JP5978314B2 - リチウム二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
また、正極の表面には抗酸化物質が含まれたカプセル、負極の表面には抗還元物質が含まれたカプセルを塗布することで、電気化学的により安定した電解質を具現でき、分離膜を使用するとき、正極の界面及び負極の界面にも選択的に塗布することで、電池駆動時に分解が最小化される電解質を具現することができる。
また、本発明のリチウム二次電池は、カプセルの被膜素材が無機物粒子が分散された高分子であるため、破壊されたカプセルがセパレータの機械的物性を強化し、電池の誤作動時に正極と負極との間の短絡を防止するため、電池の安全性を強化することができる。
(電解液を貯蔵しているカプセル及びそれを含むコーティング液の製造)
相分離法とUV硬化を通じたコーティング液の製造方法を利用した。まず、電解液から構成された第1相(phase1)では、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネート(体積比5:5)とから構成され、LiPF6が1mol/Lの濃度で溶けている溶液に、バインダー高分子としてPEGDA_700(polyethylene glycol diacrylate、Mn:700)を重量比1:1で溶解させた。その後、非水電解液を貯蔵するカプセルの被膜の機械的強度を高めるため、無機物粒子であるAl2O3とバインダー高分子とを重量比1.2:1(Al2O3:バインダー高分子)になるように前記第1相に添加した後、撹拌して分散させた。
負極は、93重量%の炭素活物質(大阪ガス社製のMCMB10‐28)と7重量%のポリフッ化ビニリデン(PVDF、ElfAtochem社のKynar 761)とを、溶媒であるN‐メチル‐2‐ピロリドン(NMP)に添加して混合機(Ika社のMixer)で2時間混合した後、銅ホイル集電体にコーティングし、130℃で乾燥して製造した。正極は、91重量%のLiCoO2、3重量%のPVDF(Kynar761)、及び6重量%の導電性炭素(Lonza社のKS‐6)を、溶媒であるN‐メチル‐2‐ピロリドン(NMP)と混合して混合機(Ika社のMixer)で2時間混合した後、アルミニウムホイル集電体にコーティングし、130℃で乾燥して製造した。セパレータのベアフィルム(bear film)としては、ポリプロピレン系列の分離膜(Celgard社の2400)を使用した。
バインダー高分子としてPEGDA_700とビス[2‐(アクリロイルオキシ)エチル]ホスフェートとを重量比1:1で混合し、UV重合して製造されたポリエチレングリコールホスフェートジアクリレートを使用した点を除き、実施例1と同様の方法で非水電解液を貯蔵したカプセル及びそれを利用した電池を製造した。
無機物粒子であるAl2O3を使用しない点を除き、実施例1と同様な方法で非水電解液を貯蔵したカプセル及びそれを利用した電池を製造した。
実施例1による電池において、正極と負極との間で熱圧着によって球形粒子構造の電解質がフィルム形態の電解質によく変形されるか否かを、SEM写真分析で確認した。モノセル型の電池表面に、シェル構造の球形粒子電解質溶液をコーターで均一に塗布し、80℃、10kgf/cm2の条件で熱圧着する前後の負極表面の状態を、図3及び図4にてそれぞれ比較した。このとき、図3は熱圧着工程の前の負極表面のSEM写真であり、図4は熱圧着工程後の負極表面のSEM写真である。図3及び図4を参照すれば、熱圧着工程後の負極表面に均一なフィルム形態の電解質が形成されたことを確認することができる。
実施例1及び比較例1の電池を満充電した後、85℃で4時間貯蔵後に厚さを観察し、それを図5に示した。図5を参照すれば、カプセルに無機物粒子であるAl2O3が含まれた実施例1の場合には、正極と負極との間に形成された電解質層の機械的強度が増加したため、電池を高温貯蔵するとき電池の厚さ膨張を抑制する効果があることが分かる。
多様なバインダー高分子が電池性能に及ぼす影響を観察するため、実施例2と同様に、負極表面で抵抗を減少させるホスフェート(PO4)構造の官能基を有するビス[2‐アクリロイルオキシエチル]ホスフェートと、ポリエチレングリコールジアクリレートとの共重合体であるポリエチレングリコールホスフェートジアクリレートをバインダー高分子として使用することで、非水電解液が貯蔵されたカプセルを製造し、それを負極表面に均一に塗布し、熱圧着工程を経て破壊されたカプセルが分散された層を備えた電池を製造した。
Claims (10)
- リチウム二次電池であって、
正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に介在されたセパレータを備えた電極組立体と、及び、前記電極組立体に含浸させる非水電解液とを備えてなり、
前記セパレータが、前記正極及び前記負極と接触する少なくとも一面に、複数の破壊されたカプセル が分散された層を備えてなり、
前記破壊されたカプセルの被膜が、バインダー高分子、及び前記バインダー高分子に分散された無機物粒子を備えてなり、
前記カプセルは、非水電解液を貯蔵し、加熱及び加圧の際に、前記非水電解液を放出するものであり、
前記カプセルの被膜部分のみが、前記分散された層であることを特徴とする、リチウム二次電池。 - 前記無機物粒子が、誘電率が5以上の無機物粒子、リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子、及びこれらの混合物からなる群より選択された無機物粒子であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池。
- 前記誘電率が5以上の無機物粒子が、BaTiO3、Pb(Zr、Ti)O3(PZT)、Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT、0<x<1、0<y<1)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‐PbTiO3(PMN‐PT)、ハフニア(HfO2)、SrTiO3、SnO2、CeO2、MgO、NiO、CaO、ZnO、ZrO2、SiO2、Y2O3、Al2O3、SiC、及びTiO2からなる群より選択された何れか一種又は二種以上の混合物であることを特徴とする、請求項2に記載のリチウム二次電池。
- 前記リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子が、リチウムホスフェート(Li3PO4)、リチウムチタンホスフェート(LixTiy(PO4)3、0<x<2、0<y<3)、リチウムアルミニウムチタンホスフェート(LixAlyTiz(PO4)3、0<x<2、0<y<1、0<z<3)、(LiAlTiP)xOy系列ガラス(0<x<4、0<y<13)、リチウムランタンチタネート(LixLayTiO3、0<x<2、0<y<3)、リチウムゲルマニウムチオホスフェート(LixGeyPzSw、0<x<4、0<y<1、0<z<1、0<w<5)、リチウムナイトライド(LixNy、0<x<4、0<y<2)、SiS2(LixSiySz、0<x<3、0<y<2、0<z<4)系列ガラス、及びP2S5(LixPySz、0<x<3、0<y<3、0<z<7)系列ガラスからなる群より選択された何れか一種又は二種以上の混合物であることを特徴とする、請求項2又は3に記載のリチウム二次電池。
- 前記バインダー高分子が、1.0ないし100(測定周波数=1kHz)の誘電率を有することを特徴とする、請求項1〜4の何れか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記バインダー高分子が、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン、ポリフッ化ビニリデン‐トリクロロエチレン、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールフォスフェートジアクリレート、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリイソブチルメチルメタクリレート、ポリブチルアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアセテート共重合体、ポリエチレンオキサイド、ポリアリレート、ポリテトラヒドロフラン、ポリメタアクリル酸リチウム、ポリアクリル酸リチウム、ポリマレイン酸リチウム、ポリビニルスルホン酸リチウム、ポリビニルホスホン酸リチウム、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、及びカルボキシルメチルセルロースからなる群より選択される何れか一種又は二種以上の混合物であることを特徴とする、請求項1〜5の何れか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記無機物粒子と前記バインダー高分子との重量比が、1:1ないし10:1であることを特徴とする、請求項1〜6の何れか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記カプセルの破壊後に、前記無機物粒子同士の間にインタースティシャル・ボリューム(interstitialvolume)が存在し、微細気孔が形成されてなることを特徴とする、請求項1〜7の何れか一項に記載のリチウム二次電池。
- リチウム二次電池の製造方法であって、
セパレータの少なくとも一面に、又は、正極及び負極の、一種以上のセパレータと接触する面に、無機物粒子が分散されたバインダー高分子から形成された被膜を備えてなり、
非水電解液を貯蔵した複数のカプセルを分散媒と共に塗布する段階と、
前記正極と前記負極との間に前記セパレータを介在させて電極組立体を製造する段階と、及び、
前記電極組立体を電池容器に収納する段階とを含んでなり、
前記電極組立体を電池容器に収納する段階の以前又は以後或いは両方ともに、電極組立体を熱圧着して前記カプセルを破壊することで、貯蔵された非水電解液を電極組立体に含浸させる段階を更に含んでなることを特徴とする、リチウム二次電池の製造方法。 - 前記カプセルが、前記セパレータ、前記正極、及び前記負極の全てに塗布されることを特徴とする、請求項9に記載のリチウム二次電池の製造方法。
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