an exterior material can be omitted by providing the current collector with a function as the exterior material, and the present invention has been completed. It came to do. That is, the gist of the present invention is the following (1) to(9)Exist.
[0008]
(1) Insulating a positive electrode using a lithium compound as a positive electrode active material, a negative electrode using a compound capable of doping and dedoping lithium as a negative electrode active material, and the positive electrode and the negative electrodeWider than the positive and negative electrodesIn a secondary battery comprising a spacer and a non-aqueous electrolyte,The non-aqueous electrolyte is a non-fluid electrolyte,Either the positive electrode or the negative electrode (hereinafter referred to as “Pole A”) has an electrode material layer on both sides of the current collector.Here, “having an electrode material layer on both sides” means that the electrode material on one side of the current collector is laminated with the current collectors back to back, or the current collector One of the poles on one side is folded with the current collector inside, eitherThe other (hereinafter referred to as “Pole B”) has a pole material layer on one side of the current collector, and the pole B is bent with a symmetrical center line with the pole material layer on the inside. And the pole A has a size that can be accommodated while the pole B is bent, and the outer peripheral portion of the current collector of the pole B is sealed with the pole A and the spacer interposed therebetween. battery.
[0009]
(2)A non-fluid electrolyte is formed by a method in which a monomer-containing electrolyte coating is prepared and then applied onto the positive electrode, negative electrode, spacer, and then subjected to a crosslinking reaction.The secondary battery as described in (1) above.
(3)The secondary battery according to (1) or (2) above, wherein the spacer is a polymer porous film.
[0010]
(4) Pole A, Having a tab or lead for electrical connection to the outside of the pole B, the tab or lead passing through the sealing portion of the pole B and coming out of the pole BThe secondary battery according to any one of (1) to (3).
(5)The pole A is in the bag-shaped spacerThe secondary battery according to any one of (1) to (4) above.
(6)The pole A is the positive electrode and the pole B is the negative electrodeThe secondary battery according to any one of (1) to (5) above.
[0011]
(7) LithiumThe compound is a lithium cobalt composite oxideThe secondary battery according to any one of (1) to (6).
(8)The secondary battery according to
(9) A battery pack in which a plurality of the secondary batteries according to any one of (1) to (8) are stacked.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As the lithium compound in the present invention, a compound capable of occluding and releasing lithium ions is used. For example, oxides of transition metals such as Fe, Co, Ni, Mn, composite oxides of lithium and transition metals, transition metal sulfides Inorganic compounds such as products. Specifically, MnO, V2OFive, V6O13TiO2 Transition metal oxide powder such as lithium nickel oxide, lithium oxide such as lithium cobalt oxide, and complex oxide powder of lithium and transition metal such as lithium cobalt oxide, TiS2And transition metal sulfide powders such as FeS. You may mix and use multiple types of said lithium compound. Preferred lithium compounds in the present invention include composite oxides of lithium and transition metals, and specific examples include lithium nickelate, lithium cobaltate, and lithium manganate. More preferably, it is lithium cobaltate. When the lithium compound is granular, the particle size is usually about 1 to 30 μm, preferably about 1 to 10 μm, from the viewpoint of excellent battery characteristics such as rate characteristics and cycle characteristics.
[0013]
In the present invention, the lithium compound is used as a positive electrode active material. In the present invention, the active material is a main material that causes the electromotive reaction of the battery, and means a material that can occlude and release Li ions.
Examples of the compound capable of doping and dedoping lithium in the present invention include graphite and coke in addition to the Li metal foil, preferably graphite. The particle size of the granular negative electrode active material is usually about 1 to 50 μm, preferably about 5 to 30 μm, from the viewpoint of excellent battery characteristics such as initial efficiency, rate characteristics, and cycle characteristics.
[0014]
The formation method in particular of the positive electrode and negative electrode of the secondary battery of this invention is not restrict | limited, Arbitrary methods can be used. For example, there is a method in which an electrolyte coating containing an active material and a monomer is mixed and kneaded to obtain a paste, which is then applied onto a current collector and crosslinked by crosslinking the monomer. In the present invention, the active material and the binder are dispersed into a paint using a solvent capable of dissolving the binder, and the paint is applied onto the current collector and dried to bind the active material onto the current collector with the binder. It is preferable to form an electrode by doing so. For dispersion coating, a commonly used disperser can be used, and a ball mill, a sand mill, a twin-screw kneader, or the like can be used.
[0015]
In addition, regarding application | coating, although the both sides of a collector may be sufficient as one side, what was apply | coated to the single side | surface of a collector is preferable in this invention.
There are no particular restrictions on the coating device for applying the paint on the current collector, slide coating, extrusion type die coating, reverse roll, gravure, knife coater, kiss coater, micro gravure, knife coater, rod coater, blade coater, etc. However, the extrusion method is most preferable in consideration of the viscosity of the paint and the coating film thickness.
[0016]
In the present invention, a binder can be used to bind the active material onto the current collector. As a binder, it is necessary to be stable with respect to electrolyte solution etc., and various materials are used from a viewpoint of weather resistance, chemical resistance, heat resistance, flame retardancy, and the like. Specifically, inorganic compounds such as silicate and glass, alkane polymers such as polyethylene, polypropylene and poly-1,1-dimethylethylene; unsaturated polymers such as polybutadiene and polyisoprene; polystyrene, polymethylstyrene, Polymers having rings such as polyvinyl pyridine and poly-N-vinyl pyrrolidone; polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, poly Acrylic derivative polymers such as acrylamide; Fluorine resins such as polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene; CN group-containing polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene cyanide; Polyvinyl alcohol polymers such as polyvinyl alcohol; polyvinyl chloride, halogen-containing polymers such as polyvinylidene chloride; and conductive polymers such as polyaniline can be used. Further, a mixture such as the above-mentioned polymer, a modified product, a derivative, a random copolymer, an alternating copolymer, a graft copolymer, a block copolymer, and the like can be used. The weight molecular weight of these resins is usually about 10,000 to 3000000, preferably about 100,000 to 1000000. If it is too low, the strength of the coating film tends to decrease. On the other hand, if it is too high, the viscosity increases and it may be difficult to form an electrode. Preferable binder resins include fluorine resins and CN group-containing polymers, and more preferably polyvinylidene fluoride.
[0017]
The amount of the binder used relative to 100 parts by weight of the active material is usually 0.1 parts by weight or more, preferably 1 part by weight or more, and usually 30 parts by weight or less, preferably 20 parts by weight or less. If the amount of the binder is too small, the strength of the electrode tends to decrease, and if the amount of the binder is too large, the ionic conductivity tends to decrease.
In order to improve the electroconductivity and mechanical strength of an electrode, you may contain the additive, powder, filler, etc. which express various functions, such as an electroconductive material and a reinforcing material. The conductive material is not particularly limited as long as it can provide conductivity by mixing an appropriate amount of the above active material. Usually, carbon powder such as acetylene black, carbon black, graphite, various metal fibers, Examples include foil. The DBP oil absorption amount of the carbon powder conductive material is preferably 120 cc / 100 g or more, and particularly preferably 150 cc / 100 g or more because the electrolyte solution is retained. Additives include trifluoropropylene carbonate, 1,6-dioxaspiro [4,4] nonane-2,7-dione, 12-crown-4-ether, vinylene carbonate, catechol carbonate, etc. Can be used to enhance. As the reinforcing material, various inorganic, organic spherical and fibrous fillers can be used.
[0018]
As the solvent used for coating, various organic and inorganic materials can be used according to the active material and binder to be used. For example, N-methylpyrrolidone and dimethylformamide can be used, and preferably N-methylpyrrolidone. is there. The solvent concentration in the paint is at least 10% by weight, but is usually 20% by weight or more, preferably more than 30% by weight, more preferably 35% by weight or more. Moreover, as a minimum, it is 90 weight% or less normally, Preferably it is 80 weight% or less. If the solvent concentration is too low, coating may be difficult. If the solvent concentration is too high, it may be difficult to increase the coating film thickness and the stability of the coating may be deteriorated.
[0019]
The positive electrode active material and the negative electrode active material are preferably thicker in terms of capacity but thinner in terms of rate. The film thickness is usually 20 μm or more, preferably 30 μm or more, more preferably 50 μm or more, and most preferably 80 μm or more. The film thickness of the positive electrode and the negative electrode is usually 200 μm or less, preferably 150 μm or less.
In addition, the positive electrode material layer and the negative electrode material layer in the above mean layers each containing an active material.
[0020]
As the current collector in the present invention, various materials that can function as a current collector of a battery without causing problems such as electrochemical dissolution can be used, and usually a metal or an alloy is used. For example, aluminum is generally used as the positive electrode current collector. In addition, a copper foil is often used as the negative electrode current collector.
Roughening the surfaces of these current collectors in advance is a preferable method because the binding effect with the electrode material layer can be improved. Current roughening methods include a method of rolling with a blasting process or a rough roll, a polishing cloth with a fixed abrasive particle, a grinding wheel, emery buff, a wire brush with a steel wire, etc. Examples thereof include a mechanical polishing method for polishing the surface, an electrolytic polishing method, and a chemical polishing method.
[0021]
The thickness of the conductive electrode substrate is usually 1 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably 1 μm or more, and usually 100 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less. If it is too thick, the capacity of the entire battery will be too low. Conversely, if it is too thin, handling may be difficult.
An undercoat primer layer can also be formed on the current collector. The function of the primer layer is to improve the adhesion of the positive electrode or negative electrode to the current collector. Compared to the case where no primer layer is provided, the battery internal resistance is reduced by the improved adhesion, and the base material in the charge / discharge cycle test process This prevents a rapid decrease in capacity due to coating film detachment from. The undercoat primer layer can be formed, for example, by applying an undercoat primer material paint containing a conductive material, a binder, and a solvent on a current collector, and then drying it.
[0022]
Examples of the conductive material used for the undercoat primer layer include carbon materials such as carbon black and graphite, metal powders, conductive organic conjugated resins, and the like. Carbon black, graphite and other substances that can function.
As the binder and solvent used for the undercoat primer layer, the same binders and solvents used for the coating material of the electrode material can be used. In addition, conductive resins such as polyaniline, polypyrrole, polyacene, disulfide compounds, polysulfide compounds and the like can have both functions of the conductive material and the binder. It can also be used for the undercoat primer layer. Of course, the binder and solvent used for the undercoat primer layer may be the same as or different from those used for the coating material of the electrode material.
[0023]
When a conductive material and a binder are used, the ratio of the binder to the conductive material is usually 1% by weight or more, preferably 5% by weight or more, and usually 300% by weight or less, preferably 100% by weight or less. is there. If it is too low, peeling during the process tends to occur when using the battery. If it is too high, the conductivity may decrease and the battery characteristics may deteriorate.
[0024]
The thickness of the undercoat primer layer is generally about 0.05 to 200 μm. Within this range, it is usually 0.05 μm or more, preferably 0.1 μm or more, and usually 10 μm or less, preferably 1 μm or less. If it is too thin, it will be difficult to ensure uniformity, and if it is too thick, the volume capacity of the battery may be too low.
[0025]
The electrolyte layer in the present invention is composed of a gel polymer electrolyte containing an electrolyte solution in a polymer and non-fluidized, or a solid electrolyte composed of a supporting electrolyte and a polymer not containing an electrolyte solution. A gel polymer electrolyte is preferable.
As gel polymer electrolyte, as required, a method using an electrolyte coating in which a polymer is first dissolved in an electrolytic solution, a method of preparing a non-fluidized electrolyte by cross-linking reaction after preparing a monomer-containing electrolyte coating, etc. Materials and manufacturing methods can be adopted.
[0026]
The electrolyte solution to be contained is preferably a non-aqueous electrolyte solution, which is generally a solution obtained by dissolving a supporting electrolyte that is a lithium salt in a non-aqueous solvent. The electrolyte is a non-aqueous material that is stable as an electrolyte with respect to the positive electrode active material and the negative electrode active material and that can perform migration for lithium ions to electrochemically react with the positive electrode active material or the negative electrode active material. Some can be used.
[0027]
As a lithium salt as a supporting electrolyte, LiPF6, LiAsF6, LiSbF6, LiBFFourLiClOFour, LiI, LiBr, LiCl, LiAlCl, LiHF2, LiSCN, LiSOThreeCF2 Etc. Of these, LiPF in particular6And LiClOFourIs preferred. The content of these supporting electrolytes in the electrolytic solution is generally 0.5 to 2.5 mol / L.
[0028]
The type of solvent used in the electrolytic solution is not particularly limited, but a solvent having a relatively high dielectric constant is preferably used. Specifically, cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, acyclic carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. -Glymes such as Toto, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethoxyethane, lactones such as γ-butyllactone, sulfur compounds such as sulfolane, nitriles such as acetonitrile, etc. Can do. Of these, cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, acyclic carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate are particularly preferred. -1 type, or 2 or more types of mixed solutions chosen from bonates are suitable, Especially preferably, they are 1 type, or 2 or more types of mixed solutions chosen from propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate. is there.
[0029]
In the method of preparing a non-fluidized electrolyte by preparing a monomer-containing electrolyte coating and then cross-linking it, a monomer that forms a polymer by applying a polymerization treatment such as ultraviolet curing or heat curing is added to the electrolyte.
Examples of the polymerizable monomer include those having an unsaturated double bond such as acryloyl group, methacryloyl group, vinyl group, and allyl group. For example, acrylic acid, methyl acrylate, ethyl acrylate, ethoxyethyl acrylate, methoxyethyl acrylate, ethoxyethoxyethyl acrylate, polyethylene glycol monoacrylate, ethoxyethyl methacrylate, methoxyethyl methacrylate, ethoxyethoxyethyl methacrylate, polyethylene glycol monomethacrylate, N, N diethylaminoethyl acrylate, N, N dimethylaminoethyl acrylate, glycidyl acrylate, allyl acrylate, acrylonitrile, N-vinyl pyrrolidone, diethylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, diethylene glycol dimethyl ester Chlorate, triethylene glycol dimethacrylate, tetraethylene glycol dimethacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, polyalkylene glycol diacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, etc. can be used, and trimethylolpropane alkoxylate triacrylate, pentaerythritol alkoxylate triacrylate A tetrafunctional or higher functional monomer such as pentaerythritol alkoxylate tetraacrylate, ditrimethylolpropane alkoxylate tetraacrylate, or the like can also be used. Of these, those preferable from the viewpoint of reactivity, polarity, safety, etc. may be used alone or in combination. Of these, polyethylene glycol diacrylate, trimethylolpropane alkoxylate triacrylate, and pentaerythritol alkoxylate tetraacrylate are preferably used alone or in combination.
[0030]
These monomers can be polymerized by heat, ultraviolet rays, electron beams or the like to make the electrolyte paint non-flowable. In this case, in order to make the reaction proceed effectively, a polymerization initiator can be added to the electrolytic solution. As the polymerization initiator, benzoin, benzyl, acetophenone, benzophenone, Michler's ketone, biacetyl, benzoyl peroxide and the like can be used, and t-butylperoxyneodecanoate, α-cumylperoxyneodecanoate, t Peroxyneodecanoates such as hexylperoxyneodecanoate, 1-cyclohexyl luo 1-methylethylperoxyneodecanoate, t-amylperoxyneodecanoate, t-butylperoxyneohepta Peroxy such as noate, α-cumylperoxyneoheptanoate, t-hexylperoxyneoheptanoate, 1-cyclohexyl lu 1-methylethylperoxyneoheptanoate, t-amylperoxyheptanoate Neoheptanoates can also be used. T-Butylperoxyneodecanoate, α-cumylperoxyneodecanoate, and t-hexylperoxyneodecanoate are preferable.
[0031]
Moreover, the monomer which produces | generates the polymer | macromolecule produced | generated by polyaddition, such as a polymer, such as a polyester, polyamide, a polycarbonate, a polyimide, polycondensation, a polyurethane, a polyurea, can also be used as a polymerizable monomer.
The content of the monomer is not particularly limited, but preferably 1% or more in the electrolyte coating. When the content is low, the formation efficiency of the polymer is lowered, and it is difficult to make the electrolyte non-fluid.
[0032]
In the method using an electrolyte coating containing a polymer from the beginning, a polymer that dissolves in an electrolytic solution at a high temperature and forms a gel electrolyte at a normal temperature can be preferably used. Any polymer can be used as long as it is a polymer having such characteristics and is stable as a battery material. For example, a polymer having a ring such as polyvinyl pyridine and poly-N-vinyl pyrrolidone. Acrylic derivative polymers such as polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, polyacrylic acid and polyacrylamide polyacrylamide. Fluorine resins such as polyvinyl fluoride and polyvinylidene fluoride. CN group-containing polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene cyanide. Polyvinyl alcohol polymers such as polyvinyl acetate and polyvinyl alcohol. And halogen-containing polymers such as polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride. Preferred are fluorine-based resins such as polyvinyl fluoride and polyvinylidene fluoride. Moreover, it can be used even if it is a mixture, such as said polymer, a modified body, a derivative, a random copolymer, an alternating copolymer, a graft copolymer, a block copolymer, etc. As will be described later, since the electrolyte and electrolyte used in the lithium battery have polarity, it is preferable that the polymer has a certain degree of polarity. The molecular weight of these polymers is preferably in the range of 10,000 to 5,000,000. When the molecular weight is low, it is difficult to form a gel. If the molecular weight is high, the viscosity becomes too high and handling becomes difficult. The concentration of the polymer in the electrolyte solution is desirably changed according to the molecular weight, and is preferably 0.1% to 30%. If the concentration is 0.1% or less, it is difficult to form a gel, and the retention of the electrolytic solution is lowered, causing problems of flow and liquid leakage. When the concentration is 30% or more, the viscosity becomes too high, resulting in difficulty in the process, and the ratio of the electrolytic solution is lowered, the ionic conductivity is lowered, and the battery characteristics such as the rate characteristics are lowered.
[0033]
A solid electrolyte composed of a supporting electrolyte and a polymer not containing an electrolytic solution can be formed by using a paint having a composition obtained by removing the solvent from the above-described electrolyte paint. In this case, the prescription using a monomer is preferable from the viewpoint of low viscosity.
As the spacer in the present invention, a porous film is preferable. In addition, from the viewpoint of preventing a short circuit due to misalignment, the spacer is preferably bag-shaped. From the viewpoint of forming a bag, those that are easily heat-sealed are preferred, and spacers having a melting point of 90 to 150 ° C. are preferred. As the porous film, a film made of a polymer or a thin film made of a powder and a binder can be preferably used, and a porous film such as polyethylene or polypropylene is more preferable.
[0034]
It is essential that the size of the spacer is wider than that of the electrode.
The electrolyte layer preferably uses, for example, the spacer as a support. The spacer is laminated on the electrode on which the active material is bound by the binder on the current collector, and the above-described electrolyte coating that is made non-fluidized by a predetermined treatment is applied on the spacer to form voids in the porous film. After impregnation, the electrolyte can be made non-fluidized by performing a non-fluidization treatment to form an electrolyte layer.
[0035]
These positive, negative,Wider than positive and negative electrodesThe spacer is formed in a flat plate shape. Cutting to a required size, forming into a flat plate shape, and laminating a positive electrode, a negative electrode, and a spacer can be performed at any place in the process. In the present invention, either the positive electrode or the negative electrode (electrode A) has an electrode material layer on both sides of the current collector, and the other (electrode B) has an electrode material layer on one surface of the current collector. Is folded with the pole material layer inside on a symmetrical center line,At that time, the spacer and the pole A are sized so as to fit between the bent portions of the pole B, and the outer periphery of the current collector of the pole B is sealed with the pole A and the spacer interposed therebetween.It is essential that
[0036]
Either the positive electrode or the negative electrode (electrode A) of the present invention has electrode material layers on both sides of the current collector,Here, “having an electrode material layer on both sides” means that the electrode material on one side of the current collector is laminated with the current collectors back to back, or one surface of the current collector It is either the one with the pole material in the bent with the current collector inside,
In addition,A current collector coated on one side and bent with a symmetrical centerline with the current collector insideIs as shown in FIG. Note that when the current collector has a tab, the current collector may be bent with the center line being left-right symmetrical except for the tab portion.
[0037]
With respect to the pole A, the other (pole B) has a pole material layer on one side of the current collector, and the pole B is bent with a pole material layer on the inside at a symmetrical center line. When the pole A is a positive electrode, the pole B is a negative electrode, and when the pole A is a negative electrode, the pole B is a positive electrode. Since the negative electrode usually has a larger area than the positive electrode because of lithium diffusion, it is preferable that the pole A is the positive electrode and the pole B is the negative electrode. In addition, as shown in FIG. 2, it bend | folds with the pole material layer inside by the centerline used as left-right symmetry. When the current collector has a tab, it may be bent with the pole material layer on the inner side at a symmetrical center line except for the tab portion.
[0038]
The pole A is interposed between the pole material layers of the pole B via spacers on both sides (FIG. 3). From the viewpoint of preventing moisture from entering, the pole B is sealed with the pole A and a spacer interposed therebetween. From the viewpoint of ease of manufacture, it is preferable to seal the outer peripheral portion of the current collector of the pole B as shown in FIG. Examples of the sealing method include ultrasonic fusion and seam fusion, and a sealing material may be put between the outer peripheral portions and thermally fused. In addition, the pole A and the pole B need to be insulated by the spacer, and the pole A is usually interposed in the pole B via the spacer on both sides. In order to improve the insulation between the pole A and the pole B, the spacer is preferably in a bag shape, and the pole A is preferably contained in the bag-like spacer.
[0039]
Since the outer periphery of the current collector of the pole B is sealed, the spacer and the pole A are folded between the pole B and the pole B when the pole B is folded at the center line which is symmetric. It must be large enough to fit.
In this case, the pole A needs to be provided with a tab or lead for electrical connection with the outside of the pole B (FIG. 5). The tab or lead penetrates the seal portion of the pole B and goes outside the pole B. It has come out (Fig. 6). At this time, the tab or lead and the pole B need to be insulated, and an insulator is required between the tab or lead and the pole B. The insulator is implemented in the form of a film, coating or the like. Insulating materials include materials with sufficiently low electrical conductivity, synthetic resins, paper, etc., and those with glass fiber, mica, silica, titanium oxide, calcium carbonate, aluminum hydroxide, diatomaceous earth, etc. added as fillers Can be used. The synthetic resin is generally a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Examples of the thermoplastic resin include polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, ionomers, ethylene-vinyl acetate copolymers, polyamide resins, polyester resins, and vinyl chloride resins, including modified products. Thermosetting resins include acrylic resins, epoxy resins, polyurethane resins, and the like. A film made of a synthetic resin is preferable, and a polyolefin resin acid-modified film having a polar group is more preferable.
[0040]
The secondary battery of the present invention also has an advantage that the electrical outlet of the pole B can be freely selected because the current collector of the pole B serves as the exterior portion. In addition, since all the poles B are electrically connected only by stacking the secondary batteries of the present invention, when a plurality of secondary batteries of the present invention are stacked to form an assembled battery, compared to conventional batteries. This eliminates the labor (process) of connecting the pole B and is efficient.
[0041]
When a plurality of the secondary batteries of the present invention are connected to form a battery pack, as described above, the electrical connection of the pole B can be easily performed by stacking, and any secondary battery battery exterior part can be connected. What is necessary is just to connect the lead connected with the exterior of a battery pack to a location. For the pole A, the tab or lead of the pole A coming out from the pole B may be arbitrarily connected.
[0042]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited at all by the following Example, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement. In addition, the part in a composition shows a weight part.
Example 1
First, the following paints were prepared.
[0043]
[Positive electrode paint]
composition
90 parts of lithium cobaltate
5 parts of acetylene black
80 parts of N-methyl-2-pyrrolidone
All the above raw materials were kneaded for 2 hours with a kneader to obtain a positive electrode paste.
[0044]
[Negative electrode paint]
composition
Graphite (particle size 15μm) 90 parts
Polyvinylidene fluoride 10 parts
N-methyl-2-pyrrolidone 100 parts
All the above raw materials were kneaded with a kneader for 2 hours to obtain a negative electrode paste.
[0045]
[Electrolyte paint]
composition
14 parts of tetraethylene glycol diacrylate
Lithium perchlorate 21 parts
Additive (spirodilactone) 14 parts
Electrolyte (propylene carbonate) 120 parts
Electrolyte (ethylene carbonate) 120 parts
All the above compositions were mixed, dissolved and stirred to obtain an electrolyte paint.
[0046]
Next, the positive electrode paint is applied to a 20 μm thick aluminum current collector base material, and the negative electrode paint is applied to a 10 μm thick copper current collector base material by extrusion type die coating and dried. A porous membrane bound on top was created. Next, an electrode sheet as shown in FIG. 7 was produced by using a roll press (calendar) and compacting while changing the linear pressure in the range of 100 to 400 kgf / cm. The thickness of the positive electrode material layer of this positive electrode was 61 μm, and the thickness of the negative electrode was 52 μm.
[0047]
After applying the electrolyte coating to the positive electrode layer portion of the positive electrode and the negative electrode, as shown in FIG. 1, the positive electrode is bent with a symmetrical center line with the current collector inside, and as shown in FIG. Was folded with the pole material layer inside on a symmetrical center line. Next, a polymer porous film (made of polyethylene) having a larger area than the electrode, which was separately immersed in an electrolyte paint, was interposed between the positive electrode layers of the negative electrode via separators on both sides of the positive electrode as shown in FIG. . The electrolyte was made non-fluidized by heating it at 90 ° C. for 30 minutes in a state where the negative electrode was completely bent with the electrode material layer inside with a symmetrical center line.
[0048]
As shown in FIG. 6, an insulator on film using a polyolefin resin acid modified product (product name: Modic AP-P513V manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) as a raw material is arranged between the tab and the negative electrode current collector, and the outer peripheral portion on the tab side Was vacuum heat-sealed with the above insulator disposed, and the other outer periphery was sealed by seam sealing as shown in FIGS.
Test Example 1: Battery characteristics evaluation
Initial characteristics and negative electrode characteristics: The discharge capacity per hour of lithium cobaltate was set to 120 mAh / g, and the rate was determined by determining the discharge rate 1C from the ratio of this to the amount of active material of the positive electrode of the lithium secondary battery for evaluation. Above, after charging to 4.2V at 0.5C, it discharged to 3.2V at 1C, and the initial capacity was determined at the time of charging and at the time of discharging, respectively. Moreover, the initial efficiency was calculated | required from these ratios. Next, after charging at 1 C, discharging was performed at 2 C, and the obtained discharge capacity was set as a high rate capacity. Furthermore, the capacity retention rate was determined from the ratio between the obtained high rate capacity and the discharge capacity in the previous 1C.
[0049]
Initial charge capacity: 155 mAh / g
Initial discharge capacity: 143 mAh / g
Initial efficiency: 92%
High rate capacity: 110 mAh / g
Capacity maintenance rate: 77%
[0050]
【The invention's effect】
According to the present invention, a secondary battery that is advantageous in terms of thickness and cost can be provided without requiring a step of providing an exterior material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating “folding a current collector inside with a symmetrical center line” according to the present invention;
FIG. 2 is a diagram illustrating “folding with the pole material layer inside on a symmetrical center line” according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating that “the pole A is interposed between the pole material layers of the pole B via the separators on both sides” in the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating “sealing the outer periphery of the current collector of the pole B” according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating “Pole A or B with a tab or lead” according to the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the secondary battery of the present invention.
FIG. 7 is a diagram of an electrode sheet according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Current collector (A pole current collector)
2 pole material layer (A pole pole material layer)
3 Current collector (B pole current collector)
4 pole material layer (B pole pole material layer)
5 Separator
6 Tab or lead
7 Insulator
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