JP5574196B2 - 非水電解液二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解液二次電池に関し、詳しくは、セパレータシートと正極シート及び負極シートの少なくとも一方との間に多孔層が形成された非水電解液二次電池に関する。
近年、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池その他の非水電解液二次電池は、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。この種のリチウム二次電池の一つの典型的な構成では、正極と負極の間に介在させるセパレータとして、ポリオレフィン系の多孔質フィルムが使用されている。
しかし、ポリオレフィン系の多孔質フィルムは、合成樹脂製ゆえに電池内が高温になると変形し易くなり、内部短絡(ショート)の発生等のリスクが向上する。従って、短絡発生等の不具合発生をより確実に防止する手段の一つとして、例えば、正極、負極もしくはセパレータのうちのいずれかの表面に無機フィラーからなる耐熱性多孔層を形成することが検討されている(例えば特許文献1)。この構成によれば、セパレータに変形が生じた場合でも、耐熱性多孔層によって正極と負極の接触を防止することができ、短絡発生を抑制することができる。
日本国特許出願公開2008−305783号公報
特許文献1には、第1セパレータ層の表面に耐熱温度が150℃以上のフィラーを有する第2セパレータ層(多孔層)を形成したリチウム二次電池が開示されている。同公報によると、耐熱性多孔層を構成するフィラーは板状粒子が好ましいとされ、その代表的なものとして、板状アルミナや板状ベーマイトが例示されている。しかしながら、そのような板状粒子を用いて耐熱性多孔層を形成すると、充放電に伴う電極の膨張収縮の圧力により多孔層が潰れ、多孔層の空孔率が低下する。多孔層の空孔率が低下すると、多孔層内を電解液及びイオンが通過できず、これを用いて構築されたリチウム二次電池の性能(負荷特性やハイレート耐久性)が不十分になるため好ましくない。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、多孔層の空孔率低下による性能劣化が抑制された非水電解液二次電池を提供することである。
本発明により提供される非水電解液二次電池は、正極シートと負極シートとがセパレータシートを介して重ね合わされてなる電極体を備えたリチウム二次電池である。上記正極シート及び上記負極シートの少なくとも一方と上記セパレータシートとの間には、フィラー粒子とバインダとを有する多孔層が形成されている。上記多孔層に含有されるフィラー粒子の円形度分布におけるメジアン値が0.85〜0.97である。
上記フィラー粒子の円形度は、例えば、フィラー粒子の投影像(粒子画像)から周囲長と面積を算出し、次の式(1)により求めることができる。
円形度a=L0/L1 (1)
ここで、上記式(1)中のL0は実際に測定した対象の粒子の投影像(粒子画像)から算出された面積と同一の面積を有する理想円(真円)の周囲長であり、L1は当該測定対象の粒子の粒子投影像(粒子画像)から測定した実際の周囲長である。
即ち、測定対象とする粉体の円形度分布(典型的には個数分布)は、当該粉体を構成する個々のフィラー粒子について上記式(1)により算出される円形度を測定することにより求められる。かかる円形度分布は、例えば、市販される粒子画像分析装置、例えばフロー式の粒子像分析装置によって容易に測定され得る。
上記粒子像分析装置によって得られるフィラー粒子の円形度分布におけるメジアン値としては、概ね0.85〜0.97が適当である。円形度分布のメジアン値が0.97よりも大きいと、フィラー粒子がより球状に近いものとなるため、フィラー粒子の充填性が高まり、多孔層の高空孔率化が困難になる。また、フィラー粒子が高充填されるとともに流動し易くなるため、充放電に伴う電極の膨張収縮の圧力を受けて多孔層が圧縮され、サイクル劣化が生じる場合がある。一方、円形度分布のメジアン値が0.85よりも小さいと、多孔層の空孔率を高めることはできるが、多孔層の体積当たりに含まれるフィラー量が減少するため、正極と負極の接触防止作用が得られないことがある。また、多孔層の強度が不足がちになるため、充放電に伴う電極の膨張収縮の圧力を受けて多孔層が潰れ、サイクル劣化が生じる場合がある。
従って、多孔層に含有されるフィラー粒子の円形度分布におけるメジアン値は概ね0.85〜0.97が適当であり、好ましくは0.85〜0.96であり、より好ましくは0.85〜0.93であり、特に好ましくは0.85〜0.9である。このような円形度分布の範囲内であると、多孔層の体積当たりに含まれるフィラー量を適切に維持しつつ、多孔層として好適な空孔率(例えば50〜70%、好ましくは56〜70%、特に好ましくは60〜70%)を有する電解液透過性及び機械的強度の高い多孔層を得ることができる。このような多孔層を用いれば、安全性が高く、かつ電池特性(負荷特性やハイレート耐久性)が良好な非水電解液二次電池を構築することができる。
ここに開示される好ましい非水電解液二次電池の一態様では、上記多孔層に含有されるフィラー粒子の円形度分布において、円形度が小さい側からの累積10%に相当する円形度の値(以下、ロワー値という。)が0.7〜0.9である。このような円形度分布にすると、不定形で角張った粒子を一定の割合で含むため、該角張った粒子によってフィラー粒子間のすべりが抑えられ、フィラーの充填性が適度に低下する。そのため、前記したような高い機械的強度と良好な電解液浸透性の双方を高いレベルで両立させた最適な多孔層を安定して得ることができる。
ここに開示される好ましい非水電解液二次電池の一態様では、上記フィラー粒子は、アルミナまたはアルミナ水和物である。アルミナまたはアルミナ水和物は、粉砕等の加工によって円形度分布の調整が容易である点で好ましい。また、アルミナまたはアルミナ水和物はモース硬度が比較的高いため、多孔層の機械的強度及び耐久性を向上し得る点で好ましい。
ここに開示される好ましい非水電解液二次電池の一態様では、上記多孔層は、上記セパレータシートの表面に形成されている。この場合、製造コストが安価になるとともに、電池性能に悪影響を与えることなくセパレータシートと電極シートとの間に多孔層を形成することができる。上記多孔層は、例えば、上記セパレータシートの負極シートに対向する面に形成されていることが好ましい。
ここに開示される好ましい非水電解液二次電池の一態様では、上記電極体は、上記正極シートと上記負極シートとが上記セパレータシートを介して捲回されてなる捲回電極体である。上記電極体が捲回電極体である場合、多孔層の空孔率低下による性能劣化が特に発生しやすいことから、本発明を適用することが特に有用である。
ここに開示されるいずれかの非水電解液二次電池は、車両に搭載される電池として適した性能(例えば高出力が得られること)を備え、特にハイレート充放電に対する耐久性に優れたものであり得る。したがって本発明によると、ここに開示されるいずれかの非水電解液二次電池を備えた車両が提供される。特に、該非水電解液二次電池を動力源(典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の動力源)として備える車両(例えば自動車)が提供される。
図1は本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池を模式的に示す側面図である。 図2は図1のII−II線断面図である。 図3は本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池の電極体を模式的に示す図である。 図4は本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池の要部を示す拡大断面図である。 図5は一試験例に係る膜抵抗の測定方法を説明するための図である。 図6は本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池を備えた車両を模式的に示す側面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、正極および負極を備えた電極体の構成および製法、セパレータや電解質の構成および製法、非水電解液二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。
特に限定することを意図したものではないが、以下では捲回された電極体(捲回電極体)と非水電解液とを円筒型の容器に収容した形態の非水電解液リチウム二次電池(リチウムイオン電池)を例として本発明を詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン電池の概略構成を図1〜3に示す。このリチウムイオン電池100は、長尺状の正極シート10と長尺状の負極シート20が長尺状のセパレータ40を介して捲回された形態の電極体(捲回電極体)80が、図示しない非水電解液とともに、該捲回電極体80を収容し得る形状(円筒型)の容器50に収容された構成を有する。
容器50は、上端が開放された有底円筒状の容器本体52と、その開口部を塞ぐ蓋体54とを備える。容器50を構成する材質としては、アルミニウム、スチール、NiめっきSUS等の金属材料が好ましく用いられる(本実施形態ではNiめっきSUS)。あるいは、PPS、ポリイミド樹脂等の樹脂材料を成形してなる容器50であってもよい。容器50の上面(すなわち蓋体54)には、捲回電極体80の正極10と電気的に接続する正極端子70が設けられている。容器50の下面には、捲回電極体80の負極20と電気的に接続する負極端子72(この実施形態では容器本体52が兼ねる。)が設けられている。容器50の内部には、捲回電極体80が図示しない非水電解液とともに収容される。
本実施形態に係る捲回電極体80は、後述するセパレータ40の構成を除いては通常のリチウムイオン電池の捲回電極体と同様であり、図3に示すように、捲回電極体80を組み立てる前段階において長尺状(帯状)のシート構造を有している。
正極シート10は、長尺シート状の箔状の正極集電体12の両面に正極活物質を含む正極活物質層14が保持された構造を有している。ただし、正極活物質層14は正極シート10の幅方向の端辺に沿う一方の側縁(図では下側の側縁部分)には付着されず、正極集電体12を一定の幅にて露出させた正極活物質層非形成部が形成されている。
負極シート20も正極シート10と同様に、長尺シート状の箔状の負極集電体22の両面に負極活物質を含む負極活物質層24が保持された構造を有している。ただし、負極活物質層24は負極シート20の幅方向の端辺に沿う一方の側縁(図では上側の側縁部分)には付着されず、負極集電体22を一定の幅にて露出させた負極活物質層非形成部が形成されている。
捲回電極体80を作製するに際しては、図3に示すように、正極シート10と負極シート20とがセパレータシート40を介して積層される。このとき、正極シート10の正極活物質層非形成部分と負極シート20の負極活物質層非形成部分とがセパレータシート40の幅方向の両側からそれぞれはみ出すように、正極シート10と負極シート20とを幅方向にややずらして重ね合わせる。このように重ね合わせた積層体を捲回することによって捲回電極体80が作製され得る。
捲回電極体80の捲回軸方向における中央部分には、捲回コア部分82(即ち正極シート10の正極活物質層14と負極シート20の負極活物質層24とセパレータシート40とが密に積層された部分)が形成される。また、捲回電極体80の捲回軸方向の両端部には、正極シート10および負極シート20の電極活物質層非形成部分がそれぞれ捲回コア部分82から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分(すなわち正極活物質層14の非形成部分)84および負極側はみ出し部分(すなわち負極活物質層24の非形成部分)86には、正極リード端子74および負極リード端子76がそれぞれ付設されており、上述の正極端子70および負極端子72(ここでは容器本体52が兼ねる。)とそれぞれ電気的に接続される。
かかる捲回電極体80を構成する構成要素は、セパレータシート40を除いて、従来のリチウムイオン電池の捲回電極体と同様でよく、特に制限はない。例えば、正極シート10は、長尺状の正極集電体12の上にリチウムイオン電池用正極活物質を主成分とする正極活物質層14が付与されて形成され得る。正極集電体12にはアルミニウム箔その他の正極に適する金属箔が好適に使用される。正極活物質としては、従来からリチウムイオン電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。ここに開示される技術の好ましい適用対象として、リチウムニッケル酸化物(LiMn)、リチウムコバルト酸化物(LiCoO)、リチウムマンガン酸化物(LiNiO)等の、リチウムと遷移金属元素とを構成金属元素として含む酸化物(リチウム遷移金属酸化物)を主成分とする正極活物質が挙げられる。
負極シート20は、長尺状の負極集電体22の上にリチウムイオン電池用負極活物質を主成分とする負極活物質層24が付与されて形成され得る。負極集電体22には銅箔その他の負極に適する金属箔が好適に使用される。負極活物質は従来からリチウムイオン電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。好適例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム含有遷移金属酸化物や遷移金属窒化物等が挙げられる。
本実施形態に係るセパレータシート40は、該セパレータの内部に多数の細孔を有しており、その細孔の繋がりによってセパレータシートの内部を非水電解液及びリチウムイオンが通過し得るようになっている。また、セパレータシート40は、過充電等により電池が異常発熱した場合に、細孔が塞がって(シャットダウンして)正負極間の電気的接触を遮断するようになっている。
該セパレータシートを構成する多孔質樹脂としては、例えば多孔質ポリオレフィン系樹脂が挙げられる。好適例として、多孔質ポリエチレン(PE)の単層構造やポリプロピレン(PP)/ポリエチレン(PE)/ポリプロピレン(PP)の3層構造のものが挙げられる。
また、セパレータシート40と正極シート10及び負極シート20の少なくとも一方との間には、多孔層42が形成されている。この実施形態では、多孔層42は、セパレータシート40の表面であって負極シート20に対向する面に形成されている。
さらに、図4を加えて、本実施形態に係る多孔層42について詳細に説明する。図4は、捲回電極体80の捲回軸に沿う断面の一部を拡大して示す模式的断面図であって、セパレータシート40と、該セパレータシート40の表面に形成されている多孔層42と、該多孔層42に対向する負極シート20とを示したものである。
本実施形態に係る多孔層42は、図4に示すように、フィラー粒子44と図示しないバインダとから構成され、バインダによりフィラー粒子間やフィラー粒子とセパレータシートとの間が結合されている。多孔層は、バインダで結合されていない部位に多数の細孔48を有しており、その細孔48の繋がりによって多孔層内を電解液及びイオンが通過し得るようになっている。また、多孔層42は、セパレータシート40の融点よりも高い温度域(例えば150℃以上)において融解しない程度の耐熱性を有しており、電池発熱時にセパレータシートに変形が生じた場合でも、多孔層42によって正極と負極の電気的接触を回避し得るようになっている。
上記多孔層42の空孔率は、通常は電解液及びイオン浸透性が良好である50%以上(例えば50〜70%)にすることが好ましく、例えば52%以上(例えば52〜70%)の範囲が適当であり、より好ましくは56%以上(例えば56〜70%)であり、特に好ましくは60%以上(例え60〜70%)である。このような多孔層の空孔率の範囲内であると、多孔層の電解液及びイオン浸透性が十分であり、電池特性(負荷特性、サイクル特性)を向上させることができる。
また、その膜厚は、用途に応じて適宜膜厚を選択することができるが、正極と負極の接触防止作用を確実に得るためには、概ね1μm〜20μmが適当であり、好ましくは2〜10μmであり、より好ましくは3〜6μmであり、特に好ましくは3〜5μmである。
該多孔層を構成するフィラー粒子としては、耐熱性(例えば150℃以上)があり、かつ電池の使用範囲内で電気化学的に安定であるものが好ましい。そのような無機フィラーとしては、無機金属化合物からなるフィラー粒子が挙げられる。好適例として、アルミナ(Al)、アルミナ水和物(例えばベーマイト(Al・HO)、水酸化マグネシウム(Mg(OH))、炭酸マグネシウム(MgCO)、等の無機金属化合物が例示される。これらの無機金属化合物材料の一種又は二種以上を用いることができる。中でもアルミナまたはアルミナ水和物は、粉砕等の加工によって円形度分布の調整が容易である点で好ましい。該フィラー粒子の粒径、例えばレーザ回折散乱法に基づくD50径は特に制限されないが、例えばアルミナを用いる場合、概ね0.2μm〜1.2μmの範囲内であることが好ましい。また、ベーマイトを用いる場合、概ね0.4μm〜1.8μmの範囲内であることが好ましい。また、該フィラー粒子のBET法に基づく比表面積は、例えばアルミナを用いる場合、概ね1.3m/g〜18m/gの範囲内であることが好ましい。また、ベーマイトを用いる場合、概ね2.8m/g〜27m/gの範囲内であることが好ましい。
また、ベーマイト以外にも同様の効果が得られるアルミナ水和物として、擬ベーマイト、θアルミナ(約900℃)、δアルミナ(約800℃)、κアルミナ(約800℃)、γアルミナ(約500℃)、χアルミナ(約500℃)、ηアルミナ(約500℃)、擬γアルミナ(約500℃)、ρアルミナ(約250℃)、等が例示される。なお、上記括弧内の数値は上記アルミナ水和物を合成するときの好適な焼成温度を示している。なお、典型的には、これらアルミナ水和物(非水和物であり得る。)のHO/Alのモル比は、擬ベーマイトが2:1であり、その他のアルミナ水和物が0〜1の範囲内であり得る。
該フィラー粒子の形状としては、板状に近いものから球状に近いものまで種々の形状をとり得るが、本実施形態においては、フィラー粒子の円形度分布におけるメジアン値が0.85〜0.97である。円形度分布のメジアン値が0.97よりも大きいと、フィラー粒子がより球状に近いものとなるため、フィラー粒子の充填性が高まり、多孔層の高空孔率化が困難になる。また、フィラー粒子が高充填されるとともに流動し易くなるため、充放電に伴う電極の膨張収縮の圧力を受けて多孔層が圧縮(圧延)され、サイクル劣化が生じる場合がある。一方、円形度分布のメジアン値が0.85よりも小さいと、多孔層の空孔率を高めることはできるが、多孔層の体積当たりに含まれるフィラー量が減少するため、正極と負極の接触防止作用が得られないことがある。また、多孔層の強度が不足がちになるため、充放電に伴う電極の膨張収縮の圧力を受けて多孔層が潰れ、サイクル劣化が生じる場合がある。
従って、多孔層に含有されるフィラー粒子の円形度分布におけるメジアン値は概ね0.85〜0.97(例えば0.9〜0.97)が適当であり、好ましくは0.85〜0.96(例えば0.91〜0.96)であり、より好ましくは0.85〜0.93であり、特に好ましくは0.85〜0.9である。このような円形度分布の範囲内であると、多孔層の体積当たりに含まれるフィラー量を適切に維持しつつ、多孔層として好適な空孔率(例えば50〜70%、好ましくは56〜70%、特に好ましくは60〜70%)を有する電解液透過性及び機械的強度の高い多孔層を得ることができる。このような多孔層を用いれば、安全性が高く、かつ電池特性(負荷特性やハイレート耐久性)が良好な非水電解液リチウム二次電池を構築することができる。
さらに、多孔層に含有されるフィラー粒子の円形度分布において、円形度が小さい側からの累積10%に相当する円形度の値(以下、ロワー値という。)が0.7〜0.9であることが好ましい。円形度分布のロワー値が0.9よりも大きいと、大多数の粒子が球状に近いものとなるため、さらに高充填され、多孔層の空孔率が著しく低下する。これに対し、円形度分布のロワー値を0.7〜0.9にすると、不定形で角張った粒子を一定の割合(全個数の10%程度)で含むため、該角張った粒子によって粒子間のすべりが抑えられ、フィラーの充填性が適度に低下する。そのため、前記したような高い機械的強度と良好な電解液浸透性の双方を高いレベルで両立させた最適な多孔層を安定して得ることができる。
さらに、円形度分布のロワー値が0.7よりも小さくなると、多孔層の空孔率が一層高まるが、多孔層の体積当たりに含まれるフィラー量が減少するため、正極と負極の接触防止作用が得られない場合がある。従って、円形度分布のロワー値は概ね0.7〜0.9が適当であり、好ましくは0.73〜0.88であり、より好ましくは0.75〜0.85であり、特に好ましくは0.78〜0.82である。この範囲内であると、多孔層の体積当たりに含まれるフィラー量を適切に維持しつつ、高い機械的強度と良好なイオン透過性とを両立させた最適な多孔層を得ることができる。
該多孔層に用いられるバインダは、上記フィラー粒子間を結合するためのものであり、該バインダを構成する材料自体は特に限定されず種々のものを幅広く使用することができる。好適例として、アクリル系樹脂が挙げられる。アクリル系樹脂としては、アクリル酸、メタクリル酸、アクリルアミド、メタクリルアミド、2‐ヒドロキシエチルアクリレート、2‐ヒドロキシエチルメタクリレート、メタアクリレート、メチルメタアクリレート、エチルヘキシルアクリレート、ブチルアクリレート等のモノマーを1種類で重合した単独重合体が好ましく用いられる。また、アクリル系樹脂は、2種以上の上記モノマーを重合した共重合体であってもよい。さらに、上記単独重合体及び共重合体の2種類以上を混合したものであってもよい。上述したアクリル系樹脂のほかに、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、等を用いることもできる。
なお、特に限定するものではないが、多孔層全体に占めるフィラー粒子の割合は凡そ90質量%以上(典型的には95質量%〜99質量%)であることが好ましく、凡そ96質量%〜99質量%であることが好ましい。また、多孔層中のバインダの割合は凡そ5質量%以下とすることが好ましく、凡そ4.9質量%以下(例えば凡そ0.5質量%〜3質量%)とすることが好ましい。また、フィラー粒子及びバインダ以外の多孔層形成成分(例えば増粘材等)を含有する場合は、それら任意成分の合計含有割合を凡そ3質量%以下とすることが好ましく、凡そ2質量%以下(例えば凡そ0.5質量%〜1質量%)とすることが好ましい。
続いて、上述した多孔層の形成方法について説明する。この多孔層形成方法は、
(A)フィラー粒子としての金属化合物粉末を用意する(市販の金属化合物粉末を購入してもよく、自ら合成してもよい。)こと;
(B)前記用意した金属化合物粉末の円形度分布におけるメジアン値が0.85〜0.97となるように前記金属化合物粉末に対して粉砕処理もしくは球状化処理を行うこと;および、
(C)前記粉砕処理もしくは球状化処理の後、前記金属化合物粉末とバインダとを溶媒中に分散した多孔層形成用塗料を調製し、これを正極シート、負極シート及びセパレータシートのうちの少なくともいずれか一つの表面に塗布し、乾燥することにより多孔層を形成すること;
を包含する。
上記(A)における金属化合物粉末を用意する工程では、多孔層に使用される金属化合物粉末を用意する。この金属化合物粉末は、所定の原料化合物粉末から合成されてなり、例えば、当該金属化合物粉末を構成する金属元素の一部を含む原料化合物(即ち出発原料)の粉末を用意し、該原料化合物を焼成することにより合成され得る。あるいは、当該金属化合物粉末を構成する金属元素の一部を含む原料化合物(即ち出発原料)の粉末を適当な溶媒に溶解または分散して恒温槽内で保持し、得られた反応生成物をろ過、洗浄、乾燥することにより合成され得る。あるいは、市販されている金属化合物粉末(既成品)を購入して使用してもよい。
例えば、アルミナ粉末を合成する場合、当該アルミナ粉末を構成する金属元素(Al)を含む原料化合物(例えば水酸化アルミニウム)の粉末を用意し、この原料化合物粉末を大気中もしくは大気よりも酸素がリッチな酸素ガス雰囲気中にて焼成するとよい。得られた焼成物を適当な大きさ(粒径)となるまで粉砕することにより、所望のアルミナ粉末が得られる。上記焼成処理における焼成温度としては、上記原料化合物がアルミナになる反応が進行する温度域であればよく、通常は1000℃以上(例えば1000〜1200℃、例えば1150℃±50℃)で焼成することが好適である。また、焼成時間は、上記原料化合物がアルミナになる反応が十分に進行するまでの時間とすればよく、通常は90時間以上(例えば90〜120時間、例えば凡そ96時間)とすれば十分である。このような条件で焼成することにより、アルミナ粒子が大きく成長するため、後述する粉砕処理もしくは球状化処理によってアルミナ粉末の円形度分布を調整しやすくなる。
また、ベーマイト粉末は、水熱法により合成することができる。例えば、当該ベーマイト粉末を構成する金属元素(Al)を含む原料化合物(例えばアルミナ三水和物)の粉末を用意し、この原料化合物粉末と水酸化カルシウムと水とを圧力容器に入れ、恒温槽にて保持するとよい。得られた反応生成物をろ過、洗浄、乾燥することにより、所望のベーマイト粉末が得られる。上記恒温槽における保持温度としては、反応生成物が生成する温度域であればよく、通常は180℃以上(例えば180〜220℃、例えば200℃±10℃)で保持することが好適である。また、保持時間は、反応生成物が十分に生成するまでの時間とすればよく、通常は60時間以上(例えば60〜100時間、例えば凡そ72時間)とすれば十分である。水酸化カルシウムの添加によりベーマイト粒子が大きく成長するため、後述する粉砕処理もしくは球状化処理によってベーマイト粉末の円形度分布を調整しやすくなる。
上記(B)における粉砕処理もしくは球状化処理する工程では、上記得られた金属化合物粉末の円形度分布におけるメジアン値が0.85〜0.97となるように金属化合物粉末に対して粉砕処理もしくは球状化処理を行う。
上記得られた金属化合物粉末の円形度分布のメジアン値が0.97よりも大きい場合には、円形度分布のメジアン値が0.85〜0.97となるように金属化合物粉末に対して粉砕処理を行うとよい。
かかる粉砕処理に用いられる粉砕装置としては、円形度分布のメジアン値を0.85〜0.97の範囲に適正に調整できるものであれば特に制限されない。例えば、ジェットミル、ボールミル、振動ボールミル等の粉砕装置を好ましく用いることができる。中でもジェットミルを用いることが円形度分布をより適正に調整できる点で好ましい。
上記ジェットミルを用いて粉砕処理を行う場合、金属化合物粉末の円形度分布は、例えば、風圧(粉砕ガス圧)や粉砕時間などの粉砕条件を変えることによって調整することができる。すなわち、風圧(粉砕ガス圧)や粉砕時間などの粉砕条件を適切に選択することによって、円形度分布のメジアン値が0.85〜0.97を満たす金属化合物粉末を形成することができる。例えば、ジェットミルの風圧(粉砕ガス圧)は概ね0.2〜0.4MPaとすることが好ましい。また円形度分布の度合いは、粉砕処理をした時間にも依存する。粉砕時間は概ね5〜20分とすることが好ましい。このような所定範囲の風圧及び粉砕時間による衝撃力で粉砕することにより、円形度分布のメジアン値が0.85〜0.97を満たす金属化合物粉末を容易に形成することができる。なお、金属化合物粉末の円形度分布を調整するにあたりどの条件を変えるかは、使用する粉砕装置に応じて適宜決定するとよい。
上記得られた金属化合物粉末の円形度分布のメジアン値が0.85よりも小さい場合には、円形度分布のメジアン値が0.85〜0.97となるように金属化合物粉末に対して球状化処理を行うとよい。球状化処理に用いられる処理装置としては、円形度分布のメジアン値を0.85〜0.97の範囲に適正に調整できるものであれば特に制限されない。例えば、クリプトロンオーブ(株式会社アーステクニカ製)、ファカルティ(ホソカワミクロン株式会社製)等の粒子処理装置を好ましく用いることができる。中でもクリプトロンオーブを用いることがフィラー粒子の粒径を変えずに球状化処理できる点で好ましい。
上記クリプトロンオーブを用いて球状化処理を行う場合、金属化合物粉末の円形度分布は、回転数や処理回数などの処理条件を変えることによって調整することができる。すなわち、回転数や処理回数などの処理条件を適切に選択することによって、円形度分布のメジアン値が0.85〜0.97を満たす金属化合物粉末を形成することができる。例えば、クリプトロンオーブの回転数は概ね6000〜10000rpmとすることが好ましい。また円形度分布の度合いは、球状化処理をした処理回数にも依存する。処理回数は概ね2〜5回とすることが好ましい。このような条件で球状化処理することにより、円形度分布のメジアン値が0.85〜0.97を満たす金属化合物粉末を容易に形成することができる。なお、金属化合物粉末の円形度分布を調整するにあたりどの条件を変えるかは、使用する処理装置に応じて適宜決定するとよい。上記球状化処理はジェットミルを用いて行うこともできる。ジェットミルは、風量を制御することにより粒子の角をとり、円形度を上げることもできる。
上記(C)における多孔層を形成する工程では、上記粉砕処理もしくは球状化処理によって金属化合物粉末の円形度分布のメジアン値を0.85〜0.97の範囲に調整した後、該金属化合物粉末とバインダとを溶媒中に分散した多孔層形成用塗料を調製する。そして、該多孔層形成用塗料をセパレータシートの表面に塗布し、乾燥することにより多孔層を形成する。
上記多孔層形成用塗料に用いられる溶媒としては、N‐メチルピロリドン(NMP)、ピロリドン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクサヘキサノン、トルエン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、等の有機系溶媒またはこれらの2種以上の組み合わせが挙げられる。あるいは、水または水を主体とする混合溶媒であってもよい。かかる混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。多孔層形成用塗料における溶媒の含有率は特に限定されないが、塗料全体の30〜60質量%程度が好ましい。
なお、上記多孔層形成用塗料は、金属化合物粉末(フィラー粒子)とバインダのほかに、必要に応じて使用され得る一種または二種以上の材料を含有することができる。そのような材料の例として、多孔層形成用塗料の増粘剤として機能するポリマーが挙げられる。増粘剤として機能するポリマーとしては、例えばカルボキシルメチルセルロース(CMC)が好ましく用いられる。
このような多孔層形成用塗料をセパレータシート表面に塗布する操作は、従来の一般的なリチウム二次電池が備える多孔層を作製する場合と同様にして行うことができる。例えば、適当な塗布装置(グラビアコーター、スリットコーター、ダイコーター、コンマコーター、ディップコート等)を使用して、上記セパレータに所定量の上記多孔層形成用塗料を均一な厚さにコーティングすることにより製造され得る。
その後、適当な乾燥手段で塗布物を乾燥(典型的にはセパレータシートの融点よりも低い温度、例えば110℃以下、例えば30〜80℃で乾燥)することによって、多孔層形成用塗料中の溶媒を除去する。多孔層形成用塗料から溶媒を除去することによって、金属化合物粉末とバインダを含む多孔層が形成され得る。このようにして、セパレータシートの表面に多孔層を形成することができる。
上記得られた多孔層は、円形度分布のメジアン値が0.85〜0.97を満たす金属化合物粉末(フィラー粒子)を用いて形成されている。そのため、多孔層の体積当たりのフィラー量を適切に維持しつつ、高い機械的強度と良好なイオン透過性とを両立させた最適な多孔層が得られる。このような多孔層を用いれば、ハイレートサイクル耐久性が高い、充放電特性が良好である、安全性に優れる、のうちの少なくとも一つ(好ましくは全部)を満たすリチウム二次電池を構築することができる。
なお、ここで開示される多孔層を用いること以外は、従来と同様の材料とプロセスを採用してリチウム二次電池を構築することができる。
例えば、上記のようにしてセパレータシート40の表面に多孔層42を形成したら、図3に示すように、正極シート10と負極シート20とを2枚のセパレータシート40を介して捲回し、捲回電極体80を作製するとよい。そして、図2に示すように、捲回電極体80を容器本体52に収容し、その容器本体52内に適当な非水電解液を配置(注液)するとよい。
容器本体52内に上記捲回電極体80と共に収容される非水電解液としては、従来のリチウムイオン電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)等を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiClO等のリチウム塩を好ましく用いることができる。例えば、ECとEMCとDMCとを3:4:3の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのLiPFを約1mol/リットルの濃度で含有させた非水電解液を好ましく用いることができる。
上記非水電解液を捲回電極体80とともに容器本体52に収容し、容器本体52の開口部を蓋体54で封止することにより、本実施形態に係るリチウムイオン電池100の構築(組み立て)が完成する。なお、容器本体52の封止プロセスや電解液の配置(注液)プロセスは、従来のリチウムイオン電池の製造で行われている手法と同様にして行うことができる。その後、該電池のコンディショニング(初期充放電)を行う。必要に応じてガス抜きや品質検査等の工程を行ってもよい。
以下、本発明に関する試験例を説明するが、本発明を以下の試験例に示すものに限定することを意図したものではない。
<フィラー粒子の作製>
実施例1では、フィラー粒子としてベーマイト粉末を作製した。まず、出発原料であるアルミナ三水和物100gと水150gとを圧力容器に投入し、水酸化カルシウム17mgを添加した後、200℃の恒温槽で72時間保持し、得られた反応生成物をろ過、洗浄、乾燥してベーマイトを合成した。次いで、得られたベーマイト合成物をジェットミル(ホソカワミクロン株式会社製:型式100AFG)に投入し、風圧0.3MPaで15分間、粉砕することによりベーマイト粉末を作製した。得られたベーマイト粉末の円形度分布のメジアン値は0.85であり、ロワー値は0.7であった。なお、円形度分布のメジアン値およびロワー値はフロー式粒子像分析装置(シスメックス株式会社製:型式FPIA−3000:撮像粒子数約2000個とした。)を用いて算出した。
実施例2では、市販のチタニア粉末(関東化学株式会社製)をジェットミルに投入し、表1に示す条件で粉砕することによりチタニア粉末を作製した。得られたチタニア粉末の円形度分布のメジアン値は0.89であり、ロワー値は0.73であった。なお、粉砕前のチタニア粉末の円形度分布のメジアン値は凡そ0.985であった。
実施例3〜6では、フィラー粒子としてアルミナ粉末を作製した。まず、出発原料である水酸化アルミニウムを大気雰囲気中にて1050℃で96時間焼成してαアルミナを合成した。次いで、得られたアルミナ合成物をジェットミルに投入し、表1に示す条件で粉砕することによりアルミナ粉末を作製した。実施例3〜6の順に、得られたアルミナ粉末の円形度分布のメジアン値は0.91、0.93、0.95、0.96であり、ロワー値は0.82、0.85、0.88、0.89であった。
実施例7では、市販の水酸化マグネシウム粉末(関東化学株式会社製)をジェットミルに投入し、表1に示す条件で粉砕することにより水酸化マグネシウム粉末を作製した。得られた水酸化マグネシウム粉末の円形度分布のメジアン値は0.965であり、ロワー値は0.9であった。なお、粉砕前の水酸化マグネシウム粉末の円形度分布のメジアン値は凡そ0.84であった。
実施例8では、市販の炭酸マグネシウム粉末(関東化学株式会社製)をジェットミルに投入し、表1に示す条件で粉砕することにより炭酸マグネシウム粉末を作製した。得られた炭酸マグネシウム粉末の円形度分布のメジアン値は0.97であり、ロワー値は0.9で1あった。なお、粉砕前の炭酸マグネシウム粉末の円形度分布のメジアン値は凡そ0.98であった。
比較例1では、実施例2と同様にして、ただしジェットミルによる粉砕を表1に示す条件に変更してチタニア粉末を作製した。得られたチタニア粉末の円形度分布のメジアン値は0.8であり、ロワー値は0.68であった。
比較例2では、実施例3〜6と同様にして、ただしジェットミルによる粉砕を表1に示す条件に変更してアルミナ粉末を作製した。得られたアルミナ粉末の円形度分布のメジアン値は0.82であり、ロワー値は0.66であった。
比較例3では、市販のチタニア粉末(関東化学株式会社製)をクリプトロンオーブ(株式会社アーステクニカ製:型式CSH0)に投入し、回転数8000rpmで3回処理することによりチタニア粉末を作製した。得られたチタニア粉末の円形度分布のメジアン値は0.98であり、ロワー値は0.92であった。
比較例4では、市販のアルミナ粉末(関東化学株式会社製)をクリプトロンオーブに投入し、表1に示す条件で処理することによりアルミナ粉末を作製した。得られたアルミナ粉末の円形度分布のメジアン値は0.983であり、ロワー値は0.92であった。
Figure 0005574196
<多孔層の形成>
上記得られた各種の金属化合物粉末(フィラー粒子)とアクリル系バインダとを、金属化合物粉末とバインダとの質量比が97.4:2.6となりかつ固形分率が40質量%となるようにNMP中で混合して多孔層形成用塗料を調製し、これを長尺状のセパレータシート40の片面に塗布し、乾燥することにより多孔層42を形成した。多孔層形成用塗料の塗布量は約0.7mg/cm(固形分基準)となるように調節した。乾燥条件としては熱風乾燥炉内の雰囲気温度を80℃とし、風速を16.2m/sとした。なお、本例では、表1に示すように、セパレータシートとして、ポリエチレン(PE)の単層構造と、ポリプロプレンーポリエチレンーポリプロプレン(PP/PE/PE)の3層構造の2種類を使用した。いずれのセパレータシートも厚み20μm、空孔率47%とした。
上記得られた各種の多孔層の空孔率を算出した。多孔層の空孔率(%)は、(1−W/ρV)×100により算出した。ここで、Wは多孔層の質量であり、電子天秤により測定した。Vは多孔層の見掛けの体積であり、SEM観察による多孔層の外寸(厚み×面積)により算出した。ρは多孔層を構成する材料の真密度(理論密度)である。結果を表1に示す。
表1の結果から明らかなように、円形度分布のメジアン値を0.85〜0.97とした実施例1〜8の多孔層は空孔率が51〜70%となり、多孔層として好適であった。特に円形度分布のメジアン値を0.85〜0.91とすることによって60〜70%という電解液透過性及び機械的強度の双方を高度なレベルで実現した多孔層とすることができた。この結果から、多孔層の電解液透過性及び機械的強度向上の観点からは、円形度分布のメジアン値は0.85〜0.91とすることが望ましい。
<膜抵抗の測定>
上記作製した各種の多孔層付きセパレータシートを用いて測定用セルを構築し、その膜抵抗(Rs)を評価した。具体的には、図5に模式的に示すように、多孔層42およびセパレータシート40に非水電解液を含浸させ、これを面積35mm、厚み1mmの2枚の銅板62に挟み込んだ。非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:4:3の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのLiPFを約1mol/リットルの濃度で含有させたものを用いた。このようなセル60を、セパレータシートが1枚、2枚、3枚となるようにそれぞれ作製した。そして、各セルを25℃の恒温槽に入れ、2枚の銅板62の上下から50cN・mのトルク圧を加えつつ、交流インピーダンス法により、セルの抵抗値(Rs)を測定した。交流インピーダンスの測定条件については、交流印加電圧5mV、周波数範囲10000Hz〜1Hzとした。得られた各セルの抵抗値をセパレータの枚数に対してプロットし、直線近似してセパレータ1枚当たりの膜抵抗を求めた。結果を表1に示す。
表1の結果から明らかなように、円形度分布のメジアン値が0.85〜0.97である実施例1〜8のセルは、比較例3、4のセルに比べて膜抵抗が大幅に低下した。特に円形度分布のメジアン値を0.91以下にすることによって、1.5Ω・cm以下という極めて低い膜抵抗を実現できた。また、円形度分布のロワー値を0.7〜0.9とした実施例1〜7のセルは、実施例8のセルに比べて膜抵抗がさらに低減した。
<電池特性評価>
上記得られた各種の多孔層付きセパレータシートを用いてリチウム二次電池を構築し、その電池特性を評価した。リチウム二次電池は、以下のようにして作製した。
<正極シート>
正極活物質としてのLi1.15Ni0.33Mn0.33Co0.33粉末と導電材としてのアセチレンブラック(AB)とバインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、これらの材料の質量比が88:10:2となるようにN−メチルピロリドン(NMP)中で混合して、正極活物質層用ペーストを調製した。この正極活物質層用ペーストを長尺シート状のアルミニウム箔(正極集電体12)の両面に帯状に塗布して乾燥することにより、正極集電体12の両面に正極活物質層14が設けられた正極シート10を作製した。正極活物質層用ペーストの塗布量は、両面合わせて約17.2mg/cm(固形分基準)となるように調節した。
<負極シート>
負極活物質としての黒鉛粉末とバインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と増粘剤としてのカルボキシルメチルセルロース(CMC)とを、これらの材料の質量比が98.6:0.7:0.7となるように水に分散させて負極活物質層用ペーストを調製した。この負極活物質層用ペーストを長尺シート状の銅箔(負極集電体22)の両面に塗布し、負極集電体22の両面に負極活物質層24が設けられた負極シート20を作製した。負極活物質層形成用ペーストの塗布量は、両面合わせて約11.1mg/cm(固形分基準)となるように調節した。
<リチウム二次電池>
正極シート10及び負極シート20を2枚の多孔層付きセパレータシート40を介して捲回することによって捲回電極体80を作製した。その際、セパレータシートがPEのものは多孔層と正極シートとが対向するように配置した。また、セパレータシートがPP/PE/PPのものは多孔層と負極シートとが対向するように配置した。このようにして得られた捲回電極体80を非水電解液とともに電池容器50(18650型円筒型)に収容し、電池容器50の開口部を気密に封口した。非水電解液としてはエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)とを3:4:3の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのLiPFを約1mol/リットルの濃度で含有させた非水電解液を使用した。このようにしてリチウム二次電池100を組み立てた。
<ハイレート耐久性試験>
上記得られたリチウム二次電池のそれぞれに対し、20Cで10秒間のCC放電を繰り返す充放電パターンを付与し、充放電サイクル試験を行った。具体的には、室温(約25℃)環境下において、20Cで10秒間のCC放電を行い、5秒間の休止後、5Cで40秒間のCC充電を行う充放電サイクルを10000回連続して繰り返した。そして、上記充放電サイクル試験前におけるIV抵抗(リチウム二次電池の初期の抵抗)と、充放電サイクル試験後におけるIV抵抗とから抵抗増加率を算出した。ここで、充放電サイクルの前後におけるIV抵抗は、それぞれ、25℃、30Cでパルス放電を行ったときの放電10秒後の電圧降下から算出した。なお、抵抗増加率(%)は、[(充放電サイクル試験後のIV抵抗−充放電サイクル試験前のIV抵抗)/充放電サイクル試験前のIV抵抗]×100により求めた。結果を表1に示す。
<異物内部短絡試験>
また、上記手順と同様の方法でリチウム二次電池を構築し、異物内部短絡試験を実施した。異物内部短絡試験は、高さ0.2mm×幅0.1mmで各辺1mmのL字形のニッケル小片を用いてJISC8714に準じて行い、発煙に至ったNG品の有無を調べた。結果を表1に示す。表1では発煙が認められなかった電池を○、発煙が認められた電池を×で表わしている。
表1に示されるように、円形度分布のメジアン値を0.85未満もしくは0.97を上回る値とした比較例1〜4の電池は、ハイレート充放電サイクル試験後における抵抗増加率が顕著に増加した。また比較例1、2の電池は、異物内部短絡試験において発煙が認められた。これに対し、円形度分布のメジアン値を0.85〜0.97とした実施例1〜8の電池は、サイクル試験後における抵抗増加率が13%以下と良好であった。また、異物内部短絡試験においても発煙が認められず、安全性に優れた電池であることが確認できた。即ち、円形度分布のメジアン値を0.85〜0.97とすることによって、ハイレート充放電サイクル耐久性及び安全性の双方を高度なレベルで満足する電池とすることができた。この結果から、ハイレート充放電サイクル耐久性及び安全性の観点からは、円形度分布のメジアン値は0.85〜0.97にすることが望ましい。また、ここで供試した電池の場合、円形度分布のロワー値を0.7〜0.9とすることによって抵抗増加率が12%以下とさらに改善され(実施例1〜7)、特に円形度分布のメジアン値を0.85〜0.93とすることによって8%以下という極めて低い抵抗増加率を達成できた(実施例1〜4)。
以上の結果から、本試験によると、円形度分布のメジアン値を0.85〜0.97とすることによって、ハイレート充放電サイクル後の抵抗増加率が小さく、かつ安全性に優れたリチウム二次電池を実現することができた。そのため、本構成によると、ハイレート充放電サイクル耐久性及び安全性に優れた高性能なリチウム二次電池を提供することができる。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。
例えば、上述した実施形態および試験例では、多孔層42がセパレータシート40の負極シート20に対向する面に形成されている場合を示したがこれに限定されず、セパレータシートの正極シートに対向する面(あるいはセパレータシートの両面)に形成してもよい。また、セパレータシートの表面に限らず、正極シートもしくは負極シートの表面に形成してもよい。
また、ここで開示される好ましい円形度分布のメジアン値を満たすフィラー粒子を有する多孔層が採用される限りにおいて、構築されるリチウム二次電池の形状(外形やサイズ)には特に制限はない。外装がラミネートフィルム等で構成される薄型シートタイプであってもよく、電池外装ケースが円筒形状や直方体形状の電池でもよく、或いは小型のボタン形状であってもよい。
なお、ここに開示されるいずれかのリチウム二次電池100は、車両に搭載される電池として適した性能(例えば高出力が得られること)を備え、特にハイレート充放電に対する耐久性に優れたものであり得る。したがって本発明によると、図6に示すように、ここに開示されるいずれかのリチウム二次電池100を備えた車両1が提供される。特に、該リチウム二次電池100を動力源(典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の動力源)として備える車両1(例えば自動車)が提供される。
また、ここに開示される技術の好ましい適用対象として、50A以上(例えば50A〜250A)、さらには100A以上(例えば100A〜200A)のハイレート放電を含む充放電サイクルで使用され得ることが想定されるリチウム二次電池;理論容量が1Ah以上(さらには3Ah以上)の大容量タイプであって10C以上(例えば10C〜50C)さらには20C以上(例えば20C〜40C)のハイレート充放電を含む充放電サイクルで使用されることが想定されるリチウム二次電池;等が例示される。
本発明の構成によれば、ハイレート耐久性に優れた高性能な非水電解液二次電池を提供することができる。

Claims (5)

  1. 正極シートと負極シートとがセパレータシートを介して重ね合わされてなる電極体を備えた非水電解液二次電池であって、
    前記正極シート及び前記負極シートの少なくとも一方と前記セパレータシートとの間には、フィラー粒子とバインダとを有する多孔層が形成されており、
    前記多孔層に含有されるフィラー粒子の円形度分布におけるメジアン値が0.85〜0.97であり、
    前記フィラー粒子の円形度分布において、円形度が小さい側からの累積10%に相当する円形度の値が0.7〜0.9である、非水電解液二次電池。
  2. 前記フィラー粒子は、アルミナまたはアルミナ水和物である、請求項1に記載の非水電解液二次電池。
  3. 前記多孔層は、少なくとも前記セパレータシートの表面に形成されている、請求項1または2に記載の非水電解液二次電池。
  4. 前記多孔層は、前記セパレータシートの負極シートに対向する面に形成されている、請求項に記載の非水電解液二次電池。
  5. 前記電極体は、前記正極シートと前記負極シートとが前記セパレータシートを介して捲回されてなる捲回電極体である、請求項1からの何れか一つに記載の非水電解液二次電池。
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