JP6586169B2 - Secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery.
近年、電気自動車等の動力源として、正極電極と負極電極との間にセパレータを介在させ、これらを捲回して作製した捲回式の電極群を備えたエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。また、高エネルギー化の一方で、安全性の両立が要求されている。本技術分野の背景技術として、特許文献1には、密閉型電池の少なくとも一方の電極に、有機粒子と無機粒子からなる保護層を設けて、異常発熱時に保護層の有機粒子を溶融させて細孔を塞ぐシャットダウン機能を持たせることで、安全性を向上させる技術が掲載されている。 In recent years, as a power source of an electric vehicle or the like, a lithium ion secondary battery having a high energy density provided with a wound electrode group produced by winding a separator between a positive electrode and a negative electrode and winding them. Development is underway. In addition, while achieving higher energy, compatibility with safety is required. As a background art of this technical field, Patent Document 1 discloses that a protective layer made of organic particles and inorganic particles is provided on at least one electrode of a sealed battery, and the organic particles in the protective layer are melted when abnormal heat is generated. A technology that improves safety by providing a shutdown function that closes holes is published.
しかしながら、特許文献1の技術では、保護層に溶融温度が100〜200℃の範囲である有機粒子を用いているので、例えば釘などの鋭利な金属による電池の貫通や圧壊などによる異物を介する内部短絡等によりシャットダウン温度以上の異常発熱状態に陥った場合に、保護層の有機粒子が溶融してシュリンク(収縮)する。正極電極と負極電極との間にはセパレータが介在されているが、セパレータにポリエチレンからなるシャットダウン機能を有するものを用いている場合には、セパレータも溶融してシュリンクする。したがって、正極電極と負極電極との間からセパレータと保護層の両方が流出して、正極電極と負極電極とが部分的に直接接触して二次短絡を引き起こす可能性がある。 However, in the technique of Patent Document 1, since organic particles having a melting temperature in the range of 100 to 200 ° C. are used for the protective layer, for example, the inside through a foreign object due to penetration of the battery or crushing by a sharp metal such as a nail. In the case of an abnormal heat generation state above the shutdown temperature due to a short circuit or the like, the organic particles in the protective layer melt and shrink (shrink). A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode, but when the separator having a shutdown function made of polyethylene is used, the separator is also melted and shrinks. Therefore, both the separator and the protective layer may flow out between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode may be in direct contact with each other to cause a secondary short circuit.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次電池が高温状態に陥ったときにも正極と負極との間に保護層が介在されて、正極と負極との間の二次短絡を回避し、安全性を向上させることができる二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to provide a protective layer between the positive electrode and the negative electrode even when the secondary battery falls into a high temperature state, so that the positive electrode and the negative electrode It is intended to provide a secondary battery that can avoid the secondary short circuit between them and improve safety.
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、正極電極と負極電極とをセパレータを介して積層した電極群を有する二次電池であって、負極電極は、負極合剤層と該負極合剤層の表面に設けられた負極保護層を有し、該負極保護層は、無機フィラーと、樹脂フィラーと、結着材を有し、前記樹脂フィラーの融点は、前記セパレータの融点よりも高いことを特徴とする。 In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted. The present invention includes a plurality of means for solving the above problems. To give one example, the secondary battery includes an electrode group in which a positive electrode and a negative electrode are stacked with a separator interposed therebetween. Has a negative electrode mixture layer and a negative electrode protective layer provided on the surface of the negative electrode mixture layer, and the negative electrode protective layer has an inorganic filler, a resin filler, and a binder. The melting point is higher than the melting point of the separator.
本発明によれば、負極合剤層の表面に設けられた負極保護層が、無機フィラーと、セパレータよりも融点の高い樹脂フィラーと、結着材とを有するので、セパレータの融点以上の異常発熱時に、保護層の樹脂フィラーが軟化して粘着力を発現し、無機フィラーを結着し、保護層の流出を抑制することができる。したがって、セパレータが熱によってシュリンクしても、保護層により正極電極と負極電極との間の2次短絡を抑制することができる。したがって、安全性の高い電池を提供することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the present invention, since the negative electrode protective layer provided on the surface of the negative electrode mixture layer has an inorganic filler, a resin filler having a melting point higher than that of the separator, and a binder, abnormal heat generation above the melting point of the separator. Sometimes, the resin filler of the protective layer softens and develops adhesive strength, binds the inorganic filler, and can suppress the outflow of the protective layer. Therefore, even if the separator shrinks due to heat, the protective layer can suppress a secondary short circuit between the positive electrode and the negative electrode. Therefore, a highly safe battery can be provided. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
本発明は、負極活物質層上にイオン導電性を有し、内部短絡等で異常発熱した際、セパレータ収縮による正極未塗工部と負極塗工部の直接接触を避ける、無機フィラーと樹脂フィラーからなる層を備えた密閉型の二次電池に関する。 The present invention provides an inorganic filler and a resin filler that have ionic conductivity on the negative electrode active material layer and avoid direct contact between the positive electrode uncoated portion and the negative electrode coated portion due to separator contraction when abnormal heat is generated due to an internal short circuit or the like. The present invention relates to a sealed secondary battery including a layer made of
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施例では、扁平捲回式の電極群を有する角形のリチウムイオン二次電池に本発明を適用した場合について説明するが、本発明は、これらの実施例の構成に限定されるものではなく、例えば複数枚の正極電極と負極電極を交互に積層した積層式等、他の形式の電極群を有する二次電池にも適用することができる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following examples, the case where the present invention is applied to a prismatic lithium ion secondary battery having a flat wound electrode group will be described. However, the present invention is limited to the configurations of these examples. For example, the present invention can also be applied to secondary batteries having other types of electrode groups such as a stacked type in which a plurality of positive electrodes and negative electrodes are alternately stacked.
[実施例1]
図1は、角形二次電池の外観斜視図、図2は、角形二次電池の分解斜視図である。
角形二次電池100は、電池缶1および電池蓋6を備える。電池缶1は、相対的に面積の大きい一対の対向する幅広側面1bと相対的に面積の小さい一対の対向する幅狭側面1cとを有する側面と底面1dを有し、その上方に開口部1aを有する。[Example 1]
FIG. 1 is an external perspective view of a prismatic secondary battery, and FIG. 2 is an exploded perspective view of the prismatic secondary battery.
The prismatic
電池缶1内には、捲回群3が収納され、電池缶1の開口部1aが電池蓋6によって封止されている。電池蓋6は、開口部1aを塞ぐ略矩形平板状であって、電池缶1に溶接されて、電池缶1との協働により電池容器を形成する。電池蓋6には、正極外部端子14と、負極外部端子12が設けられている。正極外部端子14と負極外部端子12を介して捲回群3に充電され、また外部負荷に電力が供給される。
A wound group 3 is accommodated in the battery can 1, and an
電池蓋6には、ガス排出弁10が一体的に設けられ、電池容器内の圧力が予め設定された値以上まで上昇すると、ガス排出弁10が開いて内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。これによって、角形二次電池100の安全性が確保される。
The battery cover 6 is integrally provided with a
電池缶1内には、捲回群3が絶縁保護フィルム2に包まれた状態で収容されている。捲回群3は、扁平形状に捲回されているため、断面半円形状の互いに対向する一対の湾曲面部と、これら一対の湾曲面部の間に連続して形成される平坦面部とを有している。捲回群3は、捲回軸方向が電池缶1の横幅方向に沿うように、一方の湾曲面部側から電池缶1内に挿入され、他方の湾曲面部側が開口部1a側に配置される。 In the battery can 1, a wound group 3 is accommodated in an insulating protective film 2. Since the wound group 3 is wound in a flat shape, the wound group 3 has a pair of curved surface portions facing each other and having a semicircular cross section, and a flat surface portion formed continuously between the pair of curved surface portions. ing. The winding group 3 is inserted into the battery can 1 from one curved surface portion side so that the winding axis direction is along the lateral width direction of the battery can 1, and the other curved surface portion side is disposed on the opening 1a side.
捲回群3の正極金属箔露出部34bは、正極集電板44を介して電池蓋6に設けられた正極外部端子14と電気的に接続されている。また、捲回群3の負極金属箔露出部32bは、負極集電板24を介して電池蓋6に設けられた負極外部端子12と電気的に接続されている。これにより、正極集電板44および負極集電板24を介して捲回群3から外部負荷へ電力が供給され、正極集電板44および負極集電板24を介して捲回群3へ外部発電電力が供給され充電される。
The positive electrode metal foil exposed
正極集電板44と負極集電板24、及び、正極外部端子14と負極外部端子12を、それぞれ電池蓋6から電気的に絶縁するために、ガスケット5および絶縁板7が電池蓋6に設けられている。正極外部端子14および正極集電板44の形成素材としては、例えばアルミニウム合金が挙げられ、負極外部端子12および負極集電板24の形成素材としては、例えば銅合金が挙げられる。また、絶縁板7およびガスケット5の形成素材としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材が挙げられる。
In order to electrically insulate the positive electrode
電池蓋6には、電池容器内に電解液を注入するための注液口9が穿設されており、この注液口9は、電解液を電池容器内に注入した後に注液栓11によって封止される。注液栓11は、レーザ溶接により電池蓋6に接合されて注液口9を封止し、角形二次電池100を密閉する。電池容器内に注入される電解液としては、例えばエチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のリチウム塩が溶解された非水電解液を適用することができる。The battery lid 6 is provided with a liquid injection port 9 for injecting the electrolytic solution into the battery container. The liquid injection port 9 is injected by the
正極接続部14a、負極接続部12aは、正極外部端子14、負極外部端子12の下面からそれぞれ突出して先端が電池蓋6の正極側貫通孔46、負極側貫通孔26に挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部14a、負極接続部12aは、電池蓋6を貫通して正極集電板44、負極集電板24の正極集電板基部41、負極集電板基部21よりも電池缶1の内部側に突出しており、先端が“かしめ”られて、正極外部端子14、負極外部端子12と、正極集電板44、負極集電板24を電池蓋6に一体に固定している。正極外部端子14、負極外部端子12と電池蓋6との間には、ガスケット5が介在されており、正極集電板44、負極集電板24と電池蓋6との間には、絶縁板7が介在されている。
The positive
正極集電板44、負極集電板24は、電池蓋6の下面に対向して配置される矩形板状の正極集電板基部41、負極集電板基部21と、正極集電板基部41、負極集電板基部21の側端で折曲されて、電池缶1の幅広面に沿って底面側に向かって延出し、捲回群3の正極金属箔露出部34b、負極金属箔露出部32bに対向して重ね合わされた状態で接続される正極側接続端部42、負極側接続端部22を有している。正極集電板基部41、負極集電板基部21には、正極接続部14a、負極接続部12aが挿通される正極側開口穴43、負極側開口穴23がそれぞれ形成されている。
The positive electrode
図3は、捲回群の一部を展開した状態を示す分解斜視図である。
捲回群3は、負極電極32と正極電極34を間にセパレータ33、35を介して扁平状に捲回することによって構成されている。捲回群3は、最外周の電極が負極電極32であり、さらにその外側にセパレータ33、35が捲回される。セパレータ33、35は、正極電極34と負極電極32との間を絶縁する役割を有している。セパレータ33、35には、電解液が透過可能な複数の微細孔が設けられている。FIG. 3 is an exploded perspective view showing a state in which a part of the wound group is developed.
The winding group 3 is configured by winding the
負極電極32の負極合剤層32a(図5(b)を参照)は、正極電極34の正極合剤層34aよりも幅方向に大きく、正極合剤層34aは、必ず負極合剤層32aの間に挟まれるように構成されている。正極金属箔露出部34bと負極金属箔露出部32bは、それぞれ平面部分で束ねられて溶接等により正極集電板44と負極集電板24に接続される。
The negative
尚、セパレータ33、35は幅方向で負極合剤層32aよりも広いが、正極金属箔露出部34b、負極金属箔露出部32bで端部の金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。また、必要に応じて、捲回群3の最内周に軸芯を配置することも可能である。軸芯としては例えば、正極金属箔、負極金属箔、セパレータ33、35のいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを捲回して構成したものを用いることができる。
Although the
本実施例では、セパレータ33、35には、ポリオレフィン系のセパレータを用いており、具体的には、ポリプロピレン(融点:130℃程度)とポリエチレン(融点:100℃程度)からなるポリオレフィン系多層セパレータを用いた。セパレータの構成は、ポリオレフィン系多層セパレータに限定されるものではなく、ポリプロピレンやポリエチレンからなる単層セパレータやアラミドからなる耐熱セパレータでもよい。
In this embodiment, polyolefin separators are used as the
また、セパレータの少なくとも片面に無機フィラーからなる耐熱性の塗布層を有する構成としてもよい。この無機フィラーには、負極保護層32cが有する無機フィラーと同じものを用いることができる。本発明の所望とする所は、後述する負極電極32に配置されている、負極保護層32cに混合されている樹脂フィラーの融点の方がセパレータよりも高いことが要件である。また、セパレータもシャットダウン機能を有しているほうが、安全性向上の観点からも好ましいと考える。
Moreover, it is good also as a structure which has the heat resistant coating layer which consists of an inorganic filler in the at least single side | surface of a separator. As this inorganic filler, the same inorganic filler as the negative electrode
図4は、本実施例における正極電極の構成を説明する図であり、図4(a)は正極電極の一部を示す正面図、図4(b)は、図4(a)のA−A線断面図である。 4A and 4B are diagrams for explaining the configuration of the positive electrode in this example. FIG. 4A is a front view showing a part of the positive electrode, and FIG. It is A sectional view.
正極電極34は、正極集電体である正極金属箔の両面に正極合剤を塗布した正極合剤層34aを有し、正極金属箔の幅方向一方側の端部には、正極合剤を塗布しない正極金属箔露出部34bが設けられている。正極金属箔露出部34bは、正極金属箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の一方側の位置に配置されるように捲回される。
The
正極電極34に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム(化学式LiMn2O4)100重量部に対し、導電材として10重量部の鱗片状黒鉛と、結着材として10重量部のPVDFとを添加し、これに分散溶媒としてNMPを添加、混練してスラリ状の正極合剤を作製した。このスラリ状の正極合剤を厚さ20μmのアルミニウム箔(正極金属箔)の両面に溶接部である正極金属箔露出部34b(正極未塗工部)を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、アルミニウム箔を含まない正極合剤層34aの厚さ90μmの正極電極34を得た。As for the
また、本実施例では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。 Further, in this example, the case where lithium manganate is used as the positive electrode active material is exemplified, but other lithium manganate having a spinel crystal structure or a lithium manganese composite oxide or layered in which a part is substituted or doped with a metal element A lithium cobalt oxide or lithium titanate having a crystal structure, or a lithium-metal composite oxide obtained by substituting or doping a part thereof with a metal element may be used.
また、本実施例では、正極合剤における結着材としてPVDFを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。 In this example, PVDF was used as the binder in the positive electrode mixture, but polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, polystyrene, polybutadiene, butyl rubber, nitrile rubber, styrene butadiene rubber, and polysulfide rubber. Polymers such as nitrocellulose, cyanoethyl cellulose, various latexes, acrylonitrile, vinyl fluoride, vinylidene fluoride, propylene fluoride, chloroprene fluoride, and acrylic resins, and mixtures thereof can be used.
図5は、負極電極の構成を説明する図であり、図5(a)は、負極電極の一部を示す正面図、図5(b)は、図5(a)のA−A線断面図である。 5A and 5B are diagrams illustrating the configuration of the negative electrode. FIG. 5A is a front view showing a part of the negative electrode, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG.
負極電極32は、負極集電体である負極金属箔の両面に負極活物質を含む負極合剤を塗工して設けられた負極合剤層32aと、負極合剤層32aの表面に設けられた負極保護層32cとを有している。そして、負極金属箔の幅方向他方側の端部には、負極合剤が塗布されていない負極金属箔露出部32bが形成されている。負極金属箔露出部32bは、負極金属箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の他方側の位置に配置されるように捲回される。
The
負極電極32に関しては、負極活物質として黒鉛粉末100重量部に対して、結着材として1重量部のスチレンブタジエンゴム(以下、SBRという。)を添加し、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)を添加し、これに分散溶媒としてH2Oを添加し、混練して負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ10μmの銅箔(負極金属箔)の両面に溶接部である負極金属箔露出部32b(負極未塗工部)を残して塗布し、乾燥、プレスした後、負極保護層32cのスラリを負極合剤層32a上に塗布し、裁断工程を経て、銅箔を含まない負極活物質塗布部の厚さ70μmの負極電極32を得た。Regarding the
尚、本実施形態では、負極合剤を塗布し、乾燥、プレスした後に、負極保護層32cのスラリを負極合剤層32a上に塗布する工法を取ったが、これに限定されるわけではなく、例えば、負極合剤と同時に負極保護層32cのスラリを塗布した後に、プレス、裁断して負極電極32を作製してもよい。
In the present embodiment, the negative electrode mixture is applied, dried and pressed, and then the slurry for the negative electrode
尚、本実施形態では、負極活物質に黒鉛を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料や非晶質炭素やSiやSnなどの化合物(例えば、SiO、TiSi2等)、またはそれの複合材料でもよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。In this embodiment, the case where graphite is used as the negative electrode active material is exemplified, but the present invention is not limited to this. Natural graphite capable of inserting and removing lithium ions, various artificial graphite materials, coke, etc. Carbonaceous materials, amorphous carbon, compounds such as Si and Sn (for example, SiO, TiSi 2 etc.), or composite materials thereof may be used, and the particle shape may be scale-like, spherical, fibrous, massive, etc. There is no particular limitation.
また、負極電極における塗工部の結着材としてSBRを用いる場合について例示したが、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。また、負極電極における塗工部の分散溶媒としてH2Oを用いる場合について例示したが、これに限られたものではなく、例えばポリフッ化ビニリデン(NMP)溶媒を用いてもよい。Moreover, although illustrated about the case where SBR is used as a binder of the coating part in a negative electrode, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, polystyrene, polybutadiene, butyl rubber, nitrile rubber, polysulfide Polymers such as rubber, nitrocellulose, cyanoethyl cellulose, various latexes, acrylonitrile, vinyl fluoride, vinylidene fluoride, propylene fluoride, chloroprene fluoride, and acrylic resins, and mixtures thereof can be used. Further, while an example has been shown where H 2 O is used as a dispersion solvent for the coated portion of the negative electrode, not limited thereto, it may be used such as polyvinylidene fluoride (NMP) solvent.
図6は、実施例1における捲回群の断面図である。
負極電極32は、正極合剤層34aと対向しかつ正極合剤層34aよりも幅広の負極合剤層32aを有している。負極保護層32cは、負極合剤層32aを覆う幅とし、特に正極金属箔露出部34bにセパレータを介して対向する部分において、負極合剤層32aが露出しないように、覆う大きさとなっていることを要件とする。FIG. 6 is a cross-sectional view of the wound group in the first embodiment.
The
次に、本実施例における負極保護層32cについて図7に負極保護層32cの断面イメージ図を用いて説明する。尚、図7の断面イメージ図は、後述する実施例1−2をイメージした構造である。
Next, the negative electrode
負極保護層32cは、保護材として、無機フィラー32c1とセパレータの融点よりも高い融点を持つ樹脂フィラー32c2との混合とし、更に結着材32c3としてSBRと、増粘剤としてCMC(図示せず)と、を含む。これらの混合物に分散溶媒としてH2Oを添加、混練してスラリ状の合剤を作製し、目的の箇所に塗布し乾燥して、分散溶媒を蒸発させることで、およそ5μm程度の厚さを有する負極保護層32cを形成した。尚、本実施例では、負極保護層32cの結着材としてSBRを含み、増粘剤としてCMCを含む場合を例示したが、これに限定されるわけではなく、結着材にPVDFやアクリル系のバインダを用い、溶媒にNMPを用いても良い。The negative electrode
無機フィラー32c1は、例えば酸化鉄、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、ベーマイト(Al2O3水和物)、酸化チタン(TiO2)、チタン酸バリウム(BaTiO2)の少なくともいずれかを有する。本実施例では、無機フィラー32c1にベーマイトを用い、樹脂フィラーの有無や材質および組成比を変化させた電池を作製し効果の検証を行った。効果の検証として、通常使用される範囲外の過酷な内部短絡を模擬するために、φ3mmのSUS製の釘で電池を全貫通させる釘刺し試験を実施した。尚、設定SOCは5%刻みとし、効果の指標には、釘刺し試験における発煙・発火に至らない最高SOCを用いた。The inorganic filler 32c1 is, for example, at least iron oxide, silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), boehmite (Al 2 O 3 hydrate), titanium oxide (TiO 2 ), or barium titanate (BaTiO 2 ). Have one. In this example, boehmite was used for the inorganic filler 32c1, and a battery in which the presence or absence of the resin filler, the material, and the composition ratio were changed was manufactured and the effect was verified. As a verification of the effect, in order to simulate a severe internal short-circuit outside the range normally used, a nail penetration test was conducted in which the battery was completely penetrated with a SUS nail having a diameter of 3 mm. The set SOC was set in increments of 5%, and the highest SOC that did not lead to smoke or ignition in the nail penetration test was used as an effect index.
釘刺し試験による発熱のメカニズムについては、定かでは無いが、仮説の一例を挙げると、釘刺しによる貫通部は、釘を介しての間接短絡だけでなく、釘による電極の破断により、正極電極34の一部と負極電極32の一部とが接触して直接短絡していると思われる。一般的に直接短絡している部分の面積が多いほど、また、SOCが高いほど、短絡時の発熱量は多くなる。これらの発熱によりセパレータ33、35のシュリンクを助長し、かつ、負極保護層32cの構成材料の結着材(SBR)32c3の結着力を低下させる。
The mechanism of heat generation by the nail penetration test is not clear, but as an example of a hypothesis, the penetration portion by the nail penetration is not only indirect short circuit through the nail, but also by the electrode breakage by the nail, the
捲回群3の構造上、セパレータ33、35がシュリンクし、また負極保護層32cの構成材料の結着材32c3の結着力が不十分になり、負極保護層32cの樹脂フィラー32c2が溶融して正極電極34と負極電極32との間から流れ出てしまうと、正極金属箔露出部34bと負極合剤層32aが接触することになり、二次短絡が発生し、終には発火・発煙に至ると考察している。
Due to the structure of the wound group 3, the
ここで、負極保護層32cが十分な絶縁性を保持できていれば、釘刺し破断による正極電極34および負極電極32の接触による短絡を回避し、発熱を抑制することが出来る。また、高いSOC状態では発熱がより多くなるので、セパレータ33、35がシュリンクしやすい状態となるが、負極保護層32cの絶縁性が十分であれば、正極金属箔露出部34bと負極電極32の二次短絡を回避することができ、安全性を確保することができる。
Here, if the negative electrode
本発明が所望とするところは、異常発熱時に十分な絶縁性を確保することであり、図7を用いてメカニズムを説明すると、負極保護層32cの結着材(本実施例ではSBR)32c3は、異常発熱状態になった場合、溶融して結着材としての機能が低下するが、それと同時に、樹脂フィラー32c2が軟化して粘着性を発現し、第二の接着剤としての機能を発揮し、無機フィラー32c1の動きを抑制すると同時に、細孔を塞ぎ絶縁性を向上する。したがって、正極電極34と負極電極32とが直接短絡する2次短絡を回避でき、安全性を向上させることができる。
What the present invention desires is to ensure sufficient insulation during abnormal heat generation. The mechanism will be described with reference to FIG. 7. The binder (SBR in this embodiment) 32c3 of the negative electrode
表1は、負極保護層32cの組成について検討を行った実施例及び比較例とその効果を示すものである。尚、効果比較のため、表1に示す比較例1-1は、図5および図6中の負極保護層32cを配置しないものを作製し、比較例1-2は、負極保護層32cに樹脂フィラー32c2を混合せず、無機フィラー32c1と結着材32c3のみを用いて作製した。また、比較例の樹脂フィラーには、セパレータ33、35の融点とほぼ同等のポリエチレン(PE)を用い、実施例の樹脂フィラーには、セパレータ33、35よりも高い融点をもつポリフェニレンサルファイド(PPS)を用いてその効果を確認した。球状の無機フィラーは、アスペクト比が2以下のものを用いた。そして、粒径の測定は、レーザ回析・散乱法による粒度分布測定装置を用いて行った。
Table 1 shows examples and comparative examples in which the composition of the negative electrode
表1の結果から、比較例1-1と比較例1-2を比較すると、比較例1-2の方がより高いSOCまで発火・発煙に至らなかったので、負極保護層32cを配置することによる安全性向上の効果が認められた。
From the results shown in Table 1, when Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2 were compared, Comparative Example 1-2 did not reach ignition / smoke up to a higher SOC, so the negative electrode
次に、比較例1-2に対して、比較例1−3〜1−5は、同等以下であり改善の効果は見られなかった。これは、比較例1−3〜1−5は、樹脂フィラーを混合することで、実質的に無機フィラーの量が減少したことに加え、樹脂フィラーと結着材がセパレータの融点とほぼ同じ温度であるため、セパレータと同時に保護層の樹脂フィラーと結着材とが溶融し、樹脂フィラーと結着材によって固定されていた無機フィラーが移動可能になってしまい、負極保護層32cの一部が流れ出て薄く租な状態となり、十分な絶縁性が得られない状態となったと考えられる。
Next, compared with Comparative Example 1-2, Comparative Examples 1-3 to 1-5 were equivalent or lower, and no improvement effect was observed. In Comparative Examples 1-3 to 1-5, in addition to the resin filler being mixed, the amount of the inorganic filler was substantially reduced, and the resin filler and the binder were at substantially the same temperature as the melting point of the separator. Therefore, the resin filler and the binder of the protective layer are melted at the same time as the separator, and the inorganic filler fixed by the resin filler and the binder becomes movable, and a part of the negative electrode
次に、比較例1−2〜1−5と実施例1−1〜1−3を比較すると、実施例1−1〜1−3はいずれも最高SOCの数値が上昇しており、安全性向上の効果がみられた。これは、実施例1−1〜1−3は、樹脂フィラー32c2の混合により無機フィラー32c1は実質的に減少しているが、樹脂フィラー32c2の耐熱温度が高いため、絶縁性が保持できていることに加え、発熱により樹脂フィラー32c2が軟化して粘着力を発現し、ある程度の結着力で無機フィラー32c1を結着し、第二の結着材としての機能を発揮することで、無機フィラーの動きを抑制し、結果的に絶縁性が高まったためと考えられる。 Next, when Comparative Examples 1-2 to 1-5 and Examples 1-1 to 1-3 are compared, all of Examples 1-1 to 1-3 have an increase in the maximum SOC and safety. The improvement effect was seen. In Examples 1-1 to 1-3, although the inorganic filler 32c1 is substantially reduced by mixing the resin filler 32c2, the heat resistance temperature of the resin filler 32c2 is high, so that the insulating property can be maintained. In addition, the resin filler 32c2 is softened by heat generation and develops an adhesive force, binds the inorganic filler 32c1 with a certain binding force, and exhibits a function as a second binding material. This is thought to be due to the suppression of movement, resulting in increased insulation.
実施例1−1〜1−3を比較すると、無機フィラー32c1と樹脂フィラー32c2の混合比が3:1の水準(実施例1−2)が最も効果があった。これは、実施例1−2は、絶縁を確保できる十分な量の無機フィラー32c1が配置されており、かつ樹脂フィラー32c2による第二の結着材としての役割を担うに適量であったと推察される。 When Examples 1-1 to 1-3 were compared, the level (Example 1-2) in which the mixing ratio of the inorganic filler 32c1 and the resin filler 32c2 was 3: 1 was most effective. This is presumed that Example 1-2 had a sufficient amount of the inorganic filler 32c1 that can ensure insulation, and that it was an appropriate amount to serve as the second binder by the resin filler 32c2. The
つぎに実施例2−1と実施例1−2を比較すると、実施例2−1はさらに効果があり、高いSOC(95%)での安全性を確保することが出来た。これは、実施例2−1は、樹脂フィラー32c2の粒径と無機フィラー32c1の粒径を互いに異ならせて2種類の粒径の粒子を混合させており、これにより、負極保護層32cの密度が高まり、絶縁性が向上したからと考えられる。そして、樹脂フィラー32c2の粒径を無機フィラー32c1の粒径よりも小さくすることで、無機フィラー32c1と樹脂フィラー32c2とが接する接点数を増加させることができ、異常発熱により樹脂フィラー32c2が第二の結着材としての機能を発揮したときに、無機フィラー32c1をより強固に結着して無機フィラー32c1の動きを抑制する効果に加えて、樹脂フィラー32c2の溶融により負極保護層32cの空隙を埋め、さらに絶縁性が向上したと推察した。
Next, when Example 2-1 and Example 1-2 were compared, Example 2-1 was more effective, and safety at high SOC (95%) could be ensured. In Example 2-1, the particle size of the resin filler 32c2 and the particle size of the inorganic filler 32c1 are made different from each other to mix particles of two types of particle sizes, whereby the density of the negative
つぎに、実施例3−1と実施例2−1を比較すると、実施例3−1の方がさらに効果があり、最高SOC(100%)での安全性を確保することが出来た。これは、実施例3−1は、図8にイメージ図を示すように、樹脂フィラー32c2の粒子形状が球状であるのに対して、無機フィラー32c1の粒子形状が板状のものを用いており、これにより、さらに接点数を増加させて無機フィラー32c1の動きを抑制し、安全性が高まったと推察した。板状の無機フィラー32c1は、アスペクト比が5以上であり、本実施例では、5以上15以下のものを用いた。そして、粒径の測定は、レーザ回析・散乱法による粒度分布測定装置を用いて行った。 Next, when Example 3-1 and Example 2-1 were compared, Example 3-1 was more effective, and safety at the maximum SOC (100%) could be ensured. In Example 3-1, as shown in the image diagram of FIG. 8, the particle shape of the resin filler 32c2 is spherical, whereas the particle shape of the inorganic filler 32c1 is a plate shape. As a result, it was speculated that the number of contacts was further increased to suppress the movement of the inorganic filler 32c1 and the safety was improved. The plate-like inorganic filler 32c1 has an aspect ratio of 5 or more, and in the present embodiment, a filler having a ratio of 5 to 15 was used. And the measurement of the particle size was performed using the particle size distribution measuring apparatus by a laser diffraction / scattering method.
表2に実施例3−1に対して無機フィラー32c1の材料を変更させたときの釘刺し試験の結果を示す。実施例3−1では、無機フィラー32c1の材料にベーマイト(Al2O3水和物)を使用したのに対し、実施例4−1ではアルミナ(Al2O3)、実施例4−2ではシリカ(SiO2)、実施例4−3では酸化チタン(TiO2)、実施例4−4では、チタン酸バリウム(BaTiO2)を使用した。Table 2 shows the results of the nail penetration test when the material of the inorganic filler 32c1 is changed with respect to Example 3-1. In Example 3-1, boehmite (Al 2 O 3 hydrate) was used as the material of the inorganic filler 32c1, whereas alumina (Al 2 O 3 ) was used in Example 4-1, and in Example 4-2. silica (SiO 2), the titanium oxide in example 4-3 (TiO 2), in example 4-4, was used barium titanate (BaTiO 2).
表2の結果から、本試験においては無機フィラー32c1の材質には依存せず、効果があることを確認した。 From the results in Table 2, it was confirmed that this test was effective without depending on the material of the inorganic filler 32c1.
表3に実施例3−1に対して、セパレータ33、35に無機フィラー(アルミナ)32c1を塗布したセパレータ33、35を用いたときの釘刺し試験の結果を示す。尚、セパレータ33、35の塗布層は、正極側に配置するように二次電池を作製した。
Table 3 shows the results of a nail penetration test when
表3の結果から、実施例5−1は、実施例3−1にくらべ、最高SOCは同じであったが、最高到達温度が減少した。これは、セパレータ33、35の塗布層は一般的にセパレータ33、35の熱収縮を抑制する効果があるため、釘を刺した周辺のセパレータ33、35の収縮が抑制され、釘による破断の短絡が減少したため、最高到達温度が減少したと考えられる。したがって、耐熱を高めた塗布セパレータと本実施例と組み合わせることにより、より高い安全性が期待できる。
From the results shown in Table 3, Example 5-1 had the same maximum SOC as Example 3-1 but the highest temperature reached. This is because the coated layers of the
本発明によれば、保護層32cにセパレータ33、35や保護層32cの結着材32c3よりも融点が高い樹脂フィラー32c2を混合しているので、異常発熱時において、この樹脂フィラー32c2が第二の結着材としての機能を発揮して無機フィラー32c1の動きを抑制する。したがって、セパレータ33、35がシュリンクしても、保護層32cにより正極電極34と負極電極32との間の2次短絡を回避することができ、安全性を向上させることができる。
According to the present invention, the
上述の実施例では、無機フィラー32c1と樹脂フィラー32c2とを混合することで保護層32cを形成する場合について説明したが、樹脂フィラー32c2を構成するPPS等の樹脂で無機フィラー32c1の少なくとも一部をコーティングしたもの、あるいは、樹脂フィラー32c2を構成する樹脂を無機フィラー32c1に担持させたものを用いてもよく、同様に安全性向上の効果を得ることができる。
In the above-described embodiment, the case where the
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described. Further, a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. Furthermore, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
1 電池缶
3 捲回群
6 電池蓋
10 ガス排出弁
12 負極外部端子
14 正極外部端子
32 負極電極
32a 負極合剤層
32b 負極金属箔露出部
32c 負極保護層
32c1 無機フィラー
32c2 樹脂フィラー
32c3 結着材
33、35 セパレータ
34 正極電極
34a 正極合剤層
34b 正極金属箔露出部
100 角形二次電池(二次電池)DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery can 3 Winding group 6
Claims (4)
前記負極電極は、負極合剤層と該負極合剤層の表面に設けられた負極保護層を有し、
該負極保護層は、無機フィラーと、樹脂フィラーと、結着材を有し、
前記樹脂フィラーの融点は、前記セパレータの融点よりも高く、
前記樹脂フィラーは、前記無機フィラーよりも粒径が小さく、
前記樹脂フィラーは、ポリフェニレンサルファイドを含むことを特徴とする二次電池。 A secondary battery having an electrode group in which a positive electrode and a negative electrode are laminated via a separator,
The negative electrode has a negative electrode mixture layer and a negative electrode protective layer provided on the surface of the negative electrode mixture layer,
The negative electrode protective layer has an inorganic filler, a resin filler, and a binder.
The melting point of the resin filler, rather higher than the melting point of the separator,
The resin filler has a particle size smaller than the inorganic filler,
The secondary battery , wherein the resin filler contains polyphenylene sulfide .
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