JP6813008B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本開示は非水電解液二次電池に関する。 The present disclosure relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
特開2007−080651号公報(特許文献1)は、電解液にホスファゼン化合物を添加することを開示している。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-080651 (Patent Document 1) discloses that a phosphazene compound is added to an electrolytic solution.
一般に非水電解液二次電池(以下「電池」と略記され得る)のセパレータおよび電解液は可燃物である。例えば内部短絡が発生した際、セパレータおよび電解液が燃焼することにより、電池の発熱が大きくなると考えられる。 Generally, the separator and the electrolytic solution of a non-aqueous electrolytic solution secondary battery (hereinafter, may be abbreviated as "battery") are combustibles. For example, when an internal short circuit occurs, it is considered that the heat generated by the battery increases due to the combustion of the separator and the electrolytic solution.
燃焼反応を抑制するために、電解液にホスファゼン化合物を添加することが提案されている。しかしホスファゼン化合物の添加により、電池抵抗が増加する傾向がある。 It has been proposed to add a phosphazene compound to the electrolytic solution in order to suppress the combustion reaction. However, the addition of the phosphazene compound tends to increase the battery resistance.
本開示の目的は、電池抵抗の増加を抑制しつつ、短絡時の発熱を抑制することである。 An object of the present disclosure is to suppress heat generation at the time of a short circuit while suppressing an increase in battery resistance.
以下、本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により、特許請求の範囲が限定されるべきではない。 Hereinafter, the technical configuration and the action and effect of the present disclosure will be described. However, the mechanism of action of the present disclosure includes estimation. The scope of claims should not be limited by the correctness of the mechanism of action.
非水電解液二次電池は正極活物質層、中間層、セパレータ、負極活物質層および電解液を少なくとも含む。中間層は正極活物質層とセパレータとの間に配置されている。中間層は、30質量%以上95質量%以下のバインダと、残部の無機フィラーとを含む。電解液にホスファゼン化合物が0.1質量%以上3質量%以下添加されている。ホスファゼン化合物は、下記式(1)または(2)で表される化合物からなる群より選択される少なくとも1種である。
(式中、Xはハロゲン原子を示し、Yはアルコキシ基を示す。)
The non-aqueous electrolyte secondary battery includes at least a positive electrode active material layer, an intermediate layer, a separator, a negative electrode active material layer and an electrolytic solution. The intermediate layer is arranged between the positive electrode active material layer and the separator. The intermediate layer contains a binder of 30% by mass or more and 95% by mass or less, and the remaining inorganic filler. The phosphazene compound is added to the electrolytic solution in an amount of 0.1% by mass or more and 3% by mass or less. The phosphazene compound is at least one selected from the group consisting of compounds represented by the following formulas (1) or (2).
(In the formula, X represents a halogen atom and Y represents an alkoxy group.)
例えば導電性の異物を通じて正極と負極とが短絡すると、正極活物質層が発熱する。すなわち熱源が発生する。熱源により可燃物(セパレータおよび電解液)が加熱され、燃焼反応が生起すると考えられる。 For example, when the positive electrode and the negative electrode are short-circuited through a conductive foreign substance, the positive electrode active material layer generates heat. That is, a heat source is generated. It is considered that combustibles (separator and electrolytic solution) are heated by the heat source and a combustion reaction occurs.
電解液にホスファゼン化合物が添加されていることにより、短絡時、セパレータおよび電解液の燃焼反応が抑制されることが期待される。ただし電解液に添加されたホスファゼン化合物は、正極活物質層にも分配される。これにより正極活物質層の反応抵抗が増加し、電池抵抗が増加すると考えられる。 It is expected that the addition of the phosphazene compound to the electrolytic solution suppresses the combustion reaction of the separator and the electrolytic solution at the time of a short circuit. However, the phosphazene compound added to the electrolytic solution is also distributed to the positive electrode active material layer. It is considered that this increases the reaction resistance of the positive electrode active material layer and increases the battery resistance.
本開示では、正極活物質層とセパレータとの間に中間層が配置されている。中間層はバインダを含む。さらに本開示では上記式(1)または(2)で表されるホスファゼン化合物が使用される。以下本明細書では、上記式(1)または(2)で表されるホスファゼン化合物が「特定ホスファゼン化合物」とも記される。 In the present disclosure, an intermediate layer is arranged between the positive electrode active material layer and the separator. The middle layer contains the binder. Further, in the present disclosure, a phosphazene compound represented by the above formula (1) or (2) is used. Hereinafter, in the present specification, the phosphazene compound represented by the above formula (1) or (2) is also referred to as "specific phosphazene compound".
特定ホスファゼン化合物は、中間層に含まれるバインダとの相互作用(例えば水素結合)により、中間層に吸着しやすいと考えられる。よって特定ホスファゼン化合物が中間層に集まりやすいと考えられる。特定ホスファゼン化合物が中間層に集まることにより、正極活物質層に分配される特定ホスファゼン化合物が相対的に減少すると考えられる。これにより電池抵抗の増加が抑制されることが期待される。 It is considered that the specific phosphazene compound is easily adsorbed on the intermediate layer due to the interaction with the binder contained in the intermediate layer (for example, hydrogen bond). Therefore, it is considered that the specific phosphazene compound tends to collect in the intermediate layer. It is considered that the specific phosphazene compound distributed to the positive electrode active material layer is relatively reduced by collecting the specific phosphazene compound in the intermediate layer. This is expected to suppress the increase in battery resistance.
さらに中間層は正極活物質層よりもセパレータに近接している。セパレータおよび電解液は可燃物である。セパレータは多孔質膜である。セパレータの空孔には多量の電解液が含浸されている。中間層に特定ホスファゼン化合物が吸着していることにより、セパレータおよび電解液の燃焼反応が効率的に抑制されることが期待される。 Further, the intermediate layer is closer to the separator than the positive electrode active material layer. The separator and electrolyte are flammable. The separator is a porous membrane. The pores of the separator are impregnated with a large amount of electrolytic solution. It is expected that the combustion reaction of the separator and the electrolytic solution is efficiently suppressed by adsorbing the specific phosphazene compound on the intermediate layer.
以上より、本開示によれば、電池抵抗の増加が抑制されつつ、短絡時の発熱が抑制されると考えられる。 Based on the above, according to the present disclosure, it is considered that heat generation at the time of short circuit is suppressed while suppressing an increase in battery resistance.
なお特定ホスファゼン化合物の類似化合物として、下記式(3)で表されるホスファゼン化合物が考えられる。
しかし上記式(3)で表されるホスファゼン化合物では、発熱抑制効果が小さいと考えられる。特定ホスファゼン化合物〔上記式(1)または(2)〕は1個または2個のアルコキシ基(Y)を有する。上記式(3)で表されるホスファゼン化合物は3個のアルコキシ基(Y)を有する。アルコキシ基(Y)の数が2個を超えると、立体障害が大きくなり、相互作用が弱くなると考えられる。 However, the phosphazene compound represented by the above formula (3) is considered to have a small effect of suppressing heat generation. The specific phosphazene compound [the above formula (1) or (2)] has one or two alkoxy groups (Y). The phosphazene compound represented by the above formula (3) has three alkoxy groups (Y). If the number of alkoxy groups (Y) exceeds 2, it is considered that the steric hindrance becomes large and the interaction becomes weak.
また特定ホスファゼン化合物の添加量は0.1質量%以上3質量%以下である。添加量が0.1質量%未満であると、発熱抑制効果が不十分となる可能性がある。添加量が3質量%を超えると、電池抵抗の増加が抑制できない可能性がある。 The amount of the specific phosphazene compound added is 0.1% by mass or more and 3% by mass or less. If the amount added is less than 0.1% by mass, the heat generation suppressing effect may be insufficient. If the amount added exceeds 3% by mass, the increase in battery resistance may not be suppressed.
中間層のバインダ含量は30質量%以上95質量%以下である。バインダ含量が30質量%未満であると、特定ホスファゼン化合物との相互作用が弱く、発熱抑制効果が不十分となる可能性がある。バインダ含量が95質量%を超えると、電池抵抗の増加が抑制できない可能性がある。リチウムイオンの移動が阻害されるためと考えられる。 The binder content of the intermediate layer is 30% by mass or more and 95% by mass or less. If the binder content is less than 30% by mass, the interaction with the specific phosphazene compound is weak, and the heat generation suppressing effect may be insufficient. If the binder content exceeds 95% by mass, the increase in battery resistance may not be suppressed. This is probably because the movement of lithium ions is inhibited.
以下、本開示の実施形態(本明細書では「本実施形態」と記される)が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure (referred to as “the present embodiment” in the present specification) will be described. However, the following description does not limit the scope of claims.
<非水電解液二次電池>
図1は本実施形態の非水電解液二次電池の構成の一例を示す概略図である。
電池100は非水電解液二次電池である。電池100はケース101を含む。ケース101は、例えばアルミニウム(Al)合金製であってもよい。ケース101は密閉されている。ケース101は角形(扁平直方体)である。ただしケース101は例えば円筒形であってもよい。ケース101は例えばアルミラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。すなわち電池100はラミネート電池であってもよい。
<Non-aqueous electrolyte secondary battery>
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the configuration of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment.
The
ケース101は容器102および蓋103を含む。蓋103は例えばレーザ溶接により容器102と接合されている。蓋103には正極端子91および負極端子92が設けられている。蓋103には、注液口、ガス排出弁、CID(current interrupt device)等がさらに設けられていてもよい。ケース101は電極群50および電解液(不図示)を収納している。
The
図2は本実施形態の電極群の構成の一例を示す概略図である。
電極群50は巻回型である。電極群50は、正極10、セパレータ30、負極20およびセパレータ30がこの順序で積層され、さらにこれらが渦巻状に巻回されることにより形成されている。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of the configuration of the electrode group of the present embodiment.
The
電極群50は積層(スタック)型であってもよい。すなわち電極群50は、正極10および負極20が交互にそれぞれ1枚以上積層されることにより形成されていてもよい。正極10および負極20の各間にはセパレータ30がそれぞれ配置される。
The
図3は本実施形態の電極群の構成の一例を示す概略断面図である。
電極群50は、正極10、中間層40、セパレータ30および負極20を含む。電極群50には電解液(不図示)が含浸されている。正極10は正極活物質層12を含む。負極20は負極活物質層22を含む。すなわち電池100は、正極活物質層12、中間層40、セパレータ30、負極活物質層22および電解液を少なくとも含む。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the electrode group of the present embodiment.
The
正極活物質層12と負極活物質層22とは互いに対向している。セパレータ30は正極活物質層12と負極活物質層22との間に配置されている。中間層40は正極活物質層12とセパレータ30との間に配置されている。電解液に特定ホスファゼン化合物が添加されている。本実施形態では、特定ホスファゼン化合物と、中間層40のバインダとの相互作用により、特定ホスファゼン化合物が中間層40に吸着しやすいと考えられる。その結果、電池抵抗の増加が抑制されつつ、短絡時の発熱が抑制されると考えられる。
The positive electrode
《中間層》
中間層40は正極活物質層12とセパレータ30との間に配置されている。中間層40は、例えば正極活物質層12の表面に形成されていてもよい。中間層40は、例えばセパレータ30の表面に形成されていてもよい。
《Middle layer》
The
(組成)
中間層40は、30質量%以上95質量%以下のバインダと、残部の無機フィラーとを含む。バインダは高分子化合物である。バインダは、分子鎖内に水素原子を豊富に含むことが望ましい。特定ホスファゼン化合物の窒素原子(N)またはハロゲン原子(F、Cl等)と、バインダの水素原子(H)との間に水素結合が形成され得るためである。水素結合により、中間層40に特定ホスファゼン化合物が留まると考えられる。
(composition)
The
バインダは単独重合体であってもよい。バインダは共重合体であってもよい。バインダは、例えばアクリル系バインダ、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、および、これらの変性体等であってもよい。アクリル系バインダは、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステルおよびアクリロニトリルからなる群より選択される少なくとも1種の単量体が重合することにより形成された高分子化合物を示す。中間層40に1種のバインダが単独で含まれていてもよい。中間層40に2種以上のバインダが含まれていてもよい。例えばバインダは、アクリル系バインダ、PAAおよびPVdFからなる群より選択される少なくとも1種であってもよい。
The binder may be a homopolymer. The binder may be a copolymer. The binder may be, for example, an acrylic binder, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacrylic acid (PAA), polyvinylidene fluoride (PVdF), and a modified product thereof. The acrylic binder represents a polymer compound formed by polymerizing at least one monomer selected from the group consisting of acrylic acid ester, methacrylic acid ester and acrylonitrile. One kind of binder may be contained alone in the
中間層40におけるバインダ含量は30質量%以上95質量%以下である。バインダ含量が30質量%未満であると、特定ホスファゼン化合物との相互作用が弱く、発熱抑制効果が不十分となる可能性がある。バインダ含量が95質量%を超えると、電池抵抗の増加が抑制できない可能性がある。バインダ含量は例えば50質量%以上80質量%以下であってもよい。
The binder content in the
中間層40において、バインダを除いた残部には無機フィラーが含まれている。残部は実質的に無機フィラーのみからなっていてもよい。残部に例えば導電材(カーボンブラック、黒鉛等)が含まれていてもよい。残部に例えば充放電反応に関与し得る物質が含まれていてもよい。
In the
無機フィラーは特に限定されるべきではない。無機フィラーは例えばアルミナ、シリカ、ベーマイト、チタニア、マグネシア、ジルコニア等であってもよい。中間層40に1種の無機フィラーが単独で含まれていてもよい。中間層40に2種以上の無機フィラーが含まれていてもよい。無機フィラーは例えば0.5μm以上2μm以下のD50を有していてもよい。D50は体積基準の粒度分布において微粒側からの積算粒子体積が全粒子体積の50%になる粒径を示す。D50は例えばレーザ回折式粒度分布測定装置等により測定され得る。
Inorganic fillers should not be particularly limited. The inorganic filler may be, for example, alumina, silica, boehmite, titania, magnesia, zirconia or the like. The
(多孔度)
中間層40は多孔質である。中間層40の多孔度は、例えばバインダ含量、無機フィラーの粒子サイズ等により調整され得る。中間層40の多孔度が高い程、多くの電解液が中間層40に含浸され得る。すなわち、より多くの特定ホスファゼン化合物が中間層40に分配され得る。これにより短絡時の発熱抑制効果が大きくなることが期待される。多孔度が過度に高くなると、中間層40の構造維持が困難であると考えられる。中間層40は例えば20%以上80%以下の多孔度を有していてもよい。中間層40は例えば50%以上80%以下の多孔度を有していてもよい。
(Porosity)
The
《電解液》
(Li塩)
電解液はリチウム(Li)塩および溶媒を少なくとも含む。Li塩は溶媒に溶解している。Li塩の濃度は例えば0.5mоl/L以上2mоl/L以下(0.5M以上2M以下)であってもよい。Li塩は、例えばLiPF6、LiBF4、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2等であってもよい。電解液に1種のLi塩が単独で含まれていてもよい。電解液に2種以上のLi塩が含まれていてもよい。
《Electrolytic solution》
(Li salt)
The electrolytic solution contains at least a lithium (Li) salt and a solvent. The Li salt is dissolved in the solvent. The concentration of the Li salt may be, for example, 0.5 mol / L or more and 2 mol / L or less (0.5 M or more and 2 M or less). The Li salt may be, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (FSO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2, or the like. The electrolytic solution may contain one kind of Li salt alone. The electrolytic solution may contain two or more kinds of Li salts.
(溶媒)
溶媒は非プロトン性である。溶媒は例えば環状カーボネートおよび鎖状カーボネートの混合物であってもよい。混合比は例えば「環状カーボネート:鎖状カーボネート=1:9〜5:5(体積比)」であってもよい。
(solvent)
The solvent is aprotic. The solvent may be, for example, a mixture of cyclic carbonate and chain carbonate. The mixing ratio may be, for example, "cyclic carbonate: chain carbonate = 1: 9 to 5: 5 (volume ratio)".
環状カーボネートは、例えば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)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等であってもよい。溶媒に1種の環状カーボネートが単独で含まれていてもよい。溶媒に2種以上の環状カーボネートが含まれていてもよい。 The cyclic carbonate may be, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), fluoroethylene carbonate (FEC), or the like. The solvent may contain one type of cyclic carbonate alone. The solvent may contain two or more cyclic carbonates.
鎖状カーボネートは、例えばジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等であってもよい。溶媒に1種の鎖状カーボネートが単独で含まれていてもよい。溶媒に2種以上の鎖状カーボネートが含まれていてもよい。 The chain carbonate may be, for example, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC) or the like. The solvent may contain one kind of chain carbonate alone. The solvent may contain two or more chain carbonates.
溶媒は、例えばラクトン、環状エーテル、鎖状エーテル、カルボン酸エステル等を含んでいてもよい。ラクトンは、例えばγ−ブチロラクトン(GBL)、δ−バレロラクトン等であってもよい。環状エーテルは、例えばテトラヒドロフラン(THF)、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン等であってもよい。鎖状エーテルは、例えば1,2−ジメトキシエタン(DME)等であってもよい。カルボン酸エステルは、例えばメチルホルメート(MF)、メチルアセテート(MA)、メチルプロピオネート(MP)等であってもよい。 The solvent may contain, for example, lactone, cyclic ether, chain ether, carboxylic acid ester and the like. The lactone may be, for example, γ-butyrolactone (GBL), δ-valerolactone and the like. The cyclic ether may be, for example, tetrahydrofuran (THF), 1,3-dioxolane, 1,4-dioxane or the like. The chain ether may be, for example, 1,2-dimethoxyethane (DME) or the like. The carboxylic acid ester may be, for example, methylformate (MF), methylacetate (MA), methylpropionate (MP) or the like.
(特定ホスファゼン化合物)
本実施形態では、電解液に特定ホスファゼンが0.1質量%以上3質量%以下添加されている。特定ホスファゼン化合物の添加量が0.1質量%未満であると、発熱抑制効果が不十分となる可能性がある。添加量が3質量%を超えると、電池抵抗の増加が抑制できない可能性がある。特定ホスファゼン化合物の添加量は、例えば0.5質量%以上1質量%以下であってもよい。
(Specific phosphazene compound)
In the present embodiment, 0.1% by mass or more and 3% by mass or less of the specific phosphazene is added to the electrolytic solution. If the amount of the specific phosphazene compound added is less than 0.1% by mass, the heat generation suppressing effect may be insufficient. If the amount added exceeds 3% by mass, the increase in battery resistance may not be suppressed. The amount of the specific phosphazene compound added may be, for example, 0.5% by mass or more and 1% by mass or less.
特定ホスファゼン化合物は上記式(1)または(2)で表される。
上記式(1)または(2)において、ハロゲン原子(X)は、例えばフッ素原子(F)および塩素原子(Cl)からなる群より選択される少なくとも1種であってもよい。
上記式(1)において、アルコキシ基(Y)は、フェノキシ基(OPh)またはエトキシ基(OEt)であってもよい。
上記式(2)において、アルコキシ基(Y)は、例えばフェノキシ基(OPh)およびエトキシ基(OEt)からなる群より選択される少なくとも1種であってもよい。
The specific phosphazene compound is represented by the above formula (1) or (2).
In the above formula (1) or (2), the halogen atom (X) may be at least one selected from the group consisting of, for example, a fluorine atom (F) and a chlorine atom (Cl).
In the above formula (1), the alkoxy group (Y) may be a phenoxy group (OPh) or an ethoxy group (OEt).
In the above formula (2), the alkoxy group (Y) may be at least one selected from the group consisting of, for example, a phenoxy group (OPh) and an ethoxy group (OEt).
(その他の添加剤)
電解液に特定ホスファゼン化合物が添加されている限り、電解液にその他の添加剤が含まれていてもよい。その他の添加剤としては、例えばガス発生剤(「過充電添加剤」とも称されている)、SEI(solid electrolyte interface)膜形成剤等が考えられる。ガス発生剤は、例えばシクロヘキシルベンゼン(CHB)、ビフェニル(BP)等であってもよい。SEI膜形成剤は、例えばビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、LiB(C2O4)2、LiPO2F2、プロパンサルトン(PS)、エチレンサルファイト(ES)等であってもよい。その他の添加剤の添加量は、例えば0.1質量%以上5質量%以下であってもよい。
(Other additives)
As long as the specific phosphazene compound is added to the electrolytic solution, other additives may be contained in the electrolytic solution. As other additives, for example, a gas generating agent (also referred to as "overcharge additive"), a SEI (solid electrolyte interface) film forming agent, and the like can be considered. The gas generating agent may be, for example, cyclohexylbenzene (CHB), biphenyl (BP) or the like. Examples of the SEI film forming agent include vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), LiB (C 2 O 4 ) 2 , LiPO 2 F 2 , propane sulton (PS), ethylene sulfite (ES), and the like. You may. The amount of other additives added may be, for example, 0.1% by mass or more and 5% by mass or less.
《正極》
正極10はシートである。正極10は正極集電体11および正極活物質層12を含む。正極活物質層12は正極集電体11の表面に形成されている。正極活物質層12は正極集電体11の片面のみに形成されていてもよい。正極活物質層12は正極集電体11の表裏両面に形成されていてもよい。
《Positive electrode》
The
正極集電体11は例えばAl箔等であってもよい。正極集電体11は例えば5μm以上50μm以下の厚さを有していてもよい。
The positive electrode
正極活物質層12は例えば10μm以上200μm以下の厚さを有していてもよい。正極活物質層12は正極活物質を少なくとも含む。正極活物質層12は、例えば導電材およびバインダをさらに含んでいてもよい。
The positive electrode
正極活物質は典型的には粒子群である。正極活物質は例えば1μm以上30μm以下のD50を有していてもよい。正極活物質は特に限定されるべきではない。正極活物質は例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(例えばLiMnO2、LiMn2O4等)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2等)、ニッケルコバルトアルミン酸リチウム(例えばLiNi0.82Co0.15Al0.03O2等)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)等であってもよい。正極活物質層12に1種の正極活物質が単独で含まれていてもよい。正極活物質層12に2種以上の正極活物質が含まれていてもよい。
The positive electrode active material is typically a group of particles. The positive electrode active material may have, for example, a D50 of 1 μm or more and 30 μm or less. The positive electrode active material should not be particularly limited. The positive electrode active material is, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganate (for example, LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 ), lithium nickel cobalt manganate (for example, LiNi 1/3 Co 1 /). 3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 etc.), nickel cobalt cobalt oxide (for example, LiNi 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2 etc.), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), etc. Good. The positive electrode
正極活物質層12は導電材をさらに含んでいてもよい。導電材は特に限定されるべきではない。導電材は例えばカーボンブラック(例えばアセチレンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等)、炭素短繊維等であってもよい。正極活物質層12に1種の導電材が単独で含まれていてもよい。正極活物質層12に2種以上の導電材が含まれていてもよい。導電材の含量は100質量部の正極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。
The positive electrode
正極活物質層12はバインダをさらに含んでいてもよい。バインダは特に限定されるべきではない。バインダは例えばPVdF等であってもよい。正極活物質層12に1種のバインダが単独で含まれていてもよい。正極活物質層12に2種以上のバインダが含まれていてもよい。バインダの含量は100質量部の正極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。
The positive electrode
《セパレータ》
セパレータ30は正極10および負極20の間に配置されている。正極10および負極20はセパレータ30によって互いに隔離される。セパレータ30は多孔質膜である。セパレータ30は電気絶縁性である。セパレータ30は例えば5μm以上50μm以下の厚さを有していてもよい。セパレータ30は例えばポリオレフィン製であってもよい。
<< Separator >>
The
セパレータ30は例えばポリエチレン(PE)製であってもよい。セパレータ30は例えばポリプロピレン(PP)製であってもよい。セパレータ30は例えば単層構造を有していてもよい。セパレータ30は例えばPE製の多孔質膜のみからなっていてもよい。セパレータ30は例えば多層構造を有していてもよい。セパレータ30は例えばPP製の多孔質膜、PE製の多孔質膜およびPP製の多孔質膜がこの順序で積層されることにより形成されていてもよい。
The
《負極》
負極20はシートである。負極20は負極集電体21および負極活物質層22を含む。負極活物質層22は負極集電体21の表面に形成されている。負極活物質層22は負極集電体21の片面のみに形成されていてもよい。負極活物質層22は負極集電体21の表裏両面に形成されていてもよい。
《Negative electrode》
The
負極集電体21は例えば銅(Cu)箔等であってもよい。負極集電体21は例えば5μm以上50μm以下の厚さを有していてもよい。
The negative electrode
負極活物質層22は例えば10μm以上200μm以下の厚さを有していてもよい。負極活物質層22は負極活物質を少なくとも含む。負極活物質層22は例えばバインダをさらに含んでいてもよい。
The negative electrode
負極活物質は典型的には粒子群である。負極活物質は例えば1μm以上30μm以下のD50を有していてもよい。負極活物質は特に限定されるべきではない。負極活物質は例えば黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、酸化錫、錫基合金、リチウム(単体)、リチウム合金(例えばLi−Al合金等)等であってもよい。負極活物質層22に1種の負極活物質が単独で含まれていてもよい。負極活物質層22に2種以上の負極活物質が含まれていてもよい。
The negative electrode active material is typically a group of particles. The negative electrode active material may have, for example, a D50 of 1 μm or more and 30 μm or less. The negative electrode active material should not be particularly limited. The negative electrode active material is, for example, graphite, graphitizable carbon, graphitizable carbon, silicon, silicon oxide, silicon-based alloy, tin, tin oxide, tin-based alloy, lithium (single unit), lithium alloy (for example, Li-Al alloy). Etc.) etc. The negative electrode
バインダも特に限定されるべきではない。バインダは例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)およびスチレンブタジエンゴム(SBR)等であってもよい。バインダの含量は100質量部の負極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。 Binders should not be particularly limited either. The binder may be, for example, carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), or the like. The content of the binder may be, for example, 0.1 part by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material.
以下、本開示の実施例が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, examples of the present disclosure will be described. However, the following description does not limit the scope of claims.
<非水電解液二次電池の製造>
《実施例1》
1.正極の製造
以下の材料が準備された。
正極活物質:ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(層状岩塩型の結晶構造を有するもの)
導電材:アセチレンブラック(粉状品)
バインダ:PVdF
溶媒:N−メチル−2−ピロリドン
正極集電体:Al箔
<Manufacturing of non-aqueous electrolyte secondary batteries>
<< Example 1 >>
1. 1. Manufacture of positive electrode The following materials were prepared.
Positive electrode active material: Lithium nickel cobalt manganate (having a layered rock salt type crystal structure)
Conductive material: Acetylene black (powdered product)
Binder: PVdF
Solvent: N-methyl-2-pyrrolidone Positive current collector: Al foil
正極活物質、導電材、バインダおよび溶媒が混合されることにより、スラリーが調製された。スラリーが正極集電体11の表面(表裏両面)に塗布され、乾燥されることにより正極活物質層12が形成された。これにより正極10が製造された。正極10は帯状のシートである。圧延ローラにより正極10が圧縮された。
A slurry was prepared by mixing the positive electrode active material, the conductive material, the binder and the solvent. The slurry was applied to the surface (both front and back surfaces) of the positive electrode
正極活物質層12は「正極活物質:導電材:バインダ=98:1:1(質量比)」の組成を有する。正極活物質層12の目付(単位面積あたりの質量)は40mg/cm2である。正極活物質層12の幅寸法(図2のx軸方向の寸法)は110mmである。
The positive electrode
2.負極の製造
以下の材料が準備された。
負極活物質:天然黒鉛
バインダ:CMCおよびSBR
溶媒:イオン交換水
負極集電体:Cu箔(厚さ 10μm)
2. 2. Manufacture of negative electrode The following materials were prepared.
Negative electrode active material: Natural graphite binder: CMC and SBR
Solvent: Ion-exchanged water Negative electrode current collector: Cu foil (
負極活物質、バインダおよび溶媒が混合されることにより、スラリーが調製された。スラリーが負極集電体21の表面(表裏両面)に塗布され、乾燥されることにより負極活物質層22が形成された。負極活物質層22の目付は30mg/cm2である。負極活物質層22の幅寸法(図2のx軸方向の寸法)は112mmである。以上より負極20が製造された。負極20は帯状のシートである。
A slurry was prepared by mixing the negative electrode active material, the binder and the solvent. The slurry was applied to the surface (both front and back surfaces) of the negative electrode
3.セパレータの準備
セパレータ30としてPE製の多孔質膜(幅寸法 120mm、厚さ 15μm)が準備された。セパレータ30は多層構造を有する。
3. 3. Preparation of Separator A PE porous membrane (width dimension 120 mm, thickness 15 μm) was prepared as the
4.中間層の形成
以下の材料が準備された。
無機フィラー:アルミナ(D50 2μm)
バインダ:アクリル系バインダ
4. Formation of intermediate layer The following materials were prepared.
Inorganic filler: Alumina (
Binder: Acrylic binder
無機フィラー、バインダおよび溶媒が混合されることにより、スラリーが調製された。スラリーがセパレータ30の表面(片面)に塗布され、乾燥されることにより、中間層40が形成された。中間層40は10μmの厚さを有する。中間層40は50%の多孔度を有する。中間層は、50質量%のバインダと、50質量%(残部)の無機フィラーとからなる。
A slurry was prepared by mixing an inorganic filler, a binder and a solvent. The slurry was applied to the surface (one side) of the
5.電解液の準備
電解液が準備された。電解液は以下の成分からなる。
Li塩:LiPF6(濃度 1mоl/L)
溶媒:[EC:EMC:DEC=3:4:3(体積比)]
ホスファゼン化合物:ペンタフルオロ(フェノキシ)シクロトリホスファゼン
ホスファゼン化合物の添加量:3質量%
5. Preparation of electrolytic solution The electrolytic solution was prepared. The electrolytic solution consists of the following components.
Li salt: LiPF 6 (
Solvent: [EC: EMC: DEC = 3: 4: 3 (volume ratio)]
Phosphazene compound: Pentafluoro (phenoxy) cyclotriphosphazene Addition amount of phosphazene compound: 3% by mass
ペンタフルオロ(フェノキシ)シクロトリホスファゼンは、上記式(1)において、XがFであり、YがOPhである化合物を示す。 Pentafluoro (phenoxy) cyclotriphosphazene represents a compound in which X is F and Y is OPh in the above formula (1).
6.組み立て
正極10、セパレータ30、負極20およびセパレータ30がこの順序で積層され、さらにこれらが渦巻状に巻回された。これにより電極群50が形成された。中間層40は正極活物質層12とセパレータ30との間に配置された。
6. Assembly The
ケース101が準備された。ケース101は角形である。ケース101は、高さ寸法(75mm)×幅寸法(120mm)×奥行寸法(15mm)の外形寸法を有する。高さ寸法は図1のz軸方向の寸法である。幅寸法は図1のx軸方向の寸法である。奥行寸法は図1のy軸方向の寸法である。ケース101は1mmの肉厚を有する。
電極群50に正極端子91および負極端子92が接続された。ケース101に電極群50が収納された。ケース101に電解液が注入された。ケース101が密閉された。以上より電池100(非水電解液二次電池)が製造された。電池100は3.0〜4.1Vの範囲で5Ahの定格容量を有するように設計されている。
A
7.仕上げ充放電
25℃の温度環境下において、1Cの電流レートにより電池100が4.2Vまで充電された。「1C」の電流レートでは定格容量が1時間で充電される。5分間の休止を挟んで、1Cの電流レートにより電池100が3.0Vまで放電された。
7. Finish Charging / Discharging The
さらに以下の定電流−定電圧(CC−CV)方式充電およびCC−CV方式放電により、電池100の初期容量が確認された。
Furthermore, the initial capacity of the
CC−CV方式充電:CC=1C、CV=4.1V、0.01Cカット
CC−CV方式放電:CC=1C、CV=3.0V、0.01Cカット
CC-CV method charge: CC = 1C, CV = 4.1V, 0.01C cut CC-CV method discharge: CC = 1C, CV = 3.0V, 0.01C cut
《実施例2〜13、比較例1〜7》
下記表1に示されるように各部の構成が変更されることを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
<< Examples 2 to 13, Comparative Examples 1 to 7 >>
The
<評価>
《釘刺し試験》
電池100のSOC(state of charge)が100%に調整された。釘が準備された。釘は3mmの胴部径および1mmの先端部Rを有する。釘が1mm/secの速度で電池100に刺し込まれた。電池100の到達温度が測定された。到達温度は釘が刺し込まれてから、1秒後の電池100の表面温度を示す。到達温度は下記表1に示される。釘刺し試験時の到達温度が低い程、短絡時の発熱が抑制されていると考えられる。
<Evaluation>
《Nail piercing test》
The SOC (state of charge) of the
《電池抵抗》
電池100のSOCが50%に調整された。10Cの電流レートにより電池100が10秒間放電された。放電開始から10秒後の電圧降下量が測定された。電圧降下量と電流レートとの関係から電池抵抗が算出された。電池抵抗は下記表1に示される。電池抵抗が小さい程、ホスファゼン化合物の添加に伴う電池抵抗の増加が抑制されていると考えられる。
《Battery resistance》
The SOC of
《ホスファゼン化合物の分布》
電池100が2.5Vまで放電された。放電終了直後に電池100が解体された。正極10、中間層40(セパレータ30)および負極20が回収された。各部材がそれぞれ王水に溶解された。これによりICP測定試料がそれぞれ準備された。ICP測定により、窒素(N)含量が測定された。N含量がホスファゼン化合物含量に換算された。結果は下記表1に示される。
<< Distribution of phosphazene compounds >>
<結果>
《実施例1〜5、比較例1〜3》
実施例1〜5は、電池抵抗が低く、なおかつ釘刺し試験時の到達温度が低い。すなわち実施例1〜5では、電池抵抗の増加が抑制されつつ、短絡時の発熱が抑制されている。実施例1〜5では、中間層40のバインダ含量が30質量%以上95質量%以下である。
<Result>
<< Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 3 >>
In Examples 1 to 5, the battery resistance is low, and the temperature reached during the nail piercing test is low. That is, in Examples 1 to 5, heat generation at the time of short circuit is suppressed while the increase in battery resistance is suppressed. In Examples 1 to 5, the binder content of the
比較例1は短絡時の発熱が大きい。比較例1では、中間層40のバインダ含量が30質量%未満である。そのため中間層40へのホスファゼン化合物の分配量が少なくなっていると考えられる。
In Comparative Example 1, heat generation at the time of short circuit is large. In Comparative Example 1, the binder content of the
比較例2は電池抵抗が高い。比較例2では、中間層40のバインダ含量が95質量%を超えている。そのため中間層40の多孔度が低くなっている。リチウムイオンの移動が阻害されることにより、電池抵抗が高くなっていると考えられる。
Comparative Example 2 has a high battery resistance. In Comparative Example 2, the binder content of the
実施例1〜5、比較例1〜3の結果から、中間層40の多孔度は、中間層40のバインダ含量と無機フィラーの粒子サイズ(D50)とにより、調整され得ると考えられる。
From the results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3, it is considered that the porosity of the
図4は、釘刺し試験時の到達温度と中間層のバインダ含量との関係、ならびに電池抵抗と中間層のバインダ含量との関係を示すグラフである。
バインダ含量が50質量%以上80質量%以下の範囲において、電池抵抗と、発熱抑制効果とのバランスが向上する傾向が認められる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature reached during the nail piercing test and the binder content of the intermediate layer, and the relationship between the battery resistance and the binder content of the intermediate layer.
In the range of the binder content of 50% by mass or more and 80% by mass or less, the balance between the battery resistance and the heat generation suppressing effect tends to be improved.
《実施例6、7》
バインダの種類が変わることにより、釘刺し試験時の到達温度も変化している。バインダの種類が変わることにより(例えば水素原子の量が変化することにより)、相互作用(例えば水素結合)の形態に変化が生じ、中間層40におけるホスファゼン化合物の吸着量が変化していると考えられる。
<< Examples 6 and 7 >>
As the type of binder changes, the temperature reached during the nail piercing test also changes. It is considered that the morphology of the interaction (for example, hydrogen bond) changes due to the change in the type of binder (for example, the amount of hydrogen atoms changes), and the adsorption amount of the phosphazene compound in the
《実施例1、8〜10、比較例4、5》
ホスファゼン化合物の添加量が0.1質量%未満であると、発熱抑制効果が十分ではない(比較例4)。ホスファゼン化合物の添加量が3質量%超であると、電池抵抗の増加が抑制できていない(比較例5)。実施例では、ホスファゼン化合物の添加量が0.1質量%以上3質量%以下である(実施例1、8〜10)。
<< Examples 1, 8 to 10, Comparative Examples 4, 5 >>
If the amount of the phosphazene compound added is less than 0.1% by mass, the heat generation suppressing effect is not sufficient (Comparative Example 4). If the amount of the phosphazene compound added exceeds 3% by mass, the increase in battery resistance cannot be suppressed (Comparative Example 5). In the examples, the amount of the phosphazene compound added is 0.1% by mass or more and 3% by mass or less (Examples 1, 8 to 10).
《実施例1、11〜13、比較例6、7》
ホスファゼン化合物においてアルコキシ基(Y)の数が1個から2個に増加すると、発熱抑制効果が大きくなっている(実施例1、11)。しかしアルコキシ基(Y)が3個になると、発熱抑制効果が小さくなっている(比較例6)。立体障害が生じるためと考えられる。
<< Examples 1, 11 to 13, Comparative Examples 6 and 7 >>
When the number of alkoxy groups (Y) in the phosphazene compound is increased from one to two, the heat generation suppressing effect is increased (Examples 1 and 11). However, when the number of alkoxy groups (Y) is three, the heat generation suppressing effect is reduced (Comparative Example 6). This is thought to be due to steric hindrance.
ハロゲン原子(X)およびアルコキシ基(Y)の種類が変わることにより、発熱抑制効果が変化している(実施例1、12、13)。置換基の種類により、ホスファゼン化合物から生成されるラジカルの形態が変化するためと考えられる。 The heat generation suppressing effect is changed by changing the types of the halogen atom (X) and the alkoxy group (Y) (Examples 1, 12, and 13). It is considered that the morphology of radicals generated from the phosphazene compound changes depending on the type of substituent.
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は、特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。 The embodiments and examples disclosed this time are exemplary in all respects and are not restrictive. The technical scope defined by the description of the scope of claims includes all changes within the meaning and scope equivalent to the description of the scope of claims.
10 正極、11 正極集電体、12 正極活物質層、20 負極、21 負極集電体、22 負極活物質層、30 セパレータ、40 中間層、50 電極群、91 正極端子、92 負極端子、100 電池(非水電解液二次電池)、101 ケース、102 容器、103 蓋。 10 Positive electrode, 11 Positive electrode current collector, 12 Positive electrode active material layer, 20 Negative electrode, 21 Negative electrode current collector, 22 Negative electrode active material layer, 30 Separator, 40 Intermediate layer, 50 Electrode group, 91 Positive electrode terminal, 92 Negative electrode terminal, 100 Battery (non-aqueous electrolyte secondary battery), 101 case, 102 container, 103 lid.
Claims (1)
前記中間層は前記正極活物質層と前記セパレータとの間に配置されており、
前記中間層は、30質量%以上95質量%以下のバインダと、残部の無機フィラーとを含み、
前記バインダは、アクリル系バインダ、ポリアクリル酸およびポリフッ化ビニリデンからなる群より選択される少なくとも1種であり、
前記電解液にホスファゼン化合物が0.1質量%以上3質量%以下添加されており、
前記ホスファゼン化合物は、下記式(1)または(2)で表される化合物からなる群より選択される少なくとも1種である、
(式中、Xはハロゲン原子を示し、Yはアルコキシ基を示す。)
非水電解液二次電池。 Containing at least a positive electrode active material layer, an intermediate layer, a separator, a negative electrode active material layer and an electrolytic solution,
The intermediate layer is arranged between the positive electrode active material layer and the separator.
The intermediate layer contains a binder of 30% by mass or more and 95% by mass or less, and the remaining inorganic filler.
The binder is at least one selected from the group consisting of an acrylic binder, polyacrylic acid and polyvinylidene fluoride.
The phosphazene compound is added to the electrolytic solution in an amount of 0.1% by mass or more and 3% by mass or less.
The phosphazene compound is at least one selected from the group consisting of compounds represented by the following formulas (1) or (2).
(Wherein, X represents a C androgenic atom, Y represents an alkoxy group.)
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
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