JP7202400B2 - リチウムイオン電池用塗布液、リチウムイオン電池セパレータ及びリチウムイオン電池 - Google Patents
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Description
リチウムイオン電池は、主に正極材料、負極材料、セパレータ、電解液の4種の材料により構成される。セパレータは、重要な一構成部分として、リチウムイオン電池の性能に対して重要な役割を果たしている。セパレータ(battery separator)は、電池の正極と負極との間のセパレータ材料の層を指し、通常、電池用セパレータと称する。電池用セパレータの主な役割は、正極と負極を隔離して、電池における電子が自由に通ることを阻止するとともに、電解液におけるイオンを正負極間に自由に通らせることである。
電池用セパレータのイオン伝導能力が電池全体の性能に直接関わっている。正負極に対する隔離により、電池が過充電され又は温度が上昇する場合に電流の上昇を抑え、電池の短絡に起因した爆発を防止することができ、さらに、微細孔閉塞による保護作用を有し、電池の利用者や設備に対して安全保護の役割を果たしている。
ポリオレフィン材料が低価で、良好な機械強度及び化学的安定性を有し、総合性能が優れ、低コスト等の利点を有するため、微多孔質セパレータとして広く使用される。しかし、熱安定性、突き刺し強度及び電解液の濡れ性が良くないため、電池でのさらなる応用が制限される。
1つ又は複数の実施形態において、前記塗布は、ディップコート、スプレーコート、スピンコート又はドクターブレードコートである。
1つ又は複数の実施形態において、前記セパレータ本体は、ポリプロピレン微多孔フィルム、ポリエチレン微多孔フィルム又はポリプロピレン/ポリエチレン微多孔フィルムであり、前記セパレータ本体の厚さが3~20μmである。
1つ又は複数の実施形態において、前記塗布層の厚さが0.01~1μmである。
従来の技術に比べて、本開示に係るリチウムイオン電池用塗布液、リチウムイオン電池セパレータ及びリチウムイオン電池は、以下の有益な効果を有する。
なお、本開示は、ここでの説明と異なるその他の多くの方式で実施されることが可能であり、当業者が本開示の主旨を逸脱しない範囲内で類似の改良を行うことができるので、本開示は、以下で開示された具体的な実施形態に限定されない。特に断りがない限り、本明細書で用いられるすべての技術用語及び科学用語は、本開示が属する分野の一般的な技術者の通常の理解と同様の意味を有する。矛盾があった場合、本明細書での定義に準ずる。
「により製造される」の表現は、「含む」と異なる。本明細書に使用される「含む」、「有する」、「備える」、「含有する」という用語、又はそれらの他のいずれのバリエーションは、非排除的包含を意味する。例えば、挙げられた要素を含む組成物、ステップ、方法、製品又は装置は、これらの要素だけでなく、明確に挙げられていないその他の要素又はそれらの組成物、ステップ、方法、製品又は装置における固有の要素を含んでもよい。
量、濃度、又はその他の値やパラメータが、範囲、好ましい範囲、又は一連の好ましい上限値及び好ましい下限値で限定される範囲により表される場合、任意範囲の上限又は好ましい値と任意範囲の下限または好ましい値とからなる範囲は、個別に開示されたかにも関わらず、上記の値を任意に組み合わせたすべての範囲が具体的に開示されたと理解すべきである。例えば、「1~5」という範囲が開示された場合、説明された範囲は、「1~4」、「1~3」、「1~2」、「1~2と4~5」、「1~3と5」を含むと解釈される。本明細書で説明される数値範囲は、特に断りがない限り、臨界値及び該範囲にある全ての整数と分数を含む。
1つ又は複数の実施形態において、前記製造方法は、先に長いナノワイヤと短いナノワイヤを溶剤に分散し、攪拌又は超音波で均一に混合し、さらに接着剤を加え、引き続き攪拌又は超音波で均一に混合して塗布液を得た。さらに、接着剤を加えた後、補助剤を加えてもよい。
実施例1
(1)27部のセラミック粉末及び30部のナノワイヤを100部のエタノールに分散して均一に攪拌混合し、さらに混合液に50部のスチレンブタジエンゴムを加え、引き続き均一に攪拌混合して、塗布液を得た。そのうち、ナノワイヤは、直径が1~100nmであり且つ長さが0.1~100μmである炭素ナノチューブであり、セラミック粉末は、粒径が100nmであるパリゴルスカイトである。
(1)7.5部のセラミック粉末及び15部のナノワイヤを100部のエタノールに分散して均一に攪拌混合し、さらに混合液に25部のポリビニルアルコールを加え、引き続き均一に攪拌混合して、塗布液を得た。そのうち、ナノワイヤは、直径が1~100nmであり且つ長さが0.1~100μmであるナノセルロースであり、セラミック粉末は、粒径が500nmである酸化アルミニウムである。
(1)1部の長いナノワイヤと10部の短いナノワイヤを200部のエタノールに分散して均一に攪拌混合し、さらに混合液に15部のポリビニルアルコールを加え、引き続き均一に攪拌混合して、塗布液を得た。そのうち、ナノワイヤは、直径が1~100nmであり且つ長さが0.1~100μmであるハイドロキシアパタイトナノワイヤであり、セラミック粉末は、粒径が1000nmである酸化アルミニウムである。
(1)2部のセラミック粉末及び10部のナノワイヤを100部のエタノールに分散して均一に攪拌混合し、さらに混合液に12部のポリビニルアルコール及び0.1部のラウリル硫酸ナトリウムを加え、引き続き均一に攪拌混合して、塗布液を得た。そのうち、ナノワイヤは、直径が1~100nmであり且つ長さが0.1~100μmである炭素ナノチューブであり、セラミック粉末は、粒径が200nmであるパリゴルスカイトである。
(1)6部のセラミック粉末及び10部のナノワイヤを50部のエタノールに分散して均一に攪拌混合し、さらに混合液に15部のポリビニルアルコール及び0.5部のラウリル硫酸ナトリウムを加え、引き続き均一に攪拌混合して、塗布液を得た。そのうち、ナノワイヤは、直径が1~100nmであり且つ長さが0.1~100μmである炭素ナノチューブであり、セラミック粉末は、粒径が300nmであるパリゴルスカイトである。
(1)8部のセラミック粉末及び10部のナノワイヤを40部のエタノールに分散して均一に攪拌混合し、さらに混合液に16部の接着剤及び1.2部のラウリル硫酸ナトリウムを加え、引き続き均一に攪拌混合して、塗布液を得た。そのうち、ナノワイヤは、直径が1~100nmであり且つ長さが0.1~100μmである炭素ナノチューブであり、セラミック粉末は、粒径が600nmであるパリゴルスカイトである。
該実施例と実施例4との相違点は、4部のセラミック粉末及び10部のナノワイヤを100部のエタノールに分散することであり、その他は、実施例4と同様である。
該実施例と実施例4との相違点は、6部のセラミック粉末及び10部のナノワイヤを100部のエタノールに分散することであり、その他は、実施例4と同様である。
該実施例と実施例4との相違点は、8部のセラミック粉末及び10部のナノワイヤを100部のエタノールに分散することであり、その他は、実施例4と同様である。
該実施例と実施例4との相違点は、3部のセラミック粉末及び15部のナノワイヤを100部のエタノールに分散することであり、その他は、実施例4と同様である。
該実施例と実施例4との相違点は、4部のセラミック粉末及び20部のナノワイヤを100部のエタノールに分散することであり、その他は、実施例4と同様である。
該実施例と実施例4との相違点は、6部のセラミック粉末及び30部のナノワイヤを100部のエタノールに分散することであり、その他は、実施例4と同様である。
表1における実施例1~12、比較例1~3の電池は、同様なメイン構造により構成され、正極、負極、電解液及びセパレータを有する。そのうち、比較例1~2のリチウムイオン電池セパレータと実施例1~12との相違点は、塗布層の厚さが比較的に厚いことと、比較例3のリチウムイオン電池セパレータが、塗布層を形成する物質が載置されていないポリエチレン微多孔フィルムを使用することである。なお、上記のポリエチレン微多孔フィルムは、市販のものである。
Claims (13)
- ナノワイヤ、セラミック粉末、接着剤、溶剤および補助剤を含み、
前記ナノワイヤは、ナノセルロース、炭素ナノチューブ、銀ナノワイヤ、炭化ホウ素ナノワイヤ、水酸化銅ナノワイヤ、アラミドナノファイバー、一酸化ケイ素ナノワイヤ及びハイドロキシアパタイトナノワイヤのうちの少なくとも1つであり、
前記ナノワイヤは、その直径が1~100nmであり、その長さが0.1~100μmであり、
前記補助剤が、脂肪アルコールポリオキシエチレンエーテル、ブチルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ヒドロキシエチル硫酸ナトリウム及びラウリル硫酸ナトリウムのうちの少なくとも1つである、リチウムイオン電池セパレータ用塗布液。 - 前記セラミック粉末は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、ベーマイト及びパリゴルスカイトのうちの少なくとも1つであり、
前記セラミック粉末の粒径が5~1000nmである請求項1に記載のリチウムイオン電池セパレータ用塗布液。 - 前記セラミック粉末と前記ナノワイヤとの質量比は、(0.1~5):1である請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池セパレータ用塗布液。
- 前記溶剤の質量に対する前記ナノワイヤの質量の割合は、1~30%である請求項1~3のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池セパレータ用塗布液。
- 前記溶剤の質量に対する前記接着剤の質量の割合は、1~50%である請求項1~4のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池セパレータ用塗布液。
- 前記溶剤の質量に対する前記補助剤の質量の割合は、0.01~3%である請求項1~5のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池セパレータ用塗布液。
- 前記接着剤は、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリアクリル酸、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピロリドン及びポリイミドのうちの少なくとも1つである請求項1~6のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池セパレータ用塗布液。
- 前記溶剤は、水、エタノール、アセトン及びN-メチルピロリドンのうちの少なくとも1つを含む請求項1~7のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池セパレータ用塗布液。
- セパレータ本体と前記セパレータ本体に載置される塗布層とを有し、
前記塗布層は、請求項1~8のいずれか1項に記載の塗布液を前記セパレータ本体の少なくとも一側の表面に塗布して硬化させてなるものであるリチウムイオン電池セパレータ。 - 前記セパレータ本体は、ポリプロピレン微多孔フィルム、ポリエチレン微多孔フィルム又はポリプロピレン/ポリエチレン微多孔フィルムである請求項9に記載のリチウムイオン電池セパレータ。
- 前記セパレータ本体の厚さが3~20μmである請求項9又は10に記載のリチウムイオン電池セパレータ。
- 前記塗布層の厚さが0.01~1μmである請求項9~11のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池セパレータ。
- 請求項9~12のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池セパレータを有するリチウムイオン電池。
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