JP7067220B2

JP7067220B2 - セパレータ

Info

Publication number: JP7067220B2
Application number: JP2018075949A
Authority: JP
Inventors: 孝佳田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-04-11
Also published as: JP2019186055A

Description

本開示は、セパレータに関する。

特開２０１５－１３８６５７号公報（特許文献１）は、膨張開始温度が異なる第１の熱膨張性マイクロカプセルおよび第２の熱膨張性マイクロカプセルを含むセパレータを開示している。係るセパレータを備えた非水電解質二次電池等（以下、単に「電池」とも記載され得る）は、シャットダウン性能に優れるものと考えられる。

特開２０１５－１３８６５７号公報

一般的にセパレータは、正極および負極（以下、正極および負極は「電極」とも記される）の間に配置される。電極は、高温になりやすい部位と、高温になりにくい部位があり、電極内に温度差が生じる傾向にある。高温になりやすい部位は、高温になりにくい部位と比して劣化の進行速度が速いものと考えられる。これにより、局所的な電極の劣化が進行し、電池の性能低下が早まる懸念がある。

特許文献１において開示されるセパレータは、シャットダウン性能に優れるものの、電極の局所的な劣化の進行の抑制において、改善の余地が存在するものと考えられる。

本開示の目的は、電極の局所的な劣化の進行を抑制し得る、セパレータを提供することにある。

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。

〔１〕本開示のセパレータは、正極と負極との間に配置されるセパレータであり、複数枚のセパレータ材料と、複数種の糸状材料とを含む。複数枚のセパレータ材料は、それぞれ短冊状である。複数種の糸状材料が有する熱膨張率は、複数枚のセパレータ材料の有する熱膨張率よりも低い。複数枚のセパレータ材料は、それぞれ第１面と第１面の裏側に位置する第２面とを含む。複数種の糸状材料は、第１の糸状材料と第２の糸状材料とを含む。複数枚のセパレータ材料と複数種の糸状材料とは、互いに交差している。複数枚のセパレータ材料のそれぞれにおいて、第１の糸状材料が第１面側に配置されている場合には第２の糸状材料は第２面側に配置されており、第１の糸状材料が第２面側に配置されている場合には第２の糸状材料は第１面側に配置されている。

図１は、本開示の実施の形態１に係るセパレータの上面図である。
図１において、セパレータ３００は、短冊状の複数枚のセパレータ材料３０と、複数種の糸状材料４０とを含む。複数枚のセパレータ材料３０は、それぞれ第１面３０ａと第１面３０ａの裏側に位置する第２面３０ｂとを含んでいる。複数種の糸状材料４０は、第１の糸状材料４０ａと第２の糸状材料４０ｂとを含んでいる。複数枚のセパレータ材料３０と複数種の糸状材料４０とは、互いに交差している。

図１は、第１の糸状材料４０ａおよび第２の糸状材料４０ｂの数が均等である例を示している。複数枚のセパレータ材料のそれぞれにおいて、第１の糸状材料４０ａが第１面３０ａ側に配置されている場合には第２の糸状材料４０ｂは第２面３０ｂ側に配置されており、第１の糸状材料４０ａが第２面３０ｂ側に配置されている場合には第２の糸状材料４０ｂは第１面３０ａ側に配置されている。

図２は、本開示の実施の形態１に係る作用メカニズムを説明するための概念図である。
図２においは、図１に示されるセパレータ３００が、正極１００と負極２００との間に配置されている。第１面３０ａが負極２００側に配置されており、第２面３０ｂが正極１００側に配置されている。仮に正極１００および負極２００の一部が高温になり（すなわち、電極の一部が高温になり）、電極において高温部位が生じると、該高温部位周辺のセパレータ３００に含まれるセパレータ材料３０が熱膨張すると考えられる。

複数枚のセパレータ材料３０は、その第１面３０ａおよび第２面３０ｂにそれぞれ複数種の糸状材料４０が配置されている。複数種の糸状材料４０が有する熱膨張率は、複数枚のセパレータ材料３０の有する熱膨張率よりも低く、複数種の糸状材料４０は剛性が高い。そのため、高温部位周辺の複数枚のセパレータ材料３０は、図２に示されるように第１面３０ａ側および第２面３０ｂ側の厚み方向に突出するように膨張するものと考えられる。換言すれば、高温部位周辺の複数枚のセパレータ材料３０は、正極１００および負極２００の両方向に向けて膨張するものと考えられる。

高温部位周辺の複数枚のセパレータ材料３０が、正極１００および負極２００の両方向に向けて膨張することにより、図２に示されるように電極（正極１００および負極２００）とセパレータ３００との接触面積が減少するものと考えられる。これにより、接触面積が減少した部位においてはイオン導電性が低下するため電池抵抗が増加し、電流が流れにくくなると考えられる。電極の高温部位に対して電流が流れにくくなることにより、局所的な電極の劣化の進行が緩和されるものと考えられる。結果として、電極の劣化のバラツキが抑制されると期待される。

図１は、本開示の実施の形態１に係るセパレータの上面図である。図２は、本開示の実施の形態１に係る作用メカニズムを説明するための概念図である。図３は、本開示の実施の形態２に係るセパレータの上面図である。図４は、本開示の実施の形態２に係る作用メカニズムを説明するための第１概念図である。図５は、本開示の実施の形態２に係る作用メカニズムを説明するための第２概念図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本開示の実施の形態１に係るセパレータの上面図であり、図２は、本開示の実施の形態１に係る作用メカニズムを説明するための概念図である。

実施の形態１においては、第１の糸状材料４０ａおよび第２の糸状材料４０ｂの数は均等である。複数枚のセパレータ材料３０のそれぞれにおいて、第１の糸状材料４０ａが第１面３０ａ側に配置されている場合には第２の糸状材料４０ｂは第２面３０ｂ側に配置されており、第１の糸状材料４０ａが第２面３０ｂ側に配置されている場合には第２の糸状材料４０ｂは第１面３０ａ側に配置されている。

図２に示されるように、セパレータ３００は正極１００と負極２００との間に配置されるセパレータである。図１に示されるように、セパレータ３００は複数枚のセパレータ材料３０と、複数種の糸状材料４０とを含む。複数枚のセパレータ材料３０は、それぞれ短冊状である。なお、図２おいては第１面３０ａが負極２００側に配置されており、第２面３０ｂが正極１００側に配置されているが、第１面３０ａが正極１００側に配置され、第２面３０ｂが負極２００側に配置されてもよい。

（セパレータ材料）
セパレータ材料３０は、多孔質フィルムであり得る。セパレータ材料３０は電気絶縁性である。セパレータ材料３０は、たとえばポリエチレン（ＰＥ）製、ポリプロピレン（ＰＰ）製等であってもよい。セパレータ材料３０は、第１面３０ａと第１面の裏側に位置する第２面３０ｂとを含む。セパレータ材料３０は、たとえば、５～３０μｍの厚さを有してもよい。

複数枚のセパレータ材料３０が有する熱膨張率は、後述する複数種の糸状材料４０が有する熱膨張率よりも高い。すなわち、複数種の糸状材料４０が有する熱膨張率は、複数枚のセパレータ材料３０が有する熱膨張率よりも低い。

（糸状材料）
複数種の糸状材料４０は、その熱膨張率が複数枚のセパレータ材料３０が有する熱膨張率よりも低い限り、特に制限されるべきでは無い。複数種の糸状材料４０が有する熱膨張率は、全て同じでもよいし、全て異なっていてもよいし、一部のみ同じであってもよい。複数種の糸状材料４０は、少なくとも６０℃で膨張することが望ましい。複数種の糸状材料４０は、保液性を有し、細孔を有することが望ましい。

（セパレータ材料と糸状材料との位置関係）
図１に示されるように、複数枚のセパレータ材料３０と複数種の糸状材料４０とは、互いに交差している。たとえば、複数枚のセパレータ材料３０と複数種の糸状材料４０とが、互いに交差するように複数種の糸状材料４０が編み込まれてもよい。すなわち、複数枚のセパレータ材料３０と複数種の糸状材料４０とは、互いに交差するように編み込まれていてもよい。

図１に示されるように、複数枚のセパレータ材料３０のそれぞれにおいて、第１の糸状材料４０ａが第１面３０ａ側に配置されている場合には、第２の糸状材料４０ｂは第２面３０ｂ側に配置されている。第１の糸状材料４０ａが第２面３０ｂ側に配置されている場合には、第２の糸状材料４０ｂは第１面３０ａ側に配置されている。複数枚のセパレータ材料３０と複数種の糸状材料４０とが係る位置関係を有することにより、高温部位周辺のセパレータ材料３０が正極１００側および負極２００側の両方向に向けて膨張し、結果として電極の劣化のバラツキが抑制されるものと考えられる。

［実施の形態２］
本開示の実施の形態２に係るセパレータについて説明する。実施の形態２は実施の形態１と共通する部分が多いため、主に相違点について説明し、共通する部分についての説明は割愛する。

図３は、本開示の実施の形態２に係るセパレータの上面図であり、図４は、本開示の実施の形態２に係る作用メカニズムを説明するための第１概念図であり、図５は、本開示の実施の形態２に係る作用メカニズムを説明するための第２概念図である。

実施の形態２に係るセパレータ３００は、基本的には、実施の形態１に係るセパレータ３００に準ずる構成を有する。ただし、実施の形態２においては、第１の糸状材料４０ａと第２の糸状材料４０ｂとの数が異なっている。また、実施の形態２においては、正極１００と負極２００との間に複数（たとえば、４つ）のセパレータ３００が配置され得る。以下、図３、図４、および図５を用いて、実施の形態２に係るセパレータ３００について説明する。

図３に示されるように、セパレータ３００は、２つの第１の糸状材料４０ａと６つの第２の糸状材料４０ｂとを含んでいる。複数枚のセパレータ材料３０のそれぞれにおいて、第１の糸状材料４０ａが第１面３０ａ側に配置されている場合には第２の糸状材料４０ｂは第２面３０ｂ側に配置されており、第１の糸状材料４０ａが第２面３０ｂ側に配置されている場合には第２の糸状材料４０ｂは第１面３０ａ側に配置されている。

仮に図３に示されるセパレータ３００が加熱された場合、第１面３０ａはその厚み方向に突出するように膨張するものと考えられる。対して第２面３０ｂには、その表面に６つの第２の糸状材料４０ｂが配置されている。前述の通り、複数種の糸状材料４０が有する熱膨張率は複数枚のセパレータ材料３０が有する熱膨張率よりも低く、複数種の糸状材料４０は剛性が高い。そのため、第２面３０ｂはその厚み方向に突出するように膨張せず、第１面３０ａの膨張に伴い変形するものと考えられる。このように、第１のセパレータ３００ａにおける第２面３０ｂが膨張しないため、図４に示すようにセパレータ３００を積層して用い得る。すなわち、セパレータ３００を多層構造とすることができる。

図４は、本開示の実施の形態２に係る作用メカニズムを説明するための第１概念図である。正極１００と負極２００との間には、図３に係る４つのセパレータ３００（第１のセパレータ３００ａ、第２のセパレータ３００ｂ、第３のセパレータ３００ｃ、および第４のセパレータ３００ｄ）が積層されて配置されている。該４つのセパレータにおいては、第１面３０ａがそれぞれ負極２００側に配置され、第２面３０ｂがそれぞれ正極１００側に配置されている。

図４に示されるように正極１００において高温部位が存在する場合、該４つのセパレータに含まれる複数枚のセパレータ材料３０の第１面３０ａは、それぞれその厚さ方向（すなわち、負極２００の方向）に膨張するものと考えられる。第１面３０ａの膨張に伴い第２面３０ｂが変形し、正極１００と第１のセパレータ３００ａにおける第２面３０ｂとの間には、空間が生じるものと考えられる。

正極１００と第１のセパレータ３００ａとの間に生じた空間により、正極１００と第１のセパレータ３００ａとの接触面積が減少するものと考えられる。これにより、電池抵抗が増加し、電流が流れにくくなると考えられる。正極１００（電極）の高温部位に対して電流が流れにくくなることにより、局所的な正極１００（電極）の劣化の進行が緩和されるものと考えられる。結果として、正極１００（電極）の劣化のバラツキが抑制されると考えられる。

図５は、本開示の実施の形態２に係る作用メカニズムを説明するための第２概念図である。図４と異なる点は、第１のセパレータ３００ａおよび第２のセパレータ３００ｂの第１面３０ａがそれぞれ正極１００側に配置されていること、および、第２のセパレータ３００ｂの第２面３０ｂと第３のセパレータ３００ｂの第２面３０ｂとが接していること、の２点である。

図５に示されるように、正極１００において高温部位が存在する場合、第１のセパレータ３００ａおよび第２のセパレータ３００ｂに含まれる第１面３０ａは、それぞれその厚さ方向（すなわち、正極１００の方向）に膨張するものと考えられる。対して、第３のセパレータ３００ｃおよび第４のセパレータ３００ｄに含まれる第１面３０ａは、それぞれその厚さ方向（すなわち、負極２００の方向）に膨張するものと考えられる。

上記のように、正極１００近傍に配置された第１のセパレータ３００ａおよび第２のセパレータ３００ｂの第１面３０ａが正極１００側に膨張し、負極２００近傍に配置された第３のセパレータ３００ｃおよび第４のセパレータ３００ｄの第１面３０ａが負極２００側に膨張することにより、第２のセパレータ３００ｂと第３のセパレータ３００ｃとの間に空間が生じ、第２のセパレータ３００ｂと第３のセパレータ３００ｃとの接触面積が減少するものと考えられる。

第２のセパレータ３００ｂと第３のセパレータ３００ｃとの接触面積が減少することにより電池抵抗が増加し、電流が流れにくくなると考えられる。正極１００（電極）の高温部位に対して電流が流れにくくなることにより、局所的な正極１００（電極）の劣化の進行が緩和されるものと考えられる。結果として、正極１００（電極）の劣化のバラツキが抑制されると考えられる。

以上の通り、本開示の実施の形態１に係るセパレータおよび実施の形態２に係るセパレータは、電極の局所的な劣化の進行を抑制し得るものである。

今回開示された実施形態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。

３０セパレータ材料、３０ａ第１面、３０ｂ第２面、４０糸状材料、４０ａ第１の糸状材料、４０ｂ第２の糸状材料、１００正極、２００負極、３００セパレータ、３００ａ第１のセパレータ、３００ｂ第２のセパレータ、３００ｃ第３のセパレータ、３００ｄ第４のセパレータ。

Claims

正極と負極との間に配置されるセパレータであって、
複数枚のセパレータ材料と、
複数種の糸状材料とを含み、
前記複数枚のセパレータ材料は、それぞれ短冊状であり、
前記複数種の糸状材料が有する熱膨張率は、前記複数枚のセパレータ材料が有する熱膨張率よりも低く、
前記複数枚のセパレータ材料は、それぞれ第１面と前記第１面の裏側に位置する第２面とを含み、
前記複数種の糸状材料は、第１の糸状材料と第２の糸状材料とを含み、
前記複数枚のセパレータ材料と前記複数種の糸状材料とは、互いに交差しており、
前記複数枚のセパレータ材料のそれぞれにおいて、前記第１の糸状材料が前記第１面側に配置されている場合には前記第２の糸状材料は前記第２面側に配置されており、前記第１の糸状材料が前記第２面側に配置されている場合には前記第２の糸状材料は前記第１面側に配置されている、
セパレータ。