JP6550732B2 - Secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池、特に短絡機構を備えることにより安全性を高めた二次電池に関する。さらに、本発明は、該二次電池を備えた電動車両および蓄電設備等に関する。 The present invention relates to a secondary battery, and more particularly to a secondary battery that has improved safety by including a short-circuit mechanism. Furthermore, the present invention relates to an electrically powered vehicle, a storage facility and the like provided with the secondary battery.
ノート型パソコン、携帯電話、電気自動車などの急速な市場拡大に伴い、様々な二次電池の開発が進められている。二次電池の使用においては、過充電等により二次電池が発熱し、温度上昇による電解液の蒸気の漏えい、電池の急激な体積増加等が生じるおそれがある。このような二次電池の熱暴走を抑制するため、様々な安全機構を備えた二次電池が知られている。 With the rapid market expansion of notebook computers, mobile phones, and electric vehicles, various secondary batteries are being developed. When the secondary battery is used, the secondary battery generates heat due to overcharging or the like, and there is a possibility that leakage of electrolyte vapor due to temperature rise, rapid increase in volume of the battery, or the like may occur. In order to suppress such a thermal runaway of the secondary battery, secondary batteries having various safety mechanisms are known.
特許文献1には、発電要素を内部に収容するとともに一方の電極端子となる外装ケースと、外装ケースに絶縁部材を介して配された他方の電極端子と、外装ケースの内圧上昇による膨張変形によって外装ケースと他方の電極端子を短絡させる短絡機構とを備えた二次電池が記載されている。
In
特許文献2には、電圧反応発熱素子と温度感応素子とを備えた複合安全素子が開示され、電圧反応発熱素子が電池の正極端子と負極端子との間で並列に接続され、PTC素子またはバイメタル等の温度感応素子が電池の正極端子または負極端子に直列に接続されることが記載されている。
特許文献3には、バイメタルが、常温では二次電池の正極と外部電極の正極に直列に接続され、温度が上昇すると、外部電極の正極に接続されたバイメタルが外部電極の負極に接続され、二次電池の正極と負極とを短絡させることで外部電極からの電流の流入を遮断する二次電池の保護回路が開示されている。
In
特許文献4には、電池の正極端子と負極端子間に接続される電池短絡素子が開示され、電池短絡素子は第一電気伝導体と第二電気伝導体とその間の短絡層からなり、短絡層は絶縁体フィルムが2層の低融点合金層に挟まれて構造を有している。電池の発熱時に、この低融点合金層が融解し、絶縁体フィルムの開口部に流入することにより第一電気伝導体と第二電気伝導体が電気的に短絡することが記載されている。 Patent Document 4 discloses a battery short-circuit element connected between a positive electrode terminal and a negative electrode terminal of a battery, and the battery short-circuit element includes a first electric conductor, a second electric conductor, and a short-circuit layer therebetween, Has a structure in which an insulator film is sandwiched between two low melting point alloy layers. It is described that when the battery generates heat, the low melting point alloy layer melts and flows into the opening of the insulator film, thereby electrically shorting the first electrical conductor and the second electrical conductor.
しかしながら、特許文献1〜4に記載の二次電池は、電池の熱暴走を感知して保護機構がはたらく際、既に電池全体の発熱が進行しており、必ずしも安全であるとはいえない。そのため、電池の熱暴走等を早く感知でき、安全性が高い二次電池の開発が求められていた。
However, the secondary batteries described in
本発明は以下の事項に関する。 The present invention relates to the following matters.
第一の電池要素と、
正極、負極およびその間に配置されたセパレータを有し、前記第一の電池要素と電気的に並列に接続された第二の電池要素と、
を備え、
前記第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度が、前記第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度より低いことを特徴とする二次電池。
The first battery element,
A second battery element electrically connected in parallel with the first battery element, having a positive electrode, a negative electrode and a separator disposed therebetween;
Equipped with
A secondary battery characterized in that an average thermal decomposition temperature of a positive electrode active material constituting a positive electrode of the second battery element is lower than an average thermal decomposition temperature of a positive electrode active material constituting a positive electrode of the first battery element. .
本発明によれば、過度に高温の状態になったときの安全機構を備えた二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the secondary battery provided with the safety mechanism when it will be in an excessively high temperature state can be provided.
本実施形態の二次電池は、第一の電池要素と、これと電気的に並列に接続された第二の電池要素とを備える。第一の電池要素および第二の電池要素は、それぞれ、少なくとも正極を有する。第二の電池要素は、正極、負極およびその間に配置されたセパレータを有し、かつ、第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度が、第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度より低い。第一の電池要素は少なくとも正極を有し、好ましくは正極、負極およびその間に配置されたセパレータを有する構造を含む。 The secondary battery of the present embodiment includes a first battery element and a second battery element electrically connected in parallel thereto. The first battery element and the second battery element each have at least a positive electrode. The second battery element has a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed therebetween, and the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the second battery element is the positive electrode of the first battery element Lower than the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material. The first battery element has at least a positive electrode, and preferably includes a structure having a positive electrode, a negative electrode and a separator disposed therebetween.
本実施形態の二次電池は、円筒型、扁平捲回角型、積層角型、コイン型、扁平捲回ラミネート型および積層ラミネート型等のいずれの形態であってもよく、これらのうち、放熱性の観点から、積層ラミネート型であることが好ましい。積層ラミネート型の二次電池は、電池要素が電解液とともにフィルム外装体の中に収容されたフィルム外装電池であることが好ましい。以下、本実施形態の説明において、二次電池の形態がフィルム外装電池であるものとして説明しているところがあるが、本発明はこれに限定されるものではない。 The secondary battery of the present embodiment may be in any form such as a cylindrical type, a flat wound rectangular type, a laminated rectangular type, a coin type, a flat wound laminated type, and a laminated laminated type. From the viewpoint of properties, it is preferably a laminated laminate type. The laminate type secondary battery is preferably a film-clad battery in which the battery element is accommodated in the film package together with the electrolytic solution. Hereinafter, in the description of the present embodiment, the form of the secondary battery is described as being a film-clad battery, but the present invention is not limited to this.
まず、フィルム外装電池の基本的な構成の一例について、図1、図2を参照して説明する。なお、本発明の二次電池は、第一の電池要素と第二の電池要素を有するが、以下の説明で「電池要素」として記載している内容は、第一の電池要素と第二の電池要素のいずれにも適用される。 First, an example of a basic configuration of a film-clad battery will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Although the secondary battery of the present invention has the first battery element and the second battery element, the contents described as "battery element" in the following description are the first battery element and the second battery element. It applies to any of the battery elements.
フィルム外装電池50は、図1、図2に示すように、電池要素20と、それを収容するフィルム外装体10と、電池要素20に接続されるとともにフィルム外装体10の外部に引き出された正極タブ21および負極タブ25(以下、これらを単に「電極タブ」ともいう)とを備えている。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the film-
電池要素20は、それぞれ電極材料が両面に塗布された金属箔からなる複数の正極と複数の負極とがセパレータを間に挟んで交互に積層されたものである。電池要素20の全体的な外形は、特に限定されるものではないが、この例では偏平な略直方体である。また、電極材料は金属箔の片面のみに塗布されてもよい。正極および負極の数は、それぞれ単数であってもよい。
The
詳細な図示は省略するが、正極および負極はそれぞれ外周の一部に部分的に突出した延長部を有している。正極の延長部と負極の延長部とは、正極および負極を積層したときに互いに干渉しないように位置をずらして互い違いに配置されている。すべての負極の延長部は一つに集められて負極タブと接続され、同様に、正極に関しても、すべての正極の延長部が一つに集められて正極タブと接続される。電極タブと延長部との接続は溶接によって行なわれてもよい。 Although detailed illustration is omitted, each of the positive electrode and the negative electrode has an extended portion that partially protrudes from a part of the outer periphery. The extension part of the positive electrode and the extension part of the negative electrode are alternately arranged so as not to interfere with each other when the positive electrode and the negative electrode are stacked. The extensions of all the negative electrodes are collected together and connected with the negative electrode tab, and likewise, with regard to the positive electrodes, the extensions of all the positive electrodes are collected together and connected with the positive electrode tab. The connection between the electrode tab and the extension may be made by welding.
図3に電池要素20の一態様を示す。電池要素20は、複数の負極31と複数の正極32とがセパレータ33を介して対向配置された構造を有する。負極31と正極32は、それぞれ負極タブ25と正極タブ26に接続するために、活物質層が形成されていない部分を有している。
FIG. 3 shows one embodiment of the
次に、本実施形態の二次電池の構成について説明する。なお、本明細書においては、第一の電池要素と電解液とが外装体内に収容された二次電池を「本体セル」、第二の電池要素と電解液とが外装体内に収容された二次電池を「保護用セル」と記載する。 Next, the configuration of the secondary battery of the present embodiment will be described. In the present specification, the secondary battery in which the first battery element and the electrolytic solution are contained in the outer package is referred to as the “main cell”, and the second battery element and the electrolytic solution are contained in the outer package. The secondary battery is referred to as "protective cell".
本実施形態においては、本体セルと保護用セルが、それぞれ独立した二次電池を構成していてもよいし、本体セルに保護用セルが内蔵されていてもよい。あるいは、第一の電池要素と第二の電池要素とが共通の電解液とともに、同じ外装体内に収容されて1つの二次電池を構成してもよい。なお、本実施形態の二次電池は第一の電池要素と第二の電池要素を少なくとも1つずつ有していればよく、どちらか一方または両方を、複数有してもよい。 In the present embodiment, the main body cell and the protection cell may constitute independent secondary batteries, or the protection cell may be built in the main body cell. Alternatively, the first battery element and the second battery element may be accommodated in the same package together with a common electrolyte to constitute one secondary battery. In addition, the secondary battery of this embodiment should just have at least 1 1st battery element and 2nd battery element, and may have either one or both.
後で詳述するように、本実施形態においては、第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度が、第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度より低いため、二次電池の温度が過度に上昇したとき、第二の電池要素中の正極活物質が、第一の電池要素中の正極活物質より先に熱分解し、その際放出される熱により第二の電池要素内の温度がさらに上昇して熱暴走する。熱暴走の進行により第二の電池要素中のセパレータが溶融収縮し、第二の電池要素中の正極と負極が短絡する。この第二の電池要素中の正極と負極との短絡が、第一の電池要素の熱暴走反応が発生する前に生じ、第一の電池要素中の電極タブ間が短絡して電池エネルギーが放電消費される。すなわち、本実施形態においては、第二の電池要素中の正極と負極とが短絡することにより、第一の電池要素を含む二次電池全体の発熱の進行および短絡を防ぎ、安全性の高い二次電池を提供することができる。 As will be described in detail later, in the present embodiment, the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the second battery element is the average heat of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the first battery element. Since the temperature is lower than the decomposition temperature, when the temperature of the secondary battery is excessively increased, the positive electrode active material in the second battery element is pyrolyzed earlier than the positive electrode active material in the first battery element, and the release occurs at that time Due to the heat generated, the temperature in the second battery element further rises to cause thermal runaway. The progress of thermal runaway causes the separator in the second battery element to melt and shrink, and the positive electrode and the negative electrode in the second battery element are shorted. The short-circuit between the positive electrode and the negative electrode in the second battery element occurs before the thermal runaway reaction of the first battery element occurs, and the battery tab discharges due to a short circuit between the electrode tabs in the first battery element. Is consumed. In other words, in the present embodiment, the positive electrode and the negative electrode in the second battery element are short-circuited, thereby preventing the heat generation and short circuit of the entire secondary battery including the first battery element, and the high safety of the second battery element. A secondary battery can be provided.
本発明の二次電池の一実施形態を図4Aに示す。図4Aにおいては、第一の電池要素41の正極タブ43と負極タブ44の間に、保護用セルまたは第二の電池要素42が電気的に並列に接続されている。42は、第二の電池要素と電解液とが外装体内に収容された保護用セルであってもよいし、外装体を含まない第二の電池要素のみであってもよい。
One embodiment of the secondary battery of the present invention is shown in FIG. 4A. In FIG. 4A, a protection cell or a
図4Aの42が保護用セルである場合の42の構造の一例を図4Bに示す。保護用セルにおいては、正極421、負極423およびその間に配置されたセパレータ422を有する第二の電池要素が電解液とともに外装体426の中に収容されている。外装体426の外部には正極タブ424と負極タブ425が引き出されている。
An example of the structure of 42 when 42 of FIG. 4A is a protection cell is shown to FIG. 4B. In the protective cell, the second battery element having the
図4Aの42が保護用セルの場合は、この保護用セル42に含まれる電解液と第一の電池要素とは隔離された状態で外装体46内に収容され、本体セルに保護用セルが内蔵された構成となる。
When 42 in FIG. 4A is a protective cell, the electrolyte contained in the
図4Aの42が第二の電池要素のみの場合は、第一の電池要素41と第二の電池要素42とが共通の電解液とともに一緒に外装体46の中に収容され、1つの二次電池を構成する。
When 42 of FIG. 4A is only the second battery element, the
あるいは、本実施形態の別の態様として、第二の電池要素と第一の電池要素が、電解液も外装体も別々に、独立した保護用セルと本体セルをそれぞれ構成し、これらセルが電気的に並列に接続されていてもよい。 Alternatively, as another aspect of the present embodiment, the second battery element and the first battery element separately constitute an independent protective cell and a main body cell in both the electrolyte solution and the outer package, and these cells constitute electricity. Alternatively, they may be connected in parallel.
また、本発明の一実施態様においては、図5に示すように、第一の電池要素または本体セル51の電極タブ間に、抵抗器53が、第二の電池要素または保護用セル52と電気的に直列になるように接続されていてもよい。適当な抵抗値を有する抵抗器が接続されることにより、保護用セルで短絡が生じたときに安全な電流値で放電することができ、二次電池の安全性をさらに高めることができる。
In one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, the
また、本発明の別の一実施態様として、第一の電池要素と第二の電池要素とが積層され、かつ、これら電池要素が電気的に並列に接続された複合電池要素を構成し、この複合電池要素が外装体内に収容されて二次電池を形成してもよい。第一の電池要素と第二の電池要素とは、絶縁体を介して積層されることが好ましい。この複合電池要素の積層構造の一例の模式的断面図を図6AおよびBに示す。 Further, as another embodiment of the present invention, a composite battery element in which a first battery element and a second battery element are stacked and these battery elements are electrically connected in parallel is provided. The composite battery element may be accommodated in the outer package to form a secondary battery. The first battery element and the second battery element are preferably laminated via an insulator. A schematic cross-sectional view of an example of the laminated structure of this composite battery element is shown in FIGS. 6A and 6B.
図6Aの複合電池要素は、第一の電池要素71と第二の電池要素72とその間に配置された絶縁体73とを含む。第一の電池要素71は、複数の負極61と複数の正極63が、セパレータ62を挟みつつ交互に積み重ねられて形成されている。第二の電池要素72は、正極64と負極66がセパレータ65を挟んで積み重ねられて形成されている。正極集電体82は、各正極63および64が有する正極活物質に覆われていない端部で互いに溶接されて電気的に接続され、さらにその溶接箇所に正極タブ83が溶接されている。負極集電体81は、各負極61および66が有する負極活物質に覆われていない端部で互いに溶接されて電気的に接続され、さらにその溶接箇所に負極タブ84が溶接されている。さらに第二の電池要素の正極64と直列に抵抗器67が接続されている。なお、図6Aにおいては、第二の電池要素の電極が、第一の電池要素の電極より小さく図示しているが、電極の大きさは特に限定されない。また、第一の電池要素71に含まれる正極、負極、およびセパレータの数、ならびに第二の電池要素72に含まれる正極、負極、およびセパレータの数は限定されず、それぞれ1つでもあっても複数であってもよい。
The composite battery element of FIG. 6A includes a
本実施形態における複合電池要素の別の態様を図6Bに示す。図6Bの複合電池要素においては、負極68が、第一の電池要素の一部であり、かつ、第二の電池要素の一部でもある。第二の電池要素72は、負極68と正極64とその間に配置されたセパレータ69から構成されており、正極64の大きさ(電極の面積)が負極68より小さくなっている。その他の構成は、図6Aと同様である。
Another aspect of the composite battery element in this embodiment is shown in FIG. 6B. In the composite battery element of FIG. 6B, the
複合電池要素に含まれる第一の電池要素と第二の電池要素の数は特に限定されないが、図6Aおよび図6Bに示すように、複合電池要素の少なくとも1つの最外層が第二の電池要素であることが好ましい。あるいは、複合電池要素の別の態様として、2つの第一の電池要素の間に第二の電池要素が絶縁体を介して配置されていてもよい。 Although the number of the first battery element and the second battery element included in the composite battery element is not particularly limited, as shown in FIGS. 6A and 6B, at least one outermost layer of the composite battery element is the second battery element. Is preferred. Alternatively, as another aspect of the composite battery element, a second battery element may be disposed between the two first battery elements via an insulator.
第一の電池要素と第二の電池要素の間に配置される絶縁体73は、第二の電池要素が熱暴走しても溶融しない高温耐性のものが好ましい。また、絶縁体73は、絶縁体の両側の正極と負極との短絡を防ぐことができる大きさであることが好ましい。絶縁体73は、無孔の絶縁体フィルムであってもよいし、後述する第一の電池要素または第二の電池要素に用いる多孔のセパレータであってもよい。絶縁体が無孔フィルムである場合は、第二の電池要素が過充電等により熱暴走した際、第一の電池要素と第二の電池要素との間で短絡が生じるのを防ぐことができる点で好ましい。一方、第一の電池要素と第二の電池要素とがセパレータを介して積層される場合は、二次電池の通常の使用時において、第二の電池要素と第一の電池要素との間でもリチウムイオンの移動が可能となる点で好ましい。
The
次に、第一の電池要素と第二の電池要素を構成する各要素について説明する。なお、第一の電池要素を構成する要素と第二の電池要素を構成する要素のうち、正極が含む正極活物質の平均熱分解温度は互いに異なるが、それ以外の要素は同一であっても異なっていてもよい。 Next, each element which comprises a 1st battery element and a 2nd battery element is demonstrated. Of the elements constituting the first battery element and the elements constituting the second battery element, the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material contained in the positive electrode is different from each other, but the other elements are the same. It may be different.
<正極>
正極は、金属箔で形成される正極集電体と、正極集電体の両面に塗工された正極活物質とを有するのが好ましい。正極活物質は正極用結着剤によって正極集電体を覆うように結着される。正極集電体は、正極端子と接続する延長部を有して形成され、この延長部には正極活物質は塗工されない。
<Positive electrode>
The positive electrode preferably has a positive electrode current collector made of a metal foil and a positive electrode active material coated on both sides of the positive electrode current collector. The positive electrode active material is bound by the positive electrode binder so as to cover the positive electrode current collector. The positive electrode current collector is formed to have an extension connected to the positive electrode terminal, and the positive electrode active material is not coated on the extension.
正極活物質は、電池の充電が進行してリチウムが結晶格子から引き抜かれると構造が不安定になり、熱分解温度が低下し、リチウムの引き抜き量が多いほど熱分解温度は低くなる。リチウムが引き抜かれた正極活物質を昇温すると所定の温度(熱分解温度)で酸素を放出しながら分解する。 The structure of the positive electrode active material becomes unstable when lithium is extracted from the crystal lattice as charging of the battery proceeds, the thermal decomposition temperature decreases, and the thermal decomposition temperature decreases as the lithium extraction amount increases. When the temperature of the positive electrode active material from which lithium has been extracted is raised, it decomposes while releasing oxygen at a predetermined temperature (thermal decomposition temperature).
本実施形態においては、第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度T2が、第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度T1より低い(すなわちT2<T1)。これにより、過充電または高温保存等により二次電池の温度が上昇したとき、第二の電池要素中の正極活物質が、第一の電池要素の正極活物質より先に熱分解し、その際放出される熱により第二の電池要素内の温度がさらに上昇して熱暴走する。熱暴走の進行により第二の電池要素中のセパレータが溶融収縮し、第二の電池要素中の正極と負極が短絡する。この第二の電池要素中の正極と負極との短絡が、第一の電池要素の熱暴走反応が発生する前に生じ、第一の電池要素中の電極タブ間が短絡して電池エネルギーが放電消費される。すなわち、本実施形態においては、第二の電池要素中の正極と負極とが短絡することにより、第一の電池要素および二次電池全体の発熱の進行および短絡を防ぎ、安全性の高い二次電池を提供することができる。 In the present embodiment, the average thermal decomposition temperature T2 of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the second battery element is lower than the average thermal decomposition temperature T1 of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the first battery element (that is, T2 <T1). As a result, when the temperature of the secondary battery rises due to overcharging or high temperature storage, etc., the positive electrode active material in the second battery element is pyrolyzed earlier than the positive electrode active material of the first battery element. The heat released further raises the temperature in the second battery element to cause thermal runaway. The progress of thermal runaway causes the separator in the second battery element to melt and shrink, and the positive electrode and the negative electrode in the second battery element are shorted. The short-circuit between the positive electrode and the negative electrode in the second battery element occurs before the thermal runaway reaction of the first battery element occurs, and the battery tab discharges due to a short circuit between the electrode tabs in the first battery element. Is consumed. That is, in the present embodiment, the positive electrode and the negative electrode in the second battery element are short-circuited to prevent the heat generation and short circuit of the first battery element and the entire secondary battery, and the secondary battery is highly safe. A battery can be provided.
ここで、
第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度T1は、下記式(1):
T1=(s1p1+s2p2+・・・+srpr)/(p1+p2+・・・+pr) 式(1)
[式(1)において、T1は、第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度、srは、第一の電池要素の正極を構成するr番目の正極活物質の熱分解温度、prは、第一の電池要素の正極を構成するr番目の正極活物質の含有量(モル)、rは第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の種類数であり正の整数を表す。]
により求めることができ、
第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度T2は下記式(2):
T2=(t1m1+t2m2+・・・+tnmn)/(m1+m2+・・・+mn) 式(2)
[式(2)において、T2は、第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度、tnは、第二の電池要素の正極を構成するn番目の正極活物質の熱分解温度、mnは、第二の電池要素の正極を構成するn番目の正極活物質の含有量(モル)、nは第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の種類数であり、正の整数を表す。]
により求めることができる。
here,
The average thermal decomposition temperature T1 of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the first battery element is represented by the following formula (1):
T1 = (s 1 p 1 + s 2 p 2 +... + S r pr ) / (p 1 + p 2 +... + P r ) Equation (1)
[In the formula (1),
Can be determined by
The average thermal decomposition temperature T2 of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the second battery element is represented by the following formula (2):
T2 = (t 1 m 1 + t 2 m 2 +... + T n m n ) / (m 1 + m 2 +... + M n ) Formula (2)
[In the formula (2), T2 is the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the second battery element, t n is the nth positive electrode active material constituting the positive electrode of the second battery element The thermal decomposition temperature, m n is the content (mol) of the nth positive electrode active material constituting the positive electrode of the second battery element, n is the number of types of positive electrode active materials constituting the positive electrode of the second battery element Yes, it represents a positive integer. ]
It can be determined by
本明細書において、正極活物質の熱分解温度とは、該正極活物質を含む正極と金属リチウムの負極電極を有するリチウムイオン二次電池が通常使用される範囲の中での満充電の状態、好ましくは4.2Vまで充電された状態にあるとき、正極活物質中の酸素が脱離して放出され始める温度(酸素脱離開始温度)のことをいう。熱分解温度は、一般に、DSC(示差走査熱量測定)、または、ARC(accelerating rate calorimeter、加速速度熱量計)を用いて測定することができる。 In the present specification, the thermal decomposition temperature of the positive electrode active material is a fully charged state in a range where a lithium ion secondary battery having a positive electrode containing the positive electrode active material and a negative electrode of metal lithium is generally used. The temperature refers to the temperature at which oxygen in the positive electrode active material begins to be released and released (oxygen desorption initiation temperature) when preferably charged to 4.2 V. In general, the pyrolysis temperature can be measured using DSC (differential scanning calorimetry) or ARC (accelerating rate calorimeter).
本実施形態においては、T2<T1であればよいが、安全性の観点から、T1とT2の温度差(T1−T2)が5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましい。 In this embodiment, T2 <T1 is sufficient, but from the viewpoint of safety, the temperature difference (T1-T2) between T1 and T2 is preferably 5 ° C. or more, and more preferably 10 ° C. or more. preferable.
本実施形態において、正極活物質の種類と含有量は、上記のとおり、第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度T2が、第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度T1より低くなるように選択することができる。 In the present embodiment, as for the type and content of the positive electrode active material, as described above, the average thermal decomposition temperature T2 of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the second battery element constitutes the positive electrode of the first battery element. It can be selected to be lower than the average thermal decomposition temperature T1 of the positive electrode active material.
正極活物質としては、LiMnO2、LixMn2O4(0<x<2)、Li2MnO3、LixMn1.5Ni0.5O4(0<x<2)等の層状構造を持つマンガン酸リチウムまたはスピネル構造を有するマンガン酸リチウム、LiCoO2、LiNiO2またはこれらの遷移金属の一部を他の金属で置き換えたもの、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2などの特定の遷移金属が半数を超えないリチウム遷移金属酸化物、これらのリチウム遷移金属酸化物において化学量論組成よりもLiを過剰にしたもの、LiFePO4などのオリビン構造を有するもの、等が挙げられる。また、これらの金属酸化物に、Al、Fe,P,Ti、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La等により一部置換した材料も使用することができる。特に、LiαNiβCoγAlδO2(1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.7、γ≦0.2)またはLiαNiβCoγMnδO2(1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.6、γ≦0.2)が好ましい。正極活物質は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。 As the positive electrode active material, layered structures such as LiMnO 2 , LixMn 2 O 4 (0 <x <2), Li 2 MnO 3 , Li x Mn 1.5 Ni 0.5 O 4 (0 <x <2), etc. Lithium manganate or lithium manganate having a spinel structure, LiCoO 2 , LiNiO 2 or some of these transition metals replaced with another metal, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 etc. Lithium transition metal oxides in which the number of specific transition metals does not exceed half, lithium in excess of the stoichiometric composition in these lithium transition metal oxides, those having an olivine structure such as LiFePO 4 , and the like are listed. Be In addition, these metal oxides were partially substituted with Al, Fe, P, Ti, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn, La, etc. Materials can also be used. In particular, Li α Ni β Co γ Al δ O 2 (1 ≦ α ≦ 1.2, β + γ + δ = 1, β ≧ 0.7, γ ≦ 0.2) or Li α Ni β Co γ Mn δ O 2 (1 ≦ α ≦ 1.2, β + γ + δ = 1, β ≧ 0.6, γ ≦ 0.2) is preferable. The positive electrode active materials can be used alone or in combination of two or more.
また、ラジカル材料等を正極活物質として用いることも可能である。 A radical material or the like can also be used as the positive electrode active material.
層状岩塩構造を有するLiMO2(Mは遷移金属)は、結晶構造の安定性が高いスピネル構造を有する化合物よりも熱分解温度が低いため、本実施形態においては、第二の電池要素の正極が、層状岩塩構造を有する化合物を正極活物質として含むことが好ましい。また、層状岩塩構造を有する化合物は熱暴走速度が大きいため、第二の電池要素がこれを含むことにより、二次電池の過剰な発熱をより早く感知し、二次電池全体の安全を確実に確保できる。第二の電池要素の正極に含まれる層状岩塩構造を有する正極活物質として、具体的には、ニッケル酸リチウム(LiNiO2);LiNiO2のNiの一部を他の金属(好ましくはCo、Al、Mn、Mg、Zr、TiおよびZnからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素、より好ましくはCo、AlおよびMnから選ばれる少なくとも1つの元素)で置き換えられた正極活物質;コバルト酸リチウム(LiCoO2);LiCoO2のCoの一部を、他の元素(好ましくはNi,Al、Mn、Mg、Zr、TiおよびZnからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素、より好ましくはNi、AlおよびMnからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素)で置き換えられた正極活物質が挙げられる。ニッケル酸リチウムのニッケルの一部を他の元素で置換された正極活物質、または、コバルト酸リチウムのコバルトの一部を他の元素で置換された正極活物質の好ましい態様として、LiαNiβCoγAlδO2(1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.7、0<γ≦0.2、δ>0)およびLiαNiβCoγMnδO2(1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.6、0<γ≦0.2、δ>0)が挙げられ、さらに具体的には、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2およびLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2等が挙げられる。これらのうち、LiCoO2を含むことが特に好ましい。本発明の一実施形態として、第二の電池要素の正極に含まれる正極活物質のうち、LiCoO2を10モル%以上含むことが好ましく、20モル%以上含むことがより好ましく、50モル%以上含むことがさらに好ましく、100モル%であってもよい。 Since LiMO 2 (M is a transition metal) having a layered rock salt structure has a lower thermal decomposition temperature than a compound having a spinel structure with high crystal structure stability, in this embodiment, the positive electrode of the second battery element is It is preferable to include a compound having a layered rock salt structure as a positive electrode active material. In addition, since the compound having a layered rock salt structure has a high thermal runaway rate, the second battery element includes it to sense an excess heat generation of the secondary battery more quickly and ensure safety of the entire secondary battery. Can be secured. As a positive electrode active material having a layered rock salt structure included in the positive electrode of the second battery element, specifically, lithium nickelate (LiNiO 2 ); a part of Ni of LiNiO 2 with another metal (preferably Co, Al) A positive electrode active material substituted by at least one element selected from the group consisting of Mn, Mg, Zr, Ti and Zn, more preferably at least one element selected from Co, Al and Mn; lithium cobaltate (LiCoO 2) 2 ); Part of Co of LiCoO 2 is at least one element selected from the group consisting of other elements (preferably Ni, Al, Mn, Mg, Zr, Ti and Zn), more preferably Ni, Al and Mn And at least one element selected from the group consisting of As a preferable embodiment of a positive electrode active material in which a part of nickel of lithium nickelate is substituted by another element, or a positive electrode active material in which a part of cobalt of lithium cobaltate is substituted by another element, Li α Ni β Co γ Al δ O 2 (1 ≦ α ≦ 1.2, β + γ + δ = 1, β ≧ 0.7, 0 <γ ≦ 0.2, δ> 0) and Li α Ni β Co γ Mn δ O 2 (1 ≦ α ≦ 1.2, β + γ + δ = 1, β ≧ 0.6, 0 <γ ≦ 0.2, δ> 0), and more specifically, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0. 05 O 2 and LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 and the like can be mentioned. Among these, it is particularly preferable that LiCoO 2 is included. Among the positive electrode active materials contained in the positive electrode of the second battery element according to an embodiment of the present invention, it is preferable to contain 10 mol% or more of LiCoO 2 , more preferably 20 mol% or more, and 50 mol% or more More preferably, it may contain 100 mol%.
本実施形態においては、正極を構成する要素のうち、正極活物質以外は、第一の電池要素と第二の電池要素とで同一であっても異なっていてもよい。 In the present embodiment, the elements constituting the positive electrode other than the positive electrode active material may be the same or different between the first battery element and the second battery element.
正極用結着剤としては、負極用結着剤と同様のものを用いることができる。使用する正極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」の観点から、正極活物質100質量部に対して、2〜15質量部が好ましい。 As the positive electrode binder, the same negative electrode binder can be used. The amount of the positive electrode binder to be used is preferably 2 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material from the viewpoint of "sufficient binding ability" and "high energy" in a trade-off relationship. .
正極集電体としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、銀、又はそれらの合金を用いることができる。正極集電体の形状としては、例えば、箔、平板状、メッシュ状が挙げられる。正極集電体としては、アルミニウム箔を好適に用いることができる。 As the positive electrode current collector, for example, aluminum, nickel, silver, or an alloy thereof can be used. Examples of the shape of the positive electrode current collector include a foil, a flat plate, and a mesh. As the positive electrode current collector, an aluminum foil can be suitably used.
正極活物質の塗工層には、インピーダンスを低下させる目的で、導電補助材を添加してもよい。導電補助材としては、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子が挙げられる。 A conductive auxiliary material may be added to the coating layer of the positive electrode active material for the purpose of reducing impedance. Examples of the conductive auxiliary material include carbonaceous fine particles such as graphite, carbon black, and acetylene black.
<負極>
負極は、金属箔で形成される負極集電体と、負極集電体の両面に塗工された負極活物質とを有することが好ましい。負極活物質は負極用結着材によって負極集電体を覆うように結着される。負極集電体は、負極端子と接続する延長部を有して形成され、この延長部には負極活物質は塗工されない。
<Negative electrode>
The negative electrode preferably has a negative electrode current collector made of a metal foil and a negative electrode active material coated on both sides of the negative electrode current collector. The negative electrode active material is bound by the negative electrode binder so as to cover the negative electrode current collector. The negative electrode current collector is formed to have an extension connected to the negative electrode terminal, and the negative electrode active material is not coated on the extension.
本実施形態における負極活物質は、特に制限されるものではなく、例えば、リチウムイオンを吸蔵、放出し得る炭素材料、リチウムと合金可能な金属、およびリチウムイオンを吸蔵、放出し得る金属酸化物等が挙げられる。 The negative electrode active material in the present embodiment is not particularly limited. For example, a carbon material capable of absorbing and desorbing lithium ions, a metal capable of alloying with lithium, and a metal oxide capable of absorbing and desorbing lithium ions Is mentioned.
炭素材料としては、例えば、炭素、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、カーボンナノチューブ、またはこれらの複合物等が挙げられる。ここで、結晶性の高い炭素は、電気伝導性が高く、銅などの金属からなる負極集電体との接着性および電圧平坦性が優れている。一方、結晶性の低い非晶質炭素は、体積膨張が比較的小さいため、負極全体の体積膨張を緩和する効果が高く、かつ結晶粒界や欠陥といった不均一性に起因する劣化が起きにくい。 As a carbon material, carbon, amorphous carbon, diamond-like carbon, a carbon nanotube, or these composites etc. are mentioned, for example. Here, carbon having high crystallinity has high electrical conductivity, and is excellent in adhesion to a negative electrode current collector made of a metal such as copper and voltage flatness. On the other hand, since amorphous carbon having low crystallinity has a relatively small volume expansion, it has a high effect of relaxing the volume expansion of the entire negative electrode, and deterioration due to non-uniformity such as crystal grain boundaries and defects hardly occurs.
金属や金属酸化物を含有する負極は、エネルギー密度を向上でき、電池の単位重量あたり、あるいは単位体積あたりの容量を増やすことができる点で好ましい。 A negative electrode containing a metal or metal oxide is preferable in that it can improve energy density and increase the capacity per unit weight or unit volume of the battery.
金属としては、例えば、Al、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La、またはこれらの2種以上の合金等が挙げられる。また、これらの金属又は合金は2種以上混合して用いてもよい。また、これらの金属又は合金は1種以上の非金属元素を含んでもよい。 Examples of the metal include Al, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn, La, an alloy of two or more of these, and the like. Moreover, you may use these metals or alloys in mixture of 2 or more types. Also, these metals or alloys may contain one or more nonmetallic elements.
金属酸化物としては、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化リチウム、またはこれらの複合物等が挙げられる。本実施形態では、負極活物質として酸化スズ若しくは酸化シリコンを含むことが好ましく、酸化シリコンを含むことがより好ましい。これは、酸化シリコンは、比較的安定で他の化合物との反応を引き起こしにくいからである。また、金属酸化物に、窒素、ホウ素およびイオウの中から選ばれる一種または二種以上の元素を、例えば0.1〜5質量%添加することもできる。こうすることで、金属酸化物の電気伝導性を向上させることができる。 Examples of the metal oxide include silicon oxide, aluminum oxide, tin oxide, indium oxide, zinc oxide, lithium oxide, or a composite thereof. In this embodiment, it is preferable that tin oxide or silicon oxide is included as a negative electrode active material, and it is more preferable that silicon oxide is included. This is because silicon oxide is relatively stable and hardly causes a reaction with other compounds. In addition, one or two or more elements selected from nitrogen, boron and sulfur can be added to the metal oxide, for example, 0.1 to 5% by mass. By this, the electrical conductivity of the metal oxide can be improved.
また、負極活物質は、単独の材料を用いずに、複数の材料を混合して用いることもできる。例えば、黒鉛と非晶質炭素のように、同種の材料同士を混合しても良いし、黒鉛とシリコンのように、異種の材料を混合しても構わない。 Further, the negative electrode active material can be used by mixing a plurality of materials without using a single material. For example, the same kind of materials such as graphite and amorphous carbon may be mixed, or different kinds of materials such as graphite and silicon may be mixed.
負極用結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル酸等を用いることができる。使用する負極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」の観点から、負極活物質100質量部に対して、0.5〜25質量部が好ましい。 The binder for the negative electrode is not particularly limited, and examples thereof include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, and styrene-butadiene copolymer. Rubber, polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamideimide, polyacrylic acid, or the like can be used. The amount of the binder for the negative electrode to be used is 0.5 to 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material from the viewpoint of "sufficient binding ability" and "high energy" in a trade-off relationship. Is preferred.
負極集電体としては、電気化学的な安定性から、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、クロム、銅、銀、およびそれらの合金が好ましい。その形状としては、箔、平板状、メッシュ状が挙げられる。 As the negative electrode current collector, aluminum, nickel, stainless steel, chromium, copper, silver, and their alloys are preferable from the viewpoint of electrochemical stability. Examples of the shape include foil, flat plate, and mesh.
<セパレータ>
セパレータとしては、有機材料からなるウェブおよびシート、例えば、ポリアミド、ポリイミド、セルロースなどの織布、不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系、ポリアミド、ポリイミド、多孔性ポリフッ化ビニリデン膜等の多孔性ポリマー膜、またはイオン伝導性ポリマー電解質膜等を用いることができる。これらは単独または組み合わせで使用することができる。
<Separator>
The separator may be a web or sheet made of an organic material, for example, a woven fabric of polyamide, polyimide, cellulose or the like, a non-woven fabric, a polyolefin type such as polyethylene or polypropylene, a porous polymer membrane such as polyamide, polyimide, porous polyvinylidene fluoride membrane Alternatively, an ion conductive polymer electrolyte membrane or the like can be used. These can be used alone or in combination.
また、セパレータとして、セラミックやガラスなどの無機材料からなるセパレータを使用することもできる。無機セパレータとしては、アルミナ、アルミナ−シリカ、チタン酸カリウム等のセラミック短繊維からなる不織布セパレータ;織物、不織布、紙または多孔質のフィルムからなる基材と耐熱性含窒素芳香族重合体およびセラミック粉末を含む層とからなるセパレータ;表面の一部に耐熱層が設けられており、この耐熱層が、セラミック粉末を含有する多孔質薄膜層、耐熱性樹脂の多孔質薄膜層、またはセラミック粉末と耐熱性樹脂の複合体からなる多孔質薄膜層セパレータ;セラミック物質の1次粒子の一部が焼結もしくは溶解再結晶結合されてなる2次粒子がバインダーによって結合されてなる多孔膜の層を備えるセパレータ;ポリオレフィン多孔質膜から成る基材層と、この基材層の片面又は両面に形成された耐熱絶縁層を備え、この耐熱絶縁層が、耐酸化性セラミックス粒子と耐熱性樹脂を含むセパレータ;セラミックス物質とバインダーが結合して形成される多孔性膜を含み、セラミックス物質として、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、ジルコニウム酸化物(ZrO2)、チタン酸化物(TiO2)、シリコン(Si)の窒化物、アルミニウム(Al)の水酸化物、ジルコニウム(Zr)のアルコキシド化物、またはチタン(Ti)のケトン化合物を用いたセパレータ;および、ポリマー基材と、このポリマー基材に形成されたAl2O3、MgO、TiO2、Al(OH)3、Mg(OH)2、Ti(OH)4のセラミック含有コーティング層を含むセパレータなどが挙げられる。本実施形態においては、第一の電池要素が高融点の耐熱性セパレータを含むことが好ましい場合がある。 In addition, as the separator, a separator made of an inorganic material such as ceramic or glass can also be used. Nonwoven separators made of ceramic short fibers such as alumina, alumina-silica, potassium titanate and the like as inorganic separators; Fabrics, non-woven fabrics, base materials made of paper or porous films, heat-resistant nitrogen-containing aromatic polymers and ceramic powders A heat-resistant layer is provided on part of the surface, and the heat-resistant layer is a porous thin film layer containing a ceramic powder, a porous thin film layer of a heat-resistant resin, or a ceramic powder and a heat-resistant layer Thin film layer separator comprising a composite of a hydrophobic resin; a separator comprising a porous film layer in which secondary particles obtained by sintering or dissolving / recrystallizing a part of primary particles of ceramic material are bound by a binder A substrate layer made of a polyolefin porous membrane, and a heat-resistant insulating layer formed on one or both sides of the substrate layer. Insulating layer, the separator comprises an oxidation-resistant ceramic particles and heat-resistant resin; wherein a porous membrane ceramic material and the binder is formed by combining, as the ceramic material, silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3 ), Zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), nitride of silicon (Si), hydroxide of aluminum (Al), alkoxide of zirconium (Zr), or ketone of titanium (Ti) A separator using a compound; and a polymer base and a ceramic of Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , Al (OH) 3 , Mg (OH) 2 , Ti (OH) 4 formed on the polymer base The separator etc. which contain a containing coating layer are mentioned. In the present embodiment, it may be preferable that the first battery element includes a high melting point heat-resistant separator.
本実施形態において、第一の電池要素に含まれるセパレータと、第二の電池要素に含まれるセパレータとは、同一であっても異なっていてもよいが、第二の電池要素に含まれるセパレータの融点が、第一の電池要素に含まれるセパレータの融点より低いと、二次電池の温度が過度に上昇したとき、第二の電池要素を早く短絡させることができ、好ましい場合がある。 In the present embodiment, the separator included in the first battery element and the separator included in the second battery element may be the same or different, but the separator included in the second battery element When the melting point is lower than the melting point of the separator included in the first battery element, when the temperature of the secondary battery is excessively increased, the second battery element can be short-circuited quickly, which may be preferable.
次に、上記電池要素とともに本実施形態の二次電池を構成する電解液、外装体、抵抗器等について説明する。 Next, an electrolytic solution, an exterior body, a resistor, and the like that constitute the secondary battery of this embodiment together with the battery element will be described.
<電解液>
本実施形態で用いる電解液としては、リチウム塩(支持塩)と、この支持塩を溶解する非水溶媒を含む非水電解液を用いることができる。
<Electrolyte solution>
As the electrolytic solution used in the present embodiment, a non-aqueous electrolytic solution containing a lithium salt (supporting salt) and a non-aqueous solvent that dissolves the supporting salt can be used.
非水溶媒としては、炭酸エステル(鎖状又は環状カーボネート)、カルボン酸エステル(鎖状又は環状カルボン酸エステル)、リン酸エステル等の非プロトン性有機溶媒を用いることができる。 As the non-aqueous solvent, an aprotic organic solvent such as a carbonic acid ester (chain or cyclic carbonate), a carboxylic acid ester (chain or cyclic carboxylic acid ester), or a phosphoric acid ester can be used.
炭酸エステル溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類;プロピレンカーボネート誘導体が挙げられる。 As a carbonate solvent, cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), etc .; dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), chain carbonates such as dipropyl carbonate (DPC); and propylene carbonate derivatives.
カルボン酸エステル溶媒としては、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類が挙げられる。 Examples of carboxylic acid ester solvents include aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate and ethyl propionate; and lactones such as γ-butyrolactone.
これらの中でも、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(MEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の炭酸エステル(環状または鎖状カーボネート類)が好ましい。 Among these, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (MEC), dipropyl carbonate Carbonates (cyclic or linear carbonates) such as (DPC) are preferred.
リン酸エステルとしては、例えば、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリオクチル、リン酸トリフェニル等が挙げられる。 Examples of phosphoric acid esters include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tripropyl phosphate, trioctyl phosphate, triphenyl phosphate and the like.
また、非水電解液に含有できる溶媒としては、その他にも、例えば、エチレンサルファイト(ES)、プロパンサルトン(PS)、ブタンスルトン(BS)、Dioxathiolane−2,2−dioxide(DD)、スルホレン、3−メチルスルホレン、スルホラン(SL)、無水コハク酸(SUCAH)、無水プロピオン酸、無水酢酸、無水マレイン酸、ジアリルカーボネート(DAC)、2,5−ジオキサヘキサンニ酸ジメチル、2,5−ジオキサヘキサンニ酸ジメチル、フラン、2,5−ジメチルフラン、ジフェニルジサルファイド(DPS)、ジメトキシエタン(DME)、ジメトキシメタン(DMM)、ジエトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン、クロロエチレンカーボネート、ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、メチルプロピルエーテル、エチルプロピルエーテル、ジプロピルエーテル、メチルブチルエーテル、ジエチルエーテル、フェニルメチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2−MeTHF)、テトラヒドロピラン(THP)、1,4−ジオキサン(DIOX)、1,3−ジオキソラン(DOL)、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、イソプロピルアセテート、ブチルアセテート、メチルジフルオロアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、プロピルプロピオネート、メチルフォルメイト、エチルフォルメイト、エチルブチレート、イソプロピルブチレート、メチルイソブチレート、メチルシアノアセテート、ビニルアセテート、ジフェニルジスルフィド、ジメチルスルフィド、ジエチルスルフィド、アジポニトリル、バレロニトリル、グルタロニトリル、マロノニトリル、スクシノニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、イソブチロニトリル、ビフェニル、チオフェン、メチルエチルケトン、フルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、カーボネート電解液、グライム、エーテル、アセトニトリル、プロピオンニトリル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、ジメチルスルホキシド(DMSO)イオン液体、ホスファゼン、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、又は、これらの化合物の一部の水素原子がフッ素原子で置換されたものが挙げられる。 Other solvents that can be contained in the non-aqueous electrolyte include, for example, ethylene sulfite (ES), propane sultone (PS), butane sultone (BS), dioxathilane-2,2-dioxide (DD), and sulfolene. , 3-Methylsulfolene, sulfolane (SL), succinic anhydride (SUCAH), propionic anhydride, acetic anhydride, acetic anhydride, maleic anhydride, diallyl carbonate (DAC), dimethyl 2,5-dioxahexanenoate, 2,5 -Dioxahexanoate dimethylate, furan, 2,5-dimethyl furan, diphenyl disulfide (DPS), dimethoxyethane (DME), dimethoxymethane (DMM), diethoxyethane (DEE), ethoxymethoxyethane, chloroethylene carbonate , Dimethyl ether, methyl ether Ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, dipropyl ether, methyl butyl ether, diethyl ether, phenyl methyl ether, tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF), tetrahydropyran (THP), 1,4-dioxane (DIOX), 1,3-dioxolane (DOL), methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, isopropyl acetate, butyl acetate, methyl difluoroacetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, methyl formate Ethylformate, Ethylbutyrate, Isopropylbutyrate, Methylisobutyrate, Methylcyanoacetate, Vinyl Acetate, Dipheny Disulfide, dimethyl sulfide, diethyl sulfide, adiponitrile, valeronitrile, glutaronitrile, malononitrile, succinonitrile, pimeronitrile, suberonitrile, isobutyronitrile, biphenyl, thiophene, methyl ethyl ketone, fluorobenzene, hexafluorobenzene, carbonate electrolyte, glyme , Ether, acetonitrile, propiononitrile, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, dimethyl sulfoxide (DMSO) ionic liquid, phosphazene, methyl formate, methyl acetate, ethyl propionate and other aliphatic carboxylic acid esters, or these compounds In which a part of the hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms.
非水溶媒は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。 The non-aqueous solvents can be used alone or in combination of two or more.
本実施形態における支持塩としては、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2等の通常のリチウムイオン電池に使用可能なリチウム塩を用いることができる。支持塩は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。 As the supporting salt in the present embodiment, LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN ( Lithium salts usable for ordinary lithium ion batteries such as CF 3 SO 2 ) 2 can be used. The supporting salts can be used alone or in combination of two or more.
<外装体>
外装体としては、電解液に安定で、かつ十分な水蒸気バリア性を持つものであれば、適宜選択することができる。例えば、積層ラミネート型の二次電池の場合、外装体としては、アルミニウムと樹脂のラミネートフィルムを用いることが好ましい。外装体は、単一の部材で構成してもよいし、複数の部材を組み合わせて構成してもよい。
<Exterior body>
The exterior body can be appropriately selected as long as it is stable to the electrolytic solution and has a sufficient water vapor barrier property. For example, in the case of a laminated laminate type secondary battery, it is preferable to use a laminate film of aluminum and resin as the outer package. The exterior body may be constituted by a single member or may be constituted by combining a plurality of members.
本実施形態では、図1に示すように、フィルム外装体10は、第1のフィルム11とそれに対向配置された第2のフィルム12とで構成されるものであってもよい。フィルム外装体10の輪郭形状は特に限定されるものではないが、四角形であってもよく、この例では長方形となっている。両フィルム11、12は、電池要素20の周囲で互いに熱溶着されて接合されている。これにより、フィルム外装体10の周縁部が熱溶着部15となっている。熱溶着部15のうち短辺側の一辺から、正極タブ21および負極タブ25が引き出されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
<抵抗器>
本実施形態においては、上述のように、第二の電池要素が短絡した際の安全性を確保するため、第二の電池要素と直列に抵抗器を接続してもよい。抵抗器としては、特に限定はされないが、放熱性の高いものが好ましく、シャント抵抗器、セメント抵抗器等が挙げられる。また、抵抗器の抵抗値は、本体セルの容量に応じて決定することができる。例えば、本体セルが4.2V、5Ahであり、第二の電池要素の短絡後15分程度で本体セルのエネルギーを逃がす場合、抵抗器の抵抗値としては210mΩ程度のものを用いることができる。
<Resistor>
In the present embodiment, as described above, a resistor may be connected in series with the second battery element to ensure safety when the second battery element is shorted. Although it does not specifically limit as a resistor, A thing with high heat dissipation is preferable, and a shunt resistor, a cement resistor, etc. are mentioned. Also, the resistance value of the resistor can be determined according to the capacitance of the main cell. For example, when the main cell is at 4.2 V and 5 Ah and the energy of the main cell is dissipated in about 15 minutes after the short circuit of the second battery element, the resistance value of the resistor can be about 210 mΩ.
本発明の二次電池において、第二の電池要素の放電容量は、低容量であることが好ましく、例えば、1Ah以下が好ましく、0.5Ah以下がより好ましく、0.01Ah以上が好ましい。第二の電池要素の放電容量が1Ah以下であると、第二の電池要素が短絡する際に放出される熱量を安全な範囲内に抑えることができる。また、第二の電池要素の放電容量が0.01Ah以上であると、第二の電池要素をより確実に短絡させることができるため、好ましい。 In the secondary battery of the present invention, the discharge capacity of the second battery element is preferably low capacity, for example, preferably 1 Ah or less, more preferably 0.5 Ah or less, and preferably 0.01 Ah or more. When the discharge capacity of the second battery element is 1 Ah or less, the amount of heat released when the second battery element is short-circuited can be suppressed within a safe range. In addition, it is preferable that the discharge capacity of the second battery element is 0.01 Ah or more, because the second battery element can be more reliably short-circuited.
本発明の二次電池の製造方法の一形態として、図4Aで42が保護用セルである場合の態様について説明する。 As an embodiment of the method for producing a secondary battery of the present invention, an embodiment in which 42 is a protective cell in FIG. 4A will be described.
まず、第一の電池要素および第二の電池要素をそれぞれ製造する。各電池要素においては、正極と負極とがセパレータを間に挟んで交互に積層される。正極および負極は、それぞれ、単数であっても複数であってもよい。第二の電池要素に含まれる正極活物質の平均熱分解温度が、第一の電池要素に含まれる正極活物質の平均熱分解温度より低くなるようにする。 First, a 1st battery element and a 2nd battery element are each manufactured. In each battery element, the positive electrode and the negative electrode are alternately stacked with a separator interposed therebetween. The positive electrode and the negative electrode may be single or plural. The average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material contained in the second battery element is lower than the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material contained in the first battery element.
保護用セル42は、第二の電池要素と電解液とを外装体内に封入することにより製造される。続いて、第一の電池要素の正極タブ43と負極タブ44との間に、保護用セル42が第一の電池要素41と電気的に並列になるように接続する。保護用セル42と電気的に直列になるように抵抗器を接続してもよい。続いて、電気的に並列に接続された第一の電池要素と保護用セル42とを一緒に電解液とともに外装体46に封入することにより二次電池を製造することができる。
The
本発明のリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッドカー、電動バイク、電動アシスト自転車などの電動車両にも用いることができる。 The lithium ion secondary battery of the present invention can also be used in an electric vehicle such as an electric car, a hybrid car, an electric bike, and an electric assist bicycle.
また、本発明のリチウムイオン二次電池は、蓄電システムにも用いることができる。蓄電システムは、例えば、一般家庭に供給される商用電源と家電製品等の負荷との間に接続され、停電時等のバックアップ電源や補助電力として使用されるものである。更に、太陽光発電などの、再生可能エネルギーによる時間変動の大きい電力出力を安定化するための、大規模電力貯蔵用としても使用される。 The lithium ion secondary battery of the present invention can also be used for a storage system. The storage system is connected, for example, between a commercial power supply supplied to a general household and a load such as a home appliance, and is used as a backup power supply or auxiliary power at the time of a power failure or the like. Furthermore, it is also used for large-scale power storage to stabilize power output with large time fluctuation due to renewable energy, such as solar power generation.
本発明による電池は、例えば、電源を必要とするあらゆる産業分野、ならびに電気的エネルギーの輸送、貯蔵および供給に関する産業分野にて利用することができる。具体的には、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器の電源;電気自動車、ハイブリッドカー、電動バイク、電動アシスト自転車などの電動車両を含む、電車や衛星や潜水艦などの移動・輸送用媒体の電源;UPSなどのバックアップ電源;太陽光発電、風力発電などで発電した電力を貯める蓄電設備;などに、利用することができる。 The battery according to the present invention can be used, for example, in any industrial field requiring a power source, and in the industrial field related to transport, storage and supply of electrical energy. Specifically, power supplies for mobile devices such as mobile phones and laptops; power supplies for moving and transporting media such as trains, satellites and submarines, including electric vehicles such as electric cars, hybrid cars, electric bikes and electric assist bicycles Backup power supply such as UPS; storage equipment for storing electric power generated by solar power generation, wind power generation, etc .;
10 フィルム外装体
11、12 フィルム
15 熱融着部
20 電池要素
21 正極タブ
25 負極タブ
31 負極
32 正極
33 セパレータ
41 第一の電池要素
42 保護用セルまたは第二の電池要素
43 正極タブ
44 負極タブ
46 外装体
421 正極
422 セパレータ
423 負極
424 正極タブ
425 負極タブ
426 外装体
51 第一の電池要素または本体セル
52 第二の電池要素または保護用セル
53 抵抗器
54 正極タブ
55 負極タブ
61 負極
62 セパレータ
63 正極
64 正極
65 セパレータ
66 負極
67 抵抗器
68 負極
69 セパレータ
71 第一の電池要素
72 第二の電池要素
73 絶縁体
81 負極集電体
82 正極集電体
83 正極タブ
84 負極タブ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第一の電池要素と電気的に並列に接続された第二の電池要素と、
を備え、
前記第二の電池要素は、正極、負極およびその間に配置されたセパレータを有し、
前記第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度が、前記第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度より低く、
前記セパレータは溶融収縮するセパレータであり、
前記第二の電池要素の温度が上昇してセパレータが溶融収縮した場合、前記第二の電池要素中の正極と負極が、前記第一の電池要素中の正極活物質の平均熱分解温度より低い温度において短絡することを特徴とする二次電池。 The first battery element,
A second battery element electrically connected in parallel with the first battery element;
Equipped with a,
The second battery element includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed therebetween.
Average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material constituting the positive electrode before Symbol second battery element, rather low than the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the first battery element,
The separator is a separator that melts and shrinks;
When the temperature of the second battery element rises and the separator melts and contracts, the positive electrode and the negative electrode in the second battery element are lower than the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material in the first battery element A secondary battery characterized by shorting at a temperature .
前記第一の電池要素と、前記セル内の電解液とが隔離されていることを特徴とする請求項1または2に記載の二次電池。 The second battery element is housed in an outer package together with an electrolyte to constitute a cell;
The secondary battery according to claim 1, wherein the first battery element and the electrolyte solution in the cell are isolated.
正極、負極およびその間に配置されたセパレータを有する第二の電池要素を製造する工程と、
前記第一の電池要素と前記第二の電池要素とを電気的に並列に接続する工程とを有し、
前記第二の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度が、前記第一の電池要素の正極を構成する正極活物質の平均熱分解温度より低く、
前記セパレータは溶融収縮するセパレータであり、
前記第二の電池要素の温度が上昇してセパレータが溶融収縮した場合、前記第二の電池要素中の正極と負極が、前記第一の電池要素中の正極活物質の平均熱分解温度より低い温度において短絡することを特徴とする二次電池の製造方法。
Manufacturing a first battery element;
Manufacturing a second battery element having a positive electrode, a negative electrode and a separator disposed therebetween;
Possess a step of electrically connecting in parallel with said second battery element and the first battery element,
The average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the second battery element is lower than the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material constituting the positive electrode of the first battery element ,
The separator is a melt-shrinkable separator,
When the temperature of the second battery element rises and the separator melts and contracts, the positive electrode and the negative electrode in the second battery element are lower than the average thermal decomposition temperature of the positive electrode active material in the first battery element A method of manufacturing a secondary battery, characterized by short-circuiting at a temperature .
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