JP7083696B2 - Non-water secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、無機絶縁体を主体とする多孔性の絶縁層をセパレータとして備えた非水二次電池に関するものである。 The present invention relates to a non-aqueous secondary battery provided with a porous insulating layer mainly composed of an inorganic insulator as a separator.
近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ等のポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化等に伴い、小型・軽量で且つ高容量・高エネルギー密度の非水二次電池が必要とされるようになってきている。 In recent years, with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook personal computers and the practical application of electric vehicles, a compact, lightweight, high-capacity, high-energy density non-aqueous secondary battery is required. Is becoming.
現在、この要求に応え得る非水二次電池として、例えばリチウムイオン電池が知られており、正極活物質にコバルト酸リチウム(LixCoO2)、ニッケル酸リチウム(LixNiO2)、ニッケル-コバルト-マンガン酸リチウム(LixNiy1Coy2Mny3O2:0.9<x<1.1、0<y1,y2,y3<1、y1+y2+y3=1で表されるNCM材料)等のリチウム含有複合酸化物あるいはこれらの複合体や混合物を用い、負極活物質に黒鉛等を用いて電池が構成されている。そして、非水二次電池の適用機器の更なる発達に伴って、非水二次電池の更なる高容量化・高エネルギー密度化が求められている。 Currently, for example, a lithium ion battery is known as a non-aqueous secondary battery that can meet this demand, and lithium cobalt oxide (Li x CoO 2 ), lithium nickel oxide (Li x NiO 2 ), and nickel- are used as positive electrode active materials. Lithium cobalt-lithium manganate (NCM material represented by Li x Ni y1 Co y2 Mn y3 O 2 : 0.9 <x <1.1, 0 <y1, y2, y3 <1, y1 + y2 + y3 = 1) A battery is configured by using a contained composite oxide or a composite or a mixture thereof, and using graphite or the like as a negative electrode active material. With the further development of equipment to which non-water secondary batteries are applied, further increase in capacity and energy density of non-water secondary batteries is required.
非水二次電池の高容量化及び高エネルギー密度化を図る手法の一つとして、正極活物質を高電圧で充電して用いることが挙げられる。またNCM材料のNi比率を高くして容量を増加させる方法も検討されている。一方、容量や電圧が上がるにつれて電池の安全性は低下する傾向にある。 One of the methods for increasing the capacity and energy density of the non-aqueous secondary battery is to charge the positive electrode active material at a high voltage and use it. Further, a method of increasing the Ni ratio of the NCM material to increase the capacity is also being studied. On the other hand, the safety of the battery tends to decrease as the capacity and voltage increase.
従来、安全性を改善する方法としては、電解液添加剤や正極材料への添加元素、表面被覆、セパレータへの絶縁材料コートなどが検討されてきた。特に樹脂製セパレータへの絶縁材料被覆は、電池が短絡しにくくかつ短絡が生じた際の短絡部位の拡大を抑制する効果があり、最近需要が拡大している。例えば、特許文献1では、耐熱材料を含有するセパレータを用いたリチウムイオン電池において、電解液量を、正極、負極およびセパレータにおける空隙の合計体積の0.9倍以上1.6倍以下とすることにより、充放電を繰り返した際の容量減少を抑制し、サイクル特性に優れる電池を提供することが提案されている。 Conventionally, as a method for improving safety, an electrolytic solution additive, an element added to a positive electrode material, a surface coating, an insulating material coating on a separator, and the like have been studied. In particular, the coating of the insulating material on the resin separator has the effect of preventing the battery from short-circuiting and suppressing the expansion of the short-circuited portion when a short-circuit occurs, and the demand for it has been increasing recently. For example, in Patent Document 1, in a lithium ion battery using a separator containing a heat-resistant material, the amount of electrolytic solution is 0.9 times or more and 1.6 times or less the total volume of voids in the positive electrode, the negative electrode, and the separator. Therefore, it has been proposed to suppress a decrease in capacity when charging and discharging are repeated, and to provide a battery having excellent cycle characteristics.
ところで、本発明者らの検討では、NCM材料のNi比率を増加させるなどにより高エネルギー密度化された電池を用いる場合、セパレータ絶縁層の厚みが薄くなるとその効果が生じ難くなり、樹脂層の溶融の際に絶縁層の効果が発現しなくなる傾向であることがわかった。従って、より高温でも安全性に寄与できる絶縁層を形成する必要がある。 By the way, in the study by the present inventors, when a battery having a high energy density is used by increasing the Ni ratio of the NCM material, the effect becomes difficult to occur when the thickness of the separator insulating layer becomes thin, and the resin layer is melted. It was found that the effect of the insulating layer tends not to be exhibited at the time. Therefore, it is necessary to form an insulating layer that can contribute to safety even at a higher temperature.
一方、固体電解質を用いた電池も安全性が高いと考えられている。固体電解質自体も耐熱性に優れた材料であり、前記の絶縁層と同等以上の効果を発現できると期待されている。しかし、電池の作動に難があり、活物質と固体電解質の界面形成が課題になっている。そのため、特許文献2~4などにおいて、電解液を界面に介在させることで、良好な界面を形成し、絶縁層の効果を発揮しつつ、作動特性を改善することも提案されており、特許文献2では、固体電解質層を、層状の緻密部と電解液を保持する多孔質部とからなる構造とすることにより、充放電時のデンドライトによる短絡を防止できることも記載されている。 On the other hand, batteries using solid electrolytes are also considered to be highly safe. The solid electrolyte itself is also a material having excellent heat resistance, and is expected to exhibit an effect equal to or higher than that of the above-mentioned insulating layer. However, there is a difficulty in operating the battery, and the formation of an interface between the active material and the solid electrolyte has become an issue. Therefore, in Patent Documents 2 to 4, it is also proposed to form a good interface by interposing an electrolytic solution at the interface and to improve the operating characteristics while exerting the effect of the insulating layer. In Section 2, it is also described that the solid electrolyte layer has a structure composed of a layered dense portion and a porous portion for holding the electrolytic solution, thereby preventing a short circuit due to dendrite during charging and discharging.
しかし、本発明者の検討によれば、無機絶縁体を主体とする多孔性の絶縁層をセパレータとする非水二次電池では、重量エネルギー密度を高めたり、安全性を高めるために電解液量を制限しようとすると、充電時にリチウムのデンドライトが形成されやすくなり、却って安全性が損なわれやすくなることが明らかとなった。 However, according to the study of the present inventor, in a non-aqueous secondary battery using a porous insulating layer mainly composed of an inorganic insulator as a separator, the amount of electrolytic solution is increased in order to increase the weight energy density and safety. It has become clear that when trying to limit the amount of energy, lithium dendrites are likely to be formed during charging, and the safety is likely to be impaired.
本発明は上記問題を解決しようとするものであり、重量エネルギー密度が高く、かつ充放電特性に優れると共に、充電時にリチウムデンドライトが形成されにくく安全性の高い非水二次電池を提供するものである。 The present invention is intended to solve the above problems, and provides a non-aqueous secondary battery having a high weight energy density, excellent charge / discharge characteristics, and less likely to form lithium dendrites during charging. be.
本発明の非水二次電池は、電池容器内に、電極体と非水電解液を有し、前記電極体は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、前記正極および前記負極の間に介在させてなる多孔性の絶縁層とを有し、前記絶縁層は、無機絶縁体を80質量%以上の割合で含有し、かつ空孔率が50%以下であり、前記電池容器内の前記非水電解液の質量が、前記電極体の正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、前記非水電解液の質量との総和に対し、2%以上60%以下であることを特徴とする。 The non-aqueous secondary battery of the present invention has an electrode body and a non-aqueous electrolytic solution in a battery container, and the electrode body includes a positive electrode having a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode active material layer, and the above. It has a porous insulating layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the insulating layer contains an inorganic insulator in a proportion of 80% by mass or more and has a porosity of 50% or less. The mass of the non-aqueous electrolytic solution in the battery container is the sum of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer of the electrode body and the mass of the non-aqueous electrolytic solution. It is characterized by being 2% or more and 60% or less.
また、本発明の非水二次電池の別の実施形態は、電池容器内に、直列に導電接続された複数の電極体と非水電解液を有し、前記電極体は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、前記正極および前記負極の間に介在させてなる多孔性の絶縁層とを有し、前記絶縁層は、無機絶縁体を80質量%以上の割合で含有し、かつ空孔率が50%以下であり、前記電池容器内の前記非水電解液の質量が、それぞれの電極体の正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、前記非水電解液の質量との総和に対し、2%以上60%以下であることを特徴とする。 Further, another embodiment of the non-aqueous secondary battery of the present invention has a plurality of electrode bodies conductively connected in series and a non-aqueous electrolytic solution in a battery container, and the electrode body is a positive electrode active material layer. It has a positive electrode having a positive electrode, a negative electrode having a negative electrode active material layer, and a porous insulating layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the insulating layer contains 80% by mass or more of an inorganic insulator. It is contained in a proportion and has a pore ratio of 50% or less, and the mass of the non-aqueous electrolytic solution in the battery container is the mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer of each electrode body. It is characterized in that it is 2% or more and 60% or less with respect to the total and the total mass of the non-aqueous electrolytic solution.
本発明によれば、重量エネルギー密度が高く、かつ充放電特性に優れると共に、充電時にリチウムデンドライトが形成されにくく安全性の高い非水二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a non-aqueous secondary battery having a high weight energy density, excellent charge / discharge characteristics, and less likely to form lithium dendrite during charging, and has high safety.
本発明の非水二次電池では、耐熱性を向上させるために、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極との間に、無機絶縁体を80質量%以上の割合で含有する多孔性の絶縁層を介在させている。 In the non-aqueous secondary battery of the present invention, in order to improve heat resistance, an inorganic insulator is contained in a proportion of 80% by mass or more between the positive electrode having the positive electrode active material layer and the negative electrode having the negative electrode active material layer. A porous insulating layer contained therein is interposed.
前記絶縁層は、従来の樹脂製の多孔質フィルムに代わり、あるいは樹脂製の多孔質フィルムと共にセパレータとして機能するものであり、独立膜であってもよく、また、正極活物質層、負極活物質層および樹脂製の多孔質フィルムのいずれかの表面、あるいは全ての表面に塗布などにより形成するのであってもよい。 The insulating layer may be an independent film instead of the conventional porous film made of resin or function as a separator together with the porous film made of resin, and may be a positive electrode active material layer or a negative electrode active material. It may be formed by coating on any surface or all surfaces of the layer and the porous film made of resin.
なお、電池の重量エネルギー密度を高めるためには、活物質に高容量のものを用いる以外に、非水電解液のように活物質以外の成分の割合を減らすことが考えられるが、本発明者の検討によれば、前記多孔性の絶縁層をセパレータとする場合、電解液量が少なくなるほど充電時にリチウムデンドライトが形成されやすくなり、短絡しやすくなることがわかった。 In order to increase the weight energy density of the battery, in addition to using a high-capacity active material, it is conceivable to reduce the proportion of components other than the active material, such as a non-aqueous electrolyte solution. According to the above study, when the porous insulating layer is used as a separator, it has been found that as the amount of the electrolytic solution decreases, lithium dendrites are more likely to be formed during charging, and short circuits are more likely to occur.
具体的には、電池容器内の非水電解液の質量が、正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、前記非水電解液の質量との総和に対し60%以下となった場合に、リチウムデンドライト形成による短絡を生じやすくなることが判明した。 Specifically, the mass of the non-aqueous electrolyte solution in the battery container is 60% or less of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer and the total mass of the non-aqueous electrolytic solution. In this case, it was found that a short circuit due to the formation of lithium dendrite is likely to occur.
これに対し、前記絶縁層の空孔率を50%以下とした場合には、リチウムデンドライトの形成が抑制され、安全性を高めることが可能となる。絶縁層の空孔率は、45%以下が好ましく、40%以下がより好ましい。一方、絶縁層の空孔率が低くなりすぎると、イオン伝導性が低下して内部抵抗が高くなり、充放電特性が低下しやすくなるため、良好な充放電特性を得るためには、絶縁層の空孔率は、5%以上とすることが好ましく、20%以上とすることがより好ましい。 On the other hand, when the porosity of the insulating layer is 50% or less, the formation of lithium dendrite is suppressed, and safety can be enhanced. The porosity of the insulating layer is preferably 45% or less, more preferably 40% or less. On the other hand, if the porosity of the insulating layer becomes too low, the ionic conductivity decreases, the internal resistance increases, and the charge / discharge characteristics tend to decrease. Therefore, in order to obtain good charge / discharge characteristics, the insulating layer is required. The porosity of the above is preferably 5% or more, and more preferably 20% or more.
非水電解液の含有量については、重量エネルギー密度を高める観点からは、少ないほど好ましく、電池容器内の非水電解液の質量は、正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、前記非水電解液の質量との総和に対し、50%以下であることが好ましく、45%以下であることがより好ましく、40%以下であることが最も好ましい。一方、非水電解液の含有量が少なくなりすぎると、イオン伝導性が低下して内部抵抗が高くなり、充放電特性が低下しやすくなるため、非水電解液の質量は、正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、前記非水電解液の質量との総和に対し、10%以上であることが好ましく、25%以上であることがより好ましく、33%以上であることが最も好ましい。 The content of the non-aqueous electrolyte solution is preferably as small as possible from the viewpoint of increasing the weight energy density, and the mass of the non-aqueous electrolyte solution in the battery container is the mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer. It is preferably 50% or less, more preferably 45% or less, and most preferably 40% or less with respect to the total and the total mass of the non-aqueous electrolytic solution. On the other hand, if the content of the non-aqueous electrolytic solution is too small, the ionic conductivity decreases, the internal resistance increases, and the charge / discharge characteristics tend to decrease. Therefore, the mass of the non-aqueous electrolytic solution is the positive electrode active material layer. , 10% or more, more preferably 25% or more, and 33% or more, based on the total mass of the negative electrode active material layer and the insulating layer and the total mass of the non-aqueous electrolytic solution. Most preferably.
絶縁層を形成する無機絶縁体は、絶縁性の酸化物、窒化物、難溶性のイオン結晶、共有結合性結晶、粘土、天然あるいは人工鉱物などを用いることができ、Al2O3(アルミナ)、SiO2(シリカ)、TiO2、BaTiO3、ZrO2、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム、シリコン、ダイヤモンド、タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイトなどが例示される。これらの中でも、アルミナ、シリカおよびベーマイトよりなる群から選択される少なくとも1種が好ましく用いられる。 As the inorganic insulator forming the insulating layer, insulating oxides, nitrides, sparingly soluble ionic crystals, covalently bonded crystals, clays, natural or artificial minerals and the like can be used, and Al 2 O 3 (alumina) can be used. , SiO 2 (silica), TiO 2 , BaTIO 3 , ZrO 2 , aluminum nitride, silicon nitride, calcium fluoride, barium fluoride, barium sulfate, silicon, diamond, talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mulite , Spinel, olivine, sericite, bentonite, etc. are exemplified. Among these, at least one selected from the group consisting of alumina, silica and boehmite is preferably used.
また、無機絶縁体は、固体電解質であってもよく、例えば、酸化物系の固体電解質や硫化物系の固体電解質を用いることができる。 Further, the inorganic insulator may be a solid electrolyte, and for example, an oxide-based solid electrolyte or a sulfide-based solid electrolyte can be used.
酸化物系固体電解質としては、例えばガーネット型構造を有する固体電解質を挙げることができ、LiaLabZrcMAdOe(ここで、MAは、Sc、Ti、V、Y、Nb、Hf、Ta、Al、Si、GaおよびGeからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、5≦a≦8、2≦b≦4、0<c≦2、0≦d<1、11<e<13である。)などの化合物が具体的に例示される。 Examples of the oxide-based solid electrolyte include a solid electrolyte having a garnet-type structure, and Li a La b Zr c MA d Oe (where MA is Sc, Ti, V, Y, Nb, Hf). , Ta, Al, Si, Ga and Ge, at least one element selected from the group, 5 ≦ a ≦ 8, 2 ≦ b ≦ 4, 0 <c ≦ 2, 0 ≦ d <1, 11 <e. Specific examples thereof include compounds such as <13.).
硫化物系固体電解質としては、Liと、MB(ここで、MBは、P、Si、Ge、AlおよびBからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である)と、Sを含有する化合物を挙げることができ、Li2S-P2S5系の材料、Li2S-SiS2系の材料、Li2S-GeS2系の材料、Li2S-Al2S3系の材料、Li2S-SiS2-Li3PO4系の材料、Li2S-P2S5-GeS2系の材料、Li2S-Li2O-P2S5-SiS2系の材料、Li2S-GeS2-P2S5-SiS2系の材料、Li2S-SnS2-P2S5-SiS2系の材料などが具体的に例示される。 Examples of the sulfide-based solid electrolyte include compounds containing Li, MB (where MB is at least one element selected from the group consisting of P, Si, Ge, Al and B) and S. Li 2 SP 2 S 5 system material, Li 2 S-SiS 2 system material, Li 2 S-GeS 2 system material, Li 2 S-Al 2 S 3 system material, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 -based material, Li 2 SP 2 S 5 -GeS 2 -based material, Li 2 S-Li 2 OP 2 S 5 -SiS 2 -based material, Li 2 S Specific examples thereof include -GeS 2 -P 2 S 5 -SiS 2 system materials and Li 2 S-SnS 2 -P 2 S 5 -SiS 2 system materials.
硫化物系固体電解質は、前記のイオン伝導体のほかに、LiX(Xはハロゲン元素)を含有することが好ましく、化学安定性を高めるために、前記のイオン伝導体は、オルト組成のアニオン構造(PS43-構造、SiS44-構造、GeS44-構造、AlS33-構造、BS33-構造)をアニオンの主成分として有することが好ましい。オルト組成のアニオン構造の割合は、固体電解質中で50mol%以上であることが好ましく、70mol%以上であることがより好ましく、90mol%以上であることが特に好ましい。 The sulfide-based solid electrolyte preferably contains LiX (X is a halogen element) in addition to the above-mentioned ionic conductor, and in order to improve chemical stability, the above-mentioned ionic conductor has an anionic structure having an ortho composition. It is preferable to have (PS43-structure, SiS44-structure, GeS44-structure, AlS33-structure, BS33-structure) as the main component of the anion. The ratio of the anion structure of the ortho composition is preferably 50 mol% or more, more preferably 70 mol% or more, and particularly preferably 90 mol% or more in the solid electrolyte.
LiXとしては、LiClおよびLiFが好ましく、特に、イオン伝導体の構造中にLiClが取り込まれた状態で存在することが好ましい。言い換えると、硫化物系固体電解質は、単純な混合物ではなく、物理的に分離不可能な状態でハロゲン化リチウムを含有することが好ましい。 As LiX, LiCl and LiF are preferable, and it is particularly preferable that LiCl is present in the structure of the ionic conductor in a state of being incorporated. In other words, the sulfide-based solid electrolyte preferably contains lithium halide in a physically inseparable state rather than a simple mixture.
なお、硫化物系固体電解質は、結晶性材料であってもよく、非晶質材料であってもよい。また、ガラスであってもよく、結晶化ガラス(ガラスセラミックス)であってもよい。25℃における硫化物系固体電解質のLiイオ ン伝導度は、1×10-4S/cm以上であることが好ましく、1×10-3S/cm以上であることがより好ましい。 The sulfide-based solid electrolyte may be a crystalline material or an amorphous material. Further, it may be glass or crystallized glass (glass ceramics). The Li-ion conductivity of the sulfide-based solid electrolyte at 25 ° C. is preferably 1 × 10 -4 S / cm or more, and more preferably 1 × 10 -3 S / cm or more.
無機絶縁体は、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 As the inorganic insulator, these may be used alone or in combination of two or more.
無機絶縁体の形状は、シート状物であってもよく、また、粒子状物であってもよい。粒子状物(無機粒子)の場合、絶縁層の形成に用いる粒子の平均粒子径は、リチウムデンドライトの形成による短絡を防ぐため、2μm以下とすることが望ましく、1.5μm以下とすることがより望ましく、1μm以下とすることが最も望ましい。一方、平均粒子径が小さくなりすぎると、かさ高くなり、絶縁層の強度の低下や均質性の低下などを生じやすくなるため、平均粒子径は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましく、0.2μm以上であることが最も好ましい。 The shape of the inorganic insulator may be a sheet-like material or a particle-like material. In the case of particulate matter (inorganic particles), the average particle size of the particles used to form the insulating layer is preferably 2 μm or less, and more preferably 1.5 μm or less, in order to prevent short circuits due to the formation of lithium dendrites. It is desirable, and most preferably 1 μm or less. On the other hand, if the average particle size becomes too small, the particle size becomes bulky, and the strength of the insulating layer and the homogeneity tend to decrease. Therefore, the average particle size is preferably 0.01 μm or more, and 0. It is more preferably 1 μm or more, and most preferably 0.2 μm or more.
また、絶縁層をより緻密なものとするためには、異なる粒度の無機粒子を組み合わせて用いることが好ましい。これにより、絶縁層の強度向上が期待できる。例えば、2種の粒度の無機粒子を組み合わせて用いる場合、粒度が大きい方の粒子の平均粒子径をDL、粒度が小さい方の粒子の平均粒子径をDSとすると、DL/DSが1.2以上であることが好ましく、1.5以上であることがより好ましく、2以上であることが最も好ましく、一方、5以下であることが好ましく、3以下であることがより好ましい。 Further, in order to make the insulating layer more dense, it is preferable to use a combination of inorganic particles having different particle sizes. This can be expected to improve the strength of the insulating layer. For example, when two types of particle size inorganic particles are used in combination, DL / DS is 1.2, where DL is the average particle size of the particles with the larger particle size and DS is the average particle size of the particles with the smaller particle size. The above is preferable, 1.5 or more is more preferable, 2 or more is most preferable, while 5 or less is preferable, and 3 or less is more preferable.
なお、平均粒子径は、例えば、レーザー散乱粒度分布計(例えば、HORIBA社製「LA-920」)を用い、無機粒子を溶解したり、無機粒子が膨潤したりしない媒体に、無機粒子を分散させて測定した数平均粒子径として規定することができる。 For the average particle size, for example, a laser scattering particle size distribution meter (for example, “LA-920” manufactured by HORIBA) is used to disperse the inorganic particles in a medium that does not dissolve the inorganic particles or swell the inorganic particles. It can be specified as the number average particle size measured by the process.
前記多孔性の絶縁層は、前記無機粒子を含む絶縁層形成用スラリーを塗布し、乾燥することにより形成することができる。また、前記無機粒子同士を焼結させるなどにより一体化させて無機絶縁体のシート状物とすることもできる。
絶縁層形成用スラリーには増粘剤を使用してもよい。増粘剤を使用することにより、絶縁層形成用スラリーの粘度を好適な範囲に調整し、無機粒子の分散を均一化し、優れた分散状態を安定して維持できるようになる。
The porous insulating layer can be formed by applying a slurry for forming an insulating layer containing the inorganic particles and drying the slurry. Further, the inorganic particles can be integrated into a sheet-like material of an inorganic insulator by sintering the inorganic particles with each other.
A thickener may be used for the slurry for forming the insulating layer. By using the thickener, the viscosity of the slurry for forming the insulating layer can be adjusted in a suitable range, the dispersion of the inorganic particles can be made uniform, and an excellent dispersed state can be stably maintained.
増粘剤としては、絶縁層形成用スラリー中において、無機粒子を凝集させるなどの副作用がなく、スラリーを必要な粘度に調整できるものであればよいが、少量の添加で高い増粘作用を有するものが好ましい。また、増粘剤は、スラリーに使用する分散媒に対して良好に溶解または分散し得るものであることが好ましい。増粘剤の未溶解分や凝集物がスラリー中に多数存在すると、無機粒子の分散が不均一になり、スラリーを基材などに塗布し、乾燥することにより形成される絶縁層において、無機粒子の分布が不均一となる。そのため、絶縁層の耐熱性が低下し、ひいては、非水二次電池の信頼性や耐熱性を低下させるおそれを生じる。 The thickener may be one that does not have side effects such as agglomeration of inorganic particles in the slurry for forming an insulating layer and can adjust the slurry to the required viscosity, but has a high thickening effect by adding a small amount. The one is preferable. Further, the thickener is preferably one that can be satisfactorily dissolved or dispersed in the dispersion medium used for the slurry. If a large amount of undissolved components or aggregates of the thickener are present in the slurry, the dispersion of the inorganic particles becomes non-uniform, and the inorganic particles are formed in the insulating layer formed by applying the slurry to a substrate or the like and drying it. Distribution becomes non-uniform. Therefore, the heat resistance of the insulating layer is lowered, and as a result, the reliability and heat resistance of the non-aqueous secondary battery may be lowered.
増粘剤の具体例としては、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ビニルメチルエーテル-無水マレイン酸共重合体などの合成高分子;カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース誘導体;キサンタンガム、ウェランガム、ジェランガム、グアーガム、カラギーナンなどの天然多糖類などが挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Specific examples of the thickener include synthetic polymers such as polyethylene glycol, polysaccharide acid, polyvinyl alcohol, and vinylmethyl ether-maleic anhydride copolymer; cellulose derivatives such as carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and hydroxypropyl cellulose; xanthan gum. , Welan gum, gellan gum, guar gum, natural polysaccharides such as carrageenan and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
絶縁層形成用スラリーにおける増粘剤の含有量は、スラリー中の固形分(分散媒を除く構成成分。以下、同じ。)の全体積中、10体積%以下であることが好ましく、5体積%以下であることがより好ましく、1体積%以下であることが更に好ましい。また、絶縁層形成用スラリーにおける増粘剤の含有量は、スラリー中の固形分の全体積中、0.1体積%以上であることが好ましい。 The content of the thickener in the slurry for forming the insulating layer is preferably 10% by volume or less, preferably 5% by volume, based on the total volume of the solid content (components excluding the dispersion medium; hereinafter the same) in the slurry. It is more preferably less than or equal to 1% by volume or less. Further, the content of the thickener in the slurry for forming the insulating layer is preferably 0.1% by volume or more based on the total volume of the solid content in the slurry.
また、絶縁層形成用スラリーには、分散剤を使用することが好ましい。分散剤の使用によって、例えば、分散剤が無機粒子の表面に付着することで、絶縁層形成用スラリー中での無機粒子の分散性がより向上し、これら無機粒子同士の凝集を防止することができ、無機粒子の良好な分散状態をより安定して維持することができるようになる。 Further, it is preferable to use a dispersant for the slurry for forming the insulating layer. By using the dispersant, for example, the dispersant adheres to the surface of the inorganic particles, so that the dispersibility of the inorganic particles in the slurry for forming an insulating layer is further improved and the aggregation of these inorganic particles can be prevented. Therefore, it becomes possible to maintain a good dispersed state of the inorganic particles more stably.
前記分散剤の具体例としては、アニオン系、カチオン系、ノニオン系の各種界面活性剤;ポリカルボン酸、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、アミノ酸(アスパラギン酸など)、ポリカルボン酸塩、ポリアクリル酸塩、ポリメタクリル酸塩などの高分子系分散剤;などを用いることができる。分散剤には、上記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Specific examples of the dispersant include various anionic, cationic, and nonionic surfactants; polycarboxylic acid, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, amino acids (aspartic acid, etc.), polycarboxylate, and polyacrylic acid. Polymer-based dispersants such as salts and polymethacrylates; and the like can be used. As the dispersant, one of the above-exemplified ones may be used alone, or two or more of them may be used in combination.
これらの分散剤の中でも、微粒子を分散させる作用が強いことから、イオン解離性の酸基(カルボキシル基、スルホン酸基、アミノ酸基、マレイン酸基など)またはイオン解離性の酸塩基(カルボン酸塩基、スルホン酸塩基、マレイン酸塩基など)を複数含有するものが好ましく、アスパラギン酸、ポリカルボン酸塩、ポリアクリル酸塩、ポリメタクリル酸塩がより好ましい。また、前記の高分子系分散剤が塩の場合(酸塩基を有する場合)、アンモニウム塩であることが好ましい。 Among these dispersants, an ion-dissociable acid group (carboxyl group, sulfonic acid group, amino acid group, maleic acid group, etc.) or an ion-dissociable acid base (carboxylic acid base) has a strong effect of dispersing fine particles. , Sulphonic acid base, maleic acid base, etc.) are preferable, and aspartic acid, polycarboxylic acid salt, polyacrylic acid salt, and polymethacrylic acid salt are more preferable. When the polymer-based dispersant is a salt (having an acid-base), it is preferably an ammonium salt.
絶縁層形成用スラリーにおける分散剤の含有量は、絶縁性微粒子100質量部に対して、0.1量部以上であることが好ましく、0.3質量部以上であることがより好ましい。ただし、分散剤の量を多くしすぎると、絶縁層における他の成分の比率が低下して、それらによる効果が小さくなる虞がある。よって、絶縁層形成用スラリーにおける分散剤の含有量は、絶縁性微粒子100質量部に対して、5質量部以下であることが好ましく、1質量部以下であることがより好ましい。 The content of the dispersant in the slurry for forming the insulating layer is preferably 0.1 part by mass or more, and more preferably 0.3 part by mass or more with respect to 100 parts by mass of the insulating fine particles. However, if the amount of the dispersant is too large, the ratio of other components in the insulating layer may decrease, and the effect of these components may be reduced. Therefore, the content of the dispersant in the slurry for forming the insulating layer is preferably 5 parts by mass or less, and more preferably 1 part by mass or less with respect to 100 parts by mass of the insulating fine particles.
絶縁層形成用スラリーには、形成される絶縁層において、無機粒子同士や、無機粒子と後述するその他の成分とを接着したり、絶縁層と基材とを接着したりする目的で、バインダを含有させることができる。バインダの種類は、非水二次電池内部で電気化学的に安定であり、非水二次電池の電解液に対して安定であるものであれば、特に制限はない。また、前記の増粘剤のうち、バインダとしての機能も有するものについては、増粘剤とバインダとを兼用させることもできる。 In the slurry for forming the insulating layer, a binder is provided in the insulating layer for the purpose of adhering the inorganic particles to each other, the inorganic particles and other components described later, or adhering the insulating layer and the base material. Can be contained. The type of binder is not particularly limited as long as it is electrochemically stable inside the non-aqueous secondary battery and stable with respect to the electrolytic solution of the non-aqueous secondary battery. Further, among the above-mentioned thickeners, those having a function as a binder can be used in combination with the thickener and the binder.
バインダの具体例としては、例えば、エチレン-酢酸ビニル共重合体(EVA、酢酸ビニル由来の構造単位が20~35モル%のもの);エチレン-エチルアクリレート共重合体、エチレン-エチルメタクリレート共重合体などの(メタ)アクリル酸共重合体;フッ素系ゴム;スチレン-ブタジエンゴム(SBR);ポリビニルアルコール(PVA);ポリビニルブチラール(PVB);ポリビニルピロリドン(PVP);ポリN-ビニルアセトアミド;架橋アクリル樹脂;ポリウレタン;エポキシ樹脂;などが用いられる。これらのバインダは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 Specific examples of the binder include, for example, an ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA, having a structural unit derived from vinyl acetate of 20 to 35 mol%); an ethylene-ethyl acrylate copolymer, an ethylene-ethyl methacrylate copolymer. (Meta) acrylic acid copolymers such as; fluororubber; styrene-butadiene rubber (SBR); polyvinyl alcohol (PVA); polyvinyl butyral (PVB); polyvinylpyrrolidone (PVP); polyN-vinylacetamide; crosslinked acrylic resin ; Polypolymer; epoxy resin; etc. are used. These binders may be used alone or in combination of two or more.
これらの中でも、自己架橋性を有する(メタ)アクリル酸共重合体がより好ましく、自己架橋性を有し、かつガラス転移温度(Tg)が-20℃以下の(メタ)アクリル酸共重合体が更に好ましい。 Among these, a (meth) acrylic acid copolymer having self-crosslinking property is more preferable, and a (meth) acrylic acid copolymer having self-crosslinking property and having a glass transition temperature (Tg) of −20 ° C. or lower is preferable. More preferred.
絶縁層形成用スラリーの分散媒としては、水を主成分とするものや有機溶媒(トルエンなどの芳香族炭化水素;テトラヒドロフランなどのフラン類;メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン類;など)が挙げられるが、水を主成分とするものが好ましい。 Examples of the dispersion medium of the slurry for forming an insulating layer include those containing water as a main component and organic solvents (aromatic hydrocarbons such as toluene; furans such as tetrahydrofuran; ketones such as methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone; etc.). However, those containing water as a main component are preferable.
前記多孔性の絶縁層は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極との間に介在させることにより、正極、絶縁層および負極の積層体からなる電極体が形成される。正極活物質層および負極活物質層は、それぞれ、正極活物質および負極活物質と、バインダや導電助剤などから構成され、例えば、金属箔などの集電体上に形成することができる。 The porous insulating layer is interposed between the positive electrode having the positive electrode active material layer and the negative electrode having the negative electrode active material layer to form an electrode body composed of a laminated body of the positive electrode, the insulating layer and the negative electrode. .. The positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are composed of a positive electrode active material and a negative electrode active material, a binder, a conductive auxiliary agent, and the like, respectively, and can be formed on a current collector such as a metal foil.
正極活物質としては、例えば、LiCoO2などのリチウムコバルト酸化物;LiMnO2、Li2MnO3などのリチウムマンガン酸化物;LiNiO2などのリチウムニッケル酸化物;LiMn2O4、Li4/3Ti5/3O4などのスピネル構造のリチウム含有複合酸化物;LiFePO4などのオリビン構造のリチウム含有複合酸化物;前記の酸化物を基本組成とし各種元素で置換した酸化物;などが挙げられ、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the positive electrode active material include lithium cobalt oxides such as LiCoO 2 ; lithium manganese oxides such as LiMnO 2 and Li 2 MnO 3 ; lithium nickel oxides such as LiNiO 2 ; LiMn 2 O 4 and Li 4/3 Ti. Examples thereof include a lithium-containing composite oxide having a spinel structure such as 5/3 O4 ; a lithium-containing composite oxide having an olivine structure such as LiFePO 4 ; an oxide having the above oxide as a basic composition and being replaced with various elements. Only one of these may be used, or two or more thereof may be used in combination.
正極活物質層に係る導電助剤には、例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類;アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカ-ボンブラック類;炭素繊維;などの炭素材料を用いることが好ましく、また、金属繊維などの導電性繊維類;フッ化カーボン;アルミニウムなどの金属粉末類;酸化亜鉛;チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料;などを用いることもできる。 Conductive auxiliaries related to the positive electrode active material layer include, for example, natural graphite (scaly graphite, etc.), graphite such as artificial graphite; acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, etc. It is preferable to use carbon materials such as carbon blacks; carbon fibers; and conductive fibers such as metal fibers; carbon fluoride; metal powders such as aluminum; zinc oxide; conductivity such as potassium titanate. Sexual whiskers; conductive metal oxides such as titanium oxide; organic conductive materials such as polyphenylene derivatives; and the like can also be used.
正極活物質層に係るバインダとしては、例えば、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)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルピロリドン(PVP)などが挙げられる。 Examples of the binder related to the positive electrode active material layer include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinylpyrrolidone (PVP) and the like.
正極集電体には、アルミニウム製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、アルミニウム箔が用いられる。正極集電体の厚みは、10~30μmであることが好ましい。 As the positive electrode current collector, an aluminum foil, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like can be used, but an aluminum foil is usually used. The thickness of the positive electrode current collector is preferably 10 to 30 μm.
また、負極活物質としては、リチウムイオンをドープ・脱ドープできるものであればよく、例えば、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭などの炭素質材料が挙げられる。また、リチウムまたはリチウム含有化合物なども負極活物質として使用することができる。前記のリチウム含有化合物としては、例えば、錫酸化物、ケイ素酸化物、ニッケル-ケイ素系合金、マグネシウム-ケイ素系合金、タングステン酸化物、リチウム鉄複合酸化物などの他、リチウム-アルミニウム、リチウム-鉛、リチウム-インジウム、リチウム-ガリウム、リチウム-インジウム-ガリウム、などのリチウム合金が挙げられる。これら例示の負極活物質の中には、製造時にはリチウムを含んでいないものもあるが、充電時にはリチウムを含んだ状態になる。 The negative electrode active material may be any material that can be doped and dedoped with lithium ions, for example, graphite, thermally decomposed carbons, cokes, glassy carbon, fired organic polymer compounds, and mesocarbon microbeads. , Carbon fiber, carbonaceous materials such as activated carbon. Further, lithium or a lithium-containing compound can also be used as the negative electrode active material. Examples of the lithium-containing compound include tin oxide, silicon oxide, nickel-silicon alloy, magnesium-silicon alloy, tungsten oxide, lithium iron composite oxide, and the like, as well as lithium-aluminum and lithium-lead. , Lithium-indium, lithium-gallium, lithium-indium-gallium, and the like. Some of these exemplified negative electrode active materials do not contain lithium at the time of manufacture, but they are in a state of containing lithium at the time of charging.
負極活物質層に係るバインダには、正極活物質層に係るバインダとして先に例示した各種のバインダと同じものを使用することができる。また、導電助剤についても同様である。 As the binder related to the negative electrode active material layer, the same binders as those of the various binders exemplified above can be used as the binder related to the positive electrode active material layer. The same applies to the conductive auxiliary agent.
正極および負極は、例えば、活物質およびバインダ、更には必要に応じて導電助剤などを、NMPや水などの溶剤に分散あるいは溶解させてペースト状やスラリー状の組成物とし、これを集電体の片面または両面に塗布し、乾燥した後に、必要に応じてプレス処理を施す工程を経て製造することができる。 For the positive and negative electrodes, for example, an active material and a binder, and if necessary, a conductive auxiliary agent and the like are dispersed or dissolved in a solvent such as NMP or water to form a paste-like or slurry-like composition, which is used to collect electricity. It can be manufactured by applying it to one or both sides of the body, drying it, and then pressing it if necessary.
正極活物質層および負極活物質層の空隙率は、電解液を含浸させやすくして充放電特性を向上させるために、22%以上とすることが望ましく、25%以上とすることがより望ましく、28%以上とすることが最も望ましい。一方、活物質層上に絶縁層を形成する場合には、絶縁層形成用スラリーが活物質層内部に浸入するのを防ぐために、活物質層の空隙率は、35%以下とすることが望ましく、32%以下とすることがより望ましく、29%以下とすることが最も望ましい。 The porosity of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is preferably 22% or more, more preferably 25% or more, in order to facilitate impregnation with the electrolytic solution and improve the charge / discharge characteristics. It is most desirable to set it to 28% or more. On the other hand, when the insulating layer is formed on the active material layer, it is desirable that the porosity of the active material layer is 35% or less in order to prevent the slurry for forming the insulating layer from infiltrating into the active material layer. , 32% or less is more desirable, and 29% or less is most desirable.
正極活物質層および負極活物質層の空隙率の調整は、例えば、プレス処理の条件を変えることにより行うことができる。正極活物質層または負極活物質層の表面に絶縁層を形成する場合には、プレス処理後の活物質層上に絶縁層形成用スラリーを塗布して形成することにより、充放電特性への影響が少なく、また、より薄くかつ強固な絶縁層を形成できるため好ましい。 The porosity of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer can be adjusted, for example, by changing the pressing treatment conditions. When an insulating layer is formed on the surface of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer, the effect on charge / discharge characteristics is achieved by applying the insulating layer forming slurry on the active material layer after the press treatment. It is preferable because it is possible to form a thinner and stronger insulating layer.
本発明の非水二次電池は、電池容器内に、前記電極体と非水電解液を収容することにより作製される。 The non-aqueous secondary battery of the present invention is produced by accommodating the electrode body and the non-aqueous electrolytic solution in a battery container.
前記非水電解液は、有機溶媒に無機リチウム塩や有機リチウム塩等の電解質塩を溶解して構成される。 The non-aqueous electrolyte solution is formed by dissolving an electrolyte salt such as an inorganic lithium salt or an organic lithium salt in an organic solvent.
前記有機溶媒としては、例えば、難燃性溶媒である1,1,2,2-テトラフルオロエチル2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル(HCF2CF2-O-CH2CF2CF2H:フッ素化率67%)などのフッ素化エーテル、リン酸トリメチルなどの燐酸エステルが好ましく用いられる。より具体的には、フッ素化エーテル[Rf2-OR4(但し、Rf2はフッ素を含有するアルキル基であり、R4はフッ素を含有してもよい有機基である。]、リン酸エステル[リン酸トリメチル(TMP)、リン酸トリス(トリフルオロエチル)(TFEP):(CF3CH2O)3P=O、リン酸トリフェニル(TPP):(C6H5O)3P=O、エチルジエチルホスホノアセテート(EDPA):(C2H5O)2(P=O)-CH2(C=O)OC2H5]や、前記各化合物の誘導体などを使用することが好ましい。 Examples of the organic solvent include flame-retardant solvent 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (HCF 2 CF 2 -O-CH 2 CF 2 CF). 2H : Fluorinated ether such as fluorinated rate 67%) and phosphoric acid ester such as trimethyl phosphate are preferably used. More specifically, fluorinated ether [Rf 2 -OR 4 (where Rf 2 is an alkyl group containing fluorine and R 4 is an organic group which may contain fluorine], phosphate ester. [Trimethyl (TMP) Phosphate, Tris (Trifluoroethyl) Phosphate (TFEP): (CF 3 CH 2 O) 3 P = O, Triphenyl Phosphate (TPP): (C 6 H 5 O) 3 P = O, ethyldiethylphosphonoacetate (EDPA): (C 2 H 5 O) 2 (P = O) -CH 2 (C = O) OC 2 H 5 ], derivatives of each of the above compounds, etc. may be used. preferable.
また、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、蟻酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸プロピル、ジニトリル(セバコニトリルなど)やこれらの誘導体を用いることもできる。 In addition, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), dipropyl carbonate (DPC), 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, methyl acetate , Methyl acetate, propyl propionate, dinitrile (such as sebaconitrile) and derivatives thereof can also be used.
引火点が100℃以上である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)、γ-ブチロラクトンなどを用いることもできる。 Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), γ-butyrolactone and the like having a flash point of 100 ° C. or higher can also be used.
そのほか、1,3-プロパンサルトン、ジメチルスルフォキシド、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ニトロメタン、スルホラン、3-メチル-2-オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体などの非プロトン性有機溶媒を用いることもできる。 In addition, aprotic organic solvents such as 1,3-propanesarton, dimethylsulfoxide, formamide, dimethylformamide, acetonitrile, nitromethane, sulfolane, 3-methyl-2-oxazolidinone, and propylene carbonate derivatives can also be used.
前述した溶媒を、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよく、難燃性であるフッ素化エーテル、リン酸トリメチルなどの燐酸エステルや環状エステルを用いるのが望ましい。特にフッ素化エーテルを用いるのが望ましい。フッ素化エーテルとしては、フッ素化率50%以上の溶媒を用いると難燃性が高まるのでさらに望ましい。一方で、電解液へのリチウム塩の溶解性の観点からフッ素化率90%未満が望ましく、80%未満がより望ましい。フッ素化エーテルを用いる場合には、鎖状のエステルを共に用いることが望ましい。具体的には、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸エチル、セバコニトリル、ピメロニトリル、グルタロニトリルが例示される。 The above-mentioned solvent may be used alone or in combination of two or more, and it is desirable to use a phosphoric acid ester such as a flame-retardant fluorinated ether or trimethyl phosphate or a cyclic ester. In particular, it is desirable to use fluorinated ether. As the fluorinated ether, it is more desirable to use a solvent having a fluorination rate of 50% or more because the flame retardancy is enhanced. On the other hand, from the viewpoint of the solubility of the lithium salt in the electrolytic solution, the fluorination rate is preferably less than 90%, more preferably less than 80%. When fluorinated ether is used, it is desirable to use a chain ester together. Specific examples thereof include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), dipropyl carbonate (DPC), propyl propionate, ethyl propionate, sevaconitrile, pimeronitrile, and glutaronitrile. ..
フッ素化エーテルと上記の鎖状エステルの組み合わせがより望ましい。全溶媒に占めるフッ素化エーテルの割合は、副反応を減らすために、質量比で30%以上が望ましく、50%以上がより望ましく、60%以上が最も望ましい。一方、充放電特性を低下させないためには、90%以下であることが望ましい。 The combination of the fluorinated ether and the above-mentioned chain ester is more desirable. The ratio of fluorinated ether to the total solvent is preferably 30% or more, more preferably 50% or more, and most preferably 60% or more in terms of mass ratio in order to reduce side reactions. On the other hand, in order not to deteriorate the charge / discharge characteristics, it is preferably 90% or less.
上記無機リチウム塩としては、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸Li、LiAlCl4、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランLi、四フェニルホウ酸Li等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 Examples of the inorganic lithium salt include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiB 10 Cl 10 , lower aliphatic carboxylic acid Li, LiAlCl 4 , LiCl, LiBr. , LiI, chloroborane Li, Li tetraphenylborate and the like, and these may be used alone or in combination of two or more.
上記有機リチウム塩としては、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCn1F2n1+1SO3(2≦n1≦7)、LiN(Rf1OSO2)2[但し、Rf1はフルオロアルキル基である。]、LiN(FSO2)2等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 Examples of the organic lithium salt include LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li 2 C 2 F 4 (SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , and LiC n1 F. 2n1 + 1 SO 3 (2≤n1≤7), LiN (Rf 1 OSO 2 ) 2 [However, Rf 1 is a fluoroalkyl group. ], LiN (FSO 2 ) 2 , etc., and these may be used alone or in combination of two or more.
これらのリチウム塩の中では、特にLiN(FSO2)2を用いることが望ましい。難燃性溶媒との組み合わせにおいて溶解度が高く、電池特性をより改善できるからである。 Among these lithium salts, it is particularly desirable to use LiN (FSO 2 ) 2 . This is because the solubility is high in combination with a flame-retardant solvent, and the battery characteristics can be further improved.
上記電解質塩の濃度は、非水電解液中、例えば、0.2~3.0mol/dm3であることが好ましく、0.5~1.5mol/dm3であることがより好ましく、0.9~1.3mol/dm3であることが更に好ましい。 The concentration of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte solution is, for example, preferably 0.2 to 3.0 mol / dm 3 , more preferably 0.5 to 1.5 mol / dm 3 , and 0. It is more preferably 9 to 1.3 mol / dm 3 .
また、上記非水電解液には、充放電サイクル特性の改善、高温貯蔵特性や過充電防止等の安全性を向上させる目的で、次に示す添加剤を適宜含有させることができる。添加剤としては、例えば、無水酸、スルホン酸エステル、ジニトリル、1,3-プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド、シクロヘキシルベンゼン、ビニレンカーボネート(VC)、ビフェニル、フルオロベンゼン、t-ブチルベンゼン、環状フッ素化カーボネート[トリフロオロプロピレンカーボネート(TFPC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等]、又は、鎖状フッ素化カーボネート[トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)、トリフルオロジエチルカーボネート(TFDEC)、トリフルオロエチルメチルカーボネート(TFEMC)等]、が挙げられる。 Further, the non-aqueous electrolytic solution may appropriately contain the following additives for the purpose of improving the charge / discharge cycle characteristics, high temperature storage characteristics, prevention of overcharging and the like. Examples of the additive include anhydrous acid, sulfonic acid ester, dinitrile, 1,3-propanesarton, diphenyl disulfide, cyclohexylbenzene, vinylene carbonate (VC), biphenyl, fluorobenzene, t-butylbenzene, and cyclic fluorinated carbonate. [Trifluorochloropropylene carbonate (TFPC), fluoroethylene carbonate (FEC), etc.] or chain fluorinated carbonate [trifluorodimethyl carbonate (TFDMC), trifluorodiethyl carbonate (TFDEC), trifluoroethylmethyl carbonate (TFEMC) ) Etc.], etc.
高電圧下での充放電サイクル特性の向上に効果が高い添加剤は、分子内にニトリル基を2つ以上有する化合物である。上記分子内にニトリル基を2つ以上有する化合物としては、例えば、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、1,5-ジシアノペンタン、1,6-ジシアノヘキサン、1,7-ジシアノヘプタン、1,8-ジシアノオクタン、1,9-ジシアノノナン、1,10-ジシアノデカン、1,12-ジシアノドデカン、テトラメチルスクシノニトリル、2-メチルグルタロニトリル、4-ジシアノペンタン、2,6-ジシアノヘプタン、2,7-ジシアノオクタン、2,8-ジシアノノナン、1,6-ジシアノデカン、1,2-ジシアノベンゼン等のジニトリル等が挙げられる。また、これらのジニトリル等は、その一部がフッ素化されていてもよい。 Additives that are highly effective in improving charge / discharge cycle characteristics under high voltage are compounds having two or more nitrile groups in the molecule. Examples of the compound having two or more nitrile groups in the molecule include succinonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, 1,5-dicyanopentane, 1,6-dicyanohexane, 1,7-dicyanoheptane, and 1, 8-Dicyanooctane, 1,9-Dicyanononane, 1,10-Dicyanodecane, 1,12-Dicyanododecane, Tetramethylsuccinonitrile, 2-Methylglutaronitrile, 4-Dicyanopentane, 2,6-Dicyanoheptan, Examples thereof include dinitriles such as 2,7-dicyanooctane, 2,8-dicyanononane, 1,6-dicyanodecane and 1,2-dicyanobenzene. Further, some of these dinitriles and the like may be fluorinated.
上記非水電解液における上記分子内にニトリル基を2つ以上有する化合物の濃度は、0.1質量%以上が望ましく、2質量%以上がより望ましく、10質量%以上が最も望ましく、また、50質量%以下が望ましく、30質量%以下がより望ましく、20質量%以下が最も望ましい。 The concentration of the compound having two or more nitrile groups in the molecule in the non-aqueous electrolytic solution is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 2% by mass or more, most preferably 10% by mass or more, and 50. It is preferably mass% or less, more preferably 30 mass% or less, and most preferably 20 mass% or less.
充電時の電池の温度は、特に限定されるものではないが、室温より高温で作動させることが望ましい、25℃以上が望ましく、30℃以上がより望ましく、45℃以上が最も望ましい。これは、高温になるほど、電解液量が少なくなっても短絡しにくくなり、さらに電解液のイオン伝導度が上昇して電池の充放電特性が向上するからである。ただし、電解液の蒸発を防ぐために、充電時の電池の温度は、200℃以下とすることが望ましく、170℃以下がより望ましく、150℃以下が最も望ましい。 The temperature of the battery during charging is not particularly limited, but it is desirable to operate the battery at a temperature higher than room temperature, preferably 25 ° C. or higher, more preferably 30 ° C. or higher, and most preferably 45 ° C. or higher. This is because the higher the temperature, the more difficult it is for a short circuit to occur even if the amount of the electrolytic solution is small, and the ionic conductivity of the electrolytic solution is increased to improve the charge / discharge characteristics of the battery. However, in order to prevent evaporation of the electrolytic solution, the temperature of the battery during charging is preferably 200 ° C. or lower, more preferably 170 ° C. or lower, and most preferably 150 ° C. or lower.
電池の充電電圧は、4.2V以上であることが望ましく、4.35V以上がより望ましい。充電電圧が高くなると、充電深度が浅い状態でもリチウムデンドライトの形成による電池の短絡が生じやすくなるが、電解液の溶媒として、フッ素化エーテルと鎖状エステルとの混合溶媒を用いることにより、4.45V以上のより高い充電電圧においても、リチウムデンドライト形成による短絡を防ぐことが可能となる。 The charging voltage of the battery is preferably 4.2 V or higher, and more preferably 4.35 V or higher. When the charging voltage is high, a short circuit of the battery due to the formation of lithium dendrite is likely to occur even when the charging depth is shallow. However, by using a mixed solvent of fluorinated ether and chain ester as the solvent of the electrolytic solution, 4. Even at a higher charging voltage of 45 V or higher, it is possible to prevent a short circuit due to the formation of lithium dendrite.
本発明では、前記電極体を単独で用いて電池を構成する以外に、複数の前記電極体を直列に導電接続して電池容器内に収容し、電圧をn倍化した電池を構成することも可能である。すなわち、電池容器内に、直列に導電接続された複数の電極体と非水電解液を有する非水二次電池において、電池容器内の非水電解液の質量の合計が、それぞれの電極体の正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計に対し、2%以上60%以下となるよう調整することにより、前記電極体を単独で用いた電池と同様に、重量エネルギー密度が高く、かつ充放電特性に優れると共に、充電時にリチウムデンドライトが形成されにくく安全性の高い非水二次電池であって、直列に接続された電極体の数に応じて作動電圧が高められた非水二次電池を構成することも可能である。 In the present invention, in addition to forming a battery by using the electrode body alone, it is also possible to form a battery in which a plurality of the electrode bodies are conductively connected in series and housed in a battery container to multiply the voltage by n. It is possible. That is, in a non-aqueous secondary battery having a plurality of electrodes connected in series and a non-aqueous electrolytic solution in the battery container, the total mass of the non-aqueous electrolytic solutions in the battery container is the sum of the masses of the respective electrode bodies. By adjusting the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the insulating layer to be 2% or more and 60% or less, the weight energy density becomes similar to that of a battery using the electrode body alone. It is a non-aqueous secondary battery that is high in quality, has excellent charge / discharge characteristics, is less likely to form lithium dendrites during charging, and is highly safe, and its operating voltage is increased according to the number of electrodes connected in series. It is also possible to configure a water secondary battery.
本発明の非水二次電池の形態としては、スチール缶やアルミニウム缶などを電池容器(外装体)として使用した筒形(角筒形や円筒形など)やコイン形などが挙げられる。また、金属を蒸着したラミネートフィルムを電池容器としたソフトパッケージ電池とすることもできる。 Examples of the non-aqueous secondary battery of the present invention include a tubular shape (square tubular shape, cylindrical shape, etc.) using a steel can, an aluminum can, or the like as a battery container (exterior body), a coin shape, or the like. Further, a soft package battery using a laminated film on which metal is vapor-deposited as a battery container can also be used.
なお、角筒形やコイン形などの形状を有する電池、あるいはラミネートフィルムを電池容器とした扁平形状の電池の場合には、電池の充放電特性を高めるために、電池を厚み方向に加圧した状態で充放電を行ってもよい。電池容器に加える圧力は、0.001kgf/cm2以上が望ましく、0.01kgf/cm2以上がより望ましい。一方、圧力が高すぎると特性が低下しやすくなるので、電池容器に加える圧力は、10000kgf/cm2以下が望ましい。 In the case of a battery having a shape such as a square cylinder or a coin, or a flat battery having a laminated film as a battery container, the battery is pressurized in the thickness direction in order to improve the charge / discharge characteristics of the battery. Charging and discharging may be performed in the state. The pressure applied to the battery container is preferably 0.001 kgf / cm 2 or more, and more preferably 0.01 kgf / cm 2 or more. On the other hand, if the pressure is too high, the characteristics tend to deteriorate, so the pressure applied to the battery container is preferably 10,000 kgf / cm 2 or less.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.
実施例1
〔正極の作製〕
先ず、正極活物質であるLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(以下“NCM523”):100質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック:3.2質量部と、バインダであるPVDF:3.2質量部(NMP溶液として固形分量を供給)とを、溶媒であるNMPに均一になるように混合してペースト状の正極合剤組成物を調製した。次に、得られた組成物を、厚みが20μmのアルミニウム箔からなる集電体の片面に、塗布量が組成物の固形分量として19.5mg/cm2となるように塗布して乾燥させた後、プレス処理を行って、全厚が60μmになるように正極活物質層の厚みを調整し、タブ溶接部を残して長さ30mm、幅30mmになるように切断して正極を作製した。更に、この正極のタブ溶接部の活物質を取り除き、そのタブ溶接部にタブを溶接してリード部を形成した。
Example 1
[Preparation of positive electrode]
First, LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 (hereinafter “NCM523”), which is a positive electrode active material,: 100 parts by mass, acetylene black, which is a conductive auxiliary agent: 3.2 parts by mass, and a binder. A certain PVDF: 3.2 parts by mass (provided with a solid content as an NMP solution) was mixed with NMP as a solvent so as to be uniform to prepare a paste-like positive electrode mixture composition. Next, the obtained composition was applied to one side of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm so that the coating amount was 19.5 mg / cm 2 as the solid content of the composition and dried. After that, a pressing process was performed to adjust the thickness of the positive electrode active material layer so that the total thickness was 60 μm, and the positive electrode was cut so as to have a length of 30 mm and a width of 30 mm while leaving the tab welded portion to prepare a positive electrode. Further, the active material of the tab welded portion of the positive electrode was removed, and the tab was welded to the tab welded portion to form a lead portion.
〔絶縁層形成用スラリーの作製〕
イオン交換水:154mlとアスパラギン酸:10gを加え攪拌した後、平均粒子径:0.5μmのアルミナ(Al2O3):385gを加え、さらに10時間攪拌して分散液を作製した。これを冷却しながらビーズミル処理して微粉砕スラリーを作製した。目開き5μmのメッシュを用いて、スラリー中の粗大粒子を取り除いた後、イオン交換水を加え、水:48質量%、アスパラギン酸:1質量%、アルミナ:51質量%を含む分散液を作製した。前記スラリー:100重量部にエチレン・酢酸ビニル共重合エマルジョンを3質量部加え、6時間攪拌して絶縁層形成用スラリーを得た。
[Preparation of slurry for forming an insulating layer]
After adding 154 ml of ion-exchanged water and 10 g of aspartic acid and stirring, 385 g of alumina (Al 2 O 3 ) having an average particle size of 0.5 μm was added, and the mixture was further stirred for 10 hours to prepare a dispersion. While cooling this, a bead mill treatment was performed to prepare a finely pulverized slurry. After removing the coarse particles in the slurry using a mesh having a mesh size of 5 μm, ion-exchanged water was added to prepare a dispersion liquid containing water: 48% by mass, aspartic acid: 1% by mass, and alumina: 51% by mass. .. 3 parts by mass of an ethylene-vinyl acetate copolymer emulsion was added to 100 parts by weight of the slurry, and the mixture was stirred for 6 hours to obtain a slurry for forming an insulating layer.
〔正極への絶縁層の形成〕
プレス処理された正極の活物質層上に、前記絶縁層形成用スラリーを塗布し120℃で10分間乾燥させた。乾燥後の塗膜をロールプレスすることにより、正極活物質層上に、アルミナの含有割合:98質量%、厚み:10μmで、空孔率:45%の絶縁層を形成した。
[Formation of an insulating layer on the positive electrode]
The slurry for forming an insulating layer was applied onto the active material layer of the positive electrode that had been pressed, and dried at 120 ° C. for 10 minutes. By roll-pressing the dried coating film, an insulating layer having an alumina content of 98% by mass, a thickness of 10 μm, and a porosity of 45% was formed on the positive electrode active material layer.
〔負極の作製〕
負極活物質である黒鉛100質量部と、導電助剤であるVGCF(気相法炭素繊維):2重量部、バインダであるCMC:1質量部(1質量%の水溶液として固形分量を供給)とSBR:1質量部とを、溶媒であるイオン交換水に混合して、ペースト状の負極合剤組成物を調製した。次に、得られた組成物を、厚み16.5μmの銅箔の片面に、塗布量が組成物の固形分量として11.4mg/cm2となるように塗布して乾燥させた後、プレス処理を行って、全厚が88μmになるように負極活物質層の厚みを調整し、タブ溶接部を残して長さ32mm、幅32mmになるように切断して負極を作製した。更に、この負極のタブ溶接部にタブを溶接してリード部を形成した。
[Manufacturing of negative electrode]
100 parts by mass of graphite as a negative electrode active material, VGCF (gas phase carbon fiber) as a conductive auxiliary agent: 2 parts by mass, CMC as a solvent: 1 part by mass (supplying solid content as 1% by mass of aqueous solution) SBR: 1 part by mass was mixed with ion-exchanged water as a solvent to prepare a paste-like negative electrode mixture composition. Next, the obtained composition was applied to one side of a copper foil having a thickness of 16.5 μm so that the coating amount was 11.4 mg / cm 2 as the solid content of the composition, dried, and then pressed. The thickness of the negative electrode active material layer was adjusted so that the total thickness was 88 μm, and the negative electrode was prepared by cutting so that the length was 32 mm and the width was 32 mm, leaving the tab welded portion. Further, a tab was welded to the tab welded portion of the negative electrode to form a lead portion.
〔非水電解液の調製〕
メチルエチルカーボネート(MEC)と1,1,2,2-テトラフルオロエチル2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル(HFE)との質量比1:3の混合溶媒100gに、0.1molのLiN(FSO2)2を溶解して非水電解液を調製した。
[Preparation of non-aqueous electrolyte solution]
0.1 mol in 100 g of a mixed solvent having a mass ratio of 1: 3 of methyl ethyl carbonate (MEC) and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (HFE). A non-aqueous electrolyte solution was prepared by dissolving LiN (FSO 2 ) 2 .
〔電池の組み立て〕
上記正極と上記負極とを、絶縁層を間に介在させて重ね、正極/絶縁層/負極の3層構成の電極体を作製した。得られた電極体をアルミニウムラミネートフィルムからなる外装体内に収納し、上記非水電解液を正極の絶縁層上に0.1ml注入し、減圧することにより電解液を含侵させた後、常圧で封止を行って非水二次電池を作製した。この電池における非水電解液の質量は、正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、非水電解液の質量との総和に対し34%であった。
[Battery assembly]
The positive electrode and the negative electrode were laminated with an insulating layer interposed therebetween to prepare an electrode body having a three-layer structure of a positive electrode / an insulating layer / a negative electrode. The obtained electrode body is housed in an exterior body made of an aluminum laminated film, 0.1 ml of the non-aqueous electrolytic solution is injected onto the insulating layer of the positive electrode, and the pressure is reduced to impregnate the electrolytic solution, and then normal pressure is applied. A non-aqueous secondary battery was produced by sealing with. The mass of the non-aqueous electrolytic solution in this battery was 34% of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer and the total mass of the non-aqueous electrolytic solution.
作成した電池の側面に、3.5cm角のシリコンゴムを介してガラス板を配置し、150gの加重をかけ加圧しながら、25℃の温度環境下で、2.5mA(1/10C相当のレート)の定電流で4.2Vまで充電し、さらに4.2Vの定電圧で充電を行う定電流-定電圧充電と、2.5mAの定電流で3Vまで放電させる定電流放電を行い、そのときの放電容量を測定して充放電特性を評価した。なお、前記充放電において、外装体の側面に印加した圧力は0.015kgf/cm2であった。 A glass plate is placed on the side surface of the created battery via a 3.5 cm square silicon rubber, and while applying a load of 150 g and pressurizing, 2.5 mA (rate equivalent to 1 / 10C) under a temperature environment of 25 ° C. ) Constant current-constant voltage charging, which charges up to 4.2V with a constant current and then charges at a constant voltage of 4.2V, and constant current discharge, which discharges to 3V with a constant current of 2.5mA, at that time. The charge / discharge characteristics were evaluated by measuring the discharge capacity of. In the charge / discharge, the pressure applied to the side surface of the exterior body was 0.015 kgf / cm 2 .
実施例2
電池の充放電を45℃の温度環境下で実施した以外は、実施例1と同様にして充放電特性の評価を行った。
Example 2
The charging / discharging characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1 except that the charging / discharging of the battery was carried out in a temperature environment of 45 ° C.
実施例3
外装体の側面に印加する圧力を0.006kgf/cm2とした以外は、実施例1と同様にして充放電特性の評価を行った。
Example 3
The charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1 except that the pressure applied to the side surface of the exterior body was 0.006 kgf / cm 2 .
実施例4
正極活物質層上に形成する絶縁層の厚みを20μmとし、空孔率を49%とした以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製し、実施例1と同様にして充放電特性の評価を行った。この電池の正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、非水電解液の質量との総和に対する非水電解液の質量の割合は、30%であった。
Example 4
A non-aqueous secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the insulating layer formed on the positive electrode active material layer was 20 μm and the porosity was 49%. The charge / discharge characteristics were evaluated. The ratio of the mass of the non-aqueous electrolytic solution to the total of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer of this battery and the mass of the non-aqueous electrolytic solution was 30%.
実施例5
非水電解液の液量を0.08mlとした以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製し、実施例2と同様にして充放電特性の評価を行った。この電池における、正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、非水電解液の質量との総和に対する非水電解液の質量の割合は、30%であった。
Example 5
A non-aqueous secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the non-aqueous electrolytic solution was 0.08 ml, and the charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Example 2. In this battery, the ratio of the mass of the non-aqueous electrolytic solution to the total of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer and the mass of the non-aqueous electrolytic solution was 30%.
実施例6
正極/絶縁層/負極の3層構成の電極体を2組作製し、一方の電極体の負極と他方の電極体の正極とを重ね合わせ、正極1/絶縁層1/負極1/正極2/絶縁層2/負極2の積層順となるよう2組の電極体を直列に導電接続し、正極1と負極2にそれぞれタブを溶接してリード部を形成することにより、2組の電極体の積層体を作製した。
Example 6
Two sets of electrodes having a three-layer structure of positive electrode / insulating layer / negative electrode are produced, and the negative electrode of one electrode body and the positive electrode of the other electrode body are overlapped with each other to form positive electrode 1 / insulating layer 1 / negative electrode 1 / positive electrode 2 /. Two sets of electrode bodies are conductively connected in series so that the insulating layer 2 and the negative electrode 2 are laminated in this order, and tabs are welded to the positive electrode 1 and the negative electrode 2 to form lead portions, whereby the two sets of electrode bodies are formed. A laminate was produced.
前記2組の電極体の積層体をアルミニウムラミネートフィルムからなる外装体内に収納し、それぞれの電極体の絶縁層と対向電極の間に、非水電解液を0.1mlずつ注入した以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。この電池における、それぞれの電極体の正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、前記非水電解液の質量との総和に対する非水電解液の質量の割合は、34%であった。 This was carried out except that the laminated body of the two sets of electrodes was housed in an exterior body made of an aluminum laminated film, and 0.1 ml of a non-aqueous electrolytic solution was injected between the insulating layer of each electrode body and the counter electrode. A non-aqueous secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. In this battery, the ratio of the mass of the non-aqueous electrolyte solution to the sum of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer of each electrode body and the mass of the non-aqueous electrolytic solution is 34%. Met.
作製した非水二次電池に対し、2.5mAの定電流で8.4Vまで充電し、さらに8.4Vの定電圧で充電を行う定電流-定電圧充電と、2.5mAの定電流で6Vまで放電させる定電流放電を行い、そのときの放電容量を測定して充放電特性を評価した。なお、前記充放電において、外装体の側面に印加した圧力は0.015kgf/cm2であった。 The manufactured non-aqueous secondary battery is charged to 8.4V with a constant current of 2.5mA, and then charged with a constant voltage of 8.4V. Constant current-constant voltage charging and constant current of 2.5mA. A constant current discharge was performed to discharge to 6 V, and the discharge capacity at that time was measured to evaluate the charge / discharge characteristics. In the charge / discharge, the pressure applied to the side surface of the exterior body was 0.015 kgf / cm 2 .
比較例1
平均粒子径が0.5μmのアルミナを用いることにより、正極活物質層上に厚み:12.5μmで、空孔率:55%の絶縁層を形成した以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製し、実施例1と同様にして充放電特性の評価を行った。この電池における、正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、非水電解液の質量との総和に対する非水電解液の質量の割合は、34%であった。
Comparative Example 1
By using alumina having an average particle diameter of 0.5 μm, an insulating layer having a thickness of 12.5 μm and a pore ratio of 55% was formed on the positive electrode active material layer, but not in the same manner as in Example 1. A water secondary battery was prepared, and the charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. In this battery, the ratio of the mass of the non-aqueous electrolytic solution to the total of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer and the mass of the non-aqueous electrolytic solution was 34%.
比較例2
非水電解液の液量を0.5mlとした以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製し、実施例1と同様にして充放電特性の評価を行った。この電池における、正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、非水電解液の質量との総和に対する非水電解液の質量の割合は、73%であった。
Comparative Example 2
A non-aqueous secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the non-aqueous electrolytic solution was 0.5 ml, and the charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. In this battery, the ratio of the mass of the non-aqueous electrolytic solution to the total of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer and the mass of the non-aqueous electrolytic solution was 73%.
比較例3
非水電解液の液量を0.002mlとした以外は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製し、実施例1と同様にして充放電特性の評価を行った。この電池における、正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、非水電解液の質量との総和に対する非水電解液の質量の割合は、1%であった。
Comparative Example 3
A non-aqueous secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the non-aqueous electrolytic solution was 0.002 ml, and the charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. In this battery, the ratio of the mass of the non-aqueous electrolytic solution to the total of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer and the mass of the non-aqueous electrolytic solution was 1%.
比較例4
非水電解液の調製に、エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)との質量比1:3の混合溶媒を用いた以外は、比較例2と同様にして非水二次電池を作製し、実施例1と同様にして充放電特性の評価を行った。
Comparative Example 4
A non-aqueous secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 2 except that a mixed solvent having a mass ratio of ethylene carbonate (EC) and methyl ethyl carbonate (MEC) of 1: 3 was used for the preparation of the non-aqueous electrolyte solution. Then, the charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1.
参考例1
外装体の側面を加圧せずに充放電を行った以外は、比較例1と同様にして充放電特性の評価を行った。
Reference example 1
The charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Comparative Example 1 except that the side surface of the exterior body was charged / discharged without being pressurized.
それぞれの電池の構成を表1に、充放電特性の評価結果を表2に示す。なお、各電池の重量エネルギー密度は、外装体内に収容した電極体の正極合剤層および絶縁層と、負極合剤層のうち前記正極合剤層と対向する部分の質量の合計と、非水電解液の質量との総和、および、測定された電池の放電容量を基に、各電池の個々の電極体の作動電圧(平均放電電圧)を3.7Vとして計算により求めた値である。 Table 1 shows the configuration of each battery, and Table 2 shows the evaluation results of charge / discharge characteristics. The weight energy density of each battery is the total mass of the positive electrode mixture layer and the insulating layer of the electrode body housed in the exterior body, and the portion of the negative electrode mixture layer facing the positive electrode mixture layer, and non-water. It is a value calculated by assuming that the operating voltage (average discharge voltage) of each electrode body of each battery is 3.7 V based on the total with the mass of the electrolytic solution and the measured discharge capacity of the battery.
無機絶縁体を80質量%以上の割合で含有し、かつ空孔率が50%以下である絶縁層をセパレータとし、電池容器内の非水電解液の質量の割合を、正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、非水電解液の質量との総和に対し、2%以上60%以下の範囲とした本発明の非水二次電池では、重量エネルギー密度が高く、かつ充放電特性に優れると共に、充電時のリチウムデンドライトの形成が抑制され、安全性の高い電池とすることができた。 An insulating layer containing an inorganic insulator in a proportion of 80% by mass or more and having a pore ratio of 50% or less is used as a separator, and the proportion of the mass of the non-aqueous electrolyte solution in the battery container is determined by the positive electrode active material layer and the negative electrode. The non-aqueous secondary battery of the present invention having a range of 2% or more and 60% or less with respect to the total mass of the active material layer and the insulating layer and the mass of the non-aqueous electrolytic solution has a high weight energy density. In addition to having excellent charge / discharge characteristics, the formation of lithium dendrites during charging was suppressed, and the battery could be made highly safe.
一方、絶縁層の空孔率が50%より大きい比較例1の電池では、充電時のリチウムデンドライトの形成による短絡のため、放電容量が低くなっていた。また、非水電解液の量が多すぎる比較例2の電池では、充電時のリチウムデンドライトの形成による短絡がなく、実施例1と同じ放電容量が得られたが、電解液の重量が大きいため、電池の重量エネルギー密度が低くなり、逆に非水電解液の量が少なすぎる比較例3の電池では、イオン伝導性が低下して内部抵抗が高くなり、放電できなくなった。 On the other hand, in the battery of Comparative Example 1 in which the porosity of the insulating layer is larger than 50%, the discharge capacity is low due to a short circuit due to the formation of lithium dendrite during charging. Further, in the battery of Comparative Example 2 in which the amount of the non-aqueous electrolyte solution was too large, there was no short circuit due to the formation of lithium dendrite during charging, and the same discharge capacity as in Example 1 was obtained, but the weight of the electrolytic solution was large. On the contrary, in the battery of Comparative Example 3 in which the weight energy density of the battery is low and the amount of the non-aqueous electrolyte solution is too small, the ionic conductivity is lowered and the internal resistance is increased, so that the battery cannot be discharged.
また、難燃性溶媒であるフッ素化エーテルを全溶媒中に質量比で30%以上含有し、かつ鎖状エステル(MEC)との混合溶媒により非水電解液を構成した比較例2の電池は、汎用の環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒により非水電解液を構成した比較例4の電池と同等の放電容量が得られ、難燃性溶媒を含有する前記の電解液構成とすることにより、充放電特性を低下させずに電解液の難燃化が可能となることがわかる。 Further, the battery of Comparative Example 2 in which fluorinated ether, which is a flame-retardant solvent, is contained in the total solvent at a mass ratio of 30% or more and a non-aqueous electrolyte solution is formed by a mixed solvent with a chain ester (MEC) is used. A discharge capacity equivalent to that of the battery of Comparative Example 4 in which a non-aqueous electrolyte solution is composed of a mixed solvent of a general-purpose cyclic carbonate and a chain carbonate can be obtained, and the above-mentioned electrolyte solution composition containing a flame-retardant solvent shall be obtained. Therefore, it can be seen that the electrolytic solution can be made flame-retardant without deteriorating the charge / discharge characteristics.
さらに、外装体の側面を加圧せずに充放電を行った参考例1の電池よりも、外装体の側面に一定の圧力を印加した実施例1~6の電池の方が放電容量が大幅に増加しており、本発明の非水二次電池では、充放電時に外装体の側面を加圧することが望ましいことがわかる。 Further, the discharge capacity of the batteries of Examples 1 to 6 in which a constant pressure is applied to the side surface of the exterior body is larger than that of the battery of Reference Example 1 in which the side surface of the exterior body is charged and discharged without pressurizing. It can be seen that in the non-aqueous secondary battery of the present invention, it is desirable to pressurize the side surface of the exterior body during charging and discharging.
また、実施例6の電池の評価結果より明らかなように、本発明の非水二次電池では、電解液量を少なくしていることから、電池容器の内部で複数の電極体を直列に導電接続しても、内部短絡を生じることなく充放電を行うことができる。 Further, as is clear from the evaluation results of the battery of Example 6, since the amount of the electrolytic solution is small in the non-aqueous secondary battery of the present invention, a plurality of electrode bodies are conductive in series inside the battery container. Even if they are connected, charging and discharging can be performed without causing an internal short circuit.
Claims (10)
前記電極体は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、前記正極および前記負極の間に介在させてなる多孔性の絶縁層とを有し、
前記絶縁層は、無機絶縁体を80質量%以上の割合で含有し、かつ空孔率が50%以下であり、
前記電池容器内の前記非水電解液の質量が、前記電極体の正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、前記非水電解液の質量との総和に対し、25%以上60%以下であることを特徴とする非水二次電池。 A non-aqueous secondary battery having an electrode body and a non-aqueous electrolytic solution in a battery container.
The electrode body has a positive electrode having a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode active material layer, and a porous insulating layer interposed between the positive electrode and the negative electrode.
The insulating layer contains an inorganic insulator in a proportion of 80% by mass or more and has a porosity of 50% or less.
The mass of the non-aqueous electrolytic solution in the battery container is 25 with respect to the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer of the electrode body and the total mass of the non-aqueous electrolytic solution. A non-aqueous secondary battery characterized by being% or more and 60% or less.
前記電極体は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、前記正極および前記負極の間に介在させてなる多孔性の絶縁層とを有し、
前記絶縁層は、無機絶縁体を80質量%以上の割合で含有し、かつ空孔率が50%以下であり、
前記電池容器内の前記非水電解液の質量が、それぞれの電極体の正極活物質層、負極活物質層および絶縁層の質量の合計と、前記非水電解液の質量との総和に対し、25%以上60%以下であることを特徴とする非水二次電池。 A non-aqueous secondary battery having a plurality of electrode bodies conductively connected in series and a non-aqueous electrolytic solution in a battery container.
The electrode body has a positive electrode having a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode active material layer, and a porous insulating layer interposed between the positive electrode and the negative electrode.
The insulating layer contains an inorganic insulator in a proportion of 80% by mass or more and has a porosity of 50% or less.
The mass of the non-aqueous electrolytic solution in the battery container is the sum of the total mass of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer and the insulating layer of each electrode body and the mass of the non-aqueous electrolytic solution. A non-aqueous secondary battery characterized by being 25 % or more and 60% or less.
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