JP5375003B2 - Electrochemical devices - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学デバイスに関する。特に本発明は、電気化学デバイスの信頼性を向上させるための改良に関する。 The present invention relates to an electrochemical device. In particular, the present invention relates to improvements for improving the reliability of electrochemical devices.
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of the amount of carbon dioxide has been strongly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV), and the development of secondary batteries for motor drive that holds the key to commercialization of these is thriving. Has been done.
モータ駆動用二次電池としては、全ての電池の中で最も高い理論エネルギを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質(リチウム塩)を保持したセパレータからなる電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。 As a secondary battery for driving a motor, a lithium ion secondary battery having the highest theoretical energy among all the batteries is attracting attention, and is currently being developed rapidly. Generally, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder. However, it has the structure which is connected through the electrolyte layer which consists of a separator holding electrolyte (lithium salt), and is accommodated in a battery case.
ところで、リチウムイオン二次電池に関するものではないが、ナノサイズのウィスカーをレドックスキャパシタの電極材料として用いる技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。ここで、JIS H 0400によれば、「ウィスカー」とは「単結晶の微小金属繊維成長物」と定義されている。同様の発想から、ウィスカー状の材料をリチウムイオン二次電池の活物質として用いることが考えられる。しかしながら、何らの手当てもせずただ単にウィスカー状の活物質を用いて電池を構成すると、かような活物質の形状に起因して、以下のような問題が生じる。すなわち、リチウムイオン二次電池のセパレータは、1枚の樹脂製微多孔質フィルムからなるのが一般的である。かようなセパレータの有する細孔の平均孔径は通常、例えば特許文献2に開示されているように0.1〜15μm程度である。この程度の孔径の細孔を有する微多孔質フィルムからなるセパレータに、上述したウィスカー状の活物質を組み合わせて用いると、セパレータの細孔にウィスカーが入り込み、セパレータを貫通して正負極間で短絡が発生する虞があるのである。 By the way, although it is not related to a lithium ion secondary battery, a technique using nano-sized whiskers as an electrode material of a redox capacitor has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Here, according to JIS H 0400, “whisker” is defined as “a single crystal fine metal fiber growth product”. From the same idea, it is conceivable to use a whisker-like material as an active material of a lithium ion secondary battery. However, if a battery is simply formed using a whisker-like active material without any treatment, the following problems occur due to the shape of the active material. That is, the separator of a lithium ion secondary battery is generally made of a single resin microporous film. The average pore diameter of the pores of such a separator is usually about 0.1 to 15 μm as disclosed in Patent Document 2, for example. When the above-mentioned whisker-like active material is used in combination with a separator made of a microporous film having pores of this size, whiskers enter the pores of the separator and pass through the separator and short-circuit between the positive and negative electrodes May occur.
また、特許文献3には、短絡の発生を防止することを目的として、針状活物質を予めポリマー中に埋め込んでおく技術が開示されている。しかしながら、かような手段によっては、仮に短絡の発生が抑制されたとしても、電池のサイクル耐久性が低下してしまうという問題があった。
そこで本発明は、ウィスカーのような針状の活物質粒子が電極に存在するリチウムイオン二次電池などの電気化学デバイスにおいて、電池のサイクル耐久性の低下を最小限に抑制しつつ、短絡の発生を抑制しうる手段を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides an electrochemical device such as a lithium ion secondary battery in which needle-like active material particles such as whiskers are present on an electrode, while generating a short circuit while minimizing a decrease in battery cycle durability. It aims at providing the means which can suppress.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行なった。その過程で、リチウムイオン二次電池などの電気化学デバイスの電極において、活物質として用いる針状活物質粒子(ウィスカーなど)を集電体の表面に接合することを試みた。そしてその上で、当該粒子を含む活物質層に固体電解質を充填することで、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have intensively studied to solve the above problems. In the process, an attempt was made to join acicular active material particles (whiskers, etc.) used as an active material to the surface of a current collector in an electrode of an electrochemical device such as a lithium ion secondary battery. And on that, it discovered that the said subject could be solved by filling the active material layer containing the said particle | grain with a solid electrolyte, and came to complete this invention.
すなわち、本発明の電気化学デバイスは、正極と、電解質層と、負極と、がこの順に積層されてなる積層体を有する。そして、当該正極または当該負極の少なくとも一方が、集電体と、前記集電体の表面に接合された針状活物質粒子を含む活物質層とを有する。さらに、当該活物質層には、固体電解質が充填されている点に特徴を有する。 That is, the electrochemical device of the present invention has a laminate in which a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode are laminated in this order. At least one of the positive electrode and the negative electrode includes a current collector and an active material layer including needle-like active material particles bonded to the surface of the current collector. Furthermore, the active material layer is characterized in that it is filled with a solid electrolyte.
本発明によれば、リチウムイオン二次電池などの電気化学デバイスにおいて、固体電解質が針状活物質粒子の突出を防止することで、ウィスカーのような針状の活物質粒子が電極に存在する場合であっても、短絡の発生が抑制されうる。また、集電体と活物質粒子との接触も確保され、サイクル耐久性の低下も抑えられる。 According to the present invention, in an electrochemical device such as a lithium ion secondary battery, when the solid electrolyte prevents the needle-like active material particles from protruding, the needle-like active material particles such as whiskers are present on the electrode. Even so, the occurrence of a short circuit can be suppressed. Further, contact between the current collector and the active material particles is ensured, and a decrease in cycle durability is also suppressed.
以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、下記の形態のみに制限されることはない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments.
以下、図面を参照しながら、非水電解質リチウムイオン二次電池を例に挙げて、本発明を詳細に説明する。なお、本明細書においては、説明の都合上、図面が誇張されて記載されている。従って、本発明の技術的範囲は、図面に掲示する形態のみに限定されず、図面以外の実施形態も採用されうる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, taking a nonaqueous electrolyte lithium ion secondary battery as an example. In the present specification, the drawings are exaggerated for convenience of explanation. Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to the form shown in the drawings, and embodiments other than the drawings can be adopted.
図1は、本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池の全体構造を模式的に表した断面概略図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the overall structure of a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention.
図1に示す本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の電池要素21が、外装であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。 The lithium ion secondary battery 10 of this embodiment shown in FIG. 1 has a structure in which a substantially rectangular battery element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior.
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池10の電池要素21は、複数の単電池層19を含む。単電池層19は、電解質層17と、電解質層17の一方の面に形成された正極活物質層13と、電解質層17の他方の面に形成された負極活物質層15と、から構成される。そして、各正極活物質層13間には正極集電体33が配置され、各負極活物質層15間には負極集電体35が配置される。すなわち、電池要素21は、複数の単電池層19および複数の各集電体(正極集電体33および負極集電体35)から構成される。 As shown in FIG. 1, the battery element 21 of the lithium ion secondary battery 10 of the present embodiment includes a plurality of single battery layers 19. The unit cell layer 19 includes an electrolyte layer 17, a positive electrode active material layer 13 formed on one surface of the electrolyte layer 17, and a negative electrode active material layer 15 formed on the other surface of the electrolyte layer 17. The A positive electrode current collector 33 is disposed between the positive electrode active material layers 13, and a negative electrode current collector 35 is disposed between the negative electrode active material layers 15. That is, the battery element 21 includes a plurality of single battery layers 19 and a plurality of current collectors (a positive electrode current collector 33 and a negative electrode current collector 35).
さらに、正極集電体33および負極集電体35は、それぞれ正極タブ25および負極タブ27に電気的に接続される。そして電池要素21は、これらの正極タブ25および負極タブ27が外部に導出するように、外装であるラミネートシート29により封止されている。 Further, the positive electrode current collector 33 and the negative electrode current collector 35 are electrically connected to the positive electrode tab 25 and the negative electrode tab 27, respectively. The battery element 21 is sealed with a laminate sheet 29 as an exterior so that the positive electrode tab 25 and the negative electrode tab 27 are led out to the outside.
なお、図1に示すリチウムイオン二次電池10においては、負極活物質層15が正極活物質層13よりも一回り小さいが、かような形態のみには制限されない。正極活物質層13と同じかまたは一回り大きい負極活物質層15もまた、用いられうる。 In the lithium ion secondary battery 10 shown in FIG. 1, the negative electrode active material layer 15 is slightly smaller than the positive electrode active material layer 13, but is not limited to such a form. A negative electrode active material layer 15 that is the same as or slightly larger than the positive electrode active material layer 13 may also be used.
以下、本実施形態のリチウムイオン二次電池10を構成する部材について簡単に説明するが、下記の形態のみに制限されることはなく、従来公知の形態が同様に採用されうる。 Hereinafter, although the member which comprises the lithium ion secondary battery 10 of this embodiment is demonstrated easily, it is not restrict | limited only to the following form, A conventionally well-known form can be employ | adopted similarly.
[集電体]
集電体(33、35)は導電性の材料から構成される。この集電体(33、35)は、通常のリチウムイオン二次電池におけるのと同様の集電機能のほか、後述する活物質層に含まれる針状活物質粒子が接合される金属基体としても機能する。
[Current collector]
The current collectors (33, 35) are made of a conductive material. In addition to the same current collecting function as in a normal lithium ion secondary battery, this current collector (33, 35) can also be used as a metal substrate to which needle-like active material particles contained in an active material layer to be described later are joined. Function.
集電体(33、35)を構成する材料に特に制限はない。例えば、ケイ素(Si)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、インジウム(In)、銀(Ag)、ガリウム(Ga)、錫(Sn)、銅(Cu)、スカンジウム(Sc)またはゲルマニウム(Ge)、亜鉛(Zn)、およびこれらの任意の組み合わせに係るものが挙げられる。これらは蒸気圧の高い金属であり、これらの金属を蒸発させて金属基体の表面に析出させることで、後述する活物質層に含まれる針状活物質粒子(以下、「ウィスカー」とも称する)が形成されうる。また、後述するように、析出時の雰囲気に酸素が存在すると、酸化物ウィスカーが形成されうる。 There is no restriction | limiting in particular in the material which comprises an electrical power collector (33, 35). For example, silicon (Si), manganese (Mn), aluminum (Al), chromium (Cr), indium (In), silver (Ag), gallium (Ga), tin (Sn), copper (Cu), scandium (Sc) ) Or germanium (Ge), zinc (Zn), and any combination thereof. These are metals having a high vapor pressure. By evaporating these metals and precipitating them on the surface of the metal substrate, acicular active material particles (hereinafter also referred to as “whiskers”) contained in the active material layer described later are formed. Can be formed. Further, as will be described later, when oxygen is present in the atmosphere during the precipitation, oxide whiskers can be formed.
さらに、自らウィスカーを形成可能な上述の材料を含まない金属基体が用いられてもよい。かような材料としては、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)などが挙げられる。 Furthermore, a metal substrate that does not contain the above-described material that can form whiskers by itself may be used. Examples of such materials include iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and tungsten. (W).
また、集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギ密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。 Further, the size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used.
集電体(33、35)の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は1〜100μm程度である。 There is no particular limitation on the thickness of the current collector (33, 35). The thickness of the current collector is usually about 1 to 100 μm.
なお、図1に示すように、複数の単電池層が積層されてなる発電要素を有する電池において最外層に位置する電極は電池反応に関与しないため、最外層に位置する集電体においては、発電要素の内側のみに活物質層が存在すればよい。 As shown in FIG. 1, in the battery having a power generation element formed by laminating a plurality of single battery layers, the electrode located in the outermost layer does not participate in the battery reaction, so in the current collector located in the outermost layer, The active material layer only needs to exist inside the power generation element.
[活物質層]
本実施形態においては、活物質層が針状の活物質粒子を含む点が特徴の1つである。本明細書において、「針状活物質粒子」とは、活物質粒子の粒子長径(a)の粒子短径(b)に対するアスペクト比(c=a/b)が5以上の活物質粒子を意味する。なお、針状の活物質粒子は、ナノワイヤやナノロッドなどとも称される。かような活物質粒子は比表面積が大きい。従って、かような活物質を採用することで、電池の出力特性が向上しうるという利点がある。一方、アスペクト比が大きくなりすぎると、活物質層に含まれる活物質粒子の数の減少に伴って、セパレータを貫通する可能性のある粒子の先端の数も同様に減少する。かような観点のもと、本発明の作用効果をより一層発揮させうるには、上述したアスペクト比(c)は好ましくは10〜100000であり、より好ましくは20〜10000である。ただし、これらの範囲を外れても勿論よい。
[Active material layer]
In the present embodiment, one of the features is that the active material layer includes acicular active material particles. In the present specification, “needle-like active material particles” mean active material particles having an aspect ratio (c = a / b) of 5 or more of the particle major axis (a) of the active material particles to the particle minor axis (b). To do. The acicular active material particles are also referred to as nanowires or nanorods. Such active material particles have a large specific surface area. Therefore, there is an advantage that the output characteristics of the battery can be improved by adopting such an active material. On the other hand, when the aspect ratio becomes too large, the number of particles that may penetrate through the separator also decreases as the number of active material particles contained in the active material layer decreases. From such a viewpoint, the aspect ratio (c) described above is preferably 10 to 100,000, more preferably 20 to 10,000, in order to further exert the effects of the present invention. However, it goes without saying that these ranges may be excluded.
正極活物質層13に含まれる針状活物質粒子の構成材料は特に制限されず、リチウムイオン二次電池の正極活物質として従来公知の材料が同様に用いられうる。正極活物質としては、例えば、LiMn2O4やLiNiO2等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。かような材料を用いることで、電池のエネルギ密度が向上し、出力特性と容量特性とのバランスに優れる電池が提供されうる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である(下記を参照)。 The constituent material of the acicular active material particles contained in the positive electrode active material layer 13 is not particularly limited, and a conventionally known material can be similarly used as the positive electrode active material of the lithium ion secondary battery. Examples of the positive electrode active material include lithium-transition metal composite oxides such as LiMn 2 O 4 and LiNiO 2 , lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. By using such a material, the energy density of the battery can be improved, and a battery having an excellent balance between output characteristics and capacity characteristics can be provided. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Of course, other positive electrode active materials may be used (see below).
負極活物質層15に含まれる針状活物質粒子の構成材料についても特に制限はなく、リチウムイオン二次電池の負極活物質として従来公知の材料が同様に用いられうる。負極活物質としては、例えば、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化タングステン、酸化バナジウム等の金属酸化物、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、上述したようなリチウム−遷移金属化合物、金属材料、リチウム−金属合金材料などが挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である(下記を参照)。 The constituent material of the acicular active material particles contained in the negative electrode active material layer 15 is not particularly limited, and a conventionally known material can be used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery. Examples of the negative electrode active material include metal oxides such as tin oxide, zinc oxide, indium oxide, tungsten oxide, and vanadium oxide, carbon materials such as graphite, soft carbon, and hard carbon, lithium-transition metal compounds as described above, Examples thereof include metal materials and lithium-metal alloy materials. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Of course, negative electrode active materials other than those described above may be used (see below).
本実施形態において、活物質層に含まれる針状活物質粒子(以下、単に「ウィスカー」とも称する)は、集電体としての金属基体の表面に形成・接合されてなる形態を有する。 In the present embodiment, acicular active material particles (hereinafter also simply referred to as “whiskers”) included in the active material layer have a form formed and bonded to the surface of a metal substrate as a current collector.
ウィスカーは、上述した集電体としての金属基体を構成する金属成分を蒸発させて金属基体の表面に析出させることにより、形成されうる。また、析出時の雰囲気に酸素が存在すると、酸化物ウィスカーが形成されうる。 The whisker can be formed by evaporating the metal component constituting the metal base as the current collector described above and depositing it on the surface of the metal base. Further, when oxygen is present in the atmosphere during precipitation, oxide whiskers can be formed.
ここで、上述した金属基体の表面に形成されるウィスカーの形態としては、幹部の先端に球状頭部を有する構成や、幹部のみの構成が挙げられる。ただし、これらの他にも枝分かれ状、モール状、毛玉状などの構成であってもよい。また、ウィスカーが形成されることによって金属基体の集電体としての機能や他の製作工程が阻害されなければ、基本的に集電体としての金属基体の表面の任意の部位にウィスカーが形成されうる。 Here, as a form of the whisker formed on the surface of the metal base described above, a configuration having a spherical head at the tip of the trunk or a configuration of only the trunk is exemplified. However, in addition to these, a branched shape, a molding shape, a hairball shape, or the like may be used. In addition, if the function of the metal substrate as a current collector and other manufacturing processes are not hindered by the formation of the whisker, the whisker is basically formed at any part of the surface of the metal substrate as the current collector. sell.
ウィスカーの構成材料としては、例えば、上述した金属基体に含まれる金属元素またはその酸化物を主成分とする材料が例示される。かような形態によれば、ウィスカーが金属基体から連続的に形成されることとなる。また、ウィスカー形成成分が金属基材の表面部の構成材料と同じであるため、金属基体とウィスカーとの密着強度が高められ、耐久性も向上しうる。なお、本明細書において「主成分」とは、50〜100質量%程度含まれることを意味する。 As the constituent material of the whisker, for example, a material mainly composed of the metal element or its oxide contained in the above-described metal substrate is exemplified. According to such a form, the whisker is continuously formed from the metal substrate. In addition, since the whisker forming component is the same as the constituent material of the surface portion of the metal substrate, the adhesion strength between the metal substrate and the whisker can be increased, and the durability can be improved. In the present specification, the “main component” means about 50 to 100% by mass.
一方、金属基体の表面に、上述したウィスカーの主成分である元素を含むウィスカー形成層(例えば、スズめっき層)が配設されてもよい。かような形態によれば、金属基体にウィスカー形成成分が含まれない場合であってもウィスカーの形成が可能となる。さらに上記と同様に、ウィスカー形成成分が金属基材の表面部の構成材料と同じとなるため、金属基体とウィスカーとの密着強度が高められ、耐久性も向上しうる。なお、針状活物質粒子としてのウィスカーが集電体としての金属基体から連続的に形成されている限りにおいて、間にウィスカー形成層が配設される本形態もまた、本発明の技術的範囲に包含されうる。 On the other hand, a whisker forming layer (for example, a tin plating layer) containing the element that is the main component of the whisker described above may be disposed on the surface of the metal substrate. According to such a form, whisker can be formed even when the whisker forming component is not included in the metal substrate. Further, as described above, since the whisker forming component is the same as the constituent material of the surface portion of the metal substrate, the adhesion strength between the metal substrate and the whisker can be increased, and the durability can be improved. In addition, as long as the whisker as the acicular active material particles is continuously formed from the metal substrate as the current collector, the present embodiment in which the whisker forming layer is disposed between the whiskers is also included in the technical scope of the present invention. Can be included.
ここで、ウィスカーの主成分である元素としては、例えば、スズ、亜鉛、インジウム、タングステン、バナジウム、シリコン、マンガン、アルミニウム、クロム、銀、ガリウム、銅、スカンジウムまたはゲルマニウム、およびこれらの任意の組み合わせに係るものが挙げられる。 Here, as the element which is the main component of the whisker, for example, tin, zinc, indium, tungsten, vanadium, silicon, manganese, aluminum, chromium, silver, gallium, copper, scandium or germanium, and any combination thereof Such a thing is mentioned.
針状活物質粒子としてのウィスカーのサイズについて特に制限はない。ただし、上述したウィスカーの長さ(粒子長径(a)に相当)は、好ましくは0.1〜1000μmであり、より好ましくは1〜500μmであり、さらに好ましくは5〜200μmである。また、当該針状活物質粒子の粒子短径(b)は、好ましくは10nm〜10μmであり、より好ましくは20nm〜2μmであり、さらに好ましくは30〜500nmである。なお、本明細書において、針状活物質粒子(ウィスカー)のサイズは、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される活物質粒子における測定値の平均値として算出される値を採用するものとする。 There is no restriction | limiting in particular about the size of the whisker as an acicular active material particle. However, the length of the whisker described above (corresponding to the particle long diameter (a)) is preferably 0.1 to 1000 μm, more preferably 1 to 500 μm, and further preferably 5 to 200 μm. Moreover, the particle | grain short diameter (b) of the said acicular active material particle becomes like this. Preferably it is 10 nm-10 micrometers, More preferably, it is 20 nm-2 micrometers, More preferably, it is 30-500 nm. In this specification, the size of the acicular active material particles (whiskers) is observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of the measured values in the active material particles is adopted.
このように、金属基体の表面にウィスカーを形成させる手法について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、金属基体またはその前駆体を減圧下または不活性ガス雰囲気中で加熱処理することにより、金属基体の表面にウィスカーが形成されうる。この際、微量酸素の存在中で加熱処理を施すと、上述した元素の酸化物からなるウィスカーが形成される。なお、「金属基体またはその前駆体」と記載したのは、金属基体が加熱処理によって組成変化する場合を考慮したものである。ここで、「微量酸素」とは、ウィスカー原料となる元素やその含有率によって異なるが、通常は1〜1000体積ppmの酸素量である。また、加熱処理は、通常700〜1100℃の範囲で行われうる。 Thus, there is no restriction | limiting in particular about the method of forming a whisker in the surface of a metal base | substrate, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, whiskers can be formed on the surface of the metal substrate by heat-treating the metal substrate or a precursor thereof under reduced pressure or in an inert gas atmosphere. At this time, when heat treatment is performed in the presence of a small amount of oxygen, whiskers made of the oxides of the elements described above are formed. Note that “metal substrate or its precursor” is described in consideration of the case where the composition of the metal substrate changes due to heat treatment. Here, the “trace amount of oxygen” is usually an oxygen amount of 1 to 1000 volume ppm, although it varies depending on the element used as the whisker raw material and its content. Moreover, heat processing can be normally performed in 700-1100 degreeC.
また、金属基体の表面にウィスカーを形成する際、好ましくは、金属基体またはその前駆体の表面に、酸化物ウィスカーの主成分である元素を含むウィスカー形成層を配設し、このウィスカー形成層の表面に酸化物ウィスカーを形成するとよい(後述する実施例を参照)。かような形態によれば、金属基体がウィスカー形成材料を含まない場合であっても、ウィスカー形成層を金属基体の表面に配設することで、金属基体の任意の部位にウィスカーが形成されうる。 Further, when the whisker is formed on the surface of the metal substrate, preferably, a whisker forming layer containing an element that is a main component of the oxide whisker is disposed on the surface of the metal substrate or a precursor thereof, and the whisker forming layer Oxide whiskers are preferably formed on the surface (see Examples described later). According to such a form, even if the metal base does not contain a whisker forming material, the whisker can be formed at any part of the metal base by disposing the whisker forming layer on the surface of the metal base. .
好ましい形態においては、上述した金属元素の酸化物(例えば、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化タングステン、酸化バナジウムなど)からなるウィスカーが、同様に上述した金属基体の表面に形成されて、負極に用いられる。特に、酸化スズが好ましく用いられうる。かような金属酸化物は活物質としての容量が大きい。このため、これらの材料を負極活物質として用いると、電池のエネルギ密度が向上しうる。なお、この際、ウィスカーが針状負極活物質粒子に相当し、金属基体が負極集電体に相当することとなる。 In a preferred embodiment, whiskers made of the above-described metal element oxide (for example, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, tungsten oxide, vanadium oxide, etc.) are similarly formed on the surface of the above-described metal substrate, and the negative electrode Used for. In particular, tin oxide can be preferably used. Such a metal oxide has a large capacity as an active material. For this reason, when these materials are used as the negative electrode active material, the energy density of the battery can be improved. At this time, the whisker corresponds to the acicular negative electrode active material particles, and the metal substrate corresponds to the negative electrode current collector.
本実施形態のリチウムイオン二次電池10において、活物質層(13、15)には、固体電解質が充填されている。 In the lithium ion secondary battery 10 of the present embodiment, the active material layers (13, 15) are filled with a solid electrolyte.
固体電解質は、リチウムイオンを伝導可能な、固体成分を含む電解質であればよく、特に制限はない。固体電解質の一例としては、高分子電解質や、各種セラミック(例えば、リチウム含有硫化物ガラス、LISICON(Li14Zn(GeO4)4)、Thio−LISICON等)などが挙げられる。 The solid electrolyte is not particularly limited as long as it is an electrolyte containing a solid component capable of conducting lithium ions. Examples of solid electrolytes include polymer electrolytes and various ceramics (for example, lithium-containing sulfide glass, LISICON (Li 14 Zn (GeO 4 ) 4 ), Thio-LISICON, etc.) and the like.
なかでも、高分子電解質は、電解液を含む高分子ゲル電解質と、電解液を含まない高分子固体電解質に分類される。高分子電解質は、イオン伝導性が高く、形成が容易であるという点で、好ましく用いられうる。 Especially, a polymer electrolyte is classified into the polymer gel electrolyte containing electrolyte solution, and the polymer solid electrolyte which does not contain electrolyte solution. The polymer electrolyte can be preferably used in that it has high ion conductivity and is easy to form.
高分子ゲル電解質は、リチウムイオン伝導性を有するマトリックスポリマーに、液体電解質が注入されてなる構成を有する。かような構成を有することで、高分子ゲル電解質は通常の液体電解質と同等のイオン伝導性を達成でき、電池の出力特性を向上させうるため、好ましい。 The polymer gel electrolyte has a configuration in which a liquid electrolyte is injected into a matrix polymer having lithium ion conductivity. By having such a configuration, the polymer gel electrolyte is preferable because it can achieve ion conductivity equivalent to that of a normal liquid electrolyte and can improve the output characteristics of the battery.
リチウムイオン伝導性を有するマトリックスポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体などが挙げられる。かようなマトリックスポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。ここで、ゲル電解質に含まれる液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。可塑剤として用いられる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)などのカーボネート類が挙げられる。また、支持塩(リチウム塩)としては、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)2、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiSO3CF3などが挙げられる。なお、高分子ゲル電解質が活物質層に充填される場合、当該高分子ゲル電解質は、その全量100質量%を基準として、マトリックスポリマーを好ましくは3〜20質量%、より好ましくは4〜15質量%、さらに好ましくは5〜10質量%含む。かような形態とすることで、電池の出力を高い値に維持しつつ、短絡の発生が防止されうる。 Examples of the matrix polymer having lithium ion conductivity include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such a matrix polymer, an electrolyte salt such as a lithium salt can be well dissolved. Here, the liquid electrolyte contained in the gel electrolyte has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent used as the plasticizer include carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). Examples of the supporting salt (lithium salt) include LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiSO 3 CF 3 and the like. It is done. When the polymer gel electrolyte is filled in the active material layer, the polymer gel electrolyte is preferably 3 to 20% by mass, more preferably 4 to 15% by mass of the matrix polymer based on the total amount of 100% by mass. %, More preferably 5 to 10% by mass. By setting it as such a form, generation | occurrence | production of a short circuit can be prevented, maintaining the output of a battery at a high value.
一方、高分子固体電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、固体電解質として高分子固体電解質が採用される場合には、電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。 On the other hand, the polymer solid electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the above matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when a polymer solid electrolyte is employed as the solid electrolyte, there is no risk of liquid leakage from the battery, and the battery reliability can be improved.
高分子ゲル電解質や高分子固体電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発揮しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合などの重合処理を施せばよい。 A matrix polymer of a polymer gel electrolyte or a polymer solid electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte, using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.
本実施形態のリチウムイオン二次電池を製造するに際しては、まず、上述したように表面にウィスカーが形成された金属基体を準備する。一方で、固体電解質を含む電解質層形成用組成物を調製する。高分子固体電解質を活物質層に充填したい場合には、マトリックスポリマーおよび必要に応じて重合開始剤や揮発性の溶媒を混合することにより、電解質層形成用組成物を調製すればよい。また、高分子ゲル電解質を活物質層に充填したい場合には、これに加えてさらに上述した液体電解質を含む電解質層形成用組成物を調整すればよい。そして、調製した電解質層形成用組成物を金属基体のウィスカーが形成された側に塗布し、必要に応じて重合処理(熱処理や光照射処理など)を施すことにより、高分子固体電解質または高分子ゲル電解質が充填されてなる活物質層が形成されうる。 In manufacturing the lithium ion secondary battery of the present embodiment, first, a metal substrate having whiskers formed on the surface as described above is prepared. On the other hand, an electrolyte layer forming composition containing a solid electrolyte is prepared. When it is desired to fill the active material layer with the polymer solid electrolyte, the electrolyte layer forming composition may be prepared by mixing a matrix polymer and, if necessary, a polymerization initiator or a volatile solvent. In addition, when it is desired to fill the active material layer with the polymer gel electrolyte, in addition to this, the above-described composition for forming an electrolyte layer containing the liquid electrolyte may be prepared. Then, the prepared electrolyte layer forming composition is applied to the side of the metal substrate where the whiskers are formed, and polymerized (such as heat treatment or light irradiation treatment) as necessary, to thereby obtain a polymer solid electrolyte or polymer. An active material layer filled with a gel electrolyte can be formed.
活物質層は、必要に応じてさらに添加剤を含んでもよい。活物質層に含まれうる添加剤としては、例えば、バインダ、導電助剤などが挙げられる。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、合成ゴム系バインダ等が挙げられる。導電助剤とは、活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。ただし、本発明においては、活物質層が針状活物質粒子(ウィスカー)を含む場合には、ウィスカーの有する針状の形状によって、活物質層の導電性は比較的確保される。したがって、本発明は、活物質層へ導電助剤を添加しなくとも導電性を確保しうるという利点も有する。 The active material layer may further contain an additive as necessary. Examples of the additive that can be contained in the active material layer include a binder and a conductive additive. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and a synthetic rubber binder. A conductive support agent means the additive mix | blended in order to improve the electroconductivity of an active material layer. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and vapor grown carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery. However, in the present invention, when the active material layer includes acicular active material particles (whiskers), the conductivity of the active material layer is relatively ensured by the acicular shape of the whiskers. Therefore, the present invention also has an advantage that conductivity can be ensured without adding a conductive additive to the active material layer.
活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 The compounding ratio of the components contained in the active material layer is not particularly limited. The blending ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about lithium ion secondary batteries.
各活物質層(13、15)の厚さについても特に制限はなく、リチウムイオン二次電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層(13、15)の厚さは、2〜100μm程度である。 The thickness of each active material layer (13, 15) is not particularly limited, and conventionally known knowledge about lithium ion secondary batteries can be appropriately referred to. As an example, the thickness of each active material layer (13, 15) is about 2 to 100 μm.
[電解質層]
電解質層17は、正極活物質層13と負極活物質層15との短絡を防止するための隔壁として機能する。従来、針状活物質粒子(ウィスカー)を活物質として用いる電池においては、電解質層を構成するセパレータをウィスカーが貫通することで、単電池層における短絡が発生し、電池電圧が低下するといった問題が生じていた。これに対し、本発明によれば、活物質層に固体電解質が充填されていることで、活物質層からのウィスカーの突出が抑制され、従来問題となっていた単電池層における短絡が抑制されうる。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer 17 functions as a partition for preventing a short circuit between the positive electrode active material layer 13 and the negative electrode active material layer 15. Conventionally, in a battery using acicular active material particles (whiskers) as an active material, there is a problem in that a short circuit occurs in a single cell layer and a battery voltage decreases because the whisker penetrates a separator constituting the electrolyte layer. It was happening. On the other hand, according to the present invention, since the active material layer is filled with the solid electrolyte, whisker protrusion from the active material layer is suppressed, and a short circuit in the single cell layer, which has been a problem in the past, is suppressed. sell.
本実施形態のリチウムイオン二次電池において、電解質層17は、電解質を含む。電解質層17は、上述した固体電解質(高分子ゲル電解質や高分子固体電解質)から構成されてもよいし、固体電解質以外の電解質(すなわち、液体電解質)から構成されてもよい。電解質層17が固体電解質を含むと、ハンドリングが容易となり、電池からの液漏れの虞が低減しうるという利点がある。この利点は、電解質層17が高分子固体電解質から構成される場合に特に顕著である。一方、他の観点からは、電解質層17が液体電解質を含む(すなわち、電解質層が高分子ゲル電解質または液体電解質から構成される)と、電解質層におけるリチウムイオン伝導性が向上しうる。その結果、電池の出力特性が向上しうるため、好ましい。 In the lithium ion secondary battery of the present embodiment, the electrolyte layer 17 includes an electrolyte. The electrolyte layer 17 may be composed of the above-described solid electrolyte (polymer gel electrolyte or polymer solid electrolyte), or may be composed of an electrolyte other than the solid electrolyte (that is, a liquid electrolyte). When the electrolyte layer 17 contains a solid electrolyte, there is an advantage that handling becomes easy and the risk of liquid leakage from the battery can be reduced. This advantage is particularly remarkable when the electrolyte layer 17 is composed of a polymer solid electrolyte. On the other hand, from another viewpoint, when the electrolyte layer 17 contains a liquid electrolyte (that is, the electrolyte layer is composed of a polymer gel electrolyte or a liquid electrolyte), lithium ion conductivity in the electrolyte layer can be improved. As a result, the output characteristics of the battery can be improved, which is preferable.
なお、電解質層17が液体電解質を含む場合には、電解質層17の基体としてセパレータが用いられうる。セパレータとしては、従来公知のセパレータがそのまま用いられうる。ただし、上述したウィスカーによる短絡を防止するための工夫が施されたセパレータが用いられても、勿論よい。 When the electrolyte layer 17 includes a liquid electrolyte, a separator can be used as the base of the electrolyte layer 17. As the separator, a conventionally known separator can be used as it is. However, it is of course possible to use a separator that has been devised to prevent short-circuiting due to the above whiskers.
セパレータの材質について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。好ましい形態としては、セパレータを樹脂から構成する形態が挙げられる。かような形態によれば、樹脂の柔軟性に起因して、セパレータのハンドリング性に優れる。セパレータを構成しうる樹脂としては、例えば、オレフィン系のポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素系のポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、セルロースなどが挙げられる。ただし、これら以外の材料が用いられても勿論よい。 There is no restriction | limiting in particular about the material of a separator, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. As a preferable form, the form which comprises a separator from resin is mentioned. According to such a form, it is excellent in the handling property of a separator resulting from the softness | flexibility of resin. Examples of the resin that can constitute the separator include olefin-based polyethylene, polypropylene, fluorine-based polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyimide, polyamide, polyamideimide, and cellulose. Of course, other materials may be used.
セパレータの厚さについても特に制限はない。一例を挙げると、セパレータの厚さは、5〜100μm程度である。 There is no particular limitation on the thickness of the separator. As an example, the thickness of the separator is about 5 to 100 μm.
[タブ]
リチウムイオン二次電池10においては、電池外部に電流を取り出す目的で、集電体(33、35)に電気的に接続されたタブ(正極タブ25および負極タブ27)が外装であるラミネートシート29の外部に取り出される。具体的には、正極集電体33に電気的に接続された正極タブ25と、負極集電体35に電気的に接続された負極タブ27とが、外装の外部に取り出される。
[tab]
In the lithium ion secondary battery 10, a laminate sheet 29 in which the tabs (the positive electrode tab 25 and the negative electrode tab 27) electrically connected to the current collectors (33, 35) are the exterior for the purpose of taking out current outside the battery. It is taken out outside. Specifically, the positive electrode tab 25 electrically connected to the positive electrode current collector 33 and the negative electrode tab 27 electrically connected to the negative electrode current collector 35 are taken out of the exterior.
タブ(正極タブ25および負極タブ27)を構成する材料は特に制限されず、リチウムイオン二次電池用のタブとして従来用いられている公知の材料が用いられうる。タブの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等が例示される。なお、正極タブ25と負極タブ27とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。また、本実施形態のように、別途準備したタブ(25、27)を集電体(33、35)に接続してもよいし、集電体を延長することによりタブとしてもよい。 The material constituting the tabs (the positive electrode tab 25 and the negative electrode tab 27) is not particularly limited, and a known material conventionally used as a tab for a lithium ion secondary battery can be used. Examples of the constituent material of the tab include aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof. Note that the same material may be used for the positive electrode tab 25 and the negative electrode tab 27, or different materials may be used. Further, as in the present embodiment, separately prepared tabs (25, 27) may be connected to the current collectors (33, 35), or the current collectors may be extended to form tabs.
[正極および負極端子リード]
必要に応じて、正極端子リードおよび負極端子リードを用いてもよい。例えば、各集電体から出力電極端子となる正極タブおよび負極タブを直接取り出す場合には、正極端子リードおよび負極端子リードは用いなくてもよい。
[Positive electrode and negative electrode lead]
If necessary, a positive terminal lead and a negative terminal lead may be used. For example, when a positive electrode tab and a negative electrode tab that are output electrode terminals are directly taken out from each current collector, the positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead may not be used.
正極端子リードおよび負極端子リードとしては、従来公知のリチウムイオン電池で用いられる端子リードが用いられうる。なお、ラミネートシート29から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器など)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。 As the positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead, a terminal lead used in a conventionally known lithium ion battery can be used. It should be noted that the portion taken out from the laminate sheet 29 has a heat insulating property so as not to affect a product (for example, an automobile part, particularly an electronic device, etc.) by contacting with peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.
[外装]
リチウムイオン二次電池10においては、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、電池要素21は、ラミネートシート29などの外装内に収容されることが好ましい。外装としては特に制限されず、従来公知の外装が用いられうる。自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を迅速に電池動作温度まで加熱しうる点で、好ましくは、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートシート等が用いられうる。
[Exterior]
In the lithium ion secondary battery 10, the battery element 21 is preferably housed in an exterior such as a laminate sheet 29 in order to prevent external impact and environmental degradation during use. The exterior is not particularly limited, and a conventionally known exterior can be used. A polymer-metal composite laminate sheet or the like excellent in thermal conductivity can be preferably used in that heat can be efficiently transferred from a heat source of an automobile and the inside of the battery can be rapidly heated to the battery operating temperature.
なお、上述した本発明の実施形態のリチウムイオン二次電池10の製造方法については特に制限はなく、電池の製造分野において従来公知の知見を参照して、製造されうる。 In addition, there is no restriction | limiting in particular about the manufacturing method of the lithium ion secondary battery 10 of embodiment of this invention mentioned above, It can manufacture with reference to conventionally well-known knowledge in the manufacturing field of a battery.
また、本発明の電気化学デバイスがリチウムイオン二次電池である場合に、当該電池は双極型電池であってもよい。 Moreover, when the electrochemical device of the present invention is a lithium ion secondary battery, the battery may be a bipolar battery.
図2に本発明の一実施形態である双極型電池の全体構造を模式的に表した断面概略図を示すが、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されない。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing the entire structure of a bipolar battery according to an embodiment of the present invention, but the technical scope of the present invention is not limited to such a form.
図2に示すように、本実施形態の双極型電池10’の電池要素21は、集電体11の一方の面に正極活物質層13が形成され他方の面に負極活物質層15が形成された複数の双極型電極を有する。各双極型電極は、電解質層17を介して積層されて電池要素21を形成する。この際、一の双極型電極の正極活物質層13と前記一の双極型電極に隣接する他の双極型電極の負極活物質層15とが電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極および電解質層17が積層されている。 As shown in FIG. 2, in the battery element 21 of the bipolar battery 10 ′ of this embodiment, the positive electrode active material layer 13 is formed on one surface of the current collector 11 and the negative electrode active material layer 15 is formed on the other surface. A plurality of bipolar electrodes. Each bipolar electrode is laminated via an electrolyte layer 17 to form a battery element 21. At this time, each bipolar type is formed such that the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode adjacent to the one bipolar electrode face each other through the electrolyte layer 17. An electrode and an electrolyte layer 17 are laminated.
隣接する正極活物質層13、電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。従って、双極型電池10’は、単電池層19が面を介して電気的に直列に接続されてなる構成を有するともいえる。よって、図1に示す形態の並列接続型の電池と比較して、高出力が得られうる。なお、電池要素21の最外層に位置する集電体(最外層集電体)(11a、11b)には、片面のみに、正極活物質層13(正極側最外層集電体11a)または負極活物質層15(負極側最外層集電体11b)のいずれか一方が形成されている。 The adjacent positive electrode active material layer 13, electrolyte layer 17, and negative electrode active material layer 15 constitute one unit cell layer 19. Accordingly, it can be said that the bipolar battery 10 ′ has a configuration in which the unit cell layers 19 are electrically connected in series via the surface. Therefore, a high output can be obtained as compared with the parallel connection type battery shown in FIG. The current collector (outermost layer current collector) (11a, 11b) located in the outermost layer of the battery element 21 has a positive electrode active material layer 13 (positive electrode side outermost layer current collector 11a) or a negative electrode only on one side. One of the active material layers 15 (negative electrode side outermost layer current collector 11b) is formed.
さらに、図2に示す双極型電池10’では、正極側最外層集電体11aが延長されて正極タブ25とされ、外装であるラミネートシート29から導出している。一方、負極側最外層集電体11bが延長されて負極タブ27とされ、同様にラミネートシート29から導出している。 Further, in the bipolar battery 10 ′ shown in FIG. 2, the positive electrode outermost layer current collector 11 a is extended to form a positive electrode tab 25, which is led out from a laminate sheet 29 that is an exterior. On the other hand, the negative electrode side outermost layer current collector 11 b is extended to form a negative electrode tab 27, which is similarly derived from the laminate sheet 29.
[絶縁層]
双極型電池10’においては、通常、各単電池層19の周囲に絶縁層31が設けられる。この絶縁層31は、電池内で隣り合う集電体11同士が接触したり、電池要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止する目的で設けられる。かような絶縁層31の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質の双極型電池10’が提供されうる。
[Insulation layer]
In the bipolar battery 10 ′, an insulating layer 31 is usually provided around each single battery layer 19. The insulating layer 31 prevents the adjacent current collectors 11 in the battery from coming into contact with each other or a short circuit caused by a slight irregularity at the end of the unit cell layer 19 in the battery element 21. Is provided. By installing such an insulating layer 31, long-term reliability and safety are ensured, and a high-quality bipolar battery 10 ′ can be provided.
絶縁層31を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよく、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられうる。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性などの観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁層31の構成材料として好ましく用いられる。 The insulating layer 31 may be made of a material having insulating properties, sealing properties against falling off of the solid electrolyte, sealing properties against moisture permeation from the outside (sealing properties), heat resistance at the battery operating temperature, and the like. For example, urethane resin, epoxy resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyimide resin, rubber or the like can be used. Among these, polyethylene resin and polypropylene resin are preferably used as the constituent material of the insulating layer 31 from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film forming property), economy, and the like.
(蓄電モジュール;組電池)
上述したリチウムイオン二次電池(10、10’)は、複数電気的に接続されて、蓄電モジュールである組電池とされてもよい。
(Storage module; battery pack)
A plurality of the lithium ion secondary batteries (10, 10 ′) described above may be electrically connected to form an assembled battery that is a power storage module.
図3は、本発明の一実施形態である組電池を示す斜視図である。 FIG. 3 is a perspective view showing an assembled battery according to an embodiment of the present invention.
図3に示すように、組電池40は、上記のリチウムイオン二次電池(10、10’)が複数個接続されることにより構成される。各リチウムイオン二次電池の正極タブおよび負極タブがバスバーを用いて接続されることにより、各リチウムイオン二次電池が接続されている。組電池40の一の側面には、組電池40全体の電極として、電極ターミナル(42、43)が設けられている。 As shown in FIG. 3, the assembled battery 40 is configured by connecting a plurality of the lithium ion secondary batteries (10, 10 '). Each lithium ion secondary battery is connected by connecting the positive electrode tab and the negative electrode tab of each lithium ion secondary battery using a bus bar. On one side surface of the assembled battery 40, electrode terminals (42, 43) are provided as electrodes of the entire assembled battery 40.
組電池を構成する複数個のリチウムイオン二次電池を接続する際の接続方法は特に制限されず、従来公知の手法が適宜採用されうる。例えば、超音波溶接、スポット溶接などの溶接を用いる手法や、リベット、カシメなどを用いて固定する手法が採用されうる。かような接続方法によれば、組電池の長期信頼性が向上しうる。 The connection method in particular when connecting the some lithium ion secondary battery which comprises an assembled battery is not restrict | limited, A conventionally well-known method can be employ | adopted suitably. For example, a technique using welding such as ultrasonic welding or spot welding, or a technique of fixing using rivets, caulking, or the like can be employed. According to such a connection method, the long-term reliability of the assembled battery can be improved.
本発明の組電池によれば、上記のリチウムイオン二次電池を用いて組電池化することで、長期信頼性に優れる組電池が提供されうる。 According to the assembled battery of the present invention, an assembled battery having excellent long-term reliability can be provided by using the lithium ion secondary battery as an assembled battery.
なお、組電池を構成する電池の接続は、複数個全て並列に接続してもよく、また、複数個全て直列に接続してもよく、さらに、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。 In addition, connection of all the batteries which comprise an assembled battery may be connected in parallel, all may be connected in series, Furthermore, you may combine series connection and parallel connection.
[車両]
上述した電池や組電池(蓄電モジュール)は、車両に搭載されうる。車両に搭載された電池は、例えば、車両のモータを駆動する電源として用いられうる。
[vehicle]
The battery and the assembled battery (storage module) described above can be mounted on a vehicle. A battery mounted on a vehicle can be used as a power source for driving a motor of the vehicle, for example.
電池または組電池をモータ用電源として用いる車両としては、例えば、ガソリンを用いない完全電気自動車、シリーズハイブリッド自動車やパラレルハイブリッド自動車などのハイブリッド自動車、および燃料電池自動車などの、車輪をモータによって駆動する自動車が挙げられる。場合によっては、二輪車、列車などの他の輸送機器用の電源として採用されてもよい。 As a vehicle using a battery or a battery pack as a motor power source, for example, a complete electric vehicle that does not use gasoline, a hybrid vehicle such as a series hybrid vehicle or a parallel hybrid vehicle, and a vehicle whose wheels are driven by a motor, such as a fuel cell vehicle Is mentioned. In some cases, it may be employed as a power source for other transport equipment such as a motorcycle and a train.
参考までに、図4に、組電池40を搭載する自動車50の概略図を示す。自動車50に搭載される組電池40は、上記で説明したような特性を有する。このため、自動車50に組電池40を搭載することで、自動車50の長期信頼性が向上しうる。 For reference, FIG. 4 shows a schematic diagram of an automobile 50 on which the assembled battery 40 is mounted. The assembled battery 40 mounted on the automobile 50 has the characteristics as described above. For this reason, mounting the assembled battery 40 on the automobile 50 can improve the long-term reliability of the automobile 50.
以上、リチウムイオン二次電池を例に挙げて、本発明の電気化学デバイスを詳細に説明したが、本発明は他の電気化学デバイスにも適用可能である。例えば、電気二重層キャパシタやレドックスキャパシタなどのキャパシタにも適用可能である。また、上述した針状活物質粒子の表面に白金等の触媒成分を担持し、これを固体電解質が充填されてなる導電性の触媒層として用いることで、本発明は燃料電池にも適用可能である。かような燃料電池においては、出力特性が向上し、短絡の危険性が低減されうる。 As described above, the electrochemical device of the present invention has been described in detail by taking a lithium ion secondary battery as an example, but the present invention can also be applied to other electrochemical devices. For example, the present invention can be applied to capacitors such as electric double layer capacitors and redox capacitors. In addition, the present invention can also be applied to a fuel cell by supporting a catalyst component such as platinum on the surface of the above-mentioned acicular active material particles and using this as a conductive catalyst layer filled with a solid electrolyte. is there. In such a fuel cell, the output characteristics can be improved and the risk of a short circuit can be reduced.
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例に示す形態のみに制限されるわけではない。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to only the forms shown in the following examples.
<実施例1>
以下の手法により、集電体としての金属基体の表面に針状活物質粒子であるウィスカーが形成されてなる電極を作製した。
<Example 1>
By the following method, an electrode in which whiskers as acicular active material particles were formed on the surface of a metal substrate as a current collector was produced.
まず、正極活物質であるマンガン酸リチウム(LiMn2O4)(粒子径:1μm、85質量%)、導電助剤であるアセチレンブラック(10質量%)およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(5質量%)を混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、正極活物質スラリーを調製した。 First, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) (particle size: 1 μm, 85% by mass) as a positive electrode active material, acetylene black (10% by mass) as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder ( 5 mass%) was mixed, and then an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) which is a slurry viscosity adjusting solvent was added to prepare a positive electrode active material slurry.
また、正極用の集電体として、アルミニウム箔(厚さ:20μm)を準備した。準備した集電体の一方の表面に、上記で調製した正極活物質スラリーをドクターブレード法により塗布し、塗膜を形成させた。次いでこの塗膜を乾燥させて、正極活物質層(厚さ:30μm)を形成した。その後、得られた積層体をφ15mmで打ち抜き、正極前駆体とした。 In addition, an aluminum foil (thickness: 20 μm) was prepared as a positive electrode current collector. The positive electrode active material slurry prepared above was applied to one surface of the prepared current collector by a doctor blade method to form a coating film. Next, this coating film was dried to form a positive electrode active material layer (thickness: 30 μm). Thereafter, the obtained laminate was punched out with a diameter of 15 mm to obtain a positive electrode precursor.
一方、集電体としての金属基体として、ニッケル基板(厚さ:100μm)を準備した。次いで、このニッケル基板の一方の表面にスズめっき処理を施し、スズめっき層(厚さ:20μm)を形成した。その後、このスズめっきニッケル基板を、100%アルゴン雰囲気下で800℃まで昇温し、昇温後100体積ppmの酸素雰囲気下で1時間維持して、基板上にスズ酸化物の針状結晶(ウィスカー)を成長させた。得られたウィスカーを走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した写真(倍率:1000倍)を図5に示す。このようにして得られたウィスカー形成基板をφ16mmで打ち抜き、負極前駆体とした。なお、基板上に形成されたウィスカーのアスペクト比は約2000であった。 On the other hand, a nickel substrate (thickness: 100 μm) was prepared as a metal substrate as a current collector. Next, a tin plating process was performed on one surface of the nickel substrate to form a tin plating layer (thickness: 20 μm). Thereafter, the tin-plated nickel substrate was heated to 800 ° C. in a 100% argon atmosphere, and maintained for 1 hour in a 100 volume ppm oxygen atmosphere after the temperature rising, and tin oxide needle crystals ( Whisker). The photograph (magnification: 1000 times) which observed the obtained whisker using the scanning electron microscope (SEM) is shown in FIG. The whisker-formed substrate thus obtained was punched out with a diameter of 16 mm to obtain a negative electrode precursor. The aspect ratio of whiskers formed on the substrate was about 2000.
次いで、電解液として、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)との等体積混合液にリチウム塩であるLiBF4を1mol/Lの濃度に溶解させた溶液を調製した。そして、この電解液(97質量%)に、イオン伝導性ポリマーであるポリエチレンオキシドマクロモノマー(3質量%)、および熱重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)(0.05質量%)を添加し、混合して、電解質層形成用組成物を調製した。 Next, as an electrolytic solution, a solution was prepared by dissolving LiBF 4 which is a lithium salt in an equal volume mixed solution of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) at a concentration of 1 mol / L. The electrolyte solution (97% by mass) was added to a polyethylene oxide macromonomer (3% by mass) as an ion conductive polymer and azobisisobutyronitrile (AIBN) (0.05% by mass) as a thermal polymerization initiator. ) Was added and mixed to prepare an electrolyte layer forming composition.
そして、調製した電解質層形成用組成物を、上記で作製した正極前駆体および負極前駆体のそれぞれの活物質層の表面に塗布し、真空中で80℃にて1時間熱処理を施して、ポリエチレンオキシドマクロモノマーを架橋させて、高分子ゲル電解質を生成させた。これにより、正極および負極が完成した。 Then, the prepared composition for forming an electrolyte layer is applied to the surface of each of the active material layers of the positive electrode precursor and the negative electrode precursor prepared above, and heat-treated at 80 ° C. for 1 hour in a vacuum. Ethylene oxide macromonomer was cross-linked to produce a polymer gel electrolyte. Thereby, the positive electrode and the negative electrode were completed.
別途、セパレータとして、一軸延伸ポリプロピレン微多孔質膜(厚さ:24μm、空孔率:60%、屈曲度:1.7)を準備した。 Separately, a uniaxially stretched polypropylene microporous membrane (thickness: 24 μm, porosity: 60%, flexion degree: 1.7) was prepared as a separator.
上記で作製した正極、セパレータおよび負極を、正極活物質層および負極活物質層(ウィスカーが形成された側)が向き合うようにこの順に積層し、得られた積層体に上記で調製した電解液を注入して、電池要素を作製した。得られた電池要素を2032型コインセル中に封止して、本実施例の電池を完成させた。 The positive electrode, separator, and negative electrode prepared above were laminated in this order so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer (side on which the whiskers were formed) faced, and the electrolyte solution prepared above was added to the obtained laminate. The battery element was produced by pouring. The obtained battery element was sealed in a 2032 type coin cell to complete the battery of this example.
<実施例2>
電解質層形成用組成物における配合量を、電解液(95質量%)、ポリエチレンオキシドマクロモノマー(5質量%)としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、電池を作製した。
<Example 2>
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the blending amount in the composition for forming an electrolyte layer was an electrolytic solution (95% by mass) and a polyethylene oxide macromonomer (5% by mass).
<実施例3>
電解質層形成用組成物における配合量を、電解液(90質量%)、ポリエチレンオキシドマクロモノマー(10質量%)としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、電池を作製した。
<Example 3>
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the blending amount in the composition for forming an electrolyte layer was an electrolytic solution (90% by mass) and a polyethylene oxide macromonomer (10% by mass).
<実施例4>
電解質層形成用組成物における配合量を、電解液(80質量%)、ポリエチレンオキシドマクロモノマー(20質量%)としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、電池を作製した。
<Example 4>
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the blending amount in the composition for forming an electrolyte layer was an electrolytic solution (80% by mass) and a polyethylene oxide macromonomer (20% by mass).
<実施例5>
電解質層形成用組成物における配合量を、電解液(70質量%)、ポリエチレンオキシドマクロモノマー(30質量%)としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、電池を作製した。
<Example 5>
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the blending amount in the composition for forming an electrolyte layer was an electrolytic solution (70% by mass) and a polyethylene oxide macromonomer (30% by mass).
<比較例1>
基板上に成長したスズ酸化物の針状結晶(ウィスカー)を、スパチュラを用いて一旦基板から剥離させた後に、電解質層形成用組成物の塗布以降の操作を行なったこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、電池を作製した。
<Comparative Example 1>
The implementation described above, except that the tin oxide needle-like crystals (whiskers) grown on the substrate were once peeled off from the substrate using a spatula and then subjected to the operation after application of the electrolyte layer forming composition. A battery was produced in the same manner as in Example 1.
<比較例2>
基板上に成長したスズ酸化物の針状結晶(ウィスカー)を、スパチュラを用いて一旦基板から剥離させた後に、電解質層形成用組成物の塗布以降の操作を行なったこと以外は、上述した実施例5と同様の手法により、電池を作製した。
<Comparative example 2>
The implementation described above, except that the tin oxide needle-like crystals (whiskers) grown on the substrate were once peeled off from the substrate using a spatula and then subjected to the operation after application of the electrolyte layer forming composition. A battery was produced in the same manner as in Example 5.
<比較例3>
電解質層形成用組成物に代えて、上述した電解液を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、電池を作製した。
<Comparative Example 3>
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above-described electrolyte solution was used instead of the electrolyte layer forming composition.
<評価>
上述した各実施例および比較例について、それぞれ10個ずつの電池を作製した。そして、それぞれの電池を4Vに保持した状態で1日間放置し、その際の電圧降下を測定した。その結果を下記の表1に示す。表1では、実施例/比較例ごとに、10個の電池の電圧降下の値が範囲を区切って分類されている。
<Evaluation>
Ten batteries were manufactured for each of the above-described examples and comparative examples. And each battery was left to stand for 4 days in the state hold | maintained at 4V, and the voltage drop in that case was measured. The results are shown in Table 1 below. In Table 1, for each of the examples / comparative examples, the voltage drop values of 10 batteries are classified by dividing the range.
また、上記で電圧降下を測定した後に、電池の抵抗値を測定した。その後さらに、20サイクルの充放電試験を行ない、試験前の電池容量に対する20サイクル後の電池容量の維持率(容量維持率)を算出した。これらの結果を下記の表2に示す。 Further, after measuring the voltage drop as described above, the resistance value of the battery was measured. Thereafter, a charge / discharge test of 20 cycles was further performed, and the maintenance rate (capacity maintenance rate) of the battery capacity after 20 cycles with respect to the battery capacity before the test was calculated. These results are shown in Table 2 below.
表1に示すように、本発明に係る電気化学デバイスの1種であるリチウムイオン二次電池によれば、負極活物質としてウィスカー形状の針状活物質粒子を用いた場合であっても、電池電圧の低下(すなわち、出力特性の悪化)が抑制されうることが示される。本発明に係る電池では、針状活物質粒子を集電体としての基板に接合させ、かつ、活物質層に固体電解質を充填することで活物質層からの針状活物質粒子の突出を抑えている。こうすることでウィスカーによるセパレータの貫通が抑制され、単電池層の内部における微小短絡が防止され、その結果、電池電圧の低下が防止されたと考えられる。 As shown in Table 1, according to the lithium ion secondary battery which is one type of the electrochemical device according to the present invention, even when whisker-shaped needle-shaped active material particles are used as the negative electrode active material, the battery It shows that the voltage drop (that is, the deterioration of the output characteristics) can be suppressed. In the battery according to the present invention, the acicular active material particles are bonded to a substrate as a current collector, and the active material layer is filled with a solid electrolyte to suppress the protrusion of the acicular active material particles from the active material layer. ing. By doing so, it is considered that the penetration of the separator by the whisker is suppressed and the minute short circuit inside the single cell layer is prevented, and as a result, the battery voltage is prevented from being lowered.
一方、比較例1および2の電池では電池電圧の低下は本発明の電池と同程度であった。しかしながら、比較例3の電池では、著しい電池電圧の低下が観察された。これは、活物質層に固体電解質を含まないことに起因して、ウィスカーによるセパレータの貫通が防止できず、単電池層における内部短絡が発生してしまったためと考えられる。 On the other hand, in the batteries of Comparative Examples 1 and 2, the decrease in battery voltage was comparable to that of the battery of the present invention. However, in the battery of Comparative Example 3, a significant decrease in battery voltage was observed. This is presumably because the whisker could not prevent the separator from penetrating due to the fact that the active material layer did not contain a solid electrolyte, and an internal short circuit occurred in the single cell layer.
また、表2に示す結果から、本発明に係る電気化学デバイスの1種であるリチウムイオン二次電池によれば、20サイクル終了時のサイクル耐久性が比較的高い値に維持されうることが示される。さらに、電池の抵抗値も比較的低い値に抑えられることも示される。 In addition, the results shown in Table 2 indicate that the cycle durability at the end of 20 cycles can be maintained at a relatively high value according to the lithium ion secondary battery which is one type of electrochemical device according to the present invention. It is. It is also shown that the resistance value of the battery can be suppressed to a relatively low value.
一方、比較例3の電池では容量維持率および電池の抵抗値ともに本発明に係る電池と同程度の結果が観察された。しかしながら、比較例1および2の電池では、容量維持率が極めて低いという結果が観察され、サイクル耐久性に劣ることが示された。これは、充放電による活物質の膨張収縮により、集電体と活物質の界面が剥離したことによるものと考えられる。 On the other hand, in the battery of Comparative Example 3, results similar to those of the battery according to the present invention were observed in both capacity retention ratio and battery resistance value. However, in the batteries of Comparative Examples 1 and 2, the result that the capacity maintenance rate was extremely low was observed, indicating that the cycle durability was poor. This is considered to be because the interface between the current collector and the active material was peeled off due to the expansion and contraction of the active material due to charge and discharge.
以上をまとめると、本発明の一実施形態によるリチウムイオン二次電池によれば、針状活物質を用いる場合であっても、サイクル耐久性の低下を最小限に抑制しつつ、短絡の発生を効果的に防止することが可能であることが示される。 In summary, according to the lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention, even when a needle-like active material is used, occurrence of a short circuit is suppressed while minimizing a decrease in cycle durability. It is shown that it can be effectively prevented.
10 リチウムイオン二次電池、
10’ 双極型リチウムイオン二次電池、
11 集電体、
11a、11b 最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 電池要素、
25 正極タブ、
27 負極タブ、
29 ラミネートシート、
31 絶縁層、
33 正極集電体、
35 負極集電体、
40 組電池、
42、43 電極ターミナル、
50 自動車。
10 Lithium ion secondary battery,
10 'bipolar lithium ion secondary battery,
11 Current collector,
11a, 11b outermost layer current collector,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 battery elements,
25 positive electrode tab,
27 negative electrode tab,
29 Laminate sheet,
31 insulating layer,
33 positive electrode current collector,
35 negative electrode current collector,
40 battery packs,
42, 43 electrode terminals,
50 cars.
Claims (13)
前記正極または前記負極の少なくとも一方が、集電体と、前記集電体の表面に接合された針状活物質粒子を含む活物質層とを有し、かつ、前記活物質層に固体電解質が充填されてなることを特徴とする、電気化学デバイス。 An electrochemical device having a laminate in which a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode are laminated in this order,
At least one of the positive electrode or the negative electrode has a current collector and an active material layer containing acicular active material particles bonded to the surface of the current collector, and a solid electrolyte is formed in the active material layer. An electrochemical device characterized by being filled.
前記正極または前記負極の少なくとも一方が、At least one of the positive electrode or the negative electrode is
表面に針状活物質粒子が接合されてなる集電体としての金属基体の、前記針状活物質粒子が接合された面に、未架橋の固体電解質および重合開始剤を含む組成物を塗布する工程と、A composition containing an uncrosslinked solid electrolyte and a polymerization initiator is applied to a surface of a metal base as a current collector formed by bonding acicular active material particles to the surface of the metal substrate. Process,
前記組成物が塗布された前記金属基体に熱処理または光照射処理を施すことにより、前記固体電解質を架橋させる工程と、Crosslinking the solid electrolyte by subjecting the metal substrate coated with the composition to a heat treatment or a light irradiation treatment;
を含む製造方法により製造されたものである、電気化学デバイス。An electrochemical device manufactured by a manufacturing method comprising:
前記組成物が塗布された前記金属基体に熱処理または光照射処理を施すことにより、前記固体電解質を架橋させて電極を得る工程と、A step of obtaining an electrode by crosslinking the solid electrolyte by subjecting the metal substrate coated with the composition to a heat treatment or a light irradiation treatment;
を含む、電気化学デバイスの製造方法。A method for producing an electrochemical device, comprising:
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