JP7006450B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
図1には、正極100、負極200、およびセパレータ300が示されている。正極100は正極集電体101および正極合材層102を含む。正極集電体101と正極合材層102との間には、保護層10が配置されている。
(2)結晶性グラファイトは、正極集電体101と略平行に配向されているため、面方向(長手方向)の熱伝達性が特に高いと考えられる。たとえば、結晶性グラファイトの厚さ方向の熱伝達性が15W/mKの際、結晶性グラファイトの面方向の熱伝達性は1500W/mKであり得る。すなわち結晶性グラファイトは、その面方向が厚さ方向と比して約100倍の熱伝達性を有し得る。保護層10中において、複数の結晶性グラファイトのそれぞれは、隣接する結晶性グラファイトと連なっている。そのため、保護層10は、その面方向に大きな熱伝達性を有するものと考えられる。
(3)上記(1)および(2)により、短絡時において発生したジュール熱が、正極100の厚さ方向では無く正極100の面方向に向けて伝達および拡散しやすいものと考えられる。これにより、正極合材層102の温度が正極活物質の分解温度に達し、正極活物質が酸素を放出することが抑制されるものと考えられる。
(4)結晶性グラファイトは、正極集電体101と略平行に配向されている。そのため、短絡部位において釘700の面と結晶性グラファイトの面との接触性が優れているものと考えられる。結晶性グラファイトは、その厚み方向の電子伝導性が低いものと考えられる(すなわち、厚み方向の短絡抵抗が大きいものと考えられる)。そのため、結晶性グラファイトの厚み方向への短絡電流が抑制され、発生するジュール熱も抑制されるものと考えられる。
(5)また、保護層10に含まれる絶縁フィラー11により、釘700と正極集電体101との接触面積が抑制されるものと考えられる。
図3は、本実施形態の非水電解質二次電池の構成の一例を示す概略図である。
電池1000の外形は、角形である。すなわち電池1000は、角形電池である。ただし本実施形態の電池1000は角形電池に限定されるべきではない。本実施形態の電池1000は、たとえば円筒形電池であってもよい。図3では図示されていないが、電池1000は、正極100、負極200、セパレータ300、および非水電解質を少なくとも含む。
電池1000は、ケース1001を含む。ケース1001は密閉されている。ケース1001は、たとえばアルミニウム(Al)合金等により構成され得る。ただしケース1001が密閉され得る限り、ケースは、たとえばAlラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。すなわち本実施形態の電池1000は、ラミネート型電池であってもよい。
図4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500は、巻回型である。すなわち電極群500は、正極100、セパレータ300、負極200およびセパレータ300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。ただし本実施形態の電極群は巻回型に限定されるべきではない。本実施形態の電極群は、積層(スタック)型であってもよい。積層型の電極群は、たとえば、正極100および負極200の間にセパレータ300が挟まれつつ、正極100および負極200が交互に積層されることにより形成され得る。
図5は、本実施形態の正極の構成の一例を示す概略図である。
電池1000は、正極100を少なくとも含む。正極100は、帯状のシートであり得る。正極100は、正極合材層102および正極集電体101を含む。図5では図示されていないが、正極集電体101と正極合材層102との間には、保護層10(図1)が配置されている。すなわち正極100は、正極集電体101、保護層10(図1)、および正極合材層102を含む。
正極集電体101は、導電性を有する電極基材である。正極集電体101は、たとえば9μm以上17μm以下の厚さを有してもよい。正極集電体101は、たとえば、純Al箔、Al合金箔等であってもよい。
正極合材層102は、保護層10(図1)の表面に形成されている。正極合材層102は、たとえば100μm以上200μm以下の厚さを有してもよい。正極合材層102は、正極活物質を少なくとも含む。正極合材層102は、たとえば80質量%以上98質量%以下の正極活物質、1質量%以上10質量%以下の導電材、および1質量%以上10質量%以下のバインダを含んでもよい。
図1に示されるように、保護層10は正極集電体101と正極合材層102との間に配置されている。保護層10は、絶縁フィラー11および導電材12を含む。保護層10は、絶縁フィラー11としてアルミナを含む。保護層10は、導電材12として複数の結晶性グラファイトを含む。保護層10は、導電材12としてたとえばAB、カーボンブラック、ファーネスブラック、VGCF、黒鉛等を更に含んでもよい。
保護層10は、導電材12として複数の結晶性グラファイトを含む。以下、結晶性グラファイトについて詳細に説明する。
図7は、導電材である結晶性グラファイトの配向角度を説明するための模式図である。
導電材12(すなわち、結晶性グラファイト)は、その面方向が正極集電体101の面方向と略平行に配向している配向性の結晶性グラファイトである。導電材12(すなわち、結晶性グラファイト)の正極集電体101の面方向に対する配向度(以後、「結晶性グラファイトの配向度」とも記される)は、0°以上20°以下である。ここで、結晶性グラファイトの配向度は、正極集電体101の表面に対する導電材12(すなわち、結晶性グラファイト)のなす鋭角の角度θの平均的な値である(図7参照)。
結晶性グラファイトは、たとえば20以上500以下のアスペクト比を有してもよい。アスペクト比は、個々の結晶性グラファイトにおける最小幅に対する最大幅の比を示す。アスペクト比は、たとえばSEMを用いることにより測定し得る。保護層10の断面をSEMにて観察し、結晶性グラファイトを特定し、その厚みと長さを測定し、アスペクト比を算出し得る。アスペクト比は、少なくとも10回測定され得る。少なくとも10回の算術平均が測定結果として採用され得る。結晶性グラファイトが上記範囲のアスペクト比を有することにより、保護層10の面方向(長手方向)の熱伝達率を高く保つことが可能であると考えられる。
結晶性グラファイトは、その長さが1μm以上10μm以下であり、かつ、その厚さが10nm以上100nm以下であることが望ましい。結晶性グラファイトの長さおよび厚さを上記範囲とすることにより、保護層10の面方向(長手方向)の熱伝達率を高く保つことが可能であると考えられる。結晶性グラファイトの長さおよび厚みは、たとえばSEMを用いることにより測定し得る。結晶性グラファイトの長さおよび厚みは、少なくとも10回測定され得る。少なくとも10回の算術平均が測定結果として採用され得る。
保護層10は、絶縁フィラー11としてアルミナを含む。保護層10において、絶縁フィラー11は80質量%以上98質量%以下含まれることが望ましく、85質量%以上90質量%以下含まれることがより望ましい。保護層10における絶縁フィラー11の含有量が80質量%未満の場合、釘700が電池1000に刺さった場合、釘700と正極集電体101との接触面積が大きくなるおそれがある。保護層10における絶縁フィラー11の含有量が98質量%をこえる場合、保護層10における導電材12の量が不十分になる可能性がある。絶縁フィラー11は、0.1μm以上5μm以下の平均粒径を有することが望ましい。
図6は、本実施形態の負極の構成の一例を示す概略図である。
電池1000は、負極200を少なくとも含む。負極200は、帯状のシートであり得る。負極200は、負極集電体201および負極合材層202を含む。
負極合材層202は、負極集電体201の表面に形成されている。負極合材層202は、負極集電体201の表裏両面に形成されていてもよい。負極合材層202は、たとえば80μm以上250μm以下の厚さを有してもよい。負極合材層202は、負極活物質を少なくとも含む。負極合材層202は、たとえば90質量%以上99質量%以下の負極活物質、および1質量%以上10質量%以下のバインダを含んでもよい。
負極集電体201は、導電性を有する電極基材である。負極集電体201は、たとえば5μm以上50μm以下の厚さを有してもよく、7μm以上12μm以下の厚さを有することが望ましい。負極集電体201は、たとえば、純銅(Cu)箔、Cu合金箔等であってもよい。
図4は、本実施形態の電極群500の構成の一例を示す概略図である。
図4に示すように、電池1000は、セパレータ300を含み得る。セパレータ300は、帯状のフィルムである。セパレータ300は、正極100および負極200の間に配置されている。セパレータ300は、たとえば5μm以上30μm以下の厚さを有してもよく、10μm以上30μm以下の厚さを有することが望ましい。セパレータ300は多孔質である。セパレータ300は、正極100および負極200を電気的に絶縁している。セパレータ300は、たとえば、PE製、PP製等の多孔質フィルムであってもよい。
電池1000は、非水電解質を含む。非水電解質は、非水溶媒および支持塩を含む。非水溶媒は、たとえばエチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等の環状あるいは鎖状の炭酸エステル類でよい。支持塩は、たとえばヘキサフルオロ燐酸リチウム(LiPF6)、テトラフルオロ硼酸リチウム(LiBF4)等のLi塩でよい。Li塩の濃度は、たとえば0.5~2.0mоl/L程度でよい。非水電解質は、ビニレンカーボネート(VC)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等の添加剤を含んでいてもよい。
本実施形態の電池1000に含まれる正極100は、たとえば以下の(α)~(δ)を少なくとも含む製造方法により製造され得る。
(α)保護層用のスラリーを準備する。
(β)正極集電体101の表面(裏表両面)に保護層用のスラリーを塗布した後、該スラリーを乾燥させ、その後プレスすることにより、正極集電体101の表面に保護層10を形成する。
(γ)正極合材層用スラリーを準備する。
(δ)保護層10の表面(裏表両面)に正極合材層用スラリーを塗布した後、該スラリーを乾燥させ、その後プレスすることにより保護層10の表面に正極合材層102を形成する。
保護層10は、導電材12としてABのみを含んでいる。係る場合、釘700が刺さることにより発生したジュール熱は、主に正極100の厚さ方向に向けて伝達するものと考えられる。導電材12としてABのみを含んでいるため、正極100の面方向への熱伝達率が導電材12として配向性の結晶性グラファイトを含む場合と比して低いと考えられる。結果として、短絡時における発熱の抑制が不十分になると考えられる。
1.保護層の形成
以下の材料が準備された。
絶縁フィラー:アルミナ(平均粒径:1μm)
導電材:結晶性グラファイト(厚さ:50nm、長さ5μm、アスペクト比100)
バインダ:PVdF
溶媒:N-メチル-2-ピロリドン(NMP)
正極集電体:Al箔(厚さ:15μm)
以下の材料が準備された。
正極活物質:NCM(平均粒径:10μm)
導電材:AB
バインダ:PVdF
溶媒:NMP
正極集電体:保護層10が形成されたAl箔
以下の材料が準備された。
負極活物質:黒鉛(平均粒径:15μm)
バインダ:SBRおよびCMC
溶媒:水
負極集電体:Cu箔(厚さ:10μm)
以下の組成を有する電解液が準備された。
溶媒組成:[EC:DMC:EMC=3:4:3(体積比)]
支持塩:LiPF6(1.0mоl/L)
帯状の正極100、帯状の負極200および帯状のセパレータ300(PP/PE/PPの三層構造)がそれぞれ準備された。セパレータ300の厚みは25μmである。セパレータ300を挟んで、正極100と負極200とが対向するように、正極100、セパレータ300、負極200、セパレータ300の順で積層され、さらに渦巻状に巻回された。これにより電極群500が構成された。正極100および負極200に端子がそれぞれ接続された。電極群500がアルミニウムからなる電池ケース1001に収納された。角形の電池ケース1001に非水電解質が注入され、電池ケース1001が密閉された。以上より、非水電解質二次電池1000が製造された。電池1000は、角形である。電池1000は、3.0~4.2Vの範囲で5Ahの定格容量を有するように設計されている。
25℃において、0.2Cの電流レートにより電池1000が4.2Vまで充電された。「1C」の電流レートは定格容量を1時間で充電する。その後、電池1000は60℃において10時間保持された。電池1000はその後、25℃において0.2Cの電流レートで3Vまで放電された。
CC-CV方式放電:CC=0.2C、CV=3.0V、カット電流=0.1C
下記表1に示されるように、導電材12の厚さ、導電材12の長さ、導電材12のアスペクト比を変更したこと、保護層10に含まれる絶縁フィラー11、導電材12、およびバインダの比率を変更したこと、保護層10の厚み、および保護層10の合材密度を変更したことを除いては、実施例1と同様に電池1000が製造された。
下記表1に示されるように、導電材12として結晶性グラファイトに加えてABを用いたこと(結晶性グラファイト:AB=6:1(質量比))、導電材12の厚さ、導電材12の長さ、導電材12のアスペクト比を変更したこと、保護層10に含まれる絶縁フィラー11、導電材12、およびバインダの比率を変更したこと、保護層10の厚み、および保護層10の合材密度を変更したことを除いては、実施例1と同様に電池1000が製造された。
下記表1に示されるように、保護層10を設けなかったことを除いては、実施例1と同様に電池1000が製造された。
下記表1に示されるように、導電材12としてABを用いたこと、保護層10に含まれる絶縁フィラー11、導電材12、バインダの比率を変更したこと、保護層10の厚み、および保護層10の密度を変更したことを除いては、実施例1と同様に電池1000が製造された。なおABの厚さ、ABの長さ、およびABのアスペクト比は測定していない。
下記表1に示されるように、保護層10の厚みおよび保護層10の密度を変更したことを除いては、実施例2と同様に電池1000が製造された。
1.釘刺し試験
25℃において、0.2Cの電流レートにより電池1000が4.2Vまで充電された。3mmの胴部径を有する釘700が準備された。電池1000に釘700を速度10mm/secで貫通させた。釘700が刺し込まれた位置から5mm離れた位置において、電池1000側面の温度が監視された。釘刺し後の最高到達温度が測定された。結果は、下記表1の「到達温度」の欄に示されている。到達温度が低い程、釘刺し試験時における電池温度上昇が抑制されていること、すなわち、短絡時における発熱が抑制されていることを意味している。
25℃において、0.2Cの電流レートにより電池1000が4.2Vまで充電された。次いで電池1000が電流値I=10Cで10秒間放電され、電圧降下ΔVが測定された。電気抵抗Rは、R=ΔV/Iを計算することによって算出された。結果は下記表1の「電池抵抗」の欄に示されている。「電池抵抗」は比較例1に係る電池抵抗を100%として、実施例およびその他の比較例の電池抵抗を相対評価したものである。値が小さいほど、電池抵抗が低いことを示している。
上記表1に示されるように、実施例1~実施例11は、短絡時における発熱が抑制されていた。以下に示す(1)~(5)が相互作用することにより、短絡時における発熱が抑制されるものと期待される。また、保護層10に含まれる結晶性グラファイトに起因して電池抵抗は比較例1と比して若干高くなったものの、充分許容される範囲内の電池抵抗の増加であった。
(2)結晶性グラファイトは、正極集電体101と略平行に配向されているため、結晶性グラファイトはその面方向(長手方向)の熱伝達性が特に高かったものと考えられる。たとえば、結晶性グラファイトの面方向は、結晶性グラファイトの厚さ方向と比して約100倍の熱伝達性を有し得る。保護層10中において、複数の結晶性グラファイトのそれぞれは、隣接する結晶性グラファイトと連なっている。そのため、保護層10は、その面方向に大きな熱伝達性を有していたものと考えられる。
(3)上記(1)および(2)により、短絡時において発生したジュール熱が、正極100の厚さ方向では無く正極100の面方向に向けて伝達および拡散しやすかったものと考えられる。これにより、正極合材層102の温度が正極活物質の分解温度に達し、正極活物質が酸素を放出することが抑制されたものと考えられる。
(4)結晶性グラファイトは、正極集電体101と略平行に配向されていた。そのため、短絡部位において釘700の面と結晶性グラファイトの面との接触性が優れていたと考えられる。結晶性グラファイトは、その厚み方向の電子伝導性が低いものと考えられる(すなわち、短絡抵抗が大きいものと考えられる)。そのため、結晶性グラファイトの厚み方向への短絡電流が抑制され、発生するジュール熱も抑制されたものと考えられる。
(5)また、保護層10に含まれる絶縁フィラー11により、釘700と正極集電体101との接触面積が抑制されたと考えられる。
Claims (1)
- 正極、負極、セパレータおよび非水電解質を少なくとも含み、
前記正極は、正極集電体、正極合材層、および保護層を含み、
前記保護層は、前記正極集電体と前記正極合材層との間に配置されており、
前記保護層は、絶縁フィラーおよび導電材を含み、
前記保護層は、絶縁フィラーとしてアルミナを含み、
前記絶縁フィラーの前記保護層中の含有率は80質量%以上98質量%以下であり、
前記保護層は、導電材として複数の結晶性グラファイトを含み、
前記保護層は、1μm以上7μm以下の厚さを有し、
前記結晶性グラファイトは、20以上500以下のアスペクト比を有し、
前記結晶性グラファイトは、その長さが1μm以上10μm以下であり、かつ、その厚さが50nm以上100nm以下であり、
前記結晶性グラファイトは、その面方向が前記正極集電体の面方向と略平行に配向している配向性の結晶性グラファイトであり、
前記複数の結晶性グラファイトのそれぞれは、隣接する前記結晶性グラファイトと連なっており、
前記保護層は、1.1g/cm3以上2.7g/cm3以下の合材密度を有する、
非水電解質二次電池。
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