JP7096978B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。 In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries have been used for portable power sources such as personal computers and mobile terminals, and for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). It is suitably used for power supplies and the like.
非水電解質二次電池は一般的に、正極と、負極と、当該正極と当該負極との間に介在するセパレータと、を備える構成を有する。非水電解質二次電池の特性向上を目的として、複層構造を有するセパレータを使用することが知られている(例えば、特許文献1~3参照)。 A non-aqueous electrolyte secondary battery generally has a configuration including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. It is known to use a separator having a multi-layer structure for the purpose of improving the characteristics of a non-aqueous electrolyte secondary battery (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
特許文献1には、高分子樹脂を含む微多孔膜と、当該微多孔膜の主面上に設けられ、無機粒子を含有する微多孔膜とを備えるセパレータが開示されている。特許文献1では、充放電に伴う電極の膨張が生じた場合でも、セパレータの細孔が保持されるように、高分子樹脂を含む微多孔膜の平均細孔径や平均膜厚等を規定することが行われている。特許文献2には、ポリエチレン層の両面にポリプロピレン層が形成された三層構造の樹脂多孔質膜と、耐熱性微粒子を含む耐熱多孔層とを備えるセパレータが開示されている。 Patent Document 1 discloses a separator having a microporous membrane containing a polymer resin and a microporous membrane provided on the main surface of the microporous membrane and containing inorganic particles. Patent Document 1 defines the average pore diameter, average film thickness, and the like of a microporous membrane containing a polymer resin so that the pores of the separator are retained even when the electrode expands due to charging and discharging. Is being done. Patent Document 2 discloses a separator having a three-layer structure resin porous film in which polypropylene layers are formed on both sides of a polyethylene layer, and a heat-resistant porous layer containing heat-resistant fine particles.
しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、従来技術においては、セパレータの抵抗特性と短絡耐性との両立に改善の余地があることを見出した。 However, as a result of diligent studies by the present inventors, it has been found that there is room for improvement in both the resistance characteristics of the separator and the short-circuit resistance in the prior art.
かかる事情に鑑み、本発明は、セパレータの抵抗特性と短絡耐性とが両立された非水電解質二次電池を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having both resistance characteristics of a separator and short circuit resistance.
ここに開示される非水電解質二次電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータと、を備える。前記セパレータは、第1層、第2層、第3層、および第4層の順に積層された、少なくとも4つの多孔質層を含む。前記第1層は、前記正極に接している。前記第1層は、セラミック粒子を含有する。前記第1層の密度は、1.0g/cm3以上1.5g/cm3以下である。前記第2層、前記第3層、および前記第4層はそれぞれ、樹脂層である。前記第3層の細孔径は、0.11μm以上0.21μm以下である。前記第2層の厚みに対する前記第3層の厚みの比(第3層の厚み/第2層の厚み)は、1.55以上2.5以下である。前記第1層、前記第2層、前記第3層、および前記第4層の総厚みは、16μm以上22μm以下である。
このような構成によれば、セパレータの抵抗特性と短絡耐性とが両立された非水電解質二次電池を提供することができる。
The non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator includes at least four porous layers in which a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer are laminated in this order. The first layer is in contact with the positive electrode. The first layer contains ceramic particles. The density of the first layer is 1.0 g / cm 3 or more and 1.5 g / cm 3 or less. The second layer, the third layer, and the fourth layer are resin layers, respectively. The pore diameter of the third layer is 0.11 μm or more and 0.21 μm or less. The ratio of the thickness of the third layer to the thickness of the second layer (thickness of the third layer / thickness of the second layer) is 1.55 or more and 2.5 or less. The total thickness of the first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer is 16 μm or more and 22 μm or less.
According to such a configuration, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having both resistance characteristics of a separator and short-circuit resistance.
以下、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない非水電解質二次電池の一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described. It should be noted that matters other than those specifically mentioned in the present specification and necessary for carrying out the present invention (for example, general configurations and manufacturing processes of non-aqueous electrolyte secondary batteries that do not characterize the present invention). Can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art in the art. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in the present specification and the common general technical knowledge in the art.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。
以下、扁平角型のリチウムイオン二次電池を例にして、本発明について詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。
In the present specification, the "secondary battery" generally refers to a power storage device capable of being repeatedly charged and discharged, and is a term including a so-called storage battery and a power storage element such as an electric double layer capacitor.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by taking a flat-angle type lithium ion secondary battery as an example, but the present invention is not intended to be limited to those described in such embodiments.
図1に示すリチウムイオン二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20と非水電解質80とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型電池である。電池ケース30には外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36とが設けられている。また、電池ケース30には、非水電解質80を注入するための注入口(図示せず)が設けられている。正極端子42は、正極集電板42aと電気的に接続されている。負極端子44は、負極集電板44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。
The lithium ion
捲回電極体20は、図1および図2に示すように、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された正極シート50と、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成された負極シート60とが、2枚の長尺状のセパレータシート70を介して重ね合わされて長手方向に捲回された形態を有する。なお、捲回電極体20の捲回軸方向(即ち、上記長手方向に直交するシート幅方向)の両端から外方にはみ出すように形成された正極活物質層非形成部分52a(即ち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)と負極活物質層非形成部分62a(即ち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)には、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
正極シート50および負極シート60には、従来のリチウムイオン二次電池に用いられているものと同様のものを特に制限なく使用することができる。典型的な一態様を以下に示す。
As the
正極シート50を構成する正極集電体52としては、例えばアルミニウム箔等が挙げられる。正極活物質層54に含まれる正極活物質としては、例えばリチウム遷移金属酸化物(例、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiCoO2、LiFeO2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等)、リチウム遷移金属リン酸化合物(例、LiFePO4等)等が挙げられる。正極活物質層54は、活物質以外の成分、例えば導電材やバインダ等を含み得る。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(例、グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。
Examples of the positive electrode
負極シート60を構成する負極集電体62としては、例えば銅箔等が挙げられる。負極活物質層64に含まれる負極活物質としては、例えば黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料を使用し得る。負極活物質層64は、活物質以外の成分、例えばバインダや増粘剤等を含み得る。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等を使用し得る。
Examples of the negative electrode
セパレータ70は、図3の模式断面図に示すように、第1層72、第2層74、第3層76、および第4層78の順に積層された4つの多孔質層を含む。第1層72は、正極50側に配置されており、正極50(具体的には、正極活物質層54)と接している。第4層78は、負極60側に配置されており、負極60(具体的には、負極活物質層64)と接している。なお、セパレータ70は、本発明の効果を著しく損なわない限り、この4つの層以外にも、負極60側にさらに層を有していてもよい。
セパレータ70は、例えば、電池ケース30の外部から荷重が印加されていること等によって、正極50および負極60と密着していることが好ましい。
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 3, the
It is preferable that the
第1層72は、セラミック粒子を含有する。したがって、第1層72は、耐熱層(HRL)としての機能を有し得る。この機能により、短絡時の電流集中による発熱によってセパレータ70の樹脂成分が溶解して短絡が拡がることを抑制することができる。
第1層72では、セラミック粒子間の空隙により、多孔質構造が形成される。
セラミック粒子としては、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、酸化亜鉛等の酸化物系セラミックス、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物系セラミックス、シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、ベーマイト、タルク、カオリンクレー、モンモリロナイト、マイカ、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸アルミニウム、ケイ砂等の粒子が挙げられ、なかでも、ベーマイト粒子およびアルミナ粒子が好ましい。これらは融点が高く、耐熱性に優れる。またモース硬度が比較的高く、機械的強度および耐久性にも優れる。さらに比較的安価なため原料コストを抑えることができる。
第1層72中のセラミック粒子の含有量は、特に制限はないが、好ましくは90重量%以上97重量%以下である。
The
In the
Examples of the ceramic particles include oxide-based ceramics such as alumina, silica, titania, zirconia, magnesia, ceria, and zinc oxide, nitride-based ceramics such as silicon nitride, titanium nitride, and boron nitride, silicon carbide, calcium carbonate, and boehmite. , Tark, kaolin clay, montmorillonite, mica, zeolite, calcium silicate, magnesium silicate, aluminum silicate, silica sand and the like, and among them, boehmite particles and alumina particles are preferable. These have a high melting point and excellent heat resistance. It also has a relatively high Mohs hardness and is excellent in mechanical strength and durability. Furthermore, since it is relatively inexpensive, the raw material cost can be suppressed.
The content of the ceramic particles in the
第1層72は、必要に応じ、バインダ等をさらに含有していてもよい。
バインダの例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系ポリマー、アクリル系バインダ、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリオレフィン系バインダ等が挙げられる。
第1層72中のバインダの含有量は、特に制限はないが、好ましくは3重量%以上10重量%以下である。
The
Examples of the binder include a fluorine-based polymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE), an acrylic-based binder, a styrene-butadiene rubber (SBR), a polyolefin-based binder and the like.
The content of the binder in the
第1層72の密度は、1.0g/cm3以上1.5g/cm3以下である。この数値範囲の意義については後述する。
第1層72の厚みは、好ましくは、1.5μm以上6μm以下である。
The density of the
The thickness of the
第2層74、第3層76、および第4層78はそれぞれ、樹脂層、具体的には、樹脂多孔質層である。樹脂層を構成する樹脂としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等が挙げられる。
好適には、第2層74がPP層、第3層76がPE層、および第4層78がPP層の組み合わせである。
これらの樹脂層は、延伸等によって多孔化された多孔質膜であってよい。あるいは、樹脂微粒子から形成された多孔質層であってもよい。
第2層74と第3層76とは、熱溶着、接着剤による接着等によって接合されていることが好ましい。第3層76と第4層78とは、熱溶着、接着剤による接着等によって接合されていることが好ましい。
The
Preferably, the
These resin layers may be a porous film that has been made porous by stretching or the like. Alternatively, it may be a porous layer formed from resin fine particles.
It is preferable that the
第3層76の細孔径は、0.11μm以上0.21μm以下である。この数値範囲の意義については後述する。
なお、細孔径は、例えば、水銀圧入法により求めることができる。具体的には、水銀ポロシメータを用いて第3層76の細孔分布曲線を取得し、ピーク位置の細孔径を、第3層76の細孔径とすることができる。
The pore diameter of the
The pore diameter can be determined by, for example, a mercury intrusion method. Specifically, the pore distribution curve of the
第2層74の厚みに対する第3層76の厚みの比(第3層76の厚み/第2層74の厚み)は、1.5以上2.5以下である。この数値範囲の意義については後述する。
第2層74の厚みは、好ましくは3μm以上5μm以下である。
第3層76の厚みは、好ましくは4.65μm以上10μm以下である。
第4層78の厚みは、好ましくは3μm以上5μm以下である。
The ratio of the thickness of the
The thickness of the
The thickness of the
The thickness of the
本実施形態においては、第1層72、第2層74、第3層76、および第4層78の総厚みは、16μm以上22μm以下である。
本実施形態におけるこの総厚みの範囲は、従来のセパレータの総厚みに対しては、厚みが小さい領域にある。セパレータの厚みが小さいと、セパレータの抵抗を小さくすることができる。しかしながら、従来技術においては、本実施形態のように総厚みが小さい場合には、内部短絡が発生しやすい。これは、次の現象が起こることによる。
非水電解質二次電池では出荷前に、電池内部に存在する金属製の異物を酸化反応で電解質中に溶解させることにより除去することが行われるが、正極において溶解した異物は、負極まで拡散して還元反応によって金属として析出する。この析出した金属は、セパレータの総厚みが小さいと、セパレータを突き破って内部短絡を起こす。
In the present embodiment, the total thickness of the
The range of this total thickness in the present embodiment is in a region where the thickness is smaller than the total thickness of the conventional separator. When the thickness of the separator is small, the resistance of the separator can be reduced. However, in the prior art, when the total thickness is small as in the present embodiment, an internal short circuit is likely to occur. This is due to the following phenomenon.
In a non-aqueous electrolyte secondary battery, metal foreign matter existing inside the battery is removed by dissolving it in the electrolyte by an oxidation reaction before shipment, but the foreign matter dissolved in the positive electrode diffuses to the negative electrode. Precipitates as a metal by a reduction reaction. If the total thickness of the separator is small, the deposited metal breaks through the separator and causes an internal short circuit.
本実施形態においては、上記のように総厚みが小さいにも関わらずこの内部短絡が抑制される。その具体的内容は次の通りである。
正極50において、酸化反応により異物を溶解させる必要があるため、正極50近傍に非水電解質の非水溶媒が十分に存在していることが必要である。そのため、本実施形態においては、本実施形態では、第1層72の密度を1.0g/cm3以上1.5g/cm3以下という小さい範囲に限定している。そして、細孔径を0.11μm以上0.21μm以下とした第3層76の厚みを、第2層74の厚みよりも大きくしている(具体的には、第3層76の厚み/第2層74の厚み=1.5以上2.5以下、すなわち、第3層76の厚みは、第2層74の厚みの1.5倍~2.5倍である)。このように第3層76の空間を大きくすることで、析出した金属をトラップしてセパレータ70を貫通することを抑制することができる。その結果、内部短絡を抑制することができる。
In the present embodiment, this internal short circuit is suppressed even though the total thickness is small as described above. The specific contents are as follows.
Since it is necessary to dissolve foreign substances in the
セパレータ70の細孔容積は、好ましくは0.7mL/g以上であり、より好ましくは0.75mL/g以上である。一方、セパレータ70の細孔容積は。好ましくは1.5mL/g以下であり、より好ましくは1.2mL/g以下である。セパレータ70の細孔容積は、例えば、水銀ポロシメータを用いて測定することができる。
The pore volume of the
非水電解質80は、典型的には非水溶媒および支持塩を含有する。
非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。なかでも、カーボネート類が好ましく、その具体例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F-DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)等が挙げられる。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4等のリチウム塩(好ましくはLiPF6)を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。
The
As the non-aqueous solvent, various organic solvents such as carbonates, ethers, esters, nitriles, sulfones, and lactones used in the electrolytic solution of a general lithium ion secondary battery shall be used without particular limitation. Can be done. Among them, carbonates are preferable, and specific examples thereof include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), and monofluoroethylene carbonate (. MFEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), monofluoromethyldifluoromethyl carbonate (F-DMC), trifluorodimethyl carbonate (TFDMC) and the like. As such a non-aqueous solvent, one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination as appropriate.
As the supporting salt, for example, a lithium salt (preferably LiPF 6 ) such as LiPF 6 , LiBF 4 , and LiClO 4 can be preferably used. The concentration of the supporting salt is preferably 0.7 mol / L or more and 1.3 mol / L or less.
なお、上記非水電解質80は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、例えば、ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生剤;ホウ素原子および/またはリン原子を含むオキサラト錯体化合物、ビニレンカーボネート(VC)等の被膜形成剤;分散剤;増粘剤等の各種添加剤を含み得る。
The
以上のようにして構成されるリチウムイオン二次電池100は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。リチウムイオン二次電池100は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。
The lithium ion
なお、一例として扁平形状の捲回電極体20を備える角形のリチウムイオン二次電池100について説明した。しかしながら、リチウムイオン二次電池は、積層型電極体を備えるリチウムイオン二次電池として構成することもできる。また、リチウムイオン二次電池は、円筒形リチウムイオン二次電池、ラミネート型リチウムイオン二次電池等として構成することもできる。また、ここに開示される技術は、リチウムイオン二次電池以外の非水電解質二次電池にも適用可能である。
As an example, a square lithium ion
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in such examples.
<セパレータの準備>
ポリエチレン層の両面にポリプロピレン層が形成された三層構造(PP/PE/PP)の多孔質フィルムの片面に、無機粒子を含有する耐熱層が設けられたセパレータシートを用意した。このセパレータシートにおいては、耐熱層が上記第1層、これに隣接するPP層が上記第2層、PE層が上記第3層、負極側のPP層が上記第4層に該当する。かかる構成のセパレータシートについて、総厚み、細孔容積、各層の厚み、耐熱層(第1層)の無機粒子の材質、耐熱層(第1層)の密度、第3層(PE層)の細孔径が異なるものを用意した。なお、セパレータシートの細孔容積および第3層(PE層)の細孔径は、水銀ポロシメータを用いて測定した値である。
<Preparation of separator>
A separator sheet having a heat-resistant layer containing inorganic particles was prepared on one side of a three-layer structure (PP / PE / PP) porous film in which polypropylene layers were formed on both sides of the polyethylene layer. In this separator sheet, the heat-resistant layer corresponds to the first layer, the PP layer adjacent thereto corresponds to the second layer, the PE layer corresponds to the third layer, and the PP layer on the negative electrode side corresponds to the fourth layer. Regarding the separator sheet having such a structure, the total thickness, the pore volume, the thickness of each layer, the material of the inorganic particles of the heat-resistant layer (first layer), the density of the heat-resistant layer (first layer), and the fineness of the third layer (PE layer). Those with different hole diameters were prepared. The pore volume of the separator sheet and the pore diameter of the third layer (PE layer) are values measured using a mercury porosimeter.
<セパレータ抵抗の評価>
上記用意したセパレータを用い、セパレータの枚数が異なる3種のCR2032型コイン電池を作製した。具体的には、2枚のアルミ箔の間に、φ18mmで打ち抜いたセパレータを1枚、2枚、または3枚配置して、非水電解質を含浸させて、電池を作製した。非水電解質には、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)とをEC:EMC:DMC=3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1.1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。
この電池のインピーダンスを測定し、セパレータの枚数とインピーダンスの直流成分値とのプロットし、一次近似直線の傾きを、セパレータ抵抗として求めた。
各試験例について、使用したセパレータの構成と、セパレータ抵抗の評価結果を表1に示す。
<Evaluation of separator resistance>
Using the separators prepared above, three types of CR2032 coin batteries with different numbers of separators were produced. Specifically, one, two, or three separators punched out with a diameter of 18 mm were arranged between two aluminum foils and impregnated with a non-aqueous electrolyte to prepare a battery. The non-aqueous electrolyte contains ethylene carbonate (EC), ethylmethyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of EC: EMC: DMC = 3: 4: 3, as a supporting salt. The solution of LiPF 6 at a concentration of 1.1 mol / L was used.
The impedance of this battery was measured, the number of separators and the DC component value of the impedance were plotted, and the slope of the linear approximation line was obtained as the separator resistance.
Table 1 shows the configuration of the separator used and the evaluation result of the separator resistance for each test example.
<短絡耐性評価>
正極活物質粉末としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(LNCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、LNCM:AB:PVdF=90:8:2の質量比でN-メチルピロリドン(NMP)と混合し、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状のアルミニウム箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、プレスすることにより正極シートを作製した。
負極活物質としての天然黒鉛(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比でイオン交換水と混合して、負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状の銅箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、プレスすることにより負極シートを作製した。
上記で作製した正極シートと、負極シートと、2枚の上記用意したセパレータシートとを積層し、捲回した後、側面方向から押圧して拉げさせることによって扁平形状の捲回電極体を作製した。積層の際には、セパレータシートの耐熱層が正極に対向する(接する)ようにした。
所定の厚みの鉄板を円柱状に打ち抜き、捲回電極体内に挿入した。
次に、捲回電極体に正極端子および負極端子を接続し、電解液注入口を有する角型の電池ケースに収容した。
続いて、電池ケースの電解液注入口から非水電解質を注入し、当該注入口を気密に封止した。なお、非水電解質には、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)とをEC:EMC:DMC=3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1.1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。
このようにして作製した評価用リチウムイオン二次電池を、4Cの電流値で4Vまで充電した後、63℃で20時間エージング処理した。その後、3日間放置した。20℃での電圧を基準として、3日間放置した際の電圧降下量を測定した。電圧降下量が0.2V以上であった電池に対し、短絡があったと判定した。
捲回電極体内に挿入する鉄板の厚みを変化させて、短絡の有無を調べ、短絡があった鉄板の厚み(μm)の中で最も厚みが小さいものを、短絡耐性の指標とした。
各試験例について、使用したセパレータの構成と、短絡耐性の評価結果を表1に示す。
<Short circuit resistance evaluation>
LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (LNCM) as a positive electrode active material powder, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are used as LNCM :. A slurry for forming a positive electrode active material layer was prepared by mixing with N-methylpyrrolidone (NMP) at a mass ratio of AB: PVdF = 90: 8: 2. This slurry was applied to both sides of a long aluminum foil in a strip shape, dried, and then pressed to prepare a positive electrode sheet.
Natural graphite (C) as a negative electrode active material, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener are mixed in a mass ratio of C: SBR: CMC = 98: 1: 1. To prepare a slurry for forming a negative electrode active material layer by mixing with ion-exchanged water. This slurry was applied to both sides of a long copper foil in a strip shape, dried, and then pressed to prepare a negative electrode sheet.
A flat-shaped wound electrode body is produced by laminating the positive electrode sheet, the negative electrode sheet, and the two prepared separator sheets prepared above, winding them, and then pressing them from the side surface direction to pull them away. did. At the time of laminating, the heat-resistant layer of the separator sheet was made to face (contact) the positive electrode.
An iron plate having a predetermined thickness was punched into a columnar shape and inserted into the wound electrode.
Next, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal were connected to the wound electrode body and housed in a square battery case having an electrolytic solution injection port.
Subsequently, a non-aqueous electrolyte was injected from the electrolyte injection port of the battery case, and the injection port was hermetically sealed. The non-aqueous electrolyte is a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), ethylmethyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of EC: EMC: DMC = 3: 4: 3, and a supporting salt. LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.1 mol / L.
The evaluation lithium ion secondary battery thus produced was charged to 4 V at a current value of 4 C and then aged at 63 ° C. for 20 hours. After that, it was left for 3 days. Based on the voltage at 20 ° C., the amount of voltage drop when left for 3 days was measured. It was determined that there was a short circuit with respect to the battery having a voltage drop of 0.2 V or more.
The thickness of the iron plate inserted into the winding electrode was changed to check for the presence or absence of a short circuit, and the smallest thickness (μm) of the iron plate with the short circuit was used as an index of short circuit resistance.
Table 1 shows the configurations of the separators used and the evaluation results of short-circuit resistance for each test example.
表1の結果より、セパレータ抵抗は、セパレータの総厚みが大きいほど、高くなることがわかる。セパレータの総厚みが24μmである試験例1では、セパレータ抵抗が高くなり過ぎており、セパレータの総厚みが16μm~22μmである試験例2~11において、良好な抵抗値が得られた。
また、セパレータの総厚みが16μm~22μmである試験例の中で、第2層の厚みに対する第3層の厚みの比(厚み比)が小さい試験例2および3では短絡耐性が低かった。一方で、厚み比が1.55~2.5である試験例4~11において、良好な短絡耐性が得られた。
したがって、セパレータ抵抗と短絡耐性を両立させるには、セパレータの総厚みを16μm~22μmとし、第3層の厚みを大きくする、具体的には、第2層の厚みに対する第3層の厚みの比を1.55~2.5とすることが有効であることがわかる。
From the results in Table 1, it can be seen that the separator resistance increases as the total thickness of the separator increases. In Test Example 1 in which the total thickness of the separator was 24 μm, the separator resistance was too high, and in Test Examples 2 to 11 in which the total thickness of the separator was 16 μm to 22 μm, good resistance values were obtained.
Further, among the test examples in which the total thickness of the separator was 16 μm to 22 μm, the short-circuit resistance was low in the test examples 2 and 3 in which the ratio (thickness ratio) of the thickness of the third layer to the thickness of the second layer was small. On the other hand, in Test Examples 4 to 11 having a thickness ratio of 1.55 to 2.5, good short-circuit resistance was obtained.
Therefore, in order to achieve both separator resistance and short-circuit resistance, the total thickness of the separator should be 16 μm to 22 μm, and the thickness of the third layer should be increased. Specifically, the ratio of the thickness of the third layer to the thickness of the second layer. It can be seen that it is effective to set the value to 1.55 to 2.5.
<短絡率評価>
上記短絡耐性評価と同様の方法で、正極シートおよび負極シートを作製した。
作製した正極シートと、負極シートと、2枚の上記用意したセパレータシートとを積層し、捲回した後、側面方向から押圧して拉げさせることによって扁平形状の捲回電極体を作製した。積層の際には、セパレータシートの耐熱層が正極に対向する(接する)ようにした。
次に、捲回電極体に正極端子および負極端子を接続し、電解液注入口を有する角型の電池ケースに収容した。
続いて、電池ケースの電解液注入口から非水電解質を注入し、当該注入口を気密に封止した。なお、非水電解質には、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)とをEC:EMC:DMC=3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1.1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。
このようにして作製した評価用リチウムイオン二次電池を1000個作製した。
各評価用リチウムイオン二次電池を、4Cの電流値で4Vまで充電した後、63℃で20時間エージング処理した。その後、3日間放置した。20℃での電圧を基準として、3日間放置した際の電圧降下量を測定した。電圧降下量が0.2V以上であった電池に対し、短絡があったと判定した。
1000個の評価用リチウムイオン二次電池のうち、短絡があったものの割合を、短絡率(%)として求めた。
各試験例について、使用したセパレータの構成と、短絡率の評価結果を表2に示す。
<Short circuit rate evaluation>
A positive electrode sheet and a negative electrode sheet were produced by the same method as the above-mentioned short-circuit resistance evaluation.
The prepared positive electrode sheet, the negative electrode sheet, and the two separator sheets prepared above were laminated, wound, and then pressed from the side surface direction to be swollen to prepare a flat-shaped wound electrode body. At the time of laminating, the heat-resistant layer of the separator sheet was made to face (contact) the positive electrode.
Next, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal were connected to the wound electrode body and housed in a square battery case having an electrolytic solution injection port.
Subsequently, a non-aqueous electrolyte was injected from the electrolyte injection port of the battery case, and the injection port was hermetically sealed. The non-aqueous electrolyte is a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), ethylmethyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of EC: EMC: DMC = 3: 4: 3, and a supporting salt. LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.1 mol / L.
1000 evaluation lithium ion secondary batteries thus produced were produced.
Each evaluation lithium ion secondary battery was charged to 4 V at a current value of 4 C and then aged at 63 ° C. for 20 hours. After that, it was left for 3 days. Based on the voltage at 20 ° C., the amount of voltage drop when left for 3 days was measured. It was determined that there was a short circuit with respect to the battery having a voltage drop of 0.2 V or more.
The ratio of the 1000 evaluation lithium ion secondary batteries having a short circuit was determined as the short circuit rate (%).
Table 2 shows the configuration of the separator used and the evaluation result of the short-circuit rate for each test example.
表2の結果より、セパレータの細孔容積が大きいと短絡率が低くなる傾向にあることがわかる。
ここで、セパレータの細孔容積を大きくする方法として、第3層等の各層の厚みを大きくする方法があるが、上述のように抵抗の観点からセパレータの総厚みには制限があるために、得策とはいえない。
内部短絡抑制のためにはまず酸化反応により異物を溶解させる必要があるため、正極近傍に非水電解質の非水溶媒が多く保持されるようにすることを考慮すれば、第1層の密度を小さくすることが有効であると考えられる。また、第2層よりも厚みの大きい第3層の細孔径を制御することが有効であると考えられる。
これらのことから、表2の結果より、第1層の密度を1.0g/cm3以上1.5g/cm3以下という小さい範囲し、第3層の細孔径を0.11μm以上0.21μm以下の範囲にすることが有効であるといえる。
From the results in Table 2, it can be seen that the short circuit rate tends to decrease when the pore volume of the separator is large.
Here, as a method of increasing the pore volume of the separator, there is a method of increasing the thickness of each layer such as the third layer, but as described above, the total thickness of the separator is limited from the viewpoint of resistance. Not a good idea.
In order to suppress an internal short circuit, it is first necessary to dissolve foreign substances by an oxidation reaction. Therefore, considering that a large amount of non-aqueous solvent of non-aqueous electrolyte is retained in the vicinity of the positive electrode, the density of the first layer should be increased. It is considered effective to make it smaller. Further, it is considered effective to control the pore diameter of the third layer, which is thicker than the second layer.
From these facts, from the results in Table 2, the density of the first layer is in a small range of 1.0 g / cm 3 or more and 1.5 g / cm 3 or less, and the pore diameter of the third layer is 0.11 μm or more and 0.21 μm. It can be said that the following range is effective.
以上の結果を統合すると、無機粒子を含有する第1層と、樹脂層である第2層~第4層とを備えるセパレータにおいて、第1層の密度を1.0g/cm3以上1.5g/cm3以下とし、第3層の細孔径を0.11μm以上0.21μm以下とし、第2層の厚みに対する第3層の厚みの比(第3層/第2層)を1.55以上2.5以下とし、4つの層の総厚みを16μm以上22μm以下とすれば、セパレータの抵抗特性と短絡耐性とを両立できることがわかる。
すなわち、上記説明した本実施形態の非水電解質二次電池によれば、セパレータの抵抗特性と短絡耐性とを両立できることがわかる。
Integrating the above results, in the separator provided with the first layer containing the inorganic particles and the second to fourth layers which are resin layers, the density of the first layer is 1.0 g / cm 3 or more and 1.5 g. / Cm 3 or less, the pore diameter of the third layer is 0.11 μm or more and 0.21 μm or less, and the ratio of the thickness of the third layer to the thickness of the second layer (third layer / second layer) is 1.55 or more. It can be seen that if the thickness is 2.5 or less and the total thickness of the four layers is 16 μm or more and 22 μm or less, both the resistance characteristics of the separator and the short-circuit resistance can be achieved.
That is, it can be seen that the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment described above can achieve both the resistance characteristics of the separator and the short-circuit resistance.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples exemplified above.
20 捲回電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
72 第1層
74 第2層
76 第3層
78 第4層
80 非水電解質
100 リチウムイオン二次電池
20
52 Positive electrode
62 Negative electrode
72
Claims (1)
負極と、
前記正極と前記負極との間に介在するセパレータと、
を備える非水電解質二次電池であって、
前記セパレータは、第1層、第2層、第3層、および第4層の順に積層された4つの多孔質層を含む4層構造を有し、
前記第1層は、前記正極に接しており、
前記第1層は、セラミック粒子を含有し、
前記第1層の密度は、1.0g/cm3以上1.5g/cm3以下であり、
前記第2層、前記第3層、および前記第4層はそれぞれ、樹脂層であり、
前記第3層の細孔径は、0.11μm以上0.21μm以下であり、
前記第2層の厚みに対する前記第3層の厚みの比(第3層の厚み/第2層の厚み)は、1.55以上2.5以下であり、
前記第1層、前記第2層、前記第3層、および前記第4層の総厚みが、16μm以上22μm以下であり、
前記セパレータの細孔容積が、0.7mL/g以上1.5mL/g以下である、
非水電解質二次電池。 With the positive electrode
With the negative electrode
A separator interposed between the positive electrode and the negative electrode,
A non-aqueous electrolyte secondary battery equipped with
The separator has a four- layer structure including four porous layers in which the first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer are laminated in this order.
The first layer is in contact with the positive electrode and is in contact with the positive electrode.
The first layer contains ceramic particles and contains ceramic particles.
The density of the first layer is 1.0 g / cm 3 or more and 1.5 g / cm 3 or less.
The second layer, the third layer, and the fourth layer are resin layers, respectively.
The pore diameter of the third layer is 0.11 μm or more and 0.21 μm or less.
The ratio of the thickness of the third layer to the thickness of the second layer (thickness of the third layer / thickness of the second layer) is 1.55 or more and 2.5 or less.
The total thickness of the first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer is 16 μm or more and 22 μm or less .
The pore volume of the separator is 0.7 mL / g or more and 1.5 mL / g or less.
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
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