JP7388157B2 - 二次電池用セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池に用いられる二次電池用セパレータに関する。

従来、この種の二次電池用セパレータとして、例えば特許文献１に示す二次電池に用いられた多孔質絶縁層が知られている。こうした多孔質絶縁層は、二次電池が過充電状態等の異常状態になって過剰に温度上昇した場合に、シャットダウン機能が働くように、熱膨張性のマイクロカプセルを含んでいる。このシャットダウン機能とは、二次電池の過剰な温度上昇によって、熱膨張性のマイクロカプセルが熱膨張して多孔質絶縁層の細孔を塞ぐことで、陽イオンの多孔質絶縁層の透過を阻害する機能である。陽イオンの多孔質絶縁層の透過が阻害されると、二次電池の内部抵抗が増大して電流が遮断される。

特開２０１８－１７４０６８号公報

ところで、上述のような多孔質絶縁層では、二次電池が過剰に温度上昇した際に熱膨張性のマイクロカプセルが熱膨張して多孔質絶縁層の細孔を塞ぐようになっているが、多孔質絶縁層の空隙率が高い場合には、熱膨張したマイクロカプセルだけでは細孔を完全に塞ぐことが困難である。このため、シャットダウン機能を向上する上では改善の余地を残すものとなっている。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされた。その目的は、シャットダウン機能を向上することができる二次電池用セパレータを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する二次電池用セパレータは、二次電池の正極板と負極板との間に配置される二次電池用セパレータであって、絶縁性を持ち、且つ陽イオンを透過させる細孔を有した基材を備え、前記基材には、熱膨張性のマイクロカプセルと、全体が熱可塑性樹脂によって覆われた陽イオン交換樹脂とが設けられていることを要旨とする。

この構成によれば、二次電池が過充電状態等の異常状態になって過剰に温度上昇した場合には、熱膨張性のマイクロカプセルが膨張し、且つ陽イオン交換樹脂を覆う熱可塑性樹脂が溶融する。これにより、膨張したマイクロカプセルによって基材の細孔の大半を塞ぐことができ、且つ基材の細孔を透過しようとする陽イオンを陽イオン交換樹脂によって捕捉できる。したがって、マイクロカプセルと陽イオン交換樹脂との両方によって陽イオンの基材の透過を効果的に阻害できる。よって、シャットダウン機能を向上することができる。

一実施形態における二次電池の斜視図。 電極積層体の分解斜視図。 電極積層体の斜視図。 充電状態の二次電池の要部を示す断面模式図。 図４における熱膨張性のマイクロカプセルと、全体が熱可塑性樹脂によって覆われた陽イオン交換樹脂との状態を示す断面模式図。 過充電状態の二次電池の要部を示す断面模式図。 図６における熱膨張性のマイクロカプセルと、全体が熱可塑性樹脂によって覆われた陽イオン交換樹脂との状態を示す断面模式図。

以下、二次電池の一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、二次電池１１は、例えばリチウムイオン電池などによって構成され、矩形状をなす可撓性を有した外装体１２と、外装体１２内に封止された電極積層体１３及び電解液（図示略）と、外装体１２から露出する正極端子１４及び負極端子１５とを備えている。外装体１２は、例えばアルミニウムを用いた一対の矩形状をなす可撓性のラミネートフィルムの周縁部同士を溶着することによって形成される。

図２及び図３に示すように、電極積層体１３は、矩形状の正極板１６と、正極板１６よりも一回り大きい矩形状の負極板１７とを、山折りと谷折りを交互に繰り返すつづら折りされた帯状のセパレータ１８を介して交互に複数積層することによって形成される。この場合、セパレータ１８の一方側の対向する面同士の間に正極板１６がそれぞれ挟まれ、他方側の対向する面同士の間に負極板１７がそれぞれ挟まれた状態になっている。つまり、セパレータ１８は、正極板１６と負極板１７との間に配置される。

セパレータ１８における隣り合う２つの折り目間の矩形板状の部分は、負極板１７よりも一回り大きくなっている。つまり、二次電池１１において、正極板１６、負極板１７、及びセパレータ１８の大きさを比較すると、セパレータ１８が最も大きく、正極板１６が最も小さい。

図１及び図２に示すように、正極板１６は、例えば厚さが１０～２０μｍのアルミニウム箔などの導電性材料によって構成される正極集電体１９と、正極集電体１９の両面に塗布された正極活物質とを有している。正極活物質は、例えばリチウムイオンなどの陽イオンを吸蔵及び放出可能な材料によって構成される。

正極集電体１９は、略矩形板状をなしており、その長手方向の一辺側の端部に矩形板状の正極タブ部２０が突出するように形成されている。すなわち、正極タブ部２０は、正極集電体１９と一体形成されており、セパレータ１８から露出するように突出している。各正極タブ部２０は、正極端子１４に電気的に接続される。正極タブ部２０には、正極活物質が塗布されていない。

負極板１７は、例えば厚さが１０～２０μｍの銅箔などの導電性材料によって構成される負極集電体２１と、負極集電体２１の両面に塗布された負極活物質とを有している。負極活物質は、例えばリチウムイオンなどの陽イオンを吸蔵及び放出可能な材料によって構成される。

負極集電体２１は、略矩形板状をなしており、その長手方向の一辺側の端部に矩形板状の負極タブ部２２が突出するように形成されている。すなわち、負極タブ部２２は、負極集電体２１と一体形成されており、セパレータ１８から露出するように突出している。この場合、負極タブ部２２は、正極タブ部２０側とは反対側の方向に突出している。

つまり、電極積層体１３を構成する複数の正極板１６と複数の負極板１７とは、それらの正極タブ部２０と負極タブ部２２とが互いに反対側に位置するように積層されている。各負極タブ部２２は、負極端子１５に電気的に接続される。負極タブ部２２には、負極活物質が塗布されていない。

図４及び図５に示すようにセパレータ１８は、絶縁性を持ち、且つ例えばリチウムイオンなどの陽イオンを透過させる多数の細孔２３を有した基材２４を備えている。基材２４は、空隙率が６０パーセント以上のもので構成され、例えば絶縁性を持つ合成樹脂製の不織布によって構成される。基材２４には、熱膨張性のマイクロカプセル２５と、全体が熱可塑性樹脂２６によって覆われた陽イオン交換樹脂２７とが設けられている。

この場合、熱膨張性のマイクロカプセル２５と、全体が熱可塑性樹脂２６によって覆われた陽イオン交換樹脂２７とは、例えばバインダーに混ぜられた状態で基材２４に塗布され、一部が細孔２３内にも配置される。さらにこの場合、全体が熱可塑性樹脂２６によって覆われた陽イオン交換樹脂２７は、熱膨張性のマイクロカプセル２５の周辺に配置されることが好ましく、熱膨張性のマイクロカプセル２５の表面に付着するように配置されていることがより好ましい。

図５に示すように、熱膨張性のマイクロカプセル２５は、シェル２８と、シェル２８内に包み込まれた膨張剤２９とを備えている。シェル２８は、例えば熱可塑性樹脂などによって構成される。膨張剤２９は、例えば液体炭化水素などによって構成される。そして、マイクロカプセル２５は、熱膨張温度以上に加熱されると、シェル２８が軟化するとともに膨張剤２９の気化に伴う内圧の上昇により、熱膨張する。マイクロカプセル２５は、熱膨張時に内圧とシェル２８の張力及び外圧とが釣り合って熱膨張状態が保持される。

マイクロカプセル２５の熱膨張温度は、９０℃～１１０℃であることが好ましく、９０℃～１００℃であることがより好ましい。陽イオン交換樹脂２７を覆う熱可塑性樹脂２６の溶融温度は、１１０℃～１４０℃であることが好ましく、１１０℃～１２０℃であることがより好ましい。したがって、本実施形態において、マイクロカプセル２５の熱膨張温度は、熱可塑性樹脂２６の溶融温度よりも低くなるように設定されている。なお、マイクロカプセル２５の平均粒子径は６μｍ～１５μｍであることが好ましく、陽イオン交換樹脂２７の平均粒子径は１μｍ～１０μｍであることが好ましい。

次に、二次電池１１の作用を説明する。
図４及び図５に示すように、二次電池１１の充電時には、正極板１６から負極板１７に電子が移動するとともに、リチウムイオンなどの陽イオンＫが正極板１６からセパレータ１８の細孔２３を通って負極板１７に移動した状態で溜め込まれ、正極板１６と負極板１７との間に電位差が生じる。この場合、マイクロカプセル２５は熱膨張しておらず、且つ陽イオン交換樹脂２７は熱可塑性樹脂２６によって覆われた状態になっているため、陽イオンＫはセパレータ１８の細孔２３内を正極板１６側から負極板１７側に向かって円滑に移動する。

そして、図６及び図７に示すように、二次電池１１が過充電状態等の異常状態になって過剰に温度上昇した場合には、まず、マイクロカプセル２５が熱膨張する。これにより、セパレータ１８における比較的小さい細孔２３は、熱膨張したマイクロカプセル２５だけで完全に塞がれる。一方、セパレータ１８における比較的大きい細孔２３は、熱膨張したマイクロカプセル２５だけでは完全に塞がれない。

このため、陽イオンＫは、セパレータ１８における比較的小さい細孔２３を通ることができないので、セパレータ１８における比較的大きい細孔２３の内壁と熱膨張したマイクロカプセル２５との間の隙間を通って正極板１６側から負極板１７側に向かって移動する。そして、さらに二次電池１１の温度が上昇すると、陽イオン交換樹脂２７を覆う熱可塑性樹脂２６（図５参照）が溶融する。

すると、陽イオン交換樹脂２７が熱可塑性樹脂２６（図５参照）によって覆われなくなった状態（図７に示す状態）になる。このため、陽イオン交換樹脂２７は、セパレータ１８における比較的大きい細孔２３の内壁と熱膨張したマイクロカプセル２５との間の隙間を通って正極板１６側から負極板１７側に向かって移動しようとする陽イオンＫを捕捉する。これにより、陽イオンＫは正極板１６から負極板１７にほとんど移動できなくなるので、二次電池１１の内部抵抗が増大して電流が遮断される。

このように、二次電池１１が過充電状態等の異常状態になって過剰に温度上昇した場合には、セパレータ１８の基材２４の細孔２３を介した正極板１６から負極板１７への陽イオンＫの移動が、熱膨張したマイクロカプセル２５と陽イオン交換樹脂２７との両方によって効果的に阻害される。この結果、二次電池１１の温度上昇が効果的に抑制される。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）セパレータ１８は、絶縁性を持ち、且つ陽イオンＫを透過させる細孔２３を有した基材２４を備え、基材２４には、熱膨張性のマイクロカプセル２５と、全体が熱可塑性樹脂２６によって覆われた陽イオン交換樹脂２７とが設けられている。この構成によれば、二次電池１１が過充電状態等の異常状態になって過剰に温度上昇した場合には、熱膨張性のマイクロカプセル２５が熱膨張し、且つ陽イオン交換樹脂２７を覆う熱可塑性樹脂２６が溶融する。これにより、熱膨張したマイクロカプセル２５によって基材２４の細孔２３の大半を塞ぐことができ、且つ基材２４の細孔２３を透過しようとする陽イオンＫを陽イオン交換樹脂２７によって捕捉できる。したがって、マイクロカプセル２５と陽イオン交換樹脂２７との両方によって陽イオンＫの基材２４の透過を効果的に阻害できる。よって、シャットダウン機能を向上することができる。

（２）セパレータ１８において、全体が熱可塑性樹脂２６によって覆われた陽イオン交換樹脂２７は、マイクロカプセル２５の表面に配置されている。この構成によれば、二次電池１１が過充電状態等の異常状態になって過剰に温度上昇した場合に、熱膨張したマイクロカプセル２５によって塞ぎきれない基材２４の細孔２３の隙間を透過しようとする陽イオンＫを陽イオン交換樹脂２７によって効果的に捕捉できる。

（３）セパレータ１８において、マイクロカプセル２５の熱膨張温度は、熱可塑性樹脂２６の溶融温度よりも低くなるように設定されている。この構成によれば、二次電池１１が過充電状態等の異常状態になって過剰に温度上昇する場合には、熱膨張性のマイクロカプセル２５が熱膨張した後に、陽イオン交換樹脂２７を覆う熱可塑性樹脂２６が溶融する。これにより、熱膨張したマイクロカプセル２５によって基材２４の細孔２３を塞ぎつつ、熱膨張したマイクロカプセル２５によって塞ぎきれない基材２４の細孔２３の隙間を透過しようとする陽イオンＫを陽イオン交換樹脂２７によって捕捉できる。したがって、マイクロカプセル２５と陽イオン交換樹脂２７との両方によって陽イオンＫの基材２４の透過を効果的に阻害できる。よって、シャットダウン機能をより一層向上することができる。

（４）セパレータ１８において、基材２４の空隙率は、６０パーセント以上である。通常、二次電池１１は、基材２４の空隙率が高いほど陽イオンＫが基材２４を透過し易くなるので、電気抵抗が低く抑えられて、出力が大きくなる。このため、基材２４を例えば空隙率が一般的に６０パーセント以上である高い空隙率を持つ不織布によって構成すると、二次電池１１の出力を高めることができる。しかし、基材２４を不織布のような高い空隙率を持つもので構成すると、二次電池１１が過充電状態等の異常状態になって過剰に温度上昇した場合に、基材２４の細孔２３を塞いで陽イオンＫの基材２４の透過を阻害することが困難になる。この点、この構成によれば、基材２４の空隙率が６０パーセント以上であっても、マイクロカプセル２５と陽イオン交換樹脂２７との両方によって陽イオンＫの基材２４の透過を効果的に阻害できる。このため、二次電池１１の出力を高めつつ、シャットダウン機能を向上することができる。

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・セパレータ１８において、基材２４の空隙率は、必ずしも６０パーセント以上である必要はない。すなわち、基材２４は、例えば空隙率が６０パーセント未満の延伸フィルムによって構成してもよい。

・マイクロカプセル２５の熱膨張温度は、必ずしも熱可塑性樹脂２６の溶融温度よりも低くなるように設定する必要はない。すなわち、マイクロカプセル２５の熱膨張温度は、熱可塑性樹脂２６の溶融温度以上となるように設定してもよい。

・セパレータ１８において、全体が熱可塑性樹脂２６によって覆われた陽イオン交換樹脂２７は、必ずしもマイクロカプセル２５の表面に配置する必要はない。すなわち、全体が熱可塑性樹脂２６によって覆われた陽イオン交換樹脂２７は、マイクロカプセル２５から離れた位置で存在していてもよい。

１１…二次電池
１６…正極板
１７…負極板
１８…セパレータ
２３…細孔
２４…基材
２５…マイクロカプセル
２６…熱可塑性樹脂
２７…陽イオン交換樹脂
Ｋ…陽イオン

Claims (4)

1. 二次電池の正極板と負極板との間に配置される二次電池用セパレータであって、
   絶縁性を持ち、且つ陽イオンを透過させる細孔を有した基材を備え、
   前記基材には、熱膨張性のマイクロカプセルと、全体が熱可塑性樹脂によって覆われた陽イオン交換樹脂とが設けられており、
   前記熱膨張性のマイクロカプセルと、全体が熱可塑性樹脂によって覆われた前記陽イオン交換樹脂とが、前記細孔内に配置されていることを特徴とする二次電池用セパレータ。
2. 全体が熱可塑性樹脂によって覆われた前記陽イオン交換樹脂は、前記マイクロカプセルの表面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池用セパレータ。
3. 前記マイクロカプセルの熱膨張温度は、前記熱可塑性樹脂の溶融温度よりも低いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次電池用セパレータ。
4. 前記基材の空隙率は、６０パーセント以上であることを特徴とする請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載の二次電池用セパレータ。