JP5174543B2 - 二次電池用セパレータ、及び二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池用セパレータ、及び二次電池に関する。
近年では、二次電池が携帯電話やラップトップパソコン等の携帯性の高い機器の電源として広く使用されてきている。こうした二次電池の中には電解液に可燃性の有機溶媒を用いるものがあり、万一電池内部で短絡が生じると、電解液に引火する可能性があった。そのため、安全性の面から電池の難燃性を確保することが求められている。そこで、従来では下記の特許文献１に記載のように、電解液中に難燃性物質を添加し電池の可燃性の低下を図るようにしているものがある。
特開平６−２８３２０５号公報
しかしながら、上記の従来技術のように電解液に難燃剤を添加することによって二次電池の難燃性を確保しようとすると、電解液の体積に対して１０％以上の難燃剤の添加を必要とするため、電解液のイオン導電性が低下して二次電池の性能が劣化してしまうことがあった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的の一つは、二次電池の性能を劣化させずに発火耐性を強化することができる二次電池用セパレータ、及び二次電池を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る二次電池用セパレータは、二次電池の正極と負極との間に配置される二次電池用セパレータであって、多孔質シートの少なくとも一部に、難燃化材料を設けて形成したことを特徴とする。
また、本発明の一態様では、前記二次電池用セパレータにおいて、複数の前記多孔質シートを含み、前記難燃化材料を前記複数の多孔質シートの間に挟み込んで形成したことを特徴とする。
また、本発明の一態様では、前記二次電池用セパレータにおいて、前記難燃化材料を、前記多孔質シートに所定の間隔で周期的に設けたことを特徴とする。
また、本発明の一態様では、前記二次電池用セパレータにおいて、前記難燃化材料を、前記多孔質シートを巻回する軸と平行に設けたことを特徴とする。
また、本発明の一態様では、前記二次電池用セパレータにおいて、前記難燃化材料を、前記多孔質シートの全面に対して設けたことを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る二次電池は、正極と負極との間に配置される複数の二次電池用セパレータの一部に、多孔質シートの少なくとも一部に、難燃化材料を配置して成形した二次電池用セパレータを用いた、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、多孔質シートに難燃化材料を少なくとも部分的に配置してセパレータを形成することで、二次電池の性能を低下させずに発火耐性を強化できる。
本発明の一態様によれば、多孔質シート間に難燃化材料を挟み込んでセパレータを一体形成することで、難燃化材料の固定化が容易であるとともに、二次電池の性能を低下させずに発火耐性を強化できる。
本発明の一態様によれば、多孔質シートに難燃化材料を配置する部分と配置しない部分とを周期的に設けることで、イオン導電性を向上させることができ、二次電池の性能を低下させずに発火耐性を強化することができる。
本発明の一態様によれば、多孔質シートを巻回する軸と平行に配置することで難燃化材料が配置された多孔質シートの巻回を容易にすることができる。
本発明の一態様によれば、難燃化材料を多孔質シートの全面に対して設けることで難燃性をより向上させることができる。
本発明の一態様によれば、正極と負極との間に配置されるセパレータの一部に、難燃化材料を多孔質シートに配置して成形したセパレータを用いることで、二次電池の性能を低下させずに発火耐性を強化することができる。
以下、本発明を実施するための好適な実施の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。
図１には、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電極群１０の構成を示す。図１に示されるように、リチウムイオン二次電池の電極群１０は、正極シート２０、負極シート３０、正極シート２０と負極シート３０と巻回時の接触を防ぐ第１のセパレータ４０、及び正極シート２０と負極シート３０との間に配置される第２のセパレータ５０の４層体を重ね合わせた上で巻回して構成される。リチウムイオン二次電池は当該構成された電極群１０に電解液を注入して構成されるものであり、電解液には、エチレンカーボネートやジメチルカーボネートの混合物を用いることとしてよい。
正極シート２０は、正極集電体シート２２、正極端子２４、及び正極活物質層２６を含み構成される。正極集電体シート２２は、アルミニウムを材料とした薄膜シートにより構成することとしてよく、正極集電体シート２２の一部を正極端子２４として構成する。また、正極活物質層２６は、ＬｉＣｏＯ２系酸化物やＬｉＭｎＯ２系酸化物により構成される。
負極シート３０は、負極集電体シート３２、負極端子３４、及び負極活物質層３６を含み構成される。負極集電体シート３２は、銅を材料とした薄膜シートにより構成することとしてよく、負極集電体シート３２の一部を負極端子３４として構成する。また、負極活物質層３６は、カーボンにより構成される。
第１のセパレータ４０は、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素系樹脂等の材料からなる多孔性シート（不織布）に難燃化材料を設けて形成した難燃性セパレータである。難燃性セパレータは、多孔性シートの少なくとも一部の表面に難燃化材料を堆積させて接着することにより形成することとしてよい。ここで難燃化材料は多孔性シート上に一様に形成することとしてもよいし、難燃化材料を堆積させるタイミングを制御することにより、多孔性シートの厚みや面内方向に難燃化材料の分布を変化させて形成することとしてもよい。
難燃化材料には、臭素系、塩素系のハロゲン系難燃剤や、リン系、シリコン系のノンハロゲン系難燃剤を用いることとしてよい。ハロゲン系難燃剤では、例えば、臭素系のＤＢＤＰＯ（デカブロモジフェニルオキサイド）、ＤＢＤＰＥ（デカブロモジフェニルエーテル）等を用いることとしてよく、また、ノンハロゲン系難燃剤では、例えば、リン系のリン酸エステルやシリコン系のシリコンポリマー粉末を用いることとしてよい。その他にもフェームシリカ、三酸化アンチモン等の粉末（粒径が０．００５〜０．１μｍ程度）を難燃化材料として用いることとしてよい。なお、これらの難燃化材料は二次電池の動作温度、セパレータの融解温度（例えば１５０℃等）や正電極の分解が進む温度（例えば３５０℃）等に応じて１又は複数の材料を選定することとしてよい。ここで、正極の分解温度で作用する難燃化材料を使用すれば、電解液の燃焼防止のみならず、正極の分解時に難燃化材料を作用させることも可能になる。
第２のセパレータ５０は、多孔質シートからなるセパレータであって、第１のセパレータ４０とは異なり難燃化材料を含有しないセパレータである。第２のセパレータ５０に用いられる多孔質シートの材料としては、例えばポリエチレン、ポロプロピレン、フッ素系樹脂等を用いることとしてよい。
なお、上記各セパレータの多孔質シートについては、ポリエチレンやポロプロピレンなどのオレフィン系材料を用いてもよいが、より耐熱性の高いフッ素系樹脂やシリコンゴム系材料を用いることで二次電池の発火防止効果を高めることとしてもよい。
以下、上記第１のセパレータ４０に用いられる難燃性セパレータの具体例について説明する。
図２には、第１の実施形態に係る難燃性セパレータ４０の構成図を示す。図２に示されるように、難燃性セパレータ４０は、多孔質シート４２と多孔質シート４４の間に難燃化材料からなる難燃化部４６を部分的に配置して形成されたものである。
図２に示されるように、本実施形態に係る難燃性セパレータ４０では、シートの巻回方向に対して難燃化部４６を所定の間隔で周期的に設けることとしている。こうすることで、難燃化材料の設けられていない部位４８においては正極と負極間のイオン伝導性が確保でき、二次電池の性能劣化を抑えることができる。また、図２に示されているように、難燃化部４６では難燃化材料を波状に堆積することにより難燃性セパレータを巻回した際のシートの厚みがなるべく不均一にならないようにしている。
上記の難燃性セパレータ４０においては、多孔質シートの厚みは１０〜２０μｍ程度、難燃化材料は厚いところで５〜１０μｍ程度として構成することとしてよい。また、多孔質シート４２と多孔質シート４４との素材の組み合わせは、例えばＰＥＴとＰＥＴ、ＰＥＴとＴＦ、ＰＥＴとＰＰ、ＴＦとＴＦ等としてよい。なお、ＰＥＴ：ポリエチレンテレフタラート、ＴＦ：フッ素系樹脂、ＰＰ：ポリプロピレンである。
図３には、難燃性セパレータ４０の製造方法の概要図を示した。図３に示されるように、多孔質シートのロール６０から引き出された多孔質シートの表面に、接着剤塗布部６４により接着剤を塗布するとともに、接着剤が塗布された多孔質シートの表面にホッパ６６により難燃化材料を投下して堆積する。ここで、ホッパ６６による難燃化材料の投下タイミング及び投下量を制御して、多孔質シート上に難燃化材料が所定の厚み及び間隔で配置されるようにする。
次に加圧・加熱ロール６８において、多孔質シートのロール６０から引き出された多孔質シート上に部分的に堆積された難燃化材料を、もう一方の多孔質シートのロール６２から引き出された多孔質シートとで挟み込んだ状態で両側から加圧・加熱することで多孔質シート間に難燃化材料を固着する。こうして多孔質シート間に難燃化材料が固着された３層からなる難燃性セパレータを巻回して、難燃性セパレータのロール７０を生成する。なお、本工程においては、難燃化材料としては粉末型の材料を用いることが好適である。
次に、図４を参照しながら、上記生成された難燃性セパレータのロール７０を用いて二次電池の電極群１０を製造する方法の概要を説明する。図４に示されるように、正極電極シートロール７２と、負極電極シートロール７４と、セパレータロール７６、難燃性セパレータロール７０とを用意し、各ロールから引き出した正極シート、セパレータシート、負極シート、難燃性セパレータシートをこの順に配置するとともに、当該順に層状にしたまま巻回して電極群１０を形成する。
次に、難燃性セパレータの他の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、図５には、第２の実施形態に係る難燃性セパレータ８０の構成図を示した。図５に示される難燃性セパレータ８０は、上述した難燃性セパレータ４０とは２枚の多孔質シート間に難燃化材料を設けた３層構造である点では共通しているが、多孔質シート８２，８４間に難燃化材料からなる難燃化部８６を部分的に設けるのではなく、難燃化部８６が多孔性シートの面に一様に構成されている点で異なる。なお、上記の難燃化部８６には、難燃化材料をシート状に形成した難燃性シートを用いることとしてよい。
図６には、上記の難燃性セパレータ８０の製造方法の概要を説明する図を示した。図６に示されるように、多孔質シートのロール６０，６２から引き出されたシートの間に難燃化材料からなる難燃性シートのロール８８から引き出された難燃性シートを配置し、多孔質シートの間に難燃性シートを挟み込んで巻き上げることにより難燃性セパレータのロール９０を形成する。
次に、図７には第３の実施形態に係る難燃性セパレータ１００の構成を示した。第３の実施形態に係る難燃性セパレータ１００は、多孔質シート１０２を１層にして、その上に難燃化材料からなる難燃化部１０４を設けた２層構造で構成される。上記の難燃化部１０４には、難燃化材料をシート状に形成した難燃性シートを用いることが好適である。
また、図８には第４の実施形態に係る難燃性セパレータ１１０を用いた二次電池の電極体の製造方法を説明する図を示した。第４の実施形態に係る難燃性セパレータ１１０は、難燃化材料を含有した難燃性セパレータ１１０Ａと難燃化材料を含有しないセパレータ１１０Ｂとを接合して成形されるセパレータであり、例えば第４の実施形態に係る難燃性セパレータ１１０は、その中央部分で難燃性セパレータ１１０Ａと通常のセパレータ１１０Ｂとを接合して形成することとする。
図８に示されるように、第４の実施形態に係る難燃性セパレータ１１０を用いて二次電池を構成する場合には、中央で２種類のセパレータを接合して構成された上記の難燃性セパレータ１１０を配置するとともに、その一方の面には正極１１４を、そして他方の面には負極１１６をそれぞれ配置して、軸部１１８を中心に正極１１４、負極１１６、セパレータ１１０を重ね合わせて巻回して電極群を構成する。
以上説明した本実施形態に係る難燃性セパレータ及び当該難燃性セパレータを用いて形成した二次電池によれば、二次電池を構成する２つのセパレータのうち、主に、巻回時の正極と負極の接触防止のために配置される第１のセパレータに難燃化材料を含有したものを用い、もう一方の、正極と負極間に配置される第２のセパレータについては難燃化材料を含有しないものを用いることで、正極と負極間のイオン伝導性を低下させずに、二次電池の難燃性を向上させることができる。また、正極の分解温度で作用する難燃化材料を用いれば、電解液の燃焼時のみならず、正極の分解時にも燃焼防止効果を発揮することができる。このようにして、本実施形態によれば、二次電池の性能を劣化させることなしに、二次電池の発火耐性を向上させることができる。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、例えば上記の実施形態では、２層のセパレータのうち一層のセパレータに難燃性セパレータを用いて他方は通常のセパレータを用いることでイオン導電性を確保することとしたが、両方に難燃性セパレータを用いてより耐火性能を向上させることとしても構わない。
また、上記実施形態では本発明をリチウムイオン二次電池に適用したものであるが、本発明はリチウムイオン二次電池に限らず他の二次電池にも広く適用できるのはもちろんである。
１０ 電極群、２０ 正極シート、２２ 正極集電体シート、２４ 正極端子、２６ 正極活物質層、３０ 負極シート、３２ 負極集電体シート、３４ 負極端子、３６ 負極活物質層、４０ 第１のセパレータ（難燃性セパレータ）、４２，４４ 多孔質シート、４６ 難燃化部、４８ 部位、５０ 第２のセパレータ、６０，６２ 多孔質シートのロール、６４ 接着剤塗布部、６６ ホッパ、６８ 加圧・加熱ロール、７０ 難燃性セパレータのロール、７２ 正極電極シートロール、７４ 負極電極シートロール、７６ セパレータロール、８０ 難燃性セパレータ、８２，８４ 多孔質シート，８６ 難燃化部、８８ 難燃性シートのロール、９０ 難燃性セパレータのロール、１００ 難燃性セパレータ、１０２ 多孔質シート、１０４ 難燃化部、１１０ 難燃性セパレータ、１１０Ａ 難燃性セパレータ、１１０Ｂ セパレータ、１１４ 正極、１１６ 負極、１１８ 軸部。
Claims (4)
- 二次電池の正極と負極との間に配置される二次電池用セパレータであって、
複数の多孔質シートの間に、難燃化材料を挟み込んで形成し、前記難燃化材料を、前記多孔質シートに所定の間隔で周期的に設けたことを特徴とする二次電池用セパレータ。 - 前記難燃化材料を、前記多孔質シートを巻回する軸と平行に設けたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池用セパレータ。
- 正極と負極との間に配置される二次電池用セパレータに、
複数の多孔質シートの間に、難燃化材料を挟み込んで形成し、前記難燃化材料を、前記多孔質シートに所定の間隔で周期的に設けた二次電池用セパレータを用いた、
ことを特徴とする二次電池。 - 前記難燃化材料を、前記多孔質シートを巻回する軸と平行に設けたことを特徴とする請求項３に記載の二次電池。
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