JP5741936B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明はリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充電可能な蓄電デバイス一般をいう。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」は、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電子の移動により充放電が実現される二次電池をいう。 In this specification, “secondary battery” refers to a general power storage device that can be repeatedly charged. In the present specification, the “lithium ion secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by the movement of electrons accompanying the lithium ions between the positive and negative electrodes.
かかるリチウムイオン二次電池について、例えば、特開2009−32677号公報(特許文献1)には、ベーマイトをセパレータに用いることが開示されている。同公報では、ベーマイトをセパレータに用いる際に、ベーマイトをバインダで結着させた多孔質膜(耐熱層)に含まれるNaの量を1000ppm以下にすることが開示されている。ベーマイトをバインダで結着させた多孔質膜に含まれるNaの量を1000ppm以下にすることによって、電池の容量低下を抑制できる点が開示されている。 Regarding such a lithium ion secondary battery, for example, JP 2009-32677 A (Patent Document 1) discloses that boehmite is used as a separator. This publication discloses that when boehmite is used for a separator, the amount of Na contained in a porous film (heat-resistant layer) in which boehmite is bound with a binder is set to 1000 ppm or less. The point that the capacity | capacitance fall of a battery can be suppressed by making the quantity of Na contained in the porous film which bound boehmite with the binder into 1000 ppm or less is indicated.
ところで、多孔質膜(耐熱層)に含まれるNaは、電解液中の水分(H2O)を取り込む。H2Oは、電解液(LiPF6)と反応してHF(フッ酸)を生じさせる。このような副反応が生じると、電池容量が低下したり、電池抵抗が上昇したりする要因になる。高性能のリチウムイオン二次電池を得るためには、このような電解液の副反応を抑えたい。 By the way, Na contained in the porous film (heat-resistant layer) takes in moisture (H 2 O) in the electrolytic solution. H 2 O reacts with the electrolytic solution (LiPF 6 ) to generate HF (hydrofluoric acid). When such a side reaction occurs, the battery capacity decreases and the battery resistance increases. In order to obtain a high-performance lithium ion secondary battery, we want to suppress such side reactions of the electrolyte.
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、正極集電体と、正極集電体に保持された、正極活物質を含む正極活物質層と、負極集電体と、負極集電体に保持された、負極活物質を含む負極活物質層と、正極活物質層と負極活物質層との間に介在したセパレータとを備えている。セパレータは、樹脂製の基材と、基材に保持された、フィラーと結着剤を含む耐熱層とを備えている。耐熱層には、Na,S,CaおよびSiの4元素が各1000ppm以下の割合で含まれている。 A lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode current collector, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, held by the positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and a negative electrode current collector A negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a separator interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The separator includes a resin-made base material and a heat-resistant layer that is held on the base material and includes a filler and a binder. The heat-resistant layer contains four elements of Na, S, Ca and Si at a ratio of 1000 ppm or less.
かかるリチウムイオン二次電池によれば、耐熱層には、Na,S,CaおよびSiの4元素が各1000ppm以下の割合で含まれているので、フィラーと結着剤を含む耐熱層を備えたセパレータが用いられている場合において、リチウムイオン二次電池の出力特性を向上させるのに寄与する。 According to such a lithium ion secondary battery, since the four elements Na, S, Ca, and Si are included in the heat-resistant layer at a ratio of 1000 ppm or less, the heat-resistant layer includes the heat-resistant layer including the filler and the binder. When the separator is used, it contributes to improving the output characteristics of the lithium ion secondary battery.
この場合、耐熱層には、Na,S,CaおよびSiの4元素が各5ppm以上の割合で含まれているとよい。また、耐熱層には、Na,SおよびSiの3元素が各200ppm以上800ppm以下の割合で含まれており、かつ、Caが100ppm以上350ppm以下の割合で含まれていてもよい。 In this case, the heat-resistant layer may contain four elements of Na, S, Ca, and Si at a ratio of 5 ppm or more. The heat-resistant layer may contain three elements of Na, S, and Si at a ratio of 200 ppm to 800 ppm, respectively, and Ca may be included at a ratio of 100 ppm to 350 ppm.
また、耐熱層中のNaのモル数(Mna)と、Sのモル数(Ms)と,Caのモル数(Mca)との関係は、Mna<(Ms+Mca)/2であってもよい。ここで、フィラーは、例えば、アルミナであるとよい。この場合、アルミナは、例えば、ベーマイトであるとよい。 Further, the relationship between the number of moles of Na (Mna) in the heat-resistant layer, the number of moles of S (Ms), and the number of moles of Ca (Mca) may be Mna <(Ms + Mca) / 2. Here, the filler may be, for example, alumina. In this case, the alumina is preferably boehmite, for example.
また、本発明の一実施形態に係るセパレータは、樹脂製の基材と、基材に保持された、フィラーと結着剤を含む耐熱層とを備え、耐熱層には、Na,S,CaおよびSiの4元素が各1000ppm以下の割合で含まれているとよい。 A separator according to an embodiment of the present invention includes a resin base material and a heat resistant layer that is held on the base material and includes a filler and a binder. The heat resistant layer includes Na, S, and Ca. And 4 elements of Si are preferably contained at a ratio of 1000 ppm or less.
ここではまず、リチウムイオン二次電池の一構造例を説明する。その後、かかる構造例を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を説明する。なお、同じ作用を奏する部材、部位には適宜に同じ符号を付している。また、各図面は模式的に描かれており、必ずしも実物を反映していない。各図面は、一例を示すのみであり、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。 Here, a structural example of a lithium ion secondary battery will be described first. Thereafter, a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to such structural examples as appropriate. In addition, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the member and site | part which show | play the same effect | action. Each drawing is schematically drawn and does not necessarily reflect the real thing. Each drawing shows an example only and does not limit the present invention unless otherwise specified.
図1は、リチウムイオン二次電池100を示している。このリチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、捲回電極体200と電池ケース300とを備えている。図2は、捲回電極体200を示す図である。図3は、図2中のIII−III断面を示している。
FIG. 1 shows a lithium ion
捲回電極体200は、図2に示すように、正極シート220、負極シート240およびセパレータ262、264を有している。正極シート220、負極シート240およびセパレータ262、264は、それぞれ帯状のシート材である。
As shown in FIG. 2, the
≪正極シート220≫
正極シート220は、帯状の正極集電体221と正極活物質層223とを備えている。正極集電体221には、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。正極集電体221としては、例えば、所定の幅を有し、厚さが凡そ15μmの帯状のアルミニウム箔を用いることができる。正極集電体221の幅方向片側の縁部に沿って未塗工部222が設定されている。図示例では、正極活物質層223は、図3に示すように、正極集電体221に設定された未塗工部222を除いて、正極集電体221の両面に保持されている。正極活物質層223には、正極活物質が含まれている。正極活物質層223は、正極活物質を含む正極合剤を正極集電体221に塗工することによって形成されている。
≪
The
≪正極活物質層223および正極活物質粒子610≫
ここで、図4は、正極シート220の断面図である。なお、図4において、正極活物質層223の構造が明確になるように、正極活物質層223中の正極活物質粒子610と導電材620とバインダ630とを大きく模式的に表している。正極活物質層223には、図4に示すように、正極活物質粒子610と導電材620とバインダ630が含まれている。
<< Positive Electrode
Here, FIG. 4 is a cross-sectional view of the
正極活物質粒子610には、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いることができる物質を使用することができる。正極活物質の例を挙げると、LiNiCoMnO2(リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物)、LiNiO2(ニッケル酸リチウム)、LiCoO2(コバルト酸リチウム)、LiMn2O4(マンガン酸リチウム)、LiFePO4(リン酸鉄リチウム)などのリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。ここで、LiMn2O4は、例えば、スピネル構造を有している。また、LiNiO2或いはLiCoO2は層状の岩塩構造を有している。また、LiFePO4は、例えば、オリビン構造を有している。オリビン構造のLiFePO4には、例えば、ナノメートルオーダーの粒子がある。また、オリビン構造のLiFePO4は、さらにカーボン膜で被覆することができる。
As the positive electrode
≪導電材620≫
導電材620としては、例えば、カーボン粉末、カーボンファイバーなどのカーボン材料が例示される。このような導電材から選択される一種を単独で用いてもよく二種以上を併用してもよい。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、黒鉛化カーボンブラック、カーボンブラック、黒鉛、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末などのカーボン粉末を用いることができる。
Examples of the
≪バインダ630≫
また、バインダ630は、正極活物質層223に含まれる正極活物質粒子610と導電材620の各粒子を結着させたり、これらの粒子と正極集電体221とを結着させたりする。かかるバインダ630としては、使用する溶媒に溶解または分散可能なポリマーを用いることができる。例えば、水性溶媒を用いた正極合剤組成物においては、セルロース系ポリマー(カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)など)、フッ素系樹脂(例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)など)、ゴム類(酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエン共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)など)などの水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。また、非水溶媒を用いた正極合剤組成物においては、ポリマー(ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリアクリルニトリル(PAN)など)を好ましく採用することができる。
Further, the
≪増粘剤、溶媒≫
正極活物質層223は、例えば、上述した正極活物質粒子610と導電材620を溶媒にペースト状(スラリ状)に混ぜ合わせた正極合剤を作製し、正極集電体221に塗布し、乾燥させ、圧延することによって形成されている。この際、正極合剤の溶媒としては、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。上記バインダ630として例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、正極合剤の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。
≪Thickener, solvent≫
The positive electrode
正極合剤全体に占める正極活物質の質量割合は、凡そ50wt%以上(典型的には50〜95wt%)であることが好ましく、通常は凡そ70〜95wt%(例えば75〜90wt%)であることがより好ましい。また、正極合剤全体に占める導電材の割合は、例えば凡そ2〜20wt%とすることができ、通常は凡そ2〜15wt%とすることが好ましい。正極合剤全体に占めるバインダの割合は、例えば、凡そ1〜10wt%とすることができ、通常は凡そ2〜5wt%とすることが好ましい。 The mass ratio of the positive electrode active material in the total positive electrode mixture is preferably about 50 wt% or more (typically 50 to 95 wt%), and usually about 70 to 95 wt% (for example, 75 to 90 wt%). It is more preferable. Moreover, the ratio of the electrically conductive material to the whole positive electrode mixture can be, for example, about 2 to 20 wt%, and is usually preferably about 2 to 15 wt%. The ratio of the binder to the whole positive electrode mixture can be, for example, about 1 to 10 wt%, and is usually preferably about 2 to 5 wt%.
≪負極シート240≫
負極シート240は、図2に示すように、帯状の負極集電体241と、負極活物質層243とを備えている。負極集電体241には、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この負極集電体241には、所定の幅を有し、厚さが凡そ10μmの帯状の銅箔が用いられている。負極集電体241の幅方向片側には、縁部に沿って未塗工部242が設定されている。負極活物質層243は、負極集電体241に設定された未塗工部242を除いて、負極集電体241の両面に形成されている。負極活物質層243は、負極集電体241に保持され、少なくとも負極活物質が含まれている。負極活物質層243は、負極活物質を含む負極合剤が負極集電体241に塗工されている。
<<
As illustrated in FIG. 2, the
≪負極活物質層243≫
図5は、リチウムイオン二次電池100の負極シート240の断面図である。負極活物質層243には、図5に示すように、負極活物質710、増粘剤(図示省略)、バインダ730などが含まれている。図5では、負極活物質層243の構造が明確になるように、負極活物質層243中の負極活物質710とバインダ730とを大きく模式的に表している。
<< Negative Electrode
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
≪負極活物質≫
負極活物質710としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる材料の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が挙げられる。より具体的には、負極活物質は、例えば、天然黒鉛、非晶質の炭素材料でコートした天然黒鉛、黒鉛質(グラファイト)、難黒鉛化炭素質(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質(ソフトカーボン)、または、これらを組み合わせた炭素材料でもよい。なお、ここでは、負極活物質710は、いわゆる鱗片状黒鉛が用いられた場合を図示しているが、負極活物質710は、図示例に限定されない。
≪Negative electrode active material≫
As the negative electrode
≪増粘剤、溶媒≫
負極活物質層243は、例えば、上述した負極活物質710とバインダ730を溶媒にペースト状(スラリ状)に混ぜ合わせた負極合剤を作製し、負極集電体241に塗布し、乾燥させ、圧延することによって形成されている。この際、負極合剤の溶媒としては、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。バインダ730には、上記正極活物質層223(図4参照)のバインダ630として例示したポリマー材料を用いることができる。また、上記正極活物質層223のバインダ630として例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、正極合剤の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。
≪Thickener, solvent≫
The negative electrode
≪セパレータ262、264≫
セパレータ262、264は、図1または図2に示すように、正極シート220と負極シート240とを隔てる部材である。この例では、セパレータ262、264は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ262、264には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。この例では、図2および図3に示すように、負極活物質層243の幅b1は、正極活物質層223の幅a1よりも少し広い。さらにセパレータ262、264の幅c1、c2は、負極活物質層243の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。
<<
The
なお、図1および図2に示す例では、セパレータ262、264は、シート状の部材で構成されている。セパレータ262、264は、正極活物質層223と負極活物質層243とを絶縁するとともに、電解質の移動を許容する部材であればよい。従って、シート状の部材に限定されない。セパレータ262、264は、シート状の部材に代えて、例えば、正極活物質層223または負極活物質層243の表面に形成された絶縁性を有する粒子の層で構成してもよい。ここで、絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー(例えば、金属酸化物、金属水酸化物などのフィラー)、或いは、絶縁性を有する樹脂粒子(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの粒子)で構成してもよい。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the
≪電池ケース300≫
また、この例では、電池ケース300は、図1に示すように、いわゆる角型の電池ケースであり、容器本体320と、蓋体340とを備えている。容器本体320は、有底四角筒状を有しており、一側面(上面)が開口した扁平な箱型の容器である。蓋体340は、当該容器本体320の開口(上面の開口)に取り付けられて当該開口を塞ぐ部材である。
In this example, as shown in FIG. 1, the
車載用の二次電池では、車両の燃費を向上させるため、重量エネルギー効率(単位重量当りの電池の容量)を向上させることが望まれる。このため、この実施形態では、電池ケース300を構成する容器本体320と蓋体340は、アルミニウム、アルミニウム合金などの軽量金属が採用されている。これにより重量エネルギー効率を向上させることができる。
In an in-vehicle secondary battery, it is desired to improve the weight energy efficiency (battery capacity per unit weight) in order to improve the fuel efficiency of the vehicle. For this reason, in this embodiment, lightweight metals, such as aluminum and an aluminum alloy, are employ | adopted for the container
電池ケース300は、捲回電極体200を収容する空間として、扁平な矩形の内部空間を有している。また、図1に示すように、電池ケース300の扁平な内部空間は、捲回電極体200よりも横幅が少し広い。この実施形態では、電池ケース300は、有底四角筒状の容器本体320と、容器本体320の開口を塞ぐ蓋体340とを備えている。また、電池ケース300の蓋体340には、電極端子420、440が取り付けられている。電極端子420、440は、電池ケース300(蓋体340)を貫通して電池ケース300の外部に出ている。また、蓋体340には注液孔350と安全弁360とが設けられている。
The
捲回電極体200は、図2に示すように、捲回軸WLに直交する一の方向において扁平に押し曲げられている。図2に示す例では、正極集電体221の未塗工部222と負極集電体241の未塗工部242は、それぞれセパレータ262、264の両側において、らせん状に露出している。図6に示すように、この実施形態では、未塗工部222、242の中間部分224、244を寄せ集め、電極端子420、440の先端部420a、440aに溶接している。この際、それぞれの材質の違いから、電極端子420と正極集電体221の溶接には、例えば、超音波溶接が用いられる。また、電極端子440と負極集電体241の溶接には、例えば、抵抗溶接が用いられる。ここで、図6は、捲回電極体200の未塗工部222(242)の中間部分224(244)と電極端子420(440)との溶接箇所を示す側面図であり、図1のVI−VI断面図である。
As shown in FIG. 2, the
捲回電極体200は、扁平に押し曲げられた状態で、蓋体340に固定された電極端子420、440に取り付けられる。かかる捲回電極体200は、図1に示すように、容器本体320の扁平な内部空間に収容される。容器本体320は、捲回電極体200が収容された後、蓋体340によって塞がれる。蓋体340と容器本体320の合わせ目322(図1参照)は、例えば、レーザ溶接によって溶接されて封止されている。このように、この例では、捲回電極体200は、蓋体340(電池ケース300)に固定された電極端子420、440によって、電池ケース300内に位置決めされている。
The
≪電解液≫
その後、蓋体340に設けられた注液孔350から電池ケース300内に電解液が注入される。電解液は、水を溶媒としていない、いわゆる非水電解液が用いられている。この例では、電解液は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば、体積比1:1程度の混合溶媒)にLiPF6を約1mol/リットルの濃度で含有させた電解液が用いられている。その後、注液孔350に金属製の封止キャップ352を取り付けて(例えば溶接して)電池ケース300を封止する。なお、電解液は、ここで例示された電解液に限定されない。例えば、従来からリチウムイオン二次電池に用いられている非水電解液は適宜に使用することができる。
≪Electrolytic solution≫
Thereafter, an electrolytic solution is injected into the
≪空孔≫
ここで、正極活物質層223は、例えば、正極活物質粒子610と導電材620の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間225を有している(図4参照)。かかる正極活物質層223の微小な隙間には電解液(図示省略)が浸み込み得る。また、負極活物質層243は、例えば、負極活物質710の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間245を有している(図5参照)。ここでは、かかる隙間225、245(空洞)を適宜に「空孔」と称する。また、捲回電極体200は、図2に示すように、捲回軸WLに沿った両側において、未塗工部222、242が螺旋状に巻かれている。かかる捲回軸WLに沿った両側252、254において、未塗工部222、242の隙間から、電解液が浸み込みうる。このため、リチウムイオン二次電池100の内部では、正極活物質層223と負極活物質層243に電解液が浸み渡っている。
≪Hole≫
Here, the positive electrode
≪ガス抜け経路≫
また、この例では、当該電池ケース300の扁平な内部空間は、扁平に変形した捲回電極体200よりも少し広い。捲回電極体200の両側には、捲回電極体200と電池ケース300との間に隙間310、312が設けられている。当該隙間310、312は、ガス抜け経路になる。例えば、過充電が生じた場合などにおいて、リチウムイオン二次電池100の温度が異常に高くなると、電解液が分解されてガスが異常に発生する場合がある。この実施形態では、異常に発生したガスは、捲回電極体200の両側における捲回電極体200と電池ケース300との隙間310、312を通して安全弁360の方へ移動し、安全弁360から電池ケース300の外に排気される。
≪Gas escape route≫
In this example, the flat internal space of the
かかるリチウムイオン二次電池100では、正極集電体221と負極集電体241は、電池ケース300を貫通した電極端子420、440を通じて外部の装置に電気的に接続されている。以下、充電時と放電時のリチウムイオン二次電池100の動作を説明する。
In the lithium ion
≪充電時の動作≫
図7は、かかるリチウムイオン二次電池100の充電時の状態を模式的に示している。充電時においては、図7に示すように、リチウムイオン二次電池100の電極端子420、440(図1参照)は、充電器290に接続される。充電器290の作用によって、充電時には、正極活物質層223中の正極活物質からリチウムイオン(Li)が電解液280に放出される。また、正極活物質層223からは電荷が放出される。放出された電荷は、導電材(図示省略)を通じて正極集電体221に送られ、さらに、充電器290を通じて負極シート240へ送られる。また、負極シート240では電荷が蓄えられるとともに、電解液280中のリチウムイオン(Li)が、負極活物質層243中の負極活物質に吸収され、かつ、貯蔵される。
≪Operation when charging≫
FIG. 7 schematically shows the state of the lithium ion
≪放電時の動作≫
図8は、かかるリチウムイオン二次電池100の放電時の状態を模式的に示している。放電時には、図8に示すように、負極シート240から正極シート220に電荷が送られるとともに、負極活物質層243に貯蔵されたリチウムイオンが、電解液280に放出される。また、正極では、正極活物質層223中の正極活物質に電解液280中のリチウムイオンが取り込まれる。
<< Operation during discharge >>
FIG. 8 schematically shows a state of the lithium ion
このようにリチウムイオン二次電池100の充放電において、電解液280を介して、正極活物質層223と負極活物質層243との間でリチウムイオンが行き来する。また、充電時においては、正極活物質から導電材を通じて正極集電体221に電荷が送られる。これに対して、放電時においては、正極集電体221から導電材を通じて正極活物質に電荷が戻される。
Thus, in charging / discharging of the lithium ion
充電時においては、リチウムイオンの移動および電子の移動がスムーズなほど、効率的で急速な充電が可能になると考えられる。放電時においては、リチウムイオンの移動および電子の移動がスムーズなほど、電池の抵抗が低下し、放電量が増加し、電池の出力が向上すると考えられる。 During charging, the smoother the movement of lithium ions and the movement of electrons, the more efficient and rapid charging is considered possible. At the time of discharging, it is considered that the smoother the movement of lithium ions and the movement of electrons, the lower the resistance of the battery, the amount of discharge, and the output of the battery.
≪他の電池形態≫
なお、上記はリチウムイオン二次電池の一例を示すものである。リチウムイオン二次電池は上記形態に限定されない。また、同様に金属箔に電極合剤が塗工された電極シートは、他にも種々の電池形態に用いられる。例えば、他の電池形態として、円筒型電池或いはラミネート型電池などが知られている。円筒型電池は、円筒型の電池ケースに捲回電極体を収容した電池である。また、ラミネート型電池は、正極シートと負極シートとをセパレータを介在させて積層した電池である。
≪Other battery types≫
The above shows an example of a lithium ion secondary battery. The lithium ion secondary battery is not limited to the above form. Similarly, an electrode sheet in which an electrode mixture is applied to a metal foil is used in various other battery forms. For example, as another battery type, a cylindrical battery or a laminate battery is known. A cylindrical battery is a battery in which a wound electrode body is accommodated in a cylindrical battery case. A laminate type battery is a battery in which a positive electrode sheet and a negative electrode sheet are stacked with a separator interposed therebetween.
以下、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を説明する。 Hereinafter, a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described.
≪リチウムイオン二次電池100A≫
図9は本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100Aを示しており、図10は、そのセパレータ262A、264Aの断面を示している。
≪Lithium ion
FIG. 9 shows a lithium ion
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池のセパレータ262A、264Aは、図9に示すように、基材22に、耐熱層24(HRL:Heat Resistance Layer)が保持されている。
As shown in FIG. 9, in the
ここで、樹脂製の基材22としては、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造或いは積層構造の多孔質のシート状の基材を用いることができる。
Here, as the
≪耐熱層24の作製≫
耐熱層24は、フィラーと結着剤とが含まれている。ここでは、フィラーとしてアルミナが用いられている。耐熱層24は、アルミナのフィラーと、結着剤とを溶媒に混ぜた、ペースト状の合剤を作製し、かかるペースト状の合剤を、樹脂製の基材22に塗布、乾燥、圧延する。これによって、アルミナのフィラーが結着剤によって結合した多孔質の耐熱層24が、基材22に保持されたセパレータ262A、264Aを作製することができる。
<< Production of heat-
The heat-
≪アルミナ≫
ここで、アルミナには、ベーマイトやα−アルミナが含まれる。アルミナは、アルミニウムを含む鉱石であるボーキサイトから精製される。ボーキサイトは、40%〜60%程度しか、アルミナを含んでおらず、シリカ(二酸化ケイ素)、種々の酸化鉄、或いは、二酸化チタンなどを含んでいる。かかるボーキサイトからアルミナを精製する工程には、例えば、ボーキサイトを水酸化ナトリウムの溶液中で加熱する工程がある。かかる工程で、アルミナは、例えば、以下の化学式に示す反応によって溶解する。
Al2O3+2OH−+3H2O→2[Al(OH)4]−
≪Alumina≫
Here, the alumina includes boehmite and α-alumina. Alumina is refined from bauxite, an ore containing aluminum. Bauxite contains only about 40% to 60% alumina, and includes silica (silicon dioxide), various iron oxides, titanium dioxide, and the like. The step of purifying alumina from such bauxite includes, for example, a step of heating bauxite in a sodium hydroxide solution. In this step, alumina is dissolved by, for example, a reaction represented by the following chemical formula.
Al 2 O 3 + 2OH − + 3H 2 O → 2 [Al (OH) 4 ] −
このとき、ボーキサイト中のアルミナ分がアルミン酸ナトリウム溶液として、アルカリ溶液中に溶け出す。ボーキサイト中の溶解しない他の成分は、濾過により、分離される。ボーキサイト中のアルミナ分を抽出したアルミン酸ナトリウム溶液に種子を添加して水酸化アルミニウムを晶析させることによって水酸化アルミニウムが得られる。得られた水酸化アルミニウムを粉砕することによって、微粒水酸化アルミニウムが得られる。 At this time, the alumina content in the bauxite dissolves into the alkaline solution as a sodium aluminate solution. Other undissolved components in the bauxite are separated by filtration. Aluminum hydroxide is obtained by adding seeds to a sodium aluminate solution from which the alumina content in bauxite is extracted to crystallize aluminum hydroxide. By pulverizing the obtained aluminum hydroxide, fine aluminum hydroxide is obtained.
このようにして得られる水酸化アルミニウムを、熱水溶液中(凡そ200℃の水を用いた熱処理)で一分子脱水処理を施すことによって、ベーマイト(AlO(OH)若しくはAl2O3・H2O)が得られる。また、水酸化アルミニウムを凡そ1050℃で加熱することによってα−アルミナが得られる。なお、水酸化アルミニウムの晶析時に添加する種子として、アルミン酸ナトリウム溶液に中和当量の硫酸アルミニウム溶液を加える方法で調製したものが知られている(例えば、特開平1−19244号公報)。 The aluminum hydroxide thus obtained, by subjecting one molecule dehydrated in hot aqueous solution (heat treatment using an approximately 200 ° C. water) boehmite (AlO (OH) or Al 2 O 3 · H 2 O ) Is obtained. Also, α-alumina is obtained by heating aluminum hydroxide at about 1050 ° C. In addition, what was prepared by the method of adding the neutralization equivalent aluminum sulfate solution to the sodium aluminate solution as a seed added at the time of crystallization of aluminum hydroxide is known (for example, Unexamined-Japanese-Patent No. 1-19244).
このように、耐熱層24のフィラーとして用いられるアルミナには、アルミン酸ナトリウム溶液に由来するNaや硫酸アルミニウム溶液に由来するSが含まれ得る。
Thus, the alumina used as the filler of the heat-
このうち、Naは、例えば、以下の反応式で示すように、1molのNaに対して、1molのH2Oが保持され得る。
Na2O+H2O→2NaOH
2NaOH+2H2O→2NaOH・H2O
Among these, as shown in the following reaction formula, for example, Na can hold 1 mol of H 2 O with respect to 1 mol of Na.
Na 2 O + H 2 O → 2NaOH
2NaOH + 2H 2 O → 2NaOH · H 2 O
また、Sは、例えば、以下の反応式で示すように、1molのSに対して、0.5molのH2Oが除去され得る。また、1molのSに対して、2molのNaと反応し得る。
SO2+H2O→H++HSO3 −
2HSO3 −→O2S・SO3 2−+H2O
SO3 2−+2NaOH→Na2SO4+H2O
In addition, as shown in the following reaction formula, for example, 0.5 mol of H 2 O can be removed with respect to 1 mol of S. Moreover, it can react with 2 mol of Na with respect to 1 mol of S.
SO 2 + H 2 O → H + + HSO 3 −
2HSO 3 − → O 2 S · SO 3 2− + H 2 O
SO 3 2− + 2NaOH → Na 2 SO 4 + H 2 O
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100Aでは、かかるセパレータ262A、264Aの耐熱層24には、Na,S,CaおよびSiの4元素が各1000ppm以下の割合で含まれている。
In the lithium ion
この場合、耐熱層24中のCaは、例えば、以下の反応式で示すように、1molのCaに対して、1molのH2Oを除去することができる。
CaO+H2O→Ca(OH)2
In this case, Ca in the heat-
CaO + H 2 O → Ca (OH) 2
また、さらに耐熱層24中にH2Oが残留する場合がある。この場合、耐熱層24中のH2Oと電解液中のLiPF6とが反応して、HFが生じ得る。これに対して、この実施形態では、耐熱層24にSiが添加されている。耐熱層24中のSiは、例えば、SiO2として存在している。耐熱層24中のH2Oと電解液中のLiPF6とが反応して生じたHFは、例えば、以下のような反応式によってSiO2と反応して除去される。
SiO2+4HF→SiF4+2H2O
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O
Further, H 2 O may remain in the heat
SiO 2 + 4HF → SiF 4 + 2H 2 O
SiO 2 + 6HF → H 2 SiF 6 + 2H 2 O
この実施形態では、耐熱層24には、フィラーとして用いられるアルミナには、アルミン酸ナトリウム溶液に由来するNaや硫酸アルミニウム溶液に由来するSが含まれ得る。ここでは、耐熱層24に含まれるNaとSが各1000ppm以下になるように、耐熱層24に含まれるNaとSを減らしている。また、耐熱層24に含まれるCaとSiの2元素は、各1000ppm以下の範囲になるように適量が加えられている。
In this embodiment, the heat-
≪NaとSの調整≫
耐熱層24に含まれるNaとSを減らすには、耐熱層24に用いられるアルミナのフィラーに残留するNaとSを減らすとよい。アルミナのフィラーに残留するNaとSを減らすには、例えば、精製されたアルミナ(アルミナのフィラー)を水洗するとよい。なお、アルミナのフィラーにNaとSが不足する場合には、直接アルカリ処理や酸処理によって不足分を添加してもよいし、酸化物として不足分を添加してもよい。例えば、高純度のアルミナを用意して、高純度のアルミナにNaの酸化物とSの酸化物を適当な量添加してもよい。
≪Adjustment of Na and S≫
In order to reduce Na and S contained in the heat-
≪CaとSiの調整≫
CaとSiは単体或いは酸化物として、例えば、耐熱層24の作製する際に、アルミナのフィラーに混入するとよい。
≪Ca and Si adjustment≫
Ca and Si may be mixed as simple substances or oxides, for example, in an alumina filler when the heat-
表1は、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素を、それぞれ所定の量に調整したセパレータを用いてリチウムイオン二次電池を作製し、IV抵抗を測定した。
In Table 1, lithium ion secondary batteries were manufactured using separators in which four elements of Na, S, Ca and Si contained in the heat-
≪各サンプルの耐熱層24≫
耐熱層24を作製する際に作製されるペースト状の合剤では、結着剤として、例えば、アクリル系のバインダ(例えば、ゼオン株式会社製のBM810B)が用いられる。また、溶媒としてはNMP(N−メチル−2−ピロリドン、例えば、関東化学株式会社製)が用いられる。ペースト状合剤の混練は、混練機(例えば、エム・テクニック株式会社製の超音波分散機クレアミックス)を用いるとよい。かかるペースト状の合剤は、例えば、固形分率(NV)が所定量(40%)になるように、フィラー、バインダ、NMPを混練機で混合する。この際、固形分中のフィラー量とバインダ量を96:4(重量比)とし、混合総量が1kgになるように調整するとよい。
≪Heat
In the paste-like mixture produced when the heat-
ここでは、フィラーとして高純度のα−アルミナの粉末を用意し、Na,S,CaおよびSiの4元素をそれぞれ所定の量に調整した。ここで、α−アルミナの粉末は、各サンプルともに同じ粉末を用いた。α−アルミナの粉末は、平均粒径(D50)が0.2〜1.2μmとし、BET比表面積は1.3〜18m2/gとした。 Here, high-purity α-alumina powder was prepared as a filler, and the four elements Na, S, Ca, and Si were adjusted to predetermined amounts. Here, the α-alumina powder was the same for each sample. The α-alumina powder had an average particle size (D50) of 0.2 to 1.2 μm and a BET specific surface area of 1.3 to 18 m 2 / g.
耐熱層24を作製する際の上記ペースト状の合剤の塗工条件は、グラビア塗工機にて、塗工する。ここで、グラビア塗工機のグラビアロールは、例えば、アート(線数♯100本/inch,セル容積19.5cc/m2)を使用する。ここで、塗工速度(ライン速度)は、例えば、3m/minにし、グラビアロール速度は3.8m/minにし、グラビア速度とライン速度の速度比(グラビア速度/ライン速度)を1.27にした。
Application conditions of the paste-like mixture for producing the heat-
また、セパレータの基材となる基材22には、PP/PE/PPの3層構造の多孔膜と、PEの単層構造の多孔膜を用意した。ここで、「PP」はポリプロピレンを意味し、「PE」はポリエチレンを意味している。表1中、「セパレータの種類」の項目で、「3層」とあるのは、セパレータの基材となる基材22に、PP/PE/PPの3層構造の多孔膜を用いたサンプルを示している。表1中、「セパレータの種類」の項目で、「単層」とあるのは、セパレータの基材となる基材22に、PEの単層構造の多孔膜を用いたサンプルを示している。なお、セパレータの基材となる基材22に、PP/PE/PPの3層構造の多孔膜を用いたサンプルでは、耐熱層24を作製する際の合剤塗布後の乾燥温度を80℃にした。セパレータの基材となる基材22に、PEの単層構造の多孔膜を用いたサンプルでは、耐熱層24を作製する際の合剤塗布後の乾燥温度を70℃にした。表1では、サンプル2、3、6、7で、基材22にPEの単層構造の多孔膜を用いた。
In addition, a porous film having a three-layer structure of PP / PE / PP and a porous film having a single-layer structure of PE were prepared as the
≪各サンプルの正極シート≫
ここで、各サンプルのリチウムイオン二次電池について、正極シート220(図9参照)は、同じ方法で作製している。ここでは、正極活物質には、それぞれ同じ活物質(ここでは、LiNiCoMnO2(リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物))を用いた。正極の導電材には、アセチレンブラック、バインダには、PVDFを用いた。また、正極集電体221(図9参照)には、長さ3000mm、幅115mm、厚さ15μmのアルミニウム箔を用いた。正極活物質層223を、正極集電体221の両面にそれぞれ長さ3000mm、幅100mm、厚さ26μmで作製した。ここで、正極活物質層223の寸法は、圧延後の寸法である。また、正極活物質層223の乾燥後の目付量は9.8〜15.2mg/cm2にした。ここで、目付量は、正極集電体221の両面に作製された正極活物質層223について、両面を合わせた目付量である。正極活物質層223の理論上の密度は0.8〜2.4g/cm3にした。
≪Positive electrode sheet for each sample≫
Here, the positive electrode sheet 220 (refer FIG. 9) is produced by the same method about the lithium ion secondary battery of each sample. Here, the same active material (here, LiNiCoMnO 2 (lithium nickel cobalt manganese composite oxide)) was used as the positive electrode active material. Acetylene black was used for the conductive material of the positive electrode, and PVDF was used for the binder. For the positive electrode current collector 221 (see FIG. 9), an aluminum foil having a length of 3000 mm, a width of 115 mm, and a thickness of 15 μm was used. A positive electrode
≪各サンプルの負極シート≫
各サンプルのリチウムイオン二次電池の負極シート240(図9参照)は、同じ方法で作製している。ここでは、負極活物質には、それぞれ同じ活物質(ここでは、アモルファスコートグラファイト)を用いた。バインダには、SBRを用いた。また、負極集電体241(図9参照)には、長さ3100mm、幅210mm、厚さ10μmの銅箔を用いた。負極活物質層243を、負極集電体241の両面にそれぞれ長さ3100mm、幅105mm、厚さ32μmで作製した。ここで、負極活物質層243の寸法は、圧延後の寸法である。また、負極活物質層243の乾燥後の目付量は4.8〜10.2mg/cm2(両面を合わせた目付量)にした。負極活物質層243の理論上の密度は0.8〜1.4g/cm3とした。
≪Negative electrode negative electrode sheet≫
The negative electrode sheet 240 (see FIG. 9) of the lithium ion secondary battery of each sample is produced by the same method. Here, the same active material (here, amorphous-coated graphite) was used as the negative electrode active material. SBR was used as the binder. For the negative electrode current collector 241 (see FIG. 9), a copper foil having a length of 3100 mm, a width of 210 mm, and a thickness of 10 μm was used. A negative electrode
≪各サンプルの電解液≫
各サンプルのリチウムイオン二次電池の電解液は、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)との混合溶媒(体積比がEC:EMC:DMC=3:4:3の混合溶媒)にLiPF6を約1.1mol/リットルの濃度で含有させた電解液が用いられている。
≪Electrolyte for each sample≫
The electrolyte solution of the lithium ion secondary battery of each sample is a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) (volume ratio is EC: EMC: DMC = 3: 4: 3). An electrolytic solution containing LiPF 6 at a concentration of about 1.1 mol / liter is used.
表1の各サンプルは、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素の量、およびセパレータの基材22をそれぞれ変えている。その他の条件は概ね共通にしている。ここでは、基材22の多孔度を47%、基材22の厚さを20μm、耐熱層24の多孔度を53%、耐熱層24の厚さを4μmとした。
Each sample in Table 1 changes the amount of the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
表1のサンプル1では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ5ppm、10ppm、5ppm、10ppmであり、IV抵抗は75mΩであった。
In Sample 1 of Table 1, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル2では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ120ppm、90ppm、50ppm、100ppmであり、IV抵抗は67mΩであった。
In Sample 2, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル3では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ200ppm、200ppm、100ppm、200ppmであり、IV抵抗は59mΩであった。
In Sample 3, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル4では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ350ppm、410ppm、170ppm、350ppmであり、IV抵抗は58mΩであった。
In
サンプル5では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ490ppm、520ppm、230ppm、500ppmであり、IV抵抗は57mΩであった。
In Sample 5, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル6では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ620ppm、710ppm、310ppm、600ppmであり、IV抵抗は58mΩであった。
In Sample 6, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル7では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ800ppm、800ppm、350ppm、800ppmであり、IV抵抗は59.5mΩであった。
In Sample 7, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル8では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ910ppm、890ppm、450ppm、900ppmであり、IV抵抗は63mΩであった。
In Sample 8, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル9では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ1000ppm、1000ppm、500ppm、1000ppmであり、IV抵抗は65mΩであった。
In Sample 9, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル10では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ2ppm、0ppm、0ppm、5ppmであり、IV抵抗は115mΩであった。
In Sample 10, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル11では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ450ppm、0ppm、0ppm、0ppmであり、IV抵抗は125mΩであった。
In Sample 11, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル12では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ2000ppm、5ppm、2ppm、5ppmであり、IV抵抗は140mΩであった。
In Sample 12, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル13では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ2300ppm、5ppm、2ppm、200ppmであり、IV抵抗は135mΩであった。
In Sample 13, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル14では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ500ppm、0ppm、0ppm、200ppmであり、IV抵抗は130mΩであった。
In Sample 14, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル15では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ500ppm、200ppm、0ppm、0ppmであり、IV抵抗は118mΩであった。
In sample 15, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル16では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ520ppm、0ppm、200ppm、0ppmであり、IV抵抗は138mΩであった。
In Sample 16, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル17では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ2100ppm、600ppm、2ppm、300ppmであり、IV抵抗は125mΩであった。
In Sample 17, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル18では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ350ppm、130ppm、0ppm、250ppmであり、IV抵抗は115mΩであった。
In Sample 18, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル19では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ570ppm、150ppm、100ppm、0ppmであり、IV抵抗は119mΩであった。
In Sample 19, the four elements Na, S, Ca, and Si contained in the heat-
サンプル20では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ350ppm、0ppm、80ppm、270ppmであり、IV抵抗は121mΩであった。
In Sample 20, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
サンプル21では、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素は、それぞれ3250ppm、1050ppm、550ppm、1100ppmであり、IV抵抗は124mΩであった。
In sample 21, the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
なお、ここで、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素の量が、0ppmとあるのは、当該元素が検出限界以下であったことを意味する。耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素の量は、ここでは、各サンプルのリチウムイオン二次電池100A(図9参照)を組み立てる前に、セパレータ262A、264Aから耐熱層24(図10参照)のサンプルを採り、所定の方法で測定する。なお、ここでは、各サンプルのリチウムイオン二次電池100A(図9参照)を組み立てる前に、セパレータ262A、264Aから耐熱層24(図10参照)のサンプルを採ることによって、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素の量を所定の方法で測定した。耐熱層に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素の量は、これに限らず、リチウムイオン二次電池を解体することによって得られる耐熱層から測定してもよい。
Here, the amount of the four elements Na, S, Ca and Si contained in the heat-
耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiのうち、Na,CaおよびSiの量は、ICP発光分光分析法で定量している。ここでは、Thermo Fisher Scientific製のiCAP6300を使用して測定した。この場合、Naの検出限界は凡そ1ppm、Caの検出限界は凡そ1ppm、Siの検出限界は凡そ5ppmであった。
Among Na, S, Ca and Si contained in the heat-
耐熱層24に含まれるSの量は、耐熱層24を燃焼させ、イオンクロマトグラフ法で定量している。使用機器は、自動燃焼装置として三菱化学製のAQF−100を使用した。イオンクロマトグラフとしては、ダイオネクス製のICS−1500を使用した。Sの検出限界は凡そ5ppmであった。
The amount of S contained in the heat-
≪IV抵抗≫
また、ここで、IV抵抗は、SOC60%でのIV抵抗を示している。ここでは、各サンプルに対して、所定のコンディショニング工程を行い、25℃の環境下においてSOC60%の充電状態(SOC:state of charge)におけるIV抵抗を測定した。
≪IV resistance≫
Here, the IV resistance indicates the IV resistance at SOC 60%. Here, a predetermined conditioning process was performed on each sample, and an IV resistance in a SOC 60% state of charge (SOC) was measured under an environment of 25 ° C.
≪コンディショニング≫
次に、上記のように構築した試験用電池について、電解液を注入した後で、10時間程度放置し、電池電圧が2.0V以上になってから初期充電を行なった。コンディショニング工程は、次の手順1、2によって行なわれる。
手順1:1Cの定電流充電にて4.1Vに到達した後、5分間休止する。
手順2:手順1の後、定電圧充電にて1.5時間充電し、5分間休止する。
<< conditioning >>
Next, the test battery constructed as described above was poured for about 10 hours after injecting the electrolytic solution, and was initially charged after the battery voltage became 2.0 V or higher. The conditioning process is performed by the following procedures 1 and 2.
Procedure 1: After reaching 4.1 V with a constant current charge of 1 C, pause for 5 minutes.
Procedure 2: After Procedure 1, charge for 1.5 hours by constant voltage charging and rest for 5 minutes.
≪定格容量の測定≫
次に、定格容量は、上記コンディショニング工程の後、試験用電池について、温度25℃、3.0Vから4.1Vの電圧範囲で、次の手順1〜3によって測定される。
手順1:1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間休止する。
手順2:1Cの定電流充電によって4.1Vに到達後、定電圧充電にて2.5時間充電し、その後、10秒間休止する。
手順3:0.5Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間停止する。
定格容量:手順3における定電流放電から定電圧放電に至る放電における放電容量(CCCV放電容量)を定格容量とする。この試験用電池では、定格容量が凡そ4.6Ahになる。
≪Measurement of rated capacity≫
Next, the rated capacity is measured by the following procedures 1 to 3 at a temperature of 25 ° C. and a voltage range of 3.0 V to 4.1 V for the test battery after the conditioning step.
Procedure 1: After reaching 3.0V by constant current discharge of 1C, discharge by constant voltage discharge for 2 hours, and then rest for 10 seconds.
Procedure 2: After reaching 4.1 V by constant current charging at 1 C, charge for 2.5 hours by constant voltage charging, and then rest for 10 seconds.
Procedure 3: After reaching 3.0 V by constant current discharge of 0.5 C, discharge at constant voltage discharge for 2 hours, and then stop for 10 seconds.
Rated capacity: The discharge capacity (CCCV discharge capacity) in the discharge from the constant current discharge to the constant voltage discharge in the procedure 3 is defined as the rated capacity. In this test battery, the rated capacity is about 4.6 Ah.
≪SOC調整≫
SOC調整は、次の1、2の手順によって調整される。ここで、SOC調整は、上記コンディショニング工程および定格容量の測定の後で行なうとよい。また、ここでは、温度による影響を一定にするため、25℃の温度環境下でSOC調整を行なっている。
手順1:3Vから1Cの定電流で充電し、定格容量の凡そ60%の充電状態(SOC60%)にする。
手順2:手順1の後、2.5時間、定電圧充電する。
これにより、試験用電池は、所定の充電状態に調整することができる。
≪SOC adjustment≫
The SOC adjustment is performed by the following procedures 1 and 2. Here, the SOC adjustment may be performed after the conditioning process and the measurement of the rated capacity. Here, in order to make the influence of temperature constant, SOC adjustment is performed in a temperature environment of 25 ° C.
Procedure 1: Charging at a constant current of 3V to 1C to obtain a charged state (SOC 60%) of about 60% of the rated capacity.
Procedure 2: After procedure 1, charge at constant voltage for 2.5 hours.
Thereby, the test battery can be adjusted to a predetermined state of charge.
≪IV抵抗の測定方法≫
表1におけるIV抵抗は、25℃の環境雰囲気下において、SOC60%に調整した状態から所定の電流値(I)で10秒間定電流放電し、放電後の電圧(V)をそれぞれ測定する。そして、所定の電流値(I)と、放電後の電圧(V)を基に、X軸にI、Y軸にVを取ってプロットし、各放電により得られたプロットを基に、近似直線を引き、その傾きをIV抵抗とする。ここでは、0.3C、1C、3Cの電流値で定電流放電を行なって得た各放電後の電圧(V)を基に、IV抵抗を得た。
≪IV resistance measurement method≫
The IV resistance in Table 1 is a constant current discharge at a predetermined current value (I) for 10 seconds from a state adjusted to SOC 60% in an environmental atmosphere of 25 ° C., and the voltage (V) after the discharge is measured. Then, based on the predetermined current value (I) and the voltage (V) after the discharge, I plotted on the X-axis and I on the Y-axis, and plotted based on the plots obtained by each discharge. And the slope is taken as IV resistance. Here, IV resistance was obtained based on the voltage (V) after each discharge obtained by performing constant current discharge at current values of 0.3C, 1C, and 3C.
表1に示すように、耐熱層24には、Na,S,CaおよびSiの4元素が含まれていることにより、IV抵抗は概ね低く抑えられる。これは、Na,S,CaおよびSiの4元素の相互作用により、Naに起因する水分の保持や、例えば、HFが発生するような電解液との副反応が抑えられるためと考えられる。この場合、例えば、表1のサンプル1〜9で示されるように、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素が各1000ppm以下の割合である場合に、IV抵抗は概ね低く抑えられる。また、耐熱層24には、Na,S,CaおよびSiの4元素が各5ppm以上の割合で含まれているとよい。
As shown in Table 1, since the heat-
すなわち、サンプル10〜21に示すように、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素の何れかが各1000ppmよりも多い場合や、Na,S,CaおよびSiの4元素が各5ppm未満の場合には、耐熱層24に含まれるNa,S,CaおよびSiの4元素が5ppm以上1000ppm以下である場合に比べてIV抵抗は概ね高くなる傾向がある。
That is, as shown in Samples 10 to 21, when any of the four elements of Na, S, Ca and Si contained in the heat-
また、上述したように、1molのSに対して、2molのNaが反応し、2molのNaによって保持され得る1molのH2Oが耐熱層24から除去される。また、1molのCaに対して、1molのH2Oが耐熱層24から除去される。このため、耐熱層中のNaのモル数(Mna)と、Sのモル数(Ms)と,Caのモル数(Mca)との関係は、Mna<(Ms+Mca)/2であるとよい。
Further, as described above, 2 mol of Na reacts with 1 mol of S, and 1 mol of H 2 O that can be held by 2 mol of Na is removed from the heat-
≪サンプル22〜25≫
また、耐熱層24中にフィラーとして含まれるアルミナは、α−アルミナよりもベーマイトが好ましい。例えば、表2に示すように、耐熱層24のフィラーとして用いるアルミナにα−アルミナを用いたサンプル22とサンプル24、ベーマイトを用いたサンプル23とサンプル25を用意した。サンプル22とサンプル23、および、サンプル24とサンプル25は、それぞれ耐熱層24のフィラーとして用いるアルミナの種類を除いて概ね同じ構造とした。この場合、耐熱層24のフィラーとして用いるアルミナにα−アルミナを用いたサンプル22のIV抵抗が56mΩであったのに対して、ベーマイトを用いたサンプル23では、IV抵抗が50mΩであった。また、耐熱層24のフィラーとして用いるアルミナにα−アルミナを用いたサンプル24のIV抵抗が57mΩであったのに対して、ベーマイトを用いたサンプル25では、IV抵抗が49mΩであった。このように、リチウムイオン二次電池100AのIV抵抗を低く抑えるという点においては、耐熱層24のフィラーとして用いるアルミナとしては、α−アルミナよりもベーマイトが好ましい傾向が得られる。
<< Samples 22-25 >>
Further, the alumina contained as a filler in the heat-
以上、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を説明した。なお、本発明は、特に言及されない限りにおいて、上述した何れの実施形態にも限定されない。 In the above, the lithium ion secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention was demonstrated. Note that the present invention is not limited to any of the above-described embodiments unless otherwise specified.
例えば、耐熱層のフィラーの典型的な例としてアルミナを用いた実施形態を例示したが、本発明において、フィラーは必ずしもアルミナでなくてもよい。耐熱層には、Na,S,CaおよびSiの4元素が各1000ppm以下の割合で含まれている。このため、フィラーの種類によらず、リチウムイオン二次電池の出力特性を向上させるのに寄与し得る。また、上述した実施形態では、扁平に押し曲げた捲回電極体200Aを角型の電池ケース300に収容したリチウムイオン二次電池100A(図9参照)を例示した。本発明は、特に言及されない限りにおいて、かかる形態に限定されない。
For example, although an embodiment using alumina as a typical example of the filler of the heat-resistant layer has been illustrated, in the present invention, the filler may not necessarily be alumina. The heat-resistant layer contains four elements of Na, S, Ca and Si at a ratio of 1000 ppm or less. For this reason, it can contribute to improving the output characteristic of a lithium ion secondary battery irrespective of the kind of filler. Further, in the above-described embodiment, the lithium ion
また、上述したように、本発明は、耐熱層24(HRL)を備えたセパレータ262A、264Aが用いられている場合において、リチウムイオン二次電池100Aの出力特性を向上させるのに寄与する。このため、特に、安全について要求されるレベルが高く、かつ、高い出力性能が要求されるハイブリッド車(例えば、プラグインハイブリッド車)若しくは電気自動車の駆動用電池など車両駆動電源用の二次電池に好適である。
Further, as described above, the present invention contributes to improving the output characteristics of the lithium ion
この場合、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、例えば、図11に示すように、二次電池の複数個を接続して組み合わせた組電池の形態で、自動車などの車両1のモータ(電動機)を駆動させる車両駆動用電池1000として好適に利用され得る。特に、本発明に係るリチウムイオン二次電池は、例えば、ハイブリッド車(特に、プラグインハイブリッド車)若しくは電気自動車の駆動用電池として、高容量(例えば、定格容量が3.0Ah以上)のリチウムイオン二次電池に好適である。
In this case, the lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention is, for example, in the form of an assembled battery in which a plurality of secondary batteries are connected and combined as shown in FIG. It can be suitably used as a
1 車両
22 基材
24 耐熱層
100、100A リチウムイオン二次電池
200、200A 捲回電極体
220 正極シート
221 正極集電体
222 未塗工部
223 正極活物質層
224 中間部分
225 隙間
240 負極シート
241 負極集電体
242 未塗工部
243 負極活物質層
245 隙間
252、254 捲回電極体の捲回軸に沿った両側
262、264、262A、264A セパレータ
280 電解液
290 充電器
300 電池ケース
310、312 隙間
320 容器本体
322 蓋体と容器本体の合わせ目
340 蓋体
350 注液孔
352 封止キャップ
360 安全弁
420、440 電極端子
420a、440a 電極端子の先端部
610 正極活物質粒子
620 導電材
630 バインダ
710 負極活物質
730 バインダ
1000 車両駆動用電池(リチウムイオン二次電池)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
前記正極集電体に保持された、正極活物質を含む正極活物質層と、
負極集電体と、
前記負極集電体に保持された、負極活物質を含む負極活物質層と、
前記正極活物質層と負極活物質層との間に介在したセパレータと
を備え、
前記セパレータは、樹脂製の基材と、前記基材に保持された、フィラーと結着剤を含む耐熱層とを備え、
前記耐熱層には、Na,S,CaおよびSiの4元素が各5ppm以上1000ppm以下の割合で含まれている、リチウムイオン二次電池。 A positive electrode current collector;
A positive electrode active material layer containing a positive electrode active material held by the positive electrode current collector;
A negative electrode current collector;
A negative electrode active material layer containing a negative electrode active material held by the negative electrode current collector;
A separator interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer,
The separator includes a resin base material, and a heat resistant layer that is held on the base material and includes a filler and a binder,
The lithium ion secondary battery, wherein the heat-resistant layer contains four elements of Na, S, Ca, and Si at a ratio of 5 ppm to 1000 ppm.
前記耐熱層には、Na,S,CaおよびSiの4元素が各5ppm以上1000ppm以下の割合で含まれている、セパレータ。
A resin base material, and a heat-resistant layer containing a filler and a binder, which is held by the base material,
The separator, wherein the heat-resistant layer contains four elements of Na, S, Ca, and Si at a ratio of 5 ppm to 1000 ppm.
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