JP5183016B2 - 非水系電解液二次電池用多孔質セパレータおよびそれを用いた非水系電解液二次電池 - Google Patents
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Description
リチウム二次電池は、固体電解質を用いる電池と有機電解液を用いる電池とに大別される。
本発明の多孔質セパレータは、厚み方向の熱伝導率が0.5W/(m・K)以上であることを特徴とする。以下に本発明の多孔質セパレータについて詳細に説明する。
本発明の多孔質セパレータの厚み方向の熱伝導率は、通常0.5W/(m・K)以上、好ましくは1.0W/(m・K)以上、さらに好ましくは2.0W/(m・K)以上である。本発明の多孔質セパレータの厚み方向の熱伝導率の上限は特にないが、通常2.5W/(m・K)以下である。
(厚み方向の熱伝導率の測定方法)
JIS A1412に準拠する。25mm角のサンプルの一方の面を冷却して18℃に保ち、もう一方の面を加熱して42℃に保つ。厚み方向に24Kの温度勾配を定常的に維持するために必要な高熱板への供給電力から熱伝導率を求める。
本発明の多孔質セパレータの厚み(膜厚)は、通常10μm以上、好ましくは20μm以上、さらに好ましくは30μm以上で、通常200μm以下、好ましくは100μm以下、さらに好ましくは50μm以下である。多孔質セパレータの厚みが10μm未満では機械的強度が低くなりすぎて好ましくない。また、多孔質セパレータの厚みが200μmを超えると熱伝導が悪くなり除熱が充分に行えず好ましくない。また、多孔質セパレータの厚みが過度に厚いと、電池内に占めるセパレータの体積割合が大きくなり、相対的に電極面積が低減して、電池容量が小さくなるため好ましくない。
本発明の多孔質セパレータの空孔率は、通常30%以上、好ましくは40%以上、さらに好ましくは50%以上で、通常80%以下、好ましくは70%以下、さらに好ましくは60%以下である。多孔質セパレータの空孔率が30%より小さいと孔の連通性が充分でなく、電解液を含浸したときのイオン伝導率が低くなり、電池として充分に機能することができない。また、多孔質セパレータの空孔率が80%を超えるとフィラーを含有した多孔質セパレータの場合、熱伝導性のマトリックスの体積が小さすぎて除熱を充分に行えず、好ましくない。
多孔質セパレータは、その用途において、全体としては電気絶縁性でなくてはならない。多孔質セパレータ全体の厚み方向の電気伝導率は、通常10-11S/m未満、好ましくは10-12S/m以下、さらに好ましくは10-14S/m以下である。多孔質セパレータ全体の電気伝導率がこの上限を上回ると電池組み立て時の絶縁試験等で短絡する可能性があり好ましくない。
厚み方向の熱伝導率が0.5W/(m・K)以上である本発明の多孔質セパレータの構造には特に制限はないが、例えば下記[1]または[2]の構造をとることができる。
[1]熱伝導率の高いフィラーよりなる、またはこのようなフィラーを含有する単層セパレータ(以下、単に「単層セパレータ」と称す場合がある。)
[2]金属メッシュなどの電気伝導層を有する多層セパレータ(以下、単に「多層セパレータ」と称す場合がある。)
本発明において、多孔質体であるセパレータの厚み方向の熱伝導率を0.5W/(m・K)以上にする方法としては、熱伝導率が30W/(m・K)以上のフィラーを多孔質体に含有させることが挙げられる。
フィラーの大きさは、単層セパレータの構成、即ち、後述のフィラーのみからなる単層セパレータであるか、フィラーを樹脂中に含有する単層セパレータであるかによって、その好適範囲が適宜決定される。
(1)−1 熱伝導率の高いフィラーよりなるもの
(1)−2 熱伝導率の高いフィラーを樹脂中に含有するもの
の2通りの構成とすることができる。
この場合、単層セパレータはフィラー単独で形成されてもよく、そのようなものとしてはアルミナ繊維からなるシートなどが例として挙げられる。また、フィラーをごく少量のバインダー樹脂で接着後、高温で処理して樹脂を炭化させたものであってもよい。
この場合、単層セパレータの製造に用いるフィラーの大きさは、本発明の多孔質セパレータに好適な前述の空孔率や多孔質セパレータとして必要とされる機械的強度等を満足する範囲において特に制限はない。
この単層セパレータに用いられるフィラーの大きさは、平均粒径で通常0.01μm以上、好ましくは0.05μm以上、さらに好ましくは0.1μm以上である。また、通常50μm以下、好ましくは30μm以下、さらに好ましくは10μm以下である。なお、この平均粒径とは、粒状のフィラーにあっては直径ないし長径をさし、鱗片状のフィラーにあっては板状部の長径をさし、繊維状のフィラーにあっては繊維長をさす。
特に、フィラーの平均粒径が0.3μm以上1μm以下であれば、フィラーが成形性を損なわない程度の二次凝集によるパーコレーションを形成しやすく、熱伝導率が大きくなりやすく、好ましい。
この多層セパレータにおいては、熱伝導率を上げるために、電気伝導層を設ける。即ち、一般に導電性を有する金属やカーボンは熱伝導性も良好であるため、このような導電性材料よりなる電気伝導層を設け、一方で、セパレータとしての絶縁性を確保するために、このような電気伝導層に他の電気絶縁層を積層する。
[2]−1 少なくとも、金属フィラーやカーボンフィラーを樹脂中に包含した電気伝導層と電気絶縁層とを有する、2層以上の積層体よりなる多層セパレータ
[2]−2 少なくとも、金属メッシュ等の導電性多孔質体よりなる電気伝導層と、電気絶縁層とを有する、2層以上の積層体よりなる多層セパレータ
が挙げられる。
このような電気伝導層の厚み方向の熱伝導率は通常100W/(m・K)以上であることが好ましい。
従って、前述のような電気伝導率の電気伝導層を含む多孔質セパレータにあっては、更に電気絶縁性の層を最低一層積層することで、セパレータに必要な電気絶縁性を確保する必要がある。
(i) 窒化ホウ素や窒化アルミニウム等の金属窒化物やアルミナや酸化マグネシウム、シリカなどの金属酸化物あるいは炭化珪素などの熱伝導率の高い非導電性フィラーを含有する層
(ii) 導電性を持たない程度の濃度で導電性フィラーを含有させた層
(iii) 非導電性フィラーと導電性フィラーの双方を含む層
などが挙げられる。これらの層は、フィラーのみからなる層であっても良く、また前述の単層セパレータにおけるように、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系熱可塑性樹脂にフィラーを配合した層であっても良い。
上述の本発明の多孔質セパレータは、非水系電解液二次電池に用いられる。
以下、本発明の多孔質セパレータが適用される本発明の非水系電解液二次電池について説明する。
負極としては、通常、負極活物質とバインダーを含有する活物質層を集電体上に形成させたものが用いられる。
特に、上記の中で、負極活物質としては炭素質材料が好ましい。
正極としては、通常、正極活物質とバインダーを含有する活物質層を集電体上に形成させたものが用いられる。
(非水系溶媒)
本発明の非水系電解液二次電池に使用される電解液の非水系溶媒としては、非水系電解液二次電池の溶媒として公知の任意のものを用いることができる。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等のアルキレンカーボネート等の環状カーボネート(好ましくは炭素数3〜5のアルキレンカーボネート);ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−n−プロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のジアルキルカーボネート(好ましくは炭素数1〜4のアルキル基を有するジアルキルカーボネート)等の鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル;ジメトキシエタン、ジメトキシメタン等の鎖状エーテル;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状カルボン酸エステル;酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の鎖状カルボン酸エステルなどが挙げられる。これらは1種を単独で用いても良く、2種類以上を併用しても良い。
非水系電解液の溶質であるリチウム塩としては、任意のものを用いることができる。例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4等の無機リチウム塩;LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2F5)2、LiPF4(CF3SO2)2、LiPF4(C2F5SO2)2、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等の含フッ素有機リチウム塩などが挙げられる。これらのうち、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2等の含フッ素リチウム塩、特にLiPF6、LiBF4が好ましい。なお、リチウム塩についても1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。
非水系電解液は被膜形成剤を含有することができる。
本発明で用いる非水系電解液には、非水系溶媒、リチウム塩および被膜形成剤以外に、必要に応じて他の有用な成分、例えば従来公知の過充電防止剤、脱水剤、脱酸剤、正極保護剤等の各種の添加剤を含有させても良い。
本発明の非水系電解液二次電池は、上述した正極と、負極と、非水系電解液と、セパレータとを、適切な形状に組み立てることにより製造される。更に、必要に応じて外装ケース等の他の構成要素を用いることも可能である。
乾燥アルゴン雰囲気下、精製したエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比3:7で混合し、混合溶媒を作製した。この混合溶媒に対し、十分に乾燥したLiPF6を1.0mol/lの割合となるように溶解した後、非水系電解液中の濃度として2重量%の割合となるようにビニレンカーボネートを混合し、非水系電解液とした。
正極活物質としてLiCoO2を用い、LiCoO285重量部にカーボンブラック6重量部およびポリフッ化ビニリデン(呉羽化学社製商品名「KF−1000」)9重量部を加えて混合し、N−メチル−2−ピロリドンで分散し、スラリー状とした。これを、正極集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に均一に塗布し、乾燥後、プレス機により正極活物質層の密度が3.0g/cm3になるようにプレスして正極とした。
負極活物質として天然黒鉛粉末を用い、天然黒鉛粉末94重量部にポリフッ化ビニリデン6重量部を混合し、N−メチル−2−ピロリドンで分散させてスラリー状とした。これを負極集電体である厚さ18μmの銅箔の片面に均一に塗布し、乾燥後、プレス機により負極活物質層の密度が1.5g/cm3になるようにプレスして負極とした。
上記のように作製した負極板と正極板を、セパレータとともに重ねて巻き取り、最外周をテープで止めて渦巻き状電極体とした。この電極体を円筒状に成形したステンレス製の電池ケースに、開口部から挿入した。その後、電極体の負極と接続されている負極リードを電池ケースの内底部に溶接するとともに、電極体の正極と接続されている正極リードを、電池内部のガス圧が上昇して所定以上になると作動する電流遮断装置の底部と溶接した。また、封口板の底部には、防爆弁、電流遮断装置を取り付けた。そして、上記電解液を注入した後、電池ケースを開口部で、封口板とポリプロピレン製の絶縁ガスケットにより密封し、リチウム二次電池とした。
重量平均分子量70万のポリエチレン(PE)30重量部とパラフィンワックス70重量部の組成物と平均粒径0.2μmのアルミナ(Al2O3)粒子とを体積分率70/30で溶融混練してシートを作成した。該シートを120℃で二軸延伸を行い、さらに60℃のイソプロピルアルコール(IPA)に浸漬してパラフィンワックスの抽出と乾燥を行い、空孔率35%、厚み5μmのAl2O3含有PEフィルムを得た。
同様に重量平均分子量70万のPE30重量部とパラフィンワックス70重量部の組成物と平均粒径5μmの黒鉛粒子を体積分率70/30で溶融混練してシートを作成した。該シートを120℃で二軸延伸を行い、さらに60℃のIPAに浸漬してパラフィンワックスの抽出と乾燥を行い、空孔率36%、厚み20μm、厚み方向の電気伝導度6×10−4S/mの黒鉛含有PEフィルムを得た。これらの2つのフィルムを積層し80℃で熱圧延することにより一体化してセパレータとした。
この積層セパレータの厚み方向の熱伝導率は0.9W/(m・K)で、厚み方向の電気伝導度は3×10−14S/mであった。
このセパレータを用い、Al2O3含有PEフィルムを正極側、黒鉛含有PEフィルムを負極側として前述の方法で電池を作成した。
該電池を4.2Vで満充電の後、釘刺試験を行ったが、電池は発煙しなかった。
実施例1において、黒鉛含有PEフィルムの代りに、厚み60μm、厚み方向の電気伝導度1.5×107S/mのアルミニウム(Al)メッシュを積層したこと以外は同様にしてセパレータを作製した。
この積層セパレータの熱伝導率は4.5W/(m・K)で、厚み方向の電気伝導度は8×10−14S/mであった。
このセパレータを用いて実施例1と同様に電池を作成し、該電池を4.2Vで満充電の後、釘刺試験を行ったが、電池は発煙しなかった。
実施例1におけるAl2O3含有PEフィルムの製造手順と同様にして、空孔率35%、厚み25μmのAl2O3含有PEフィルムを得た。
このフィルムの厚み方向の熱伝導率は0.4W/(m・K)であった。
このAl2O3含有PEフィルムのみをセパレータとして用い、実施例1と同様にして電池を作成し、該電池を4.2Vで満充電の後、釘刺試験を行ったところ、電池は発煙した。
実施例1におけるAl2O3含有PEフィルムの製造手順において、Al2O3粒子の代りに、平均粒径0.6μmの硫酸バリウム(BaSO4)粒子を用いたこと以外は同様にして、空孔率36%、厚み26μmのBaSO4含有PEフィルムを得た。
このフィルムの厚み方向の熱伝導率は0.2W/(m・K)であった。
このBaSO4含有PEフィルムのみをセパレータとして用い、実施例1と同様にして電池を作成し、該電池を4.2Vで満充電の後、釘刺試験を行ったところ、電池は発煙した。
Claims (6)
- 非水系電解液二次電池に用いられる少なくとも2つの層の積層体よりなる多層多孔質セパレータであって、厚みが65μm以下であり、厚み方向の熱伝導率が、0.5W/(m・K)以上であり、少なくとも1つの層が厚み方向の電気伝導度が10 -11 S/m以上である電気伝導層であり、かつ多層多孔質セパレータ全体の厚み方向の電気伝導度が10 -11 S/m未満であることを特徴とする非水系電解液二次電池用多孔質セパレータ。
- 熱伝導率が30W/(m・K)以上のフィラーを含有することを特徴とする請求項1に記載の非水系電解液二次電池用多孔質セパレータ。
- 電気伝導層がフィラーとして炭素材料を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系電解液二次電池用多孔質セパレータ。
- 電気伝導層がフィラーとして金属粉を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系電解液二次電池用多孔質セパレータ。
- 電気伝導層が金属材料で構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系電解液二次電池用多孔質セパレータ。
- リチウムを吸蔵・放出することが可能な負極および正極と、非水系溶媒およびリチウム塩を含有する非水電解液と、多孔質セパレータを備えてなる非水系電解液二次電池であって、該多孔質セパレータとして、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の多孔質セパレータを用いたことを特徴とする非水系電解液二次電池。
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