JP5095121B2 - 非水電解質二次電池用セパレータおよび非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
例えば、耐熱性樹脂である含窒素芳香族重合体とセラミックス粉末とを含む耐熱層を有するセパレータが提案されている。耐熱層は、繊維、不織布、紙または多孔質フィルムからなる基材の表面に設けられている。提案されている基材の単位面積当たりの重量は、40g/m2以下であり、基材の厚みは70μm以下である(特許文献1参照)。特許文献1では、ポリエチレン製の多孔質フィルムが、基材の一例として開示されている。
図1は、本発明の一実施形態に係る角型の非水電解質二次電池の一部を分解した斜視図である。非水電解質二次電池は、正極と負極とを、これらの間に介在するセパレータとともに捲回してなる電極群1を有する。電極群1は、非水電解質(図示せず)とともに角型の電池ケース4に収納されている。電極群1の上部には、電極群1と封口板5とを隔離するとともに、正極リード2または負極リード3と電池ケース4との接触を防止する樹脂製の枠体(図示せず)が配置されている。封口板5には、外部負極端子6と、非水電解質の注液孔とが設けられており、注液孔は封栓8で塞がれている。正極リード2は、封口板5の下面に接続され、負極リード3は、外部負極端子6に接続されている。外部負極端子6は、ガスケット7により封口板5から絶縁されている。
図2は、非水電解質二次電池用セパレータの部分断面図である。セパレータ9は、高温時に実質的に無孔性の層となるシャットダウン特性を有する第1多孔質層10(A層)と、A層の表面に設けられた、アラミド樹脂と無機材料とを含む第2多孔質層11(B層)から構成されている。ここで、B層11の厚み(TB)に対するA層10の厚み(TA)の比率(TA/TB)は、3以上、8以下に設定されている。
ポリオレフィン系樹脂を構成するオレフィンとしては、エチレン、プロピレン、ブテン、ヘキセンなどが挙げられる。ポリオレフィン系樹脂の具体例としては、低密度ポリエチレン、線状ポリエチレン(エチレン−α−オレフィン共重合体)、高密度ポリエチレン等のポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等のポリプロピレン系樹脂、ポリ(4−メチルペンテン−1)、ポリ(ブテン−1)およびエチレン−酢酸ビニル共重合体が挙げられる。
ポリオレフィンの中でも、特にポリエチレン系樹脂を用いることが好ましい。ポリエチレン系樹脂を用いる場合、熱可塑性樹脂中のポリエチレン系樹脂の含有率は、60重量%以上、100重量%以下であることが好ましい。
アラミド樹脂としては、例えばパラ配向性の芳香族ポリアミド(以下、「パラアラミド」と記す)、メタ配向性の芳香族ポリアミド(以下、「メタアラミド」と記す)などが挙げられる。特に、機械的強度が高く、多孔質になりやすい点で、パラアラミドが好ましい。パラアラミドは、例えばパラ位にアミノ基を有する芳香族ジアミンと、パラ位にアシル基を有する芳香族ジカルボン酸ハライドとの縮合重合により得られる。よって、パラアラミドにおいては、芳香環のパラ位またはそれに準じた位置にアミド結合が存在する。パラアラミドは、例えば4、4’−ビフェニレン基、1,5−ナフタレン基、2、6−ナフタレン基などの繰り返し単位を有する。
B層に含ませる無機材料の量は、アラミド樹脂100重量部あたり、120〜400重量部が好ましく、150〜300重量部が特に好ましい。
(i)第1多孔質層(A層)
ポリエチレン、充填剤、必要な添加剤(例えば非イオン性の界面活性剤)などを、双ロール、バンバリーミキサ、1軸押出し機など、既存の混合装置を用いて混合する。得られた混合物をインフレーション加工、カレンダー加工、Tダイ押出し加工など、既存のフィルム形成法によって所望の厚みのシートに成形する。得られたシートは、一軸または二軸延伸などで延伸することが好ましい。
パラアラミド樹脂は、極性有機溶媒に溶解する。そこで、パラアラミド樹脂を溶媒に溶解し、塗布に好適な低粘度のパラアラミド溶液を調製する。次に、得られた樹脂溶液を、無機材料と混合し、B層の原料スラリーを調製する。
本発明において、パラアラミドの固有粘度は、次の方法で測定する。まず、濃度96〜98重量%の濃硫酸100mlに、パラアラミド樹脂0.5gを溶解し、パラアラミド樹脂と濃硫酸との混合溶液を調製する。得られた混合溶液と、濃度96〜98重量%の濃硫酸について、それぞれウベローデ型毛細管粘度計により、30℃で流動時間を測定する。求められた流動時間の比から、次式により、固有粘度が求められる。
固有粘度=ln(T/T0)/C 〔単位:dl/g〕
ここで、Tはパラアラミド樹脂と濃硫酸との混合溶液の流動時間であり、T0は濃度96〜98重量%の濃硫酸の流動時間であり、Cはパラアラミド樹脂と濃硫酸との混合溶液中のパラアラミド樹脂の濃度(g/dl)を示す。
導電剤としては、各種天然黒鉛および各種人造黒鉛;アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類;炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類;フッ化カーボン;アルミニウムなどの金属粉末類;酸化亜鉛やチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;フェニレン誘導体などの有機導電性材料などを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
[実施例]
(i)正極の作製
硫酸コバルトを0.20mol/Lの濃度で含み、かつ硫酸ニッケルを0.80mol/Lの濃度で含む水溶液を反応槽に連続供給した。その水溶液のpHが10〜13になるように、反応槽に水酸化ナトリウムを滴下することにより、Ni0.80Co0.20(OH)2を合成した。その後、この水酸化物を十分に水洗し、乾燥させて、正極活物質の前駆体とした。得られた前駆体と、炭酸リチウムとを、リチウムとニッケルとコバルトとのモル比が1.02:0.80:0.20になるように混合した。その混合物を、600℃で10時間、仮焼成し、粉砕した。粉砕された焼成物を、900℃で再度10時間焼成した後、粉砕して分級し、式:Li1.02Ni0.80Co0.20O2で表されるリチウム含有複合酸化物を得た。
人造黒鉛3kgを、日本ゼオン(株)製のBM−400B(変性スチレン−ブタジエンゴムを40重量%含む水性分散液)200g、カルボキシメチルセルロース(CMC)50g、および適量の水とともに双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤ペーストを調製した。
(A層の作製)
熱可塑性樹脂である超高分子量ポリエチレン樹脂(重量平均分子量300万、融点136℃)100重量部と、熱可塑性樹脂であるオレフィン系ワックス粉末44重量部(重量平均分子量1000、融点110℃)と、炭酸カルシウム(平均粒径0.20μm)256重量部とを、ヘンシェルミキサで混合した。その後、2軸混練機で混練してポリオレフィン系樹脂組成物を得た。
なお、一辺の長さが10cmである正方形のA層のサンプルを2枚切り取り、80℃および180℃の恒温槽にそれぞれ1分間投入した。その後、ガーレー値を測定したところ、80℃の恒温槽に投入したサンプルでは、ガーレー値に変化はほとんどなかった。一方、180℃の恒温槽に投入したサンプルでは、ガーレー値が5000(秒/100ml)以上に変化した。これより、A層は80〜180℃で実質的に無孔性になることを確認した。
NMP4200gに塩化カルシウム272.65gを溶解した後、パラフェニレンジアミン132.91gを添加して完全に溶解させた。得られた溶液に、テレフタル酸ジクロライド(以下、TPCと略す)243.32gを徐々に添加してパラアラミドを重合させ、さらにNMPで希釈して、濃度2.0重量%のパラアラミド溶液を得た。なお、得られたパラアラミド溶液からパラアラミド樹脂を分離し、その固有粘度を求めたところ、2.01dl/gであった。
上記のようにして作製した正極、負極およびセパレータを用いて、図1に示すような角型の非水電解質二次電池を作製した。
まず、負極1と正極2とを、これらの間にセパレータ3を介在させて捲回し、断面が略楕円形の電極群4を構成した。なお、同じ電極群をそれぞれ30個ずつ作製した。次に、封口板6と正極リード7とを導通させ、ガスケットで囲まれた状態で封口板6に設けられた外部負極端子10と負極リードとを導通させた。その後、封口板6と電池ケース5の開口端とを溶接した。その後、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの体積比1:1の混合溶媒にLiPF6を1モル/Lの濃度で溶解させた非水電解質を、封口板6に設けられた注液孔から注液した。最後に、注液孔に封栓8を差し込み、溶接により注液孔を塞いだ。このようにして、高さ50mm、幅34mm、厚み5mmの角型電池を作製した。電池の設計容量は1000mAhとした。
上記のように作製したセパレータおよび角型の非水電解質二次電池に対し、以下の評価を行った。
(セパレータの評価)
(1)A層およびB層の厚み
厚みは、JIS規格K7130−1992による方法に準じて測定した。
A層を、一辺の長さが10cmの正方形に切り取り、重量W(g)と厚みT(cm)とを測定した。次に、A層の真比重D(g/cm3)の値を用いて、次式より、空隙率(%)を求めた。
空隙率(%)=100×{1−(W/D)/(100×T)}
セパレータのガーレー値(秒/100ml)を、JIS規格P8117による方法に準じて、B型デンソメーター((株)東洋精機製作所)を用いて測定した。
セパレータをφ12mmのワッシャで固定し、固定されたセパレータに、ピンを200mm/分の速度で突刺し、その際の最大応力(gf)を突刺し強度として求めた。ピンの形状は、ピン径φ1mm、先端0.5Rとした。
(1)初期容量
以下の評価を行う前に、作製された電池を20℃の環境に置き、設計容量を基準にして0.1Cの定電流で4.2Vに到達するまで充電し、さらに4.2Vの定電圧で5時間充電した。その後、0.1Cの定電流で放電し、常温における初期容量(C0)を測定した。
得られた初期容量を基準にして、下記の要領で、低温レート特性、サイクル特性、加熱試験およびリーク不良を評価した。
電池を20℃の環境に置き、設計容量を基準にして0.1Cの定電流で4.2Vに到達するまで充電し、さらに4.2Vの定電圧で5時間充電した。次に、充電状態の電池を−10℃の環境に60分間放置後、1C(1000mA)の電流で放電を行った。得られた放電容量の、初期容量(C0)に対する割合を、容量維持率(%)として求めた。
20℃環境温度で、以下の条件で電池の充放電を繰り返した。
まず、1.0Aの定電流で、電池電圧が4.2Vになるまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で、50mAの電流値に低下するまで充電した。充電後の電池は30分間休止させた。その後、0.2Aの電流値で、電池電圧が3.0Vに低下するまで定電流で放電した。放電後の電池は30分間休止させた。この充放電を1サイクルとして、放電容量が初期容量(C0)の50%になるまで、充放電サイクルを繰り返した。その時のサイクル数を50%維持サイクル数として求めた。
電池を加熱槽に設置し、加熱槽を5℃/分の昇温速度で140℃まで上昇させ、その状態で10分間放置した。その後、電池の温度をモニタし、電池温度が到達した最高温度を測定した。
電極群に対して、直流電圧250Vを印加した際、10mA以上の電流量が通電した場合をリークセルと見なした。30個中、3個以上のリークセルが発生した場合をリーク不良発生と判断した。
[評価1]
表1Aに示すように、セパレータの厚みを16μmで固定し、B層の厚みに対するA層の厚みの比率を変えたときの評価結果を表1Bに示す。なお、サンプル1〜3は実施例、サンプルC1およびC2は比較例、サンプル1、4は参考例である。
表2Aに示すように、B層の厚みに対するA層の厚みの比率を4.3で固定し、A層の厚みとB層の厚みとの合計を変えたときの評価結果を表2Bに示す。サンプル6は参考例である。
表3Aに示すように、A層の厚みとB層の厚みを固定し、B層に含まれるアラミド樹脂の含有率を変えたときの評価結果を表3Bに示す。サンプル7、8は参考例である。
表4Aに示すように、A層の厚みとB層の厚みを固定し、B層に含まれるアラミド樹脂の含有率を固定し、A層の空隙率およびセパレータの透気度を変えたときの評価結果を表4Bに示す。サンプル9は参考例である。
表5Aに示すように、A層の厚みとB層の厚みを固定し、B層に含まれるアラミド樹脂の含有率を固定し、セパレータの突刺し強度を変えたときの評価結果を表5Bに示す。なお、突刺し強度は、A層の作製時におけるロール温度および延伸時の温度を制御することにより変化させた。
4 電池ケース
5 封口板
2 正極リード
3 負極リード
6 外部負極端子
8 封栓
7 ガスケット
9 セパレータ
10 第1多孔質層(A層)
11 第2多孔質層(B層)
Claims (6)
- 高温時に実質的に無孔性の層となるシャットダウン特性を有する第1多孔質層(A層)と、アラミド樹脂と無機材料とを含む第2多孔質層(B層)とを積層した非水電解質二次電池用セパレータであって、
前記B層の厚み(TB)に対する、前記A層の厚み(TA)の比率(TA/TB)が、3以上、8以下であり、
前記B層に含まれる前記アラミド樹脂の含有率が、25重量%以上、40重量%以下であり、
前記A層の厚みと前記B層の厚みとの合計(T A +T B )が、11μm以上、16μm以下であり、
透気度が、150秒/100mL以上、350秒/100mL以下である、非水電解質二次電池用セパレータ。 - 前記A層が、熱可塑性樹脂からなる多孔質層であり、80℃以上、180℃以下の温度で無孔性の層となる、請求項1記載の非水電解質二次電池用セパレータ。
- 前記A層が、ポリエチレンからなる多孔質層である、請求項1記載の非水電解質二次電池用セパレータ。
- 前記A層の空隙率が、37%以上、48%以下である、請求項1記載の非水電解質二次電池用セパレータ。
- 突刺し強度が、250gf以上である、請求項1記載の非水電解質二次電池用セパレータ。
- リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する正極と、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する負極と、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータと、非水電解質とを具備し、前記セパレータが、請求項1記載の非水電解質二次電池用セパレータである、非水電解質二次電池。
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