JP7280913B2 - 非水電解質二次電池および電池モジュール - Google Patents
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Description
突き刺し抵抗は下記式(α):
Z=Y/X …(α)
により求まる。
上記式(α)中、「Z」は、突き刺し抵抗を示す。「Y」は、突き刺し試験における最大応力を示す。「X」は、最大応力が得られた時点の変位を示す。突き刺し試験においては、負極活物質層の表面に対して垂直に、10μm/sの速度で、10μmの先端半径を有する針が突き刺される。
Tr=(T1/T0)×100 …(β)
により求まる。
上記式(β)中、「Tr」は厚さ保持率を示す。「T0」は多孔質樹脂層の厚さを示す。「T1」は、13.9MPaの圧力によって多孔質樹脂層が厚さ方向に圧縮された後、圧力が取り除かれた状態における多孔質樹脂層の厚さを示す。
t2/{(t1+t3)×0.5}≦1.5 …(γ)
の関係を満たす。上記式(γ)中、「t1」は第1層の厚さを示す。「t2」は第2層の厚さを示す。「t3」は第3層の厚さを示す。
本明細書において、「備える、含む(comprise, include)」、「有する(have)」およびこれらの変形〔例えば「から構成される(be composed of)」、「包含する(encompass,involve)」、「含有する(contain)」、「担持する(carry, support)」、「保持する(hold)」等〕の記載は、オープンエンド形式である。オープンエンド形式は必須要素に加えて、追加要素をさらに含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。「からなる(consist of)」との記載はクローズド形式である。「実質的に…からなる(consist essentially of)」との記載はセミクローズド形式である。セミクローズド形式は、本技術の目的を阻害しない範囲で、必須要素に加えて追加要素をさらに含んでいてもよい。例えば、本技術の属する分野において通常想定される要素(例えば不可避不純物等)が、追加要素として含まれていてもよい。
図1は、本実施形態における非水電解質二次電池の構成の一例を示す概略図である。
電池100は、任意の用途で使用され得る。電池100は、例えば電動車両等において、主電源または動力アシスト用電源として使用されてもよい。複数個の電池100が連結されることにより、電池モジュールまたは組電池が形成されてもよい。電池100は、例えば1~200Ahの定格容量を有していてもよい。
電極体50は積層体40を含む。電極体50は、実質的に積層体40からなっていてもよい。積層体40は、正極板10と負極板20とセパレータ30とを含む。セパレータ30の少なくとも一部は、正極板10と負極板20との間に介在している。セパレータ30は、正極板10と負極板20とを分離している。積層体40は、1枚のセパレータ30を単独で含んでいてもよい。積層体40は、2枚のセパレータ30を含んでいてもよい。例えば正極板10が2枚のセパレータ30に挟まれていてもよい。例えば負極板20が2枚のセパレータ30に挟まれていてもよい。積層体40は、例えば、セパレータ30(第1セパレータ)と、負極板20と、セパレータ30(第2セパレータ)と、正極板10とがこの順序で積層されることにより形成されていてもよい。
図3の電極体50は巻回型である。図3には巻回軸と直交する断面が示されている。電極体50は、湾曲部51と平坦部52とを含む。湾曲部51においては、積層体40が湾曲している。湾曲部51において、積層体40は弧を描いていてもよい。平坦部52においては、積層体40が平坦である。平坦部52は、2つの湾曲部51に挟まれている。平坦部52は、2つの湾曲部51を接続している。なお、積層型の電極体50は、実質的に平坦部52からなる。
負極板20は負極活物質層22を含む(図2参照)。負極板20は、実質的に負極活物質層22からなっていてもよい。負極板20は、例えば負極基材21をさらに含んでいてもよい。例えば、負極活物質層22は負極基材21の表面に配置されていてもよい。負極基材21の片面のみに負極活物質層22が配置されていてもよい。負極基材21の表裏両面に負極活物質層22が配置されていてもよい。負極基材21は導電性のシートである。負極基材21は、例えば純Cu箔、Cu合金箔等を含んでいてもよい。負極基材21は、例えば5~30μmの厚さを有していてもよい。負極板20の幅方向(図2のW軸方向)において、一方の端部に負極基材21が露出していてもよい。負極基材21が露出した部分には、負極集電部材72が接合され得る(図1参照)。
図4は、突き刺し試験の第1説明図である。
負極活物質層22は0.60N/mm以上の突き刺し抵抗を有する。突き刺し抵抗は、突き刺し試験により測定され得る。針5が準備される。針5の先端は球状である。針5は、10μmの先端半径(r)を有する。針5は金属製である。針5は、例えばステンレス製であってもよい。針5が突き刺し試験機の可動部に装着される。負極板20が突き刺し試験機のステージ上に固定される。針5は、負極活物質層22の表面に対して垂直に突き刺される。試験速度(突き刺し速度)は10μm/sである。試験温度は25℃±5℃である。
突き刺し試験は、針5が負極活物質層22を貫通するまで実施される。針5の突き刺し中、針5の変位(深さ)と、応力とが測定される。変位が増大するにつれて、応力も増大する。針5が負極活物質層22を貫通した時点で、最大応力(Y)が示される。針5の貫通後、応力は減少に転じる。最大応力が得られた時点の変位(X)が記録される。最大応力(Y)が変位(X)で除されることにより、突き刺し抵抗(Z)が求まる(上記式(α)参照)。突き刺し抵抗(Z)は、「MT-2(=M×L×T-2×L-1)」の次元を有する。1つの測定対象について、突き刺し抵抗は3回以上測定される。3回以上の結果の算術平均が採用される。
積層体40の厚さに対する、負極活物質層22の厚さの比は、例えば0.35~0.45であってもよい。積層体40の厚さに対する、負極活物質層22の厚さの比が大きい程、積層体40に混入した金属片(異物)の周辺で圧力が分散しやすい傾向がある。積層体40の厚さに対する、負極活物質層22の厚さの比が0.35以上であることにより、例えばクリープ短絡の発生率が低減することが期待される。積層体40の厚さに対する、負極活物質層22の厚さの比が0.45以下であることにより、耐電圧試験における、金属片の検出感度が向上することが期待される。
負極活物質層22は負極活物質粒子を含む。負極活物質層22は、実質的に負極活物質粒子からなっていてもよい。負極活物質粒子は、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、珪素、酸化珪素、錫、酸化錫、およびLi4Ti5O12からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。負極活物質粒子は、例えば複合粒子であってもよい。負極活物質粒子は、例えば基材粒子と皮膜とを含んでいてもよい。皮膜は基材粒子の表面を被覆し得る。基材粒子は、例えば天然黒鉛等を含んでいてもよい。皮膜は、例えば非晶質炭素等を含んでいてもよい。
図6は、負極活物質粒子の真円度の中央値と、負極活物質層の突き刺し抵抗との関係を示すグラフである。真円度の中央値が高い程、負極活物質層22の突き刺し抵抗が大きくなる傾向がみられる。真円度の中央値は、例えば0.60以上であってもよいし、0.69以上であってもよいし、0.78以上であってもよい。
圧縮後の負極板20から、所定のサイズの試験片が切り出される。試験片が樹脂材料に包埋される。包埋後の試験片が切断されることにより、負極活物質層22の断面試料が作製される。断面試料は、負極活物質層22の表面に対して垂直な断面を含む。断面試料に対して、清浄化処理(イオンミリング処理)が施される。清浄化後、断面試料がSEM(scanning electron microscope)によって観察されることにより、断面SEM画像が取得される。断面SEM画像において、30個の負極活物質粒子がランダムに抽出される。30個の負極活物質粒子の真円度が測定される。30個の真円度から中央値が求められる。
R=4πS/L2 …(δ)
により求まる。
上記式(δ)中、「R」は真円度を示す。「S」は、粒子の断面像の面積を示す。「L」は、粒子の断面像の周長(輪郭線の長さ)を示す。真円の真円度は1となる。すなわち、真円度の中央値は1以下であってもよい。
負極活物質粒子は、例えば5~20μmのD50を有していてもよいし、9.5~15μmのD50を有していてもよいし、10~12μmのD50を有していてもよい。本明細書における「D50」は、体積基準の粒度分布において、粒子径が小さい方からの頻度の累積が50%になる粒子径と定義される。体積基準の粒度分布は、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定され得る。例えば、島津製作所製のレーザ回折式粒子径分布測定装置「製品名 SALD-2200」等、または該装置と同等品が使用されてもよい。
負極活物質層22は、負極活物質粒子に加えて、導電材、バインダ等をさらに含んでいてもよい。例えば負極活物質層22は、実質的に、質量分率で0~10%の導電材と、0.1~10%のバインダと、残部の負極活物質粒子とからなっていてもよい。導電材は任意の成分を含み得る。導電材は、例えばカーボンブラック、カーボンナノチューブ等を含んでいてもよい。バインダは任意の成分を含み得る。バインダは、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)およびスチレンブタジエンゴム(SBR)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
セパレータ30は多孔質樹脂層を含む。セパレータ30は、実質的に多孔質樹脂層からなっていてもよい。多孔質樹脂層は、負極活物質層22と直接接触している。多孔質樹脂層と負極活物質層22との間に介在物がないことにより、例えば出力の向上等が期待される。なおセパレータ30は、正極活物質層12と接触する面に、保護層を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。
多孔質樹脂層は、例えば91.8~93.0%の厚さ保持率を有していてもよい。厚さ保持率が91.8%以上であることにより、金属片が耐電圧試験を通過したとしても、クリープ短絡の発生率が低減され得る。厚さ保持率が93.0%以下であることにより、例えば出力の向上等が期待される。多孔質樹脂層は、例えば91.8~92.1%の厚さ保持率を有していてもよいし、92.1~93.0%の厚さ保持率を有していてもよい。
セパレータ30から多孔質樹脂層の試験片が切り出される。試験片は、例えば2cm×2cmの平面サイズを有し得る。試験片は140枚準備される。試験片は、可能な限り永久ひずみがない部分から採取され得る。例えば、巻回型の電極体50の場合、湾曲部51から試験片が採取され得る(図3参照)。平坦部52においては、セパレータ30の厚さ方向に永久ひずみが生じている可能性がある。
多孔質樹脂層は、例えば単層構造を有していてもよい。多孔質樹脂層は、例えば実質的にPE層からなっていてもよい。
多孔質樹脂層31は、例えば多層構造を有していてもよい。多孔質樹脂層31は、例えば3層構造を有していてもよい。多孔質樹脂層31は、例えば第1層31aと第2層31bと第3層31cとを含んでいてもよい。第1層31aと第2層31bと第3層31cとは、多孔質樹脂層31の厚さ方向(図7のH軸方向)に積層されている。第2層31bは、第1層31aと第3層31cとの間に介在している。
第2層31bの厚さ比は、第1層31aおよび第3層31cの平均厚さ((t1+t3)×0.5)に対する、第2層31bの厚さ(t2)の比を示す。第2層31bの厚さ比は、例えば1.5以下であってもよい(上記式(γ)参照)。
第2層31bの厚さ比が1.5以下であることにより、厚さ保持率が高くなる傾向がみられる。第2層31bの厚さ比は、例えば1.31以下であってもよいし、1.30以下であってもよい。第2層31bの厚さ比は、例えば1.0以上であってもよいし、1.1以上であってもよいし、1.2以上であってもよい。
多孔質樹脂層は、例えば3.92N以下の突き刺し強さを有していてもよい。多孔質樹脂層の突き刺し強さが3.92N以下であることにより、例えば耐電圧試験における、金属片の検出感度が向上することが期待される。多孔質樹脂層は、例えば0.98~3.92Nの突き刺し強さを有していてもよいし、1.96~3.92Nの突き刺し強さを有していてもよいし、2.94~3.92Nの突き刺し強さを有していてもよい。
針が準備される。針は1mmの胴径を有する。針の先端形状は球状である。針は、0.5mmの先端半径を有する。針は金属製である。針は、例えばステンレス製であってもよい。針が突き刺し試験機の可動部に装着される。多孔質樹脂層から試験片が切り出される。試験片は、例えば2cm×2cmの平面サイズを有し得る。多孔質樹脂層が突き刺し試験機のステージ上に固定される。針は多孔質樹脂層の表面に対して垂直に突き刺される。試験速度(突き刺し速度)は2mm/sである。試験温度は25℃±5℃である。針が多孔質樹脂層を貫通するまでの最大力が突き刺し強さである。1つの測定対象について、突き刺し強さは3回以上測定される。3回以上の結果の算術平均が採用される。
正極板10は、例えば正極基材11と正極活物質層12とを含んでいてもよい(図2参照)。正極基材11は導電性シートである。正極基材11は、例えば純Al箔、Al合金箔等を含んでいてもよい。正極基材11は、例えば10~30μmの厚さを有していてもよい。正極板10の幅方向(図2のW軸方向)において、一方の端部に正極基材11が露出していてもよい。正極基材11が露出した部分には、正極集電部材71が接合され得る(図1参照)。
電解液は液体電解質である。電解液は溶媒と支持電解質とを含む。溶媒は非プロトン性である。溶媒は任意の成分を含み得る。溶媒は、例えば、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)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、1,2-ジメトキシエタン(DME)、メチルホルメート(MF)、メチルアセテート(MA)、メチルプロピオネート(MP)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
図9は、本実施形態における電池モジュールの一例を示す概略図である。
本技術においては、電池モジュール200も提供され得る。電池モジュール200は、複数個の単電池と、エンドプレート110と、拘束部材120とを含む。複数個の単電池の各々は、本実施形態に従う電池100である。電池モジュール200は、例えば2~50個の単電池を含んでいてもよいし、4~20個の単電池を含んでいてもよい。
以下のように、No.1~9に係る試験電池(非水電解質二次電池)が製造された。
(正極板の製造)
下記材料が準備された。
正極活物質粒子:Li(NiCoMn)O2
導電材:アセチレンブラック
バインダ:PVdF
分散媒:N-メチル-2-ピロリドン
正極基材:Al合金箔
下記材料が準備された。
負極活物質粒子:球形化天然黒鉛
バインダ:CMC、SBR
分散媒:水
負極基材:Cu合金箔
セパレータが準備された。セパレータは多孔質樹脂層からなっていた。多孔質樹脂層は、第1層(PP層)と第2層(PE層)と第3層(PP層)とを含んでいた。第2層は第1層と第3層との間に介在していた。
セパレータと、正極板と、セパレータと、負極板とがこの順序で積層されることにより、積層体が形成された。積層体が巻き芯に巻き取られることにより、筒状の巻回体が形成された。巻回軸と直交する方向に、巻回体が圧し潰されることにより、巻回体が扁平状に成形された。これにより電極体が形成された。
下記表1に示される負極板とセパレータとを含む電極体がそれぞれ形成された。
《耐電圧試験における検出感度》
電極体の最外層において、負極板の表面に模擬異物が配置された。模擬異物は、金属球(直径:200μm、SUS304製)であった。模擬異物の配置後、200Vの耐電圧試験が実施された。50mA以上の漏れ電流が流れた場合、検出感度が良好であると判断された。50mA以上の漏れ電流が流れた電極体が解体された。50mA以上の漏れ電流が流れた電極体においては、模擬異物に対応する位置に短絡痕が確認された。下記表1において、評価結果が「P」である時、金属片の検出感度が向上していると考えられる。
Al合金製の外装体が準備された。外装体は角形であった。外装体は「120mm×65mm×12.55mm(幅W×高さH×奥行D)」の外形寸法を有していた。外装体に電極体が収納された。外装体に電解液が注入された。電解液の注入後、電解液が電極体に十分含浸された。含浸後、所定量の充電が実施された。充電時に電極体から発生したガスが、外装体から排出された。ガスの排出後、外装体が密閉された。以上より、電池が製造された。なお電解液は下記成分からなっていた。
支持電解質:LiPF6(1mоl/L)
添加剤:VC(質量分率で0.3%)
電極体が準備された。電極体の最外層の平坦部において、負極板の表面に模擬異物が配置された。模擬異物の配置後、耐電圧試験が実施されずに、電池が製造された。
上記表1において、負極活物質層の突き刺し抵抗が0.60N/mm以上であることにより、耐電圧試験における検出感度が向上する傾向がみられる(例えばNo.4、9参照)。
Claims (11)
- 電極体と電解液とを含み、
前記電極体は積層体を含み、
前記積層体は、正極板と負極板とセパレータとを含み、
前記セパレータは、前記正極板と前記負極板とを分離しており、
前記セパレータは、多孔質樹脂層を含み、
前記多孔質樹脂層は、ポリオレフィン系材料を含み、
前記負極板は、負極活物質層を含み、
前記負極活物質層は、負極活物質粒子を含み、
前記負極活物質層は、前記多孔質樹脂層と直接接触しており、
前記負極活物質層は、0.60N/mm以上の突き刺し抵抗を有し、
前記突き刺し抵抗は、式(α):
Z=Y/X …(α)
により求まり、
前記式(α)中、
Zは、前記突き刺し抵抗を示し、
Yは、突き刺し試験における最大応力を示し、
Xは、前記最大応力が得られた時点の変位を示し、
前記突き刺し試験においては、前記負極活物質層の表面に対して垂直に、10μm/sの速度で、10μmの先端半径を有する針が突き刺される、
非水電解質二次電池。 - 前記多孔質樹脂層は、91.8%から93.0%の厚さ保持率を有し、
前記厚さ保持率は、式(β):
Tr=(T1/T0)×100 …(β)
により求まり、
前記式(β)中、
Trは前記厚さ保持率を示し、
T0は、前記多孔質樹脂層の厚さを示し、
T1は、13.9MPaの圧力によって前記多孔質樹脂層が厚さ方向に圧縮された後、前記圧力が取り除かれた状態における前記多孔質樹脂層の厚さを示す、
請求項1に記載の非水電解質二次電池。 - 前記負極活物質粒子は、0.60以上の真円度の中央値を有する、
請求項1または請求項2に記載の非水電解質二次電池。 - 前記多孔質樹脂層は、第1層と第2層と第3層とを含み、
前記第1層と前記第2層と前記第3層とは、前記多孔質樹脂層の厚さ方向に積層されており、
前記第2層は、前記第1層と前記第3層との間に介在しており、
前記第1層および前記第3層の各々は、ポリプロピレンを含み、
前記第2層は、ポリエチレンを含み、
前記多孔質樹脂層は、式(γ):
t2/{(t1+t3)×0.5}≦1.5 …(γ)
の関係を満たし、
前記式(γ)中、
t1は前記第1層の厚さを示し、
t2は前記第2層の厚さを示し、
t3は前記第3層の厚さを示す、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。 - 前記積層体の厚さに対する、前記負極活物質層の厚さの比は、0.35から0.45である、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。 - 前記電極体において、前記正極板が60から80の積層数を有する、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。 - 前記多孔質樹脂層は、14μmから20μmの厚さを有する、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。 - 前記多孔質樹脂層は、3.92N以下の突き刺し強さを有する、
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。 - 前記負極活物質層は、0.85N/mm以下の前記突き刺し抵抗を有する、
請求項1に記載の非水電解質二次電池。 - 前記負極活物質粒子は、0.85以下の前記真円度の前記中央値を有する、
請求項3に記載の非水電解質二次電池。 - 複数個の単電池を含み、
複数個の前記単電池は、配列方向に並んでおり、
前記配列方向は、前記電極体における前記正極板、前記負極板および前記セパレータの積層方向に沿っており、
複数個の前記単電池の各々は、前記配列方向に沿う圧縮力を受けており、
複数個の前記単電池の各々は、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池である、
電池モジュール。
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