JP4594478B2 - Non-aqueous secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水系二次電池に関し、特に、蓄電システム用非水系二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、省資源を目指したエネルギーの有効利用及び地球環境問題の観点から、深夜電力貯蔵及び太陽光発電の電力貯蔵を目的とした家庭用分散型蓄電システム、電気自動車のための蓄電システム等が注目を集めている。例えば、特開平6−86463号公報には、エネルギー需要者に最適条件でエネルギーを供給できるシステムとして、発電所から供給される電気、ガスコージェネレーション、燃料電池、蓄電池等を組み合わせたトータルシステムが提案されている。このような蓄電システムに用いられる二次電池は、エネルギー容量が10Wh以下の携帯機器用小型二次電池と異なり、容量が大きい大型のものが必要とされる。このため、上記の蓄電システムでは、複数の二次電池を直列に積層し、電圧が例えば50〜400Vの組電池として用いるのが常であり、ほとんどの場合、鉛電池を用いていた。
【0003】
一方、携帯機器用小型二次電池の分野では、小型及び高容量のニーズに応えるべく、新型電池としてニッケル水素電池、リチウム二次電池の開発が進展し、180Wh/l以上の体積エネルギー密度を有する電池が市販されている。特に、リチウムイオン電池は、350Wh/lを超える体積エネルギー密度の可能性を有すること、及び、安全性、サイクル特性等の信頼性が金属リチウムを負極に用いたリチウム二次電池に比べ優れることから、その市場を飛躍的に延ばしている。
【0004】
これを受け、蓄電システム用大型電池の分野においても、高エネルギー密度電池の候補として、リチウムイオン電池をターゲットとし、リチウム電池電力貯蔵技術研究組合(LIBES)等で精力的に開発が進められている。
【0005】
これら大型リチウムイオン電池のエネルギー容量は、100Whから400Wh程度であり、体積エネルギー密度は、200〜300Wh/lと携帯機器用小型二次電池並のレベルに達している。その形状は、直径50mm〜70mm、長さ250mm〜450mmの円筒型、厚さ35mm〜50mmの角形又は長円角形等の扁平角柱形が代表的なものである。
【0006】
また、薄型のリチウム二次電池については、薄型の外装に、例えば、金属とプラスチックをラミネートした厚さ1mm以下のフィルムを収納したフィルム電池(特開平5−159757号公報、特開平7−57788号公報等)、厚さ2mm〜15mm程度の小型角型電池(特開平8−195204号公報、特開平8−138727号公報、特開平9−213286号公報等)が知られている。これらのリチウム二次電池は、いずれも、その目的が携帯機器の小型化及び薄型化に対応するものであり、例えば携帯用パソコンの底面に収納できる厚さ数mmでJIS A4サイズ程度の面積を有する薄型電池も開示されているが(特開平5−283105号公報)、エネルギー容量が10Wh以下であるため、蓄電システム用二次電池としては容量が小さ過ぎる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に携帯機器用の小型リチウムイオン電池において、現在セパレータは短絡を防止させる役割と異常時に電気化学的反応を停止させるフューズとしての役割との両方を兼ね備えるように設計されている場合が多く、これを受けてセパレータには様々な特性が要求されている。具体的に例示すると、高効率を得るための低抵抗性、電極からの面圧に対する突刺し強度や巻き込み仕様に要求される高い引張強度といった機械的強度、高温時に溶融して孔を閉塞するシャットダウン特性、溶融後の形状保持性などである。そこで、エネルギー容量が5Ah以下の小型リチウムイオン電池では、殆どの場合、ポリエチレンを主成分とした厚さ20〜40μmの微多孔膜が使用されている。
【0008】
機器の故障による誤作動や使用者側の誤用によって過充電や外部短絡あるいは高温環境下での放置といった状態になると、電池内部が加熱されて電解液が分解されたり蒸発したりすることにより内部でガスが発生する。内圧上昇に伴う事故を防止するために容器の蓋や底に安全弁が備えられているが、更なる安全機構として、上述したようにセパレータが重要な役割を果たしている。即ち、電池内部温度が異常に上昇した場合、前記ポリエチレン系セパレータが120℃を超えたあたりより溶融し始め、空孔を閉塞させ、電池内部抵抗を上昇させることにより反応を抑制するように設計されている。
【0009】
ところが、従来使用されていたポリエチレン系セパレータは、高温下において空孔を閉塞させる溶融現象と同時に熱収縮が始まり、150℃の高温下の熱収縮率が縦横いずれの方向においても10%以上となる場合が多かった。このため、セパレータ表面の面積が電極表面の面積よりも小さくなったり、或いは、大きな収縮変形時にセパレータが破れたりすることで、正極と負極とが直接接触する内部短絡の危険を生じるおそれがあり、電池の熱暴走などの問題を生じていた。特に、エネルギー容量が30Wh以上の大型電池においては、このような問題が顕著であった。
【0010】
本発明の目的は、上記問題点を解決すべく、耐熱性に優れた安全性の高い非水系二次電池を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、正極、負極、セパレータ、及びリチウム塩を含む非水系電解質を備えた扁平形状の非水系二次電池であって、エネルギー容量が30Wh以上且つ体積エネルギー密度が180Wh/l以上であり、前記セパレータの表面の縦及び横方向のサイズは前記負極のそれよりも3%程度長く、前記セパレータは一枚あるいは複数枚から構成され、少なくとも1枚の前記セパレータは、150℃での熱収縮率が、面に沿う方向のいずれにおいても3%以下であり、前記セパレータは、セルロース系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリフェニレンサルファイド系及びフッ素系の樹脂、並びに無機繊維から選択した少なくとも一種を含むことを特徴とする非水系二次電池を提供するものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る扁平な矩形(ノート型)の蓄電システム用非水系二次電池の平面図及び側面図を示す図であり、図2は、図1に示す電池の内部に収納される電極積層体の構成を示す側面図である。
【0013】
図1及び図2に示すように、本実施形態の非水系二次電池は、上蓋1及び底容器2からなる電池ケース(電池容器)と、該電池ケースの中に収納されている複数の正極101a、負極101b,101c、及びセパレータ104からなる電極積層体とを備えている。本実施形態のような扁平型非水系二次電池の場合、正極101a、負極101b(又は積層体の両外側に配置された負極101c)は、例えば、図2に示すように、セパレータ104を介して交互に配置されて積層されるが、本発明は、この配置に特に限定されず、積層数等は、必要とされる容量等に応じて種々の変更が可能である。
【0014】
各正極101aの正極集電体105aは、正極端子3に電気的に接続され、同様に、各負極101b,101cの負極集電体105bは、負極端子4に電気的に接続されている。正極端子3及び負極端子4は、電池ケースすなわち上蓋1と絶縁された状態で取り付けられている。上蓋1及び底容器2は、図1中の拡大図に示したA点で全周に沿って上蓋を溶かし込み、溶接されている。上蓋1には、電解液の注液口5が開けられており、電解液注液後、アルミニウム−変性ポリプロピレンラミネートフィルム、アルミニウム−変性ポリエチレンラミネートフィルムに代表される水分透過率の低い熱可塑性フィルム6を用いて、熱融着にて封口される。
【0015】
封口工程においては、電池内の圧力を大気圧未満とすることが好ましい。好ましくは86kPa以下、更に好ましくは73kPa以下で行う。この圧力は、使用するセパレータ、電解液の種類、電池容器の素材、厚み、形状などを加味して決定されるものである。内圧が大気圧以上の場合、電池が設計厚みより大きくなって厚みのバラツキが大きくなり、電池の内部抵抗、容量がばらつく原因となる。
【0016】
図1及び図2に示す非水系二次電池の大きさは、例えば縦300mm×横210mm×厚さ6mmであり、正極101aにLiMn2O4、負極101b,101cに炭素材料を用いるリチウム二次電池の場合、例えば、蓄電システムに用いることができる。
【0017】
正極101aに用いられる正極活物質としては、リチウム系の正極材料であれば、特に限定されず、リチウム複合コバルト酸化物、リチウム複合ニッケル酸化物、リチウム複合マンガン酸化物、或いはこれらの混合物、更にはこれら複合酸化物に異種金属元素を一種以上添加した系等を用いることができ、高電圧、高容量の電池が得られることから、好ましい。また、安全性を重視する場合、熱分解温度が高いマンガン酸化物が好ましい。このマンガン酸化物としてはLiMn2O4に代表されるリチウム複合マンガン酸化物、更にはこれら複合酸化物に異種金属元素を一種以上添加した系、さらにはリチウム、酸素等を量論比よりも過剰にしたLiMn2O4が挙げられる。
【0018】
負極101b、101cに用いられる負極活物質としては、リチウム系の負極材料であれば、特に限定されず、リチウムをドープ及び脱ドープ可能な材料であることが、安全性、サイクル寿命などの信頼性が向上し好ましい。リチウムをドープ及び脱ドープ可能な材料としては、公知のリチウムイオン電池の負極材として使用されている黒鉛系物質、炭素系物質、錫酸化物系、ケイ素酸化物系等の金属酸化物、或いはポリアセン系有機半導体に代表される導電性高分子等が挙げられる。特に、安全性の観点から、150℃前後の発熱が小さいポリアセン系物質又はこれを含んだ材料が望ましい。
【0019】
本実施形態の非水系二次電池の電解質としては、公知のリチウム塩を含む非水系電解質を使用することができ、正極材料、負極材料、充電電圧等の使用条件により適宜決定され、より具体的にはLiPF6、LiBF4、LiClO4等のリチウム塩を、プロピレンカーボネート、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、メチルエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γーブチルラクトン、酢酸メチル、蟻酸メチル、或いはこれら2種以上の混合溶媒等の有機溶媒に溶解したもの等が例示される。また、電解液の濃度は特に限定されるものではないが、一般的に0.5mol/lから2mol/lが実用的であり、該電解液は当然のことながら、水分が100ppm以下のものを用いることが好ましい。なお、本明細書で使用する非水系電解質とは、非水系電解液、有機電解液を含む概念を意味するものであり、また、ゲル状又は固体の電解質も含む概念を意味するものである。
【0020】
次に、セパレータ104についてさらに詳細に説明する。セパレータ104の構成は、特に限定されるものではないが、単層又は複層のセパレータを用いることができる。セパレータの少なくとも1枚は、150℃の熱収縮率が、面に沿ったいずれの方向においても5%以下であることが望ましく、更には3%以下であることがより望ましい。セパレータは電池内部構造にもよるが、一般には内部短絡防止の目的より、表面の縦及び横方向のサイズが正極及び負極のそれよりも1〜3%程度長くなるように設計されている。このため、前記熱収縮率が5%を超えると、150℃の加熱状態において、セパレータが電極よりも小さなサイズに収縮してしまい、セパレータの周囲で正極と負極とが直接接触する内部短絡を引き起こすおそれがあり、或いは、大きな収縮変形によりセパレータが破れた箇所で、同様に内部短絡の危険が生じるからである。尚、この熱収縮率は、セパレータ104をホットプレート上で25℃から150℃まで加熱し、150℃の状態を10分間維持した後の寸法変化から算出する。
【0021】
このような熱収縮率が小さく耐熱性が高いセパレータ104の材質としては、セルロース系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリフェニレンサルファイド系、フッ素系、ポリオレフィン系等の樹脂、或いは、ガラス繊維のような無機繊維等、特に限定されるものではないが、セルロース系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリフェニレンサルファイド系及びフッ素系の樹脂、並びに無機繊維から選択した少なくとも一種を主成分として含むものであることが、コスト、含水、加工などの観点から望ましい。またセパレータの目付量は、好ましくは5g/m2以上30g/m2以下であり、より好ましくは5g/m2以上20g/m2以下であり、さらに好ましくは8g/m2以上20g/m2以下である。セパレータの目付量が30g/m2を越える場合、セパレータが厚くなることで電池の厚みも大きくなるか、或いは、気孔率が低下して電池の内部抵抗が高くなるので好ましくなく、5g/m2未満の場合、実用的な強度が得られないので好ましくない。
【0022】
上記のように構成された非水系二次電池は、家庭用蓄電システム(夜間電力貯蔵、コージェネレション、太陽光発電等)、電気自動車等の蓄電システム等に用いることができ、大容量且つ高エネルギー密度を有することができる。この場合、エネルギー容量は、好ましくは30Wh以上、より好ましくは50Wh以上であり、且つエネルギー密度は、好ましくは180Wh/l以上、より好ましくは200Wh/lである。エネルギー容量が30Wh未満の場合、或いは、体積エネルギー密度が180Wh/l未満の場合は、蓄電システムに用いるには容量が小さく、充分なシステム容量を得るために電池の直並列数を増やす必要があること、また、コンパクトな設計が困難となることから蓄電システム用としては好ましくない。
【0023】
ところで、一般に、蓄電システム用の大型リチウム二次電池(エネルギー容量30Wh以上)においては、高エネルギー密度が得られるものの、その電池設計が携帯機器用小型電池の延長にあることから、直径又は厚さが携帯機器用小型電池の3倍以上の円筒型、角型等の電池形状とされる。この場合には、充放電時の電池の内部抵抗によるジュール発熱、或いはリチウムイオンの出入りによって活物質のエントロピーが変化することによる電池の内部発熱により、電池内部に熱が蓄積されやすい。このため、電池内部の温度と電池表面付近の温度差が大きく、これに伴って内部抵抗が異なる。その結果、充電量、電圧のバラツキを生じ易い。また、この種の電池は複数個を組電池にして用いるため、システム内での電池の設置位置によっても蓄熱されやすさが異なって各電池間のバラツキが生じ、組電池全体の正確な制御が困難になる。更には、高率充放電時等に放熱が不十分な為、電池温度が上昇し、電池にとって好ましくない状態におかれることから、電解液の分解等よる寿命の低下、更には電池の熱暴走の誘起など信頼性、特に、安全性に問題が残されていた。
【0024】
本実施の形態の扁平形状の非水系二次電池は、放熱面積が大きくなり、放熱に有利であるため、上記のような問題も解決することができる。すなわち、本実施の形態の非水系二次電池は、扁平形状をしており、その厚さは、好ましくは12mm未満、より好ましくは10mm未満、さらに好ましくは8mm未満である。厚さの下限については電極の充填率、電池サイズ(薄くなれば同容量を得るためには面積が大きくなる)を考慮した場合、2mm以上が実用的である。電池の厚さが12mm以上になると、電池内部の発熱を充分に外部に放熱することが難しくなること、或いは電池内部と電池表面付近での温度差が大きくなり、内部抵抗が異なる結果、電池内での充電量、電圧のバラツキが大きくなる。なお、具体的な厚さは、電池容量、エネルギー密度に応じて適宜決定されるが、期待する放熱特性が得られる最大厚さで設計するのが、好ましい。
【0025】
また、本実施の形態の非水系二次電池の形状としては、例えば、扁平形状の表裏面が角形、円形、長円形等の種々の形状とすることができ、角形の場合は、一般に矩形であるが、三角形、六角形等の多角形とすることもできる。さらに、肉厚の薄い円筒等の筒形にすることもできる。筒形の場合は、筒の肉厚がここでいう厚さとなる。また、製造の容易性の観点から、電池の扁平形状の表裏面が矩形であり、図1に示すようなノート型の形状が好ましい。
【0026】
電池ケースとなる上蓋1及び底容器2に用いられる材質は、電池の用途、形状により適宜選択され、特に限定されるものではなく、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム等が一般的であり、実用的である。また、電池ケースの厚さも電池の用途、形状或いは電池ケースの材質により適宜決定され、特に限定されるものではない。好ましくは、その電池表面積の80%以上の部分の厚さ(電池ケースを構成する一番面積が広い部分の厚さ)が0.2mm以上である。上記厚さが0.2mm未満では、電池の製造に必要な強度が得られないことから望ましくなく、この観点から、より好ましくは0.3mm以上である。また、同部分の厚さは、1mm以下であることが望ましい。この厚さが1mmを超えると、電極面を押さえ込む力は大きくなるが、電池の内容積が減少し充分な容量が得られないこと、或いは、重量が重くなることから望ましくなく、この観点からより好ましくは0.7mm以下である。
【0027】
上記のように、非水系二次電池の厚さを12mm未満に設計することにより、例えば、該電池が30Wh以上の大容量且つ180Wh/lの高エネルギー密度を有する場合、高率充放電時等においても、電池温度の上昇が小さく、優れた放熱特性を有することができる。従って、内部発熱による電池の蓄熱が低減され、結果として電池の熱暴走も抑止することが可能となり信頼性、安全性に優れた非水系二次電池を提供することができる。
【0028】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
(実施例)
(1)LiCo2O4100重量部、アセチレンブラック8重量部、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)3重量部をN−メチルピロリドン(NMP)100重量部と混合し正極合材スラリーを得た。該スラリーを集電体となる厚さ20μmのアルミ箔の両面に塗布、乾燥した後、プレスを行い、正極を得た。本実施例において、正極101aの塗布面積(W1×W2)は、262.5×192mm2であり、20μmの集電体105aの両面に103μmの厚さで塗布されている。その結果、電極厚さは226μmとなっている。また、電極の短辺側には電極が塗布されていない耳部分があり、3mm径の取付孔が設けられている。
【0029】
(2)黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ(MCMB、大阪ガスケミカル製、品番6−28)100重量部、PVDF10重量部をNMP90重量部と混合し、負極合材スラリーを得た。該スラリーを集電体となる厚さ14μmの銅箔の両面に塗布、乾燥した後、プレスを行い、負極を得た。負極101b又は101cの塗布面積(W1×W2)は、267×195mm2である。負極101bは、18μmの集電体105bの両面に108μmの厚さで塗布されており、その結果、電極厚さは234μmとなっている。電極の短辺側には電極が塗布されていない耳部分があり、3mm径の取付孔が設けられている。また、負極101cは、負極101bと同様の方法で片面だけに塗布し、厚さ126μmの片面電極とした。
【0030】
(3)上記(1)項で得られた正極8枚、負極9枚(内片面電極2枚)を図2に示すようにセルロース系樹脂であるセパレータ104(ニッポン高度紙工業製、TF4030)を介して、交互に積層し電極積層体を作成した。このセパレータ104の150℃での熱収縮率は、1.0〜1.1%であった。尚、片面電極は、符号101cで示すように最も外側に配置される。
【0031】
(4)電池の底容器2(図1参照)は、0.5mmのSUS304製薄板を深さ5mmに絞り作成した。また、電池の上蓋1も厚さ0.5mmのSUS304製薄板で作成した。上蓋1には、アルミ製の正極端子及び銅製の負極端子3,4(直径6mm)を取り付けた。正極及び負極端子3,4は、ポリプロピレン製ガスケットで上蓋1と絶縁されている。
【0032】
(5)上記(3)項で作成した電極積層体の各正極の取付孔に正極端子3を、各負極の取付孔に負極端子4を挿入し、それぞれアルミ及び銅のボルトで結合した。そして、電極積層体を絶縁テープで固定し、図1の角部Aを全周に亘りレーザー溶接した。その後、電解液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを1:1重量比で混合した溶媒に1mol/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を、6mm径の電解液注液孔5から注液した。ついで、12mm径に打ち抜いた厚さ0.08mmのアルミ箔−変性ポリプロピレンラミネートフィルムによって、40kPaの減圧下での熱融着により、電解液注液孔5を封口した。
(6)上記のようにして得られた電池を5Aの電流で4.1Vまで充電し、その後4.1Vの定電圧を印加する定電流定電圧充電を12時間行い、続いて5Aの低電流で2.5Vまで放電したところ、放電容量は23.5Ahであり、エネルギー容量は85Whであった。容量を確認後再び上記同様の充電を行い充電末状態とした。次に安全性を確認するため、150℃までの加熱試験をUL1642に準じて行った。電池表面温度が150℃以上になっても電池電圧の降下はなく、耐熱性、安全性は良好であった。
【0033】
(比較例)
上記実施例において使用したセパレータに代えて、ポリエチレン系樹脂(旭化成工業製、N710)からなるセパレータを使用し、上記実施例と同様に電池を製造した。
この電池を5Aの電流で4.1Vまで充電し、その後4.1Vの定電圧を印加する定電流定電圧充電を12時間行い、続いて5Aの低電流で2.5Vまで放電したところ、放電容量は23.4Ahであり、エネルギー容量は84Whであった。容量を確認後再び上記同様の充電を行い充電末状態とした。次に安全性を確認するため、150℃までの加熱試験をUL1642に準じて行った。電池表面温度が130℃以上になったところで、電池電圧が急激に降下し、電池の表面温度が加熱雰囲気温度以上に上昇したため、試験を中止した。試験終了後、セパレータの収縮による内部短絡が確認された。
【0034】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな通り、本発明によれば、扁平型電池、特に、大容量且つ高体積エネルギー密度を有する扁平型電池において、高温環境下においても熱収縮率が小さいセパレータを使用することにより、内部短絡を防止し、耐熱性に優れた安全性の高い非水系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】本発明の一実施形態に係る蓄電システム用非水系二次電池の平面図及び側面図を示す図である。
【図2】図1に示す電池の内部に収納される電極積層体の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
1 上蓋
2 底容器
3 正極端子
4 負極端子
5 注液口
6 封口フィルム
101a 正極(両面)
101b 負極(両面)
101c 負極(片面)
104 セパレータ
105a 正極集電体
105b 負極集電体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-aqueous secondary battery, and more particularly to a non-aqueous secondary battery for a power storage system.
[0002]
[Prior art]
In recent years, from the viewpoint of effective use of energy aiming at resource saving and global environmental problems, attention has been focused on home-use distributed storage systems for the storage of late-night power storage and solar power generation, storage systems for electric vehicles, etc. Collecting. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-86463 proposes a total system that combines electricity, gas cogeneration, fuel cells, storage batteries, and the like supplied from a power plant as a system that can supply energy to energy consumers under optimum conditions. ing. A secondary battery used in such a power storage system requires a large battery having a large capacity, unlike a small secondary battery for portable equipment having an energy capacity of 10 Wh or less. For this reason, in the above power storage system, a plurality of secondary batteries are usually stacked in series and used as an assembled battery having a voltage of 50 to 400 V, for example, and in most cases, lead batteries are used.
[0003]
On the other hand, in the field of small secondary batteries for portable devices, the development of nickel-metal hydride batteries and lithium secondary batteries as new batteries has progressed to meet the needs for small size and high capacity, and has a volumetric energy density of 180 Wh / l or more. Batteries are commercially available. In particular, a lithium ion battery has a possibility of a volume energy density exceeding 350 Wh / l, and reliability such as safety and cycle characteristics is superior to a lithium secondary battery using metallic lithium as a negative electrode. , Has dramatically expanded its market.
[0004]
In response, in the field of large-scale batteries for power storage systems, lithium-ion batteries are targeted as candidates for high-energy density batteries, and development is actively underway by the Lithium Battery Power Storage Technology Research Association (LIBES) and others. .
[0005]
The energy capacity of these large-sized lithium ion batteries is about 100 Wh to 400 Wh, and the volume energy density is 200 to 300 Wh / l, the same level as a small secondary battery for portable devices. The shape is typically a cylindrical shape having a diameter of 50 mm to 70 mm, a length of 250 mm to 450 mm, and a flat prismatic shape such as a square or oblong square having a thickness of 35 mm to 50 mm.
[0006]
As for a thin lithium secondary battery, for example, a film battery (Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-159757 and 7-57788, in which a film having a thickness of 1 mm or less obtained by laminating metal and plastic is housed in a thin exterior. And a small prismatic battery having a thickness of about 2 mm to 15 mm (Japanese Patent Laid-Open Nos. 8-195204, 8-138727, 9-213286, etc.) are known. Each of these lithium secondary batteries has a purpose corresponding to the miniaturization and thinning of portable devices. For example, the lithium secondary battery has a thickness of several millimeters that can be stored on the bottom of a portable personal computer and has an area of about JIS A4 size. Although the thin battery which has is also disclosed (Unexamined-Japanese-Patent No. 5-283105), since an energy capacity is 10 Wh or less, a capacity | capacitance is too small as a secondary battery for electrical storage systems.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In general, in small lithium ion batteries for portable devices, separators are currently often designed to have both the role of preventing short circuits and the role of a fuse that stops electrochemical reactions in the event of an abnormality. In response, separators are required to have various characteristics. Specifically, low resistance to obtain high efficiency, mechanical strength such as puncture strength against surface pressure from electrodes and high tensile strength required for entrainment specifications, shutdown that melts and closes the hole at high temperature Characteristics, shape retention after melting, and the like. Therefore, in a small lithium ion battery having an energy capacity of 5 Ah or less, in most cases, a microporous film having a thickness of 20 to 40 μm mainly composed of polyethylene is used.
[0008]
If a malfunction occurs due to equipment failure or misuse on the part of the user, overcharging, external short-circuiting, or standing in a high-temperature environment causes the battery to heat up, causing the electrolyte to decompose or evaporate internally. Gas is generated. In order to prevent an accident associated with an increase in internal pressure, a safety valve is provided on the lid or bottom of the container. As described above, the separator plays an important role as a further safety mechanism. That is, when the battery internal temperature rises abnormally, the polyethylene separator starts to melt from around 120 ° C., and the reaction is suppressed by closing the pores and increasing the battery internal resistance. ing.
[0009]
However, conventionally used polyethylene separators start to shrink simultaneously with the melting phenomenon that closes the pores at high temperature, and the heat shrinkage at high temperature of 150 ° C. is 10% or more in both the vertical and horizontal directions. There were many cases. For this reason, the area of the separator surface is smaller than the area of the electrode surface, or the separator may be torn at the time of large shrinkage deformation, which may cause a risk of an internal short circuit in which the positive electrode and the negative electrode are in direct contact with each other. Problems such as battery thermal runaway occurred. In particular, such a problem is remarkable in a large battery having an energy capacity of 30 Wh or more.
[0010]
An object of the present invention is to provide a highly safe non-aqueous secondary battery having excellent heat resistance in order to solve the above problems.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention is a flat nonaqueous secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt, and has an energy capacity of 30 Wh or more and a volumetric energy density. 180 Wh / l or more, the vertical and horizontal size of the surface of the separator is about 3% longer than that of the negative electrode, the separator is composed of one or more sheets, and at least one separator is thermal shrinkage rate at 0.99 ° C. is state, and are 3% in either direction along the surface, said separator, cellulose, polyester, polyamide, polyphenylene sulfide-based and fluorine-based resins, and inorganic fibers A non-aqueous secondary battery including at least one selected type is provided.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a non-aqueous secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a plan view and a side view of a flat rectangular (note type) non-aqueous secondary battery for an electricity storage system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram of the battery shown in FIG. It is a side view which shows the structure of the electrode laminated body accommodated in an inside.
[0013]
As shown in FIGS. 1 and 2, the non-aqueous secondary battery of this embodiment includes a battery case (battery container) including an
[0014]
The positive
[0015]
In the sealing step, the pressure in the battery is preferably less than atmospheric pressure. Preferably it is 86 kPa or less, More preferably, it is 73 kPa or less. This pressure is determined in consideration of the separator to be used, the type of electrolyte, the material, thickness, shape, etc. of the battery container. When the internal pressure is equal to or higher than atmospheric pressure, the battery becomes larger than the design thickness, resulting in large variations in thickness, which causes variations in the internal resistance and capacity of the battery.
[0016]
The size of the nonaqueous secondary battery shown in FIGS. 1 and 2 is, for example, 300 mm long × 210 mm wide × 6 mm thick, and a lithium secondary using LiMn 2 O 4 for the
[0017]
The positive electrode active material used for the
[0018]
The negative electrode active material used for the
[0019]
As the electrolyte of the non-aqueous secondary battery of this embodiment, a non-aqueous electrolyte containing a known lithium salt can be used, which is appropriately determined according to the use conditions such as the positive electrode material, the negative electrode material, and the charging voltage, and more specifically. Includes lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dimethoxyethane, γ-butyl lactone, methyl acetate, methyl formate, or two or more of these The thing etc. which melt | dissolved in organic solvents, such as a mixed solvent, are illustrated. Further, the concentration of the electrolytic solution is not particularly limited, but generally 0.5 mol / l to 2 mol / l is practical, and naturally the electrolytic solution has a water content of 100 ppm or less. It is preferable to use it. In addition, the non-aqueous electrolyte used in this specification means a concept including a non-aqueous electrolyte solution and an organic electrolyte solution, and also refers to a concept including a gel-like or solid electrolyte.
[0020]
Next, the
[0021]
Examples of the material of the
[0022]
The non-aqueous secondary battery configured as described above can be used for a household power storage system (night power storage, cogeneration, solar power generation, etc.), a power storage system such as an electric vehicle, and the like. It can have an energy density. In this case, the energy capacity is preferably 30 Wh or more, more preferably 50 Wh or more, and the energy density is preferably 180 Wh / l or more, more preferably 200 Wh / l. When the energy capacity is less than 30 Wh or when the volumetric energy density is less than 180 Wh / l, the capacity is small for use in the power storage system, and it is necessary to increase the number of series-parallel batteries to obtain sufficient system capacity. In addition, it is not preferable for a power storage system because a compact design becomes difficult.
[0023]
By the way, in general, a large lithium secondary battery (energy capacity of 30 Wh or more) for a power storage system can obtain a high energy density, but its battery design is an extension of a small battery for portable devices. However, the shape of the battery is a cylindrical shape, a rectangular shape or the like that is three times or more that of a small battery for portable devices. In this case, heat is likely to be accumulated inside the battery due to Joule heat generation due to the internal resistance of the battery during charging and discharging, or internal heat generation of the battery due to change in entropy of the active material due to the entry and exit of lithium ions. For this reason, the temperature difference between the temperature inside the battery and the vicinity of the battery surface is large, and the internal resistance differs accordingly. As a result, variations in charge amount and voltage are likely to occur. In addition, since this type of battery is used as a plurality of assembled batteries, the ease of heat storage differs depending on the installation position of the batteries in the system, resulting in variations among the batteries, and accurate control of the entire assembled battery is possible. It becomes difficult. In addition, because of insufficient heat dissipation during high-rate charging / discharging, etc., the battery temperature rises, leaving the battery unfavorable, resulting in a decrease in life due to decomposition of the electrolyte, and thermal runaway of the battery. Problems such as induction of reliability, particularly safety, remained.
[0024]
The flat non-aqueous secondary battery according to the present embodiment has a large heat radiation area and is advantageous for heat radiation, and thus can solve the above-described problems. That is, the nonaqueous secondary battery of the present embodiment has a flat shape, and the thickness thereof is preferably less than 12 mm, more preferably less than 10 mm, and further preferably less than 8 mm. As for the lower limit of the thickness, 2 mm or more is practical in consideration of the filling factor of the electrode and the battery size (the area becomes larger in order to obtain the same capacity as the thickness is reduced). When the thickness of the battery is 12 mm or more, it becomes difficult to sufficiently dissipate the heat generated inside the battery to the outside, or the temperature difference between the inside of the battery and the vicinity of the battery surface increases, resulting in different internal resistances. The variation in the amount of charge and voltage in the battery increases. The specific thickness is appropriately determined according to the battery capacity and the energy density, but it is preferable to design with the maximum thickness that provides the expected heat dissipation characteristics.
[0025]
In addition, as the shape of the non-aqueous secondary battery of the present embodiment, for example, the flat front and back surfaces can be various shapes such as a square, a circle, an oval, etc. However, it may be a polygon such as a triangle or a hexagon. Furthermore, it can also be made into cylindrical shapes, such as a thin cylinder. In the case of a cylinder, the thickness of the cylinder is the thickness referred to here. Further, from the viewpoint of ease of manufacture, the flat front and back surfaces of the battery are rectangular, and a notebook shape as shown in FIG. 1 is preferable.
[0026]
The materials used for the
[0027]
As described above, by designing the thickness of the non-aqueous secondary battery to be less than 12 mm, for example, when the battery has a large capacity of 30 Wh or more and a high energy density of 180 Wh / l, a high rate charge / discharge, etc. However, the rise in battery temperature is small, and it can have excellent heat dissipation characteristics. Therefore, the heat storage of the battery due to internal heat generation is reduced, and as a result, it is possible to suppress the thermal runaway of the battery, and it is possible to provide a non-aqueous secondary battery excellent in reliability and safety.
[0028]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
(Example)
(1) 100 parts by weight of LiCo 2
[0029]
(2) 100 parts by weight of graphitized mesocarbon microbeads (MCMB, manufactured by Osaka Gas Chemical Co., No. 6-28) and 10 parts by weight of PVDF were mixed with 90 parts by weight of NMP to obtain a negative electrode mixture slurry. The slurry was applied to both sides of a 14 μm thick copper foil serving as a current collector, dried, and then pressed to obtain a negative electrode. The application area (W1 × W2) of the
[0030]
(3) The separator 104 (manufactured by Nippon Kogyo Paper Industries Co., Ltd., TF4030), which is a cellulosic resin, as shown in FIG. Thus, an electrode laminate was prepared by alternately laminating. The thermal contraction rate of this
[0031]
(4) The
[0032]
(5) The
(6) The battery obtained as described above is charged to 4.1 V with a current of 5 A, and then a constant current and constant voltage charge for applying a constant voltage of 4.1 V is performed for 12 hours, followed by a low current of 5 A. When discharged to 2.5 V, the discharge capacity was 23.5 Ah, and the energy capacity was 85 Wh. After confirming the capacity, the same charging as described above was performed again to obtain the end-of-charge state. Next, in order to confirm safety, a heating test up to 150 ° C. was performed according to UL1642. Even when the battery surface temperature was 150 ° C. or higher, the battery voltage did not drop, and the heat resistance and safety were good.
[0033]
(Comparative example)
A battery made of a polyethylene resin (N710, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.) was used in place of the separator used in the above example, and a battery was manufactured in the same manner as in the above example.
This battery was charged to 4.1 V with a current of 5 A, then subjected to constant current and constant voltage charging to which a constant voltage of 4.1 V was applied, and then discharged to 2.5 V with a low current of 5 A. The capacity was 23.4 Ah and the energy capacity was 84 Wh. After confirming the capacity, the same charging as described above was performed again to obtain the end-of-charge state. Next, in order to confirm safety, a heating test up to 150 ° C. was performed according to UL1642. When the battery surface temperature reached 130 ° C. or higher, the battery voltage dropped rapidly, and the battery surface temperature rose above the heating atmosphere temperature, so the test was stopped. After the test, an internal short circuit due to shrinkage of the separator was confirmed.
[0034]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, a flat battery, particularly a flat battery having a large capacity and a high volume energy density, can be used by using a separator having a low thermal shrinkage even in a high temperature environment. In addition, it is possible to provide a highly safe non-aqueous secondary battery that prevents internal short circuit and has excellent heat resistance.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are a plan view and a side view of a nonaqueous secondary battery for a power storage system according to an embodiment of the present invention.
2 is a side view showing a configuration of an electrode laminate housed in the battery shown in FIG. 1. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
101b Negative electrode (both sides)
101c Negative electrode (single side)
104
Claims (6)
エネルギー容量が30Wh以上且つ体積エネルギー密度が180Wh/l以上であり、
前記セパレータの表面の縦及び横方向のサイズは前記負極のそれよりも3%程度長く、
前記セパレータは一枚あるいは複数枚から構成され、
少なくとも1枚の前記セパレータは、150℃での熱収縮率が、面に沿う方向のいずれにおいても3%以下であり、
前記セパレータは、セルロース系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリフェニレンサルファイド系及びフッ素系の樹脂、並びに無機繊維から選択した少なくとも一種を含むことを特徴とする非水系二次電池。A flat non-aqueous secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt,
The energy capacity is 30 Wh or more and the volume energy density is 180 Wh / l or more,
The vertical and horizontal size of the separator surface is about 3% longer than that of the negative electrode,
The separator is composed of one or more sheets,
At least one of said separator, thermal shrinkage at 0.99 ° C., Ri der 3% in either direction along the surface,
The non-aqueous secondary battery , wherein the separator includes at least one selected from cellulose-based, polyester-based, polyamide-based, polyphenylene sulfide-based and fluorine-based resins, and inorganic fibers .
エネルギー容量が30Wh以上且つ体積エネルギー密度が180Wh/l以上であり、The energy capacity is 30 Wh or more and the volume energy density is 180 Wh / l or more,
前記セパレータの表面の縦及び横方向のサイズは前記負極のそれよりも3%程度長く、The vertical and horizontal sizes of the separator surface are about 3% longer than that of the negative electrode,
前記セパレータは一枚あるいは複数枚から構成され、The separator is composed of one or more sheets,
少なくとも1枚の前記セパレータは、150℃での熱収縮率が、面に沿う方向のいずれにおいても1.1%以下であり、At least one of the separators has a thermal shrinkage rate at 150 ° C. of 1.1% or less in any of the directions along the surface,
前記セパレータは、セルロース系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリフェニレンサルファイド系及びフッ素系の樹脂、並びに無機繊維から選択した少なくとも一種を含むことを特徴とする非水系二次電池。The non-aqueous secondary battery, wherein the separator includes at least one selected from cellulose-based, polyester-based, polyamide-based, polyphenylene sulfide-based and fluorine-based resins, and inorganic fibers.
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