JP4952193B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、膨潤溶媒を含有するゲル電解質とを備えたリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery provided with a gel electrolyte containing a swelling solvent.
携帯電話やビデオカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ等、携帯型電子機器の電源として、電池の重要性が高まってきている。電子機器の小型軽量化を図るために、大容量を有することは勿論、軽く、省スペースの電池が求められている。このような観点から、携帯型電子機器の電源としては、エネルギー密度及び出力密度の大きいリチウム電池が適している。炭素材料を負極に使用したリチウム電池は、放電平均電圧が3.7V以上であり、その充放電時のサイクル劣化も比較的小さいことから、高エネルギー密度を実現しやすい利点を有する。 Batteries are becoming increasingly important as power sources for portable electronic devices such as mobile phones, video cameras, and notebook personal computers. In order to reduce the size and weight of electronic devices, there is a need for a light and space-saving battery as well as a large capacity. From such a viewpoint, a lithium battery having a high energy density and a high output density is suitable as a power source for the portable electronic device. A lithium battery using a carbon material as a negative electrode has an average discharge voltage of 3.7 V or more, and has a relatively small cycle deterioration at the time of charge and discharge, and thus has an advantage of easily realizing a high energy density.
リチウム電池の中でも、柔軟性を有し形状の自由度が高い電池、あるいは薄型大面積のシート型電池、薄型小面積のカード型電池等、種々の形状の電池が望まれているが、金属製の外装缶の内部に、正極と負極とからなる電池素子と電解液とを封じ込める従来の手法では、上述したような種々の形状の電池を作ることは難しい。また、電解液を用いることで、工程が煩雑になったり、液漏れ対策の必要がでてくる。 Among lithium batteries, there are demands for batteries of various shapes, such as batteries having flexibility and a high degree of freedom of shape, thin and large area sheet type batteries, thin and small area card type batteries, etc. It is difficult to make batteries of various shapes as described above by the conventional method of enclosing a battery element composed of a positive electrode and a negative electrode and an electrolyte in the outer can. In addition, the use of the electrolytic solution complicates the process and requires countermeasures against liquid leakage.
上述したような問題を解決するために、導電性の有機高分子や無機セラミックスを用いた固体電解質や、マトリクスポリマ中に電解液を含浸させたゲル状の固体電解質(以下、ゲル電解質と称する。)を用いる電池が検討されている。これらの固体電解質を用いた固体電解質電池や、ゲル電解質を用いたゲル電解質電池では、電解質が固定化されているため、電極と電解質との間での接触を保持することができる。そのため、これらの電池では、金属外装缶により電解液を封じ込めたり電池素子に圧力をかける必要がなく、フィルム状の外装材を使用して電池を薄く作ることができ、従来の電池よりも高いエネルギー密度を提供することが可能である。 In order to solve the above-described problems, a solid electrolyte using a conductive organic polymer or inorganic ceramic, or a gel-like solid electrolyte in which a matrix polymer is impregnated with an electrolytic solution (hereinafter referred to as a gel electrolyte). ) Is being studied. In a solid electrolyte battery using these solid electrolytes and a gel electrolyte battery using a gel electrolyte, since the electrolyte is fixed, the contact between the electrode and the electrolyte can be maintained. Therefore, in these batteries, there is no need to enclose the electrolytic solution in a metal outer can or apply pressure to the battery element, and the battery can be made thinner by using a film-like outer packaging material, which has higher energy than conventional batteries. It is possible to provide density.
一般に、固体電解質電池は、「高性能二次電池における材料技術とその評価応用展開(技術情報協会 1998)」等にも記載されているように、固体電解質自身が適当な機械的強度を有するため、従来の電解液を利用した電池とは異なる電池構造を選択することが可能である。その一例として、正極と負極との間にセパレータを配しなくとも電池製造が可能であることが報告されており、これが固体電解質の利点として認識されている。 In general, solid electrolyte batteries themselves have appropriate mechanical strength, as described in “Material Technology for High Performance Secondary Batteries and Their Evaluation and Application Development (Technical Information Society 1998)”. It is possible to select a battery structure different from that of a battery using a conventional electrolytic solution. As an example, it has been reported that a battery can be manufactured without providing a separator between the positive electrode and the negative electrode, which is recognized as an advantage of the solid electrolyte.
しかしながら、これまでに報告されている固体電解質は、突き刺し強度等を含む機械的強度が、ポリオレフィン製微孔性膜等よりなる従来のセパレータよりも相対的に低い。そのため、従来の固体電解質電池においては、エネルギー密度を向上させるために固体電解質層の厚みを例えば40μm以下と薄くすると、多くの場合、電池組み立て後に内部短絡が発生してしまうという問題が指摘されている。このように、固体電解質層の厚みを薄くして固体電解質電池の高エネルギー密度化を図ることは困難であった。 However, the solid electrolytes reported so far have relatively lower mechanical strength including piercing strength and the like than conventional separators made of a polyolefin microporous membrane or the like. Therefore, in the conventional solid electrolyte battery, when the thickness of the solid electrolyte layer is reduced to, for example, 40 μm or less in order to improve the energy density, an internal short circuit is often generated after the battery is assembled. Yes. Thus, it has been difficult to increase the energy density of the solid electrolyte battery by reducing the thickness of the solid electrolyte layer.
他方、電池の信頼性を評価する指標となっている耐熱性項目についても、従来の固体電解質電池は相対的に低いことが指摘されている。市販されている電池の一部においては、いわゆるシャットダウン効果を使用することで、耐熱性を確保する工夫がなされている。一方、固体電解質電池では、上記シャットダウン効果を有する固体電解質材料は見いだされていない。 On the other hand, it is pointed out that the conventional solid electrolyte battery is relatively low also about the heat resistance item used as the parameter | index which evaluates the reliability of a battery. Some of the commercially available batteries have been devised to ensure heat resistance by using a so-called shutdown effect. On the other hand, no solid electrolyte material having the shutdown effect has been found in solid electrolyte batteries.
さらに、電池の信頼性及び安全性については、一般的な傾向として、電池のエネルギー密度が増加するにつれて、信頼性や安全性の確保が難しくなることから、固体電解質電池の高エネルギー密度化を図る上で、その安全性を確保する技術も同時に電池設計へ盛り込む必要がある。 Furthermore, regarding the reliability and safety of the battery, as a general tendency, as the energy density of the battery increases, it becomes difficult to ensure the reliability and safety, so that the solid electrolyte battery has a higher energy density. At the same time, it is necessary to incorporate the technology to ensure the safety into the battery design.
薄型電池構築の際に、セパレータとしてのポリオレフィン系のセパレータ、特にポリエチレンセパレータを用いている。 In the construction of a thin battery, a polyolefin-based separator, particularly a polyethylene separator, is used as a separator.
通常の状態では、電池温度がメルトダウンし、正負極間が短絡しても熱暴走は起こらない。しかし、異常な環境下での使用、例えば充電電圧が日常的に使われている電圧よりも高くなっているような場合に、電池温度が上昇した際には、危険な状況が起こりうる。上記のような状況に陥った際にセパレータとしてポリエチレンを用いていると、ポリエチレンのメルトダウン温度はポリプロピレンよりも低く、セパレータのメルトダウンすなわちセパレータの破膜が起こりやすくなるため、正負極間でのショートが起こり、発熱するおそれがある。 Under normal conditions, even if the battery temperature melts down and the positive and negative electrodes are short-circuited, thermal runaway does not occur. However, a dangerous situation can occur when the battery temperature rises when used in an abnormal environment, such as when the charging voltage is higher than the voltage that is routinely used. When polyethylene is used as a separator when falling into the above situation, the meltdown temperature of polyethylene is lower than that of polypropylene, and the meltdown of the separator, that is, the film breakage of the separator is likely to occur. Short circuit may occur and heat may be generated.
本発明は、上述したような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、エネルギー密度及び安全性を大幅に改善した膨潤溶媒を含有するゲル電解質とを備えたリチウム二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the conventional situation as described above, and provides a lithium secondary battery including a gel electrolyte containing a swelling solvent that greatly improves energy density and safety. With the goal.
本発明に係るリチウム二次電池は、正極と、上記正極と対向して配された負極と、上記正極と上記負極との間に配されたセパレータと、上記正極と上記セパレータとの間及び上記セパレータと上記負極との間に介在された膨潤溶媒を含有するゲル電解質とを備え、上記セパレータは、ポリエチレンとポリプロピレンとの複合体からなり、厚さが5μm以上、15μm以下の範囲であり、メルトダウン温度が、ポリエチレンからなるセパレータのメルトダウン温度よりも10℃以上、30℃以下の範囲で高く、破断強度が1650kg/cm2未満であり、且つ、破断伸度が135%以上であり、上記膨潤溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジエチルエーテル、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルスルフォオキサイド、1,3−ジオキソラン、メチルスルフォメート、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、スルホラン、2,4−ジフロロアニソール、ビニレンカーボネートからなる群のうちの少なくとも一種を含有する。 The lithium secondary battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode disposed opposite to the positive electrode, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and between the positive electrode and the separator and the above A gel electrolyte containing a swelling solvent interposed between the separator and the negative electrode, the separator is made of a composite of polyethylene and polypropylene, and has a thickness in the range of 5 μm to 15 μm, The down temperature is higher than the melt down temperature of the separator made of polyethylene by 10 ° C. or more and 30 ° C. or less, the breaking strength is less than 1650 kg / cm 2 , and the breaking elongation is 135% or more, As swelling solvents, ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, diethyl ether, diethyl carbo Nate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, methyl sulfomate, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, sulfolane, 2,4-difluoroanisole, vinylene carbonate Of at least one of them.
ここで、ゲル電解質は、マトリックスポリマを含み、マトリクスポリマと膨潤溶媒との混合比率は、重量比で、マトリクスポリマ:膨潤溶媒=1:5以上、1:10以下の範囲であることが望ましい。 Here, the gel electrolyte includes a matrix polymer, and the mixing ratio of the matrix polymer and the swelling solvent is desirably in a range of weight ratio of matrix polymer: swelling solvent = 1: 5 or more and 1:10 or less.
また、本発明に係るリチウム二次電池は、正極と、上記正極と対向して配された負極と、上記正極と上記負極との間に配されたセパレータと、上記正極と上記セパレータとの間及び上記セパレータと上記負極との間に介在された膨潤溶媒を含有するゲル電解質とを備え、上記セパレータは、ポリエチレンからなる第1のセパレータと、ポリプロピレンからなる第2のセパレータとが張り合わされてなり、厚さが5μm以上、15μm以下の範囲であり、メルトダウン温度が、ポリプロピレンからなるセパレータと同等であり、破断強度が1650kg/cm2未満であり、且つ、破断伸度が135%以上であり、上記膨潤溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジエチルエーテル、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルスルフォオキサイド、1,3−ジオキソラン、メチルスルフォメート、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、スルホラン、2,4−ジフロロアニソール、ビニレンカーボネートからなる群のうちの少なくとも一種を含有する。 Further, the lithium secondary battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode disposed opposite to the positive electrode, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and between the positive electrode and the separator. And a gel electrolyte containing a swelling solvent interposed between the separator and the negative electrode, wherein the separator is formed by laminating a first separator made of polyethylene and a second separator made of polypropylene. The thickness is in the range of 5 μm or more and 15 μm or less, the meltdown temperature is equivalent to that of a separator made of polypropylene, the breaking strength is less than 1650 kg / cm 2 , and the breaking elongation is 135% or more. As the swelling solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, diethyl ether , Diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, methyl sulfomate, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, sulfolane, 2,4-difluoroanisole, vinylene carbonate Containing at least one of the group consisting of
ここで、ゲル電解質は、マトリックスポリマを含み、マトリクスポリマと膨潤溶媒との混合比率は、重量比で、マトリクスポリマ:膨潤溶媒=1:5以上、1:10以下の範囲であることが望ましい。 Here, the gel electrolyte includes a matrix polymer, and the mixing ratio of the matrix polymer and the swelling solvent is desirably in a range of weight ratio of matrix polymer: swelling solvent = 1: 5 or more and 1:10 or less.
本発明に係るリチウム二次電池は、機械的特性及び熱的性質を規定したポリエチレンとポリプロピレンとの複合体からなるセパレータ、又はポリエチレンからなる第1のセパレータと、ポリプロピレンからなる第2のセパレータとが張り合わされてなるセパレータを用いることで、従来困難とされていた、電池の高エネルギー密度化と安全性との両立を図ることが可能となり、電池特性及び安全性に優れた高性能のリチウム二次電池を実現することができる。 The lithium secondary battery according to the present invention includes a separator made of a composite of polyethylene and polypropylene, which defines mechanical properties and thermal properties, or a first separator made of polyethylene and a second separator made of polypropylene. By using a separator that is bonded together, it has become possible to achieve both high energy density and safety of the battery, which has been considered difficult in the past, and high-performance lithium secondary that has excellent battery characteristics and safety. A battery can be realized.
まず、本発明の説明に先立って参考例となるゲル電解質電池について説明する。Prior to the description of the present invention, a gel electrolyte battery as a reference example will be described.
ゲル電解質電池1の一構成例を図1及び図2に示す。このゲル電解質電池1は、帯状の正極2と、正極2と対向して配された帯状の負極3と、正極2及び負極3上に形成されたゲル電解質層4と、ゲル電解質層4が形成された正極2とゲル電解質層4が形成された負極3との間に配されたセパレータ5とを備える。
A configuration example of a gel electrolyte battery 1 shown in FIGS. The gel electrolyte battery 1 includes a strip-shaped positive electrode 2, a strip-shaped
そして、このゲル電解質電池1は、ゲル電解質層4が形成された正極2とゲル電解質層4が形成された負極3とが、セパレータ5を介して積層されるとともに長手方向に巻回された、図3に示す電極巻回体6が、絶縁材料からなる外装フィルム7により覆われて密閉されている。そして、正極2には正極端子8が、負極3には負極端子9がそれぞれ接続されており、これらの正極端子8と負極端子9とは、外装フィルム7の周縁部である封口部に挟み込まれている。また、正極端子8及び負極端子9が外装フィルム7と接する部分には、樹脂フィルム10が配されている。
In this gel electrolyte battery 1, the positive electrode 2 on which the
正極2は、図4に示すように、正極活物質を含有する正極活物質層2aが、正極集電体2bの両面上に形成されている。この正極集電体2bとしては、例えばアルミニウム箔等の金属箔が用いられる。
As shown in FIG. 4, in the positive electrode 2, positive electrode
正極活物質には、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、スピネルマンガン酸リチウム等のリチウム複合酸化物を用いることができる。これらのリチウム複合酸化物は、一種類を単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。 As the positive electrode active material, lithium composite oxides such as lithium cobaltate, lithium nickelate, and spinel lithium manganate can be used. These lithium composite oxides may be used alone or in combination of two or more.
さらに、上述したようなリチウム複合酸化物は、平均粒径が15μm以下のものを用いることが好ましい。平均粒径が15μm以下のリチウム複合酸化物を正極活物質として用いることで、内部抵抗が低く高出力特性に優れるゲル電解質電池を得ることができる。 Furthermore, it is preferable to use a lithium composite oxide having an average particle size of 15 μm or less as described above. By using a lithium composite oxide having an average particle size of 15 μm or less as a positive electrode active material, a gel electrolyte battery having low internal resistance and excellent high output characteristics can be obtained.
なお、図4では、正極2の正極活物質層2a上に、後述するゲル電解質層4が形成された状態を示している。
4 shows a state where a
また、負極3は、図5に示すように、負極活物質を含有する負極活物質層3aが、負極集電体3bの両面上に形成されている。この負極集電体3bとしては、例えば銅箔等の金属箔が用いられる。
Further, in the
負極活物質にはリチウムをドープ、脱ドープできる材料を用いることができる。このようなリチウムをドープ、脱ドープできる材料として、リチウム金属及びその合金、又は炭素材料等を用いることができる。炭素材料として具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、アセチレンブラック等のカーボンブラック類、ガラス状炭素、活性炭、炭素繊維、有機高分子焼成体、コーヒー豆焼成体、セルロース焼成体、竹焼成体等が挙げられる。 As the negative electrode active material, a material that can be doped or dedoped with lithium can be used. As a material capable of doping and dedoping such lithium, lithium metal and an alloy thereof, a carbon material, or the like can be used. Specific examples of carbon materials include carbon blacks such as natural graphite, artificial graphite, pyrolytic carbons, cokes, acetylene black, glassy carbon, activated carbon, carbon fiber, organic polymer fired body, coffee bean fired body, A cellulose fired body, a bamboo fired body, etc. are mentioned.
上述したような材料の中でも、本発明者の鋭意検討の結果、2800℃程度の焼成温度で黒鉛化されたメソカーボンマイクロビーズカーボンを使用することが好ましいことがわかった。上記メソカーボンマイクロビーズカーボンは、電解液に対して高い電気化学的安定性を示すことから、プロピレンカーボネートを含有する電解液を使用するようなゲル電解質との組み合わせにおいて特に有効である。 Among the materials described above, as a result of intensive studies by the inventors, it has been found that it is preferable to use mesocarbon microbead carbon graphitized at a firing temperature of about 2800 ° C. Since the mesocarbon microbead carbon exhibits high electrochemical stability with respect to the electrolytic solution, the mesocarbon microbead carbon is particularly effective in combination with a gel electrolyte that uses an electrolytic solution containing propylene carbonate.
さらに、このメソカーボンマイクロビーズカーボンは、平均粒径が6μmから25μmの範囲にあることが好ましい。メソカーボンマイクロビーズカーボンの平均粒径が小さいほど電極反応における過電圧を低減させることが可能となり、結果的に電池出力特性を改善することができる。しかし、電極充填密度を向上させるには、平均粒径が大きい方が有利であることから、平均粒径が6μmから25μmの範囲にあるメソカーボンマイクロビーズカーボンを用いることが好ましい。 Further, the mesocarbon microbead carbon preferably has an average particle size in the range of 6 μm to 25 μm. As the average particle size of mesocarbon microbead carbon is smaller, it is possible to reduce the overvoltage in the electrode reaction, and as a result, the battery output characteristics can be improved. However, in order to improve the electrode packing density, it is advantageous to use a mesocarbon microbead carbon having an average particle diameter in the range of 6 μm to 25 μm because it is advantageous that the average particle diameter is large.
なお、図5では、負極3の負極活物質層3a上に、後述するゲル電解質層4が形成された状態を示している。
FIG. 5 shows a state where a
ゲル電解質層4は、電解質塩と、マトリクスポリマと、可塑剤としての膨潤溶媒とを含有する。
The
電解質塩は、LiPF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiAsF6、LiBF4、LiN(CF3SO3)2、C4F9SO3Li等を単独又は混合して使用することができる。その中でも、イオン伝導性等の観点から、LiPF6を使用することが好ましい。 As the electrolyte salt, LiPF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiN (CF 3 SO 3 ) 2 , C 4 F 9 SO 3 Li, or the like can be used alone or in combination. Among them, it is preferable to use LiPF 6 from the viewpoint of ion conductivity and the like.
マトリクスポリマは、ポリマ単体若しくはこれを用いたゲル電解質が、室温で1mS/cm以上のイオン伝導度を示すものであれば、特に化学的な構造は限定されない。このマトリクスポリマとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキサイド、ポリシロキサン系化合物、ポリフォスファゼン系化合物、ポリプロピレンオキサイド、ポリメチルメタアクリレート、ポリメタクリロニトリル、ポリエーテル系化合物等が挙げられる。又は、上記高分子にその他の高分子を共重合させた材料を用いることも可能である。化学的安定性及びイオン伝導性の観点からは、ポリフッ化ビニリデンとポリヘキサフルオロプロピレンの共重合比が重量比で8%未満となる材料を使用するのが好ましい。 The matrix polymer is not particularly limited in chemical structure as long as the polymer alone or a gel electrolyte using the polymer exhibits an ionic conductivity of 1 mS / cm or more at room temperature. Examples of the matrix polymer include polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyethylene oxide, polysiloxane compounds, polyphosphazene compounds, polypropylene oxide, polymethyl methacrylate, polymethacrylonitrile, polyether compounds, and the like. Alternatively, a material obtained by copolymerizing the above polymer with another polymer can be used. From the viewpoint of chemical stability and ionic conductivity, it is preferable to use a material in which the copolymerization ratio of polyvinylidene fluoride and polyhexafluoropropylene is less than 8% by weight.
膨潤溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジエチルエーテル、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルスルフォオキサイド、1,3−ジオキソラン、メチルスルフォメート、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、スルホラン、2,4−ジフロロアニソール、ビニレンカーボネート等の非水溶媒を単独又は混合して用いることができる。 As swelling solvents, ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, diethyl ether, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, methyl sulfomate, 2 -Nonaqueous solvents such as methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, sulfolane, 2,4-difluoroanisole, vinylene carbonate and the like can be used alone or in combination.
上述したような溶媒の中でも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等、比較的広い電位窓を有するものを用いることが好ましい。なお、ここで電位窓とは、当該溶媒が安定に存在できる電位領域のことをいう。 Among the solvents described above, it is preferable to use a solvent having a relatively wide potential window, such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and γ-butyrolactone. Here, the potential window refers to a potential region where the solvent can exist stably.
また、2,4−ジフロロアニソール、ビニレンカーボネートは、全溶媒重量に対して0.5%〜5%の範囲で添加することで、電池特性が向上する場合がある。 In addition, battery characteristics may be improved by adding 2,4-difluoroanisole and vinylene carbonate in the range of 0.5% to 5% with respect to the total solvent weight.
ここで、このゲル電解質層4において、上述したマトリクスポリマと膨潤溶媒との混合比率は、重量比で、マトリクスポリマ:膨潤溶媒=1:5以上、1:10以下の範囲であることが好ましい。膨潤溶媒の量がマトリクスポリマに対して5倍量よりも少ないと、ゲル電解質中の電解液成分が欠乏し、ゲル電解質層4のイオン伝導性が低下してしまう。また、膨潤溶媒の量がマトリクスポリマに対して10倍量よりも多いと、ゲル電解質自身が脆化し、マトリクスポリマの十分な液体保持性能が発揮されない。
Here, in the
マトリクスポリマと膨潤溶媒との混合比率を上記の範囲とすることで、マトリクスポリマの液体保持性能を維持しつつ、ゲル電解質層4のイオン伝導性を確保することができる。
By setting the mixing ratio of the matrix polymer and the swelling solvent in the above range, the ionic conductivity of the
そして、このようなゲル電解質層4の厚みは5μm以上、19μm以下であることが好ましい。ゲル電解質層4の厚みが5μmよりも小さいと、円滑に電極反応を進行させるのに必要なゲル量を確保することが困難になる。また、ゲル電解質層4の厚みが19μmよりも大きいと正極2と負極3との間の距離が増加し、電極間距離の増加に伴い、電池エネルギー密度や出力特性が不必要に低下するため好ましくない。したがって、ゲル電解質層4の厚みを5μm以上、19μm以下とすることで、電池エネルギー密度や出力特性を低下させることなく、電極反応を円滑に行うことができる。
And it is preferable that the thickness of such a
セパレータ5は、正極2と負極3との間に配され、正極2と負極3との物理的接触による短絡を防止する。
The separator 5 is disposed between the positive electrode 2 and the
そして、セパレータ5の厚みは、5μm以上、15μm以下範囲に規定される。セパレータ5の厚みが5μmよりも小さいと、電池製造時におけるセパレータ5の取り扱いが難しくなり、ゲル電解質電池1の歩留まりが低下してしまう。また、セパレータ5の厚みが15μmよりも大きいと、ゲル電解質電池1の内部抵抗が増加するほか、エネルギー密度の損失が大きくなってしまうという不都合が生じる。したがって、セパレータ5の厚みを、5μm以上、15μm以下の範囲とすることで、ゲル電解質電池1の歩留まりの低下や、ゲル電解質電池1の内部抵抗が増加又はエネルギー密度の損失を防ぐことができる。 The thickness of the separators 5, 5 [mu] m or more, is defined in the range 15μm or less. If the thickness of the separator 5 is smaller than 5 μm, it becomes difficult to handle the separator 5 during battery manufacture, and the yield of the gel electrolyte battery 1 is reduced. On the other hand, when the thickness of the separator 5 is larger than 15 μm, the internal resistance of the gel electrolyte battery 1 increases and the loss of energy density increases. Therefore, by setting the thickness of the separator 5 in the range of 5 μm or more and 15 μm or less, it is possible to prevent the yield of the gel electrolyte battery 1 from decreasing, the internal resistance of the gel electrolyte battery 1 from increasing, or the loss of energy density.
また、セパレータ5の空孔率は、25%以上、60%以下の範囲に規定される。セパレータ5の空孔率が25%よりも小さいと、ゲル電解質電池1の内部抵抗が増加し、所定の出力特性が得られなくなる。また、セパレータ5の空孔率が60%よりも大きいと、セパレータ5自身の機械的強度を発現させることが困難になる。したがって、セパレータ5の空孔率を25%以上、60%以下の範囲とすることで、ゲル電解質電池1の内部抵抗を増加させることなくセパレータ5自身の機械的強度を確保することができる。
The porosity of the
また、セパレータ5は、電池温度が100℃以上、160℃以下の範囲においてシャットダウン効果を示す。電池温度が100℃以上、160℃以下の範囲でシャットダウン効果を得るためには、セパレータ5を構成する材料の融点が、100℃以上、160℃以下の範囲内に存在することが必要である。また、セパレータ5は電極間に配されるものであることから、電気化学的安定性に富むことが要求される。 Further, separators 5, the battery temperature is 100 ° C. or higher, indicating a shutdown effect in the range of 160 ° C. or less. In order to obtain the shutdown effect when the battery temperature is in the range of 100 ° C. or higher and 160 ° C. or lower, the melting point of the material constituting the separator 5 needs to be in the range of 100 ° C. or higher and 160 ° C. or lower. Further, since the separator 5 is disposed between the electrodes, it is required that the separator 5 is rich in electrochemical stability.
ここで、セパレータ5が100℃以上、160℃以下の電池温度範囲においてシャットダウン効果を示すとは、100℃以上、160℃以下の範囲の電池温度において、電池内部インピーダンスが、室温時よりも2桁以上大きくなることを示す。 Here, separators 5 100 ° C. or higher, and shows the shutdown effect in the battery temperature range of 160 ° C. or less, 100 ° C. or higher, the battery temperature in the range of 160 ° C. or less, the battery internal impedance, 2 than at room temperature Indicates that it will be more than an order of magnitude larger.
上述したような条件を満足する材料としては、ポリオレフィン系高分子が代表的であり、ポリエチレンやポリプロピレン等を使用することができる。その中でも、セパレータ5の材料としてポリエチレンを用いることが好ましい。上述したポリオレフィン系高分子の他にも、ゲル電解質に対する化学的安定性を備えた樹脂であれば、上記ポリエチレンやポリプロピレンと共重合化させたり、又はブレンド化することで使用することが可能である。 A typical example of a material that satisfies the above-described conditions is a polyolefin polymer, and polyethylene, polypropylene, or the like can be used. Among these, it is preferable to use polyethylene as a material for the separator 5. In addition to the above-described polyolefin polymer, any resin having chemical stability against gel electrolyte can be used by copolymerizing or blending with the polyethylene or polypropylene. .
以上より、すなわち、厚さが5μm以上、15μm以下の範囲であり、空孔率が25%、60%以下の範囲であり、且つ、100℃以上160℃以下の範囲においてシャットダウン効果を示すようなセパレータ5を採用することで、ゲル電解質電池1の高エネルギー密度化と安全性とを両立することができる。 As described above, that is, the thickness is in the range of 5 μm to 15 μm, the porosity is in the range of 25% and 60%, and the shutdown effect is exhibited in the range of 100 ° C. to 160 ° C. By adopting the separator 5, it is possible to achieve both high energy density and safety of the gel electrolyte battery 1.
さらに、本発明者は、セパレータ5の物性と電池特性との関係について鋭意検討した結果、厚さが5μm以上、15μm以下の範囲であり、空孔率が25%、60%以下の範囲であるセパレータ5について、その破断強度が1650kg/cm2未満であり、且つ、破断伸度が135%以上であることが好ましいことが判明した。セパレータ5の破断強度又は破断伸度が上記の範囲を外れると、電池作成工程において当該セパレータ5の取り扱いが難しくなり、ゲル電解質電池1の歩留まりが低下してしまう他、十分な電池特性が得られなくなる。したがって、破断強度が1650kg/cm2未満であり、且つ、破断伸度が135%以上であるようなセパレータ5を用いることで、ゲル電解質電池1の歩留まり低下を防ぎ、十分な電池特性を得ることができる。 Furthermore, as a result of intensive studies on the relationship between the physical properties of the separator 5 and the battery characteristics, the inventor has a thickness in the range of 5 μm to 15 μm, and a porosity in the range of 25% and 60%. The separator 5 was found to have a breaking strength of less than 1650 kg / cm 2 and a breaking elongation of 135% or more. If the breaking strength or breaking elongation of the separator 5 is out of the above range, it becomes difficult to handle the separator 5 in the battery preparation process, the yield of the gel electrolyte battery 1 is reduced, and sufficient battery characteristics are obtained. Disappear. Therefore, by using the separator 5 having a breaking strength of less than 1650 kg / cm 2 and a breaking elongation of 135% or more, the yield reduction of the gel electrolyte battery 1 can be prevented and sufficient battery characteristics can be obtained. Can do.
ここで、上述したようなセパレータ5の破断強度又は破断伸度を評価するための、セパレータ5の引っ張り試験について説明する。 Here, a tensile test of the separator 5 for evaluating the breaking strength or breaking elongation of the separator 5 as described above will be described.
まず、セパレータ5の試験片を30mm×70mmの略長方形状に切り出した後、その長手方向の両端部にそれぞれ幅10mmのセロファンテープを張り付ける。 First, after the test piece of the separator 5 is cut out into a substantially rectangular shape of 30 mm × 70 mm, cellophane tape having a width of 10 mm is pasted to both ends in the longitudinal direction.
次に、得られた試験片を引っ張り試験装置の試料クランプ部に十分挟み込む。引っ張り試験装置としては、例えばアイコーエンジニアリングmodel1310f等が用いられる。その際、試験片の、試料クランプ部に挟み込む部分は予めセロファンテープで補強した部分となるように調節する。すなわち、引っ張り試験において被試験部分となるのは、両端のセロファンテープで補強された部分の10mmを除いた長さ50mmの部分となる。 Next, the obtained test piece is sufficiently sandwiched between the sample clamp portions of the tensile test apparatus. As the tensile test apparatus, for example, IKO Engineering model 1310f is used. At that time, the portion of the test piece that is sandwiched between the sample clamp portions is adjusted to be a portion that is reinforced with cellophane tape in advance. That is, the part to be tested in the tensile test is a part having a length of 50 mm excluding 10 mm of the part reinforced with the cellophane tape at both ends.
この状態で、試験片が試験台に対して垂直であることを確認した後、引っ張り試験を開始する。引っ張り強度は例えば毎分40mmに設定する。荷重値と伸び率値とのデータは、A/D変換ボードを通してパーソナルコンピュータへ記録し、得られたデータより破断強度及び破断伸度を求める。試験片が破断したときの荷重値を破断強度とする。また、破断直前の試験片長(mm)を測定し、(式1)より破断伸度(%)が求められる。 In this state, after confirming that the test piece is perpendicular to the test table, the tensile test is started. The tensile strength is set to 40 mm per minute, for example. The data of the load value and the elongation value are recorded in a personal computer through an A / D conversion board, and the breaking strength and breaking elongation are obtained from the obtained data. The load value when the test piece breaks is defined as the breaking strength. Further, the length (mm) of the test piece immediately before breakage is measured, and the elongation at break (%) is obtained from (Equation 1).
破断伸度=100×(破断直前の試験片長/50) (式1)
上述したような測定方法により、本実施の形態に係るセパレータ5は、破断強度が1650kg/cm2未満であり、且つ破断伸度が135%以上とされる。上記のような機械的特性を満足するセパレータ5を用いることで、ゲル電解質電池1の歩留まり低下を防ぎ、十分な電池特性を得ることができる。
Elongation at break = 100 × (length of specimen immediately before break / 50) (Formula 1)
By the measuring method as described above, the separator 5 according to the present embodiment has a breaking strength of less than 1650 kg / cm 2 and a breaking elongation of 135% or more. By using the separator 5 that satisfies the mechanical characteristics as described above, it is possible to prevent a decrease in the yield of the gel electrolyte battery 1 and to obtain sufficient battery characteristics.
以上より、すなわち、厚さが5μm以上、15μm以下の範囲であり、空孔率が25%、60%以下の範囲であり、且つ、破断強度が1650kg/cm2未満であり、且つ破断伸度が135%以上であるようなセパレータ5を採用することで、ゲル電解質電池1の高エネルギー密度化と安全性とを両立することができる。 From the above, that is, the thickness is in the range of 5 μm or more and 15 μm or less, the porosity is in the range of 25% or less, 60% or less, the breaking strength is less than 1650 kg / cm 2 , and the breaking elongation is By adopting the separator 5 having 135% or more, it is possible to achieve both high energy density and safety of the gel electrolyte battery 1.
上述したようなセパレータ5は、正極2と負極3との物理的接触に由来する短絡を防止することが目的の一つであり、その寸法は正極2と負極3との寸法及び電極素子の形態に依存する。すなわち、それぞれ対向する電極が、互いにセパレータ5により完全に隔離されていることが重要となり、且つ、電極端子と電極との間も同様にセパレータ5により絶縁されていることが必要となる。このような状態を実現させるために、セパレータ5のサイズは、正極2及び負極3の端よりも常に大きくなることが必要である。
The separator 5 as described above has one purpose of preventing a short circuit due to physical contact between the positive electrode 2 and the
そして、セパレータ5は、その微細構造が図6に示すようないわゆるフィブリル構造を有することが経験的にわかっている。ここで、図6は、セパレータ6の微細構造を50000倍の倍率で撮影した電子顕微鏡写真である。 The separators 5 are the found empirically that the microstructure has a so-called fibril structure as shown in FIG. Here, FIG. 6 is an electron micrograph of the microstructure of the separator 6 taken at a magnification of 50000 times.
このようなフィブリル構造を有するセパレータ5を得るための手段としては、いくつかの方法が考えられるが、以下にその方法の一例を説明する。 Several means can be considered as means for obtaining the separator 5 having such a fibril structure, and an example of the method will be described below.
まず、溶融状態のポリオレフィン組成物を含有する押出機の中に、溶融状態で液状の低揮発性溶媒(ポリオレフィン組成物に対して良溶媒)を供給し、混練することにより、均一な濃度のポリオレフィン組成物の高濃度溶液を調製する。 First, a polyolefin having a uniform concentration is obtained by supplying and kneading a liquid low-volatile solvent (good solvent for the polyolefin composition) in a molten state into an extruder containing the molten polyolefin composition. A highly concentrated solution of the composition is prepared.
上記ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられるが、ポリエチレンを用いることが好ましい。また、上記低揮発性溶媒としては、例えばノナン、デカン、デカリン、p−キシレン、ウンデカン、流動パラフィン等の低揮発性脂肪族又は環式の炭化水素等を使用することができる。 Examples of the polyolefin include polyethylene, polypropylene, and the like, but it is preferable to use polyethylene. Moreover, as said low-volatile solvent, low volatile aliphatic or cyclic hydrocarbons, such as nonane, decane, decalin, p-xylene, undecane, a liquid paraffin, etc. can be used, for example.
そして、ポリオレフィン組成物と低揮発性溶媒との配合割合は、両者の合計を100重量部として、ポリオレフィン組成物が10重量部以上、80重量部以下の範囲、好ましくは15重量部以上、70重量部以下の範囲であることが好ましい。ポリオレフィン組成物が10重量部未満では、ダイス出口で膨潤やネックインが大きくなりすぎ、シート形成が困難になる。また、ポリオレフィン組成物が80重量部を越えると、均一溶液の調製が困難になる。したがって、ポリオレフィン組成物の割合を10重量部以上、80重量部以下の範囲とすることで、均一溶液の調製やシート形成を容易に行うことができる。 The blending ratio of the polyolefin composition and the low-volatile solvent is 100 parts by weight of the total of both, and the polyolefin composition is in the range of 10 to 80 parts by weight, preferably 15 to 70 parts by weight. It is preferable that it is the range below a part. When the polyolefin composition is less than 10 parts by weight, swelling and neck-in become too large at the die outlet, and sheet formation becomes difficult. If the polyolefin composition exceeds 80 parts by weight, it is difficult to prepare a uniform solution. Therefore, when the ratio of the polyolefin composition is in the range of 10 parts by weight or more and 80 parts by weight or less, preparation of a uniform solution and sheet formation can be easily performed.
次に、このポリオレフィン組成物の加熱溶液をダイスから押し出したポリオレフィン組成物溶液のシートを冷却して、ゲル状シートを得る。冷却は少なくともゲル化温度以下まで行う。冷却方法としては、冷風、冷却水、その他の冷却媒体に直接触れさせる方法、冷媒で冷却したロールに接触させる方法等を用いることができる。 Next, the sheet of the polyolefin composition solution obtained by extruding the heated solution of the polyolefin composition from the die is cooled to obtain a gel-like sheet. Cooling is performed to at least the gelation temperature or lower. As a cooling method, a method of directly contacting cold air, cooling water, or other cooling medium, a method of contacting a roll cooled by a refrigerant, or the like can be used.
なお、ダイスから押し出したポリオレフィン組成物溶液は、冷却前或いは冷却中に、1以上、10以下の範囲の引き取り比、好ましくは1以上、5以下の範囲の引き取り比で引き取ることができる。引き取り比が10以上となるとネックインが大きくなり、また延伸時に破断を起こしやすくなり好ましくない。引き取り比を1以上、10以下の範囲とすることで、ゲル状シートのネックインや破断を防ぐことができる。 The polyolefin composition solution extruded from the die can be drawn at a take-up ratio in the range of 1 to 10 and preferably in the range of 1 to 5 before or during cooling. When the take-up ratio is 10 or more, the neck-in becomes large, and breakage tends to occur during stretching, which is not preferable. By setting the take-up ratio in the range of 1 or more and 10 or less, neck-in or breakage of the gel-like sheet can be prevented.
次に、得られたゲル状シートを加熱し、所定の倍率で延伸して延伸フィルムとする。ゲル状シートの延伸には、通常のテンター法、ロール法、圧延法、若しくはこれらの方法を組み合わせた方法を採用することができるが、二軸延伸によることが好ましい。二軸延伸は縦横同時延伸又は逐次延伸の何れでもよいが、特に同時二軸延伸によることが好ましい。 Next, the obtained gel-like sheet is heated and stretched at a predetermined magnification to obtain a stretched film. For stretching the gel-like sheet, a normal tenter method, roll method, rolling method, or a method combining these methods can be employed, but biaxial stretching is preferred. Biaxial stretching may be either longitudinal or transverse simultaneous stretching or sequential stretching, but is particularly preferably simultaneous biaxial stretching.
また、ゲル状シートの延伸温度は、ポリオレフィン組成物の融点+10℃以下程度が好ましく、より好ましい温度範囲はポリオレフィン組成物の結晶分散温度以上、融点未満の範囲である。延伸温度がポリオレフィン組成物の融点+10℃を越える場合は、樹脂が溶融してしまい延伸による効果的な分子鎖配向ができないため好ましくない。また、延伸温度が結晶分散温度よりも低いと、樹脂の軟化が不十分で、延伸工程において破膜し易く、高倍率の延伸ができなくなる。したがって、ゲル状シートの延伸温度を上述の範囲とすることで。均一で高倍率の延伸を行うことができる他、分子鎖配向を効果的に行うことができる。 The stretching temperature of the gel-like sheet is preferably about the melting point of the polyolefin composition + about 10 ° C. or less, and a more preferable temperature range is the crystal dispersion temperature of the polyolefin composition or more and less than the melting point. When the stretching temperature exceeds the melting point of the polyolefin composition + 10 ° C., the resin melts, and effective molecular chain orientation cannot be achieved by stretching, which is not preferable. On the other hand, when the stretching temperature is lower than the crystal dispersion temperature, the resin is not sufficiently softened, and the film is likely to be broken in the stretching process, so that it becomes impossible to stretch at a high magnification. Therefore, by setting the stretching temperature of the gel sheet within the above range. In addition to uniform and high-stretching, molecular chain orientation can be effectively performed.
次に、得られた延伸フィルムを揮発性溶媒で洗浄し、残留する低揮発性溶媒を除去する。洗浄に用いられる溶媒としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の炭化水素、塩化メチレン、四塩化炭素等の塩基性炭化水素、三フッ化エタン等のフッ化水素、ジエチルエーテル、ジオキサンなどのエーテル類などの揮発性のものを、単独又は混合して用いる。延伸フィルムの洗浄に用いる溶媒は、ポリオレフィン組成物の溶解に用いた低揮発性溶媒に応じて適宜選択すればよい。 Next, the obtained stretched film is washed with a volatile solvent, and the remaining low-volatile solvent is removed. Solvents used for washing include hydrocarbons such as pentane, hexane and heptane, basic hydrocarbons such as methylene chloride and carbon tetrachloride, hydrogen fluoride such as ethane trifluoride, ethers such as diethyl ether and dioxane, etc. These volatile compounds are used alone or in combination. The solvent used for washing the stretched film may be appropriately selected according to the low-volatile solvent used for dissolving the polyolefin composition.
また、延伸フィルムの洗浄方法は、延伸フィルムを溶媒に浸漬して、当該延伸フィルム中に残留する低揮発性溶媒を抽出する方法、溶媒を延伸フィルムにシャワーする方法、又はこれらの組み合わせた方法などにより行うことができる。なお、延伸フィルムの洗浄は、延伸フィルム中に残留する低揮発性溶媒が1重量部未満になるまで行う。 The stretched film cleaning method includes a method of immersing the stretched film in a solvent and extracting a low-volatile solvent remaining in the stretched film, a method of showering the solvent on the stretched film, or a combination of these methods, etc. Can be performed. The stretched film is washed until the low-volatile solvent remaining in the stretched film is less than 1 part by weight.
最後に、延伸フィルムの洗浄に用いた溶媒を乾燥し、除去する。溶媒の乾燥方法は、加熱乾燥、風乾等の方法で行うことができる。以上の工程を経ることで、セパレータ5を得ることができる。そして、以上のようにして得られたセパレータ5は、図6に示したようなフィブリル構造を有するものとなる。 Finally, the solvent used for washing the stretched film is dried and removed. The solvent can be dried by a method such as heat drying or air drying. The separator 5 can be obtained through the above steps. The separator 5 obtained as described above has a fibril structure as shown in FIG.
そして、上述したようなセパレータ5を用いたゲル電解質電池1は、次のようにして製造される。 And the gel electrolyte battery 1 using the separator 5 as mentioned above is manufactured as follows.
まず、正極2としては、正極活物質と結着剤とを含有する正極合剤を、正極集電体2bとなる例えばアルミニウム箔等の金属箔上に均一に塗布、乾燥することにより正極活物質層2aが形成されて正極シートが作製される。上記正極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、上記正極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
First, as the positive electrode 2, a positive electrode active material containing a positive electrode active material and a binder is uniformly coated on a metal foil such as an aluminum foil, for example, an aluminum foil to be the positive electrode current collector 2b, and then dried. The
次に、正極シートの正極活物質層2a上にゲル電解質層4を形成する。ゲル電解質層4を形成するには、まず、非水溶媒に電解質塩を溶解させて非水電解液を作製する。そして、この非水電解液にマトリクスポリマを添加し、よく撹拌してマトリクスポリマを溶解させてゾル状の電解質溶液を得る。
Next, the
次に、この電解質溶液を正極活物質層2a上に所定量塗布する。続いて、室温にて冷却することによりマトリクスポリマがゲル化して、正極活物質2a上にゲル電解質層4が形成される。
Next, a predetermined amount of this electrolyte solution is applied onto the positive electrode
次に、ゲル電解質層4が形成された正極シートを帯状に切り出す。そして、正極集電体2bの正極活物質層2aの非形成部分に、例えばアルミニウム製のリード線を溶接して正極端子8とする。このようにしてゲル電解質層4が形成された帯状の正極2が得られる。
Next, the positive electrode sheet on which the
また、負極3は、負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤を、負極集電体3bとなる例えば銅箔等の金属箔上に均一に塗布、乾燥することにより負極活物質層3aが形成されて負極シートが作製される。上記負極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、上記負極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
In addition, the
次に、負極シートの負極活物質層3b上にゲル電解質層4を形成する。ゲル電解質層4を形成するには、まず上記と同様にして調製された電解質溶液を負極活物質層上に所定量塗布する。続いて、室温にて冷却することによりマトリクスポリマがゲル化して、負極活物質3b上にゲル電解質層4が形成される。
Next, the
次に、ゲル電解質層4が形成された負極シートを帯状に切り出す。そして、負極集電体3bの負極活物質層3aの非形成部分に、例えばニッケル製のリード線を溶接して負極端子9とする。このようにしてゲル電解質層4が形成された帯状の負極3が得られる。
Next, the negative electrode sheet on which the
そして、以上のようにして作製された帯状の正極2と負極3とを、ゲル電解質層4が形成された側を対向させ、正極2と負極3との間にセパレータ5を配して張り合わせてプレスし、電極積層体とする。さらに、この電極積層体を長手方向に巻回して電極巻回体6とする。
Then, the strip-shaped positive electrode 2 and the
最後に、この電極巻回体6を、絶縁材料からなる外装フィルム7で挟み、正極端子8及び負極端子9と外装フィルム7とが重なる部分に樹脂フィルム10を配する。そして、外装フィルム7の外周縁部を封口し、正極端子8と負極端子9とを外装フィルム7の封口部に挟み込むとともに電極巻回体6を外装フィルム7中に密閉する。さらに、外装フィルム7によってパックされた状態で、電極巻回体6に対して熱処理を施す。以上のようにしてゲル電解質電池1が完成する。
Finally, the electrode winding body 6 is sandwiched between exterior films 7 made of an insulating material, and the
電極巻回体6を外装フィルム7にパックする際、外装フィルム7と正極端子8及び負極端子9との接触部分に樹脂フィルム10を配することで、外装フィルム7のバリ等によるショートが防止され、また、外装フィルム7と正極端子8及び負極端子9との接着性が向上する。
When packing the wound electrode body 6 into the exterior film 7, the
上記樹脂フィルム10の材料としては、正極端子8及び負極端子9に対して接着性を示すものであれば材料は特に限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン及びこれらの共重合体等、ポリオレフィン樹脂からなるものを用いることが好ましい。また、上記樹脂フィルム10の厚みは、熱融着前の厚みで20μm〜300μmの範囲であることが好ましい。樹脂フィルム10の厚みが20μmより薄くなると取り扱い性が悪くなり、また、300μmよりも厚くなると水分が透過しやすくなり、電池内部の気密性を保持することが困難になる。
The material of the
なお、上述では、帯状の正極2と帯状の負極3とを積層し、さらに長手方向に巻回して電極巻回体6とした場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、矩形状の正極2と矩形状の負極3とを積層して電極積層体とした場合や、電極積層体を交互に折り畳んだ場合にも適用可能である。
In the above mentioned, the belt-shaped positive electrode 2 and the strip-shaped
さらに、上述では、正極2と負極3との間に介在される電解質として、膨潤溶媒を含有するゲル電解質を用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、膨潤溶媒を含有しない固体電解質を用いた場合についても適用可能である。
Furthermore, above mentioned, as the electrolyte interposed between the positive electrode 2 and
上記固体電解質としては、室温で1mS/cm以上のイオン伝導度を示すものであれば、特に化学的な構造は限定されない。このような固体電解質としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキサイド、ポリシロキサン系化合物、ポリフォスファゼン系化合物、ポリプロピレンオキサイド、ポリメチルメタアクリレート、ポリメタクリロニトリル、ポリエーテル系化合物等に無機塩を溶解させた有機系固体電解質や、イオン伝導性セラミック材料、イオン伝導性ガラス等が挙げられる。 The chemical structure of the solid electrolyte is not particularly limited as long as it exhibits an ionic conductivity of 1 mS / cm or more at room temperature. Examples of such solid electrolytes include polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyethylene oxide, polysiloxane compounds, polyphosphazene compounds, polypropylene oxide, polymethyl methacrylate, polymethacrylonitrile, polyether compounds, and other inorganic salts. An organic solid electrolyte, an ion conductive ceramic material, an ion conductive glass and the like in which is dissolved.
上述したようなゲル電解質電池1は、円筒型、角型、コイン型等、その形状については特に限定されることはなく、また、薄型、大型等の種々の大きさにすることができる。また、本発明は、一次電池についても二次電池についても適用可能である。 Gel electrolyte cell 1 as described above, cylindrical, square, coin or the like is not particularly limited as to its shape, also can be thin, the various sizes of the large and the like. The present invention can be applied to both a primary battery and a secondary battery.
〈実施の形態〉
本実施の形態のゲル電解質電池20の一構成例を図7及び図8に示す。このゲル電解質電池20は、帯状の正極21と、正極21と対向して配された帯状の負極22と、正極21及び負極22上に形成されたゲル電解質層23と、ゲル電解質層23が形成された正極21とゲル電解質層23が形成された負極23との間に配されたセパレータ24とを備える。
<Implementation of the form>
One structural example of the
このゲル電解質電池20は、ゲル電解質層23が形成された正極21とゲル電解質層23が形成された負極22とが、セパレータ24を介して積層されるとともに長手方向に巻回された、図9に示す電極巻回体25が、絶縁材料からなる外装フィルム26により覆われて密閉されている。そして、正極21には正極端子27が、負極22には負極端子28がそれぞれ接続されており、これらの極端子27と負極端子28とは、外装フィルム26の周縁部である封口部に挟込まれている。また、正極端子27及び負極端子28が外装フィルム26と接する部分には、樹脂フィルム29が配されている。
In the
正極21は、図10に示すように、正極活物質を含有する正極活物質層21aが、正極集電体21b上に形成されている。この正極集電体21bとしては、例えばアルミニウム箔等の金属箔が用いられる。
As shown in FIG. 10, in the
正極活物質としては陽イオンを挿入脱離可能な材料が用いられ、そのイオンの代表的な例としてはLiイオンが挙げられる。具体的に正極活物質としてはLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等が例示される。遷移金属元素は1種類のみの使用ではなく2種類以上の使用も可能である。具体的にはLiNi0.5Co0.5O2等が挙げられる。 As the positive electrode active material, a material capable of inserting and releasing cations is used, and a typical example of the ions includes Li ions. Specific examples of the positive electrode active material include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and the like. The transition metal element can be used not only in one type but also in two or more types. More specific examples thereof include LiNi0.5Co 0.5 O 2 or the like.
正極活物質層21aは、例えば上述したような正極活物質と、導電材としてカーボン材料、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを混合し、溶剤としてN−メチルピロリドンを加えてスラリー状にする。次に、得られたスラリーを正極集電体となるアルミ箔上にドクターブレード法により均一に塗布し、高温で乾燥させてN−メチルピロリドンを飛ばすことにより形成される。 For example, the positive electrode active material layer 21a is mixed with a positive electrode active material as described above, a carbon material as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder, and N-methylpyrrolidone as a solvent is added to form a slurry. Next, the obtained slurry is uniformly applied on an aluminum foil serving as a positive electrode current collector by a doctor blade method, dried at a high temperature, and N-methylpyrrolidone is blown off.
ここで、正極活物質、導電材、結着剤及びN−メチルピロリドンの混合比率については、混合物が均一に分散したスラリー状になっていればよく、その混合比は問わない。 Here, the mixing ratio of the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the N-methylpyrrolidone is not particularly limited as long as the mixture is a slurry in which the mixture is uniformly dispersed.
なお、図10では、正極21の正極活物質層21a上に、後述するゲル電解質層23が形成された状態を示している。
FIG. 10 shows a state where a
また、負極22は、図11に示すように、負極活物質を含有する負極活物質層22aが、負極集電体22b上に形成されている。この負極集電体22bとしては、例えば銅箔等の金属箔が用いられる。
As shown in FIG. 11, the
負極活物質としては、Liを挿入脱離可能な材料が挙げられ、グラファイト、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等が挙げられる。 Examples of the negative electrode active material include materials capable of inserting and removing Li, such as graphite, non-graphitizable carbon, and graphitizable carbon.
負極活物質層22aは、例えば上述したような負極活物質と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを混合し、溶剤としてN−メチルピロリドンを加えてスラリー状にする。次に、得られたスラリーを負極集電体となる銅箔上にドクターブレード法により均一に塗布し、高温で乾燥させてN−メチルピロリドンを飛ばすことにより形成される。
The negative electrode
ここで、負極活物質、結着剤及びN−メチルピロリドンの混合比率については、混合物が均一に分散したスラリー状になっていればよく、その混合比は問わない。また上述のLiを挿入脱離可能とは、Liを結晶構造内での出し入れに限定されず、電池にしたときに充放電ができるものであれば、挿入脱離可能とみなす。Li金属負極、Li−Al合金負極等が挙げられる。 Here, the mixing ratio of the negative electrode active material, the binder, and the N-methylpyrrolidone is not particularly limited as long as the mixture is in a slurry form in which the mixture is uniformly dispersed. In addition, the above-described Li insertion / desorption is not limited to taking in and out Li in the crystal structure, and any Li / O battery that can be charged / discharged when used as a battery is regarded as being insertable / desorbable. A Li metal negative electrode, a Li-Al alloy negative electrode, etc. are mentioned.
なお、図11では、負極22の負極活物質層22a上に、後述するゲル電解質層23が形成された状態を示している。
FIG. 11 shows a state where a
ゲル電解質層23は、電解質塩と、マトリクスポリマと、可塑剤としての溶媒とを含有する。
The
マトリクスポリマとしては溶媒に相溶するものが挙げられる。例えばポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキサイド系高分子、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ポリメチルメタクリレート等が挙げられる。マトリクスポリマは1種類のみの使用だけではなく、2種類以上の使用も可能である。なお前述の例に含まれていないものであっても溶媒に相溶し、ゲル状になるポリマも用いることができる。 Examples of the matrix polymer include those that are compatible with a solvent. Examples thereof include polyacrylonitrile, polyethylene oxide polymer, polyvinylidene fluoride, a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene, styrene-butadiene rubber, and polymethyl methacrylate. The matrix polymer can be used not only in one type but also in two or more types. In addition, polymers that are not included in the above-described examples and that are compatible with the solvent and become a gel can also be used.
溶媒としては上記のマトリクスポリマ内に分散することができる溶媒が用いられる。非プロトン性溶媒では、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、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、ジメトキシエタン等が挙げられる。なお、溶媒は1種類のみを使用しても2種類以上を使用してもよい。 As the solvent, a solvent that can be dispersed in the matrix polymer is used. Examples of the aprotic solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethoxyethane and the like. In addition, a solvent may use only 1 type or may use 2 or more types.
電解質塩は、上記溶媒に溶解するものが該当する。カチオンにはアルカリ金属、アルカリ土類金属が、アニオンとしてはCl−、Br−、I−、SCN−、ClO4−、BF4−、BF4−、PF6−、CF3SO3−、(CF3SO2)2N−等が挙げられる。なお、電解質塩濃度は溶媒に溶解することができる濃度であればよい。 The electrolyte salt corresponds to one that dissolves in the above solvent. The cations include alkali metals and alkaline earth metals, and the anions include Cl − , Br − , I − , SCN − , ClO 4− , BF 4− , BF 4− , PF 6− , CF 3 SO 3− , ( CF 3 SO 2) 2 N -, and the like. The electrolyte salt concentration may be any concentration that can be dissolved in a solvent.
ゲル電解質層23の厚みは、5μm以上、15μm以下の範囲とすることが好ましい。ゲル電解質層23の厚みが5μmよりも薄いと、正極と負極との接触によるショートを十分に防ぐことができなくなる。また、ゲル電解質層23の厚みが15μmよりも厚いと、高負荷特性の劣化、体積エネルギー密度が低下するという問題がある。
The thickness of the
セパレータ24は、正極2と負極3との間に配され、正極2と負極3との物理的接触による短絡を防止する。ここで、本実施の形態に係るセパレータ24はポリエチレンにポリプロピレンが添加されたポリエチレン−ポリプロピレン複合体からなる。セパレータ24をポリエチレン−ポリプロピレン複合体から構成することで、セパレータ24のシャットダウン温度をポリエチレンセパレータと同等に維持したまま、メルトダウン温度のみを高くすることができる。
The
具体的には、セパレータ24のメルトダウン温度は、ポリエチレンセパレータのメルトダウン温度よりも10℃以上、30℃以下の範囲で高いことが好ましい。なお、ここに言うメルトダウン温度とはシャットダウンしているセパレータ24が溶け、破膜する温度のことである。
Specifically, the meltdown temperature of the
セパレータ24のメルトダウン温度がポリエチレンセパレータのメルトダウン温度よりも、10℃より小さい範囲で高い場合には、メルトダウンを高くするという本発明の効果が十分に得られない。また、セパレータ24のメルトダウン温度が、ポリエチレンセパレータのメルトダウン温度よりも、30℃以下の範囲で高いこととしたのは、ポリプロピレンセパレータとポリエチレンセパレータとのメルトダウン温度差が約30℃であるためである。
When the meltdown temperature of the
このような、本実施の形態のセパレータ24の厚みは、5μm以上、15μm以下の範囲であることが好ましい。セパレータ24の厚みが5μmよりも小さいと、電池製造時におけるセパレータ24の取り扱いが難しくなり、電池の歩留まりが低下してしまう。また、セパレータ24の厚みが15μmよりも大きいと、電池の内部抵抗が増加するほか、エネルギー密度の損失が大きくなってしまうという不都合が生じる。したがって、セパレータ24の厚みを5μm以上、15μm以下の範囲とすることで、電池の歩留まりの低下や、電池の内部抵抗の増加又はエネルギー密度の損失を防ぐことができる。
The thickness of the
また、セパレータ24の空孔率は25%以上、60%以下であることが好ましい。セパレータ24の空孔率が25%よりも小さいと、電池の内部抵抗が増加し所定の出力特性が得られなくなる。また、セパレータ24の空孔率が60%よりも大きいと、セパレータ24自身の機械的強度を発現させることが困難になる。したがって、セパレータ24の空孔率を25%以上、60%以下の範囲とすることで、電池の内部抵抗を増加させることなくセパレータ24自身の機械的強度を確保することができる。
The porosity of the
上述したような本実施の形態のセパレータ24は、例えば、次に示すように製造される。なお、以下に示す例では具体的な数値を挙げて説明するが、セパレータ24の製造方法はこれに限定されるものではない。また、セパレータ24を構成するポリエチレンとポリプロピレンとの混合比も特に限定されるものではない。
The
まず、重量平均分子量Mwが2.5×10 6 の超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)を20重量%と、重量平均分子量Mwが3.5×10 5 の高密度ポリエチレン(HDPE)を30重量%と、重量平均分子量Mwが5.1×10 5 のポリプロピレンが50重量%とからなるポリオレフィン混合物の100重量部に、酸化防止剤を0.375重量部を加えてポリオレフィン組成物とする。 First, 20% by weight of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) having a weight average molecular weight Mw of 2.5 × 10 6 and 30% by weight of high density polyethylene (HDPE) having a weight average molecular weight Mw of 3.5 × 10 5 Then, 0.375 parts by weight of an antioxidant is added to 100 parts by weight of a polyolefin mixture comprising 50% by weight of polypropylene having a weight average molecular weight Mw of 5.1 × 10 5 to obtain a polyolefin composition.
次に、このポリオレフィン組成物の30重量部を二軸押出機(58mmφ、L/D=42、強混練タイプ)に投入する。また、この二軸押出機のサイドフィーダーから流動パラフィン70重量部を供給し、200rpmで溶融混練して、押出機中にてポリオレフィン溶液を調製する。 Next, 30 parts by weight of this polyolefin composition is put into a twin screw extruder (58 mmφ, L / D = 42, strong kneading type). Further, 70 parts by weight of liquid paraffin is supplied from the side feeder of this twin-screw extruder and melt kneaded at 200 rpm to prepare a polyolefin solution in the extruder.
続いて、この押出機の先端に設置されたTダイから190℃で押し出し、冷却ロールで巻き取りながらゲル状シートを成形する。続いてこのゲル状シートを、115℃で5×5に同時二軸延伸を行い、延伸膜を得る。得られた延伸膜を塩化メチレンで洗浄して残留する流動パラフィンを抽出除去した後、乾燥及び熱処理を行うことにより、ポリエチレンとポリプロピレンとの複合体からなる微多孔性のセパレータ24が得られる。
Then, it extrudes at 190 degreeC from T-die installed in the front-end | tip of this extruder, and shape | molds a gel-like sheet | seat, winding up with a cooling roll. Subsequently, this gel-like sheet is subjected to simultaneous biaxial stretching at 115 ° C. in 5 × 5 to obtain a stretched film. The obtained stretched membrane is washed with methylene chloride to extract and remove the remaining liquid paraffin, followed by drying and heat treatment, whereby a
また、本実施の形態のセパレータ24は、ポリエチレンとポリプロピレンと複合化させるばかりでなく、図12に示すように、ポリエチレンからなるセパレータ24aと、ポリプロピレンからなるセパレータ24bとをそれぞれ1枚ずつ張り合わせた構成とすることもできる。ポリエチレンからなるセパレータ24aと、ポリプロピレンからなるセパレータ24bとを張り合わせることにより、セパレータ24のシャットダウン温度はポリエチレン温度のままで、セパレータ24のメルトダウン温度をポリプロピレンのメルトダウン温度まで高くすることができる。
Further, the
セパレータ24を、ポリエチレンからなるセパレータ24aと、ポリプロピレンからなるセパレータ24bとをそれぞれ1枚ずつ張り合わせた構成としたのは、セパレータを3枚以上重ね合わせるとセパレータ厚が増し、電池の内部抵抗が増加するほか、エネルギー密度の損失が大きくなってしまうという不都合が生じるからである。したがって、ポリエチレンからなるセパレータ24aとポリプロピレンからなるセパレータ24bを1枚ずつ張り合わせた構成とすることで、なるべくセパレータ厚を薄くして最大限の効果を得ることができる。
The
セパレータ24を上述したような張り合わせ構成とする場合、ポリエチレンからなるセパレータ24a及びポリプロピレンからなるセパレータ24bのそれぞれの厚さが2.5μm以上、7.5μm以下の範囲で、2枚を張り合わせた合計膜厚が5μm以上、15μm以下の範囲であることが好ましい。セパレータ24の厚みが5μmよりも小さいと、電池製造時におけるセパレータ24の取り扱いが難しくなり、電池の歩留まりが低下してしまう。また、セパレータ24の厚みが15μmよりも大きいと、電池の内部抵抗が増加するほか、エネルギー密度の損失が大きくなってしまうという不都合が生じる。したがって、セパレータ24の厚みを5μm以上、15μm以下の範囲とすることで、電池の歩留まりの低下や、電池の内部抵抗の増加又はエネルギー密度の損失を防ぐことができる。
In the case where the
以上のような構成を備えた本実施の形態のセパレータ24は、図13に示すように、その幅が正極22及び負極23の幅よりも広いことが必要である。正極22と、負極23と、セパレータ24とを重ね合わせて巻回する際に、正極22、負極23及びセパレータ24がずれてしまうことがある。図13に示すように、正極22及び負極23と、セパレータ24とを重ねた際の、幅方向におけるずれ量をL1及びL2とすると、L1<0又はL2<0、すなわち、セパレータ24の端部が、正極22又は負極23の端部よりも内側にある場合、正極22と負極23とが接触して内部短絡が発生し、電池作製の歩留まりが低下してしまう。
As shown in FIG. 13, the
したがって、正極22と負極23とセパレータ24とを重ね合わせて巻回する際に、ずれが生じても正極22と負極23とが接触しないように、セパレータ24の幅を正極22及び負極23よりもある程度広くしておく必要がある。しかし、セパレータ24の幅をあまりに広くしすぎると電池のエネルギー密度が低下してしまう。以上のことを鑑みると、図13において、L1>0.5mmであり、L2>0.5mmであり、且つ、L1+L2<4mmとなるように、セパレータ24の幅を決定すればよい。セパレータ24の幅を以上のようにすることで、正極22と負極23とセパレータ24との間に巻きずれが起こったとしても、正極22と負極23との接触による内部短絡を防止して、歩留まりを保つことができる。
Therefore, when winding the
上述したようなセパレータ24を用いた本実施の形態に係るゲル電解質電池20は、次に述べるような工程を経て製造される。
The
まず、正極21としては、正極活物質と結着剤とを含有する正極合剤を、正極集電体21bとなる例えばアルミニウム箔等の金属箔上に均一に塗布、乾燥することにより正極活物質層21aが形成されて正極2シートが作製される。上記正極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、上記正極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
First, as the
次に、正極シートの正極活物質層21a上にゲル電解質層23を形成する。ゲル電解質層23を形成するには、まず、非水溶媒に電解質塩を溶解させて非水電解液を作製する。そして、この非水電解液にマトリクスポリマを添加し、よく撹拌してマトリクスポリマを溶解させてゾル状の電解質溶液を得る。
Next, the
次に、この電解質溶液を正極活物質層21a上に所定量塗布する。続いて、室温にて冷却することによりマトリクスポリマがゲル化して、正極活物質21a上にゲル電解質層23が形成される。
Next, a predetermined amount of this electrolyte solution is applied onto the positive electrode active material layer 21a. Subsequently, the matrix polymer is gelled by cooling at room temperature, and the
次に、ゲル電解質層23が形成された正極シートを帯状に切り出す。そして、正極集電体21bの正極活物質層21aの非形成部分に、例えばアルミニウム製のリード線を溶接して正極端子27とする。このようにしてゲル電解質層23が形成された帯状の正極21が得られる。
Next, the positive electrode sheet on which the
また、負極22は、負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤を、負極集電体22bとなる例えば銅箔等の金属箔上に均一に塗布、乾燥することにより負極活物質層22aが形成されて負極シートが作製される。上記負極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、上記負極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
In addition, the
次に、負極シートの負極活物質層22b上にゲル電解質層4を形成する。ゲル電解質層23を形成するには、まず上記と同様にして調製された電解質溶液を負極活物質層上に所定量塗布する。続いて、室温にて冷却することによりマトリクスポリマがゲル化して、負極活物質22b上にゲル電解質層23が形成される。
Next, the
次に、ゲル電解質層4が形成された負極シートを帯状に切り出す。そして、負極集電体22bの負極活物質層22aの非形成部分に、例えばニッケル製のリード線を溶接して負極端子28とする。このようにしてゲル電解質層23が形成された帯状の負極3が得られる。
Next, the negative electrode sheet on which the
以上のようにして作製された帯状の正極21と負極22とを、ゲル電解質層23が形成された側を対向させ、正極21と負極22との間にセパレータ24を配して張り合わせてプレスし、電極積層体とする。さらに、この電極積層体を長手方向に巻回して電極巻回体25とする。
The strip-shaped
最後に、この電極巻回体25を、絶縁材料からなる外装フィルム26で挟み、正極端子27及び負極端子28と外装フィルム26とが重なる部分に樹脂フィルム29を配する。そして、外装フィルム26の外周縁部を封口し、正極端子27と負極端子28とを外装フィルム26の封口部に挟み込むとともに電極巻回体25を外装フィルム26中に密閉する。以上のようにしてゲル電解質電池20が完成する。
Finally, the
ここで、外装フィルム26は、例えば図14に示すように、第1のポリエチレンテレフタレート層26aと、アルミニウム層26bと、第2のポリエチレンテレフタレート層26cと、直鎖状低密度ポリエチレン層26dとがこの順に積層されてなる。ここでは、直鎖状低密度ポリエチレン層26dが熱融着層となり、電極巻回体25を密封する際には、この直鎖状低密度ポリエチレン層26dが内側となる。また、熱融着層の材料としては、直鎖状低密度ポリエチレン以外にも、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、キャストポリプロピレン、高密度ポリエチレン等を用いることができる。
Here, for example, as shown in FIG. 14, the
なお、外装フィルム26の構成は、上述したものに限定されるわけではなく、層内に少なくとも1層のアルミニウム層を有し、さらに熱融着性高分子膜が少なくとも一方の面に存在していればよい。
The configuration of the
また、電極巻回体25を外装フィルム26にパックする際、外装フィルム26と正極端子27及び負極端子28との接触部分に樹脂フィルム29を配することで、外装フィルム26のバリ等によるショートが防止され、また、外装フィルム26と正極端子27及び負極端子28との接着性が向上する。
Further, when the
上記樹脂フィルム29の材料としては、正極端子17及び負極端子18に対して接着性を示すものであれば材料は特に限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン及びこれらの共重合体等、ポリオレフィン樹脂からなるものを用いることが好ましい。また、上記樹脂フィルム29の厚みは、熱融着前の厚みで20μm〜300μmの範囲であることが好ましい。樹脂フィルム29の厚みが20μmより薄くなると取り扱い性が悪くなり、また、300μmよりも厚くなると水分が透過しやすくなり、電池内部の気密性を保持することが困難になる。
The material of the
なお、上述した実施の形態では、帯状の正極21と帯状の負極22とを積層し、さらに長手方向に巻回して電極巻回体25とした場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、矩形状の正極21と矩形状の負極22とを積層して電極積層体とした場合や、電極積層体を交互に折り畳んだ場合にも適用可能である。
In the above-described embodiment, the case where the belt-like
さらに、上述した実施の形態では、正極21と負極22との間に介在される電解質として、マトリクスポリマと電解質塩と溶媒とを含有するゲル電解質を用いた場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、溶媒を含有しない固体電解質を用いた場合や、マトリクスポリマを含有しない電解液を用いた場合についても適用可能である。
Furthermore, in the above-described embodiment, the case where a gel electrolyte containing a matrix polymer, an electrolyte salt, and a solvent is used as the electrolyte interposed between the
上述したような本実施の形態のゲル電解質電池20は、円筒型、角型、コイン型等、その形状については特に限定されることはなく、また、薄型、大型等の種々の大きさにすることができる。また、本発明は、一次電池についても二次電池についても適用可能である。
The
本発明の効果を確認すべく、上述したような構成の電池を作製し、その特性を評価した。
・第1の実験
以下に示す参考例1〜参考例8では、参考例となるセパレータを用いて電池を作製し、その特性を評価している。
In order to confirm the effect of the present invention, a battery having the above-described configuration was produced and its characteristics were evaluated.
· In the first experiment Reference Example 1 to Reference Example 8 below, to prepare a battery using a separator made in Reference Example, and evaluate its characteristics.
サンプル電池の作製
〈参考例1〉
まず、以下のようにして正極を作製した。
Preparation of sample battery < Reference Example 1>
First, a positive electrode was produced as follows.
まず、市販の炭酸リチウムと炭酸コバルトとをリチウム原子とコバルト原子とが1:1の組成比となるように混合し、空気中で900℃で5時間焼成することにより、正極活物質となるコバルト酸リチウムを得た。ここで、このコバルト酸リチウムの平均粒径は10μmであった。 First, commercially available lithium carbonate and cobalt carbonate are mixed so that the composition ratio of lithium atoms and cobalt atoms is 1: 1, and are fired in air at 900 ° C. for 5 hours, thereby forming cobalt as a positive electrode active material. Lithium acid was obtained. Here, the average particle diameter of this lithium cobaltate was 10 μm.
次に、得られた正極活物質を91重量部と、導電剤として黒鉛を6重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを3重量部とを混合して、正極合剤とした。さらに、この正極合剤を、溶媒となるN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状にした。 Next, 91 parts by weight of the obtained positive electrode active material, 6 parts by weight of graphite as a conductive agent, and 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed to obtain a positive electrode mixture. Furthermore, this positive electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone serving as a solvent to form a paste.
次に、得られた正極合剤ペーストを、正極集電体となる厚さ20μmの帯状アルミニウム箔の両面に均一に塗布した後、乾燥処理を行った。乾燥後に、ローラープレス機により圧縮成型することにより、厚さ40μmの正極活物質層を形成した。さらに、正極集電体の正極活物質層非形成部分に、アルミニウム製のリードを溶接して正極端子とし、正極を作製した。このときの正極活物質層の密度は3.6g/cm 3 であった。 Next, the obtained positive electrode mixture paste was uniformly applied to both surfaces of a 20 μm-thick strip-shaped aluminum foil serving as a positive electrode current collector, and then subjected to a drying treatment. After drying, a positive electrode active material layer having a thickness of 40 μm was formed by compression molding with a roller press. Furthermore, an aluminum lead was welded to a portion where the positive electrode active material layer of the positive electrode current collector was not formed to form a positive electrode terminal, thereby producing a positive electrode. The density of the positive electrode active material layer at this time was 3.6 g / cm 3 .
次に、以下のようにして負極を作製した。 Next, a negative electrode was produced as follows.
まず、平均粒径が25μmのメソカーボンマイクロビーズを2800℃で焼成することにより、負極活物質となる黒鉛を得た。 First, mesocarbon microbeads having an average particle size of 25 μm were fired at 2800 ° C. to obtain graphite as a negative electrode active material.
次に、得られた負極活物質を90重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを10重量部とを混合して負極合剤とした。さらに、この負極合剤を、溶媒となるN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状にした。 Next, 90 parts by weight of the obtained negative electrode active material and 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed to obtain a negative electrode mixture. Furthermore, this negative electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone serving as a solvent to form a paste.
次に、得られた負極合剤ペーストを、負極集電体となる厚さ15μmの帯状銅箔の両面に均一に塗布した後、乾燥処理を行った。乾燥後に、ローラープレス機により圧縮成型することにより、厚さ55μmの負極活物質層を形成した。さらに、負極集電体の負極活物質層非形成部分に、ニッケル製のリードを溶接して正極端子とし、負極を作製した。このときの負極活物質層の密度は1.6g/cm 3 であった。 Next, the obtained negative electrode mixture paste was uniformly applied to both surfaces of a 15 μm-thick strip-shaped copper foil serving as a negative electrode current collector, and then subjected to a drying treatment. After drying, the negative electrode active material layer having a thickness of 55 μm was formed by compression molding with a roller press. Furthermore, a nickel lead was welded to a portion where the negative electrode active material layer of the negative electrode current collector was not formed to form a positive electrode terminal, thereby producing a negative electrode. At this time, the density of the negative electrode active material layer was 1.6 g / cm 3 .
次に、以下のようにして正極及び負極上へ、ゲル電解質層を形成した。
まず、ジメチルカーボネートを80gと、エチレンカーボネートを40gと、プロピレンカーボネートを40gと、LiPF6を9.2gと、ビニレンカーボネートを0.8gと、2,4−ジフルオロアニソールを0.8gとを混合して得られた溶液に、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体(共重合重量比PVdF:HFP=97:3)の10gを加え、ホモジナイザーにて均一に分散させた後、さらに、無色透明となるまで75℃で加熱撹拌して電解質溶液を得た。
次に、得られた電解質溶液を、ドクターブレード法により上記正極及び上記負極の両面にそれぞれ均一に塗布した。その後、電解質溶液が塗布された正極及び負極を、庫内温度が40℃に保たれた乾燥器中に1分間置くことで、電解質溶液をゲル化させ、正極及び負極の両面に、厚さ約8μmのゲル電解質層を形成させた。
Next, a gel electrolyte layer was formed on the positive electrode and the negative electrode as follows.
First, 80 g of dimethyl carbonate, 40 g of ethylene carbonate, 40 g of propylene carbonate, 9.2 g of LiPF 6 , 0.8 g of vinylene carbonate, and 0.8 g of 2,4-difluoroanisole are mixed. 10 g of a copolymer of polyvinylidene fluoride (PVdF) and hexafluoropropylene (HFP) (copolymerization weight ratio PVdF: HFP = 97: 3) is added to the solution obtained and dispersed uniformly with a homogenizer. Then, the mixture was further heated and stirred at 75 ° C. until it became colorless and transparent to obtain an electrolyte solution.
Next, the obtained electrolyte solution was uniformly applied to both surfaces of the positive electrode and the negative electrode by a doctor blade method. Thereafter, the positive electrode and the negative electrode coated with the electrolyte solution are placed in a dryer maintained at a temperature of 40 ° C. for 1 minute to gel the electrolyte solution. An 8 μm gel electrolyte layer was formed.
次に、以下のようにして電池を組み立てた。 Next, the battery was assembled as follows.
まず、上述のようにして作製された、両面にゲル電解質層が形成された帯状の正極と、両面にゲル電解質層が形成された帯状の負極とをセパレータを介して積層して積層体とし、さらにこの積層体をその長手方向に巻回することにより電極巻回体を得た。ここで、セパレータには、空孔率が36%である、厚さ8μmのポリエチレン製多孔質膜を用いた。
次に、この電極巻回体を、最外層から順に25μm厚のナイロンと40μm厚のアルミニウムと30μm厚のポリプロピレンとが積層されてなる防湿性の外装フィルムで挟み、外装フィルムの外周縁部を減圧下で熱融着することによって封口し、電極巻回体を外装フィルム中に密閉した。なお、このとき、正極端子と負極端子とを外装フィルムの封口部に挟み込むとともに、外装フィルムと正極端子及び負極端子との接触部分にポリオレフィンフィルムを配した。
First, a belt-like positive electrode having a gel electrolyte layer formed on both sides and a belt-like negative electrode having a gel electrolyte layer formed on both sides, prepared as described above, are laminated via a separator to form a laminate, Furthermore, this laminated body was wound in the longitudinal direction to obtain an electrode winding body. Here, as the separator, a polyethylene porous film having a porosity of 36% and a thickness of 8 μm was used.
Next, the wound electrode body is sandwiched between a moisture-proof exterior film in which 25 μm-thick nylon, 40 μm-thick aluminum, and 30 μm-thick polypropylene are laminated in order from the outermost layer, and the outer peripheral edge of the exterior film is decompressed. Sealing was performed by heat-sealing underneath, and the electrode winding body was sealed in an exterior film. At this time, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal were sandwiched between the sealing portions of the exterior film, and a polyolefin film was disposed at a contact portion between the exterior film, the positive electrode terminal, and the negative electrode terminal.
最後に、外装フィルムに封止された状態で、電極素子に対して加熱処理を施した。このようにしてゲル電解質電池を完成した。
〈参考例2〉
セパレータとして、空孔率が37%、厚みが9μmのポリエチレン製多孔質膜を使用したこと以外は、参考例1と同様にしてゲル電解質電池を作製した。
〈参考例3〉
セパレータとして、空孔率が35%、厚みが10μmのポリエチレン製多孔質膜を使用したこと以外は、参考例1と同様にしてゲル電解質電池を作製した。
〈参考例4〉
セパレータとして、空孔率が30%、厚みが12μmのポリエチレン製多孔質膜を使用したこと以外は、参考例1と同様にしてゲル電解質電池を作製した。
〈参考例5〉
セパレータとして、空孔率が39%、厚みが15μmのポリエチレン製多孔質膜を使用したこと以外は、参考例1と同様にしてゲル電解質電池を作製した。
〈参考例6〉
セパレータとして、空孔率が36%、厚みが8μmのポリプロピレン製多孔質膜を使用したこと以外は、参考例1と同様にしてゲル電解質電池を作製した。
〈参考例7〉
セパレータとして、空孔率が36%、厚みが16μmのポリプロピレン製多質膜を使用したこと以外は、参考例1と同様にしてゲル電解質電池を作製した。
〈参考例8〉
セパレータを使用しなかったこと以外は、参考例1と同様にしてゲル電解質電池を作製した。
Finally, the electrode element was subjected to a heat treatment while being sealed with the exterior film. In this way, a gel electrolyte battery was completed.
< Reference Example 2>
A gel electrolyte battery was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a polyethylene porous membrane having a porosity of 37% and a thickness of 9 μm was used as the separator.
< Reference Example 3>
A gel electrolyte battery was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a polyethylene porous membrane having a porosity of 35% and a thickness of 10 μm was used as the separator.
< Reference Example 4>
A gel electrolyte battery was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a polyethylene porous membrane having a porosity of 30% and a thickness of 12 μm was used as the separator.
< Reference Example 5>
A gel electrolyte battery was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a polyethylene porous membrane having a porosity of 39% and a thickness of 15 μm was used as the separator.
< Reference Example 6>
A gel electrolyte battery was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a polypropylene porous membrane having a porosity of 36% and a thickness of 8 μm was used as the separator.
< Reference Example 7>
A gel electrolyte battery was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a polypropylene multi-membrane having a porosity of 36% and a thickness of 16 μm was used as the separator.
< Reference Example 8 >
A gel electrolyte battery was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that no separator was used.
サンプル電池の特性評価参考例1〜参考例8で使用されたセパレータについて、材料、空孔率、厚み、破断強度及び破断伸度を表1にまとめて示す。 Table 1 summarizes the materials, porosity, thickness, breaking strength, and breaking elongation of the separators used in Reference Examples 1 to 8 for evaluating characteristics of the sample batteries.
・充放電特性評価
そして、以上のようにして作製された電池について、充放電試験を行い、電池特性を評価した。ここで、電池の充放電試験には、ポテンシオガルバノスタットを利用し、定電流定電圧方式により充放電を行った。
-Charging / discharging characteristic evaluation And about the battery produced as mentioned above, the charging / discharging test was done and the battery characteristic was evaluated. Here, in the charge / discharge test of the battery, a potentiogalvanostat was used, and charge / discharge was performed by a constant current constant voltage method.
まず、それぞれの電池に対して200mAで定電流充電を行い、閉回路電圧が4.2Vに達した時点で定電流充電から定電圧充電に切り替え、定電圧充電を引き続き行った。充電終了は、充電開始から9時間後とした。続いて、200mAの定電流条件で放電を行い、閉回路電圧が3.0Vに達した時点で放電終了とした。 First, constant current charging was performed on each battery at 200 mA. When the closed circuit voltage reached 4.2 V, switching from constant current charging to constant voltage charging was performed, and constant voltage charging was continued. The end of charging was 9 hours after the start of charging. Subsequently, discharge was performed under a constant current condition of 200 mA, and the discharge was terminated when the closed circuit voltage reached 3.0V.
そして、それぞれの電池について充電容量及び放電容量を求め、さらに、充放電効率及びエネルギー密度を算出した。 And charge capacity and discharge capacity were calculated | required about each battery, and also charge / discharge efficiency and energy density were computed.
参考例1〜参考例8の電池について求められた充電容量、放電容量、充放電効率及びエネルギー密度を表2に示す。 Table 2 shows the charge capacity, discharge capacity, charge / discharge efficiency, and energy density obtained for the batteries of Reference Examples 1 to 8 .
表2より、参考例1〜参考例7の電池では、充電容量、放電容量、充放電効率及びエネルギー密度の何れについても良好な値が得られており、設計通りの優れた特性が得られていることがわかった。その中でもポリエチレンからなるセパレータを用いた参考例1〜参考例5の電池では、特に優れた特性が得られていることがわかった。 From Table 2, the battery of Reference Example 1 to Reference Example 7, the charge capacity, discharge capacity, charge and discharge efficiency and any and good values are obtained for the energy density, and provides excellent characteristics as designed I found out. In the battery of Reference Example 1 to Reference Example 5 using a separator made of polyethylene Among them, it was found that particularly good properties are obtained.
一方、参考例8の電池においては、充電中に微小短絡している傾向が観察され、良好な電池特性が認められなかった。
・サンプル電池の安全性評価
また、参考例1〜参考例8の電池について、セパレータのシャットダウン開始点温度と、電池を外部短絡したときの電池表面温度の最大値とを調べた。
On the other hand, in the battery of Reference Example 8 , a tendency of being short-circuited during charging was observed, and good battery characteristics were not recognized.
Sample Battery safety evaluation Regarding the battery of Reference Example 1 to Reference Example 8, was examined and shutdown initiation point temperature of the separator, and a maximum value of battery surface temperature when the external short circuit the battery.
シャットダウン温度の測定としては、電池を昇温速度5℃/分の条件で加熱していき、1kHz印加時の交流抵抗値が2桁以上増加した時点における電池温度を測定した。 As the measurement of the shutdown temperature, the battery was heated at a temperature rising rate of 5 ° C./min, and the battery temperature at the time when the AC resistance value when applying 1 kHz increased by two digits or more was measured.
また、電池を外部短絡したときの電池表面温度の測定としては、まず、上述の充放電試験と同様の条件で電池を充電し、その電池を60℃に加熱した状態で、端子間を、12mΩの抵抗を用いて短絡した時の電池表面温度の最大値を熱電対を用いて測定した。 In addition, as a measurement of the battery surface temperature when the battery is externally short-circuited, first, the battery is charged under the same conditions as in the above-described charge / discharge test, and the battery is heated to 60 ° C. The maximum value of the battery surface temperature when short-circuited using the resistance of was measured using a thermocouple.
参考例1〜参考例8の電池について、シャットダウン温度及び外部短絡時の電池表面温度を表3に示す。 Table 3 shows the shutdown temperature and the battery surface temperature during external short-circuiting for the batteries of Reference Examples 1 to 8 .
表3からも明らかなように、ポリエチレンからなるセパレータを用いた参考例1〜参考例5の電池では、100℃〜160℃の範囲の温度でシャットダウンが認められた。参考例1の電池について、電池温度と電池内部インピーダンスとの関係を図15に示す。図15から、電池温度が126℃の前後において急激に電池内部インピーダンスが増加していることがわかる。 As is apparent from Table 3, the battery of Reference Example 1 to Reference Example 5 using a separator made of polyethylene, the shutdown was observed at a temperature in the range of 100 ° C. to 160 ° C.. FIG. 15 shows the relationship between the battery temperature and the battery internal impedance for the battery of Reference Example 1. From FIG. 15, it can be seen that the battery internal impedance rapidly increases around the battery temperature of 126 ° C.
また、ポリプロピレンからなるセパレータを用いた参考例6及び参考例7の電池についても160℃以上ではあったが、シャットダウンが認められた。参考例6の電池について、電池温度と電池内部インピーダンスとの関係を図16に示す。図16から、電池温度が163℃の前後において急激に電池内部インピーダンスが増加していることがわかる。 The batteries of Reference Example 6 and Reference Example 7 using a separator made of polypropylene were also 160 ° C. or higher, but shutdown was recognized. FIG. 16 shows the relationship between the battery temperature and the battery internal impedance for the battery of Reference Example 6. From FIG. 16, it can be seen that the battery internal impedance suddenly increases when the battery temperature is around 163 ° C.
また、参考例1〜参考例5の電池では、充電済みの電池を外部短絡させた場合の電池表面温度が120℃以下であり、電池が誤使用されたときの発熱を効果的に抑制することができ、電池の安全性が確保されていることが確認された。一方、参考例6及び参考例7の電池では、充電済みの電池を外部短絡させた場合の電池表面温度が電池温度が160℃以上となり、電池誤使用時の発熱が大きくなる傾向が認められた。なお、シャットダウンが認められた参考例1〜参考例7の電池については、充電済みの電池を外部短絡させた場合、何れも電池内部からの発煙は認められなかった。
Further, the battery of Reference Example 1 to Reference Example 5, not more than the
一方、参考例8の電池においては、電池温度が180℃に到達した時点においてもシャットダウンは認められなかった。また、充電済みの電池を外部短絡させた場合、電池表面温度は最高200℃となり、電池内部からの発煙が認められた。
・セパレータの物性の規定
さらに、参考例1〜参考例7の電池で使用したセパレータについて、破断強度と破断伸度との関係を図17に示す。図17及び上述した電池特性評価結果から、特に良好な電池特性が得られた参考例1〜参考例5の電池で用いられたセパレータは、何れも、破断強度が1650kg/cm 2 未満であり、且つ、破断伸度が135%以上である範囲の機械的強度を有しているものであることがわかった。
On the other hand, in the battery of Reference Example 8 , shutdown was not observed even when the battery temperature reached 180 ° C. Moreover, when the charged battery was short-circuited externally, the battery surface temperature reached a maximum of 200 ° C., and smoke was observed from the inside of the battery.
Separator of the physical properties of the specified addition, the separator used in the battery of Reference Example 1 to Reference Example 7, shown in Figure 17 the relationship between the breaking strength and breaking elongation. 17 and the battery characteristics evaluation results described above, particularly good separator used in the battery of Reference Example 1 to Reference Example 5 in which battery characteristics are obtained, both, breaking strength is less than 1650kg / cm 2, And it turned out that it has the mechanical strength of the range whose breaking elongation is 135% or more.
なお、上記の範囲の機械的強度を有するセパレータは、何れも、図6に示したようなフィブリル構造を有していることが確認されている。また、参考例6で使用したセパレータの微細構造を50000倍の倍率で撮影した電子顕微鏡写真を図18に示す。図6と図18とを比較することにより、セパレータの機械的強度はその微細構造に関係し、上記の範囲の機械的強度を満足するには、セパレータの微細構造をフィブリル構造とすることが必要であることがわかる。 It has been confirmed that all the separators having the mechanical strength in the above range have a fibril structure as shown in FIG. FIG. 18 shows an electron micrograph of the separator microstructure used in Reference Example 6 taken at a magnification of 50000 times. By comparing FIG. 6 and FIG. 18, the mechanical strength of the separator is related to its microstructure, and in order to satisfy the mechanical strength in the above range, the separator microstructure needs to be a fibril structure. It can be seen that it is.
以上の結果より、厚さが5μm以上、15μm以下の範囲であり、且つ、空孔率が25%以上、60%以下の範囲であり、さらに、100℃以上、160℃以下の範囲の電池温度においてシャットダウン効果を示すポリオレフィン製多孔質膜をセパレータとして用いることで、電池の高エネルギー密度化と安全性との両立を図ることができることがわかった。 From the above results, the battery temperature has a thickness in the range of 5 μm to 15 μm, a porosity in the range of 25% to 60%, and a range of 100 ° C. to 160 ° C. It was found that the use of a polyolefin porous membrane exhibiting a shutdown effect as a separator makes it possible to achieve both high energy density and safety of the battery.
また、厚さが5μm以上、15μm以下の範囲であり、且つ、空孔率が25%以上、60%以下の範囲であり、さらに、破断強度が1650kg/cm 2 未満であり、且つ、破断伸度が135%以上である範囲の機械的強度を有するポリオレフィン製多孔質膜をセパレータとして用いることで、電池の高エネルギー密度化と安全性との両立を図ることができることがわかった。
・第2の実験
以下に示す実施例1、実施例2及び比較例1では、第2の実施の形態に係るセパレータを用いて電池を作製し、その特性を評価している。
〈実施例1〉
正極を作製するには、まず正極活物質としてLiCoO2を95重量%と、導電材として黒鉛を2重量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを3重量%とを混合して正極合剤とした。さらにN−メチルピロリドンを正極合剤に対して0.6倍の量を加えてスラリー状にした。
Further, the thickness is in the range of 5 μm or more and 15 μm or less, the porosity is in the range of 25% or more and 60% or less, the breaking strength is less than 1650 kg / cm 2 , and the elongation at break It has been found that by using a polyolefin porous membrane having a mechanical strength in the range of 135% or more as a separator, it is possible to achieve both high energy density and safety of the battery.
Second Experiment In Example 1 , Example 2, and Comparative Example 1 shown below, a battery is manufactured using the separator according to the second embodiment, and its characteristics are evaluated.
<Example 1 >
In order to produce a positive electrode, first, 95% by weight of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 2 % by weight of graphite as a conductive material, and 3% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed to form a positive electrode mixture. did. Furthermore, N-methylpyrrolidone was added in an amount 0.6 times that of the positive electrode mixture to form a slurry.
次に、得られたスラリーを正極集電体となるアルミ箔の片面にドクターブレード法により均一に塗布し、高温で乾燥させてN−メチルピロリドンを飛ばして正極活物質層を形成した。最後にロールプレス機を用いて適当な圧力をかけてプレスし、300mm×50mmの大きさに切断して正極を作製した。この正極に棒状アルミニウムをスポット溶接して正極端子とした。 Next, the obtained slurry was uniformly applied to one side of an aluminum foil serving as a positive electrode current collector by a doctor blade method, dried at a high temperature, and N-methylpyrrolidone was blown to form a positive electrode active material layer. Finally, it was pressed using a roll press machine with an appropriate pressure and cut into a size of 300 mm × 50 mm to produce a positive electrode. This positive electrode was spot-welded with rod-shaped aluminum to obtain a positive electrode terminal.
負極を作製するには、まず負極活物質としてグラファイトを91重量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを9重量%とを混合して負極合剤とした。さらにN−メチルピロリドンを負極合剤に対して1.1倍の量を加えてスラリー状にした。 In order to produce the negative electrode, first, 91% by weight of graphite as a negative electrode active material and 9% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed to form a negative electrode mixture. Furthermore, N-methylpyrrolidone was added in an amount 1.1 times that of the negative electrode mixture to form a slurry.
次に、得られたスラリーを負極集電体となる銅箔の片面にドクターブレード法により均一に塗布し、高温で乾燥させてN−メチルピロリドンを飛ばして負極活物質層を形成した。最後にロールプレス機を用いて適当な圧力をかけてプレスし、370mm×52mmに切断して負極を作製した。この負極に棒状銅をスポット溶接して負極端子とした。 Next, the obtained slurry was uniformly applied to one side of a copper foil serving as a negative electrode current collector by a doctor blade method, dried at a high temperature, and N-methylpyrrolidone was blown to form a negative electrode active material layer. Finally, it was pressed by applying a suitable pressure using a roll press machine, and cut into 370 mm × 52 mm to produce a negative electrode. This negative electrode was spot welded with rod-shaped copper to obtain a negative electrode terminal.
一方、ポリフッ化ビニリデンを6.7重量%と、エチレンカーボネートを9.2重量%と、プロピレンカーボネートを11.6重量%と、γ−ブチロラクトンを2.3重量%と、ジメチルカーボネートを6.67重量%と、LiPF6を3.5重量%とを混合して高分子電解質溶液を調製した。ジメチルカーボネートはポリフッ化ビニリデンを溶かすための溶剤として用いられる。 Meanwhile, 6.7% by weight of polyvinylidene fluoride, 9.2% by weight of ethylene carbonate, 11.6% by weight of propylene carbonate, 2.3% by weight of γ-butyrolactone, and 6.67 of dimethyl carbonate. A polyelectrolyte solution was prepared by mixing 5% by weight and 3.5% by weight of LiPF 6 . Dimethyl carbonate is used as a solvent for dissolving polyvinylidene fluoride.
得られた高分子電解質溶液を液状のまま正極及び負極上にドクターブレード法を用いて塗布し、35℃の恒温槽で3分間乾燥させ、薄膜状に成形した。その際、ジメチルカーボネートは高分子電解質中に残っていない。正極上及び負極上の高分子電解質厚みは10μmになるように塗布した。 The obtained polymer electrolyte solution was applied in a liquid state on the positive electrode and the negative electrode using a doctor blade method, dried in a thermostatic bath at 35 ° C. for 3 minutes, and formed into a thin film. At that time, dimethyl carbonate does not remain in the polymer electrolyte. The polymer electrolyte on the positive electrode and the negative electrode was applied so that the thickness was 10 μm.
セパレータは、ポリエチレンとポリプロピレンとの複合体からなる、厚さ10μmのセパレータを用いた。複合体中のポリエチレンとポリプロピレンとの比は1対1である。なお、この複合体セパレータは、以下のようにして作製した。 As the separator, a 10 μm thick separator made of a composite of polyethylene and polypropylene was used. The ratio of polyethylene to polypropylene in the composite is 1: 1. In addition, this composite separator was produced as follows.
まず、重量平均分子量Mwが2.5×10 6 の超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)を20重量%と、重量平均分子量Mwが3.5×10 5 の高密度ポリエチレン(HDPE)を30重量%と、重量平均分子量Mwが5.1×10 5 のポリプロピレンが50重量%とからなるポリオレフィン混合物の100重量部に、酸化防止剤を0.375重量部を加えてポリオレフィン組成物とした。 First, 20% by weight of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) having a weight average molecular weight Mw of 2.5 × 10 6 and 30% by weight of high density polyethylene (HDPE) having a weight average molecular weight Mw of 3.5 × 10 5 A polyolefin composition was prepared by adding 0.375 parts by weight of an antioxidant to 100 parts by weight of a polyolefin mixture comprising 50% by weight of polypropylene having a weight average molecular weight Mw of 5.1 × 10 5 .
次に、このポリオレフィン組成物の30重量部を二軸押出機(58mmφ、L/D=42、強混練タイプ)に投入した。また、この二軸押出機のサイドフィーダーから流動パラフィン70重量部を供給し、200rpmで溶融混練して、押出機中にてポリオレフィン溶液を調製した。 Next, 30 parts by weight of this polyolefin composition was put into a twin screw extruder (58 mmφ, L / D = 42, strong kneading type). Further, 70 parts by weight of liquid paraffin was supplied from the side feeder of this twin-screw extruder, and melt-kneaded at 200 rpm to prepare a polyolefin solution in the extruder.
続いて、この押出機の先端に設置されたTダイから190℃で押し出し、冷却ロールで巻き取りながらゲル状シートを成形した。続いてこのゲル状シートを、115℃で5×5に同時二軸延伸を行い、延伸膜を得た。得られた延伸膜を塩化メチレンで洗浄して残留する流動パラフィンを抽出除去した後、乾燥及び熱処理を行うことにより、ポリエチレンとポリプロピレンとの複合体からなる微多孔性セパレータを得た。 Subsequently, a gel-like sheet was formed while being extruded at 190 ° C. from a T die installed at the tip of the extruder and wound up with a cooling roll. Subsequently, this gel-like sheet was subjected to simultaneous biaxial stretching at 115 ° C. in 5 × 5 to obtain a stretched film. The obtained stretched membrane was washed with methylene chloride to extract and remove the remaining liquid paraffin, followed by drying and heat treatment to obtain a microporous separator composed of a composite of polyethylene and polypropylene.
そして、上述のようにして作製された、ゲル電解質層が形成された帯状の正極と、ゲル電解質層が形成された帯状の負極とをセパレータを介して積層して積層体とし、さらにこの積層体をその長手方向に巻回することにより36mm×52mm×5mmの電極巻回体を得た。 Then, the belt-shaped positive electrode formed with the gel electrolyte layer and the belt-shaped negative electrode formed with the gel electrolyte layer, which are produced as described above, are laminated via a separator to form a laminate, and this laminate Was wound in the longitudinal direction to obtain an electrode wound body of 36 mm × 52 mm × 5 mm.
次に、この電極巻回体を、100μm厚の防湿性多層フィルムからなる外装フィルムで挟み、外装フィルムの外周縁部を減圧下で熱融着することによって封口し、電極巻回体を外装フィルム中に密閉した。なお、このとき、正極端子と負極端子とを外装フィルムの封口部に挟み込んだ。
〈実施例2〉
セパレータとして、厚さ5μmのポリエチレンセパレータと、厚さ5μmのポリプロピレンセパレータとが張り合わされてなるものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
〈比較例1〉
セパレータとして、厚さ10μmのポリエチレンセパレータを用いたこと以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
Next, the electrode winding body is sandwiched between outer packaging films made of a moisture-proof multilayer film having a thickness of 100 μm, and the outer peripheral edge of the outer packaging film is sealed by heat-sealing under reduced pressure. Sealed inside. At this time, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal were sandwiched between the sealing portions of the exterior film.
<Example 2 >
A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a separator obtained by laminating a 5 μm thick polyethylene separator and a 5 μm thick polypropylene separator was used as the separator.
<Comparative Example 1 >
A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a polyethylene separator having a thickness of 10 μm was used as the separator.
以上のようにして作製した電池を数サイクル充放電し、放電状態で恒温槽に入れ、1kHzの抵抗測定を行いながら、5℃/分の昇温速度でそれぞれ140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃まで昇温し、その温度で30分間保持した。所定温度保持中に抵抗が落ちなかった場合はショートしていないとし、抵抗が落ちた場合にはショートしていると判断した。 The battery produced as described above was charged / discharged several times, put in a thermostatic chamber in a discharged state, and while measuring resistance at 1 kHz, 140 ° C., 145 ° C., 150 ° C., respectively, at a heating rate of 5 ° C./min. The temperature was raised to 155 ° C., 160 ° C., 165 ° C., and 170 ° C. and held at that temperature for 30 minutes. When the resistance did not drop while maintaining the predetermined temperature, it was determined that no short circuit occurred, and when the resistance decreased, it was determined that the short circuit occurred.
結果を表4に示す。 The results are shown in Table 4.
セパレータとしてポリエチレン−ポリプロピレン複合体からなるセパレータや、ポリエチレンセパレータとポリプロピレンセパレータとの張り合わせセパレータを用いた実施例1及び実施例2の電池では、ポリエチレン単独セパレータを用いた比較例1の電池に比べて、メルトダウン温度が約15℃上昇していることがわかる。そして、メルトダウン温度の高いセパレータを用いた電池は、メルトダウンによる内部短絡開始温度が上昇するため、電池温度が上昇した際にも、ポリエチレンセパレータより内部短絡しにくくなり、内部短絡による電池の発熱を抑えることができることが確認された。 In the battery of Example 1 and Example 2 using a separator made of a polyethylene-polypropylene composite as a separator or a laminated separator of a polyethylene separator and a polypropylene separator, compared to the battery of Comparative Example 1 using a polyethylene single separator, It can be seen that the meltdown temperature has increased by about 15 ° C. And since the battery using a separator with a high meltdown temperature has an internal short circuit start temperature due to the meltdown, even when the battery temperature rises, it is less likely to cause an internal short circuit than the polyethylene separator. It was confirmed that it can be suppressed.
また、作製された新しい電池を数サイクル充放電した。その後、4.4V過充電状態で高温槽に入れ、1kHzの抵抗測定を行いながら、5℃/分の昇温速度でそれぞれ135℃、140℃、145℃、150℃、155℃まで昇温し、その温度で30分間保持した。所定温度保持中に抵抗が落ちなかった場合はショートしていないとし、抵抗が落ちた場合にはショートしていると判断した。なお、この場合には、電圧が4.4Vと以上状態下にあるため、ショートにより発熱が生じることがある。そのため、抵抗が下がったことが確認された時点で測定を終了した。 In addition, the prepared new battery was charged and discharged for several cycles. After that, it was placed in a high-temperature bath in an overcharged state of 4.4 V, and the temperature was raised to 135 ° C., 140 ° C., 145 ° C., 150 ° C., and 155 ° C., respectively, at a temperature rising rate of 5 ° C./min. Held at that temperature for 30 minutes. When the resistance did not drop while maintaining the predetermined temperature, it was determined that no short circuit occurred, and when the resistance decreased, it was determined that the short circuit occurred. In this case, since the voltage is above 4.4V, heat may be generated due to a short circuit. Therefore, the measurement was finished when it was confirmed that the resistance was lowered.
結果を表5に示す。 The results are shown in Table 5.
4.4Vの過充電下という異常状況下においても、セパレータとしてポリエチレン−ポリプロピレン複合体からなるセパレータや、ポリエチレンセパレータとポリプロピレンセパレータとの張り合わせセパレータを用いた実施例1及び実施例2の電池では、ポリエチレン単独セパレータを用いた比較例1の電池に比べて、メルトダウン温度が約15℃上昇していることがわかる。そして、メルトダウン温度の高いセパレータを用いた電池は、メルトダウンによる内部短絡開始温度が上昇するため、電池温度が上昇した際にも、ポリエチレンセパレータより内部短絡しにくくなり、内部短絡による電池の発熱を抑えることができることが確認された。 In the batteries of Example 1 and Example 2 using a separator made of a polyethylene-polypropylene composite as a separator or a laminated separator of a polyethylene separator and a polypropylene separator, even under an abnormal situation of 4.4 V overcharge, It can be seen that the meltdown temperature is increased by about 15 ° C. compared to the battery of Comparative Example 1 using a single separator. And since the battery using a separator with a high meltdown temperature has an internal short circuit start temperature due to the meltdown, even when the battery temperature rises, it is less likely to cause an internal short circuit than the polyethylene separator. It was confirmed that it can be suppressed.
1,20 ゲル電解質電池、2,21 正極、3,22 負極、4,23 ゲル電解質層、5,24 セパレータ、6,25 電極巻回体、7,26 外装フィルム、8,27 正極端子、9,28 負極端子、10,29 樹脂フィルム 1,20 gel electrolyte battery, 2,21 positive electrode, 3,22 negative electrode, 4,23 gel electrolyte layer, 5,24 separator, 6,25 electrode winding body, 7,26 exterior film, 8,27 positive electrode terminal, 9 , 28 Negative terminal, 10,29 Resin film
Claims (4)
上記セパレータは、ポリエチレンとポリプロピレンとの複合体からなり、厚さが5μm以上、15μm以下の範囲であり、メルトダウン温度が、ポリエチレンからなるセパレータのメルトダウン温度よりも10℃以上、30℃以下の範囲で高く、破断強度が1650kg/cm 2 未満であり、且つ、破断伸度が135%以上であり、
上記膨潤溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジエチルエーテル、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルスルフォオキサイド、1,3−ジオキソラン、メチルスルフォメート、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、スルホラン、2,4−ジフロロアニソール、ビニレンカーボネートからなる群のうちの少なくとも一種を含有するリチウム二次電池。 A positive electrode, a negative electrode disposed opposite to the positive electrode, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and interposed between the positive electrode and the separator and between the separator and the negative electrode. And a gel electrolyte containing a swelling solvent,
The separator consists of a complex of polyethylene and polypropylene, is 5μm or more in thickness, 15 [mu] m Ri following ranges der, meltdown temperature, 10 ° C. or higher than the meltdown temperature of the separator made of polyethylene, 30 ° C. or less The breaking strength is less than 1650 kg / cm 2 and the elongation at break is 135% or more,
Examples of the swelling solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, diethyl ether, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, methyl sulfomate, 2 A lithium secondary battery containing at least one member selected from the group consisting of methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, sulfolane, 2,4-difluoroanisole, and vinylene carbonate.
上記セパレータは、ポリエチレンからなる第1のセパレータと、ポリプロピレンからなる第2のセパレータとが張り合わされてなり、厚さが5μm以上、15μm以下の範囲であり、メルトダウン温度が、ポリプロピレンからなるセパレータと同等であり、破断強度が1650kg/cm 2 未満であり、且つ、破断伸度が135%以上であり、
上記膨潤溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジエチルエーテル、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルスルフォオキサイド、1,3−ジオキソラン、メチルスルフォメート、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、スルホラン、2,4−ジフロロアニソール、ビニレンカーボネートからなる群のうちの少なくとも一種を含有するリチウム二次電池。 A positive electrode, a negative electrode disposed opposite to the positive electrode, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and interposed between the positive electrode and the separator and between the separator and the negative electrode. And a gel electrolyte containing a swelling solvent,
Separator The separator includes a first separator made of polyethylene, will be bonded together and the second separator made of polypropylene, 5μm or more thickness, Ri following ranges der 15 [mu] m, meltdown temperature, of polypropylene and have the same or the like, the breaking strength is less than 1650kg / cm 2, and is the elongation at break of 135% or more,
Examples of the swelling solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, diethyl ether, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, methyl sulfomate, 2 A lithium secondary battery containing at least one member selected from the group consisting of methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, sulfolane, 2,4-difluoroanisole, and vinylene carbonate.
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