JP7423120B2 - Electrolyte slurry composition, electrolyte sheet manufacturing method, and secondary battery manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、電解質スラリー組成物、電解質シートの製造方法、及び二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to an electrolyte slurry composition, a method for manufacturing an electrolyte sheet, and a method for manufacturing a secondary battery.
近年、携帯型電子機器、電気自動車等の普及により、高性能な二次電池が必要とされている。中でもリチウム二次電池は、高いエネルギー密度を有するため、電気自動車用電池、電力貯蔵用電池等の電源として注目されている。具体的には、電気自動車用電池としてのリチウム二次電池は、エンジンを搭載しないゼロエミッション電気自動車、エンジン及び二次電池の両方を搭載したハイブリッド電気自動車、電力系統から直接充電させるプラグイン・ハイブリッド電気自動車等の電気自動車に採用されている。また、電力貯蔵用電池としてのリチウム二次電池は、電力系統が遮断された非常時に、予め貯蔵しておいた電力を供給する定置式電力貯蔵システム等に用いられている。 In recent years, with the spread of portable electronic devices, electric vehicles, etc., high-performance secondary batteries are required. Among them, lithium secondary batteries have high energy density and are therefore attracting attention as power sources for electric vehicle batteries, power storage batteries, and the like. Specifically, lithium secondary batteries as batteries for electric vehicles are used in zero-emission electric vehicles without an engine, hybrid electric vehicles with both an engine and a secondary battery, and plug-in hybrids that are directly charged from the power grid. It is used in electric vehicles such as electric cars. In addition, lithium secondary batteries as power storage batteries are used in stationary power storage systems and the like that supply previously stored power in an emergency when the power grid is cut off.
このような広範な用途に使用するために、より高いエネルギー密度のリチウム二次電池が求められており、その開発がなされている。特に、電気自動車用のリチウム二次電池には、高い入出力特性及び高いエネルギー密度に加えて、高い安全性が要求されるため、安全性を確保するためのより高度な技術が求められる。従来、リチウム二次電池の安全性を向上させる方法として、電解液で使用される成分をゲル化して、ゲル電解質を形成する方法等が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
For use in such a wide range of applications, lithium secondary batteries with higher energy density are required and are being developed. In particular, lithium secondary batteries for electric vehicles require high safety in addition to high input/output characteristics and high energy density, so more advanced technology is required to ensure safety. BACKGROUND ART Conventionally, as a method for improving the safety of lithium secondary batteries, there has been known a method of gelling components used in an electrolytic solution to form a gel electrolyte (see, for example,
ところで、電解質から形成される電解質層には、リチウム二次電池の軽量化、薄膜化の観点から、機械的強度の向上が求められている。しかしながら、ゲル電解質から形成される電解質層は、強度の点で充分でなく、未だ改善の余地がある。 Incidentally, an electrolyte layer formed from an electrolyte is required to have improved mechanical strength from the viewpoint of reducing the weight and thickness of a lithium secondary battery. However, the electrolyte layer formed from gel electrolyte is not strong enough, and there is still room for improvement.
そこで、本発明は、優れた強度を有する電解質層を形成することが可能な電解質スラリー組成物を提供することを主な目的とする。 Therefore, the main object of the present invention is to provide an electrolyte slurry composition that can form an electrolyte layer having excellent strength.
本発明の第1の態様は、1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、下記一般式(10)で表される化合物(以下、「グライム」という場合がある。)及びイオン液体の少なくとも一方と、有機溶媒と、を含有し、有機溶媒は、昇温速度5℃/分で昇温したときの質量減少率95%となる温度(以下、単に「質量減少率95%温度」という場合がある。)が120℃以下である、電解質スラリー組成物である。
RAO-(CH2CH2O)y-RB (10)
[式(10)中、RA及びRBはそれぞれ独立に炭素数1~4のアルキル基を示し、yは1~6の整数を示す。]
A first aspect of the present invention includes one or more polymers, oxide particles, and at least one electrolyte salt selected from the group consisting of lithium salts, sodium salts, calcium salts, and magnesium salts; It contains at least one of a compound represented by the following general formula (10) (hereinafter sometimes referred to as "glyme") and an ionic liquid, and an organic solvent, and the organic solvent has a heating rate of 5°C/min. This electrolyte slurry composition has a temperature at which a mass reduction rate of 95% occurs when the temperature is raised at 120° C. or lower (hereinafter sometimes simply referred to as "mass reduction rate 95% temperature").
R A O-(CH 2 CH 2 O) y -R B (10)
[In formula (10), R A and R B each independently represent an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and y represents an integer of 1 to 6. ]
酸化物粒子は、好ましくは、SiO2、Al2O3、AlOOH、MgO、CaO、ZrO2、TiO2、Li7La3Zr2O12、及びBaTiO3からなる群より選ばれる少なくとも1種の粒子である。 The oxide particles preferably contain at least one selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , AlOOH, MgO, CaO, ZrO 2 , TiO 2 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , and BaTiO 3 . It is a particle.
イオン液体は、好ましくは、カチオン成分として、鎖状四級オニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、及びイミダゾリウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む。 The ionic liquid preferably contains, as a cation component, at least one member selected from the group consisting of chain quaternary onium cations, piperidinium cations, pyrrolidinium cations, pyridinium cations, and imidazolium cations.
イオン液体は、好ましくは、アニオン成分として、下記一般式(A)で表されるアニオン成分の少なくとも1種を含む。
N(SO2CmF2m+1)(SO2CnF2n+1)- (A)
[式(A)中、m及びnは、それぞれ独立に0~5の整数を表す。]
The ionic liquid preferably contains at least one anion component represented by the following general formula (A) as an anion component.
N(SO 2 C m F 2m+1 ) (SO 2 C n F 2n+1 ) - (A)
[In formula (A), m and n each independently represent an integer of 0 to 5. ]
ポリマは、好ましくは四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位を有する。 The polymer preferably has a first structural unit selected from the group consisting of tetrafluoroethylene and vinylidene fluoride.
ポリマは、好ましくはポリマを構成する構造単位の中に、第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれる。 The polymer preferably has a first structural unit and a second structural unit selected from the group consisting of hexafluoropropylene, acrylic acid, maleic acid, ethyl methacrylate, and methyl methacrylate in the structural units constituting the polymer. is included.
電解質塩は、好ましくはイミド系リチウム塩である。 The electrolyte salt is preferably an imide-based lithium salt.
一般式(10)で表される化合物は、好ましくはテトラエチレングリコールジメチルエーテルを含む。 The compound represented by general formula (10) preferably contains tetraethylene glycol dimethyl ether.
本発明の第2の態様は、上述の電解質スラリー組成物を基材上に配置する工程と、配置された電解質スラリー組成物から有機溶媒を除去して基材上に電解質層を形成する工程と、を備える、電解質シートの製造方法である。 A second aspect of the present invention includes a step of disposing the electrolyte slurry composition described above on a base material, and a step of removing an organic solvent from the disposed electrolyte slurry composition to form an electrolyte layer on the base material. A method for manufacturing an electrolyte sheet, comprising:
本発明の第3の態様は、正極集電体上に正極合剤層を形成して正極を得る工程と、負極集電体上に負極合剤層を形成して負極を得る工程と、上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層を正極と負極との間に配置する工程と、を備える、二次電池の製造方法である。 A third aspect of the present invention includes a step of forming a positive electrode mixture layer on a positive electrode current collector to obtain a positive electrode, a step of forming a negative electrode mixture layer on a negative electrode current collector to obtain a negative electrode, and a step of forming a negative electrode mixture layer on a negative electrode current collector to obtain a negative electrode. This is a method for manufacturing a secondary battery, comprising the step of arranging an electrolyte layer of an electrolyte sheet obtained by the manufacturing method described above between a positive electrode and a negative electrode.
本発明によれば、優れた強度を有する電解質層を形成することが可能な電解質スラリー組成物を提供することができる。また、本発明によれば、このような電解質スラリー組成物を用いた電解質シートの製造方法を提供することができる。さらに、本発明によれば、電解質スラリー組成物から製造される電解質シートを用いた二次電池の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, an electrolyte slurry composition capable of forming an electrolyte layer having excellent strength can be provided. Further, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing an electrolyte sheet using such an electrolyte slurry composition. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a secondary battery using an electrolyte sheet manufactured from an electrolyte slurry composition.
以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素(ステップ等も含む)は、特に明示した場合を除き、必須ではない。各図における構成要素の大きさは概念的なものであり、構成要素間の大きさの相対的な関係は各図に示されたものに限定されない。 Embodiments of the present invention will be described below with appropriate reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In the following embodiments, the constituent elements (including steps, etc.) are not essential unless otherwise specified. The sizes of the components in each figure are conceptual, and the relative size relationships between the components are not limited to those shown in each figure.
本明細書における数値及びその範囲は、本発明を制限するものではない。本明細書において、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書において段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載される数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例中に示されている値に置き換えてもよい。 The numerical values and ranges herein are not intended to limit the invention. In this specification, a numerical range indicated using "~" indicates a range that includes the numerical values written before and after "~" as the minimum and maximum values, respectively. In the numerical ranges described stepwise in this specification, the upper limit or lower limit described in one numerical range may be replaced with the upper limit or lower limit described in another stepwise manner. Furthermore, in the numerical ranges described in this specification, the upper limit or lower limit of the numerical range may be replaced with the values shown in the examples.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る二次電池を示す斜視図である。図1に示すように、二次電池1は、正極、負極及び電解質層から構成される電極群2と、電極群2を収容する袋状の電池外装体3とを備えている。正極及び負極には、それぞれ正極集電タブ4及び負極集電タブ5が設けられている。正極集電タブ4及び負極集電タブ5は、それぞれ正極及び負極が二次電池1の外部と電気的に接続可能なように、電池外装体3の内部から外部へ突き出している。
[First embodiment]
FIG. 1 is a perspective view showing a secondary battery according to a first embodiment. As shown in FIG. 1, the
電池外装体3は、例えばラミネートフィルムで形成されていてよい。ラミネートフィルムは、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の樹脂フィルムと、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属箔と、ポリプロピレン等のシーラント層とがこの順で積層された積層フィルムであってよい。 The battery exterior body 3 may be formed of, for example, a laminate film. The laminate film may be, for example, a laminated film in which a resin film such as a polyethylene terephthalate (PET) film, a metal foil such as aluminum, copper, or stainless steel, and a sealant layer such as polypropylene are laminated in this order.
図2は、図1に示した二次電池1における電極群2の一実施形態を示す分解斜視図である。図3は、図1に示した二次電池1における電極群2の一実施形態を示す模式断面図である。図2及び図3に示すように、本実施形態に係る電極群2Aは、正極6と、電解質層7と、負極8とをこの順に備えている。正極6は、正極集電体9と、正極集電体9上に設けられた正極合剤層10とを備えている。正極集電体9には、正極集電タブ4が設けられている。負極8は、負極集電体11と、負極集電体11上に設けられた負極合剤層12とを備えている。負極集電体11には、負極集電タブ5が設けられている。
FIG. 2 is an exploded perspective view showing one embodiment of the
正極集電体9は、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン等で形成されていてよい。正極集電体9は、具体的には、例えば孔径0.1~10mmの孔を有するアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等であってよい。正極集電体9は、上記以外にも、電池の使用中に溶解、酸化等の変化を生じないものであれば、任意の材料で形成されていてよく、また、その形状、製造方法等も制限されない。
The positive electrode
正極集電体9の厚さは、10μm以上100μm以下であってよく、正極全体の体積を小さくする観点から、好ましくは10μm以上50μm以下であり、電池を形成する際に小さな曲率で正極を捲回する観点から、より好ましくは10μm以上20μm以下である。
The thickness of the positive electrode
正極合剤層10は、一実施形態において、正極活物質と、導電剤と、結着剤と、を含有する。
In one embodiment, the positive
正極活物質は、正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属リン酸塩等のリチウム遷移金属化合物であってよい。 The positive electrode active material may be a lithium transition metal compound such as a lithium transition metal oxide or a lithium transition metal phosphate.
リチウム遷移金属酸化物は、例えば、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム等であってよい。リチウム遷移金属酸化物は、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム等に含有されるMn、Ni、Co等の遷移金属の一部を、1種若しくは2種以上の他の遷移金属、又はMg、Al等の金属元素(典型元素)で置換したリチウム遷移金属酸化物であってもよい。すなわち、リチウム遷移金属酸化物は、LiM1O2又はLiM1 2O4(M1は少なくとも1種の遷移金属を含む)で表される化合物であってよい。リチウム遷移金属酸化物は、具体的には、Li(Co1/3Ni1/3Mn1/3)O2、LiNi1/2Mn1/2O2、LiNi1/2Mn3/2O4等であってよい。 The lithium transition metal oxide may be, for example, lithium manganate, lithium nickelate, lithium cobaltate, or the like. Lithium transition metal oxides include a part of transition metals such as Mn, Ni, and Co contained in lithium manganate, lithium nickelate, lithium cobaltate, etc., and one or more other transition metals, or It may also be a lithium transition metal oxide substituted with a metal element (typical element) such as Mg or Al. That is, the lithium transition metal oxide may be a compound represented by LiM 1 O 2 or LiM 1 2 O 4 (M 1 contains at least one type of transition metal). Specifically, lithium transition metal oxides include Li(Co 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 ) O 2 , LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , LiNi 1/2 Mn 3/2 O It may be 4th grade.
リチウム遷移金属酸化物は、エネルギー密度を更に向上させる観点から、好ましくは下記式(1)で表される化合物である。
LiaNibCocM2
dO2+e (1)
[式(1)中、M2は、Al、Mn、Mg、及びCaからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、a、b、c、d、及びeは、それぞれ0.2≦a≦1.2、0.5≦b≦0.9、0.1≦c≦0.4、0≦d≦0.2、-0.2≦e≦0.2、かつb+c+d=1を満たす数である。]
From the viewpoint of further improving the energy density, the lithium transition metal oxide is preferably a compound represented by the following formula (1).
Li a Ni b Co c M 2 d O 2+e (1)
[In formula (1), M2 is at least one member selected from the group consisting of Al, Mn, Mg, and Ca, and a, b, c, d, and e are each 0.2≦a≦ A number that satisfies 1.2, 0.5≦b≦0.9, 0.1≦c≦0.4, 0≦d≦0.2, -0.2≦e≦0.2, and b+c+d=1 It is. ]
リチウム遷移金属リン酸塩は、LiFePO4、LiMnPO4、LiMnxM3 1-xPO4(0.3≦x≦1、M3はFe、Ni、Co、Ti、Cu、Zn、Mg、及びZrからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である)等であってよい。 Lithium transition metal phosphates include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiMn x M 3 1-x PO 4 (0.3≦x≦1, M 3 is Fe, Ni, Co, Ti, Cu, Zn, Mg, and At least one element selected from the group consisting of Zr).
正極活物質は、造粒されていない一次粒子であってもよく、造粒された二次粒子であってもよい。 The positive electrode active material may be ungranulated primary particles or granulated secondary particles.
正極活物質の粒径は、正極合剤層10の厚さ以下になるように調整される。正極活物質中に正極合剤層10の厚さ以上の粒径を有する粗粒子がある場合、ふるい分級、風流分級等により粗粒子を予め除去し、正極合剤層10の厚さ以下の粒径を有する正極活物質を選別する。
The particle size of the positive electrode active material is adjusted to be equal to or less than the thickness of the positive
正極活物質の平均粒径は、0.1μm以上であり、より好ましくは1μm以上である。また、好ましくは30μm以下であり、より好ましくは25μm以下である。正極活物質の平均粒径は、正極活物質全体の体積に対する比率(体積分率)が50%のときの粒径(D50)である。正極活物質の平均粒径(D50)は、レーザー散乱型粒径測定装置(例えば、マイクロトラック)を用いて、レーザー散乱法により水中に正極活物質を懸濁させた懸濁液を測定することで得られる。 The average particle size of the positive electrode active material is 0.1 μm or more, more preferably 1 μm or more. Moreover, it is preferably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less. The average particle size of the positive electrode active material is the particle size (D50) when the ratio (volume fraction) to the total volume of the positive electrode active material is 50%. The average particle diameter (D50) of the positive electrode active material can be determined by measuring a suspension of the positive electrode active material in water using a laser scattering method using a laser scattering particle size measuring device (e.g. Microtrack). It can be obtained with
正極活物質の含有量は、正極合剤層全量を基準として、70質量%以上、80質量%以上、又は85質量%以上であってよい。正極活物質の含有量は、正極合剤層全量を基準として、95質量%以下、92質量%以下、又は90質量%以下であってよい。 The content of the positive electrode active material may be 70% by mass or more, 80% by mass or more, or 85% by mass or more based on the total amount of the positive electrode mixture layer. The content of the positive electrode active material may be 95% by mass or less, 92% by mass or less, or 90% by mass or less based on the total amount of the positive electrode mixture layer.
導電剤は、特に限定されない、黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の炭素材料などであってよい。導電剤は、上述した炭素材料の2種以上の混合物であってもよい。 The conductive agent may be a carbon material such as graphite, acetylene black, carbon black, carbon fiber, carbon nanotube, etc., but is not particularly limited. The conductive agent may be a mixture of two or more of the above-mentioned carbon materials.
導電剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、0.1質量%以上、1質量%以上、又は3質量%以上であってよい。導電剤の含有量は、正極6の体積の増加及びそれに伴う二次電池1のエネルギー密度の低下を抑制する観点から、正極合剤層全量を基準として、好ましくは15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、更に好ましくは8質量%以下である。
The content of the conductive agent may be 0.1% by mass or more, 1% by mass or more, or 3% by mass or more based on the total amount of the positive electrode mixture layer. The content of the conductive agent is preferably 15% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, based on the total amount of the positive electrode mixture layer, from the viewpoint of suppressing an increase in the volume of the
結着剤は、正極6の表面で分解しないものであれば制限されないが、四フッ化エチレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる少なくとも1種をモノマ単位として含むポリマ、スチレン-ブタジエンゴム、イソプレンゴム、アクリルゴム等のゴムなどであってよい。結着剤は、好ましくは四フッ化エチレンとフッ化ビニリデンとを構造単位として含むコポリマである。
The binder is not limited as long as it does not decompose on the surface of the
結着剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、0.5質量%以上、1質量%以上、又は3質量%以上であってよい。結着剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、20質量%以下、15質量%以下、又は10質量%以下であってよい。 The content of the binder may be 0.5% by mass or more, 1% by mass or more, or 3% by mass or more based on the total amount of the positive electrode mixture layer. The content of the binder may be 20% by mass or less, 15% by mass or less, or 10% by mass or less based on the total amount of the positive electrode mixture layer.
正極合剤層10は、イオン液体を更に含有していてもよい。
The positive
イオン液体は、後述の電解質スラリー組成物で使用されるイオン液体を用いることができる。正極合剤層10に含まれるイオン液体の含有量は、正極合剤層全量を基準として、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上、更に好ましくは10質量%以上である。正極合剤層10に含まれるイオン液体の含有量は、正極合剤層全量を基準として、好ましくは30質量%以下、より好ましくは25質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。
As the ionic liquid, an ionic liquid used in the electrolyte slurry composition described below can be used. The content of the ionic liquid contained in the positive
正極合剤層10に含まれるイオン液体には電解質塩が溶解されていてもよい。電解質塩は、後述の電解質スラリー組成物で使用される電解質塩を用いることができる。
An electrolyte salt may be dissolved in the ionic liquid contained in the positive
正極合剤層10の厚さは、導電率を更に向上させる観点から、正極活物質の平均粒径以上の厚さであり、具体的には、10μm以上、15μm以上、又は20μm以上であってよい。正極合剤層10の厚さは、100μm以下、80μm以下、又は70μm以下であってよい。正極合剤層の厚さを100μm以下とすることにより、正極合剤層10の表面近傍及び正極集電体9の表面近傍の正極活物質の充電レベルのばらつきに起因する充放電の偏りを抑制できる。
The thickness of the positive
負極集電体11は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等の金属、それらの合金などであってよい。負極集電体11は、軽量で高い重量エネルギー密度を有するため、好ましくはアルミニウム及びその合金である。負極集電体11は、薄膜への加工のし易さ及びコストの観点から、好ましくは銅である。
The negative electrode
負極集電体11の厚さは、10μm以上100μm以下であってよく、負極全体の体積を小さくする観点から、好ましくは10μm以上50μm以下であり、電池を形成する際に小さな曲率で負極を捲回する観点から、より好ましくは10μm以上20μm以下である。
The thickness of the negative electrode
負極合剤層12は、一実施形態において、負極活物質と、結着剤と、を含有する。
In one embodiment, the negative
負極活物質は、エネルギーデバイスの分野で常用されるものを使用できる。負極活物質としては、具体的には、例えば、金属リチウム、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、リチウム合金又はその他の金属化合物、炭素材料、金属錯体、有機高分子化合物等が挙げられる。負極活物質はこれらの1種単独、若しくは2種以上の混合物であってよい。炭素材料としては、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、非晶質炭素、炭素繊維、及びアセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラックなどが挙げられる。負極活物質は、より大きな理論容量(例えば500~1500Ah/kg)を得る観点から、シリコン、スズ又はこれらの元素を含む化合物(酸化物、窒化物、他の金属との合金)であってもよい。 As the negative electrode active material, those commonly used in the field of energy devices can be used. Specific examples of negative electrode active materials include metal lithium, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), lithium alloys or other metal compounds, carbon materials, metal complexes, organic polymer compounds, etc. . The negative electrode active material may be one of these materials or a mixture of two or more thereof. Carbon materials include natural graphite (scaly graphite, etc.), graphite such as artificial graphite, amorphous carbon, carbon fiber, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black. Examples include carbon black such as. From the viewpoint of obtaining a larger theoretical capacity (for example, 500 to 1500 Ah/kg), the negative electrode active material may be silicon, tin, or a compound containing these elements (oxide, nitride, alloy with other metals). good.
負極活物質の平均粒径(D50)は、粒径減少に伴う不可逆容量の増加を抑制しつつ、かつ、電解質塩の保持能力を高めたバランスの良い負極を得る観点から、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは5μm以上であり、更に好ましくは10μm以上であり、また、好ましくは50μm以下であり、より好ましくは40μm以下であり、更に好ましくは30μm以下である。負極活物質の平均粒径(D50)は、上述した正極活物質の平均粒径(D50)と同様の方法により測定される。 The average particle diameter (D 50 ) of the negative electrode active material is preferably 1 μm or more from the viewpoint of obtaining a well-balanced negative electrode that suppresses an increase in irreversible capacity due to a decrease in particle size and increases the electrolyte salt retention ability. It is more preferably 5 μm or more, still more preferably 10 μm or more, preferably 50 μm or less, more preferably 40 μm or less, and still more preferably 30 μm or less. The average particle size (D 50 ) of the negative electrode active material is measured by the same method as the average particle size (D 50 ) of the positive electrode active material described above.
負極活物質の含有量は、負極合剤層全量を基準として、60質量%以上、65質量%以上、又は70質量%以上であってよい。負極活物質の含有量は、負極合剤層全量を基準として、99質量%以下、95質量%以下、又は90質量%以下であってよい。 The content of the negative electrode active material may be 60% by mass or more, 65% by mass or more, or 70% by mass or more based on the total amount of the negative electrode mixture layer. The content of the negative electrode active material may be 99% by mass or less, 95% by mass or less, or 90% by mass or less based on the total amount of the negative electrode mixture layer.
結着剤及びその含有量は、上述した正極合剤層10における結着剤及びその含有量と同様であってよい。
The binder and its content may be the same as the binder and its content in the positive
負極合剤層12は、負極8の抵抗を更に低くする観点から、導電剤を更に含有してもよい。導電剤及びその含有量は、上述した正極合剤層10における導電剤及びその含有量と同様であってよい。
The negative
負極合剤層12は、イオン液体を更に含有していてもよい。
The negative
イオン液体は、後述の電解質スラリー組成物で使用されるイオン液体を用いることができる。負極合剤層12に含まれるイオン液体の含有量は、負極合剤層全量を基準として、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上、更に好ましくは10質量%以上である。負極合剤層12に含まれるイオン液体の含有量は、負極合剤層全量を基準として、好ましくは30質量%以下、より好ましくは25質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。
As the ionic liquid, an ionic liquid used in the electrolyte slurry composition described below can be used. The content of the ionic liquid contained in the negative
負極合剤層12に含まれるイオン液体には、上述した正極合剤層10に使用できる電解質塩と同様の電解質塩が溶解されていてもよい。
An electrolyte salt similar to the electrolyte salt that can be used in the above-described positive
負極合剤層12の厚さは、10μm以上、15μm以上、又は20μm以上であってよい。負極合剤層12の厚さは、100μm以下、80μm以下、又は70μm以下であってよい。
The thickness of the negative
電解質層7は、基材上に電解質スラリー組成物を用いて電解質シートを作製することによって形成される。電解質スラリー組成物は、1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、一般式(10)で表される化合物(グライム)及びイオン液体の少なくとも一方と、有機溶媒と、を含有する。有機溶媒は、昇温速度5℃/分で昇温したときの質量減少率95%となる温度が120℃以下である。
電解質スラリー組成物は、1種又は2種以上のポリマを含有する。ポリマは、好ましくは、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位を有する。 The electrolyte slurry composition contains one or more polymers. The polymer preferably has a first structural unit selected from the group consisting of tetrafluoroethylene and vinylidene fluoride.
ポリマを構成する構造単位の中には、前記第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれていてもよい。すなわち、第1の構造単位及び第2の構造単位は、1種のポリマに含まれてコポリマを構成していてもよく、それぞれ別のポリマに含まれて、第1の構造単位を有する第1のポリマと、第2の構造単位を有する第2のポリマとの少なくとも2種のポリマを構成していてもよい。 The structural units constituting the polymer include the first structural unit and a second structural unit selected from the group consisting of hexafluoropropylene, acrylic acid, maleic acid, ethyl methacrylate, and methyl methacrylate. You can leave it there. That is, the first structural unit and the second structural unit may be contained in one type of polymer to form a copolymer, or the first structural unit and the second structural unit may be contained in different polymers to form a copolymer. and a second polymer having a second structural unit.
ポリマは、具体的には、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ等であってよい。 Specifically, the polymer may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, or the like.
ポリマの含有量は、電解質スラリー組成物の有機溶媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは3質量%以上である。ポリマの含有量は、電解質スラリー組成物の有機溶媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは50質量%以下であり、より好ましくは40質量%以下である。ポリマの含有量は、電解質スラリー組成物の有機溶媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは3~50質量%、より好ましくは3~40質量%である。 The content of the polymer is preferably 3% by mass or more based on the total amount of the components of the electrolyte slurry composition excluding the organic solvent. The content of the polymer is preferably 50% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, based on the total amount of components excluding the organic solvent of the electrolyte slurry composition. The content of the polymer is preferably 3 to 50% by mass, more preferably 3 to 40% by mass, based on the total amount of the components of the electrolyte slurry composition excluding the organic solvent.
本実施形態に係るポリマは、電解質スラリー組成物に含まれるイオン液体との親和性に優れるため、電解質層7を形成したときにグライム又はイオン液体中の電解質を保持する。これにより、電解質層7に荷重が加えられた際のグライム又はイオン液体の液漏れが抑制される。
Since the polymer according to the present embodiment has excellent affinity with the ionic liquid contained in the electrolyte slurry composition, it retains the electrolyte in the glyme or the ionic liquid when the
電解質スラリー組成物は、酸化物粒子を含有する。酸化物粒子は、例えば無機酸化物の粒子である。無機酸化物は、例えば、Li、Mg、Al、Si、Ca、Ti、Zr、La、Na、K、Ba、Sr、V、Nb、B、Ge等を構成元素として含む無機酸化物であってよい。酸化物粒子は、好ましくは、SiO2、Al2O3、AlOOH、MgO、CaO、ZrO2、TiO2、Li7La3Zr2O12、及びBaTiO3からなる群より選ばれる少なくとも1種の粒子である。酸化物粒子は極性を有するため、電解質層7中の電解質の解離を促進し、電池特性を高めることができる。
The electrolyte slurry composition contains oxide particles. The oxide particles are, for example, inorganic oxide particles. The inorganic oxide is, for example, an inorganic oxide containing Li, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Zr, La, Na, K, Ba, Sr, V, Nb, B, Ge, etc. as constituent elements. good. The oxide particles preferably contain at least one selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , AlOOH, MgO, CaO, ZrO 2 , TiO 2 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , and BaTiO 3 . It is a particle. Since the oxide particles have polarity, they can promote dissociation of the electrolyte in the
酸化物粒子は、一般に、見かけ上の幾何学的形態から判断して、一体的に単一の粒子を形成している一次粒子(二次粒子を構成していない粒子)と、複数の一次粒子が集合することで形成される二次粒子とを含んでいてもよい。 Oxide particles generally consist of primary particles that integrally form a single particle (particles that do not constitute secondary particles) and multiple primary particles, judging from their apparent geometric form. may also include secondary particles formed by aggregation.
酸化物粒子の比表面積は、2~380m2/gであり、5~100m2/g、10~80m2/g、又は15~60m2/gであってもよい。比表面積が2~380m2/gであると、二次電池の放電特性により優れる傾向にある。同様の観点から、酸化物粒子の比表面積は、5m2/g以上、10m2/g以上、又は15m2/g以上であってもよく、100m2/g以下、80m2/g以下、又は60m2/g以下であってもよい。酸化物粒子の比表面積は、一次粒子及び二次粒子を含む酸化物粒子全体の比表面積を意味し、BET法によって測定される。 The specific surface area of the oxide particles is 2 to 380 m 2 /g, and may be 5 to 100 m 2 /g, 10 to 80 m 2 /g, or 15 to 60 m 2 /g. When the specific surface area is 2 to 380 m 2 /g, the secondary battery tends to have better discharge characteristics. From the same viewpoint, the specific surface area of the oxide particles may be 5 m 2 /g or more, 10 m 2 /g or more, or 15 m 2 /g or more, and 100 m 2 /g or less, 80 m 2 /g or less, or It may be 60 m 2 /g or less. The specific surface area of oxide particles means the specific surface area of the entire oxide particles including primary particles and secondary particles, and is measured by the BET method.
酸化物粒子の平均一次粒径(一次粒子の平均粒径)は、導電率を更に向上させる観点から、好ましくは0.005μm(5nm)以上であり、より好ましくは0.01μm(10nm)以上であり、更に好ましくは0.015μm(15nm)以上である。酸化物粒子の平均一次粒径は、電解質層7を薄くする観点から、好ましくは1μm以下であり、より好ましくは0.1μm以下であり、更に好ましくは0.05μm以下である。酸化物粒子の平均一次粒径は、電解質層7を薄層化する観点及び電解質層7の表面からの酸化物粒子の突出を抑制する観点から、好ましくは0.005~1μm、0.01~0.1μm、又は0.015~0.05μmである。酸化物粒子の平均一次粒径は、酸化物粒子を透過型電子顕微鏡等によって観察することによって測定できる。
The average primary particle size (average particle size of primary particles) of the oxide particles is preferably 0.005 μm (5 nm) or more, more preferably 0.01 μm (10 nm) or more, from the viewpoint of further improving the electrical conductivity. It is more preferably 0.015 μm (15 nm) or more. From the viewpoint of making the
酸化物粒子の平均粒子径は、好ましくは0.005μm以上であり、より好ましくは0.01μm以上であり、更に好ましくは0.03μm以上である。酸化物粒子の平均粒子径は、好ましくは5μm以下であり、より好ましくは3μm以下であり、更に好ましくは1μm以下である。酸化物粒子の平均粒子径は、レーザー回折法により測定され、体積累積粒度分布曲線を小粒径側から描いた場合に、体積累積が50%となる粒子径に対応する。 The average particle diameter of the oxide particles is preferably 0.005 μm or more, more preferably 0.01 μm or more, and even more preferably 0.03 μm or more. The average particle diameter of the oxide particles is preferably 5 μm or less, more preferably 3 μm or less, and even more preferably 1 μm or less. The average particle diameter of the oxide particles is measured by a laser diffraction method, and corresponds to the particle diameter at which the volume accumulation is 50% when a volume cumulative particle size distribution curve is drawn from the small particle size side.
酸化物粒子の形状は、例えば塊状又は略球状であってよい。酸化物粒子のアスペクト比は、電解質層7の薄層化を容易にする観点から、好ましくは10以下、より好ましくは5以下、更に好ましくは2以下である。アスペクト比は、酸化物粒子の走査型電子顕微鏡写真から算出した、粒子の長軸方向の長さ(粒子の最大長さ)と、粒子の短軸方向の長さ(粒子の最小長さ)との比として定義される。粒子の長さは、前記写真を、市販の画像処理フト(例えば、旭化成エンジニアリング株式会社製の画像解析ソフト、A像くん(登録商標))を用いて、統計的に計算して求められる。
The shape of the oxide particles may be, for example, massive or approximately spherical. The aspect ratio of the oxide particles is preferably 10 or less, more preferably 5 or less, still more preferably 2 or less, from the viewpoint of facilitating thinning of the
酸化物粒子は、表面処理剤で表面処理されていてもよい。表面処理剤としては、例えば、ケイ素含有化合物等が挙げられる。ケイ素含有化合物は、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジメトキシジフェニルシラン、n-プロピルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、n-プロピルトリエトキシシラン等のアルコキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等のエポキシ基含有シラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノ基含有シラン、ヘキサメチルジシラザン等のシラザン、ジメチルシリコーンオイル等のシロキサンなどであってもよい。 The oxide particles may be surface treated with a surface treatment agent. Examples of the surface treatment agent include silicon-containing compounds. Silicon-containing compounds include methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, dimethoxydiphenylsilane, n-propyltrimethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, tetraethoxysilane, methyltriethoxysilane, dimethyl Alkoxysilane such as diethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, Epoxy group-containing silanes such as 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane and 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2-(amino Silanes containing amino groups such as ethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, silazane such as hexamethyldisilazane, dimethylsilicone oil, etc. It may also be siloxane or the like.
表面処理剤で表面処理された酸化物粒子は、公知の方法によって製造したものを用いてもよく、市販品をそのまま用いてもよい。 As the oxide particles surface-treated with a surface treatment agent, those produced by a known method may be used, or commercially available products may be used as they are.
酸化物粒子の含有量は、電解質スラリー組成物の有機溶媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上、更に好ましくは15質量%以上、特に好ましくは20質量%以上であり、また、好ましくは60質量%以下、より好ましくは50質量%以下、更に好ましくは40質量%以下である。 The content of oxide particles is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, still more preferably 15% by mass or more, particularly preferably The content is 20% by mass or more, and preferably 60% by mass or less, more preferably 50% by mass or less, and still more preferably 40% by mass or less.
電解質スラリー組成物は、電解質塩を含有する。電解質塩は、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種である。電解質塩は、正極6と負極8との間でカチオンを授受させるために用いられる化合物である。上記の電解質塩は、低温では解離度が低く、グライム又はイオン液体中で拡散し易いことに加え、高温により熱分解しないため、二次電池が使用可能な環境温度が広範となる点で好ましい。電解質塩は、フッ素イオン電池において用いられる電解質塩であってもよい。
The electrolyte slurry composition contains an electrolyte salt. The electrolyte salt is at least one selected from the group consisting of lithium salts, sodium salts, calcium salts, and magnesium salts. The electrolyte salt is a compound used to transfer cations between the
電解質塩のアニオン成分は、ハロゲン化物イオン(I-、Cl-、Br-等)、SCN-、BF4 -、BF3(CF3)-、BF3(C2F5)-、PF6 -、ClO4 -、SbF6 -、N(SO2F)2 -、N(SO2CF3)2 -、N(SO2C2F5)2 -、B(C6H5)4 -、B(O2C2H4)2 -、C(SO2F)3 -、C(SO2CF3)3 -、CF3COO-、CF3SO2O-、C6F5SO2O-、B(O2C2O2)2 -等であってよい。電解質塩のアニオン成分は、好ましくは、N(SO2F)2 -、N(SO2CF3)2 -等の後述のイオン液体のアニオン成分で例示される式(A)で表されるアニオン成分、PF6 -、BF4 -、B(O2C2O2)2 -、又はClO4 -である。 The anion components of the electrolyte salt include halide ions (I − , Cl − , Br − , etc.), SCN − , BF 4 − , BF 3 (CF 3 ) − , BF 3 (C 2 F 5 ) − , PF 6 − , ClO 4 − , SbF 6 − , N(SO 2 F) 2 − , N(SO 2 CF 3 ) 2 − , N(SO 2 C 2 F 5 ) 2 − , B(C 6 H 5 ) 4 − , B(O 2 C 2 H 4 ) 2 − , C(SO 2 F) 3 − , C(SO 2 CF 3 ) 3 − , CF 3 COO − , CF 3 SO 2 O − , C 6 F 5 SO 2 O - , B(O 2 C 2 O 2 ) 2 - , etc. The anion component of the electrolyte salt is preferably an anion represented by formula (A), such as N(SO 2 F) 2 - , N(SO 2 CF 3 ) 2 -, etc., as exemplified by the anion components of ionic liquids described below. component, PF 6 - , BF 4 - , B(O 2 C 2 O 2 ) 2 - , or ClO 4 - .
なお、以下では下記の略称を用いる場合がある。
[FSI]-:N(SO2F)2
-、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン
[TFSI]-:N(SO2CF3)2
-、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン
[BOB]-:B(O2C2O2)2
-、ビスオキサレートボラートアニオン
[f3C]-:C(SO2F)3
-、トリス(フルオロスルホニル)カルボアニオン
Note that the following abbreviations may be used below.
[FSI] − :N(SO 2 F) 2 − , bis(fluorosulfonyl)imide anion [TFSI] − :N(SO 2 CF 3 ) 2 − , bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion [BOB] − :B (O 2 C 2 O 2 ) 2 − , bisoxalate borate anion [f3C] − :C(SO 2 F) 3 − , tris(fluorosulfonyl) carbanion
リチウム塩は、LiPF6、LiBF4、Li[FSI]、Li[TFSI]、Li[f3C]、Li[BOB]、LiClO4、LiBF3(CF3)、LiBF3(C2F5)、LiBF3(C3F7)、LiBF3(C4F9)、LiC(SO2CF3)3、CF3SO2OLi、CF3COOLi、及びR’COOLi(R’は、炭素数1~4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。 Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , Li[FSI], Li[TFSI], Li[f3C], Li[BOB], LiClO 4 , LiBF 3 (CF 3 ), LiBF 3 (C 2 F 5 ), LiBF 3 (C 3 F 7 ), LiBF 3 (C 4 F 9 ), LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , CF 3 SO 2 OLi, CF 3 COOLi, and R'COOLi (R' is a carbon number of 1 to 4 (alkyl group, phenyl group, or naphthyl group).
ナトリウム塩は、NaPF6、NaBF4、Na[FSI]、Na[TFSI]、Na[f3C]、Na[BOB]、NaClO4、NaBF3(CF3)、NaBF3(C2F5)、NaBF3(C3F7)、NaBF3(C4F9)、NaC(SO2CF3)3、CF3SO2ONa、CF3COONa、及びR’COONa(R’は、炭素数1~4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。 Sodium salts include NaPF 6 , NaBF 4 , Na[FSI], Na[TFSI], Na[f3C], Na[BOB], NaClO 4 , NaBF 3 (CF 3 ), NaBF 3 (C 2 F 5 ), NaBF 3 (C 3 F 7 ), NaBF 3 (C 4 F 9 ), NaC (SO 2 CF 3 ) 3 , CF 3 SO 2 ONa, CF 3 COONa, and R'COONa (R' is a carbon number of 1 to 4 (alkyl group, phenyl group, or naphthyl group).
カルシウム塩は、Ca(PF6)2、Ca(BF4)2、Ca[FSI]2、Ca[TFSI]2、Ca[f3C]2、Ca[BOB]2、Ca(ClO4)2、Ca[BF3(CF3)]2、Ca[BF3(C2F5)]2、Ca[BF3(C3F7)]2、Ca[BF3(C4F9)]2、Ca[C(SO2CF3)3]2、(CF3SO2O)2Ca、(CF3COO)2Ca、及び(R’COO)2Ca(R’は、炭素数1~4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。 Calcium salts include Ca(PF 6 ) 2 , Ca(BF 4 ) 2 , Ca[FSI] 2 , Ca[TFSI] 2 , Ca[f3C] 2 , Ca[BOB] 2 , Ca(ClO 4 ) 2 , Ca [BF 3 (CF 3 )] 2 , Ca [BF 3 (C 2 F 5 )] 2 , Ca [BF 3 (C 3 F 7 )] 2 , Ca [BF 3 (C 4 F 9 )] 2 , Ca [C(SO 2 CF 3 ) 3 ] 2 , (CF 3 SO 2 O) 2 Ca, (CF 3 COO) 2 Ca, and (R'COO) 2 Ca (R' is alkyl having 1 to 4 carbon atoms) group, phenyl group, or naphthyl group.
マグネシウム塩は、Mg(PF6)2、Mg(BF4)2、Mg[FSI]2、Mg[TFSI]2、Mg[f3C]2、Mg[BOB]2、Na(ClO4)2、Mg[BF3(CF3)]2、Mg[BF3(C2F5)]2、Mg[BF3(C3F7)]2、Mg[BF3(C4F9)]2、Mg[C(SO2CF3)3]2、(CF3SO3)2Mg、(CF3COO)2Mg、及び(R’COO)2Mg(R’は、炭素数1~4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。 Magnesium salts include Mg(PF 6 ) 2 , Mg(BF 4 ) 2 , Mg[FSI] 2 , Mg[TFSI] 2 , Mg[f3C] 2 , Mg[BOB] 2 , Na(ClO 4 ) 2 , Mg [BF 3 (CF 3 )] 2 , Mg [BF 3 (C 2 F 5 )] 2 , Mg [BF 3 (C 3 F 7 )] 2 , Mg [BF 3 (C 4 F 9 )] 2 , Mg [C(SO 2 CF 3 ) 3 ] 2 , (CF 3 SO 3 ) 2 Mg, (CF 3 COO) 2 Mg, and (R'COO) 2 Mg (R' is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms) , phenyl group, or naphthyl group).
電解質塩は、好ましくは、イミド系リチウム塩、イミド系ナトリウム塩、イミド系カルシウム塩、及びイミド系マグネシウム塩からなる群より選ばれる1種であり、より好ましくは、イミド系リチウム塩である。 The electrolyte salt is preferably one selected from the group consisting of imide-based lithium salts, imide-based sodium salts, imide-based calcium salts, and imide-based magnesium salts, and more preferably imide-based lithium salts.
イミド系リチウム塩は、Li[TFSI]、Li[FSI]等であってよい。イミド系ナトリウム塩は、Na[TFSI]、Na[FSI]等であってよい。イミド系カルシウム塩は、Ca[TFSI]2、Ca[FSI]2等であってよい。イミド系マグネシウム塩は、Mg[TFSI]2、Mg[FSI]2等であってよい。 The imide-based lithium salt may be Li[TFSI], Li[FSI], or the like. The imide-based sodium salt may be Na[TFSI], Na[FSI], or the like. The imide calcium salt may be Ca[TFSI] 2 , Ca[FSI] 2 or the like. The imide-based magnesium salt may be Mg[TFSI] 2 , Mg[FSI] 2 or the like.
電解質スラリー組成物は、一般式(10)で表される化合物(グライム)及びイオン液体の少なくとも一方を含有する。グライム及びイオン液体は、有機溶媒に包含されない。電解質スラリー組成物は、イオン伝導性及び放電特性の観点から、イオン液体を含有することが好ましい。 The electrolyte slurry composition contains at least one of a compound represented by general formula (10) (glyme) and an ionic liquid. Glyme and ionic liquids are not included in organic solvents. The electrolyte slurry composition preferably contains an ionic liquid from the viewpoint of ionic conductivity and discharge characteristics.
グライムは、一般式(10)で表される化合物である。
RAO-(CH2CH2O)y-RB (10)
Glyme is a compound represented by general formula (10).
R A O-(CH 2 CH 2 O) y -R B (10)
式(10)中、RA及びRBはそれぞれ独立に炭素数1~4のアルキル基を示し、yは1~6の整数を示す。RA及びRBとしてのアルキル基は、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、t-ブチル基等であってよい。これらの中でも、アルキル基は、メチル基又はエチル基であることが好ましい。 In formula (10), R A and R B each independently represent an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and y represents an integer of 1 to 6. The alkyl group as R A and R B may be a methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, t-butyl group, etc. Among these, the alkyl group is preferably a methyl group or an ethyl group.
グライムとしては、例えば、トリエチレングリコールジメチルエーテル(「トリグライム」又は「G3」という場合がある)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(「テトラグライム」又は「G4」という場合がある)、ペンタエチレングリコールジメチルエーテル(「ペンタグライム」又は「G5」という場合がある)、ヘキサエチレングリコールジメチルエーテル(「ヘキサグライム」又は「G6」という場合がある)等が挙げられる。これらは、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、グライムは、好ましくはトリグライム又はテトラグライムであり、より好ましくはテトラグライムである。これらのグライムは、昇温速度5℃/分で昇温したときの質量減少率95%となる温度(質量減少率95%温度)が120℃を超える傾向にある。 Examples of glyme include triethylene glycol dimethyl ether (sometimes called "triglyme" or "G3"), tetraethylene glycol dimethyl ether (sometimes called "tetraglyme" or "G4"), and pentaethylene glycol dimethyl ether (sometimes called "penta glyme" or "G4"). (sometimes referred to as "glyme" or "G5"), hexaethylene glycol dimethyl ether (sometimes referred to as "hexaglyme" or "G6"), and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, glyme is preferably triglyme or tetraglyme, more preferably tetraglyme. These grimes tend to have a temperature at which a mass reduction rate of 95% occurs when the temperature is increased at a heating rate of 5°C/min (mass reduction rate 95% temperature) exceeding 120°C.
イオン液体は、以下のアニオン成分及びカチオン成分を含む。なお、本実施形態におけるイオン液体は、-20℃以上で液状の物質である。イオン液体は、構成するカチオンとアニオンの間に働く強い静電的な相互作用により水、有機溶媒等の分子性液体とは異なり、蒸気圧がほとんどないことが知られている。そのため、イオン液体は、昇温速度5℃/分で昇温したときの質量減少率95%となる温度が120℃を超える傾向にある。 The ionic liquid contains the following anionic components and cationic components. Note that the ionic liquid in this embodiment is a substance that is liquid at −20° C. or higher. Ionic liquids are known to have almost no vapor pressure, unlike molecular liquids such as water and organic solvents, due to strong electrostatic interactions between their constituent cations and anions. Therefore, when an ionic liquid is heated at a heating rate of 5°C/min, the temperature at which the mass reduction rate is 95% tends to exceed 120°C.
イオン液体のアニオン成分は、特に限定されないが、Cl-、Br-、I-等のハロゲンのアニオン、BF4 -、N(SO2F)2 -等の無機アニオン、B(C6H5)4 -、CH3SO2O-、CF3SO2O-、N(SO2C4F9)2 -、N(SO2CF3)2 -、N(SO2C2F5)2 -等の有機アニオンなどであってよい。 The anion component of the ionic liquid is not particularly limited, but includes halogen anions such as Cl - , Br - and I -, inorganic anions such as BF 4 - and N(SO 2 F) 2 - , and B(C 6 H 5 ). 4 − , CH 3 SO 2 O − , CF 3 SO 2 O − , N(SO 2 C 4 F 9 ) 2 − , N(SO 2 CF 3 ) 2 − , N(SO 2 C 2 F 5 ) 2 − It may be an organic anion such as.
イオン液体のアニオン成分は、好ましくは、下記一般式(A)で表されるアニオン成分の少なくとも1種を含む。
N(SO2CmF2m+1)(SO2CnF2n+1)- (A)
The anion component of the ionic liquid preferably includes at least one anion component represented by the following general formula (A).
N(SO 2 C m F 2m+1 ) (SO 2 C n F 2n+1 ) - (A)
式(A)中、m及びnは、それぞれ独立に0~5の整数を表す。m及びnは、互いに同一でも異なっていてもよく、好ましくは互いに同一である。 In formula (A), m and n each independently represent an integer of 0 to 5. m and n may be the same or different, preferably the same.
式(A)で表されるアニオン成分は、例えば、N(SO2C4F9)2 -、N(SO2F)2 -、N(SO2CF3)2 -、及びN(SO2C2F5)2 -である。 The anion component represented by formula (A) is, for example, N(SO 2 C 4 F 9 ) 2 − , N(SO 2 F) 2 − , N(SO 2 CF 3 ) 2 − , and N(SO 2 C 2 F 5 ) 2 - .
イオン液体のアニオン成分は、比較的低粘度でイオン伝導度を更に向上させるとともに、充放電特性も更に向上させる観点から、より好ましくは、N(SO2C4F9)2 -、CF3SO2O-、N(SO2F)2 -、N(SO2CF3)2 -、及びN(SO2C2F5)2 -からなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、更に好ましくはN(SO2F)2 -を含む。 The anionic component of the ionic liquid is more preferably N(SO 2 C 4 F 9 ) 2 − or CF 3 SO from the viewpoint of further improving ionic conductivity with a relatively low viscosity and further improving charge/discharge characteristics. 2 O − , N(SO 2 F) 2 − , N(SO 2 CF 3 ) 2 − , and N(SO 2 C 2 F 5 ) 2 − , more preferably Contains N(SO 2 F) 2 - .
イオン液体のカチオン成分は、特に限定されないが、好ましくは鎖状四級オニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、及びイミダゾリウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種である。 The cation component of the ionic liquid is not particularly limited, but is preferably at least one selected from the group consisting of chain quaternary onium cations, piperidinium cations, pyrrolidinium cations, pyridinium cations, and imidazolium cations.
鎖状四級オニウムカチオンは、例えば、下記一般式(2)で表される化合物である。
ピペリジニウムカチオンは、例えば、下記一般式(3)で表される、窒素を含む六員環環状化合物である。
ピロリジニウムカチオンは、例えば、下記一般式(4)で表される五員環環状化合物である。
ピリジニウムカチオンは、例えば、一般式(5)で示される化合物である。
イミダゾリウムカチオンは、例えば、一般式(6)で示される化合物である。
グライム及びイオン液体の合計の含有量は、電解質層7を好適に作製する観点から、電解質スラリー組成物の有機溶媒を除いた成分全量を基準として、10質量%以上であってよく、80質量%以下であってよい。イオン液体の含有量は、リチウム二次電池を高い負荷率で充放電することを可能にする観点から、電解質スラリー組成物の有機溶媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは20質量%以上であり、より好ましくは30質量%以上である。
From the viewpoint of suitably producing the
電解質層7におけるグライム及びイオン液体の合計の単位体積あたりの電解質塩の濃度は、充放電特性を更に向上させる観点から、好ましくは0.5mol/L以上、より好ましくは0.7mol/L以上、更に好ましくは1.0mol/L以上であり、また、好ましくは3.0mol/L以下、より好ましくは2.5mol/L以下、更に好ましくは2.3mol/L以下である。
The concentration of the electrolyte salt per unit volume of the total of glyme and ionic liquid in the
電解質スラリー組成物は、有機溶媒を含有する。ただし、上述のグライム及びイオン液体は、有機溶媒に包含されない。有機溶媒は、昇温速度5℃/分で昇温したときの質量減少率95%となる温度(質量減少率95%温度)が120℃以下である。 The electrolyte slurry composition contains an organic solvent. However, the above-mentioned glyme and ionic liquid are not included in the organic solvent. The organic solvent has a temperature at which the mass reduction rate is 95% (mass reduction rate 95% temperature) when the temperature is raised at a heating rate of 5°C/min.
有機溶媒は、質量減少率95%温度が120℃以下であるものであれば、特に制限なく用いることができる。有機溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて混合溶媒として用いてもよい。質量減少率95%温度は、質量減少率95%温度の異なる2種以上の有機溶媒の割合を調整することによって、所望の範囲に調整することが可能である。そのため、単独の有機溶媒ではこの条件を満たさない場合であっても、2種以上を組み合わせて混合溶媒とすることによって、この条件を満たすことがあり得る。なお、質量減少率95%温度は、熱重量測定装置を用いて昇温速度5℃/分で昇温させ、質量減少率95%となったときの温度を測定することによって、求めることができる。 The organic solvent can be used without particular limitation as long as the temperature at which the 95% mass reduction rate is 120° C. or lower. One type of organic solvent may be used alone, or two or more types may be used in combination as a mixed solvent. The mass reduction rate 95% temperature can be adjusted to a desired range by adjusting the ratio of two or more organic solvents having different mass reduction rate 95% temperatures. Therefore, even if a single organic solvent does not satisfy this condition, it may be possible to satisfy this condition by combining two or more types to form a mixed solvent. The mass reduction rate of 95% temperature can be determined by increasing the temperature at a heating rate of 5°C/min using a thermogravimetric measuring device and measuring the temperature when the mass reduction rate of 95% is reached. .
有機溶媒の質量減少率95%温度は120℃以下であり、好ましくは115℃以下、より好ましくは110℃以下、更に好ましくは105℃以下である。有機溶媒の質量減少率95%温度が120℃以下であると、電解質スラリー組成物から形成される電解質層7が優れた強度を有する傾向にある。この理由は必ずしも定かではないが、有機溶媒を揮発させ易くなることから、乾燥速度が向上し、緻密な層(膜)が形成されるためだと考えられる。有機溶媒の質量減少率95%温度の下限値は、特に制限されないが、好ましくは50℃以上、より好ましくは60℃以上、更に好ましくは70℃以上である。有機溶媒の質量減少率95%温度が50℃以上であると、乾燥速度を制御し易いことから、均一な膜が得られる傾向にある。
The 95% mass reduction rate temperature of the organic solvent is 120°C or lower, preferably 115°C or lower, more preferably 110°C or lower, even more preferably 105°C or lower. When the 95% mass reduction rate temperature of the organic solvent is 120° C. or lower, the
電解質スラリー組成物はその他の成分を含有していてもよい。その他の成分としては、例えば、セルロース繊維、樹脂繊維、ガラス繊維等が挙げられる。その他の成分の含有量は、電解質スラリー組成物の有機溶媒を除いた成分全量を基準として、0.1~20質量%であってよい。 The electrolyte slurry composition may contain other components. Examples of other components include cellulose fibers, resin fibers, and glass fibers. The content of other components may be 0.1 to 20% by mass based on the total amount of components excluding the organic solvent of the electrolyte slurry composition.
電解質スラリー組成物中の含有成分濃度は、電解質スラリー組成物の全質量を基準として、5~70質量%であってよい。 The concentration of the components contained in the electrolyte slurry composition may be 5 to 70% by weight based on the total weight of the electrolyte slurry composition.
電解質スラリー組成物は、1種又は2種以上のポリマ、酸化物粒子、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩、一般式(10)で表される化合物及びイオン液体の少なくとも一方、有機溶媒、並びにその他の成分を混合、混練することによって調製することができる。混合及び混練は、通常の撹拌機、らいかい機、三本ロール、ボールミル、ビーズミル等の分散機を適宜、組み合わせて行うことができる。 The electrolyte slurry composition comprises one or more polymers, oxide particles, at least one electrolyte salt selected from the group consisting of lithium salts, sodium salts, calcium salts, and magnesium salts, represented by general formula (10). It can be prepared by mixing and kneading at least one of the compound and ionic liquid, an organic solvent, and other components. Mixing and kneading can be carried out using an appropriate combination of dispersing machines such as a conventional stirrer, a sieve machine, a three-roll mill, a ball mill, and a bead mill.
電解質層7として使用される電解質シートは、上述の電解質スラリー組成物を基材上に配置する工程と、配置された電解質スラリー組成物から有機溶媒を除去して基材上に電解質層を形成する工程と、を備える製造方法によって作製される。図4(a)は、一実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図である。図4(a)に示すように、電解質シート13Aは、基材14と、基材14上に設けられた電解質層7とを有する。電解質層7は、電解質スラリー組成物から有機溶媒を除いた成分で構成され得る。
The electrolyte sheet used as the
電解質スラリー組成物を基材上に配置する方法としては、特に制限されないが、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法等による塗布などが挙げられる。 The method for disposing the electrolyte slurry composition on the substrate is not particularly limited, and examples thereof include coating by a doctor blade method, a dipping method, a spray method, and the like.
電解質スラリー組成物から有機溶媒を除去する方法としては、特に制限されないが、例えば、電解質スラリー組成物を加熱して有機溶媒を揮発させる方法等が挙げられる。加熱温度は、使用される有機溶媒に合わせて適宜設定することができる。 The method for removing the organic solvent from the electrolyte slurry composition is not particularly limited, but examples thereof include a method of heating the electrolyte slurry composition to volatilize the organic solvent. The heating temperature can be appropriately set according to the organic solvent used.
基材14は、有機溶媒を揮発させる際の加熱に耐え得る耐熱性を有するものであって、電解質スラリー組成物と反応せず、電解質スラリー組成物により膨潤しないものであれば制限されないが、例えば、樹脂で形成されている。基材14は、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリ四フッ化エチレン、ポリイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン等の樹脂(汎用のエンジニアプラスチック)からなるフィルムであってよい。
The
基材14は、電解質層を製造する過程において有機溶媒を揮発させる処理温度に耐えられる耐熱温度を有していればよい。耐熱温度は、基材14が樹脂で形成されている場合、基材14の軟化点(塑性変形し始める温度)又は融点のうち、より低い温度である。基材14の耐熱温度は、電解質層7に用いられるグライム及びイオン液体との適応性の観点から、好ましくは50℃以上であり、より好ましくは100℃以上であり、更に好ましくは150℃以上であり、また、例えば400℃以下であってよい。上記の耐熱温度を有する基材を使用すれば、上述したような有機溶媒を好適に使用できる。
The
基材14の厚さは、塗布装置での引張り力に耐え得る強度を維持しつつ、可能な限り薄いことが好ましい。基材14の厚さは、電解質シート13A全体の体積を小さくしつつ、電解質スラリー組成物を基材14に塗布する際に強度を確保する観点から、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは10μm以上であり、更に好ましくは25μm以上であり、また、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下であり、更に好ましくは40μm以下である。
The thickness of the
電解質シートは、ロール状に巻き取りながら連続的に製造することもできる。その場合には、電解質層7の表面が基材14の背面に接触して電解質層7の一部が基材14に貼りつくことにより、電解質層7が破損することがある。このような事態を防ぐために、電解質シートは他の実施形態として、電解質層7の基材14と反対側に保護材を設けたものであってもよい。図4(b)は、他の実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図である。図4(b)に示すように、電解質シート13Bは、電解質層7の基材14と反対側に保護材15を更に備えている。
The electrolyte sheet can also be manufactured continuously by winding it up into a roll. In that case, the surface of the
保護材15は、電解質層7から容易に剥離可能なものであればよく、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ四フッ化エチレン等の無極性の樹脂フィルムである。無極性の樹脂フィルムを用いると、電解質層7と保護材15とが互いに貼りつかず、保護材15を容易に剥離することができる。
The
保護材15の厚さは、電解質シート13B全体の体積を小さくしつつ、強度を確保する観点から、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは10μmであり、また、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下であり、更に好ましくは30μm以下である。
The thickness of the
保護材15の耐熱温度は、低温環境での劣化を抑制するとともに、高温環境下での軟化を抑制する観点から、好ましくは-30℃以上であり、より好ましくは0℃以上であり、また、好ましくは100℃以下であり、より好ましくは50℃以下である。保護材15を設ける場合、上述した分散媒の揮発工程を必須としないため、耐熱温度を高くする必要がない。
The heat resistance temperature of the
電解質層7の厚さは、導電率を高め、強度を向上させる観点から、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは10μm以上である。電解質層7の厚さは、電解質層7の抵抗を抑制する観点から、好ましくは200μm以下であり、より好ましくは150μm以下であり、更に好ましくは100μm以下であり、特に好ましくは50μm以下である。
The thickness of the
続いて、上述した二次電池1の製造方法について説明する。本実施形態に係る二次電池1の製造方法は、正極集電体9上に正極合剤層10を形成して正極6を得る第1の工程と、負極集電体11上に負極合剤層12を形成して負極8を得る第2の工程と、上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層7を正極6と負極8との間に配置する第3の工程と、を備える。
Next, a method for manufacturing the above-mentioned
第1の工程では、正極6は、例えば、正極合剤層に用いる材料を混練機、分散機等を用いて分散媒に分散させてスラリー状の正極合剤を得た後、この正極合剤をドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法等により正極集電体9上に塗布し、その後分散媒を揮発させることにより得られる。分散媒を揮発させた後、必要に応じて、ロールプレスによる圧縮成型工程が設けられてもよい。正極合剤層10は、上述した正極合剤の塗布から分散媒の揮発までの工程を複数回行うことにより、多層構造の正極合剤層として形成されてもよい。
In the first step, the
第1の工程において用いられる分散媒は、水、1-メチル-2-ピロリドン(以下、NMPともいう。)等であってよい。なお、分散媒は、上述のグライム及びイオン液体以外の化合物である。 The dispersion medium used in the first step may be water, 1-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter also referred to as NMP), or the like. Note that the dispersion medium is a compound other than the above-mentioned glyme and ionic liquid.
第2の工程において、負極集電体11に負極合剤層12を形成する方法は、上述した第1の工程と同様の方法であってよい。
In the second step, the method for forming the negative
第3の工程において、電解質シート13Aを用いて正極6と負極8との間に電解質層7を配置する方法は、例えば、電解質シート13Aから基材14を剥離し、正極6、電解質層7、及び負極8を、例えば、ラミネートにより積層することで二次電池1が得られる。このとき、電解質層7が、正極6の正極合剤層10側かつ負極8の負極合剤層12側に位置するように、すなわち、正極集電体9、正極合剤層10、電解質層7、負極合剤層12及び負極集電体11がこの順で配置されるように積層する。
In the third step, the method of arranging the
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る二次電池について説明する。図5は、第2実施形態に係る二次電池における電極群の一実施形態を示す模式断面図である。図5に示すように、第2実施形態における二次電池が第1実施形態における二次電池と異なる点は、電極群2Bが、バイポーラ電極16を備えている点である。すなわち、電極群2Bは、正極6と、第1の電解質層7と、バイポーラ電極16と、第2の電解質層7と、負極8とをこの順に備えている。
[Second embodiment]
Next, a secondary battery according to a second embodiment will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of an electrode group in a secondary battery according to a second embodiment. As shown in FIG. 5, the secondary battery in the second embodiment differs from the secondary battery in the first embodiment in that the
バイポーラ電極16は、バイポーラ電極集電体17と、バイポーラ電極集電体17の負極8側の面(正極面)に設けられた正極合剤層10と、バイポーラ電極集電体17の正極6側の面(負極面)に設けられた負極合剤層12とを備えている。
The
バイポーラ電極集電体17において、正極面は、好ましくは耐酸化性に優れた材料で形成されていてよく、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン等で形成されていてよい。負極活物質として黒鉛又は合金を用いたバイポーラ電極集電体17における負極面は、リチウムと合金を形成しない材料で形成されていてよく、具体的には、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、チタン等で形成されていてよい。正極面と負極面に異種の金属を用いる場合、バイポーラ電極集電体17は、異種金属箔を積層させたクラッド材であってよい。ただし、チタン酸リチウムのように、リチウムと合金を形成しない電位で動作する負極8を用いる場合、上述の制限はなくなり、負極面は、正極集電体9と同様の材料であってよい。その場合、バイポーラ電極集電体17は、単一の金属箔であってよい。単一の金属箔としてのバイポーラ電極集電体17は、孔径0.1~10mmの孔を有するアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等であってよい。バイポーラ電極集電体17は、上記以外にも、電池の使用中に溶解、酸化等の変化を生じないものであれば、任意の材料で形成されていてよく、また、その形状、製造方法等も制限されない。
In the bipolar electrode
バイポーラ電極集電体17の厚さは、10μm以上100μm以下であってよく、正極全体の体積を小さくする観点から、好ましくは10μm以上50μm以下であり、電池を形成する際に小さな曲率でバイポーラ電極を捲回する観点から、より好ましくは10μm以上20μm以下である。
The thickness of the bipolar electrode
続いて、第2実施形態に係る二次電池の製造方法について説明する。本実施形態に係る二次電池の製造方法は、正極集電体9上に正極合剤層10を形成して正極6を得る第1の工程と、負極集電体11上に負極合剤層12を形成して負極8を得る第2の工程と、バイポーラ電極集電体17の一方の面に正極合剤層10を形成し、他方の面に負極合剤層12を形成してバイポーラ電極16を得る第3の工程と、正極6とバイポーラ電極16との間及び負極8とバイポーラ電極16との間に上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層7を配置する第4の工程と、を有する。
Next, a method for manufacturing a secondary battery according to the second embodiment will be described. The method for manufacturing a secondary battery according to the present embodiment includes a first step of forming a positive
第1の工程及び第2の工程は、第1実施形態における第1の工程及び第2の工程と同様の方法であってよい。 The first step and the second step may be the same method as the first step and the second step in the first embodiment.
第3の工程において、バイポーラ電極集電体17の一方の面に正極合剤層10を形成する方法は、第1実施形態における第1の工程と同様の方法であってよい。バイポーラ電極集電体17の他方の面に負極合剤層12を形成する方法は、第1実施形態における第2の工程と同様の方法であってよい。
In the third step, the method for forming the positive
第4の工程における正極6とバイポーラ電極16との間に上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層7を配置する方法及び負極8とバイポーラ電極16との間に上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層7を配置する方法は、第1実施形態における第3の工程と同様の方法であってよい。
A method of arranging the
以下、本発明について実施例を挙げてより具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
<電解質スラリー組成物の調製>
乾燥アルゴン雰囲気下で乾燥したリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Li[TFSI])を電解質塩として用い、グライムであるテトラエチレングリコールジメチルエーテル(G4)に、電解質塩をその濃度が2.3mol/Lとなるように溶解させ、Li[TFSI]のG4溶液を調製した(以下、電解質塩のグライム溶液又はイオン液体溶液を表記するに際して、「リチウム塩の濃度/リチウム塩の種類/グライムの種類又はイオン液体の種類」と記載する場合がある。)。次に、ポリマとしてのフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ(PVDF-HFP)と、酸化物粒子としてのSiO2粒子(製品名:AEROSIL OX50、日本アエロジル株式会社製、比表面積:50m2/g、平均一次粒径:約40nm)とを混合した後、有機溶媒としてジメチルアセトアミド(DMAc、100質量%)を添加し、さらに上記で作製したLi[TFSI]のG4溶液を添加して混合することによって、電解質スラリー組成物を得た。このとき、ポリマと酸化物粒子とLi[TFSI]のG4溶液との質量比は、ポリマ:酸化物粒子:Li[TFSI]のG4溶液=34:23:43であった。電解質スラリー組成物中の含有成分濃度は、電解質スラリー組成物の全質量を基準として、45質量%であった。DMAc(100質量%)の質量減少率95%温度は95℃であった。
[Example 1]
<Preparation of electrolyte slurry composition>
Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (Li[TFSI]) dried under a dry argon atmosphere was used as an electrolyte salt, and the electrolyte salt was added to glyme tetraethylene glycol dimethyl ether (G4) at a concentration of 2.3 mol/L. A G4 solution of Li[TFSI] was prepared by dissolving Li[TFSI]. ). Next, a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVDF-HFP) as a polymer and SiO 2 particles as oxide particles (product name: AEROSIL OX50, manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., specific surface area: 50 m 2 / g, average primary particle size: about 40 nm), dimethylacetamide (DMAc, 100% by mass) is added as an organic solvent, and the G4 solution of Li[TFSI] prepared above is further added and mixed. In this way, an electrolyte slurry composition was obtained. At this time, the mass ratio of the polymer, oxide particles, and G4 solution of Li[TFSI] was polymer:oxide particles:G4 solution of Li[TFSI]=34:23:43. The concentration of the components contained in the electrolyte slurry composition was 45% by mass based on the total mass of the electrolyte slurry composition. The 95% mass reduction rate temperature of DMAc (100% by mass) was 95°C.
なお、昇温速度5℃/分で昇温したときの質量減少率95%となる温度(質量減少率95%温度)は、示差熱-熱重量測定装置(株式会社日立ハイテクサイエンス、TG-DTA-6200型)を用いて昇温速度5℃/分で昇温させ、質量減少率95%となったときの温度を測定することによって求めた。 The temperature at which the mass reduction rate is 95% when the temperature is increased at a heating rate of 5°C/min (the temperature at which the mass reduction rate is 95%) is determined using a differential thermal thermogravimeter (Hitachi High-Tech Science Co., Ltd., TG-DTA). -6200 model) at a heating rate of 5° C./min, and the temperature was measured when the mass reduction rate reached 95%.
<電解質シートの作製>
得られた電解質スラリー組成物に対して、電解質スラリー組成物中の含有成分濃度が、電解質スラリー組成物の全質量を基準として、28質量%となるように、有機溶媒であるDMAcを加えて、粘度を調節した。粘度を調節した電解質スラリー組成物をポリエチレンテレフタレート製の基材(製品名:テオネックスR-Q51、帝人デュポンフィルム株式会社製、厚さ38μm)上にアプリケータを用いて塗布した。塗布された電解質スラリー組成物を80℃で1時間加熱乾燥することによって、有機溶媒を揮発させ、基材上に電解質層を備える電解質シートを得た。
<Preparation of electrolyte sheet>
Adding DMAc, which is an organic solvent, to the obtained electrolyte slurry composition so that the concentration of the components contained in the electrolyte slurry composition is 28% by mass based on the total mass of the electrolyte slurry composition, The viscosity was adjusted. An electrolyte slurry composition with adjusted viscosity was applied onto a polyethylene terephthalate base material (product name: Theonex R-Q51, manufactured by Teijin DuPont Films Ltd., thickness 38 μm) using an applicator. The applied electrolyte slurry composition was heated and dried at 80° C. for 1 hour to evaporate the organic solvent and obtain an electrolyte sheet having an electrolyte layer on the base material.
<引張強度の測定>
得られた電解質シートを幅5mmにカットし、チャックで挟んだ後、長さ20mmとなるように台座にテープで固定した。そして、フォースゲージ(日本電産シンポ株式会社製、FGP-5)を用いることによって電解質シートを引張り、電解質シートが破断したときの強度を測定した。結果を表1に示す。
<Measurement of tensile strength>
The obtained electrolyte sheet was cut to a width of 5 mm, sandwiched between zippers, and then fixed to a pedestal with tape to a length of 20 mm. Then, the electrolyte sheet was pulled using a force gauge (Nidec-Shimpo Corporation, FGP-5), and the strength when the electrolyte sheet broke was measured. The results are shown in Table 1.
<イオン伝導度の測定>
得られた電解質シートをφ10mmに打ち抜き、イオン伝導度測定用試料を作製した。この試料を、2極式の密閉セル(宝泉株式会社製、HSセル)内に配置し、交流インピーダンス測定装置(Solartron社製、1260型)を用いて測定した。室温(25℃)にて、10mVで1Hz~10MHzの範囲で交流インピーダンスを測定した。ナイキストプロットの円弧の幅から抵抗値を算出し、抵抗値からイオン伝導度を算出した。なお、密閉セルへの試料の配置は、ドライルーム内で実施した。結果を表1に示す。
<Measurement of ionic conductivity>
The obtained electrolyte sheet was punched out to a diameter of 10 mm to prepare a sample for ionic conductivity measurement. This sample was placed in a two-electrode sealed cell (manufactured by Hosen Co., Ltd., HS cell), and measured using an AC impedance measuring device (manufactured by Solartron, model 1260). AC impedance was measured at room temperature (25° C.) at 10 mV in the range of 1 Hz to 10 MHz. The resistance value was calculated from the width of the arc of the Nyquist plot, and the ionic conductivity was calculated from the resistance value. Note that the samples were placed in the closed cell in a dry room. The results are shown in Table 1.
<正極の作製>
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(正極活物質)78.5質量部、アセチレンブラック(導電剤、平均粒径48nm、製品名:HS-100、デンカ株式会社)5質量部、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ溶液(結着剤、固形分12質量%)2.5質量部、電解質塩を溶解させたイオン液体(1.5M/LiFSI/Py13FSI)14質量部を混合して正極合剤スラリーを調製した。この正極合剤スラリーを集電体(厚さ20μmのアルミニウム箔)上に塗工量147g/m2で塗工し、80℃で乾燥させることにより、合剤密度2.9g/cm3の正極合剤層を形成した。これをφ15mmに打ち抜き、正極とした。
<Preparation of positive electrode>
78.5 parts by mass of layered lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide (positive electrode active material), 5 parts by mass of acetylene black (conductive agent, average particle size 48 nm, product name: HS-100, Denka Corporation), fluoride 2.5 parts by mass of a copolymer solution of vinylidene chloride and hexafluoropropylene (binder,
<負極の作製>
黒鉛A(負極活物質、日立化成株式会社製)78質量部、黒鉛B(日本黒鉛工業株式会社製)2.4質量部、炭素繊維(導電剤、製品名:VGCF-H、昭和電工株式会社)0.6質量部、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ溶液(結着剤、固形分12質量%)5質量部、電解質塩を溶解させたイオン液体(1.5M/LiFSI/Py13FSI)14質量部を混合して負極合剤スラリーを調製した。この負極合剤スラリーを集電体(厚さ10μmの銅箔)上に塗工量68g/m2で塗工し、80℃で乾燥させることにより、合剤密度1.9g/cm3の負極合剤層を形成した。これをφ16mmに打ち抜き、負極とした。
<Preparation of negative electrode>
78 parts by mass of graphite A (negative electrode active material, manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.), 2.4 parts by mass of graphite B (manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd.), carbon fiber (conductive agent, product name: VGCF-H, Showa Denko K.K.) ) 0.6 parts by mass, 5 parts by mass of a copolymer solution of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene (binder,
<評価用コイン型電池の作製>
得られた電解質シートをφ16mmに打ち抜き、基材を剥がすことによって電解質層を得た。正極、電解質層、及び負極を用いて評価用コイン型電池を作製した。ここで、乾燥アルゴン雰囲気下で乾燥したリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(Li[FSI])を電解質塩として用い、N-メチル-N-プロピルピロリジニウムビス(フルオロスルホニル)イミド([Py13][FSI])に、電解質塩の濃度が1.5mol/Lとなるように溶解させてLi[FSI]の[Py13][FSI]溶液を調製した。CR2016型のコインセル容器内に、Li[FSI]の[Py13][FSI]溶液を加え、正極、電解質層、及び負極をこの順に重ねて配置した後、絶縁性のガスケットを介して電池容器上部をかしめて密閉した。
<Production of coin-type battery for evaluation>
The obtained electrolyte sheet was punched out to a diameter of 16 mm, and the base material was peeled off to obtain an electrolyte layer. A coin-type battery for evaluation was produced using a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode. Here, lithium bis(fluorosulfonyl)imide (Li[FSI]) dried under a dry argon atmosphere was used as an electrolyte salt, and N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide ([Py13][ A [Py13][FSI] solution of Li[FSI] was prepared by dissolving the electrolyte salt in 1.5 mol/L of Li[FSI]. After adding a [Py13][FSI] solution of Li[FSI] into a coin cell container of the CR2016 type and arranging the positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode one on top of the other in this order, the top of the battery container was placed through an insulating gasket. It was crimped and sealed.
<電池の放電レート特性の測定>
得られたコイン型電池について、25℃での放電レート特性を、充放電装置(東洋システム株式会社製)を用いて以下の充放電条件の下で測定した。
(1)終止電圧4.2V、0.05Cで定電流定電圧(CCCV)充電を行った後、0.05Cで終止電圧2.7Vまで定電流(CC)放電するサイクルを2サイクル行った。なお、Cとは「電流値(A)/電池容量(Ah)」を意味する。
(2)次いで、終止電圧4.2V、0.05Cで定電流定電圧(CCCV)充電を行った後、0.1Cで終止電圧2.7Vまで定電流(CC)放電、するサイクルを1サイクル行った。さらに1サイクルごとに定電流(CC)放電のレートを0.2、0.3、0.5、及び1.0Cに変化させ、放電レート特性を評価した。結果を表1に示す。
<Measurement of battery discharge rate characteristics>
The discharge rate characteristics of the obtained coin-shaped battery at 25° C. were measured using a charging and discharging device (manufactured by Toyo System Co., Ltd.) under the following charging and discharging conditions.
(1) After performing constant current constant voltage (CCCV) charging at a final voltage of 4.2 V and 0.05 C, two cycles of constant current (CC) discharging at 0.05 C and a final voltage of 2.7 V were performed. Note that C means "current value (A)/battery capacity (Ah)".
(2) Then, one cycle of constant current constant voltage (CCCV) charging at a final voltage of 4.2 V and 0.05 C, followed by constant current (CC) discharging at 0.1 C to a final voltage of 2.7 V. went. Furthermore, the rate of constant current (CC) discharge was changed to 0.2, 0.3, 0.5, and 1.0 C for each cycle, and the discharge rate characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.
[実施例2]
有機溶媒として、DMAcに代えて、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)とシクロヘキサノン(CHN)とを質量比1:1で混合した混合溶媒を用いた以外は、実施例1と同様の方法によって電解質シートを作製した。NMP(50質量%)及びCHN(50質量%)の混合溶媒の質量減少率95%温度は87℃であった。作製した電解質シートを用いて実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。
[Example 2]
The same method as in Example 1 was used except that a mixed solvent of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and cyclohexanone (CHN) mixed at a mass ratio of 1:1 was used as the organic solvent instead of DMAc. An electrolyte sheet was prepared. The 95% mass reduction rate temperature of the mixed solvent of NMP (50% by mass) and CHN (50% by mass) was 87°C. The same evaluation as in Example 1 was performed using the produced electrolyte sheet. The results are shown in Table 1.
[実施例3]
有機溶媒として、DMAcに代えて、NMPとメチルエチルケトン(MEK)とを質量比1:1で混合した混合溶媒を用いた以外は、実施例1と同様の方法によって電解質シートを作製した。NMP(50質量%)及びMEK(50質量%)の混合溶媒の質量減少率95%温度は103℃であった。作製した電解質シートを用いて実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。
[Example 3]
An electrolyte sheet was produced in the same manner as in Example 1, except that a mixed solvent of NMP and methyl ethyl ketone (MEK) mixed at a mass ratio of 1:1 was used as the organic solvent instead of DMAc. The mass reduction rate 95% temperature of the mixed solvent of NMP (50% by mass) and MEK (50% by mass) was 103°C. The same evaluation as in Example 1 was performed using the produced electrolyte sheet. The results are shown in Table 1.
[実施例4]
有機溶媒として、DMAcに代えて、NMPと2-ブタノール(2-BuOH)とを質量比4:1で混合した混合溶媒を用いた以外は、実施例1と同様の方法によって電解質シートを作製した。NMP(80質量%)及び2-BuOH(20質量%)の混合溶媒の質量減少率95%温度は97℃であった。作製した電解質シートを用いて実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。
[Example 4]
An electrolyte sheet was produced in the same manner as in Example 1, except that a mixed solvent of NMP and 2-butanol (2-BuOH) at a mass ratio of 4:1 was used as the organic solvent instead of DMAc. . The 95% mass reduction rate temperature of the mixed solvent of NMP (80% by mass) and 2-BuOH (20% by mass) was 97°C. The same evaluation as in Example 1 was performed using the produced electrolyte sheet. The results are shown in Table 1.
[実施例5]
Li[TFSI]のG4溶液に代えて、Li[FSI]の[Py13][FSI]溶液を用いた以外は、実施例4と同様の方法によって電解質シートを作製した。作製した電解質シートを用いて実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。
[Example 5]
An electrolyte sheet was produced in the same manner as in Example 4, except that a [Py13][FSI] solution of Li[FSI] was used instead of the G4 solution of Li[TFSI]. Evaluations similar to those in Example 1 were performed using the produced electrolyte sheet. The results are shown in Table 1.
[参考例1]
有機溶媒として、DMAcに代えて、NMP(100質量%)を用いた以外は、実施例1と同様の方法によって電解質シートを作製した。NMP(100質量%)の質量減少率95%温度は136℃であった。作製した電解質シートを用いて実施例1と同様の引張強度の測定を行った。結果を表1に示す。なお、参考例1の電解質シートは、引張強度の評価が良好でなかったことから、イオン伝導度の測定及び電池の放電レート特性の測定は実施しなかった。
[Reference example 1]
An electrolyte sheet was produced in the same manner as in Example 1, except that NMP (100% by mass) was used as the organic solvent instead of DMAc. The 95% mass reduction rate temperature of NMP (100% by mass) was 136°C. The tensile strength was measured in the same manner as in Example 1 using the produced electrolyte sheet. The results are shown in Table 1. Note that the electrolyte sheet of Reference Example 1 did not have a good tensile strength evaluation, so measurements of ionic conductivity and discharge rate characteristics of the battery were not performed.
[参考例2]
有機溶媒として、NMPと2-ブタノール(2-BuOH)とを質量比4:1で混合した混合溶媒に代えて、NMP(100質量%)を用いた以外は、実施例5と同様の方法によって電解質シートを作製した。作製した電解質シートを用いて実施例1と同様の引張強度の測定を行った。結果を表1に示す。なお、参考例2の電解質シートは、引張強度の評価が良好でなかったことから、イオン伝導度の測定及び電池の放電レート特性の測定は実施しなかった。
[Reference example 2]
The same method as in Example 5 was used, except that NMP (100% by mass) was used as the organic solvent instead of a mixed solvent in which NMP and 2-butanol (2-BuOH) were mixed at a mass ratio of 4:1. An electrolyte sheet was prepared. The tensile strength was measured in the same manner as in Example 1 using the produced electrolyte sheet. The results are shown in Table 1. Note that the electrolyte sheet of Reference Example 2 did not have a good evaluation of tensile strength, so measurements of ionic conductivity and discharge rate characteristics of the battery were not performed.
実施例1~5の電解質シートは、参考例1、2の電解質シートよりも電解質層の引張強度の点において優れていた。これらの結果から、本発明の電解質スラリー組成物が、優れた強度を有する電解質層を形成することが可能であることが確認された。 The electrolyte sheets of Examples 1 to 5 were superior to the electrolyte sheets of Reference Examples 1 and 2 in terms of the tensile strength of the electrolyte layer. These results confirmed that the electrolyte slurry composition of the present invention was capable of forming an electrolyte layer with excellent strength.
1…二次電池、2,2A,2B…電極群、3…電池外装体、4…正極集電タブ、5…負極集電タブ、6…正極、7…電解質層、8…負極、9…正極集電体、10…正極合剤層、11…負極集電体、12…負極合剤層、13A,13B…電解質シート、14…基材、15…保護材、16…バイポーラ電極、17…バイポーラ電極集電体。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
酸化物粒子と、
リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、
下記一般式(10)で表される化合物及びイオン液体の少なくとも一方と、
有機溶媒と、
を含有し、
前記有機溶媒は、昇温速度5℃/分で昇温したときの質量減少率95%となる温度が120℃以下であり、
前記有機溶媒は、N-メチル-2-ピロリドンを含む、電解質スラリー組成物。
RAO-(CH2CH2O)y-RB (10)
[式(10)中、RA及びRBはそれぞれ独立に炭素数1~4のアルキル基を示し、yは1~6の整数を示す。] one or more polymers,
oxide particles;
At least one electrolyte salt selected from the group consisting of lithium salts, sodium salts, calcium salts, and magnesium salts;
At least one of a compound represented by the following general formula (10) and an ionic liquid,
an organic solvent;
Contains
The organic solvent has a temperature at which a mass reduction rate of 95% when heated at a heating rate of 5° C./min is 120° C. or less,
The electrolyte slurry composition , wherein the organic solvent includes N-methyl-2-pyrrolidone .
R A O-(CH 2 CH 2 O) y -R B (10)
[In formula (10), R A and R B each independently represent an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and y represents an integer of 1 to 6. ]
N(SO2CmF2m+1)(SO2CnF2n+1)- (A)
[式(A)中、m及びnは、それぞれ独立に0~5の整数を表す。] The electrolyte slurry composition according to any one of claims 1 to 3, wherein the ionic liquid contains at least one anion component represented by the following general formula (A) as an anion component.
N(SO 2 C m F 2m+1 ) (SO 2 C n F 2n+1 ) - (A)
[In formula (A), m and n each independently represent an integer of 0 to 5. ]
配置された前記電解質スラリー組成物から前記有機溶媒を除去して前記基材上に電解質層を形成する工程と、
を備える、電解質シートの製造方法。 disposing the electrolyte slurry composition according to any one of claims 1 to 9 on a substrate;
forming an electrolyte layer on the base material by removing the organic solvent from the disposed electrolyte slurry composition;
A method for manufacturing an electrolyte sheet, comprising:
負極集電体上に負極合剤層を形成して負極を得る工程と、
請求項10に記載の製造方法によって得られた電解質シートの前記電解質層を前記正極と前記負極との間に配置する工程と、
を備える、二次電池の製造方法。 forming a positive electrode mixture layer on the positive electrode current collector to obtain a positive electrode;
forming a negative electrode mixture layer on the negative electrode current collector to obtain a negative electrode;
arranging the electrolyte layer of the electrolyte sheet obtained by the manufacturing method according to claim 10 between the positive electrode and the negative electrode;
A method for manufacturing a secondary battery, comprising:
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