JP7409762B2 - 非水電解液二次電池および非水電解液二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
しかし、この耐熱層の剥離強度が高くなり過ぎると、セパレータの柔軟性が低下して、当該セパレータの組み立て性が低下する(捲回電極体の製造効率が低下する)恐れがある。このため、特許文献1に記載の技術では、耐熱層の剥離強度の上限値を15.1N/mに定めている。
そして、ここで開示される非水電解液二次電池では、樹脂基材層と耐熱層との界面における剥離強度が16N/m以上155N/m以下であり、かつ、正極合材層の密度が2.3g/cc以上2.6g/cc以下である。
具体的には、上述したように、高剥離強度のセパレータを使用すると、緩やかではあるが容量維持率を上昇させることができる。本発明者は、従来から種々の改良がなされている容量維持率を更に上昇させて耐劣化性を向上させるためには、かかる高剥離強度のセパレータを使用する必要があると考えた。
一方で、上記した通り、従来技術において、高剥離強度のセパレータは、捲回電極体の製造効率を低下させる原因になるため、使用することが困難であると考えられていた。これは、柔軟性の低い高剥離強度のセパレータを使用すると、当該セパレータを含む積層体全体の柔軟性が低下し、当該積層体を捲回することが困難になるためである。
これらの点を考慮し、本発明者は、捲回電極体の製造効率を低下させることなく、高剥離強度のセパレータを使用することができる技術を開発すれば、耐劣化性に優れた非水電解液二次電池を安定的に供給できるようになると考えた。
ここで、正極や負極の柔軟性を調整する手段としては、これらの電極の材料(活物質や集電体などの素材)を変更することなどが考えられるが、かかる電極材料の変更を行うと、電池特性が大きく変化するため大幅な設計変更が必要になる。
そこで、本発明者は、大幅な設計変更を行うことなく、積層体全体の柔軟性を調整する手段について更に実験と検討を重ね、正極合材層の密度を調整することに思い至った。かかる正極合材層の密度を低下させることによって、正極の柔軟性を向上させることができるため、柔軟性が低い高剥離強度のセパレータを使用した場合でも、積層体全体の柔軟性を充分に確保することができる。また、この正極合材層の密度は、正極を圧延する際の圧力を調整するなどの比較的に容易な手段で調整することができ、電池特性に大きな影響を与える可能性が少ない。
このように、密度が2.6g/cc以下の正極合材層(以下、「低密度の正極合材層」ともいう)を設け、正極の柔軟性を向上させると、樹脂基材層と耐熱層との界面における剥離強度が16N/m以上という高剥離強度のセパレータを用いた場合であっても、積層体全体の柔軟性を充分に確保することができる。
このため、ここで開示される非水電解液二次電池によれば、捲回電極体の製造効率を低下させることなく、高剥離強度のセパレータを使用することができるため、従来よりも優れた耐劣化性を発揮することができる。
また、正極合材層の密度を低くし過ぎると、正極の剛性が大きく低下し、積層体を捲回する際に掛かる張力によって正極が破断したり、製造後の捲回電極体の形状が崩れたりし易くなるため、却って製造効率が低下する恐れがある。かかる点を考慮し、ここで開示される非水電解液二次電池では、正極合材層の密度を2.3g/cc以上に設定している。
セパレータの耐熱層と対向させる電極は特に限定されず、正極と負極のどちらに対向させた場合でも、上述した本発明の効果を発揮させることができる。しかし、耐熱層を正極合材層と対向させた方が、製造効率の低下をより好適に防止できるため好ましい。これは、耐熱層と正極合材層とを対向させると、当該耐熱層と正極合材層との界面における滑り性と帯電性とが改善されるため、積層体の捲回がより容易になるためと推測される。
樹脂基材層と耐熱層との界面における剥離強度を上述の範囲に調整することによって、二次電池の容量維持率をより好適に向上させることができる。また、当該剥離強度を上述の範囲に調整した場合、ハイレート充放電性の劣化を抑制するという新たな効果を発揮させることができるため、より好適に耐劣化性を向上させることができる。
セパレータ全体に対して耐熱層が薄くなり過ぎると、電池温度上昇時にセパレータの熱変形を抑制することが難しくなり、短絡面積の拡大による連鎖的な発熱を好適に防止できなくなる可能性がある。一方で、耐熱層が厚くなり過ぎると、セパレータの柔軟性が低下し、捲回電極体の製造効率が低下する恐れがある。これらの点を考慮すると、セパレータの厚みに対する耐熱層の厚みの割合は0.1~0.4に調整されていると好ましい。
樹脂基材層と耐熱層との界面における剥離強度を調整する具体的な手段の一つとして、耐熱層中のバインダの含有量を調整するという手段が挙げられる。この場合、上述のように、フィラーとバインダとの重量割合を90:10~92:8の範囲内に設定すると好ましい。これによって、樹脂基材層と耐熱層との界面における剥離強度を16N/m以上155N/m以下に容易に調整することができる。
ここで開示される非水電解液二次電池の製造方法は、捲回電極体と非水電解液とがケースに収容された非水電解液二次電池を製造する方法である。かかる製造方法は、セパレータを介して正極と負極とを積層することによって積層体を作製し、当該積層体を捲回することによって捲回電極体を作製する捲回工程と、捲回電極体と非水電解液とをケース内に収容し、当該ケースを密閉する密封工程とを備えている。
また、上記した正極は、箔状の正極集電体と、正極集電体の表面に付与された正極合材層とを有し、セパレータは、絶縁性樹脂を含む樹脂基材層と、樹脂基材層の一方の面に形成された耐熱層とを有している。
そして、ここで開示される製造方法では、樹脂基材層と耐熱層との界面における剥離強度を16N/m以上155N/m以下とし、かつ、正極合材層の密度を2.3g/cc以上2.6g/cc以下としている。
これによって、正極と負極とセパレータの各々の境界における滑り性を向上させて、巻きずれの発生をより好適に抑制することができるため、捲回電極体の製造効率を好適に向上させることができる。
正極と負極とセパレータの各々のシート状部材に掛かる張力が大き過ぎると、捲回中にシート状部材が破断する恐れがある。一方で、張力が小さ過ぎると、巻きずれなどの捲回不良が生じる原因になり得る。かかる点を考慮すると、正極と負極に掛かる張力をセパレータに掛かる張力よりも大きくして積層体の捲回を行う際には、各々のシート状部材に掛かる張力を上述の範囲内で調整すると好ましい。
図1は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を模式的に示す一部断面図である。図1に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、捲回電極体20と非水電解液(図示省略)とをケース30の内部に収容することによって構成される。以下、各部材について説明する。
ケース30は、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料によって構成されている。かかるケース30は、上面に開口部が形成された角型のケース本体32と、当該ケース本体32の上面の開口部を塞ぐ蓋体34とを備えている。
また、ケース30の上面をなす蓋体34には、外部機器と接続される電極端子(正極端子42および負極端子44)が設けられている。正極端子42と負極端子44の各々は、ケース30の内部において捲回電極体20と電気的に接続されている。また、ケース30の上面には、上述の電極端子の他に、ケース30内の圧力上昇を防止するための安全弁36と、非水電解液を注液するための注液口(図示省略)とが形成されている。
図2は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の捲回電極体を模式的に示す斜視図である。また、図3は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の捲回電極体の製造に用いられる積層体を模式的に示す断面図である。
正極50は、アルミニウム箔などの正極集電体52と、当該正極集電体52の表面(両面)に付与された正極合材層54とを備えている。この正極50は、正極合材層54の前駆体である正極ペーストを正極集電体52の表面に塗布し、当該ペーストを乾燥させた後に所定の圧力で圧延することによって形成される。
また、この正極50の幅方向の一方の側縁部には、正極合材層54が付与されていない領域(正極露出部52a)が形成されている。そして、本実施形態における捲回電極体20では、正極露出部52aが捲回された正極接続部20aが一方の側縁部に形成される。図1に示すように、上述した正極端子42は、この正極接続部20aに接続されている。
また、正極合材層54には、上述した正極活物質以外に種々の添加物が含まれていてもよい。かかる添加物の一例として導電材やバインダなどが挙げられる。この導電材としては、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することができる。また、バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などを使用することができる。
負極60は、銅箔などの負極集電体62と、当該負極集電体62の表面(両面)に付与された負極合材層64とを備えている。上述した正極50と同様に、かかる負極60についても、負極合材層64の前駆体である負極ペーストを負極集電体62の表面に塗布し、当該ペーストを乾燥させた後に所定の圧力で圧延することによって形成される。
また、負極60の幅方向の一方の側縁部には、負極合材層64が付与されていない領域(負極露出部62a)が形成されている。そして、本実施形態における捲回電極体20では、負極露出部62aが捲回された負極接続部20bが一方の側縁部に形成される。図1に示すように、上述した負極端子44は、この負極接続部20bに接続される。
また、負極合材層64には、負極活物質以外の添加剤が含まれていてもよい。かかる添加剤としては、例えばバインダや増粘剤などが挙げられる。負極合材層64用のバインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)等が挙げられ、増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。
セパレータ70は、正極50と負極60との間に挟み込まれるシート状の絶縁部材であり、電荷担体であるリチウムイオンを通過させる微細な孔が複数形成されている。図3に示すように、このセパレータ70は、絶縁性樹脂を含むシート状の樹脂基材層72と、当該樹脂基材層72の一方の面に形成された耐熱層74とを備えている。このような耐熱層74を有するセパレータ70を用いることによって、セパレータ70の熱変形を抑制し、短絡面積の拡大による連鎖的な発熱の進行を防止することができる。
また、耐熱層74には、無機フィラーの他に、種々の添加剤が添加されていてもよい。かかる添加剤としては、バインダが挙げられる。かかるバインダを添加することによって、耐熱層74と樹脂基材層72とを好適に接着させて、剥離強度を向上させることができる。耐熱層74用のバインダには、アクリル系樹脂などを用いることができる。
これに対して、本実施形態では、樹脂基材層72と耐熱層74との界面Aにおける剥離強度が16N/m以上155N/m以下のセパレータ70が用いられている。後に詳しく説明するが、剥離強度が16N/m以上という高剥離強度のセパレータ70を使用することによって、容量維持率を向上させ、優れた耐劣化性を有するリチウムイオン二次電池100を得ることができる。
なお、上記の「剥離強度」は、JIS Z0237:2009に準拠した方法に基づいて測定される180°剥離強度を指している。
上述したように、ケース30の内部には、捲回電極体20と共に、非水電解液(図示省略)が収容されている。かかる非水電解液は、正極50と負極60との間に充填されており、当該非水電解液を介して電荷担体であるリチウムイオンを移動させることができる。
この非水電解液は、有機溶媒(非水溶媒)に支持塩を含有させることによって調製される。かかる有機溶媒には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(ECM)などが用いられ、これらの材料を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることもできる。また、支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4等のリチウム塩が好適に用いられる。かかる支持塩の濃度は、0.7M~1.3M(例えば1M)が好ましい。なお、非水電解液には、かかる支持塩以外に、ガス発生剤、分散剤、増粘剤、被膜形成剤などの添加剤が含まれていてもよい。
上述したように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100では、図3に示す樹脂基材層72と耐熱層74との界面Aにおける剥離強度が16N/m以上である高剥離強度のセパレータ70が用いられていると共に、密度が2.6g/cc以下という低密度の正極合材層54が形成された正極50が用いられている。
通常、剥離強度が16N/m以上の高剥離強度のセパレータ70を用いると、リチウムイオン二次電池の耐劣化性が向上する一方で、積層体10全体の柔軟性が低下して当該積層体10を湾曲、捲回させることが困難になるため、捲回電極体20の製造効率が大きく低下する。
これに対して、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100では、2.6g/cc以下という低密度の正極合材層54を形成し、正極50の柔軟性を向上させている。この結果、高剥離強度のセパレータ70を用いているにも関わらず、積層体10全体の柔軟性を充分に確保することができるため、積層体10を容易に湾曲、捲回することができる。
したがって、本実施形態によれば、捲回電極体20の製造効率を低下させることなく、高剥離強度のセパレータ70を使用することができるため、耐劣化性に優れたリチウムイオン二次電池100を安定的に供給することができる。
また、正極合材層54の密度を2.3g/cc未満にすると、正極50の剛性が低下し過ぎるため、積層体10を捲回する際に掛かる張力で正極50が破断したり、製造後の捲回電極体20の形状が崩れたりし易くなるため、却って製造効率が低下する恐れがある。かかる点を考慮して、本実施形態では、正極合材層54の密度を2.3g/cc以上に定めている。
次に、上述した実施形態に係るリチウムイオン二次電池100を製造する方法について説明する。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の製造方法は、捲回工程と、密封工程とを備えている。以下、各々の工程について説明する。
捲回工程では、セパレータ70を介して正極50と負極60とを積層することによって積層体10を形成した後に、当該積層体10を捲回することによって捲回電極体20を製造する。以下、捲回工程を「積層体の形成」と「積層体の捲回」に分けて具体的に説明する。
本工程において、積層体10を形成する際には、図3中の下からセパレータ70、負極60、セパレータ70、正極50の順序で各々の部材を積層させる。このとき、一方(図では右側)の側縁部から正極露出部52aがはみ出し、他方(図では左側)の側縁部から負極露出部62aがはみ出すように、正極50と負極60の各々の幅方向における配置位置をずらしながら積層する。
捲回工程では、次に、作製後の積層体10を捲回して捲回電極体20を製造する。このとき、本実施形態に係る製造方法では、正極合材層54の密度が2.3g/cc以上2.6g/cc以下という柔軟性に優れた正極50を用いているため、積層体10全体の柔軟性を充分に確保することができ、巻きずれなどの捲回不良の発生を抑制し、高い製造効率で捲回電極体20を製造することができる。
このような製造ラインを設けた場合、積層体10を所定の回数巻き取った後に積層体10を切断し、捲回軸Cに巻き取られた積層体10を回収して所定の圧力で押圧することによって、図2に示すような扁平形状の捲回電極体20が得られる。
なお、捲回軸Cに積層体10を捲回させている間、正極50と負極60に掛かる張力は、例えば、2.5N~12.0Nの範囲で調整し、セパレータに掛かる張力は、例えば、1.0N~6.0Nの範囲で調整すると好ましい。これによって、各シート状部材の破断や巻きずれなどの捲回不良が生じることを好適に抑制できる。
本工程では、上述のようにして製造した捲回電極体20を、図1に示すように、非水電解液と共にケース30内に収容した後に当該ケース30を密閉する。具体的には、先ず、蓋体34に設けられた一対の電極端子のうち、正極端子42を捲回電極体20の正極接続部20aに接続し、負極端子44を負極接続部20bに接続する。次に、捲回電極体20をケース本体32内に収容すると共に、ケース本体32上面の開口部を蓋体34で塞ぐ。そして、ケース本体32と蓋体34とをレーザ溶接などで接合した後、蓋体34に形成された注液口(図示省略)からケース30内に非水電解液を充填する。そして、注液口を封止部材で封止することによってケース30を密閉する。これによって、ケース30内に捲回電極体20と非水電解液とが収容されたリチウムイオン二次電池100が製造される。
また、本実施形態では、密度が2.3g/cc以上2.6g/cc以下という低密度の正極合材層54を有する正極50を使用しているため、上述した高剥離強度のセパレータ70を使用しているにも関わらず、捲回電極体20の製造効率の低下が抑制されている。
したがって、本実施形態に係る製造方法によれば、耐劣化性に優れたリチウムイオン二次電池100を安定的に供給することができる。
以上、ここで開示される非水電解液二次電池の一例としてリチウムイオン二次電池100を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されず、種々の変形や変更を行うことができる。
但し、製造効率をより好適に向上させるという観点からは、上述の実施形態のように、耐熱層74と正極合材層54とを対向させた方が好ましい。このように、耐熱層74と正極合材層54とを対向させた場合、積層体10を捲回する際の正極50とセパレータ70との界面における滑り性と帯電性を改善できるため、積層体10をより容易に捲回させることができる。
以下、本発明に関する試験例を説明するが、かかる試験例の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
本試験例では、樹脂基材層と耐熱層との剥離強度と、正極合材層の密度とをそれぞれ異ならせた35種類のリチウムイオン二次電池(サンプル1~35)を作製した。
このとき、本試験例では、乾燥後の圧延における圧力を調整することによって、各サンプルの正極合材層の密度を異ならせた。各サンプルの正極合材層の密度を表1に示す。
そして、作成した粉体材料に分散媒(NMP)を添加しながら固練りを行うことによって負極ペーストを作製した。そして、負極ペーストを負極集電体(銅箔)の両面に塗布した後に、乾燥・圧延することによってシート状の負極を作製した。
このとき、正極50と負極60への張力がセパレータ70への張力よりも大きくなるように、各々の張力を調整した。なお、正極50と負極60への張力は、2.5N~12.0Nの範囲で調整し、セパレータ70への張力は、1.0N~6.0Nの範囲で調整した。
また、サンプル1~25では、耐熱層と正極合材層とが対向するように各々のシート状部材を積層させ、サンプル26~35では、耐熱層と負極合材層とが対向するように各々のシート状部材を積層させた(表1参照)。
上述したサンプル1~35のリチウムイオン二次電池に対して、(1)巻きずれ不良率と、(2)容量維持率と、(3)IV抵抗増加率の評価を行った。各々の評価方法について説明する。
各サンプルのリチウムイオン二次電池を50個ずつ作製し、全ての電池に対してX線撮影を行い、捲回電極体に巻きずれが生じているか否かを観察した。例えば、セパレータが正極または負極を覆うことができていない電池や、負極が正極を覆うことができていない電池は、積層体の捲回不良が生じているとみなした。そして、かかる捲回不良が生じた電池の割合を算出して「巻きずれ不良率(%)」とした。結果を表1および図5に示す。
また、本試験例では、サンプル1~35のリチウムイオン二次電池の容量維持率を測定した。具体的には、各サンプルについて、60℃、2Cの定電流で行う充放電を1つの充放電サイクルとして、当該充放電サイクルを1000回実施した。そして、1000サイクル後の電池容量を測定し、初期の電池容量に対する1000サイクル後の電池容量の比率を容量維持率として算出した。結果を表1および図6に示す。なお、この容量維持率が大きいほど、性能劣化が少ない電池であるとみなすことができる。
次に、本試験例では、各サンプルのリチウムイオン二次電池のIV抵抗の増加率を測定した。具体的には、各サンプルについて、初期のIV抵抗を測定した。IV抵抗は以下のようにして測定した。
先ず、各サンプルの電池を5Aで3.5Vまで定電流定電圧(CCCV)で予備充電し、SOC(State of Charge)60%に調整した。このときの合計充電時間は1時間にした。その後、60Aで10秒間の定電流(CC)放電を行い、このときの電流(I)-電圧(V)プロット値の一次近似直線の傾きから内部抵抗(IV抵抗)を求めた。
そして、25℃にて5Cの充電電流で充電を行い、-15℃の環境下でハイレート放電(放電電流20C)を行った。放電後のIV抵抗を測定し、初期のIV抵抗に対する放電後のIV抵抗の比率を測定した。測定結果を表1および図7に示す。なお、このIV抵抗の比率は、低温環境下でのハイレート放電によってIV抵抗がどの程度変化したかを示す。この比率が大きいほど、低温環境下でのハイレート放電により性能が大きく劣化したと考えることができる。
また、サンプル1~10の中では、サンプル2~4、7~9で83%以上という特に高い容量維持率が確認された。このことから、樹脂基材層と耐熱層との界面における剥離強度を21N/m以上102N/m以下に調整することによって、耐劣化性を更に向上できることが分かった。
20 捲回電極体
20a 正極接続部
20b 負極接続部
30 ケース
32 ケース本体
34 蓋体
36 安全弁
42 正極端子
44 負極端子
50 正極
52 正極集電体
52a 正極露出部
54 正極合材層
60 負極
62 負極集電体
62a 負極露出部
64 負極合材層
70 セパレータ
72 樹脂基材層
74 耐熱層
100 リチウムイオン二次電池
A (樹脂基材層と耐熱層との)界面
R1、R2 ローラー
t1 セパレータの厚み
t2 耐熱層の厚み
Claims (8)
- セパレータを介して正極と負極とが積層された積層体を捲回してなる捲回電極体を備えた非水電解液二次電池であって、
前記正極は、箔状の正極集電体と、前記正極集電体の表面に付与された正極合材層とを有し、
前記セパレータは、絶縁性樹脂を含む樹脂基材層と、前記樹脂基材層の一方の面に形成された耐熱層とを有しており、
前記耐熱層は、
無機材料からなるフィラーと、
前記耐熱層と前記樹脂基材層とを接着させて、前記樹脂基材層と前記耐熱層との界面における剥離強度を向上させるバインダと
を含有し、かつ、増粘剤を含有しておらず、
ここで、前記樹脂基材層と前記耐熱層との界面における剥離強度が16N/m以上155N/m以下であり、かつ、前記正極合材層の密度が2.3g/cc以上2.6g/cc以下である、非水電解液二次電池。 - 前記正極合材層と対向するように前記耐熱層が前記樹脂基材層の表面に形成されている、請求項1に記載の非水電解液二次電池。
- 前記樹脂基材層と前記耐熱層との界面における剥離強度が55N/m以上102N/m以下である、請求項1または請求項2に記載の非水電解液二次電池。
- 前記セパレータの厚みに対する前記耐熱層の厚みの割合が0.1~0.4である、請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池。
- 前記フィラーと前記バインダとの重量割合が90:10~92:8である、請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池。
- 捲回電極体と非水電解液とがケースに収容された非水電解液二次電池を製造する方法であって、
セパレータを介して正極と負極とを積層することによって積層体を作製し、当該積層体を捲回することによって前記捲回電極体を作製する捲回工程と、
前記捲回電極体と前記非水電解液とを前記ケース内に収容し、当該ケースを密閉する密封工程と
を備えており、
前記正極は、箔状の正極集電体と、前記正極集電体の表面に付与された正極合材層とを有し、
前記セパレータは、絶縁性樹脂を含む樹脂基材層と、前記樹脂基材層の一方の面に形成された耐熱層とを有しており、
前記耐熱層は、
無機材料からなるフィラーと、
前記耐熱層と前記樹脂基材層とを接着させて、前記樹脂基材層と前記耐熱層との界面における剥離強度を向上させるバインダと
を含有し、かつ、増粘剤を含有しておらず、
ここで、前記樹脂基材層と前記耐熱層との界面における剥離強度を16N/m以上155N/m以下とし、かつ、前記正極合材層の密度を2.3g/cc以上2.6g/cc以下とする、非水電解液二次電池の製造方法。 - 前記積層体を捲回する際に前記正極と前記負極に掛かる張力を、前記セパレータに掛かる張力よりも大きくする、請求項6に記載の非水電解液二次電池の製造方法。
- 前記正極と前記負極に掛かる張力を2.5N~12.0Nの範囲で調整し、かつ、前記セパレータに掛かる張力を1.0N~6.0Nの範囲で調整する、請求項7に記載の非水電解液二次電池の製造方法。
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