JP4992203B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明はリチウムイオン二次電池に関する。より詳しくは、特定の構造のセパレータを有し、安全性および導電性に優れるリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery. More specifically, the present invention relates to a lithium ion secondary battery that has a separator having a specific structure and is excellent in safety and conductivity.
リチウムイオン二次電池は、通常、セパレータを介して二枚の電極(正極および負極)を重ね合わせ、これを巻く、折るなどして容器に入れ、容器に電解液を注入して封口して製造されている。 A lithium ion secondary battery is usually manufactured by stacking two electrodes (positive electrode and negative electrode) through a separator, winding and folding them into a container, injecting the electrolyte into the container and sealing it. Has been.
従来、セパレータとしては、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン製の多孔膜や不織布が用いられている。多孔膜製のセパレータは、二枚の電極間の電気的接触を防止するとともに、電解液中のイオンを通過させる機能を有する。また、外部短絡等により電気化学素子の温度が異常上昇した場合には、多孔膜に形成された微細な空孔がセパレータ材料であるポリオレフィンの融点付近で閉塞する。これにより、電極間のイオンの通過が阻止されるので、電流を遮断し、それ以上の温度上昇を抑制する機能(以下、この機能を「シャットダウン機能」と省略する。)も有する。 Conventionally, as the separator, a porous film or a nonwoven fabric made of polyolefin such as polyethylene or polypropylene is used. The separator made of a porous film has a function of preventing the electrical contact between the two electrodes and allowing ions in the electrolytic solution to pass therethrough. In addition, when the temperature of the electrochemical element is abnormally increased due to an external short circuit or the like, fine pores formed in the porous film are closed near the melting point of polyolefin as a separator material. Thereby, the passage of ions between the electrodes is blocked, so that it also has a function of interrupting the current and suppressing further temperature rise (hereinafter, this function is abbreviated as “shutdown function”).
しかし、これらポリオレフィン多孔膜製のセパレータは、温度が上昇した時に、空孔が閉塞すると同時に、膜全体が収縮する。そのため、セパレータが電極全体を覆うことができなくなり、電池内部で短絡が発生し、その結果かえって短絡面積が増大する場合があり、安全性は十分ではなかった。また、強度が不足しているために薄膜化が困難であり、得られる電池の内部抵抗が大きくなる場合があった。 However, in these polyolefin porous membrane separators, when the temperature rises, the pores close and at the same time the entire membrane contracts. For this reason, the separator cannot cover the entire electrode, and a short circuit occurs inside the battery. As a result, the short circuit area may increase, and safety is not sufficient. Moreover, since the strength is insufficient, it is difficult to reduce the film thickness, and the internal resistance of the obtained battery may increase.
有機または無機の固体粒子を結着剤で結合して多孔膜を形成し、セパレータとすることが提案されている(特許文献1,2)。しかしこれらのセパレータを用いた場合であっても、短絡を完全には防止できなかったり、電流を遮断することができない場合があった。
このような状況に鑑み、本発明は安全性及び導電性に優れ、シャットダウン機能を有するリチウム二次電池を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery that is excellent in safety and conductivity and has a shutdown function.
第一の本発明は、正極、負極、セパレータおよび非水電解液を有するリチウムイオン二次電池であって、前記セパレータが、融点を有する有機固体粒子を結合剤で結合してなる層(A層)および無機固体粒子を結合剤で結合してなる層(B層)から形成される三層で構成され、前記A層および前記B層が交互に積層され、前記A層、B層の1層あたりの厚さが1〜5μmである、リチウムイオン二次電池である。
A first aspect of the present invention is a lithium ion secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte, wherein the separator is formed by binding organic solid particles having a melting point with a binder (A layer) ) and inorganic solid particles is composed of three layers which is formed from the bound formed by the layer (B layer) with a binding agent, the a layer and the B layer are alternately laminated, the a layer, one layer of the layer B This is a lithium ion secondary battery having a per-thickness of 1 to 5 μm .
上記のリチウムイオン二次電池において、前記有機固体粒子の融点は、100〜250℃であることが好ましい。 In the above lithium ion secondary battery, the organic solid particles preferably have a melting point of 100 to 250 ° C.
本発明のリチウムイオン電池は、高温安全性および導電性に優れ、シャットダウン機能を有する。 The lithium ion battery of the present invention is excellent in high temperature safety and conductivity, and has a shutdown function.
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、セパレータおよび非水電解液から構成される。
図1に、本発明におけるセパレータおよび電極の一実施形態を模式的に示した。図1においては、セパレータ30が正極10および負極20に挟まれた形態が示されている。本発明におけるセパレータ30は、有機固体粒子を結合剤で結合してなる層32(以下、「A層32」と省略する場合がある。)および無機固体粒子を結合剤で結合してなる層34(以下、「B層34」と省略する場合がある。)からなる少なくとも三層で構成されており、この少なくとも三層からなるセパレータにおいて、A層32およびB層34は交互に積層されている。
The lithium ion secondary battery of this invention is comprised from a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte.
FIG. 1 schematically shows an embodiment of the separator and electrode in the present invention. In FIG. 1, the
<A層32>
A層32は、有機固体粒子および結合剤からなる層である。有機固体粒子は、融点を有し、A層中で粒子として存在する有機の粒子である。A層32においては、有機固体粒子が結合剤中において分散保持されている。有機固体粒子としては、融点が、100〜250℃、好ましくは100〜200℃、より好ましくは100〜150℃の有機物からなる粉体を用いることができ、例えば、ポリスチレン、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂等の各種高分子からなる粒子等を用いることができる。また、これらの高分子は、変性体、誘導体、混合物、共重合体(ランダム、ブロック、グラフト、交互等いずれの共重合の形態であってもよい。)、架橋体等であってもよい。
<A
The
有機固体粒子の粒子径は、セパレータ材料中およびA層32中で均一に分散し、かつA層形成時の表面の平滑性を良好にする観点から、0.1〜5μmであることが好ましく、0.2〜3μmであることがより好ましく、0.5〜2μmであることがさらに好ましい。なお、ここで粒子径は、レーザ回折式粒度分布測定装置を用いて測定されるメジアン径である。
The particle diameter of the organic solid particles is preferably 0.1 to 5 μm from the viewpoint of uniformly dispersing in the separator material and the
A層32中にて、有機固体粒子を分散保持する結合剤としては、上記の有機固体粒子を保持することができ、電池中で安定に存在するものが用いられる。結合剤としては、各種の有機材料、無機材料を使用することができ、例えば、有機高分子、水ガラス等を使用することができる。結合剤が有機固体粒子を保持する形態としては、結合剤が無定形の有機材料もしくは無機材料、または融点を有さない有機高分子の微粒子であり、有機固体粒子同士を結着している形態が挙げられる。結合剤として用いられる融点を有さない有機高分子の微粒子は、その粒子径が0.02〜0.2μmであることが好ましく、0.05〜0.1μmであることがより好ましい。また、結合剤として後述のフッ素樹脂を使用し、A層形成時に混練やプレスなどにより剪断力を付与することで、結合剤が網目構造を形成し、有機固体粒子を保持する形態を採ることもできる。
As the binder for dispersing and holding the organic solid particles in the
上記の結合剤を形成する有機高分子としては、エチレン、プロピレン、スチレン等のオレフィンや、ブタジエン、イソプレン等のジオレフィンを重合したポリオレフィン;ポリ(メタ)アクリル酸メチル、ポリ(メタ)アクリル酸エチル等のポリ(メタ)アクリル酸エステル;ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂;ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル等を使用することができる。また、これらの有機高分子は、変性体、誘導体、混合物、共重合体(ランダム、ブロック、グラフト、交互等いずれの共重合の形態であってもよい。)、架橋体等であってもよい。 Examples of the organic polymer forming the binder include polyolefins obtained by polymerizing olefins such as ethylene, propylene, and styrene, and diolefins such as butadiene and isoprene; methyl poly (meth) acrylate, poly (meth) ethyl acrylate Poly (meth) acrylic acid esters such as polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and the like; polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, and the like can be used. These organic polymers may be a modified body, a derivative, a mixture, a copolymer (any form of copolymer such as random, block, graft, alternating, etc.), a crosslinked body, and the like. .
A層32中における、上記の有機固体粒子の割合は、A層32全体の質量を基準(100質量%)として、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95〜99質量%である。
The ratio of the organic solid particles in the
A層32の層厚は、1〜5μmであることが好ましく、2〜4μmであることがより好ましい。A層32が厚すぎると、これを積層したセパレータ30が厚くなりすぎて、電池の内部抵抗が大きくなってしまう。一方、A層32が薄すぎると、短絡が生じる可能性がある。
The layer thickness of the
<B層34>
B層34は、無機固体粒子および結合剤からなる層である。無機固体粒子は、B層中で粒子として存在する無機の粒子である。B層34においては、無機固体粒子が結合剤中において分散保持されている。無機固体粒子としては、酸化鉄、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン等の酸化物;窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の窒化物等の粒子を用いることができる。
<
The
無機固体粒子の粒子径は、セパレータ材料中およびB層34中で均一に分散し、かつB層形成時の表面の平滑性を良好にする観点から、0.05〜3μmであることが好ましく、0.1〜1μmであることがより好ましい。なお、ここで粒子径は、レーザ回折式粒度分布測定装置を用いて測定されるメジアン径である。
The particle diameter of the inorganic solid particles is preferably 0.05 to 3 μm from the viewpoint of uniformly dispersing in the separator material and the
B層34中にて、無機固体粒子を分散保持する結合剤としては、上記の無機固体粒子を保持することができ、電池中で安定に存在するものが用いられる。このような結合剤としては、上記のA層32にて説明した結合剤を使用することができる。
As the binder for dispersing and holding the inorganic solid particles in the
B層34中における、上記の無機固体粒子の割合は、B層34全体の質量を基準(100質量%)として、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95〜99質量%である。
The proportion of the inorganic solid particles in the
B層34の層厚は、1〜5μmであることが好ましく、2〜4μmであることがより好ましい。B層34が厚すぎると、これを積層したセパレータ30が厚くなりすぎて、電池の内部抵抗が大きくなってしまう。一方、B層34が薄すぎると、短絡が生じる可能性がある。
The layer thickness of the
<セパレータ30の層構成>
本発明におけるセパレータ30の層構成としては、A層32およびB層34から形成される三層以上の層からなり、A層32およびB層34が交互に積層されていれば、特に限定されない。層構成は、四層以上であってもよいが、セパレータの厚さを薄くすることが容易で、かつ生産工程が簡略で生産性に優れるとの観点から、三層構成が好ましい。三層構成の例としては、図1(a)に示したようなA層32/B層34/A層32の構成を有するもの、図1(b)に示したようなB層34/A層32/B層34の構成を有するもの、を挙げることができる。本発明のリチウムイオン二次電池は、このようなセパレータ30を用いることで、安全性及びシャットダウン性に優れるので、多孔膜や不織布などの従来のセパレータを用いる必要がない。
<Layer structure of
The layer structure of the
A層32およびB層34を積層したセパレータ30の厚さとしては、3〜20μmであることが好ましく、5〜15μmであることがより好ましい。セパレータ30の厚さが厚すぎると、電池の内部抵抗が大きくなってしまい、逆に薄すぎると、短絡が生じる可能性がある。
As thickness of
<セパレータ30の積層方法>
本発明におけるセパレータ30の製造方法について、以下に説明する。本発明のリチウムイオン二次電池におけるセパレータ30は、正極10あるいは負極20にセパレータ原料を塗布し、乾燥することにより製造することができる。セパレータ原料の塗布方法としては、セパレータ原料を正極10あるいは負極20に均一に塗布できる方法であれば、特に制限はなく、例えば、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法等の方法を挙げることができる。
<Lamination method of
The manufacturing method of the
A層32を形成するためのセパレータ原料としては、有機固体粒子、結合剤を溶媒中において均一に分散した分散液を使用することができる。また、B層34を形成するためのセパレータ原料としては、無機固体粒子、結合剤を溶媒中において均一に分散した分散液を使用することができる。
As a separator raw material for forming the
セパレータ原料において使用する溶媒としては、水または有機溶媒のいずれも使用することができる。この中でも、結合剤を溶解することができる溶媒を使用することが好ましく、そのような溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドンやシクロヘキサンなどが挙げられる。また、A層32を形成するセパレータ原料において使用する溶媒としては、有機固体粒子を溶解せずに、結合剤のみを溶解する溶媒を選択して使用する必要がある。
As the solvent used in the separator raw material, either water or an organic solvent can be used. Among these, it is preferable to use a solvent capable of dissolving the binder, and examples of such a solvent include N-methyl-2-pyrrolidone and cyclohexane. Moreover, as a solvent used in the separator raw material for forming the
セパレータ原料は、有機固体粒子あるいは無機固体粒子、結合剤、および各種添加剤を、混合機を用いて混合して製造できる。混合機としては、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、ホバートミキサーなどを用いることができる。 The separator raw material can be produced by mixing organic solid particles or inorganic solid particles, a binder, and various additives using a mixer. As the mixer, a ball mill, sand mill, pigment disperser, crusher, ultrasonic disperser, homogenizer, planetary mixer, Hobart mixer, or the like can be used.
本発明におけるセパレータ30は、上記のA層32およびB層34を形成するためのセパレータ原料を交互に、正極10あるいは負極20上に塗布・乾燥することによって形成される。例えば、まず、負極20表面にB層34を形成するためのセパレータ原料を、乾燥後のB層34の層厚が上記の所定の厚さとなるような塗布量にて塗布・乾燥する。そして、形成されたB層34上に、A層32を形成するためのセパレータ原料を同様に塗布・乾燥する。さらに、形成されたA層32上に、B層34を形成するためのセパレータ原料を塗布・乾燥する。これにより、負極20表面に、B層34/A層32/B層34の三層構造を有するセパレータ30を形成することができる。また、本発明におけるセパレータは、正極10および負極20の両方にセパレータ原料を塗布・乾燥することによっても形成することができる。例えば、正極10表面に、A層32およびB層34を形成するためのセパレータ原料を順に塗布・乾燥し、負極20表面にA層32を形成するためのセパレータ原料を塗布・乾燥し、これらを重ね合わせることによって、A層32/B層34/A層32の三層構造を有するセパレータ30を形成することができる。
The
塗布したセパレータ原料の乾燥方法としては、例えば、温風、低湿風による乾燥、真空乾燥、(遠)赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。 As a drying method of the applied separator raw material, for example, drying with warm air or low-humidity air, vacuum drying, or drying by irradiation with (far) infrared rays or electron beams can be mentioned.
セパレータ原料を重ねて塗布する際には、先に塗布した層が完全に乾燥してから、次の原料を塗布してもよいし、あるいは、先の層の表面が乾燥して次の原料を塗布できる状態になったら、次の原料を塗布して、セパレータ30を形成した後に、各層をまとめて乾燥してもよい。
When applying the separator raw material in layers, the first applied layer may be completely dried before the next raw material may be applied, or the surface of the previous layer may be dried to apply the next raw material. When ready to be applied, the next raw material is applied to form the
<リチウムイオン二次電池>
本発明のリチウムイオン二次電池は、例えば、負極20上にセパレータ30を形成し、このセパレータ30上に正極10を重ね合わせて、これを所定の形状に巻く、折るなどして容器に入れ、容器に電解液を注入して封口して製造することができる。
<Lithium ion secondary battery>
In the lithium ion secondary battery of the present invention, for example, the
本発明における正極10および負極20(以下、これらをまとめて「電極」と省略する場合がある。)は、集電体上に電極活物質およびバインダーからなる活物質層が結着された構造を有している。集電体は、導電性を有しかつ電気化学的に耐久性のある材料であれば特に制限されないが、耐熱性を有するとの観点から、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、タンタル、金、白金などの金属材料が好ましい。中でも、非水電解質二次電池の正極10用としてはアルミニウムが特に好ましく、負極20用としては銅が特に好ましい。集電体の形状は特に制限されないが、厚さ0.001〜0.5mm程度のシート状のものが好ましい。
In the present invention, the
上記の活物質層は、電極活物質およびバインダーを有するスラリー状の電極用組成物を集電体上に塗布し、乾燥することによって形成することができる。電極用組成物は、上記のバインダーを溶解することができる水あるいは有機溶媒に電極活物質が分散したものである。電極用組成物には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック等の導電性付与剤が含まれていることが好ましい。導電性付与剤を含ませることによって、電極活物質同士の電気的接触を向上させることができる。電極用組成物の塗布・乾燥方法としては、上記したセパレータ原料を塗布・乾燥する方法と同様の方法を採用することができる。 Said active material layer can be formed by apply | coating the slurry-form electrode composition which has an electrode active material and a binder on a collector, and drying it. In the electrode composition, the electrode active material is dispersed in water or an organic solvent capable of dissolving the binder. The electrode composition preferably contains a conductivity-imparting agent such as acetylene black, ketjen black, or carbon black. By including a conductivity imparting agent, electrical contact between the electrode active materials can be improved. As a method for applying and drying the electrode composition, a method similar to the method for applying and drying the separator raw material described above can be employed.
正極10用の電極活物質としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiFeVO4などのリチウム含有複合金属酸化物;TiS2、TiS3、非晶質MoS3などの遷移金属硫化物;Cu2V2O3、非晶質V2O−P2O5、MoO3、V2O5、V6O13などの遷移金属酸化物;および、これらの化合物中の遷移金属の一部を他の金属で置換した化合物などが例示される。さらに、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレンなどの導電性高分子を用いることもできる。電気伝導性の乏しい鉄系酸化物は、還元焼成時に炭素源物質を存在させることにより、炭素材料で覆われた電極活物質に変えて用いてもよい。
Examples of the electrode active material for the
また、負極20用の電極活物質としては、例えば、アモルファスカーボン、グラファイト、天然黒鉛、メゾカーボンマイクロビーズ(MCMB)、ピッチ系炭素繊維などの炭素質材料、ポリアセン等の導電性高分子などが挙げられる。また、リチウムと合金化可能なSi、Sn、Sb、Al、ZnおよびWなどの金属も挙げられる。電極活物質は、機械的改質法により表面に導電付与材を付着させたものも使用できる。
Examples of the electrode active material for the
バインダーとしては、本発明におけるセパレータにおいて記載した結合剤と同様のものを用いることができる。 As the binder, the same binder as described in the separator of the present invention can be used.
本発明のリチウムイオン二次電池における非水電解液としては、電解質を有機溶媒に溶解して得られる、液状またはゲル状の非水電解液を用いることができる。 As the non-aqueous electrolyte in the lithium ion secondary battery of the present invention, a liquid or gel non-aqueous electrolyte obtained by dissolving an electrolyte in an organic solvent can be used.
電解質としては、従来より公知のリチウム塩がいずれも使用でき、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiB10Cl10、LiAlCl4、LiCl、LiBr、LiB(C2H5)4、LiCF3SO3、LiCH3SO3、LiC4F9S3、Li(CF3SO2)2N、低級脂肪酸カルボン酸リチウムなどが挙げられる。
As the electrolyte, also known lithium salt is any conventionally available, LiClO 4, LiBF 4, LiPF 6, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6,
これらの電解質を溶解させる有機溶媒(電解液溶媒)は特に限定されるものではない。具体例としてはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどのカーボネート類;γ−ブチロラクトンなどのラクトン類;トリメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類;ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類等およびこれらの混合溶媒が挙げられ、中でもカーボネート類が化学的、電気化学的および熱安定性に優れているので好ましい。 The organic solvent (electrolytic solution solvent) for dissolving these electrolytes is not particularly limited. Specific examples include carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate; lactones such as γ-butyrolactone; trimethoxymethane, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, 2 -Ethers such as ethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran; sulfoxides such as dimethyl sulfoxide, and mixed solvents thereof. Among them, carbonates are excellent in chemical, electrochemical and thermal stability. preferable.
以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、本実施例における部および%は、特に断りがない限り質量基準である。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto. In addition, the part and% in a present Example are a mass reference | standard unless there is particular notice.
<正極の作製>
正極活物質であるLiCoO290部、導電性付与剤であるアセチレンブラック5部、バインダーであるポリフッ化ビニリデン5部、にN−メチル−2−ピロリドン(以下、「NMP」と省略する場合がある。)30部を加え、プラネタリーミキサーで1時間混練・分散処理を行い、正極用組成物を得た。これを厚さ20μmのアルミ箔上にアプリケーターを用いて塗布し、120℃で乾燥してアルミ箔上に活物質層を形成した。そして、一部の活物質層を剥離して、この剥離した部分にアルミニウム製のリードを取り付けて正極を作製した。
<Preparation of positive electrode>
N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter sometimes referred to as “NMP”) is added to 90 parts of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 5 parts of acetylene black as a conductivity imparting agent, and 5 parts of polyvinylidene fluoride as a binder. 30 parts were added and kneaded and dispersed for 1 hour with a planetary mixer to obtain a positive electrode composition. This was applied onto an aluminum foil having a thickness of 20 μm using an applicator and dried at 120 ° C. to form an active material layer on the aluminum foil. Then, a part of the active material layer was peeled off, and an aluminum lead was attached to the peeled portion to produce a positive electrode.
<負極の作製>
負極活物質であるグラファイト90部、バインダーであるポリフッ化ビニリデン10部にNMP67部を加え、プラネタリーミキサーで1時間混練・分散処理を行い、負極用組成物を得た。これを厚さ20μmの銅箔上にアプリケーターを用いて塗布し、120℃で乾燥して銅箔上に活物質層を形成した。そして、一部の活物質層を剥離して、この剥離した部分にアルミニウム製のリードを取り付けて負極を作製した。
<Production of negative electrode>
67 parts of NMP was added to 90 parts of graphite as a negative electrode active material and 10 parts of polyvinylidene fluoride as a binder, and kneaded and dispersed for 1 hour with a planetary mixer to obtain a negative electrode composition. This was applied onto a copper foil having a thickness of 20 μm using an applicator and dried at 120 ° C. to form an active material layer on the copper foil. Then, a part of the active material layer was peeled off, and an aluminum lead was attached to the peeled portion to produce a negative electrode.
<セパレータ原料Aの調製>
スチレンと2−エチルヘキシルアクリレートを分散重合し、噴霧乾燥して得られたポリスチレン・2−エチルヘキシルアクリレート共重合体粒子(粒子径:1μm、融点:120℃)96部、ポリフッ化ビニリデン4部にNMP85部を加え、プラネタリーミキサーで1時間混練・分散処理を行い、セパレータ原料Aを調製した。
<Preparation of separator raw material A>
96 parts of polystyrene / 2-ethylhexyl acrylate copolymer particles (particle size: 1 μm, melting point: 120 ° C.) obtained by dispersion polymerization of styrene and 2-ethylhexyl acrylate and spray drying, 85 parts of NMP in 4 parts of polyvinylidene fluoride Was added, and kneading and dispersion treatment was performed for 1 hour with a planetary mixer to prepare separator raw material A.
<セパレータ原料Bの調製>
酸化アルミニウム(住友化学社製、AKP−50、粒子径:0.3μm)96部、ポリフッ化ビニリデン4部にNMP85部を加え、プラネタリーミキサーで1時間混練・分散処理を行い、セパレータ原料Bを調製した。
<Preparation of separator raw material B>
96 parts of aluminum oxide (AKP-50, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., particle size: 0.3 μm), 85 parts of NMP are added to 4 parts of polyvinylidene fluoride, and kneaded and dispersed for 1 hour with a planetary mixer. Prepared.
<セパレータ原料Cの調製>
セパレータ原料Aの調製に用いたものと同じポリスチレン・2−エチルヘキシルアクリレート共重合体粒子48部、酸化アルミニウム(住友化学社製、AKP−50、粒子径:0.3μm)48部、ポリフッ化ビニリデン4部にNMP85部を加え、プラネタリーミキサーで1時間混練・分散処理を行い、セパレータ原料Cを作製した。
<Preparation of separator raw material C>
48 parts of the same polystyrene / 2-ethylhexyl acrylate copolymer particles used for the preparation of the separator raw material A, 48 parts of aluminum oxide (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP-50, particle size: 0.3 μm), polyvinylidene fluoride 4 85 parts of NMP was added to the part, and kneading and dispersion treatment was carried out for 1 hour with a planetary mixer to produce separator raw material C.
なお、上記のセパレータ原料中の粒子の粒子径は、レーザ回折式粒度分布測定装置(SALD−2000A;島津製作所社製)を用いて測定されるメジアン径である。 In addition, the particle diameter of the particle | grains in said separator raw material is a median diameter measured using a laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus (SALD-2000A; Shimadzu Corp. make).
(実施例1)
上記で調製したセパレータ原料Aを、上記で作製した負極の活物質層上に、アプリケーターを用いて塗工幅6cm、クリアランス250mmで塗布し、120℃で乾燥してA層を形成した。その後、セパレータ原料BをA層上にアプリケーターを用いて同様に塗布し、乾燥してB層を形成した。そして、さらに、セパレータ原料AをB層上にアプリケーターを用いて同様に塗布し、乾燥してA層を形成し、A層/B層/A層の三層構造のセパレータが形成された電極を得た。なお、セパレータ原料Aおよびセパレータ原料Bは、乾燥後のA層およびB層が3μmとなるように塗布されている。
Example 1
The separator raw material A prepared above was applied onto the negative electrode active material layer prepared above using an applicator with a coating width of 6 cm and a clearance of 250 mm, and dried at 120 ° C. to form an A layer. Thereafter, the separator raw material B was similarly applied onto the A layer using an applicator and dried to form the B layer. Further, the separator raw material A is applied onto the B layer in the same manner using an applicator, dried to form the A layer, and the electrode on which the separator having the three-layer structure of A layer / B layer / A layer is formed. Obtained. The separator raw material A and the separator raw material B are applied so that the dried A layer and B layer are 3 μm.
その後、セパレータを介して正極を重ね合わせて、これを巻いて、渦巻状の極板群を作製した。この略円筒形状を有する極板群の上面および下面に、絶縁板を取り付け、そして、これを電池ケースに挿入した。次に、この電池ケース内に電解液を注液し、封口板で封口して電池を作製した。電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを1:2の体積比で混合した溶媒に1.0モル/リットルの濃度でLiPF6を溶解したものを用いた。 Then, the positive electrode was overlapped through a separator and wound to prepare a spiral electrode group. Insulating plates were attached to the upper and lower surfaces of the electrode plate group having a substantially cylindrical shape, and inserted into the battery case. Next, an electrolytic solution was poured into the battery case and sealed with a sealing plate to prepare a battery. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.0 mol / liter in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 2 was used.
(実施例2)
実施例1において、負極の活物質層上に、セパレーター原料B、セパレータ原料A、そしてセパレータ原料Bの順で塗布して、B層/A層/B層の三層構造のセパレータが形成した以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
(Example 2)
In Example 1, except that the separator material B, the separator material A, and the separator material B were applied in this order on the negative electrode active material layer to form a B-layer / A-layer / B-layer separator. Produced a battery in the same manner as in Example 1.
(比較例1)
実施例1において、セパレータ原料Aのみを塗布して、A層の単層構造のセパレータを形成した以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that only the separator raw material A was applied to form a single-layer separator having an A layer.
(比較例2)
実施例1において、セパレータ原料Bのみを塗布して、B層の単層構造のセパレータを形成した以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
(Comparative Example 2)
A battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that only the separator raw material B was applied to form a single-layer separator having a B layer.
(比較例3)
実施例1において、セパレータ原料Cのみを塗布して、C層の単層構造のセパレータを形成した以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
(Comparative Example 3)
A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that only the separator raw material C was applied to form a C-layer single-layer separator.
(比較例4)
セパレータ原料Bを正極活物質層及び負極活物質層上にアプリケーターを用いて塗布し、120℃で乾燥してB層を形成した。その後、マニラ麻製の不織布(厚さが80μmで1m2当たりの重量が11gのもの)を介して、正極と負極のそれぞれB層側を不織布に向けて重ね合わせて、これ捲回することによって極板群を形成した。その後、実施例1と同様にして電池を作製した。
(Comparative Example 4)
Separator raw material B was applied onto the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer using an applicator and dried at 120 ° C. to form a B layer. Thereafter, the B layer side of each of the positive electrode and the negative electrode is superimposed on the non-woven fabric through a non-woven fabric made of Manila hemp (thickness is 80 μm and the weight per 1 m 2 is 11 g). A group of plates was formed. Thereafter, a battery was produced in the same manner as in Example 1.
(評価方法)
以下、上記の実施例および比較例で作製した電池の評価方法について説明する。なお、「実部インピーダンス」は、インピーダンスアナライザーを用いて、周波数10KHzにおいて、20〜300℃の温度範囲で、各電池100個ずつ測定した。実部インピーダンスは、セパレータを介した溶液抵抗に相当し、かつ、セパレータ起因の内部抵抗に相当する。表1に各電池の評価結果を示した。
(Evaluation method)
Hereafter, the evaluation method of the battery produced by said Example and comparative example is demonstrated. In addition, "real part impedance" measured 100 each of batteries in the temperature range of 20-300 degreeC in the frequency of 10 KHz using the impedance analyzer. The real part impedance corresponds to the solution resistance through the separator and also corresponds to the internal resistance caused by the separator. Table 1 shows the evaluation results of each battery.
<シャットダウン温度>
実部インピーダンスの値が20℃時の値と比較して10倍以上になった時の温度をシャットダウン温度とした。
<Shutdown temperature>
The temperature at which the real part impedance value was 10 times or more compared with the value at 20 ° C. was taken as the shutdown temperature.
<高温安全性>
各電池の高温安定性は、以下の基準により評価した。
○:セパレータを目視で確認して溶融時に実部インピーダンスが急激に低下あるいは測定不能になった電池の割合が0〜5%であるもの。
△:セパレータを目視で確認して溶融時に実部インピーダンスが急激に低下あるいは測定不能になった電池の割合が6〜20%であるもの。
×:セパレータを目視で確認して溶融時に実部インピーダンスが急激に低下あるいは測定不能になった電池の割合が21〜100%であるもの。
<High temperature safety>
The high temperature stability of each battery was evaluated according to the following criteria.
◯: The percentage of batteries in which the real part impedance suddenly decreased or became unmeasurable at the time of melting by visually checking the separator is 0 to 5%.
(Triangle | delta): The percentage of the battery whose real part impedance fell rapidly or became unmeasurable at the time of melting | dissolving by visually checking a separator is 6 to 20%.
X: The percentage of the battery in which the real part impedance suddenly decreased or became unmeasurable at the time of melting when the separator was visually confirmed was 21 to 100%.
<導電性>
セパレータ原料A、セパレータ原料B、およびセパレータ原料Cそれぞれ100部に対し、非水系電解液として1M濃度のLiPF6を溶解したエチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)(1/1質量比)を300部添加し、次いで塗工溶媒としてテトラヒドロフラン(THF)を添加後50℃に加熱し溶解を行ない、結着剤濃度12%の塗工用ドープを調製した。得られたドープを離型剤で表面処理を施したPETフィルム上に実施例、比較例ともに電池作成時と同様の手順で塗布後、乾燥を行ない電解液を含浸させたセパレータ膜を作製した。
<Conductivity>
For each 100 parts of separator raw material A, separator raw material B, and separator raw material C, ethylene carbonate (EC) / diethyl carbonate (DEC) (1/1 mass ratio) in which 1M concentration of LiPF 6 was dissolved as a non-aqueous electrolyte was used. After adding 300 parts and then adding tetrahydrofuran (THF) as a coating solvent, the mixture was heated to 50 ° C. for dissolution to prepare a coating dope having a binder concentration of 12%. The obtained dope was applied on a PET film surface-treated with a release agent in the same manner as in the battery preparation in both the Examples and Comparative Examples, and then dried to prepare a separator film impregnated with an electrolytic solution.
得られた電解液担持セパレータ膜を20mmΦに切り出し、2枚のSUS電極に挟み、10kHZでの交流インピーダンスから伝導度を算出した。評価の基準は以下の通りとした。
○:イオン伝導度が0.3S/m以上であるもの。
△:イオン伝導度が0.15S/m以上、0.3S/m未満であるもの。
×:イオン伝導度が0.15S/m未満であるもの。
The obtained electrolyte-carrying separator membrane was cut into 20 mmΦ, sandwiched between two SUS electrodes, and the conductivity was calculated from the AC impedance at 10 kHz. The evaluation criteria were as follows.
○: Ionic conductivity is 0.3 S / m or more.
Δ: Ionic conductivity is 0.15 S / m or more and less than 0.3 S / m.
X: The ionic conductivity is less than 0.15 S / m.
表1に示すように本発明の電池(実施例1および実施例2)は、すべての評価項目において良好な結果を示した。これに対して、比較例1、3の電池は高温時、有機固体粒子溶解部分で正極と負極が短絡したため、高温安全性が劣っていた。比較例2の電池はセパレータを形成する無機固体粒子の融点が高いためセパレータに要求される機能である100〜200℃でのシャットダウン機能を発揮することができないものであった。比較例4の電池は極間抵抗が大きいため導電性が悪かった。 As shown in Table 1, the batteries of the present invention (Example 1 and Example 2) showed good results in all evaluation items. On the other hand, the batteries of Comparative Examples 1 and 3 were inferior in high-temperature safety because the positive electrode and the negative electrode were short-circuited at the portion where the organic solid particles were dissolved at high temperatures. The battery of Comparative Example 2 was unable to exhibit the shutdown function at 100 to 200 ° C., which is a function required for the separator, because the inorganic solid particles forming the separator had a high melting point. The battery of Comparative Example 4 was poor in conductivity because of the large resistance between the electrodes.
以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うリチウムイオン二次電池もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。 While the present invention has been described in connection with embodiments that are presently the most practical and preferred, the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein. However, the present invention can be modified as appropriate without departing from the scope or spirit of the invention that can be read from the claims and the entire specification. Lithium ion secondary batteries with such modifications are also included in the technical scope of the present invention. Must be understood.
10 正極
20 負極
30 セパレータ
32 A層
34 B層
10
Claims (2)
前記セパレータが、融点を有する有機固体粒子を結合剤で結合してなる層(A層)および無機固体粒子を結合剤で結合してなる層(B層)から形成される三層で構成され、前記A層および前記B層が交互に積層され、前記A層、B層の1層あたりの厚さが1〜5μmである、リチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, a separator and a non-aqueous electrolyte,
The separator is composed of three layers formed of a layer formed by binding organic solid particles having a melting point with a binder (layer A) and a layer formed by binding inorganic solid particles with a binder (layer B), The lithium ion secondary battery in which the A layer and the B layer are alternately stacked, and the thickness of each of the A layer and the B layer is 1 to 5 μm .
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