JP5975347B2 - 蓄電素子用の電極体、及び蓄電素子 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電素子用の電極体、及びこれらの電極体を用いた蓄電素子に関する。
近年、非水電解質電池等の電池、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ、等の蓄電素子は、種々の用途に多用されている。
特に、リチウムイオン電池に代表される非水電解質電池は、小型軽量化が進むパーソナルコンピュータ、携帯電話等の通信機器、等の電子機器の電源、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)、電気自動車(EV)、等の自動車の電源、等の民生用途向けの電池として多用されている。
このような民生用途向けの電池、特に前記自動車の電源用電池は、高電圧、高エネルギー密度といった特性の他に、高安全性が求められる。
前記非水電解質電池は、金属箔からなる負極集電板に負極用の活物質層を設け、正極集電板に正極用の活物質層を設け、且つ、前記負極および正極用の活物質層を、電気的に隔離するセパレータを間に挟んで対向させた構成となっており、非水電解質中において正極および負極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するものである。
このような非水電解質電池は、高電圧・高エネルギー密度であり、また、可燃性の液体を含んでいるため、安全性を高めることが必要である。
特に、外部制御が困難である内部短絡が発生した場合の安全性の確保は、重要な課題になっている。
内部短絡は、例えば、製造時に異物が混入する等の異常によってセパレータに導電性の貫通(破膜)が生じることで発生し、該内部短絡が発生した箇所には短絡電流が流れる。
前記短絡電流が増大していくにつれて、電池内部に局所的なジュール熱が発生する可能性がある。
そして、前記局所的なジュール熱によって前記セパレータに生じた破膜の径が拡大し、ジュール熱がさらに拡大するという悪循環が生じ、この結果、電池内が異常過熱する可能性がある。
このような短絡時に、電極内の電気抵抗を高めることで、短絡電流が過剰に流れることを防止することは従来から行われている(特許文献1および特許文献2)。
日本国特開2000−77061号公報 国際公開第WO99/67835号
特許文献1には、集電体と活物質層との間に高抵抗層が設けられた電池が記載されている。
しかしながら、このような高抵抗層が高抵抗となるためには、電池が過充電状態の高電位である必要があり、通常の内部短絡時の過熱防止は期待できない。
また、特許文献2には、集電体と活物質層との間に加熱により高抵抗となる樹脂を含む層が設けられた電池が記載されている。
しかしながら、内部短絡箇所近辺では前記樹脂が分解されるような高温になる可能性があり、かかる高温条件下では前記樹脂の高抵抗を維持するのは困難である。
従って、上記のような各先行技術文献においても短絡時の過熱を十分に防止する技術は記載されていない。
そこで、本発明は、電極内部における短絡発生時に短絡電流の増大を防止でき、且つ、安全性が高い、蓄電素子用の電極体および蓄電素子を提供することを課題とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために、
正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを備えた、蓄電素子用の電極体であって、
前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方は、
集電体と、
該集電体の少なくとも一面側に形成された活物質層と、
前記集電体と前記活物質層との間に形成されたアンダーコート層であって、導電助剤と、所定温度以上に加熱された場合に蒸発または分解する有機バインダーとを含むアンダーコート層とを備え
前記アンダーコート層は、前記導電助剤の粒子の径よりも大きい径を有する絶縁性無機剤をさらに含む、
蓄電素子用の電極体を提供する。
前記本発明の蓄電素子用の電極体において、前記アンダーコート層には、所定以上に加熱された場合に蒸発または分解する有機バインダーが含まれている。従って、蓄電素子の内部で内部短絡が発生し、該内部短絡箇付近で短絡電流による、熱が発生した場合には、前記有機バインダーが熱によって前記のような変性(蒸発または分解)を生じ、前記アンダーコート層内に占めていた前記有機バインダーの部分に空隙が発生する。
このようなアンダーコート層の空隙において、前記集電体と前記集電体の少なくとも一面側に形成された前記活物質層との界面には、電気的に接続されていない箇所が生じる。かかる箇所では、前記集電体と前記集電体の少なくとも一面側に形成された前記活物質層との間が高抵抗となる。そのため、短絡電流が増大することを防止できる。
さらに、本発明において、前記所定温度は、160℃〜500℃であることが好ましい。
また、前記有機バインダーは、キチン−キトサン誘導体、フッ化樹脂、合成ゴム、ポリアミド、ポリイミド、ポリオレフィン及びポリアクリルからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
前記アンダーコート層は、前記導電助剤の粒子の径よりも大きい径を有する絶縁性無機剤を含む
前記アンダーコート層が、前記導電助剤の粒子の径よりも大きい径を有する絶縁性無機剤を含むため、前記集電体と前記活物質層との間の厚み方向において、前記絶縁性無機剤が前記導電助剤よりも高さがある状態で存在する。そのため、前記導電助剤を介して前記集電体と前記活物質層とが接触することを阻止することができ、十分に短絡電流の増加を抑制できる。
さらに、前記導電助剤および前記絶縁性無機剤のうちの少なくとも一方の平均アスペクト比は、1以上5以下であることが好ましい。
尚、本発明でいうアスペクト比とは、前記導電助剤および前記絶縁性無機剤のうちの少なくとも一方の(最大長径)/(最大長径に直交する幅)として算出される値である。詳しくは、本発明でいうアスペクト比とは、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてアンダーコート層0.1mm長さのSEM画像を観察し、かかる画像中に観察される導電助剤および/または絶縁性無機剤の中から任意に各5個を選び、それぞれ、最大長径および該最大長径に直交する幅の長さ、を実測し、かかる実測値から求めたアスペクト比の平均値である。
また、前記活物質の硬度は、前記アンダーコート層の硬度よりも高いことが好ましい。
尚、本発明でいう前記活物質の硬度および前記アンダーコート層の硬度とは、以下のような測定方法で測定される硬度をいう。
(活物質の硬度)
本発明でいう活物質の硬度とは、JIS R1639−5に規定される圧子押し込み試験によって測定される破壊試験力Pa(mN)と粒子径Da(μm)とを用いて、以下の式により求められる硬度Csa(MPa)の5サンプルの平均をいう。
Csa=2.48 × Pa / (π × Da
(アンダーコート層の硬度)
本発明でいう活物質の硬度とは、JIS R1639−5に規定される圧子押し込み試験によって測定される1%変異量における試験力Pu(mN)と、粒子径Du(μm)とを用いて、以下の式により求められる硬度Csu(MPa)の任意の5箇所の平均をいう。
Csu=Pu / (π × Du
さらに、前記有機バインダーの添加量は、前記アンダーコート層の全原料に対して20〜80質量%であることが好ましい。
また、前記導電助剤の添加量は、前記アンダーコート層の全原料に対して5〜50質量%であることが好ましい。
さらに、前記アンダーコート層は、前記正極において、前記集電体と前記正極用の活物質層との間に形成されており、前記正極用の活物質層に含まれる活物質は、Li1−aMO(0≦a≦1、MはNi、Mn、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge、Sn、Mg、Mo及びZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素)で表される化合物であることが好ましい。
また、前記アンダーコート層は、前記正極において、前記集電体と前記正極用の活物質層との間に形成されており、前記正極用の活物質層に含まれる活物質は、Li1−aNiM1M2(0≦a≦1、M1、M2はMn、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge、Sn、Mg、Mo及びZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、M1≠M2、x+y+z=1、x≦1、y<1、z<1)で表される化合物であることが好ましい。
さらに、Li1−aNiM1M2で表される前記活物質は、LiNiMnCo(x+y+z=1、x<1、y<1、z<1)で表される化合物であることが好ましい。
また、前記アンダーコート層は、前記正極において、前記集電体と前記正極用の活物質層との間に形成されており、前記正極用の活物質層に含まれる活物質は、LiMPO(MはFe、Mn、Coからなる群から選択される少なくとも1種の元素)で表される化合物であることが好ましい。
さらに、LiMPOである前記活物質は、LiFePOであることが好ましい。
また、本発明は、上記のような電極体を備えたことを特徴とする蓄電素子を提供する。
本発明によれば、蓄電素子の内部で内部短絡が発生し、該短絡箇所付近で短絡電流による熱が発生した場合には、前記集電体と前記活物質層との間は高抵抗となる。従って、本発明によれば、短絡電流が増大することを防止でき、電池内部が加熱されつづけることを阻止できる。
本実施形態の電極体の構造を示す概略断面図。 本実施形態の電極体の構造を示す図1のA部拡大概略断面図。 本実施形態の電極体に短絡が生じた場合を示す概略断面図。 本実施形態の電極体に短絡が生じた場合を示す図3(b)のB部拡大概略断面図。 アンダーコート層と活物質層との界面付近を示す概略断面図。
以下に、図1から図5を参照しつつ、本実施形態の電極体および電極体を使用した蓄電素子について具体的に説明する。
本実施形態の蓄電素子用の電極体1は、正極2と、負極3と、前記正極2と前記負極3との間に配置されたセパレータ4とを備えた、蓄電素子用の電極体であって、前記正極2および前記負極3のうちの少なくとも一方は、集電体と、該集電体の少なくとも一面側に形成された活物質層と、前記集電体と前記活物質層との間に形成されたアンダーコート層であって、導電助剤72と、所定温度以上に加熱された場合に蒸発または分解する有機バインダー71とを含むアンダーコート層7a,7a’、7b,7b’とを備える蓄電素子用の電極体である。
本実施形態の前記電極体1は、非水電解二次電池等の蓄電素子用の電極体として用いられる。
本実施形態の前記電極体1の前記正極2と前記負極3は、図1に示すように前記セパレータ4を間に挟んで積層されている。
前記正極2は、正極側の集電体としての正極集電板5と、該正極集電板5の両面に形成されたアンダーコート層7a,7a’と、該アンダーコート層7a,7a’のうちの一方のアンダーコート層7aの上に積層された正極用の活物質層である正極活物質層6とを備えている。
前記負極3は、負極側の集電体としての負極集電板9と、該負極集電板9の両面に形成されたアンダーコート層7b,7b’と、該アンダーコート層7b,7b’のうちの一方のアンダーコート層7bの上に積層された負極用の活物質層である負極活物質層8とを備えている。
尚、本実施形態において、前記アンダーコート層は、前記正極集電板5および前記負極集電板9のそれぞれ両面に形成されるが、活物質層との間にあたる前記正極集電板5および前記負極集電板9の一面側にのみ設けてもよい。
さらに、図1に示す前記正極2の外面側(前記アンダーコート層7a’の外面側)に、さらに正極活物質層を設けてもよく、図1に示す前記負極3の外面側(前記アンダーコート層7b’の外面側)に、さらに負極活物質層を設けてもよい。
前記正極集電板5としては、例えば、アルミニウム箔等の金属箔が使用でき、前記負極集電板9としては、例えば、銅箔等の金属箔が使用できる。
前記正極集電板5の厚みは5〜50μmであることが好ましく、前記負極集電板9の厚みは3〜50μm程度であることが好ましい。
前記正極集電板5および前記負極集電板9の各表面は、前記正極活物質層6および前記負極活物質層8との密着性を向上させるために、カップリング処理やその他の表面処理を施されていてもよい。
図2に前記負極3側のアンダーコート層7bの部分拡大概略断面図を示す。
尚、前記正極2のアンダーコート層7a,7a’と前記負極3のアンダーコート層7b,7b’とは同様の構成であるため、本実施形態では以下、負極側を例に取って説明する。
前記アンダーコート層7b,7b’のそれぞれは、前記有機バインダー71と、前記導電助剤72とを含む。
本実施形態のアンダーコート層7b,7b’のそれぞれは、好ましい例として、さらに前記導電助剤72の粒子の径よりも大きい径を有する絶縁性無機剤73を含む。
前記各アンダーコート層7b,7b’のそれぞれの厚みは、およそ0.1〜10μm、好ましくは2〜5μm程度であることが好ましい。
この範囲の厚みにすることによって、アンダーコート層の塗布作業が行いやすくなる。
また、この範囲の厚みのアンダーコート層によって、電池内部の電気抵抗は、実用上、問題のない程度に維持されうる。
前記アンダーコート層は、所定温度以上に加熱された場合に、前記有機バインダー71が蒸発または分解して前記集電体(本実施形態では負極集電板9)と前記集電体の一面側に形成された活物質層(本実施形態では負極活物質層8)との間が電気的に離間する。
本実施形態において、前記所定温度とは、例えば、160℃〜500℃程度である。
すなわち、前記有機バインダーは、160℃〜500℃程度になったときに、蒸発あるいは分解を開始するような性質を有していることが好ましい。
尚、本実施形態において、前記有機バインダーが蒸発あるいは分解を開始するとは、アンダーコート層中の前記有機バインダーが、少なくともその一部が存在しなくなるような変質を始めることをいう。
また、本実施形態において、前記集電体と前記活物質層との間が電気的に離間している状態とは、前記アンダーコート層中に占めていた前記有機バインダーの箇所が、前記有機バインダーが蒸発あるいは分解されて空隙を生じていることを意味する。
かかる状態とは、例えば、前記有機バインダーの質量が15%〜20%以上減少した状態をいう。
あるいは、かかる状態とは、前記集電体と前記活物質層との間の抵抗値が、電極の二端子表面抵抗において300Ω〜1000Ω程度になることをいう。
前記有機バインダー71の材料としては、常温の状態では、前記負極集電板9と前記負極活物質層8の密着性を向上させるような樹脂であって、且つ、前記所定温度以上に加熱された場合には蒸発して、あるいは分解等によって前記のように体積が減少するような樹脂が使用される。
前記有機バインダー71の材料としては、前記正極および負極活物質層用の材料を塗布する工程等の、電極体の製造工程における加熱では、蒸発または分解されない樹脂であることが好ましい。
また、前記有機バインダー71の材料としては、電極体とした場合に必要とされる特性、すなわち、電解質に分解しないこと、耐酸化還元性を有すること、充電放電時の体積膨張に追従可能なこと、および各活物質層の膨張収縮によってこれらの活物質層との界面が破断しないこと、等の特性を有している樹脂であることが好ましい。
前記有機バインダー71の材料の樹脂としては、キチン−キトサン誘導体、フッ化樹脂、合成ゴム、ポリアミド、ポリイミド、ポリオレフィン及びポリアクリルからなる群から選択される少なくとも1種が挙げられる。
具体的には、例えば、前記キチン−キトサン誘導体としては、ヒドロキシエチルキトサン、ヒドロキシプロピルキトサン、ヒドロキシブチルキトサン及びアルキル化キトサン等からなる群から選択される少なくとも1種のヒドロキシアルキルキトサンが挙げられる。
前記フッ化樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。
前記合成ゴムとしては、スチレンブタジエンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。
前記ポリオレフィンとしては、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。
前記ポリアクリルとしては、エチレングリコールジメタクリレート、プロピレングリコールジメタクリレート等が挙げられる。
尚、前記ヒドロキシアルキルキトサンは、例えば、サリチル酸、ピロメリット酸、クエン酸、トリメリット酸等の有機酸と混合して架橋して有機バインダーとすることが好ましい。
前記有機バインダーの添加量としては、前記アンダーコート層の全原料に対して20〜80質量%、好ましくは50〜75質量%の範囲であることが好ましい。
前記量の有機バインダーが、前記アンダーコート層に添加されていることで、内部短絡発生時と、通常時とで、以下のような利点が生じる。
すなわち、内部短絡発生時には、前記アンダーコート層の体積のうちのある程度の体積を占めていた前記有機バインダーが蒸発または分解され、前記集電板と前記活物質層の界面の抵抗を高める程度の空隙が生じることで、絶縁性が確保されうる。
また、通常時には、前記アンダーコート層の粘着強度を高めることで、前記界面の密着性が確保され、および、電気伝導度が維持されうる。
前記導電助剤72としては、電気伝導性が高い粒子が用いられる。
前記導電助剤72としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素系材料や、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム等の金属微粒子からなる群から選択される少なくとも1種が挙げられる。
前記導電助剤72の添加量としては、前記アンダーコート層の全原料に対して5〜50質量%、好ましくは10〜30質量%の範囲であることが好ましい。
前記量の導電助剤が前記アンダーコート層に添加されることで、適切な導電性が維持されうる。
前記絶縁性無機剤73としては、前記導電助剤72に比べて絶縁性が高く、且つ、内部短絡によって電池内部が加熱された場合、例えば室温〜1500℃の温度範囲では分解しない無機材料からなる粒子が挙げられる。
前記絶縁性無機剤の絶縁性は、例えば、電気伝導度が10−4S/m以下、好ましくは10−6S/m以下であることが好ましい。
前記絶縁性無機剤73としては、例えば、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、その他のセラミックス、金属酸化物等からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。
前記酸化物系セラミックスとしては、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄等が挙げられる。
前記窒化物系セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等が挙げられる。
前記その他のセラミックスとしては、シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、硫酸アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリンクレー、カオリナイト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ藻土、ケイ砂等のセラミックス、ガラス繊維等のセラミックス等が挙げられる。
前記金属酸化物としては、アルミナ、シリカ、酸化チタン、ジルコニア、酸化カルシウム、マグネシア、セリア、酸化ランタン、酸化マンガン等が挙げられる。
前記絶縁性無機剤73の添加量としては、前記アンダーコート層の全原料に対して10〜75質量%の範囲であることが、絶縁性確保の観点から好ましい。
また、前記添加量の範囲であって、且つ前記導電助剤72の質量に対して2倍程度の質量が添加されていることが、絶縁性確保の観点から好ましい。
前記導電助剤72の大きさと前記絶縁性無機剤73の大きさとの関係については、前記絶縁性無機剤73の径が前記導電助剤72の径よりも大きいことが好ましい。
前記導電助剤72として用いられうる前記炭素系材料や、前記金属微粒子の径は、0.01〜0.5μm程度である。
よって、前記絶縁性無機剤73の径は、これよりも大きい0.1〜3μm、好ましくは1μm程度であることが好ましい。
さらに、前記絶縁性無機剤73の径は、前記導電助剤72の径の2.5倍以上の径であることが好ましい。
この程度の径の差があれば、確実に絶縁状態が維持されうるためである。
尚、本実施形態において、前記導電助剤72および前記絶縁性無機剤73の径とは、レーザー回析法によって測定した値をいう。
詳しくは、前記導電助剤72および前記絶縁性無機剤73の径とは、レーザー回析装置の粒度分布計を用いてD50の値を測定した値であり、より詳しくは、前記各粒子を所定の溶媒にて希釈して超音波処理した希釈液を、レーザー回析装置を用いて測定した体積基準の累積中位径(D50)の値である。
具体的には、本実施形態では、前記導電助剤および前記絶縁性無機剤の0.001質量%希釈分散溶液(溶媒:N−メチルピロリドン)をそれぞれ作製し、該分散液中の粒子の粒度分布を、レーザー回析装置(機器名「SALD−2000J」株式会社島津製作所製)を用いて測定した値をそれぞれの径とした。
前記導電助剤72および前記絶縁性無機剤73のうちの少なくとも一方の平均アスペクト比は、1以上5以下であることが好ましい。
尚、本実施形態における平均アスペクト比とは、前記導電助剤および前記絶縁性無機剤について、それぞれ(最大長径)/(最大長径に直交する幅)として算出される値であり、詳しくは、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてアンダーコート層0.1mm長さのSEM画像を観察し、かかる画像中に観察される導電助剤および絶縁性無機剤の中から任意に各5個を選び、それぞれ、最大長径および該最大長径に直交する幅の長さ、を実測し、かかる実測値から求めたアスペクト比の平均値である。
また、本実施形態ではSEM像は、走査型電子顕微鏡(装置名:JSM−7001F、日本電子株式会社製)を用いて、倍率5000〜50000倍(入射電子線強度5〜20keV)で撮影した画像を用いた。
前記導電助剤および前記絶縁性無機剤のうちの少なくとも一方の前記平均アスペクト比が1以上5以下、好ましくは3以下であることが好ましい。
前記導電助剤のアスペクト比を前記アスペクト比にした場合には、電極をプレスする際に前記導電助剤が前記アンダーコート層を貫通して、前記集電体と前記活物質層とが電気的に接続することを防止できる。
前記有機バインダーの添加量と前記絶縁性無機剤の添加量は、下記式を満たすことが好ましい。かかる量がそれぞれアンダーコート層の全原料に対して添加されていることで、有効に絶縁性を確保できるため好ましい。
Wb’>Wb−(26/74)×Db×(Wf/Df)
Wb : 初期バインダー量
Wb’: バインダー減少量
Db : バインダー密度
Wf : 絶縁性無機剤重量
Df : 絶縁性無機剤密度
74 : 球による最密充填構造(fcc、hcp)における充填部分の割合(%)
26 : 球による最密充填構造(fcc、hcp)における非充填部分の割合(%)
すなわち、前記充填部分の割合である74を100%から引いた値。
本実施形態の前記アンダーコート層には、前記有機バインダー71、前記導電助剤72および前記絶縁性無機剤73を分散させるための分散溶媒が添加されていてもよい。
前記分散溶媒としては、例えば、N−メチルピロリドン、トルエン等の有機溶媒や水、およびこれら混合物が挙げられる。
前記アンダーコート層を形成する方法としては、前記有機バインダー、前記導電助剤および前記絶縁性無機剤を、前記有機溶媒に混合した後、得られた混合液を前記正極および負極側の集電体用の各金属箔の両面にそれぞれ塗布し、乾燥することにより好適にアンダーコート層を作製する方法が挙げられる。
前記アンダーコート層の乾燥後の厚みが、前記したような0.1〜10μm、好ましくは2〜5μm程度になるように、前記混合液の塗布量を調整することが好ましい。
前記混合液を塗布する方法については、特に限定されないが、例えば、コンマロール、グラビアコーター、アプリケーターロール等のローラーコーティング、ダイヘッドコーター、スプレーコート、スクリーンコーティング、ドクターブレード方式、スピンコーティング、バーコータ等の手段を用いて任意の厚さ及び任意の形状に塗布することが望ましい。
本実施形態の前記アンダーコート層は、前記活物質層との界面において、凹凸形状を有している。
このような凹凸形状は、前記集電体にアンダーコート層の材料を塗布し、さらに活物質層となる正極あるいは負極用の活物質層の材料を塗布した後に、プレス等で厚み方向に圧力をかけて各層を圧着させることによって生じる。
すなわち、前記アンダーコート層と前記活物質層との界面においては、前記活物質層中の活物質が、前記圧着時に前記アンダーコート層の有機バインダー中に埋め込まれることによって、前記アンダーコート層と前記活物質層との界面が凹凸形状となる。
前記アンダーコート層は、前記アンダーコート層の最大厚みTmaxと、最小厚みTminとが、Tmax−Tmin>(1/4)Tmax の関係を満たし、且つ、前記アンダーコート層の厚みTがT<(1/20)Tmaxとなる箇所は全体の10%以下であることが好ましい。
本実施形態では、前記アンダーコート層の最大厚みTmaxと、最小厚みTminとは、電極体のSEM像断面画像における、前記アンダーコート層の最も厚い箇所の厚みを最大厚みTmax、最も薄い箇所の厚みをTminとして実測した値である。
尚、SEM像は、走査型電子顕微鏡(装置名:JSM−7001F、日本電子株式会社製)を用いて、倍率5000〜50000倍(入射電子線強度5〜20keV)で撮影した画像を用いた。
尚、本実施形態では、前記アンダーコート層の最大厚みTmaxと、最小厚みTminとの差Tmax−Tmin、をTmax で除した値( (Tmax−Tmin )÷ Tmax)を凹凸率という。
前記凹凸率が1/4以上であるような前記アンダーコート層および前記活物質層の界面の形状であることが好ましい。
前記アンダーコート層の厚みTが、T<(1/20)Tmaxとなる箇所は全体の10%以下であるとは、例えば、以下のような場合がこれに該当する。
図5に示すような電極体のSEM像断面画像の模式図において、前記アンダーコート層100の前記最大厚みTmaxの1/20に当たる位置にラインXを引き、前記ラインXの位置において存在する活物質101と前記ラインXとが交差する交差線Yの長さを総和する。
例えば、前記SEM像断面が、前記電極体の電極面に沿って0.1mm長さの断面であれば、0.1mm中のYの総和の長さが0.1mmの10%以下、すなわち、0.01mm以下であれば、前記アンダーコート層100は、アンダーコート層の厚みTがT<(1/20)Tmaxとなる箇所は、全体、すなわちラインXにおけるアンダーコート層の10%以下であることになる。
尚、本実施形態では、前記交差線Yの総和が前記ラインXの全長に占める割合を接触長さ率という。
前記アンダーコート層の最大厚みTmaxと、最小厚みTminとが、Tmax−Tmin>(1/4)Tmax の関係を満たし、且つ、前記アンダーコート層の厚みTがT<(1/20)Tmaxとなる箇所は全体の10%以下であるようなアンダーコート層である場合、すなわち、前記凹凸率が1/4以上であり、前記接触長さ率が10%以下である場合には、以下のような利点がある。
すなわち、短絡発生時の熱によって前記アンダーコート層中の前記有機バインダーが蒸発または分解して前記アンダーコート層に空隙が生じた場合に、さらに、外部から押圧力等が生じて、前記活物質層と前記集電体とが厚さ方向に押し付けられた場合であっても、前記集電体と前記活物質とが接触する面積が小さく、前記アンダーコート層の空隙部分における短絡電流を抑制することが可能となる。
前記アンダーコート層と前記活物質層との界面を前記のような凹凸形状にするためには、例えば、前記集電体の少なくとも一面側に備えられた活物質層に含まれる活物質の硬度を、前記アンダーコート層の硬度よりも高くすることが挙げられる。
尚、本実施形態でいう活物質の硬度とは、JIS R1639−5の規定に基づく圧子押し込み試験によって測定される破壊試験力Pa(mN)と粒子径Da(μm)とを用いて、以下の式により求められる硬度Csa(MPa)の5サンプルの平均をいう。
Csa=2.48 × Pa / (π × Da
また、本発明でいう活物質の硬度とは、JIS R1639−5の規定に基づく圧子押し込み試験によって測定される1%変異量における試験力Puと(mN)と、粒子径Du(μm)とを用いて、以下の式により以下の式により求められる硬度Csu(MPa)の任意の5箇所の平均をいう。
Csu=Pu / (π × Du
本実施形態の前記正極活物質層に用いられる正極活物質としては、例えば、リチウム電池の電極体として使用する場合には、リチウムを吸蔵・放出可能な化合物を用いることが好ましい。
あるいは、本実施形態の前記アンダーコート層が、前記正極用の活物質層と前記集電体との間に設けられている場合には、前記正極用の活物質層に含まれる活物質として、一般式Li1−aMO(0≦a≦1、MはNi、Mn、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge、Sn、Mg、Mo及びZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素)で表される化合物であることが好ましい。
または、本実施形態の前記アンダーコート層が、前記正極用の活物質層と前記集電体との間に設けられている場合には、前記正極用の活物質層に含まれる活物質が、Li1−aNiM1M2(0≦a≦1、M1、M2はMn、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge、Sn、Mg、Mo及びZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、M1≠M2、x+y+z=1、x≦1、y<1、z<1)で表される化合物を用いることができる。
さらに、前記Li1−aNiM1M2の例としては、LiNiMnCo(x+y+z=1、x<1、y<1、z<1)で表される化合物であることが好ましい。
または、本実施形態の前記アンダーコート層が、前記正極用の活物質層と前記集電体との間に設けられている場合には、前記正極用の活物質層に含まれる活物質がLiMPO(MはFe、Mn、Coからなる群から選択される少なくとも1種の元素)で表される化合物であることが好ましい。
さらに前記LiMPOの、具体的な例としては、LiFePOが挙げられる。
その他の前記正極活物質としては、例えば、リチウム電池の電極体として使用する場合には、リチウムを吸蔵・放出可能な一般式Li(ただし、Mは遷移金属、0≦b≦2)で表わされる化合物の複合酸化物、トンネル状の空孔を有する酸化物、層状構造の金属カルコゲン化物を用いることができる。
前記各活物質の具体例としては、前記LiFePOの他、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMn)、MnO、FeO、V、V13、TiO、TiSなどの正極材料の粉末からなることが好ましい。
前記のような各正極用の活物質は、導電性が比較的低いこと、および、集電体との密着性が比較的低く活物質層と集電体との接触抵抗が大きくなりやすいことが問題となりうるが、前記導電助剤を含む前記アンダーコート層を、前記のような各活物質を用いた前記正極用の活物質層と、正極の集電体との間に介在させることで、前記問題を抑制することが可能となる。
本実施形態の前記負極用の活物質層に用いられる負極活物質としては、例えば、リチウム金属、リチウム合金(リチウム―アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−錫、リチウム−アルミニウム−錫、リチウム−ガリウム、およびウッド合金等のリチウム金属含有合金)の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えばグラファイト、ハードカーボン、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)、金属酸化物、リチウム金属酸化物(LiTi12等)、ポリリン酸化合物等からなる群から選択される少なくとも1種である負極材料の粉体が挙げられる。
前記正極および負極活物質の粉体は、平均粒子サイズ100μm以下であることが望ましい。特に、正極活物質の粉体は、電子伝導性の観点から50μm以下、さらに好ましくは、10μm以下であることが望ましい。
前記各粉体を所定のサイズおよび形状として得るためには、粉砕機や分級機が用いられる。
前記正極および負極活物質の粉体は、導電剤、結着剤、増粘剤、フィラー等の他の成分と混合されうる。
前記導電剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば限定されない。例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛,鱗片状黒鉛,土状黒鉛等)、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイスカー、炭素繊維、金属(銅,ニッケル,アルミニウム,銀,金等)粉、金属繊維、導電性セラミックス材料等の導電性材料からなる群から選択される少なくとも1種以上が挙げられる。
前記結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂;エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のゴム弾性を有するポリマーからなる群の中から選択される少なくとも1種以上が挙げられる。
前記増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース等の多糖類等からなる群から選択される少なくとも1種以上が挙げられる。
また、前記多糖類の様に、リチウムと反応する官能基を有する増粘剤は、例えばメチル化する等してその官能基を失活させておくことが望ましい。
前記フィラーとしては、電池性能に悪影響を及ぼさない材料であれば限定されない。
例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のオレフィン系ポリマー;無定形シリカ;アルミナ;ゼオライト;ガラス;炭素等からなる群の中から選択される少なくとも1種以上が挙げられる。
前記活物質の粉体、および前記その他の成分は混練され、N−メチルピロリドン、トルエン等の有機溶媒に混合されることで混合液が得られる。
この混合液は、前記のように形成されたアンダーコート層の上に塗布され、または圧着されて50℃〜150℃程度の温度で2時間程度加熱処理されることにより、正極および負極活物質層を備えた正極及び負極が作製される。
前記セパレータ4としては、織布、不織布、合成樹脂微多孔膜等が挙げられる。
特に、前記合成樹脂微多孔膜が好ましい。
前記合成樹脂微多孔膜の中でも、ポリエチレン及びポリプロピレン製微多孔膜、アラミドやポリイミドと複合化させたポリエチレン及びポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜等のポリオレフィン系微多孔膜、等が、厚さ、膜強度、膜抵抗等が前記セパレータの材料として適しているため好ましい。
本実施形態の電極体1は、前記のように前記正極と前記負極とが前記セパレータ4を間に挟んで前記正極用の活物質層および前記負極用の活物質層とが対向するように配置(積層)されることで作製され、かかる電極体1を巻回し、非水電解質とともに電池ケースに収納することで、蓄電素子としての非水電解質電池(例えば、ニッケルリチウム電池)が作製される。
前記電極体1を備えた非水電解質電池において、例えば、製造時に導電性の異物が混入する等の原因によって、図3(a)に示すようにセパレータが電気的に貫通し内部短絡20が発生することがある。
このような場合に該内部短絡の箇所において電流が流れて、そのまま電流が流れ続けた場合にはジュール熱によって電池内部が高温になる。
本実施形態の前記電極体を用いた電池の場合、160℃〜300℃程度に加熱されると、前記アンダーコート層中の前記有機バインダーが熱によって蒸発してガス化、あるいは分解して体積が小さくなり、図3(b)に示すように、前記アンダーコート層7a,7bに空隙が生じる。
該空隙部分において正極集電板5と正極活物質層6との界面、および負極集電板9と負極活物質層8との界面で、アンダーコート層7a,7bの有機バインダー71が存在しない箇所B、B’が生じ、該箇所では高抵抗となり、電流がそれ以上流れることを防止できる。
さらに、前記アンダーコート層7a,7b中には、前記導電助剤72よりも大径の前記絶縁性無機剤73が混合されているため、前記アンダーコート層7a,7b中の前記有機バインダー71が蒸発、あるいは体積が小さくなって前記有機バインダー71が存在しない箇所B、B’が生じた場合には、図4に示すように、前記集電板9と前記活物質層8の間に前記絶縁性無機剤73が挟まってスペーサとして存在することになる。これにより、前記集電板9と前記活物質層8とが前記導電助剤72によって電気的に接続されることを阻止でき、高抵抗性を維持することができる。
さらに、前記アンダーコート層7aと前記正極活物質層6との界面、および前記アンダーコート層7bと前記負極活物質層8との界面が凹凸形状である場合には、例えば外部からの押圧力等により電極体1が厚み方向に圧力を受けて前記箇所B、B’において前記活物質層と前記集電体とが接触したとしても、接触する面積を小さくでき、短絡電流を抑制することが可能となる。
以下、実施例および比較例を用いて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
下記材料を用いてアンダーコート層用の混合液を作成した。
有機バインダーとしてのキトサン(ヒドロキシエチルキトサン)50質量%、導電助剤としてのアセチレンブラック(凝集粒径500nm未満)20質量%、絶縁性無機剤としての酸化アルミニウム(Al、凝集粒径1μm未満)5質量%とを、分散溶媒(N−メチルピロリドン)に混合して混合液を得た。
この混合液を、厚さ20μmのアルミニウム箔上に10μmの厚みとなるように塗布し、160℃で乾燥させて厚み3μmのアンダーコート層を形成した。
前記アンダーコート層の任意の5箇所において、前記硬度Csu(MPa)を測定したところ、平均は5MPaであった。
正極活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3、導電助剤としてアセチレンブラック、正極活物質層のバインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を質量比90:5:5の割合で混合し、さらに、分散溶媒(N−メチルピロリドン)に混合して正極用の活物質ペーストを作製した。
このペーストを前記アンダーコート層が形成されたアルミニウム箔上の、該アンダーコート層の上面に塗布し、乾燥後、プレスして正極を作製した。
尚、前記正極活物質の硬度は、前記破壊試験力Pa(mN)と粒子径Da(μm)とを用いて、測定した硬度Csa(MPa)が50MPaであった(5サンプル平均)。
また、前記正極活物質の径は約5μmであった。
尚、前記径は、レーザー回析装置(機器名「SALD−2000J」株式会社島津製作所製)を用いて前記正極活物質の0.001質量%希釈分散溶液(溶媒:N−メチルピロリドン)の粒度分布を測定することで測定した値である。
この正極の0.1mm長さのSEM断面画像における前記凹凸率及び前記接触長さ率を測定したところ、凹凸率は0.3、前記接触長さ率は0%であった。
次に、負極活物質としてグラファイト、負極活物質層のバインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を質量比95:5の割合で混合し、さらに分散溶媒(N−メチルピロリドン)に混合して負極用の活物質ペーストを作製した。
このペーストを厚さ15μmの銅箔上に塗布し、乾燥後プレスして負極を作製した。
電解液として、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートを混合したものに、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF)を溶解したものを用いた。
前記正極、前記負極及びセパレータを積層し、巻回して作製した電極体をアルミニウム製ケース内に電解液とともに封入し、エージング処理を施して、電池を作製した。
(実施例2)
前記正極活物質として径が約10μmのものを用いることで、前記凹凸率が0.9になるように正極を作製した以外は実施例1と同様にして、電池を作製した。
(実施例3)
前記正極活物質として径が約1μmのものを用いることで、前記凹凸率が0.1になるように正極を作製した以外は実施例1と同様にして、電池を作製した。
(実施例4)
前記正極活物質として径が約15μmのものを用いることで、前記凹凸率が1.0、前記接触長さ率が5%になるように正極を作製した以外は実施例1と同様にして、電池を作製した。
(実施例5)
前記正極活物質として径が約20μmのものを用いることで、前記凹凸率が1.0、前記接触長さ率が15%になるように正極を作製した以外は実施例1と同様にして、電池を作製した。
(実施例6)
正極用の活物質としてLiCoOを用いた以外は実施例1と同様にして、電池を作製した。
(実施例7)
正極用の活物質としてLiNiOを用いた以外は実施例1と同様にして、電池を作製した。
(実施例8)
正極用の活物質としてカーボンコートしたLiFePOを用いた以外は実施例1と同様にして、電池を作製した。
(実施例9)
正極用の活物質としてカーボンコートしたLiNi1/6Mn1/6Mn2/32を用いた以外は実施例1と同様にして、電池を作製した。
(比較例1)
正極にアンダーコート層を設けなかった以外は実施例1と同様にして、電池を作製した。
各実施例、比較例の電池を満充電状態まで充電したのち、65℃の恒温槽中でφ1mmのステンレス製釘を深度5mmまで突き刺すことにより、釘刺し試験を実施した。
この釘刺し試験後の電池温度の上昇幅(%)を表1に示す。
尚、前記温度の上昇幅は、実施例1を100とした場合の各電池の釘刺し試験後の電池温度の比率である。
Figure 0005975347
表1の結果から、各実施例の電池は比較例に比べて温度上昇が抑制されていることが明らかである。
さらに前記実施例1の電池の内部抵抗を測定したところ、実用上問題のない範囲である0.5〜5Ωであった。
さらに前記実施例1の電池の正極の、700℃、180秒間加熱した前後の表面抵抗値(二端子法)を測定したところ、加熱前が14Ωであったのに対し、加熱後は1900Ωと大きく抵抗値が上昇していた。
加熱後の前記実施例1の正極を観察したところ、正極用の活物質層がアルミニウム箔から剥離している箇所があった。
1:電極体
2:正極
3:負極
4:セパレータ
5,9:集電板
6:正極活物質層
7a,a’,b,b’:アンダーコート層
71:有機バインダー
73:絶縁性無機剤
8:負極活物質層

Claims (13)

  1. 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを備えた、蓄電素子用の電極体であって、
    前記正極および前記負極のうちの少なくとも一方は、
    集電体と、
    該集電体の少なくとも一面側に形成された活物質層と、
    前記集電体と前記活物質層との間に形成されたアンダーコート層であって、導電助剤と、所定温度以上に加熱された場合に蒸発または分解する有機バインダーとを含むアンダーコート層とを備え、
    前記アンダーコート層は、前記導電助剤の粒子の径よりも大きい径を有する絶縁性無機剤をさらに含む、蓄電素子用の電極体。
  2. 前記所定温度は、160℃〜500℃である、請求項1に記載の蓄電素子用の電極体。
  3. 前記有機バインダーは、キチン−キトサン誘導体、フッ化樹脂、合成ゴム、ポリアミド、ポリイミド、ポリオレフィン及びポリアクリルからなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1または請求項2に記載の蓄電素子用の電極体。
  4. 前記導電助剤および前記絶縁性無機剤のうちの少なくとも一方の平均アスペクト比は、1以上5以下である、請求項1乃至のいずれか1項に記載の蓄電素子用の電極体。
  5. 前記活物質層の硬度は、前記アンダーコート層の硬度よりも高い、請求項1乃至のいずれか1項に記載の蓄電素子用の電極体。
  6. 前記有機バインダーの添加量は、前記アンダーコート層の全原料に対して20〜80質量%である、請求項1乃至のいずれか1項に記載の蓄電素子用の電極体。
  7. 前記導電助剤の添加量は、前記アンダーコート層の全原料に対して5〜50質量%である、請求項1乃至のいずれか1項に記載の蓄電素子用の電極体。
  8. 前記アンダーコート層は、前記正極において、前記集電体と前記正極用の活物質層との間に形成されており、前記正極用の活物質層に含まれる活物質は、Li1−aMO(0≦a≦1、MはNi、Mn、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge、Sn、Mg、Mo及びZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素)で表される化合物である、請求項1乃至のいずれか1項に記載の蓄電素子用の電極体。
  9. 前記アンダーコート層は、前記正極において、前記集電体と前記正極用の活物質層との間に形成されており、前記正極用の活物質層に含まれる活物質は、Li1−aNiM1M2(0≦a≦1、M1、M2はMn、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge、Sn、Mg、Mo及びZrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、M1≠M2、x+y+z=1、x≦1、y<1、z<1)で表される化合物である、請求項1乃至のいずれか1項に記載の蓄電素子用の電極体。
  10. 前記活物質は、LiNiMnCo(x+y+z=1、x<1、y<1、z<1)で表される化合物である、請求項に記載の蓄電素子用の電極体。
  11. 前記アンダーコート層は、前記正極において、前記集電体と前記正極用の活物質層との間に形成されており、前記正極用の活物質層に含まれる活物質は、LiMPO(MはFe、Mn、Coからなる群から選択される少なくとも1種の元素)で表される化合物である、請求項1乃至のいずれか1項に記載の蓄電素子用の電極体。
  12. 前記活物質は、LiFePOである、請求項11に記載の蓄電素子用の電極体。
  13. 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の電極体を用いた蓄電素子。
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