JP7489948B2 - Electrode structure, secondary battery, battery pack, vehicle, and stationary power source - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電極構造体及び二次電池等に関する。 Embodiments of the present invention relate to electrode structures and secondary batteries, etc.
リチウムイオン電池などの非水電解質電池は、幅広い分野において、電源として用いられている。非水電解質電池の形態は、各種電子機器用などの小型の物から、電気自動車用などの大型の物まで多岐にわたっている。非水電解質電池は、エチレンカーボネートなどの可燃性物質を含む非水電解質を用いるため、安全性対策が必要となる。 Non-aqueous electrolyte batteries such as lithium-ion batteries are used as power sources in a wide range of fields. Non-aqueous electrolyte batteries come in a wide variety of forms, from small ones for use in various electronic devices to large ones for use in electric vehicles. Non-aqueous electrolyte batteries use non-aqueous electrolytes that contain flammable substances such as ethylene carbonate, so safety measures are necessary.
非水電解質の代わりに、可燃性を有さない水系溶媒を含む水系電解質を用いた水系電解質電池の開発が進められている。 Instead of a non-aqueous electrolyte, development is underway to develop aqueous electrolyte batteries that use an aqueous electrolyte containing a non-flammable aqueous solvent.
高い充放電効率を示すとともに自己放電が抑制された二次電池を実現できる電極構造体、二次電池及び電池パック、並びに、当該電池パックを備えた車両及び定置用電源を提供することを目的とする。 The objective is to provide an electrode structure, a secondary battery, and a battery pack that can realize a secondary battery that exhibits high charge/discharge efficiency and suppresses self-discharge, as well as a vehicle and a stationary power source equipped with the battery pack.
実施形態によれば、負極活物質含有層を備える負極と、第1複合層、多孔質層及び第2複合層の少なくとも3層をこの順で備えるセパレータと、を備える。負極活物質含有層と第1複合層は接し、第1複合層及び第2複合層は固体粒子及び高分子材料を含む。固体粒子は、アルカリ金属イオンのイオン伝導性を有する無機固体粒子を含む。無機個体粒子はアルミナ、シリカ、ジルコニア、イットリア、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化バナジウムなどの酸化物系セラミックス、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸ランタン、炭酸セリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、石膏、硫酸バリウム、水酸燐灰石、リチウムリン酸塩、リン酸ジルコニウム、リン酸チタニウム、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物系セラミックスから成る群から選択される1つを含む。セパレータを切削したとき、第1複合層の負極活物質含有層からの剥離に伴い水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係が1.35≦FH/FV≦2.2である。
According to an embodiment, the battery includes a negative electrode including a negative electrode active material-containing layer, and a separator including at least three layers, a first composite layer, a porous layer, and a second composite layer, in this order. The negative electrode active material-containing layer and the first composite layer are in contact with each other, and the first composite layer and the second composite layer include solid particles and a polymer material. The solid particles include inorganic solid particles having ionic conductivity of alkali metal ions. The inorganic solid particles include one selected from the group consisting of oxide-based ceramics such as alumina, silica, zirconia, yttria, magnesium oxide, calcium oxide, barium oxide, strontium oxide, and vanadium oxide, and nitride-based ceramics such as sodium carbonate, potassium carbonate, magnesium carbonate, calcium carbonate, barium carbonate, lanthanum carbonate, cerium carbonate, calcium sulfate, magnesium sulfate, aluminum sulfate, gypsum, barium sulfate, hydroxyapatite, lithium phosphate, zirconium phosphate, titanium phosphate, silicon nitride, titanium nitride, and boron nitride. When the separator is cut, the relationship between the force FH applied in the horizontal direction and the force FV applied in the vertical direction associated with the peeling of the first composite layer from the negative electrode active material-containing layer is 1.35≦FH/FV≦2.2.
一般的に、水系電解質の電位窓は、非水電解質の電位窓よりも狭い。したがって、水系電解質電池においては、正極及び負極の組み合わせによっては、初回充電時に水系電解質中の水が電気分解することがある。そこで、水系電解質電池に用いられるセパレータには、水が電極と接することを抑制すること、すなわち、高い遮水性を奏する緻密さが求められる。 In general, the potential window of an aqueous electrolyte is narrower than that of a non-aqueous electrolyte. Therefore, in an aqueous electrolyte battery, depending on the combination of the positive and negative electrodes, water in the aqueous electrolyte may be electrolyzed during the initial charge. Therefore, the separator used in an aqueous electrolyte battery is required to prevent water from coming into contact with the electrodes, that is, to be dense enough to provide high water blocking properties.
また、リチウム金属や亜鉛金属を電極に用いた二次電池、及び、リチウムイオンや亜鉛イオンを含む電解質を用いた二次電池においては、それぞれ、リチウムデンドライトや亜鉛デンドライトなどの析出物が充放電により電極上に生成するおそれがある。これらのデンドライトがセパレータを突き破ると、内部短絡を生じ得る。これらのデンドライトに突き破られにくくするという点からも、セパレータには緻密性が求められる。 In addition, in secondary batteries that use lithium metal or zinc metal for the electrodes, and in secondary batteries that use electrolytes containing lithium ions or zinc ions, there is a risk that deposits such as lithium dendrites or zinc dendrites may form on the electrodes during charging and discharging. If these dendrites break through the separator, an internal short circuit may occur. Separators are required to be dense in order to make them less likely to be broken through by these dendrites.
特に高い緻密性を有するセパレータとしては、例えば、固体電解質膜が挙げられる。固体電解質膜は、イオン伝導性を有する無機固体粒子のみからなる膜である。固体電解質膜は、溶媒を透過させず、特定のイオンのみを選択的に透過させることができるため、完全な遮水性を有する。しかしながら、固体電解質膜は柔軟性が低いため、耐久性が十分ではない。また、固体電解質膜をセパレータとして用いるためには、一定以上の厚みが必要となるため、電池のエネルギー密度を高めにくい。 An example of a separator with particularly high density is a solid electrolyte membrane. A solid electrolyte membrane is a membrane made only of inorganic solid particles with ion conductivity. A solid electrolyte membrane is completely waterproof because it does not allow the passage of solvents and allows only specific ions to pass through selectively. However, a solid electrolyte membrane has low flexibility and is therefore not sufficiently durable. In addition, in order to use a solid electrolyte membrane as a separator, a certain thickness is required, making it difficult to increase the energy density of the battery.
この問題を解消するために、無機固体粒子同士を高分子材料により結着させたポリマー複合膜が提案されている。ポリマー複合膜は、固体電解質膜ほどの完全な遮水性は示さないものの、高い緻密性を有し、かつ、微量の水系電解質を含浸できる。また、ポリマー複合膜は、固体電解質膜と比較して、柔軟性に優れ、薄膜化も可能である。 To solve this problem, a polymer composite membrane has been proposed in which inorganic solid particles are bonded together with a polymer material. Although polymer composite membranes do not exhibit the same complete water impermeability as solid electrolyte membranes, they are highly dense and can be impregnated with minute amounts of aqueous electrolyte. Furthermore, polymer composite membranes are more flexible than solid electrolyte membranes and can be made thinner.
しかし、このような複合電解質膜をセパレータに用いた場合、水系電解質により膨潤することで表面にひび割れが生じ、電極近傍へ水系電解質が接しやすくなる懸念があった。 However, when such a composite electrolyte membrane is used as a separator, there is a concern that the surface may crack due to swelling caused by the aqueous electrolyte, making it easier for the aqueous electrolyte to come into contact with the electrodes.
以下、実施形態について適宜図面を参照して説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する場合もある。また、各図は実施の形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更することができる。また、特段の断りがなければ、pHや他の測定により得られる値は大気圧、25℃で測定した値である。 The following describes the embodiments with reference to the drawings as appropriate. Note that common components throughout the embodiments are given the same reference numerals, and duplicate explanations may be omitted. Each figure is a schematic diagram to facilitate the explanation and understanding of the embodiments, and the shapes, dimensions, ratios, etc. may differ from those of the actual device, but these can be appropriately modified in design by taking into account the following explanation and known techniques. Also, unless otherwise specified, values obtained by pH and other measurements are values measured at atmospheric pressure and 25°C.
[第1の実施形態]
第1の実施形態によると、電極構造体は、負極活物質含有層を備える負極と、第1複合層、多孔質層及び第2複合層の少なくとも3層をこの順で備えるセパレータと、を備え、負極活物質含有層と第1複合層は接し、第1複合層及び第2複合層は固体粒子及び高分子材料を含み、負極活物質含有層と第1複合層の界面を界面切削評価により計測したときの水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係が1.35≦FH/FV≦2.2である。
[First embodiment]
According to a first embodiment, an electrode structure comprises a negative electrode having a negative electrode active material-containing layer, and a separator having at least three layers, namely, a first composite layer, a porous layer, and a second composite layer, in this order, the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer are in contact with each other, the first composite layer and the second composite layer contain solid particles and a polymer material, and when the interface between the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer is measured by interface cutting evaluation, the relationship between a force FH applied in the horizontal direction and a force FV applied in the vertical direction satisfies 1.35≦FH/FV≦2.2.
図1は、実施形態に係る電極構造体の一例を概略的に示す断面図である。図1に示す電極構造体1は、セパレータ4と負極3とを具備する。セパレータ4は、多孔質層4a、第1複合層4b1及び第2複合層4b2を備える。多孔質層4aは第1複合層4b1と第2複合層4b2に挟まれている。そのため、第1複合層、多孔質層及び第2複合層の少なくとも3層をこの順で備える。第1複合層と第2複合層を総称して複合層と記載する場合もある。
Figure 1 is a cross-sectional view that shows a schematic example of an electrode structure according to an embodiment. The
図1では多孔質層4aはセパレータ4の一方の端部から他方の端部までの全体に存在しているが、セパレータ4の中心から端部へ向かって90%の位置まで存在していればよい。複合層4bは、固体粒子と高分子材料を含む。複合層は無機固体粒子と高分子材料から構成されることが好ましい。本実施形態に係る電極構造体のように、多孔質層が複合層の間に存在するセパレータを用いることで、複合層のみからなるセパレータを備える電極構造体を水系電解質に含浸した際に、複合層のみからなるセパレータに生じるクラックを減じることができる。これは、多孔質層が緩衝材の役割を果たすことができるためである。このようにクラックを減じることができるので、複合層の強度を保ちながらセパレータの厚さも薄くすることができるため、電池のエネルギー密度を向上させることもできる。
In FIG. 1, the
水系電解質電池の場合、正極と負極にはそれぞれ異なる水系電解質を用いることが電池の効率低下を防ぎつつ、自己放電を抑制させるうえで好ましい。セパレータにクラックが生じると、セパレータを通過して正極と負極の水系電解質が直接接し、混合してしまう。そのため、本実施形態に係る電極構造体の備えるクラックの発生を抑制できるセパレータでは多孔質層が緩衝材として働くことができるため、正極側の水系電解質と負極側の水系電解質が混合することを抑制することができる。そのため、電池の効率低下を防ぎつつ、自己放電を改善することができる。 In the case of an aqueous electrolyte battery, it is preferable to use different aqueous electrolytes for the positive and negative electrodes in order to prevent a decrease in the efficiency of the battery while suppressing self-discharge. If a crack occurs in the separator, the aqueous electrolytes of the positive and negative electrodes pass through the separator and come into direct contact with each other, resulting in mixing. Therefore, in the separator that can suppress the occurrence of cracks provided in the electrode structure according to this embodiment, the porous layer can act as a buffer material, so that the aqueous electrolyte on the positive electrode side and the aqueous electrolyte on the negative electrode side can be prevented from mixing. Therefore, self-discharge can be improved while preventing a decrease in the efficiency of the battery.
図1では多孔質層が1層と、複合層が2層の3層構造であるが、セパレータの構造はこれに限られない。例えば、図2は電極構造体の備えるセパレータの変形例の概略図である。図2に示すように、多孔質層が2層と、複合層が3層の5層構造とすることもできる。つまり、多孔質層がn層ある場合(n≧1、nは整数)、複合層はn+1層となり、多孔質層と複合層が交互に積層され、かつ活物質含有層と接する層に複合層が配置されればよい。多孔質層や複合層が多くなるほどセル抵抗が増大するので、多孔質層が1層、複合層が2層の3層構造が好ましい。 In FIG. 1, the separator has a three-layer structure with one porous layer and two composite layers, but the structure is not limited to this. For example, FIG. 2 is a schematic diagram of a modified separator provided in the electrode structure. As shown in FIG. 2, it can also have a five-layer structure with two porous layers and three composite layers. In other words, when there are n porous layers (n≧1, n is an integer), the composite layer has n+1 layers, and the porous layers and composite layers are alternately stacked, and the composite layer is disposed in the layer in contact with the active material-containing layer. The more porous layers and composite layers there are, the higher the cell resistance becomes, so a three-layer structure with one porous layer and two composite layers is preferable.
負極3は、負極集電体3aと、負極活物質含有層3bとを備える。図1では、負極集電体は負極活物質層の上に積層されているが、負極活物質層の内部に負極集電体が備えられてもよい。その際には、負極集電体はメッシュ状のメッシュ負極集電体を用いることが好ましい。
The
本実施形態に係る電極構造体の負極活物質含有層と第1複合層は接している。負極活物質含有層と第1複合層の界面を界面切削評価により計測したときの水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係はFH/FV≧1.35である。このような関係であることで、負極活物質含有層と複合層が強く結着することになる。結着しているとは、負極活物質含有層と第1複合層が互いの結着剤によって接着している状態である。負極活物質含有層は水系電解質に曝されてもほとんど膨潤しない。そのため、負極活物質含有層と複合層が結着することで複合層が水系電解質により膨潤したとしても、負極活物質含有層が複合層の膨潤を抑制することができるため、複合層の膨潤による割れ、クラックの発生を抑制することができる。 The negative electrode active material-containing layer and the first composite layer of the electrode structure according to this embodiment are in contact with each other. When the interface between the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer is measured by an interface cutting evaluation, the relationship between the horizontal force FH and the vertical force FV is FH/FV≧1.35. This relationship results in a strong bond between the negative electrode active material-containing layer and the composite layer. The bond means that the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer are bonded to each other by their respective binders. The negative electrode active material-containing layer hardly swells even when exposed to an aqueous electrolyte. Therefore, even if the composite layer swells due to the aqueous electrolyte due to the bond between the negative electrode active material-containing layer and the composite layer, the negative electrode active material-containing layer can suppress the swelling of the composite layer, and therefore the occurrence of cracks due to the swelling of the composite layer can be suppressed.
また、負極活物質含有層と複合層界面に液溜まりが発生すると、これらと負極表面が接触している領域で水分解が生じ自己放電性能を低下させる要因となる。本願のように負極活物質含有層と複合層が強く結着することで、これら界面に液溜まりが生成することを防ぎ、自己放電性能を向上させることができる。 In addition, if liquid pools form at the interface between the negative electrode active material-containing layer and the composite layer, water decomposition occurs in the area where they come into contact with the negative electrode surface, which causes a decrease in self-discharge performance. By strongly bonding the negative electrode active material-containing layer and the composite layer as in the present application, liquid pools can be prevented from forming at the interface, and self-discharge performance can be improved.
電極構造体の負極と複合層の界面を界面切削評価により計測したときの水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係は1.35≦FH/FV≦2.2であることが好ましい。この範囲となることでより強固に負極活物質含有層と複合層が結着するため、より複合層での膨潤による割れ、クラックの発生を抑制することができる。より好ましくは1.4≦FH/FV≦2.2であり、さらにより好ましくは1.5≦FH/FV≦2.2である。 The relationship between the horizontal force FH and the vertical force FV when the interface between the negative electrode and the composite layer of the electrode structure is measured by interface cutting evaluation is preferably 1.35≦FH/FV≦2.2. This range allows the negative electrode active material-containing layer and the composite layer to be more firmly bonded, so that the occurrence of cracks and breakage due to swelling in the composite layer can be further suppressed. More preferably, 1.4≦FH/FV≦2.2, and even more preferably, 1.5≦FH/FV≦2.2.
電極構造体の負極と複合層の界面を界面切削評価により計測したときの水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係はFH/FV≦2.2であることが好ましい。2.2<FH/FVであると負極と複合層が強く結着しすぎるため、界面でのイオン伝導を阻害し抵抗成分となり好ましくない。 When the interface between the negative electrode and the composite layer of the electrode structure is measured by interface cutting evaluation, the relationship between the horizontal force FH and the vertical force FV is preferably FH/FV≦2.2. If 2.2<FH/FV, the negative electrode and the composite layer are too strongly bonded, which inhibits ion conduction at the interface and becomes a resistive component, which is undesirable.
本実施形態では、電極構造体は、負極及びセパレータを備えるものをいう。本実施形態に係る電極構造体は、負極とセパレータが強固に結着していることによりセパレータの厚みを低減させることができるため、エネルギー密度を向上させることができる。また、正極側と負極側の水系電解質の種類を変えた場合は正極側水系電解質と負極側水系電解質が過剰に混合することを抑制することができ、また負極とセパレータが強固に結着していることによりセパレータと負極の間に液溜まりの存在を抑制することができるため、自己放電率を低減させることができる二次電池を実現できる。 In this embodiment, the electrode structure includes a negative electrode and a separator. In the electrode structure according to this embodiment, the thickness of the separator can be reduced due to the strong bond between the negative electrode and the separator, and therefore the energy density can be improved. In addition, when the types of aqueous electrolytes on the positive electrode side and the negative electrode side are changed, excessive mixing of the aqueous electrolyte on the positive electrode side and the aqueous electrolyte on the negative electrode side can be suppressed. In addition, since the negative electrode and the separator are strongly bonded, the presence of liquid pools between the separator and the negative electrode can be suppressed, and therefore a secondary battery with a reduced self-discharge rate can be realized.
ここで本実施形態に係る電極構造体の具体的な構成を説明する。 Here we explain the specific configuration of the electrode structure according to this embodiment.
(負極)
電極構造体が含む負極は、負極活物質含有層と負極集電体とを含む。負極活物質含有層は、負極活物質を含む。集電体を負極集電体と呼ぶこともある。負極活物質含有層の面の一方は複合層と接する。
(Negative electrode)
The negative electrode included in the electrode structure includes a negative electrode active material-containing layer and a negative electrode current collector. The negative electrode active material-containing layer includes a negative electrode active material. The current collector is sometimes called a negative electrode current collector. One surface of the negative electrode active material-containing layer is in contact with the composite layer.
負極活物質含有層は、負極活物質(電極活物質)と、任意に導電剤及び結着剤とを含む。負極活物質含有層は、活物質として、リチウムイオン挿入-脱離電位がリチウムの酸化-還元電位に対し1V以上3V以下(vs.Li/Li+)である化合物を含んだ負極活物質を含むことが望ましい。 The negative electrode active material-containing layer contains a negative electrode active material (electrode active material) and, optionally, a conductive agent and a binder. The negative electrode active material-containing layer desirably contains, as an active material, a negative electrode active material containing a compound having a lithium ion insertion-extraction potential of 1 V to 3 V (vs. Li/Li + ) relative to the oxidation-reduction potential of lithium.
リチウムイオン挿入-脱離電位が上記の範囲内にある化合物を負極活物質に含む負極を備えた水系電解質電池では、初回充電時に、負極の内部及び負極近傍において、水系電解質の溶媒に含まれる水が、電気分解し得る。これは、初回充電時に、負極活物質にリチウムイオンが挿入されることにより、負極の電位が低下するためである。負極電位が水素発生電位より低下すると、負極の内部及び負極近傍において、一部の水が水素(H2)と水酸化物イオン(OH-)とに分解される。これにより、負極内部及び負極近傍に存在する水系電解質のpHが高まる。 In an aqueous electrolyte battery having a negative electrode containing a compound having a lithium ion insertion-extraction potential in the above range in the negative electrode active material, water contained in the solvent of the aqueous electrolyte may be electrolyzed inside and near the negative electrode during the initial charge. This is because the potential of the negative electrode decreases due to the insertion of lithium ions into the negative electrode active material during the initial charge. When the negative electrode potential decreases below the hydrogen generation potential, a portion of the water is decomposed into hydrogen (H 2 ) and hydroxide ions (OH − ) inside and near the negative electrode. This increases the pH of the aqueous electrolyte present inside and near the negative electrode.
負極での水素発生電位は、水系電解質のpHに依存する。すなわち、負極と接している水系電解質のpHが高まると、負極での水素発生電位は低下する。リチウムイオン挿入-脱離電位の下限値が1V以上(vs.Li/Li+)である負極活物質を用いた電池においては、初回充電時は負極の電位が水素発生電位より低いものの、初回充電後は、負極の電位が水素発生電位より高くなり易いため、負極における水の分解が生じにくくなる。 The hydrogen generation potential at the negative electrode depends on the pH of the aqueous electrolyte. That is, when the pH of the aqueous electrolyte in contact with the negative electrode increases, the hydrogen generation potential at the negative electrode decreases. In a battery using a negative electrode active material with a lower limit of the lithium ion insertion-extraction potential of 1 V or more (vs. Li/Li + ), the potential of the negative electrode is lower than the hydrogen generation potential during the initial charge, but after the initial charge, the potential of the negative electrode tends to become higher than the hydrogen generation potential, making it difficult for water to decompose at the negative electrode.
そのため、電極構造体を負極とセパレータとの複合部材として使用する電池では、初回充電後に負極内及び負極近傍に存在する水系電解質のpHを高い状態に維持できる。従って、電極構造体の活物質含有層に含ませる負極活物質としてリチウムイオン挿入-脱離電位の下限値が1V以上(vs.Li/Li+)である化合物を用いると、高容量で、かつ、安定性に優れた二次電池を実現できる。 Therefore, in a battery using the electrode structure as a composite member of the negative electrode and the separator, the pH of the aqueous electrolyte present in and near the negative electrode can be maintained at a high level after the initial charge. Therefore, by using a compound having a lower limit of the lithium ion insertion-extraction potential of 1 V or more (vs. Li/Li + ) as the negative electrode active material contained in the active material-containing layer of the electrode structure, a secondary battery with high capacity and excellent stability can be realized.
リチウムイオン挿入-脱離電位がリチウムの酸化-還元電位を基準とする電位で、1V以上3V以下(vs.Li/Li+)である化合物としては、例えば、チタン酸化物及びチタン含有酸化物が挙げられる。チタン含有酸化物としては、リチウムチタン複合酸化物、ニオブチタン複合酸化物、ナトリウムニオブチタン複合酸化物などが挙げられる。負極活物質は、チタン酸化物及びチタン含有酸化物を1以上含むことができる。 Examples of compounds having a lithium ion insertion-extraction potential of 1 V or more and 3 V or less (vs. Li/Li + ) based on the oxidation-reduction potential of lithium include titanium oxides and titanium-containing oxides. Examples of titanium-containing oxides include lithium titanium composite oxides, niobium titanium composite oxides, and sodium niobium titanium composite oxides. The negative electrode active material may contain one or more of titanium oxides and titanium-containing oxides.
チタン酸化物は、例えば、単斜晶構造のチタン酸化物、ルチル構造のチタン酸化物、アナターゼ構造のチタン酸化物を含む。各結晶構造のチタン酸化物は、充電前の組成をTiO2、充電後の組成をLiyTiO2(添字yは0≦y≦1)で表すことができる。また、単斜晶構造のチタン酸化物の充電前構造をTiO2(B)と表すことができる。 Titanium oxide includes, for example, titanium oxide with a monoclinic structure, titanium oxide with a rutile structure, and titanium oxide with an anatase structure. The composition of titanium oxide with each crystal structure before charging can be expressed as TiO2 , and the composition after charging can be expressed as LiyTiO2 (subscript y is 0≦y≦1). The structure of titanium oxide with a monoclinic structure before charging can be expressed as TiO2 (B).
リチウムチタン酸化物は、例えば、スピネル構造のリチウムチタン酸化物(例えば一般式Li4+jTi5O12で表され-1≦j≦3である化合物)、ラムスデライト構造のリチウムチタン酸化物(例えば、Li2+jTi3O7で表され-1≦j≦3である化合物)、Li1+yTi2O4で表され0≦y≦1である化合物、Li1.1+yTi1.8O4で表され0≦y≦1である化合物、Li1.07+yTi1.86O4で表され0≦y≦1である化合物、LikTiO2で表され0<k≦1である化合物などを含む。また、リチウムチタン酸化物は、異種元素が導入されているリチウムチタン複合酸化物であってもよい。 Examples of the lithium titanium oxide include lithium titanium oxides having a spinel structure (e.g., a compound represented by the general formula Li4 + jTi5O12 , where -1≦j≦3), lithium titanium oxides having a ramsdellite structure (e.g., a compound represented by Li2 + jTi3O7 , where -1≦j≦3), a compound represented by Li1+ yTi2O4 , where 0≦y≦1, a compound represented by Li1.1+ yTi1.8O4 , where 0≦y≦1, a compound represented by Li1.07+ yTi1.86O4 , where 0≦y≦1, a compound represented by LikTiO2 , where 0<k≦1, etc. The lithium titanium oxide may also be a lithium titanium composite oxide having a different element introduced therein.
ニオブチタン複合酸化物は、例えば、LiχTiMeαNb2±βO7±σで表され0≦χ≦5、0≦α≦0.3、0≦β≦0.3、0≦σ≦0.3、MeはFe,V,Mo及びTaよりなる群から選択される1以上である化合物を含む。 The niobium titanium composite oxide includes, for example, a compound represented by Li χ TiMe α Nb 2±β O 7±σ, where 0≦χ≦5, 0≦α≦0.3, 0≦β≦0.3, and 0≦σ≦0.3, and Me is one or more selected from the group consisting of Fe, V, Mo, and Ta.
ナトリウムニオブチタン複合酸化物は、例えば、一般式Li2+dNa2-eMe1fTi6-g-hNbgMe2hO14+δで表され、0≦d≦4、0≦e<2、0≦f<2、0<g<6、0≦h<3、-0.5≦δ≦0.5、Me1はCs,K,Sr,Ba,Caより選択される1以上を含み、Me2はZr,Sn,V,Ta,Mo,W,Fe,Co,Mn,Alより選択される1以上を含む直方晶(orthorhombic)型Na含有ニオブチタン複合酸化物を含む。 The sodium niobium titanium composite oxide is, for example, represented by the general formula Li 2+d Na 2-e Me1 f Ti 6-g-h Nb g Me2 h O 14+δ , where 0≦d≦4, 0≦e<2, 0≦f<2, 0<g<6, 0≦h<3, -0.5≦δ≦0.5, Me1 includes one or more selected from Cs, K, Sr, Ba, and Ca, and Me2 includes one or more selected from Zr, Sn, V, Ta, Mo, W, Fe, Co, Mn, and Al. It includes an orthorhombic type Na-containing niobium titanium composite oxide.
電極構造体の備える負極は、負極活物質として、アナターゼ構造のチタン酸化物、単斜晶構造のチタン酸化物、スピネル構造のリチウムチタン酸化物、ニオブチタン複合酸化物、又はこれらの混合物を用いることが好ましい。一方では、アナターゼ構造のチタン酸化物、単斜晶構造のチタン酸化物、又はスピネル構造のリチウムチタン酸化物を負極活物質として用いると、例えば、電極構造体は正極活物質にリチウムマンガン複合酸化物を用いた正極と組み合わせることで、高い起電力を得ることができる。他方、ニオブチタン複合酸化物を用いることで、高容量を発揮できる。 The negative electrode of the electrode structure preferably uses titanium oxide with anatase structure, titanium oxide with monoclinic structure, lithium titanium oxide with spinel structure, niobium titanium composite oxide, or a mixture of these as the negative electrode active material. On the one hand, when titanium oxide with anatase structure, titanium oxide with monoclinic structure, or lithium titanium oxide with spinel structure is used as the negative electrode active material, the electrode structure can obtain a high electromotive force by combining it with a positive electrode using lithium manganese composite oxide as the positive electrode active material, for example. On the other hand, the use of niobium titanium composite oxide can exhibit high capacity.
負極活物質は、例えば、粒子の形態で活物質含有層に含まれ得る。負極活物質粒子は、一次粒子、一次粒子の凝集体である二次粒子、あるいは、単独の一次粒子及び二次粒子の混合物であり得る。粒子の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、球状、楕円形状、扁平形状、及び繊維状などであり得る。 The negative electrode active material may be contained in the active material-containing layer in the form of particles, for example. The negative electrode active material particles may be primary particles, secondary particles which are aggregates of primary particles, or a mixture of a single primary particle and a secondary particle. The shape of the particles is not particularly limited, and may be, for example, spherical, elliptical, flat, fibrous, etc.
負極活物質の二次粒子は、例えば、以下の方法により得ることができる。先ず、負極活物質原料を反応合成して平均粒子径1μm以下の負極活物質前駆体を作製する。その後、負極活物質前駆体に対し焼成処理を行い、ボールミルやジェットミルなどの粉砕機を用いて粉砕処理を施す。次いで焼成処理において、負極活物質前駆体を凝集させて粒子径の大きい二次粒子に成長させる。 The secondary particles of the negative electrode active material can be obtained, for example, by the following method. First, the raw materials of the negative electrode active material are reacted and synthesized to produce a negative electrode active material precursor with an average particle size of 1 μm or less. The negative electrode active material precursor is then subjected to a firing process and a pulverization process using a pulverizer such as a ball mill or a jet mill. Next, in the firing process, the negative electrode active material precursor is aggregated and grown into secondary particles with a large particle size.
負極活物質の二次粒子の平均粒子径(直径)は、3μm以上であることが好ましく、5μm以上20μm以下であることがより好ましい。この範囲であると、負極活物質の表面積が小さいため、水の分解をより抑制できる。 The average particle size (diameter) of the secondary particles of the negative electrode active material is preferably 3 μm or more, and more preferably 5 μm or more and 20 μm or less. In this range, the surface area of the negative electrode active material is small, so water decomposition can be further suppressed.
負極活物質の一次粒子の平均粒子径は1μm以下とすることが望ましい。これにより、負極活物質内部でのLiイオンの拡散距離が短くなり、比表面積が大きくなる。そのため、優れた高入力性能(急速充電)が得られる。一方、負極活物質の一次粒子の平均粒子径が小さいと、粒子の凝集が起こりやすくなる。負極活物質の粒子の凝集が生じると、二次電池内において水系電解質が、その電極に偏在し易くなり、正極において、イオン種の枯渇を招く恐れがある。それゆえ、負極活物質の一次粒子の平均粒子径は、0.001μm以上であることが好ましい。負極活物質の一次粒子の平均粒子径は、0.1μm以上0.8μm以下であることがより好ましい。 It is desirable that the average particle diameter of the primary particles of the negative electrode active material is 1 μm or less. This shortens the diffusion distance of Li ions inside the negative electrode active material and increases the specific surface area. Therefore, excellent high input performance (fast charging) can be obtained. On the other hand, if the average particle diameter of the primary particles of the negative electrode active material is small, the particles are more likely to aggregate. If the particles of the negative electrode active material aggregate, the aqueous electrolyte in the secondary battery is more likely to be unevenly distributed at the electrode, which may lead to a depletion of ion species at the positive electrode. Therefore, it is preferable that the average particle diameter of the primary particles of the negative electrode active material is 0.001 μm or more. It is more preferable that the average particle diameter of the primary particles of the negative electrode active material is 0.1 μm or more and 0.8 μm or less.
なお、この一次粒子径及び二次粒子径は、レーザー回折式の粒度分布測定装置により求めた粒度分布において、体積積算値が50%となる粒径を意味している。レーザー回折式の粒度分布測定装置としては、例えば、島津SALD-300を用いる。測定に際しては、2秒間隔で64回光度分布を測定する。この粒度分布測定を行う際の試料としては、活物質粒子の濃度が0.1質量%から1質量%となるようにN-メチル-2-ピロリドンで希釈した分散液を用いる。あるいは、測定試料としては、0.1gの活物質を、界面活性剤を含む1ml-2mlの蒸留水に分散させたものを用いる。 The primary particle size and secondary particle size refer to the particle size at which the volume cumulative value is 50% in the particle size distribution determined by a laser diffraction particle size distribution measuring device. For example, a Shimadzu SALD-300 is used as a laser diffraction particle size distribution measuring device. The light intensity distribution is measured 64 times at 2 second intervals. The sample used for this particle size distribution measurement is a dispersion diluted with N-methyl-2-pyrrolidone so that the concentration of active material particles is 0.1% to 1% by mass. Alternatively, the measurement sample is one in which 0.1 g of active material is dispersed in 1 ml to 2 ml of distilled water containing a surfactant.
負極活物質は、窒素(N2)吸着によるBET法での比表面積が、例えば、3m2/g以上200m2/g以下の範囲内にある。負極活物質の比表面積がこの範囲内にあると、負極と水系電解質との親和性を更に高くすることができる。この比表面積は、例えば、後述する負極活物質含有層の比表面積の測定方法と同様の方法で求めることができる。 The negative electrode active material has a specific surface area, as measured by the BET method using nitrogen (N 2 ) adsorption, in the range of, for example, 3 m 2 /g to 200 m 2 /g. When the specific surface area of the negative electrode active material is within this range, the affinity between the negative electrode and the aqueous electrolyte can be further increased. This specific surface area can be determined, for example, by a method similar to the method for measuring the specific surface area of the negative electrode active material-containing layer described later.
負極活物質含有層の多孔度は、20%以上50%以下にすることが望ましい。これにより、水系電解質との親和性に優れ、かつ高密度な負極を得ることができる。負極活物質含有層の多孔度は、25%以上40%以下であることがより好ましい。 It is desirable for the porosity of the negative electrode active material-containing layer to be 20% or more and 50% or less. This makes it possible to obtain a high-density negative electrode that has excellent affinity with the aqueous electrolyte. It is more preferable for the porosity of the negative electrode active material-containing layer to be 25% or more and 40% or less.
負極活物質含有層の多孔度は、例えば、水銀圧入法により得ることができる。具体的には、先ず、水銀圧入法により、負極活物質含有層の細孔分布を得る。この細孔分布から全細孔量を算出する。全細孔量と負極活物質含有層の体積との比から、多孔度を算出することが出来る。 The porosity of the negative electrode active material-containing layer can be obtained, for example, by mercury intrusion porosimetry. Specifically, first, the pore distribution of the negative electrode active material-containing layer is obtained by mercury intrusion porosimetry. The total pore volume is calculated from this pore distribution. The porosity can be calculated from the ratio of the total pore volume to the volume of the negative electrode active material-containing layer.
負極活物質含有層の窒素(N2)吸着によるBET法での比表面積は、3m2/g以上50m2/g以下であることがより好ましい。負極活物質含有層の比表面積が3m2/g未満であると、負極活物質と水系電解質との親和性が低くなる。その結果、負極の界面抵抗が増加して、二次電池の出力性能及び充放電サイクル性能が低下する恐れがある。一方、負極活物質含有層の比表面積が50m2/gを超えると、水系電解質が含む電解質塩から電離したイオン種の分布が負極に偏り、正極での該イオン種の不足を招くため、出力性能及び充放電サイクル性能が低下することがある。 The specific surface area of the negative electrode active material-containing layer measured by the BET method using nitrogen (N 2 ) adsorption is more preferably 3 m 2 /g or more and 50 m 2 /g or less. If the specific surface area of the negative electrode active material-containing layer is less than 3 m 2 /g, the affinity between the negative electrode active material and the aqueous electrolyte is reduced. As a result, the interface resistance of the negative electrode increases, and the output performance and charge/discharge cycle performance of the secondary battery may be reduced. On the other hand, if the specific surface area of the negative electrode active material-containing layer exceeds 50 m 2 /g, the distribution of ion species ionized from the electrolyte salt contained in the aqueous electrolyte is biased toward the negative electrode, which leads to a shortage of the ion species at the positive electrode, and the output performance and charge/discharge cycle performance may be reduced.
この比表面積は、例えば、以下の方法により求めることができる。測定対象の負極活物質含有層を含んだ電極構造体が二次電池に組み込まれている場合は、二次電池を解体して、負極活物質含有層の一部を採取する。77K(窒素の沸点)の窒素ガス中で、窒素ガスの圧力P(mmHg)を徐々に高めながら、圧力P毎に、試料の窒素ガス吸着量(mL/g)を測定する。圧力P(mmHg)を窒素ガスの飽和蒸気圧P0(mmHg)で除した値を相対圧力P/P0として、各相対圧力P/P0に対する窒素ガス吸着量をプロットすることにより吸着等温線を得る。この窒素吸着等温線とBET式とからBETプロットを算出し、このBETプロットを利用して比表面積を得る。なお、BETプロットの算出には、BET多点法を用いる。 This specific surface area can be determined, for example, by the following method. When the electrode structure including the negative electrode active material-containing layer to be measured is incorporated in a secondary battery, the secondary battery is disassembled and a part of the negative electrode active material-containing layer is taken. In nitrogen gas at 77K (the boiling point of nitrogen), the nitrogen gas pressure P (mmHg) is gradually increased while measuring the nitrogen gas adsorption amount (mL/g) of the sample for each pressure P. The pressure P (mmHg) is divided by the saturated vapor pressure P0 (mmHg) of nitrogen gas to obtain a relative pressure P/P0, and the nitrogen gas adsorption amount for each relative pressure P/P0 is plotted to obtain an adsorption isotherm. A BET plot is calculated from this nitrogen adsorption isotherm and the BET formula, and the specific surface area is obtained using this BET plot. Note that the BET multipoint method is used to calculate the BET plot.
導電剤は、集電性能を高め、かつ負極活物質と負極集電体との接触抵抗を抑えるために、必要に応じて配合される。導電剤の例には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛及びコークスなどの炭素質物が含まれる。導電剤は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。 The conductive agent is mixed as necessary to improve current collection performance and reduce contact resistance between the negative electrode active material and the negative electrode current collector. Examples of conductive agents include carbonaceous materials such as acetylene black, ketjen black, graphite, and coke. The conductive agent may be one type, or two or more types may be mixed and used.
結着剤は、負極活物質及び導電剤を結着させる作用を有する。結着剤は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。他の結着剤の例としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、カルボキシメチルセルロース(CMC)などのセルロース系ポリマー、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリル樹脂又はその共重合体、ポリアクリル酸及びポリアクリロニトリルからなる群より選ばれる少なくとも1つを用いることができるが、これらに限定されない。複合層に用いられる高分子材料として記載された高分子材料を、負極活物質含有層の結着剤として用いることもできる。 The binder has the function of binding the negative electrode active material and the conductive agent. The binder may be one type, or two or more types may be mixed and used. Examples of other binders include, but are not limited to, at least one selected from the group consisting of cellulose-based polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), carboxymethyl cellulose (CMC), fluorine-based rubber, styrene butadiene rubber, acrylic resin or its copolymer, polyacrylic acid, and polyacrylonitrile. The polymer materials described as the polymer materials used in the composite layer can also be used as the binder for the negative electrode active material-containing layer.
負極活物質含有層における負極活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、それぞれ、70質量%以上95質量%以下、3質量%以上20質量%以下、及び2質量%以上10質量%以下の範囲であることが好ましい。導電剤の配合比が3質量%以上であると負極活物質含有層の導電性を良好にでき、20質量%以下であると導電剤表面での水系電解質の分解を低減できる。結着剤の配合比が2質量%以上であると十分な電極強度が得られ、10質量%以下であると電極の絶縁部を減少させることができる。 The compounding ratios of the negative electrode active material, conductive agent, and binder in the negative electrode active material-containing layer are preferably in the ranges of 70% by mass or more and 95% by mass or less, 3% by mass or more and 20% by mass or less, and 2% by mass or more and 10% by mass or less, respectively. When the compounding ratio of the conductive agent is 3% by mass or more, the conductivity of the negative electrode active material-containing layer can be improved, and when it is 20% by mass or less, the decomposition of the aqueous electrolyte on the conductive agent surface can be reduced. When the compounding ratio of the binder is 2% by mass or more, sufficient electrode strength can be obtained, and when it is 10% by mass or less, the insulating part of the electrode can be reduced.
負極集電体の材料には、アルカリ金属イオンが挿入又は脱離するときの電極電位範囲において、電気化学的に安定である物質が用いられる。負極集電体は、例えば、亜鉛箔、アルミニウム箔、又は、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、亜鉛(Zn)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、銅(Cu)及びケイ素(Si)から選択される1以上を含むアルミニウム合金箔で、かつZnやSnと言った水素過電圧の大きい金属で表面被覆されていることが好ましい。負極集電体の厚さは、5μm以上20μm以下であることが好ましい。このような厚さを有する負極集電体は、電極の強度と軽量化のバランスをとることができる。 The material of the negative electrode current collector is a substance that is electrochemically stable in the electrode potential range when the alkali metal ions are inserted or removed. The negative electrode current collector is, for example, zinc foil, aluminum foil, or an aluminum alloy foil containing one or more selected from magnesium (Mg), titanium (Ti), zinc (Zn), manganese (Mn), iron (Fe), copper (Cu), and silicon (Si), and is preferably surface-coated with a metal with a high hydrogen overvoltage such as Zn or Sn. The thickness of the negative electrode current collector is preferably 5 μm or more and 20 μm or less. A negative electrode current collector having such a thickness can balance the strength and weight of the electrode.
負極集電体は、板状でもよいしメッシュ構造でもよい。メッシュ構造とは、例えば金属の線が編まれた構造のものや、金属板をパンチングし貫通孔が複数形成されたものを指す。そのため、負極集電体は導電部と導電部の間の空間を有する。この導電部の間の空間に、負極活物質などが入り込むことができる。導電部とは金属線で形成された負極集電体であれば金属線のことであり、金属板で形成された負極集電体では貫通孔を除いた部分である。負極集電体は、2次元的な構造のものでもよいし、3次元的な構造、つまり不織布状でもよい。 The negative electrode collector may be in the form of a plate or a mesh structure. A mesh structure refers to, for example, a structure in which metal wires are woven, or a metal plate is punched to form multiple through holes. Therefore, the negative electrode collector has spaces between conductive parts. The negative electrode active material can enter the spaces between the conductive parts. The conductive parts refer to the metal wires in the case of a negative electrode collector made of metal wires, and the part excluding the through holes in the case of a negative electrode collector made of metal plate. The negative electrode collector may have a two-dimensional structure or a three-dimensional structure, i.e., a nonwoven fabric structure.
負極集電体は、その少なくとも一部において、その箇所での負極活物質含有層と接しない部分を備えることができる。この部分は、集電タブとして働くことができる。或いは、負極集電体とは別体の集電タブを電極に電気的に接続してもよい。 The negative electrode current collector may have at least a portion that is not in contact with the negative electrode active material-containing layer. This portion may function as a current collecting tab. Alternatively, a current collecting tab separate from the negative electrode current collector may be electrically connected to the electrode.
(セパレータ)
セパレータは第1複合層、多孔質層及び第2複合層の少なくとも3層をこの順で備える。多孔質層は第1複合層と第2複合層に挟まれている。多孔質層の端部は複合層に覆われてもよい。また、複合層と多孔質層の積層方向からセパレータを見た際に、複合層の端部からはみ出るように多孔質層のほうが複合層よりも面積が大きくてもよい。第1複合層と第2複合層は同じ大きさでもよいし、異なる大きさでもよい。
(Separator)
The separator comprises at least three layers, a first composite layer, a porous layer, and a second composite layer, in this order. The porous layer is sandwiched between the first composite layer and the second composite layer. The end of the porous layer may be covered by the composite layer. Also, when the separator is viewed from the stacking direction of the composite layer and the porous layer, the porous layer may have a larger area than the composite layer so as to protrude from the end of the composite layer. The first composite layer and the second composite layer may be the same size or different sizes.
第1複合層及び第2複合層の気孔度は負極活物質含有層の気孔度よりも小さい。気孔度は、断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;SEM)で観察して得た像より計測することが可能である。 The porosity of the first composite layer and the second composite layer is smaller than the porosity of the negative electrode active material-containing layer. The porosity can be measured from an image obtained by observing a cross section with a scanning electron microscope (SEM).
第1複合層に含まれる高分子材料Pcの軟化点温度T1は負極活物質含有層に含まれる結着剤として用いられる高分子材料Pnの軟化点温度T2より小さい(T2>T1)。T1とT2が、T2>T1であることで、負極活物質を結着剤が被覆してしまうことを防ぐことができる。負極活物質が結着剤により被覆されると、電子伝導性が低下するため、充放電効率が低下するため好ましくない。さらに、T2>T1であることで、第1複合層に含まれる高分子材料Pcを高分子材料Pnの軟化点温度以下の温度で結着させることができる。そのため、高分子材Pnが軟化することを防ぐことができ、負極活物質を高分子材料Pnが覆うことを防ぐことでイオン伝導を妨げないため、低抵抗化することができる。また、複合層作製時に加熱プレス工程において、T1以上、T2以下の温度を選択することで、第1複合層は緻密、かつ平坦に、負極活物質層は活物質表面への高分子材料被覆を抑えて抵抗上昇を抑える構造を形成できる。軟化点は分子量が異なれば同じ高分子材料を用いたとしても変えることができる。 The softening point temperature T1 of the polymer material Pc contained in the first composite layer is lower than the softening point temperature T2 of the polymer material Pn used as a binder contained in the negative electrode active material-containing layer (T2>T1). By making T1 and T2 T2>T1, it is possible to prevent the binder from covering the negative electrode active material. If the negative electrode active material is covered with the binder, the electronic conductivity decreases, which is undesirable because it reduces the charge/discharge efficiency. Furthermore, by making T2>T1, the polymer material Pc contained in the first composite layer can be bound at a temperature equal to or lower than the softening point temperature of the polymer material Pn. Therefore, it is possible to prevent the polymer material Pn from softening, and by preventing the polymer material Pn from covering the negative electrode active material, ion conduction is not hindered, so that the resistance can be reduced. In addition, by selecting a temperature of T1 or more and T2 or less in the heat press process when preparing the composite layer, the first composite layer can be formed to be dense and flat, and the negative electrode active material layer can be formed to form a structure in which the polymer material coverage on the active material surface is suppressed and the resistance increase is suppressed. The softening point can be changed even when using the same polymer material if the molecular weight is different.
軟化点温度の差が大きいほど負極活物質表面への高分子材料の被覆抑制と、第1複合層の緻密化は達成することができる。そのため、より軟化点温度の差を出すために、複合層に含まれる高分子材料Pcは、負極活物質含有層に含まれる結着剤として用いられる高分子材料Pnと異なることが好ましい。 The greater the difference in softening point temperature, the more the polymer material can be prevented from covering the surface of the negative electrode active material and the more dense the first composite layer can be. Therefore, in order to achieve a greater difference in softening point temperature, it is preferable that the polymer material Pc contained in the composite layer is different from the polymer material Pn used as a binder contained in the negative electrode active material-containing layer.
複合層は固体粒子及び高分子材料を含む。固体粒子は有機固体粒子又は無機固体粒子である。有機固体粒子と無機固体粒子は混合して用いてもよい。複合層は無機固体粒子と高分子材料からなることが好ましい。
複合層に含まれる無機固体粒子としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、イットリア、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化バナジウムなどの酸化物系セラミックス、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸ランタン、炭酸セリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、石膏、硫酸バリウムなどの炭酸塩及び硫酸塩、水酸燐灰石、リチウムリン酸塩、リン酸ジルコニウム、リン酸チタニウムなどのリン酸塩、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物系セラミックスなどが例として挙げられる。以上に挙げた無機粒子は水和物の形態をとっていてもよい。
The composite layer includes solid particles and a polymeric material. The solid particles are organic solid particles or inorganic solid particles. The organic solid particles and the inorganic solid particles may be used in combination. The composite layer is preferably made of inorganic solid particles and a polymeric material.
Examples of inorganic solid particles contained in the composite layer include oxide-based ceramics such as alumina, silica, zirconia, yttria, magnesium oxide, calcium oxide, barium oxide, strontium oxide, and vanadium oxide, carbonates and sulfates such as sodium carbonate, potassium carbonate, magnesium carbonate, calcium carbonate, barium carbonate, lanthanum carbonate, cerium carbonate, calcium sulfate, magnesium sulfate, aluminum sulfate, gypsum, and barium sulfate, phosphates such as hydroxyapatite, lithium phosphate, zirconium phosphate, and titanium phosphate, and nitride-based ceramics such as silicon nitride, titanium nitride, and boron nitride. The inorganic particles listed above may be in the form of a hydrate.
無機固体粒子は、アルカリ金属イオンのイオン伝導性を有する無機固体粒子を含むことが好ましい。具体的には、リチウムイオン及びナトリウムイオンに対するイオン伝導性を有する無機固体粒子がより好ましい。 The inorganic solid particles preferably include inorganic solid particles having ionic conductivity for alkali metal ions. Specifically, inorganic solid particles having ionic conductivity for lithium ions and sodium ions are more preferable.
リチウムイオン伝導性を有する無機固体粒子としては、例えば、酸化物系固体電解質、又は硫化物系固体電解質を挙げることができる。酸化物系固体電解質としては、NASICON(Sodium (Na) Super Ionic Conductor)型構造を有し、一般式Li1+xM2(PO4)3で表されるリチウムリン酸固体電解質を用いることが好ましい。上記一般式中のMは、例えば、チタン(Ti)、ゲルマニウム(Ge)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム(Zr)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、及びカルシウム(Ca)からなる群より選択される1以上である。添字xは、0≦x≦2の範囲内にある。一般式LiM2(PO4)3で表されるリチウムリン酸固体電解質のイオン伝導度は、例えば、1×10-5S/cm以上1×10-3S/cm以下である。 Examples of inorganic solid particles having lithium ion conductivity include oxide-based solid electrolytes and sulfide-based solid electrolytes. As the oxide-based solid electrolyte, it is preferable to use a lithium phosphate solid electrolyte having a NASICON (Sodium (Na) Super Ionic Conductor) type structure and represented by the general formula Li 1+x M 2 (PO 4 ) 3. In the general formula, M is, for example, one or more selected from the group consisting of titanium (Ti), germanium (Ge), strontium (Sr), zirconium (Zr), tin (Sn), aluminum (Al), and calcium (Ca). The subscript x is within the range of 0≦x≦2. The ionic conductivity of the lithium phosphate solid electrolyte represented by the general formula LiM 2 (PO 4 ) 3 is, for example, 1×10 −5 S/cm or more and 1×10 −3 S/cm or less.
NASICON型構造を有するリチウムリン酸固体電解質の具体例としては、Li1+wAlwTi2-w(PO4)3で表され0.1≦w≦0.5であるLATP化合物;Li1+yAlzM12-z(PO4)3で表されM1はTi,Ge,Sr,Zr,Sn,及びCaからなる群より選択される1以上であり0≦y≦1及び0≦z≦1である化合物;Li1+xAlxGe2-x(PO4)3で表され0≦x≦2である化合物;及び、Li1+xAlxZr2-x(PO4)3で表され0≦x≦2である化合物;Li1+u+vAluMα2-uSivP3-vO12で表されMαはTi及びGeからなる群より選択される1以上であり0<u≦2、0≦v<3である化合物;Li1+2tZr1-tCat(PO4)3で表され0≦t<1である化合物を挙げることができる。Li1+2tZr1-tCat(PO4)3は、耐水性が高く、還元性及びコストが低いことから、無機固体粒子として用いることが好ましい。 Specific examples of lithium phosphate solid electrolytes having a NASICON structure include an LATP compound represented by Li1 + wAlwTi2 -w ( PO4 ) 3 , where 0.1≦w≦0.5; a compound represented by Li1+ yAlzM12 -z ( PO4 ) 3 , where M1 is one or more selected from the group consisting of Ti, Ge, Sr, Zr, Sn, and Ca, and where 0≦y≦1 and 0≦z≦1; a compound represented by Li1 + xAlxGe2 -x ( PO4 ) 3 , where 0≦x≦2; and a compound represented by Li1 + xAlxZr2 -x ( PO4 ) 3 , where 0≦x≦2; Li1 +u+ vAluMα2 - uSivP3 -vO 12 , where Mα is 1 or more selected from the group consisting of Ti and Ge, and 0<u≦2, 0≦v<3; and a compound represented by Li1 +2tZr1 -tCat ( PO4 ) 3 , where 0≦t<1. Li1+2tZr1 -tCat ( PO4 ) 3 is preferably used as the inorganic solid particles because it has high water resistance, low reducing properties, and low cost.
また、酸化物系固体電解質としては、上記リチウムリン酸固体電解質の他にも、LipPOqNrで表され2.6≦p≦3.5、1.9≦q≦3.8、及び0.1≦r≦1.3であるアモルファス状のLIPON化合物(例えば、Li2.9PO3.3N0.46);ガーネット型構造のLa5+sAsLa3-sMβ2O12で表されAはCa,Sr,及びBaからなる群より選択される1以上でMβはNb及びTaからなる群より選択される1以上であり0≦s≦0.5である化合物;Li3Mγ2-sL2O12で表されMγはTa及びNbからなる群より選択される1以上でありLはZrを含み得0≦s≦0.5である化合物;Li7-3sAlsLa3Zr3O12で表され0≦s≦0.5である化合物;及びLi5+xLa3M22-xZrxO12で表されM2はNb及びTaから成る群より選択される1以上であり0≦x≦2であるLLZ化合物(例えば、Li7La3Zr2O12)が挙げられる。固体電解質は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。LIPONのイオン伝導度は、例えば、1×10-6S/cm以上5×10-6S/cm以下である。LLZのイオン伝導度は、例えば、1×10-4S/cm以上5×10-4S/cm以下である。 Examples of oxide-based solid electrolytes include, in addition to the lithium phosphate solid electrolyte, amorphous LIPON compounds represented by Li p PO q N r , where 2.6≦p≦3.5, 1.9≦q≦3.8, and 0.1≦r≦1.3 (e.g., Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ); compounds having a garnet structure represented by La 5+s As La 3-s Mβ 2 O 12 , where A is 1 or more selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba, Mβ is 1 or more selected from the group consisting of Nb and Ta, and 0≦s≦0.5; compounds represented by Li 3 Mγ 2-s L 2 O 12 , where Mγ is 1 or more selected from the group consisting of Ta and Nb, and L may contain Zr, where 0≦s≦ 0.5 ; 3O12 , where 0≦s≦0.5; and LLZ compounds ( e.g. , Li7La3Zr2O12 ), where M2 is 1 or more selected from the group consisting of Nb and Ta, and 0 ≦ x ≦ 2 . The solid electrolyte may be one type, or two or more types may be mixed and used. The ionic conductivity of LIPON is, for example, 1 × 10-6 S/cm or more and 5 × 10-6 S/ cm or less. The ionic conductivity of LLZ is, for example, 1× 10-4 S/cm or more and 5× 10-4 S/cm or less.
また、ナトリウムイオンのイオン伝導性を有する無機固体粒子としては、ナトリウム含有固体電解質を用いてもよい。ナトリウム含有固体電解質は、ナトリウムイオンのイオン伝導性に優れている。ナトリウム含有固体電解質としては、β-アルミナ、ナトリウムリン硫化物、及びナトリウムリン酸化物などを挙げることができる。ナトリウムイオン含有固体電解質は、ガラスセラミックスの形態にあることが好ましい。 As the inorganic solid particles having ionic conductivity of sodium ions, a sodium-containing solid electrolyte may be used. The sodium-containing solid electrolyte has excellent ionic conductivity of sodium ions. Examples of the sodium-containing solid electrolyte include β-alumina, sodium phosphorus sulfide, and sodium phosphorus oxide. The sodium ion-containing solid electrolyte is preferably in the form of glass ceramics.
無機固体粒子は、25℃において1×10-5S/cm以上のリチウムイオン伝導度を有する固体電解質であることが好ましい。リチウムイオン伝導度は、例えば、交流インピーダンス法により測定できる。詳細は、後述する。 The inorganic solid particles are preferably a solid electrolyte having a lithium ion conductivity of 1×10 −5 S/cm or more at 25° C. The lithium ion conductivity can be measured, for example, by an AC impedance method, as will be described in detail later.
無機固体粒子の形状は特に限定されないが、例えば、球状、楕円形状、扁平形状、又は繊維状などにすることができる。 The shape of the inorganic solid particles is not particularly limited, but may be, for example, spherical, elliptical, flat, or fibrous.
無機固体粒子の平均粒子径は、15μm以下であることが好ましく、12μm以下であることがより好ましい。無機固体粒子の平均粒子径が小さいと、複合層の緻密性を高めることができる。 The average particle size of the inorganic solid particles is preferably 15 μm or less, and more preferably 12 μm or less. If the average particle size of the inorganic solid particles is small, the density of the composite layer can be increased.
無機固体粒子の平均粒子径は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。無機固体粒子の平均粒子径が大きいと、粒子同士の凝集が抑制される傾向にある。 The average particle size of the inorganic solid particles is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more. If the average particle size of the inorganic solid particles is large, aggregation of the particles tends to be suppressed.
なお、無機固体粒子の平均粒子径は、レーザー回折式の粒度分布測定装置により求めた粒度分布において、体積積算値が50%となる粒径を意味している。この粒度分布測定を行う際の試料としては、無機固体粒子の濃度が0.01質量%から5質量%となるようにエタノールで希釈した分散液を用いる。 The average particle size of inorganic solid particles means the particle size at which the volumetric cumulative value is 50% in the particle size distribution determined by a laser diffraction particle size distribution measuring device. The sample used for this particle size distribution measurement is a dispersion diluted with ethanol so that the concentration of inorganic solid particles is 0.01% by mass to 5% by mass.
第1及び第2複合層に含まれる無機固体粒子は互いに同一のものであってもよく、異なる種類のものを用いてもよい。また、複合層に含まれる無機固体粒子は、単一の種類のものを用いてもよく、複数種類を混合して用いてもよい。 The inorganic solid particles contained in the first and second composite layers may be the same or different. The inorganic solid particles contained in the composite layers may be a single type or a mixture of multiple types.
複合層において、無機固体粒子は主成分であることが好ましい。複合層における無機固体粒子の割合は、複合層のイオン伝導性を高めるという観点からは、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、85質量%以上であることが更に好ましい。複合層における無機固体粒子の割合は、複合層の膜強度を高めるという観点からは、98質量%以下であることが好ましく、95質量%以下であることがより好ましく、90質量%以下であることが更に好ましい。複合層における無機固体粒子の割合は、熱重量(Thermogravimetric analysis;TG)分析により算出できる。 In the composite layer, inorganic solid particles are preferably the main component. From the viewpoint of increasing the ionic conductivity of the composite layer, the proportion of inorganic solid particles in the composite layer is preferably 70 mass% or more, more preferably 80 mass% or more, and even more preferably 85 mass% or more. From the viewpoint of increasing the film strength of the composite layer, the proportion of inorganic solid particles in the composite layer is preferably 98 mass% or less, more preferably 95 mass% or less, and even more preferably 90 mass% or less. The proportion of inorganic solid particles in the composite layer can be calculated by thermogravimetric analysis (TG) analysis.
有機固体粒子は水系電解質に対して膨潤しないものを用いることが好ましい。水系電解質に膨潤しないことに加え、リチウムイオン及びナトリウムイオンに対するイオン伝導性を有する有機固体粒子であることがさらに好ましい。
有機固体粒子の平均粒子径や粒子形状、複合層に含まれる割合は上述した無機固体粒子と同じであることが好ましい。
It is preferable to use organic solid particles that do not swell in an aqueous electrolyte, and it is more preferable to use organic solid particles that do not swell in an aqueous electrolyte and that have ionic conductivity for lithium ions and sodium ions.
The average particle size and particle shape of the organic solid particles, and the proportion of the organic solid particles in the composite layer are preferably the same as those of the inorganic solid particles described above.
第1複合層及び第2複合層に含まれる高分子材料は、固体粒子同士の結着性を高める。高分子材料の重量平均分子量は、例えば、3000以上である。高分子材料の重量平均分子量が3000以上であると、固体粒子の結着性をより高められる。高分子材料の重量平均分子量は、3000以上5000000以下であることが好ましく、5000以上2000000以下であることがより好ましく、10000以上1000000以下であることが更に好ましい。高分子材料の重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography:GPC)により求めることができる。 The polymeric material contained in the first composite layer and the second composite layer enhances the adhesion between the solid particles. The weight average molecular weight of the polymeric material is, for example, 3000 or more. When the weight average molecular weight of the polymeric material is 3000 or more, the adhesion between the solid particles can be further enhanced. The weight average molecular weight of the polymeric material is preferably 3000 or more and 5,000,000 or less, more preferably 5000 or more and 2,000,000 or less, and even more preferably 10,000 or more and 1,000,000 or less. The weight average molecular weight of the polymeric material can be determined by gel permeation chromatography (GPC).
高分子材料は、単一のモノマーユニットからなる重合体(ポリマー)、複数のモノマーユニットからなる共重合体(コポリマー)、又はこれらの混合物であり得る。高分子材料は、酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)、及びフッ素(F)からなる群より選択される1以上を含む官能基を有する炭化水素で構成されるモノマーユニットを含んでいることが好ましい。高分子材料において、モノマーユニットで構成された部分が占める割合は70モル%以上であることが好ましい。以下、このモノマーユニットを、第1モノマーユニットと称する。また、共重合体において、第1モノマーユニット以外のものを、第2モノマーユニットと称する。第1モノマーユニットと第2モノマーユニットとの共重合体は、交互共重合体であってもよく、ランダム共重合体であってもよく、又は、ブロック共重合体であってもよい。 The polymeric material may be a polymer made of a single monomer unit, a copolymer made of multiple monomer units, or a mixture thereof. The polymeric material preferably contains a monomer unit made of a hydrocarbon having a functional group containing one or more selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N), and fluorine (F). In the polymeric material, the proportion of the portion made of the monomer unit is preferably 70 mol % or more. Hereinafter, this monomer unit is referred to as a first monomer unit. In addition, in the copolymer, the unit other than the first monomer unit is referred to as a second monomer unit. The copolymer of the first monomer unit and the second monomer unit may be an alternating copolymer, a random copolymer, or a block copolymer.
高分子材料において、第1モノマーユニットで構成された部分が占める割合が70モル%より低いと、第1及び第2複合層の遮水性が低下するおそれがある。高分子材料において、第1モノマーユニットで構成された部分の割合は、90モル%以上であることが好ましい。高分子材料は、第1モノマーユニットで構成された部分の割合が100モル%、すなわち、第1モノマーユニットのみからなる重合体であることが最も好ましい。 If the proportion of the portion composed of the first monomer unit in the polymer material is lower than 70 mol %, the water-proofing properties of the first and second composite layers may be reduced. In the polymer material, the proportion of the portion composed of the first monomer unit is preferably 90 mol % or more. It is most preferable that the polymer material is a polymer in which the proportion of the portion composed of the first monomer unit is 100 mol %, that is, composed only of the first monomer unit.
第1モノマーユニットは、酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)、及びフッ素(F)からなる群より選択される1以上の元素を含む官能基を側鎖に有し、主鎖が炭素-炭素結合により構成された化合物であってもよい。炭化水素は、酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)、及びフッ素(F)からなる群より選択される1以上の元素を含む官能基を、1以上有していてもよい。第1モノマーユニットにおける上記官能基は、複合層を通過するアルカリ金属イオンの伝導性を高める。 The first monomer unit may be a compound having a functional group in its side chain containing one or more elements selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N), and fluorine (F), and a main chain formed by carbon-carbon bonds. The hydrocarbon may have one or more functional groups containing one or more elements selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N), and fluorine (F). The functional group in the first monomer unit increases the conductivity of alkali metal ions passing through the composite layer.
第1モノマーユニットを構成する炭化水素は、酸素(O)、硫黄(S)、及び窒素(N)からなる群より選択される1以上を含む官能基を有することが好ましい。第1モノマーユニットが、このような官能基を有すると、複合層におけるアルカリ金属イオンの伝導性がより高まり、内部抵抗が低まる傾向にある。 The hydrocarbon constituting the first monomer unit preferably has a functional group containing one or more selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), and nitrogen (N). When the first monomer unit has such a functional group, the conductivity of the alkali metal ions in the composite layer tends to be higher and the internal resistance tends to be lower.
第1モノマーユニットに含まれる官能基としては、ホルマール基、ブチラール基、カルボキシメチルエステル基、アセチル基、カルボニル基、水酸基及びフルオロ基からなる群より選択される1以上を含むことが好ましい。また、第1モノマーユニットは、カルボニル基及び水酸基の少なくとも一方を官能基に含むことがより好ましく、両方を含むことが更に好ましい。 The functional group contained in the first monomer unit preferably contains one or more selected from the group consisting of a formal group, a butyral group, a carboxymethyl ester group, an acetyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, and a fluoro group. Moreover, the first monomer unit more preferably contains at least one of a carbonyl group and a hydroxyl group in the functional group, and even more preferably contains both.
第1モノマーユニットは、下記式により表すことができる。
上記式において、R1は、水素(H)、アルキル基、及びアミノ基からなる群より選択されることが好ましい。また、R2は、水酸基(-OH)、-OR1、-COOR1、-OCOR1、-OCH(R1)O-、-CN、-N(R1)3、及び-SO2R1からなる群より選択されることが好ましい。 In the above formula, R1 is preferably selected from the group consisting of hydrogen (H), an alkyl group, and an amino group, and R2 is preferably selected from the group consisting of a hydroxyl group (-OH), -OR1, -COOR1, -OCOR1, -OCH(R1)O-, -CN, -N(R1) 3 , and -SO 2 R1.
第1モノマーユニットとしては、例えば、ビニルホルマール、ビニルアルコール、酢酸ビニル、ビニルアセタール、ビニルブチラール、アクリル酸及びその誘導体、メタクリル酸及びその誘導体、アクリロニトリル、アクリルアミド及びその誘導体、スチレンスルホン酸、ポリフッ化ビニリデン、及びテトラフルオロエチレンからなる群より選択される1以上を挙げることができる。 The first monomer unit may be, for example, one or more selected from the group consisting of vinyl formal, vinyl alcohol, vinyl acetate, vinyl acetal, vinyl butyral, acrylic acid and its derivatives, methacrylic acid and its derivatives, acrylonitrile, acrylamide and its derivatives, styrene sulfonic acid, polyvinylidene fluoride, and tetrafluoroethylene.
高分子材料は、ポリビニルホルマール、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリビニルブチラール、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデン、及びポリテトラフルオロエチレンからなる群より選択される1以上を含むことが好ましい。 The polymer material preferably includes one or more selected from the group consisting of polyvinyl formal, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetal, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene.
以下に、高分子材料として用いることができる化合物の構造式の一例を記載する。 Below is an example of the structural formula of a compound that can be used as a polymer material.
ポリビニルホルマールの構造式は、以下の通りである。下記式において、aは、50以上80以下であり、bは0以上5以下であり、cは15以上50以下であることが好ましい。
ポリビニルブチラールの構造式は、以下の通りである。下記式において、lは、50以上80以下であり、mは0以上10以下であり、nは10以上50以下であることが好ましい。
ポリビニルアルコールの構造式は、以下の通りである。下記式において、nは、70以上20000以下であることが好ましい。
ポリメタクリル酸メチルの構造式は、以下の通りである。下記式において、nは、30以上10000以下であることが好ましい。
第2モノマーユニットとは、第1モノマーユニット以外の化合物、すなわち、酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)、及びフッ素(F)からなる群より選択される1以上を含む官能基を有さないか、又は、この官能基を有していても炭化水素ではないものである。第2モノマーユニットとしては、例えば、エチレンオキシド及びスチレンを挙げることができる。第2モノマーユニットからなる重合体としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)及びポリスチレン(PS)を挙げることができる。 The second monomer unit is a compound other than the first monomer unit, i.e., a compound that does not have a functional group containing one or more selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N), and fluorine (F), or a compound that has such a functional group but is not a hydrocarbon. Examples of the second monomer unit include ethylene oxide and styrene. Examples of the polymer composed of the second monomer unit include polyethylene oxide (PEO) and polystyrene (PS).
第1モノマーユニット及び第2モノマーユニットに含まれる官能基の種類は、赤外線分光分析法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy;FT-IR)により同定できる。また、第1モノマーユニットが炭化水素からなることは、核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance;NMR)により判断できる。また、第1モノマーユニットと第2モノマーユニットとの共重合体において、第1モノマーユニットで構成された部分が占める割合は、NMRにより算出できる。 The types of functional groups contained in the first monomer unit and the second monomer unit can be identified by infrared spectroscopy (Fourier Transform Infrared Spectroscopy; FT-IR). Furthermore, it can be determined by nuclear magnetic resonance (NMR) that the first monomer unit is composed of a hydrocarbon. Furthermore, the proportion of the portion composed of the first monomer unit in a copolymer of the first monomer unit and the second monomer unit can be calculated by NMR.
高分子材料は、電解質を含有し得る。高分子材料が含有し得る電解質の割合は、その吸水率により把握できる。ここで、高分子材料の吸水率とは、23℃の温度の水中に24時間にわたって浸漬した後の高分子材料の質量Mp’から、浸漬する前の高分子材料の質量Mpを減じて得られた値を、浸漬する前の高分子材料の質量Mpで除した値([Mp’-Mp]/Mp×100)である。高分子材料の吸水率は、高分子材料の極性と関連していると考えられる。 The polymer material may contain an electrolyte. The proportion of electrolytes that may be contained in a polymer material can be determined from its water absorption rate. Here, the water absorption rate of a polymer material is the value obtained by subtracting the mass Mp of the polymer material before immersion in water at a temperature of 23°C for 24 hours from the mass Mp' of the polymer material after immersion in water at a temperature of 23°C for 24 hours, and dividing the result by the mass Mp of the polymer material before immersion ([Mp'-Mp]/Mp x 100). The water absorption rate of a polymer material is thought to be related to the polarity of the polymer material.
吸水率の高い高分子材料を用いると、複合層のアルカリ金属イオン伝導性が高まる傾向にある。また、吸水率が高い高分子材料を用いると、固体粒子と、高分子材料との結着力が高まるため、複合層の可撓性を高めることができる。高分子材料の吸水率は、0.01%以上であることが好ましく、0.5%以上であることより好ましく、2%以上であることが更に好ましい。 When a polymeric material with high water absorption is used, the alkali metal ion conductivity of the composite layer tends to increase. In addition, when a polymeric material with high water absorption is used, the binding strength between the solid particles and the polymeric material is increased, so the flexibility of the composite layer can be increased. The water absorption of the polymeric material is preferably 0.01% or more, more preferably 0.5% or more, and even more preferably 2% or more.
吸水率の低い高分子材料を用いると、複合層の強度を高められる。すなわち、高分子材料の吸水率が高すぎると、複合層が電解質により膨潤することがある。また、高分子材料の吸水率が高すぎると、複合層中の高分子材料が、電解質内に流出することがある。高分子材料の吸水率は、15%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、7%以下であることが更に好ましく、3%以下であることが特に好ましい。 The strength of the composite layer can be increased by using a polymer material with low water absorption. That is, if the water absorption rate of the polymer material is too high, the composite layer may swell due to the electrolyte. Also, if the water absorption rate of the polymer material is too high, the polymer material in the composite layer may flow into the electrolyte. The water absorption rate of the polymer material is preferably 15% or less, more preferably 10% or less, even more preferably 7% or less, and particularly preferably 3% or less.
複合層における高分子材料の割合は、複合層の可撓性を高めるという観点からは、1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましく、10質量%以上であることが更に好ましい。また、高分子材料の割合が多い方が、複合層の緻密度が高くなりやすい。 From the viewpoint of increasing the flexibility of the composite layer, the proportion of the polymer material in the composite layer is preferably 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and even more preferably 10% by mass or more. Furthermore, the higher the proportion of the polymer material, the more likely it is that the denser the composite layer will be.
また、複合層における高分子材料の割合は、複合層のリチウムイオン伝導性を高めるという観点からは、20質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましく、5質量%以下であることが更に好ましい。複合層における高分子材料の割合は、熱重量(TG)分析により算出することができる。 From the viewpoint of increasing the lithium ion conductivity of the composite layer, the proportion of the polymer material in the composite layer is preferably 20% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and even more preferably 5% by mass or less. The proportion of the polymer material in the composite layer can be calculated by thermogravimetry (TG) analysis.
第1複合層及び第2複合層に含まれる高分子材料は、互いに同一のものであってもよく、異なる種類のものを用いてもよい。また、高分子材料は、単一の種類のものを用いてもよく、複数種類を混合して用いてもよい。 The polymeric materials contained in the first composite layer and the second composite layer may be the same or different. The polymeric materials may be a single type or a mixture of multiple types.
複合層は、固体粒子及び高分子材料の他に、可塑剤や電解質塩を含んでも良い。例えば、複合層が電解質塩を含むと、セパレータのアルカリ金属イオン伝導性をより高めることができる。 The composite layer may contain a plasticizer and an electrolyte salt in addition to the solid particles and polymer material. For example, if the composite layer contains an electrolyte salt, the alkali metal ion conductivity of the separator can be further increased.
複合層の厚さは、内部短絡が生じにくいという観点からは、3μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、7μm以上であることが更に好ましい。また、複合層の厚さは、イオン伝導性及びエネルギー密度を高めるという観点からは、50μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることが更に好ましい。 From the viewpoint of preventing internal short circuits, the thickness of the composite layer is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and even more preferably 7 μm or more. From the viewpoint of increasing ion conductivity and energy density, the thickness of the composite layer is preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and even more preferably 20 μm or less.
第1複合層及び第2複合層の厚さは互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。厚みが異なる場合、負極活物質含有層の第1面と接する第1複合層の方が、他方の第2複合層より厚いことが好ましい。第1複合層の方が厚いことで、遮水性を高めることができる。また、第1複合層及び第2複合層は、互いに同じ構成を有していてもよく、異なる構成を有していてもよい。
上記の厚さは第1複合層及び第2複合層のそれぞれに好ましい厚さであるが、両方の複合層が必ずしも満たす必要はない。
The thickness of the first composite layer and the second composite layer may be the same or different. When the thicknesses are different, it is preferable that the first composite layer in contact with the first surface of the negative electrode active material-containing layer is thicker than the other second composite layer. By making the first composite layer thicker, the water blocking property can be improved. In addition, the first composite layer and the second composite layer may have the same configuration or different configurations.
The above thicknesses are preferred for each of the first and second composite layers, but not necessarily for both composite layers.
多孔質層は、両方の面に第1複合層及び第2複合層を担持している。
多孔質層は、例えば、不織布、又は、自立型多孔質膜である。不織布又は自立型多孔質膜の材料としては、例えば、ポリエチレン(polyethylene;PE)、ポリプロピレン(polypropylene;PP)、セルロース、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene telephthalate;PET)又はポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)を用いる。多孔質層は、セルロース製の不織布であることが好ましい。
The porous layer carries on either side a first composite layer and a second composite layer.
The porous layer is, for example, a nonwoven fabric or a self-supporting porous membrane. For example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), cellulose, polyethylene terephthalate (PET) or polyvinylidene fluoride (PVdF) is used as the material of the nonwoven fabric or the self-supporting porous membrane. The porous layer is preferably a cellulose nonwoven fabric.
多孔質層は、空孔を多く含むことができ、多量の水系電解質を含浸できる。多孔質層は、典型的には、固体粒子を含まない。例えば、多孔質層の断面において固体粒子の面積が占める割合は、5%以下であり得る。 The porous layer can contain many pores and can be impregnated with a large amount of aqueous electrolyte. The porous layer typically does not contain solid particles. For example, the proportion of the area of the cross section of the porous layer that is occupied by solid particles can be 5% or less.
多孔質層の厚さは、例えば、1μm以上であり、好ましくは3μm以上である。多孔質層が厚いと、セパレータの機械的強度が高まり、二次電池の内部短絡が生じにくくなる。多孔質層の厚さは、例えば、30μm以下であり、好ましくは10μm以下である。多孔質層が薄いと、二次電池の内部抵抗が低下し、二次電池の体積エネルギー密度が高まる傾向にある。多孔質層の厚さは、例えば、走査型電子顕微鏡により測定できる。 The thickness of the porous layer is, for example, 1 μm or more, and preferably 3 μm or more. If the porous layer is thick, the mechanical strength of the separator increases, and the secondary battery is less likely to have an internal short circuit. The thickness of the porous layer is, for example, 30 μm or less, and preferably 10 μm or less. If the porous layer is thin, the internal resistance of the secondary battery decreases, and the volumetric energy density of the secondary battery tends to increase. The thickness of the porous layer can be measured, for example, by a scanning electron microscope.
上述したとおり、セパレータは、複合層や多孔質層に水系電解質を含み得る。電極活物質含有層も水系電解質をさらに含むことができる。即ち、電極構造体は、負極活物質含有層に第1の水系電解質を含み、セパレータに第2の水系電解質を含むことができる。二次電池にした際は、さらに正極活物質含有層に第3の水系電解質を含み得る。第1の水系電解質、第2の水系電解質及び第3の水系電解質とは、同じ組成を有していてもよく、或いは、異なる組成を有していてもよい。以下、特定されてない限りは、第1の水系電解質、第2の水系電解質及び第3の水系電解質を総称して、単に“水系電解質”と呼ぶ。水系電解質については後述する。 As described above, the separator may contain an aqueous electrolyte in the composite layer or the porous layer. The electrode active material-containing layer may further contain an aqueous electrolyte. That is, the electrode structure may contain a first aqueous electrolyte in the negative electrode active material-containing layer and a second aqueous electrolyte in the separator. When used as a secondary battery, the electrode structure may further contain a third aqueous electrolyte in the positive electrode active material-containing layer. The first aqueous electrolyte, the second aqueous electrolyte, and the third aqueous electrolyte may have the same composition, or may have different compositions. Hereinafter, unless otherwise specified, the first aqueous electrolyte, the second aqueous electrolyte, and the third aqueous electrolyte are collectively referred to simply as "aqueous electrolytes". The aqueous electrolyte will be described later.
本実施形態に係る電極構造体の備えるセパレータは、第1複合層と第2複合層の間に多孔質層を有するため、正極側と負極側の水系電解質が異なる場合、多孔質層が緩衝材として存在することで、正極側の水系電解質と負極側の水系電解質が過剰に混合することを防ぐことができる。この過剰な混合を防げることで、自己放電を抑制することができる。 The separator provided in the electrode structure according to this embodiment has a porous layer between the first composite layer and the second composite layer. Therefore, when the aqueous electrolytes on the positive electrode side and the negative electrode side are different, the porous layer acts as a buffer to prevent the aqueous electrolyte on the positive electrode side from mixing excessively with the aqueous electrolyte on the negative electrode side. Preventing this excessive mixing can suppress self-discharge.
<製造方法>
次に、実施形態に係る電極構造体の製造方法について説明する。要約すると、電極構造体の製造方法は、負極集電体表面上に負極活物質含有層を備える負極活物質層、もしくは負極集電体の少なくとも一部を負極活物質含有層の内部に備える負極活物質含有層を準備することと、複合層形成スラリーを多孔質膜の両面に塗布して複合層を形成し、負極活物質含有層とセパレータを積層することにより負極とセパレータとの接合体を得ることと、を含む。
<Production Method>
Next, a method for manufacturing an electrode structure according to an embodiment will be described. In summary, the method for manufacturing an electrode structure includes preparing an anode active material layer having an anode active material-containing layer on a surface of an anode current collector, or an anode active material-containing layer having at least a part of an anode current collector inside the anode active material-containing layer, applying a composite layer-forming slurry to both sides of a porous film to form a composite layer, and laminating the anode active material-containing layer and a separator to obtain a joint of the anode and the separator.
負極集電体表面上に負極活物質含有層を形成する方法は特に問わない。例えば、以下の方法により得ることができる。まず、負極活物質、導電剤及び結着剤を適切な溶媒に懸濁してスラリーを調製する。次いで、このスラリーを負極集電体の片面又は両面に塗布する。負極集電体上の塗膜を乾燥することにより負極活物質含有層を形成する。その後、負極集電体及びその上に形成された負極活物質含有層にプレスを施す。負極活物質含有層としては、負極活物質、導電剤及び結着剤の混合物をペレット状に形成したものを用いてもよい。 The method for forming the negative electrode active material-containing layer on the surface of the negative electrode current collector is not particularly limited. For example, it can be obtained by the following method. First, the negative electrode active material, the conductive agent, and the binder are suspended in an appropriate solvent to prepare a slurry. Next, this slurry is applied to one or both sides of the negative electrode current collector. The coating film on the negative electrode current collector is dried to form the negative electrode active material-containing layer. Thereafter, the negative electrode current collector and the negative electrode active material-containing layer formed thereon are pressed. The negative electrode active material-containing layer may be a mixture of the negative electrode active material, the conductive agent, and the binder formed into a pellet shape.
負極集電体の少なくとも一部を負極活物質含有層の内部に備える負極活物質含有層を形成する方法も特に問わない。例えば、活物質、導電剤及び結着剤を適切な溶媒に懸濁して調整した負極活物質合剤スラリー中に負極集電体を浸漬しディップコートを行い乾燥する工程を複数繰り返す。さらにはそれらに改めて同様のスラリーを塗布するなど所望の目付となるまで塗布を行い得た塗膜にプレスを施し負極活物質含有層を得る方法などが挙げられる。このようにして負極集電体を負極活物質含有層に埋設することができる。 There is no particular restriction on the method for forming the negative electrode active material-containing layer in which at least a portion of the negative electrode current collector is provided inside the negative electrode active material-containing layer. For example, the process of immersing the negative electrode current collector in a negative electrode active material mixture slurry prepared by suspending an active material, a conductive agent, and a binder in an appropriate solvent, dip-coating, and drying is repeated multiple times. Furthermore, a method of applying the same slurry again to the above coating until the desired basis weight is achieved, and pressing the resulting coating film to obtain the negative electrode active material-containing layer can be used. In this way, the negative electrode current collector can be embedded in the negative electrode active material-containing layer.
複合層を含むセパレータは、例えば、次のようにして準備する。
先ず、基材層となる多孔質膜の第1面に第1複合層を形成するためのスラリーを準備する。複合層形成用スラリーは、固体粒子と、高分子材料と、溶媒とを混合して得られた混合物を撹拌することにより得られる。
The separator including the composite layer is prepared, for example, as follows.
First, a slurry for forming a first composite layer on a first surface of a porous membrane that is to be a base layer is prepared by mixing solid particles, a polymer material, and a solvent, and stirring the mixture.
溶媒は、高分子材料を溶解可能なものを用いることが好ましい。溶媒としては、例えば、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコール、ベンジルアルコールなどのアルコール類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、ジアセトンアルコールなどのケトン類;酢酸エチル、酢酸メチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、乳酸メチル、乳酸ブチルなどのエステル類;メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、1,4-ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類;エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ブチルカルビトールアセテート、エチルカルビトールアセテートなどのグリコール類;メチルカルビトール、エチルカルビトール、ブチルカルビトールなどのグリコールエーテル類;ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、アセトニトリル、バレロニトリル、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクタムなどの非プロトン性極性溶媒;ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン、ガンマカプロラクトン、イプシロンカプロラクトンなどの環状カルボン酸エステル類;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ-n-プロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、n-プロピルイソプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチル-n-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート化合物を用いる。 It is preferable to use a solvent capable of dissolving polymeric materials. Examples of the solvent include alcohols such as ethanol, methanol, isopropyl alcohol, normal propyl alcohol, and benzyl alcohol; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, and diacetone alcohol; esters such as ethyl acetate, methyl acetate, butyl acetate, ethyl lactate, methyl lactate, and butyl lactate; ethers such as methyl cellosolve, ethyl cellosolve, butyl cellosolve, 1,4-dioxane, and tetrahydrofuran; glycols such as ethylene glycol monoethyl ether acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, butyl carbitol acetate, and ethyl carbitol acetate; Glycol ethers such as ethyl carbitol, ethyl carbitol, and butyl carbitol; aprotic polar solvents such as dimethylformamide, dimethylacetamide, acetonitrile, valeronitrile, N-methyl-2-pyrrolidone, N-ethyl-2-pyrrolidone, and γ-butyrolactam; cyclic carboxylic acid esters such as gamma butyrolactone, gamma valerolactone, gamma caprolactone, and epsilon caprolactone; and chain carbonate compounds such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, di-n-propyl carbonate, diisopropyl carbonate, n-propyl isopropyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and methyl-n-propyl carbonate are used.
次に、複合層形成用スラリーを、例えばセルロース系不織布などの多孔質基材層の一方の面上に、例えば、ドクターブレード法により塗布して塗膜を得る。この塗膜を50℃以上150℃以下の温度で乾燥させる。 Next, the composite layer forming slurry is applied to one side of a porous substrate layer such as a cellulose-based nonwoven fabric by, for example, a doctor blade method to obtain a coating film. This coating film is dried at a temperature of 50°C or higher and 150°C or lower.
次に、多孔質基材層のもう一方の面に第2複合層を形成するためのスラリーを準備する。第2複合層形成用スラリーは、第1複合層形成用スラリーと同様の方法で得られる。第2複合層形成用スラリーとして、第1複合層形成用スラリーを用いてもよいし、別の固体粒子や高分子材料を用いたものを使用してもよい。第2複合層形成用スラリーを、多孔質基材層の他方の面上に、例えば、ドクターブレード法により塗工して、塗膜を得る。この塗膜を50℃以上150℃以下の温度で乾燥させる。このようにして、乾燥後の塗膜が多孔質層の両面に設けられた積層体を得る。この積層体はセパレータ前駆体である。 Next, a slurry for forming a second composite layer on the other side of the porous substrate layer is prepared. The slurry for forming the second composite layer is obtained in the same manner as the slurry for forming the first composite layer. As the slurry for forming the second composite layer, the slurry for forming the first composite layer may be used, or a slurry using other solid particles or polymeric materials may be used. The slurry for forming the second composite layer is applied to the other side of the porous substrate layer, for example, by a doctor blade method, to obtain a coating film. This coating film is dried at a temperature of 50°C or higher and 150°C or lower. In this way, a laminate is obtained in which the dried coating film is provided on both sides of the porous layer. This laminate is a separator precursor.
この積層体を、ロールプレス処理に供しても良い。ロールプレス処理に際しては、積層体の両面の塗膜が同時にロールプレスされるように、上下に2つのローラーを備えたプレス装置を用いる。なお、加熱したローラーを使用しても良い。この際、一方の面上の塗膜と接するローラーの加熱温度を、塗膜内の高分子材料の軟化点±20℃以内の温度とする。第1複合層に含まれる高分子材料の軟化点付近の温度で塗膜をロールプレス処理することにより、塗膜中の高分子材料が加熱されて軟化する。また、塗膜が加圧されたことにより、塗膜内の空隙を軟化した高分子材料が埋めるように配置され得る。 This laminate may be subjected to roll pressing. In the roll pressing, a press device equipped with two rollers, one above the other, is used so that the coating film on both sides of the laminate is simultaneously roll pressed. A heated roller may also be used. In this case, the heating temperature of the roller that comes into contact with the coating film on one side is set to a temperature within ±20°C of the softening point of the polymeric material in the coating film. By performing roll pressing on the coating film at a temperature close to the softening point of the polymeric material contained in the first composite layer, the polymeric material in the coating film is heated and softened. In addition, by applying pressure to the coating film, the softened polymeric material may be arranged to fill voids in the coating film.
他方の面上の塗膜と接するローラーの加熱温度は、所望の構造に合わせて適宜変更できる。例えば、25℃の常温で他方の面上の塗膜をロールプレス処理した場合、高分子材料は軟化しないため、塗膜の厚さ方向に沿って緻密性が均一な第2複合層を得られる。また、高分子材料の軟化点付近の温度でロールプレス処理した場合、第1複合層と同様に、塗膜の緻密性が高い第2複合層が得られる。 The heating temperature of the roller in contact with the coating film on the other side can be changed as appropriate to suit the desired structure. For example, when the coating film on the other side is roll-pressed at room temperature of 25°C, the polymer material does not soften, and a second composite layer with uniform density along the thickness direction of the coating film is obtained. Furthermore, when roll-pressed at a temperature near the softening point of the polymer material, a second composite layer with high coating density, similar to the first composite layer, is obtained.
ローラーの加熱温度は、第1複合層及び第2複合層に含まれる高分子材料の融点よりも低いことが好ましい。高分子材料の融点以上に加熱温度を高めると、塗膜の表面側において高分子材料が溶融し、空隙が完全に失われ得る。空隙が完全に失われると、複合層のイオン伝導性が低下するためである。複合層のイオン伝導度が低下すると、セパレータのイオン伝導度も低下する。 The heating temperature of the roller is preferably lower than the melting point of the polymeric material contained in the first composite layer and the second composite layer. If the heating temperature is increased above the melting point of the polymeric material, the polymeric material on the surface side of the coating film may melt and the voids may be completely lost. This is because if the voids are completely lost, the ionic conductivity of the composite layer decreases. If the ionic conductivity of the composite layer decreases, the ionic conductivity of the separator also decreases.
高分子材料の軟化点及び融点は、分子量やモノマーのユニット比率により異なり得る。一例によると、PVdFの軟化点は135℃以上145℃以下であり、融点は170℃以上180℃以下である。ポリビニルホルマールの軟化点は120℃以上130℃以下であり、融点は190℃以上200℃以下である。ポリビニルブチラールの軟化点は120℃以上130℃以下であり、融点は190℃以上200℃以下である。 The softening point and melting point of polymeric materials may vary depending on the molecular weight and the monomer unit ratio. For example, the softening point of PVdF is 135°C to 145°C, and the melting point is 170°C to 180°C. The softening point of polyvinyl formal is 120°C to 130°C, and the melting point is 190°C to 200°C. The softening point of polyvinyl butyral is 120°C to 130°C, and the melting point is 190°C to 200°C.
以上のようにして、多孔質層と、第1複合層と、第2複合層とを備えたセパレータを得られる。ここでは、多孔質層の両面に設けられた塗膜を同時にロールプレス処理する方法を説明したが、ロールプレス処理は片面ずつ行ってもよい。 In this manner, a separator having a porous layer, a first composite layer, and a second composite layer is obtained. Here, a method of simultaneously performing roll press processing on the coating films provided on both sides of the porous layer has been described, but the roll press processing may be performed on each side at a time.
また複合層は、2種類以上のスラリーを複層構造となるように塗工することにより設けてもよい。 The composite layer may also be formed by applying two or more types of slurry to form a multi-layer structure.
このようにして、複合層が多孔質層の両面に設けられたセパレータを得る。その後、積層体を、上下に2つのローラーを備えたプレス装置を用いて、例えば、常温(25℃)でプレス処理することにより、表面側と内側とで緻密性が異なる第1複合層を得られる。なお、第1複合層側のローラーの加熱温度は、高分子材料の軟化点付近としてもよい。 In this way, a separator is obtained in which a composite layer is provided on both sides of a porous layer. The laminate is then pressed, for example, at room temperature (25°C) using a press device equipped with two rollers, one above the other, to obtain a first composite layer having different densities on the surface side and the inside. The heating temperature of the roller on the first composite layer side may be set to near the softening point of the polymer material.
上記のようにして得られた負極活物質含有層とセパレータを積層することにより負極とセパレータとの接合体を得る。積層は、例えば、加熱ロールプレス処理に供する。ロールプレス処理に際しては、例えば、上下に2つのローラーを備えたプレス装置を用いる。この時の加熱温度は、複合層に含まれる高分子材料Pcの軟化点温度T1と負極活物質含有層に含まれる結着剤として用いられる高分子材料Pnの軟化点温度T2の間に設定することが好ましい。上記では、双方の層の作製においてプレス処理を施した例を記載したが、プレス処理前の負極活物質含有層とセパレータを積層した後に一度にプレスしても良い。 The negative electrode active material-containing layer and the separator obtained as described above are laminated to obtain a negative electrode and separator bonded body. The lamination is performed, for example, by a heated roll press process. For the roll press process, for example, a press device equipped with two rollers, one above the other, is used. The heating temperature at this time is preferably set between the softening point temperature T1 of the polymer material Pc contained in the composite layer and the softening point temperature T2 of the polymer material Pn used as a binder contained in the negative electrode active material-containing layer. In the above, an example in which a press process was performed in the preparation of both layers was described, but the negative electrode active material-containing layer and the separator before the press process may be laminated and then pressed at the same time.
以上のようにして、セパレータと、セパレータと結着した負極との接合体、つまり本実施形態に係る電極構造体を得ることができる。 In this manner, a bonded assembly of a separator and a negative electrode bonded to the separator, that is, the electrode structure according to this embodiment, can be obtained.
この電極構造体に水系電解質を含浸した後、この電極構造体の負極活物質含有層と接合していない複合層側に、正極集電体に正極活物質合剤スラリーを塗布し、プレス処理を行い作成しておいた正極を積層し、プレスすることで電極群を作製することができる。電極構造体と正極を積層した電極群は、積層したものをプレスし作製するスタック型の電極群となってもよいし、電極群を捲回してプレスし作製する捲回型の電極群となってもよい。 After impregnating this electrode structure with an aqueous electrolyte, a positive electrode active material mixture slurry is applied to the positive electrode current collector on the composite layer side of the electrode structure that is not joined to the negative electrode active material-containing layer, and a press process is performed to stack the prepared positive electrode and press it to produce an electrode group. The electrode group formed by stacking the electrode structure and the positive electrode may be a stack type electrode group produced by pressing the stacked electrode group, or a wound type electrode group produced by winding and pressing the electrode group.
<測定方法>
各種測定方法を説明する。測定対象の電極構造体が二次電池に組み込まれている場合は、二次電池を放電後、電池を解体して電極構造体を取り出す。
<Measurement method>
Various measurement methods will be described below. When the electrode structure to be measured is incorporated in a secondary battery, the secondary battery is discharged, and then the battery is disassembled to remove the electrode structure.
(負極活物質含有層と第1複合層の界面を界面切削評価により計測したときの水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの測定方法)
電極構造体における負極活物質含有層と第1複合層の界面を界面切削評価により計測した時の水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係は、表面・界面切削法により測定できる。測定を行う前に、電極構造体の両面を純水で洗い流した後、純水に浸漬させて48時間以上放置する。その後、さらに純水で両面を洗い流し、100℃の真空乾燥炉にて48時間以上乾燥させて、電極構造体の測定試料を準備する。
(Method of measuring horizontal force FH and vertical force FV when measuring the interface between the negative electrode active material containing layer and the first composite layer by interface cutting evaluation)
The relationship between the horizontal force FH and the vertical force FV when the interface between the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer in the electrode structure is measured by the interface cutting evaluation can be measured by the surface/interface cutting method. Before the measurement, both sides of the electrode structure are washed with pure water, and then immersed in pure water and left for 48 hours or more. After that, both sides are further washed with pure water and dried in a vacuum drying oven at 100 ° C. for 48 hours or more to prepare a measurement sample of the electrode structure.
表面・界面切削法による剥離強度の測定は、サイカス(Surface And Interfacial Cutting AnalysiN System;SAICAS)(登録商標)のような切削強度測定装置を用いて行うことができる。なお、表面・界面切削法は、SAICAS法と称されることもある。測定装置としては、例えばダイプラ・ウインテス株式会社製DN-GSを用いることができる。切り刃には、例えば刃幅が1.0mmのボラゾン材質のセラミック刃を使用する。測定条件としては、例えば刃角は、すくい角度20度、にげ角度10度とする。 The peel strength can be measured by the surface and interface cutting method using a cutting strength measuring device such as the SAICAS (Surface and Interface Cutting Analysis System; SAICAS) (registered trademark). The surface and interface cutting method is also sometimes called the SAICAS method. For example, a DN-GS manufactured by Daipla Wintes Co., Ltd. can be used as the measuring device. For example, a ceramic blade made of borazon material with a blade width of 1.0 mm is used as the cutting blade. For example, the measurement conditions are a blade angle of 20 degrees and a relief angle of 10 degrees.
先ず、セパレータに対し押圧荷重1Nにて垂直方向への切削を行う(定荷重モード)。ここで、水平速度2μm/秒、垂直速度0.2μm/秒の一定速度で、せん断角度45℃で切削を行うことで、セパレータ内の所定の深さまで刃を移動させる。第1複合層が負極活物質含有層から剥離したことで刃にかかる水平方向の荷重(水平力)が低下した段階で、垂直方向への荷重が0.5Nとなるように制御して垂直方向への刃の位置を一定に保つ。その後、水平速度2μm/秒で水平力(水平方向の荷重)を測定する。剥離に伴う水平力が一定になってから、1mm長の領域に亘って計測を続け、この長さ領域において測定される剥離強度における水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVを計測する。なお、測定温度及び試料温度のいずれも室温(25℃)とする。多孔質層と第2複合層は剥離させず、第2複合層の表面から負極活物質含有層と第1複合層界面まで切削して測定する。 First, the separator is cut in the vertical direction with a pressing load of 1N (constant load mode). Here, the blade is moved to a predetermined depth in the separator by cutting at a constant horizontal speed of 2 μm/sec and vertical speed of 0.2 μm/sec at a shear angle of 45°. When the horizontal load (horizontal force) on the blade decreases due to the peeling of the first composite layer from the negative electrode active material-containing layer, the vertical load is controlled to 0.5 N to keep the blade position constant in the vertical direction. Then, the horizontal force (horizontal load) is measured at a horizontal speed of 2 μm/sec. After the horizontal force associated with the peeling becomes constant, the measurement is continued over a 1 mm long area, and the horizontal force FH and vertical force FV in the peel strength measured in this length area are measured. Note that both the measurement temperature and the sample temperature are room temperature (25°C). The porous layer and the second composite layer are not peeled off, and the measurement is performed by cutting from the surface of the second composite layer to the interface between the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer.
電極構造体から表面・界面切削法によりFHとFVを測定した値と、正極と電極構造体の積層体である電極群から、正極を剥がした後の電極構造体のFHとFVを測定した値は変わらない。 The FH and FV values measured from the electrode structure using the surface/interface cutting method are the same as the FH and FV values measured from the electrode structure after the positive electrode is peeled off from the electrode group, which is a laminate of the positive electrode and electrode structure.
(電極構造体の気孔度の測定方法)
電極構造体の気孔度の測定においては、電極群を電池の他の部品から分離する。電極群は、純水で両面を洗い流した後、純水に浸漬させて48時間以上放置する。その後、さらに超音波振動を加えることで、正極を剥離させ、電極構造体を取り出す。この電極構造体を純水で両面を洗い流し、100℃の真空乾燥炉にて48時間以上乾燥させた後に、気孔度の評価を行う。また、電極構造体において任意の複数箇所(例えば5箇所)で、気孔度を測定し、その平均を取る。この操作をセパレータの複合層と負極活物質含有層に対してそれぞれ行う。
(Method of measuring porosity of electrode structure)
In measuring the porosity of the electrode structure, the electrode group is separated from other components of the battery. The electrode group is rinsed on both sides with pure water, and then immersed in pure water and left for 48 hours or more. Then, ultrasonic vibration is further applied to peel off the positive electrode and remove the electrode structure. The electrode structure is rinsed on both sides with pure water, dried in a vacuum drying oven at 100°C for 48 hours or more, and then the porosity is evaluated. In addition, the porosity is measured at any multiple points (for example, 5 points) in the electrode structure, and the average is taken. This operation is performed on the separator composite layer and the negative electrode active material-containing layer, respectively.
複合層の気孔度の測定点は、第1複合層と第2複合層をあわせてひとつの複合層と考えて測定する。例えば5箇所で測定する場合、第1複合層で3箇所、第2複合層で2か所測定した結果を用いる。第1複合層で5箇所測定してもよいし、第2複合層で5箇所測定してもよい。これは、本実施形態に係る電極構造体のセパレータの第1複合層と第2複合層の気孔度は変わらないため、どちらか一方の測定結果のみを用いてもよいし、両方の測定結果を用いてもよい。 The porosity of the composite layer is measured by considering the first composite layer and the second composite layer together as one composite layer. For example, when measuring at five locations, the results of measuring three locations on the first composite layer and two locations on the second composite layer are used. Measurements may be made at five locations on the first composite layer, or at five locations on the second composite layer. This is because the porosity of the first composite layer and the second composite layer of the separator of the electrode structure according to this embodiment is the same, so the measurement results of only one of them may be used, or both may be used.
気孔度は、イオンミリングにより断面研磨した面を5000倍でSEM観察を行い、得られた像を空孔領域と物質領域で2値化処理を行った後、空孔領域Aの面積SAを求め、空孔領域Aの面積SAに対して観察領域の面積Sを100倍したもので割る(SA/(観察領域の面積S×100))ことで気孔度が求まる。
この2値化処理は画像処理ソフトを用い、空孔領域と充填部領域で分離すればよい。
The porosity is determined by observing a cross-section polished by ion milling under a SEM at 5,000x magnification, binarizing the obtained image into pore regions and material regions, determining the area SA of pore region A, and dividing the area SA of pore region A by 100 times the area S of the observation region ( SA /(area S of observation region × 100)).
This binarization process can be carried out using image processing software, and the void regions and filled region can be separated.
第1実施形態に係る電極構造体は負極活物質含有層を備える負極と、第1複合層、多孔質層及び第2複合層の少なくとも3層をこの順で備えるセパレータと、を備え、負極活物質含有層と第1複合層は接し、第1複合層及び第2複合層は固体粒子及び高分子材料を含み、負極活物質含有層と第1複合層の界面を界面切削評価により計測したときの水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係が1.35≦FH/FV≦2.2である。このような構成であることで、高い充放電効率を示すとともに自己放電が抑制された二次電池を実現できる。 The electrode structure according to the first embodiment comprises a negative electrode having a negative electrode active material-containing layer, and a separator having at least three layers, a first composite layer, a porous layer, and a second composite layer, in this order, in which the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer are in contact with each other, the first composite layer and the second composite layer contain solid particles and a polymeric material, and the relationship between the horizontal force FH and the vertical force FV when the interface between the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer is measured by interface cutting evaluation is 1.35≦FH/FV≦2.2. With this configuration, a secondary battery that exhibits high charge/discharge efficiency and suppresses self-discharge can be realized.
[第2の実施形態]
第2の実施形態は、第1の実施形態に係る電極構造体と、正極を備える電極群50が提供される。
Second Embodiment
In the second embodiment, an
図3は第2の実施形態に係る電極群の一例を概略的に示す断面図である。図3に示すように、電極群50は電極構造体1と正極5を備える。電極構造体1は第1の実施形態に係る電極構造体である。正極は正極活物質含有層5aと正極集電体5bを備える。第1複合層は負極活物質含有層と接し、第2複合層は正極活物質含有層と接する。
Figure 3 is a cross-sectional view that shows a schematic example of an electrode group according to the second embodiment. As shown in Figure 3, the
(正極)
正極は、集電体(正極集電体)と、集電体の少なくとも一方の面上に設けられた正極活物質含有層を備え得る。正極活物質含有層は、正極活物質と、任意に導電剤及び結着剤とを含む。
(Positive electrode)
The positive electrode may include a current collector and a positive electrode active material-containing layer provided on at least one surface of the current collector. The positive electrode active material-containing layer includes a positive electrode active material, and optionally a conductive agent and a binder.
正極集電体は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム(Al)及びチタン(Ti)などの金属を含む。正極集電体は、例えば、箔、多孔体又はメッシュの形状を有する。正極集電体と水系電解質との反応による腐食を防止するため、正極集電体の表面は、異種元素で被覆されていてもよい。正極集電体は、例えばTi箔などの耐蝕性及び耐酸化性に優れたものであることが好ましい。なお、水系電解質としてLi2SO4を使用した場合は、腐食が進行しないことから、正極集電体としてAlを使用してもよい。 The positive electrode current collector includes metals such as stainless steel, aluminum (Al) and titanium (Ti). The positive electrode current collector has, for example, a foil, a porous body or a mesh shape. In order to prevent corrosion due to a reaction between the positive electrode current collector and the aqueous electrolyte, the surface of the positive electrode current collector may be coated with a different element. The positive electrode current collector is preferably one having excellent corrosion resistance and oxidation resistance, such as Ti foil. In addition, when Li 2 SO 4 is used as the aqueous electrolyte, Al may be used as the positive electrode current collector because corrosion does not progress.
また、正極集電体は、その表面に正極活物質含有層が設けられていない部分を含むことができる。この部分は、正極集電タブとして働くことができる。 The positive electrode current collector may also include a portion on its surface that does not have a positive electrode active material-containing layer. This portion can function as a positive electrode current collecting tab.
正極活物質含有層は、正極活物質を含んでいる。正極活物質含有層は、正極集電体の表裏両方の面に担持されていてもよい。 The positive electrode active material-containing layer contains a positive electrode active material. The positive electrode active material-containing layer may be supported on both the front and back surfaces of the positive electrode current collector.
正極活物質としては、リチウムイオン挿入-脱離電位がリチウムの酸化-還元電位に対し2.5V以上5.5V以下(vs.Li/Li+)である化合物を用いることができる。正極は、正極活物質として1種類の化合物を単独で含んでいてもよく、正極活物質として2以上の化合物を含んでいてもよい。 As the positive electrode active material, a compound having a lithium ion insertion-extraction potential of 2.5 V to 5.5 V (vs. Li/Li + ) relative to the oxidation-reduction potential of lithium can be used. The positive electrode may contain one type of compound alone as the positive electrode active material, or may contain two or more compounds as the positive electrode active material.
正極活物質として用いることのできる化合物の例には、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルトアルミニウム複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、リチウム鉄酸化物、リチウムフッ素化硫酸鉄、オリビン結晶構造のリン酸化合物(例えば、LikFePO4で表され0<k≦1である化合物、LikMnPO4で表され0<k≦1である化合物)などが含まれる。オリビン結晶構造のリン酸化合物は、熱安定性に優れている。 Examples of compounds that can be used as the positive electrode active material include lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt aluminum composite oxide, lithium nickel cobalt manganese composite oxide, spinel-type lithium manganese nickel composite oxide, lithium manganese cobalt composite oxide, lithium iron oxide, lithium fluorinated iron sulfate, and phosphate compounds having an olivine crystal structure (for example, a compound represented by Li k FePO 4 where 0<k≦1, a compound represented by Li k MnPO 4 where 0<k≦1), etc. Phosphate compounds having an olivine crystal structure have excellent thermal stability.
高い正極電位を得られる化合物の例としては、例えば、スピネル構造のLikMn2O4で表され0<k≦1である化合物、LikMnO2で表され0<k≦1である化合物などのリチウムマンガン複合酸化物;例えば、LikNi1-iAliO2で表され0<k≦1、0<i<1である化合物などのリチウムニッケルアルミニウム複合酸化物;例えばLikCoO2で表され0<k≦1である化合物などのリチウムコバルト複合酸化物;例えばLikNi1-i-tCoiMntO2で表され0<k≦1、0<i<1、0≦t<1である化合物などのリチウムニッケルコバルト複合酸化物;例えばLikMniCo1-iO2で表され0<k≦1、0<i<1である化合物などのリチウムマンガンコバルト複合酸化物;例えばLikMn1-iNiiO4で表され0<k≦1、0<i<1である化合物などのスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物;例えばLikFePO4で表され0<k≦1である化合物、LikFe1-yMnyPO4で表され0<k≦1、0≦y≦1である化合物、LikCoPO4で表され0<k≦1である化合物などのオリビン構造を有するリチウムリン酸化物;フッ素化硫酸鉄(例えば、LikFeSO4Fで表され0<k≦1である化合物)が挙げられる。 Examples of compounds that can obtain a high positive electrode potential include lithium manganese composite oxides such as a compound represented by Li k Mn 2 O 4 having a spinel structure and having 0<k≦1, and a compound represented by Li k MnO 2 and having 0<k≦1; lithium nickel aluminum composite oxides such as a compound represented by Li k Ni 1-i Al i O 2 and having 0<k≦1, 0<i<1; lithium cobalt composite oxides such as a compound represented by Li k CoO 2 and having 0<k≦1; lithium nickel cobalt composite oxides such as a compound represented by Li k Ni 1-i-t Co i Mn t O 2 and having 0<k≦1, 0<i<1, 0≦t<1; lithium manganese cobalt composite oxides such as a compound represented by Li k Mn i Co 1-i O 2 and having 0<k≦ 1 , 0<i<1; Examples of such lithium phosphate oxides include spinel-type lithium manganese nickel composite oxides such as a compound represented by Mn 1-i Ni i O 4 where 0<k≦1, 0<i<1; lithium phosphate oxides having an olivine structure such as a compound represented by Li k FePO 4 where 0<k≦1, a compound represented by Li k Fe 1-y Mn y PO 4 where 0<k≦1, 0<y≦1, and a compound represented by Li k CoPO 4 where 0<k≦1; and fluorinated iron sulfates (for example, a compound represented by Li k FeSO 4 F where 0<k≦1).
正極活物質として、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物及びオリビン構造を有するリチウムリン酸化物からなる群より選択される1以上を含むことが好ましい。これら化合物の作動電位は、3.5V(vs.Li/Li+)以上4.2V(vs.Li/Li+)以下である。すなわち、これらの化合物の活物質としての作動電位は比較的高い。これら化合物を、上述したスピネル型のチタン酸リチウム及びアナターゼ型酸化チタンなどの負極活物質と組み合わせて使用することにより、高い電池電圧が得られる。 The positive electrode active material preferably contains one or more selected from the group consisting of lithium cobalt composite oxide, lithium manganese composite oxide, and lithium phosphate having an olivine structure. The working potential of these compounds is 3.5 V (vs. Li/Li + ) to 4.2 V (vs. Li/Li + ). That is, the working potential of these compounds as active materials is relatively high. By using these compounds in combination with the above-mentioned negative electrode active materials such as spinel-type lithium titanate and anatase-type titanium oxide, a high battery voltage can be obtained.
正極活物質は、例えば、粒子の形態で正極に含まれている。正極活物質粒子は、単独の一次粒子、一次粒子の凝集体である二次粒子、あるいは、一次粒子と二次粒子の混合物であり得る。粒子の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、球状、楕円形状、扁平形状、又は繊維状等にすることができる。 The positive electrode active material is contained in the positive electrode in the form of particles, for example. The positive electrode active material particles can be single primary particles, secondary particles which are aggregates of primary particles, or a mixture of primary particles and secondary particles. The shape of the particles is not particularly limited, and can be, for example, spherical, elliptical, flat, or fibrous.
正極活物質の一次粒子の平均粒子径(直径)は10μm以下であることが好ましく、より好ましくは0.1μm以上5μm以下である。正極活物質の二次粒子の平均粒子径(直径)は100μm以下であることが好ましく、より好ましくは10μm以上50μm以下である。正極活物質の一次粒子径及び二次粒子径は、負極活物質粒子と同様の方法で測定できる。 The average particle size (diameter) of the primary particles of the positive electrode active material is preferably 10 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 5 μm or less. The average particle size (diameter) of the secondary particles of the positive electrode active material is preferably 100 μm or less, more preferably 10 μm or more and 50 μm or less. The primary particle size and secondary particle size of the positive electrode active material can be measured in the same manner as for the negative electrode active material particles.
正極活物質含有層は、正極活物質の他に、導電剤及び結着剤などを含んでいてもよい。導電剤は、集電性能を高め、かつ正極活物質と集電体との接触抵抗を抑えるために、必要に応じて配合される。導電剤の例には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛及びコークスなどの炭素質物が含まれる。導電剤は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。 The positive electrode active material-containing layer may contain a conductive agent and a binder in addition to the positive electrode active material. The conductive agent is mixed as necessary to improve current collection performance and reduce contact resistance between the positive electrode active material and the current collector. Examples of conductive agents include carbonaceous materials such as acetylene black, ketjen black, graphite, and coke. The conductive agent may be one type, or two or more types may be mixed together.
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、エチレン-ブタジエンゴム、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド(PI)、ポリアクリルイミド(PAI)などが挙げられる。結着剤は、1種類であってもよく、2種類以上を混合して使用してもよい。複合層に用いられる高分子材料として記載された高分子材料を、正極活物質含有層の結着剤として用いることもできる。 Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, ethylene-butadiene rubber, polypropylene (PP), polyethylene (PE), carboxymethyl cellulose (CMC), polyimide (PI), polyacrylimide (PAI), and the like. One type of binder may be used, or two or more types may be mixed and used. The polymer materials described as the polymer materials used in the composite layer may also be used as binders in the positive electrode active material-containing layer.
正極活物質含有層における正極活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、それぞれ、70質量%以上95質量%以下、3質量%以上20質量%以下、及び2質量%以上10質量%以下であることが好ましい。導電剤の配合比が3質量%以上であると正極の導電性を良好にすることができ、20質量%以下であると導電剤表面での水系電解質の分解を低減できる。結着剤の配合比が2質量%以上であると十分な電極強度が得られ、10質量%以下であると電極の絶縁部を減少させることができる。 The compounding ratios of the positive electrode active material, conductive agent, and binder in the positive electrode active material-containing layer are preferably 70% by mass or more and 95% by mass or less, 3% by mass or more and 20% by mass or less, and 2% by mass or more and 10% by mass or less, respectively. When the compounding ratio of the conductive agent is 3% by mass or more, the conductivity of the positive electrode can be improved, and when it is 20% by mass or less, the decomposition of the aqueous electrolyte on the conductive agent surface can be reduced. When the compounding ratio of the binder is 2% by mass or more, sufficient electrode strength can be obtained, and when it is 10% by mass or less, the insulating part of the electrode can be reduced.
正極は、例えば、以下の方法により得ることができる。先ず、正極活物質、導電剤及び結着剤を適切な溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを正極集電体の片面又は両面に塗布する。正極集電体上の塗膜を乾燥させて正極活物質含有層を形成する。その後、正極集電体及びその上に形成された正極活物質含有層にプレスを施す。正極活物質含有層としては、正極活物質、導電剤及び結着剤の混合物をペレット状に形成したものを用いてもよい。 The positive electrode can be obtained, for example, by the following method. First, a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are suspended in an appropriate solvent to prepare a slurry. This slurry is applied to one or both sides of a positive electrode current collector. The coating on the positive electrode current collector is dried to form a positive electrode active material-containing layer. Thereafter, the positive electrode current collector and the positive electrode active material-containing layer formed thereon are pressed. As the positive electrode active material-containing layer, a mixture of the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder formed into a pellet shape may be used.
複合層と負極の界面強度σnは複合層と正極の界面強度σpより大きい(σn>σp)。σnとσpの界面強度は上述した表面・界面切削法により測定することができる。 The interfacial strength σn between the composite layer and the negative electrode is greater than the interfacial strength σp between the composite layer and the positive electrode (σn>σp). The interfacial strengths σn and σp can be measured using the surface/interface cutting method described above.
第2の実施形態に係る電極群は第1の実施形態に係る電極構造体を備えているため、この電極群を備える二次電池も高い充放電効率を示すとともに自己放電が抑制を実現できる。 The electrode group according to the second embodiment is equipped with the electrode structure according to the first embodiment, so that a secondary battery equipped with this electrode group also exhibits high charge/discharge efficiency and can suppress self-discharge.
[第3の実施形態]
第3の実施形態によると、第2の実施形態に係る電極群と、水系電解質とを含む二次電池が提供される。水系電解質は、水を含んでいる。
[Third embodiment]
According to a third embodiment, there is provided a secondary battery including the electrode group according to the second embodiment and an aqueous electrolyte. The aqueous electrolyte includes water.
また、第3の実施形態に係る二次電池は、電極群及び水系電解質を収容する容器を更に具備することができる。 The secondary battery according to the third embodiment may further include a container that contains the electrode group and the aqueous electrolyte.
さらに、第3の実施形態に係る二次電池は、負極に電気的に接続された負極端子及び正極に電気的に接続された正極端子を更に具備することができる。 Furthermore, the secondary battery according to the third embodiment may further include a negative electrode terminal electrically connected to the negative electrode and a positive electrode terminal electrically connected to the positive electrode.
第3の実施形態に係る二次電池は、例えばリチウムイオン二次電池であり得る。また、二次電池は、水系電解質を含んだ水系電解質二次電池を含む。 The secondary battery according to the third embodiment may be, for example, a lithium ion secondary battery. The secondary battery also includes an aqueous electrolyte secondary battery that contains an aqueous electrolyte.
水系電解質は、電極群に保持され得る。水系電解質は、電極群にて電極(負極)に保持される第1の水系電解質及びセパレータに保持される第2の水系電解質とを含み、正極が保持する第3の水系電解質をさらに含み得る。 The aqueous electrolyte may be held in the electrode group. The aqueous electrolyte may include a first aqueous electrolyte held in the electrode (negative electrode) in the electrode group and a second aqueous electrolyte held in the separator, and may further include a third aqueous electrolyte held in the positive electrode.
第1の水系電解質、第2の水系電解質、及び第3の水系電解質は、同じ組成を有していてもよく、或いは、異なる組成を有していてもよい。以下、特定されてない限りは、第1の水系電解質、第2の水系電解質、及び第3の水系電解質を総称して、単に“水系電解質”と呼ぶ。 The first aqueous electrolyte, the second aqueous electrolyte, and the third aqueous electrolyte may have the same composition, or may have different compositions. Hereinafter, unless otherwise specified, the first aqueous electrolyte, the second aqueous electrolyte, and the third aqueous electrolyte will be collectively referred to simply as "aqueous electrolytes."
(水系電解質)
水系電解質は、水系溶媒と電解質塩とを含む。水系電解質は、例えば、液状である。液状水系電解質は、溶質としての電解質塩を水系溶媒に溶解することにより調製される。
(Aqueous electrolyte)
The aqueous electrolyte contains an aqueous solvent and an electrolyte salt. The aqueous electrolyte is, for example, liquid. The liquid aqueous electrolyte is prepared by dissolving an electrolyte salt as a solute in an aqueous solvent.
電解質塩としては、例えば、リチウム塩、ナトリウム塩又はこれらの混合物を用いる。電解質塩は、1種類又は2種類以上のものを使用することができる。 As the electrolyte salt, for example, a lithium salt, a sodium salt, or a mixture thereof is used. One type or two or more types of electrolyte salts can be used.
リチウム塩として、例えば、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、水酸化リチウム(LiOH)、硫酸リチウム(Li2SO4)、硝酸リチウム(LiNO3)、酢酸リチウム(CH3COOLi)、シュウ酸リチウム(Li2C2O4)、炭酸リチウム(Li2CO3)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)(LiTPSI;LiN(SO2CF3)2)、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiPSI;LiN(SO2F)2)、及びリチウムビスオキサレートボラート(LiBOB;LiB[(OCO)2]2)などを用いる。 Examples of lithium salts that can be used include lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), lithium hydroxide ( LiOH), lithium sulfate (Li2SO4 ) , lithium nitrate ( LiNO3 ), lithium acetate ( CH3COOLi ), lithium oxalate ( Li2C2O4 ) , lithium carbonate (Li2CO3 ) , lithium bis( trifluoromethanesulfonyl )imide (LiTPSI; LiN( SO2CF3 ) 2 ), lithium bis( fluorosulfonyl )imide (LiPSI; LiN( SO2F ) 2 ), and lithium bisoxalate borate (LiBOB; LiB[(OCO) 2 ] 2 ).
ナトリウム塩としては、塩化ナトリウム(NaCl)、硫酸ナトリウム(Na2SO4)、水酸化ナトリウム(NaOH)、硝酸ナトリウム(NaNO3)及びナトリウムトリフルオロメタンスルホニルアミド(NaTPSA)などを用いる。 As the sodium salt, sodium chloride (NaCl), sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), sodium hydroxide (NaOH), sodium nitrate (NaNO 3 ), sodium trifluoromethanesulfonylamide (NaTPSA), or the like is used.
リチウム塩としては、LiClを含むことが好ましい。LiClを用いると、水系電解質のリチウムイオン濃度を高めることができる。また、リチウム塩は、LiClに加えて、LiSO4及びLiOHの少なくとも一方を含んでいることが好ましい。 The lithium salt preferably contains LiCl. The use of LiCl can increase the lithium ion concentration of the aqueous electrolyte. The lithium salt preferably contains at least one of LiSO 4 and LiOH in addition to LiCl.
また、リチウム塩以外に塩化亜鉛や硫酸亜鉛といった亜鉛塩を電解液に添加しても良い。このような化合物を電解液に添加することで、電極構造体が含む電極を負極として用いた電池にて、該電極において亜鉛含有被覆層及び/又は酸化型亜鉛含有領域が形成され得る。これら亜鉛を含有する部材は、それらが形成された電極における水素発生を抑える効果を発揮する。 In addition to the lithium salt, a zinc salt such as zinc chloride or zinc sulfate may be added to the electrolyte. By adding such a compound to the electrolyte, a zinc-containing coating layer and/or an oxidized zinc-containing region can be formed on the electrode in a battery using the electrode contained in the electrode structure as the negative electrode. These zinc-containing members are effective in suppressing hydrogen generation in the electrodes on which they are formed.
水系電解質におけるリチウムイオンのモル濃度は、3mol/L以上であることが好ましく、6mol/L以上であることが好ましく、12mol/L以上であることが好ましい。水系電解質中のリチウムイオンの濃度が高いと、電極における水系溶媒の電気分解が抑制されやすく、電極からの水素発生が少ない傾向にある。 The molar concentration of lithium ions in the aqueous electrolyte is preferably 3 mol/L or more, more preferably 6 mol/L or more, and even more preferably 12 mol/L or more. If the concentration of lithium ions in the aqueous electrolyte is high, electrolysis of the aqueous solvent in the electrode is easily suppressed, and hydrogen generation from the electrode tends to be low.
水系電解質では、溶質となる塩1molに対し、水系溶媒量が1mol以上であることが好ましい。さらに好ましい形態は、溶質となる塩1molに対する水系溶媒量が3.5mol以上である。水系溶媒は、例えば、水を50体積%以上の割合で含む。 In the case of an aqueous electrolyte, it is preferable that the amount of aqueous solvent is 1 mol or more per mol of the solute salt. More preferably, the amount of aqueous solvent is 3.5 mol or more per mol of the solute salt. The aqueous solvent contains, for example, 50% or more by volume of water.
水系電解質は、アニオン種として、塩素イオン(Cl-)、水酸化物イオン(OH-)、硫酸イオン(SO4 2-)、硝酸イオン(NO3-)からなる群より選択される1以上を含むことが好ましい。 The aqueous electrolyte preferably contains, as anion species, one or more selected from the group consisting of chloride ions (Cl − ), hydroxide ions (OH − ), sulfate ions (SO 4 2− ), and nitrate ions (NO 3− ).
水系電解質のpHは、3以上14以下であることが好ましく、4以上13以下であることがより好ましい。いずれの実施形態においても、pHは25±2℃で測定したものである。 The pH of the aqueous electrolyte is preferably 3 or more and 14 or less, and more preferably 4 or more and 13 or less. In all embodiments, the pH is measured at 25±2°C.
水系電解質のpHは、初回充電後は、負極側と、正極側とで異なっていることが好ましい。初回充電後の二次電池において、負極側の第1の水系電解質のpHは、3以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、7以上であることが更に好ましい。また、初回充電後の二次電池において、正極側の第3の水系電解質のpHは、0以上7以下の範囲内にあることが好ましく、0以上6以下の範囲内にあることがより好ましい。 After the initial charge, the pH of the aqueous electrolyte is preferably different between the negative electrode side and the positive electrode side. In the secondary battery after the initial charge, the pH of the first aqueous electrolyte on the negative electrode side is preferably 3 or more, more preferably 5 or more, and even more preferably 7 or more. In addition, in the secondary battery after the initial charge, the pH of the third aqueous electrolyte on the positive electrode side is preferably in the range of 0 to 7, and more preferably 0 to 6.
負極側、及び正極側の水系電解質のpHは、例えば、二次電池を解体して、セパレータと、負極及び正極との間に存在する水系電解質のpHをそれぞれ測定することにより得られる。 The pH of the aqueous electrolyte on the negative and positive electrode sides can be obtained, for example, by dismantling the secondary battery and measuring the pH of the aqueous electrolyte present between the separator and the negative and positive electrodes, respectively.
水系溶媒としては、水を含む溶液を用い得る。水を含む溶液とは、純水であってもよく、水と有機溶媒との混合溶媒であってもよい。 As the aqueous solvent, a solution containing water can be used. The aqueous solution may be pure water or a mixed solvent of water and an organic solvent.
水系電解質は、ゲル状電解質であってもよい。ゲル状電解質は、上述した液状水系電解質と、高分子化合物とを混合して複合化することにより調製される。高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びポリエチレンオキシド(PEO)等を挙げることができる。 The aqueous electrolyte may be a gel electrolyte. The gel electrolyte is prepared by mixing the above-mentioned liquid aqueous electrolyte with a polymer compound to form a composite. Examples of the polymer compound include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), and polyethylene oxide (PEO).
水系電解質に水が含まれていることは、GC-MS(ガスクロマトグラフィー-質量分析;Gas Chromatography - MaNS Spectrometry)測定により確認できる。また、水系電解質中の塩濃度及び水含有量は、例えばICP(誘導結合プラズマ;Inductively Coupled Plasma)発光分析などで測定できる。水系電解質を規定量はかり取り、含まれる塩濃度を算出することで、モル濃度(mol/L)を算出できる。また水系電解質の比重を測定することで、溶質と溶媒のモル数を算出できる。 The presence of water in an aqueous electrolyte can be confirmed by GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry) measurements. The salt concentration and water content in an aqueous electrolyte can be measured, for example, by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectrometry. The molar concentration (mol/L) can be calculated by weighing a specified amount of aqueous electrolyte and calculating the salt concentration contained therein. The number of moles of solute and solvent can also be calculated by measuring the specific gravity of the aqueous electrolyte.
(水系電解質のpHの測定方法)
水系電解質のpHの測定方法は、以下の通りである。
二次電池を解体して取り出した電極群の電極及びセパレータに含まれている電解質をそれぞれ抽出し、液量を測定後、pHメータでpH値を測定する。pH測定の測定は、例えば以下のように行う。この測定には、例えば(株)堀場製作所製のF-74を使用し、25±2℃の環境下にて行う。まず、pH4.0、7.0及び9.0の標準液を用意する。次に、これら標準液を用いて、F-74の校正を行う。測定対象の電解質(電解液)を適量調製したものを容器に入れ、pHを測定する。pHの測定後に、F-74のセンサー部を洗浄する。別の測定対象を測定する際は、上述した手順、即ち、校正、測定及び洗浄をその都度実施する。
(Method for measuring pH of aqueous electrolyte)
The method for measuring the pH of the aqueous electrolyte is as follows.
The secondary battery is disassembled, the electrolyte contained in the electrodes and the separator of the electrode group is extracted, the amount of the liquid is measured, and the pH value is measured with a pH meter. The pH measurement is performed, for example, as follows. For this measurement, for example, F-74 manufactured by Horiba, Ltd. is used, and the measurement is performed in an environment of 25±2°C. First, standard solutions of pH 4.0, 7.0, and 9.0 are prepared. Next, the F-74 is calibrated using these standard solutions. An appropriate amount of the electrolyte (electrolytic solution) to be measured is prepared and placed in a container, and the pH is measured. After the pH measurement, the sensor part of the F-74 is washed. When measuring another measurement target, the above-mentioned procedure, i.e., calibration, measurement, and washing, is performed each time.
<外層部材>
電極構造体及び水系電解質が収容される外層部材には、金属製容器、ラミネートフィルム製容器、又は樹脂製容器を使用することができる。
<Outer layer material>
For the outer layer member in which the electrode structure and the aqueous electrolyte are housed, a metal container, a laminate film container, or a resin container can be used.
金属製容器としては、ニッケル、鉄、及びステンレス鋼などからなる金属缶で角形、円筒形の形状のものが使用できる。樹脂製容器としては、ポリエチレン又はポリプロピレンなどからなるものを用いることができる。 Metal containers that can be used are rectangular or cylindrical metal cans made of nickel, iron, stainless steel, etc. Resin containers that can be used are made of polyethylene or polypropylene, etc.
樹脂製容器及び金属製容器のそれぞれの板厚は、0.05mm以上1mm以下の範囲内にあることが好ましい。板厚は、より好ましくは0.5mm以下であり、更に好ましくは0.3mm以下である。 The thickness of each of the resin container and the metal container is preferably in the range of 0.05 mm to 1 mm. The thickness is more preferably 0.5 mm or less, and even more preferably 0.3 mm or less.
ラミネートフィルムとしては、例えば、金属層を樹脂層で被覆した多層フィルムなどを挙げることができる。金属層の例に、ステンレス鋼箔、アルミニウム箔、及びアルミニウム合金箔が含まれる。樹脂層には、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、及びポリエチレンテレフタレート(PET)などの高分子を用いることができる。ラミネートフィルムの厚さは、0.01mm以上0.5mm以下の範囲内にあることが好ましい。ラミネートフィルムの厚さは、より好ましくは0.2mm以下である。 Examples of laminate films include multilayer films in which a metal layer is coated with a resin layer. Examples of metal layers include stainless steel foil, aluminum foil, and aluminum alloy foil. Polymers such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, and polyethylene terephthalate (PET) can be used for the resin layer. The thickness of the laminate film is preferably in the range of 0.01 mm to 0.5 mm. The thickness of the laminate film is more preferably 0.2 mm or less.
二次電池は、角形、円筒形、扁平型、薄型、コイン型等の様々な形態で使用され得る。また二次電池は、バイポーラ構造を有する二次電池であってもよい。バイポーラ構造を有する二次電池には、複数直列のセルを1個のセルで作製できるという利点がある。 Secondary batteries can be used in various shapes, such as rectangular, cylindrical, flat, thin, and coin-shaped. The secondary battery may also be a secondary battery with a bipolar structure. Secondary batteries with a bipolar structure have the advantage that multiple cells connected in series can be made from a single cell.
<端子>
負極端子は、例えば、リチウムの酸化-還元電位に対し1V以上3V以下の電位範囲(vs.Li/Li+)において電気化学的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成されることができる。具体的には、負極端子の材料としては、亜鉛、銅、ニッケル、ステンレス鋼若しくはアルミニウム、又は、Mg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子の材料としては、亜鉛又は亜鉛合金を用いることが好ましい。負極端子は、負極集電体(例えば、負極構造体が含む集電体)との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料からなることが好ましい。
<Terminals>
The negative electrode terminal can be formed from a material that is electrochemically stable and conductive in a potential range of 1 V to 3 V with respect to the oxidation-reduction potential of lithium (vs. Li/Li + ). Specifically, the material of the negative electrode terminal can be zinc, copper, nickel, stainless steel, or aluminum, or an aluminum alloy containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. As the material of the negative electrode terminal, zinc or a zinc alloy is preferably used. The negative electrode terminal is preferably made of the same material as the negative electrode current collector (for example, the current collector included in the negative electrode structure) in order to reduce the contact resistance with the negative electrode current collector.
正極端子は、例えば、リチウムの酸化-還元電位に対し2.5V以上4.5V以下の電位範囲(vs.Li/Li+)において電気的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成することができる。正極端子の材料としては、チタン、アルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。 The positive electrode terminal can be formed from a material that is electrically stable and conductive in a potential range of 2.5 V to 4.5 V with respect to the oxidation-reduction potential of lithium (vs. Li/Li + ). Examples of the material for the positive electrode terminal include titanium, aluminum, and aluminum alloys containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. The positive electrode terminal is preferably formed from the same material as the positive electrode collector in order to reduce the contact resistance with the positive electrode collector.
以下、実施形態に係る二次電池の詳細を、図4及び図5を参照しながら説明する。図4は、実施形態に係る二次電池の一例を概略的に示す断面図である。図5は、図4に示す二次電池のIV-IV線に沿った断面図である。 The secondary battery according to the embodiment will be described in detail below with reference to Figs. 4 and 5. Fig. 4 is a cross-sectional view showing an example of a secondary battery according to the embodiment. Fig. 5 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the secondary battery shown in Fig. 4.
電極群は、矩形筒状の金属製容器からなる外装部材2内に収納されている。電極群は電極構造体1と正極5を備え、電極構造体は、負極3、セパレータ4とを含む。電極群1は、正極5を及び負極3の間にセパレータセパレータ4が介在するように配置させて偏平形状となるように渦巻き状に捲回した構造を有する。水系電解質(図示しない)は、電極構造体1に保持されている。図4に示すように、電極構造体1の端面に位置する負極3の端部の複数箇所それぞれに帯状の負極集電タブ16が電気的に接続されている。また、この端面に位置する正極5の端部の複数箇所それぞれに帯状の正極集電タブ17が電気的に接続されている。この複数ある負極集電タブ16は、図5に示すとおり一つに束ねられた状態で負極端子6と接続されている。また、図示しないが正極集電タブ17も同様に、一つに束ねられた状態で正極端子7と電気的に接続されている。
The electrode group is housed in an
金属製の封口板10は、金属製の外装部材2の開口部に溶接等により固定されている。負極端子6及び正極端子7は、それぞれ、封口板10に設けられた取出穴から外部に引き出されている。封口板10の各取出穴の内周面は、負極端子6及び正極端子7との接触による短絡を回避するために、それぞれ負極ガスケット8及び正極ガスケット9が配置されている。負極ガスケット8及び正極ガスケット9を配置することで、二次電池100の気密性を維持できる。
The
封口板10には制御弁11(安全弁)が配置されている。水系溶媒の電気分解により発生したガスに起因して電池セルにおける内圧が高まった場合には、制御弁11から発生ガスを外部へと放散できる。制御弁11としては、例えば内圧が設定値よりも高くなった場合に作動し、内圧が低下すると封止栓として機能する復帰式のものを使用することができる。或いは、一度作動すると封止栓としての機能が回復しない非復帰式の制御弁を使用してもよい。図4では、制御弁11が封口板10の中央に配置されているが、制御弁11の位置は封口板10の端部であってもよい。制御弁11は省略してもよい。
A control valve 11 (safety valve) is arranged on the sealing
また、封口板10には注液口12が設けられている。水系電解質は、この注液口12を介して注液され得る。注液口12は、水系電解質が注液された後、封止栓13により塞がれ得る。注液口12及び封止栓13は省略してもよい。
The sealing
図6は、実施形態に係る二次電池の他の例を概略的に示す部分切欠斜視図である。図7は、図6に示す二次電池のB部を拡大した断面図である。図6及び図7は、容器として、ラミネートフィルム製外装部材を用いた二次電池100の一例を示している。
Figure 6 is a partially cutaway perspective view that shows a schematic diagram of another example of a secondary battery according to an embodiment. Figure 7 is an enlarged cross-sectional view of part B of the secondary battery shown in Figure 6. Figures 6 and 7 show an example of a
図6及び図7に示す二次電池100は、図6及び図7に示す電極構造体1と、図6に示す外装部材2と、図示しない水系電解質とを具備する。電極構造体1及び水系電解質は、外装部材2内に収納されている。水系電解質は、電極構造体1に保持されている。
The
外装部材2は、2つの樹脂層とこれらの間に介在した金属層とを含むラミネートフィルムからなる。
The
電極群は、図7に示すように、積層型の電極群である。積層型の電極群は、電極構造体と正極5とを複数備え、電極構造体は負極3及びセパレータ4を備える。負極3、セパレータ4及び正極5のこの順に積層した構造を有している。
As shown in FIG. 7, the electrode group is a laminated electrode group. The laminated electrode group includes a plurality of electrode structures and
各負極3は、負極集電体3aと、負極集電体3aの両面に配置された負極活物質含有層3bとを備えている。各々のセパレータ4は、負極3の負極活物質含有層3bにそれぞれ担持されている。また、電極群は、複数の正極5を含んでいる。複数の正極5は、それぞれが、正極集電体5aと、正極集電体5aの両面に担持された正極活物質含有層5bとを備えている。図が煩雑になるため、正極5と複合層4は離間して描かれているが、先述の通り、電極群は負極3及び正極5はそれぞれセパレータ4に接している。
Each
各負極3の負極集電体3aは、その一辺において、いずれの表面にも負極活物質含有層3bが設けられていない部分3cを含む。この部分3cは、負極集電タブとして働く。図7に示すように、負極集電タブとして働く部分3cは、正極5と重なっていない。また、複数の負極集電タブ(部分3c)は、帯状の負極端子6に電気的に接続されている。帯状の負極端子6の先端は、外装部材2の外部に引き出されている。
The negative electrode
また、図示しないが、各正極5の正極集電体5aは、その一辺において、いずれの表面にも正極活物質含有層5bが担持されていない部分を含む。この部分は、正極集電タブとして働く。正極集電タブは、負極集電タブ(部分3c)と同様に、負極3と重なっていない。また、正極集電タブは、負極集電タブ(部分3c)に対し電極構造体1の反対側に位置する。正極集電タブは、帯状の正極端子7に電気的に接続されている。帯状の正極端子7の先端は、負極端子6とは反対側に位置し、外装部材2の外部に引き出されている。
Although not shown, the
第3の実施形態に係る二次電池は、第1の実施形態に係る電極構造体を含んでいる。そのため、当該二次電池は、高い充放電効率を示すとともにレート特性の向上と自己放電が抑制されている。 The secondary battery according to the third embodiment includes the electrode structure according to the first embodiment. Therefore, the secondary battery exhibits high charge/discharge efficiency, improved rate characteristics, and suppressed self-discharge.
[第4の実施形態]
第4の実施形態によると、組電池が提供される。該組電池は、第3の実施形態に係る二次電池を複数個具備している。
[Fourth embodiment]
According to a fourth embodiment, there is provided a battery pack including a plurality of secondary batteries according to the third embodiment.
実施形態に係る組電池において、各単電池は、電気的に直列若しくは並列に接続して配置してもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて配置してもよい。 In the battery pack according to the embodiment, the individual cells may be electrically connected in series or parallel, or may be arranged in a combination of series and parallel connections.
次に、組電池の一例について、図面を参照しながら説明する。
図8は、実施形態に係る組電池の一例を概略的に示す斜視図である。図8に示す組電池200は、5つの単電池100a~100eと、4つのバスバー21と、正極側リード22と、負極側リード23とを具備している。5つの単電池100a~100eのそれぞれは、第3の実施形態に係る二次電池である。
Next, an example of a battery pack will be described with reference to the drawings.
Fig. 8 is a perspective view showing an example of a battery pack according to the embodiment. The
バスバー21は、例えば、1つの単電池100aの負極端子6と、隣に位置する単電池100bの正極端子7とを接続している。このようにして、5つの単電池100は、4つのバスバー21により直列に接続されている。すなわち、図8の組電池200は、5直列の組電池である。例を図示しないが、電気的に並列に接続されている複数の単電池を含む組電池では、例えば、複数の負極端子同士がバスバーにより接続されるとともに複数の正極端子同士がバスバーにより接続されることで、複数の単電池が電気的に接続され得る。
The
5つの単電池100a~100eのうち少なくとも1つの電池の正極端子7は、外部接続用の正極側リード22に電気的に接続されている。また、5つの単電池100a~100eうち少なくとも1つの電池の負極端子6は、外部接続用の負極側リード23に電気的に接続されている。
The
実施形態に係る組電池は、実施形態に係る二次電池を具備する。そのため、当該組電池は、高い充放電効率とレート特性の向上を示すことができ、かつ自己放電が抑制されている。 The battery pack according to the embodiment includes the secondary battery according to the embodiment. Therefore, the battery pack can exhibit high charge/discharge efficiency and improved rate characteristics, and self-discharge is suppressed.
[第5の実施形態]
第5の実施形態によると、第3の実施形態に係る二次電池を含む電池パックが提供される。この電池パックは、第4の実施形態に係る組電池を具備することができる。この電池パックは、第4の実施形態に係る組電池の代わりに、単一の第3の実施形態に係る二次電池を具備していてもよい。
[Fifth embodiment]
According to a fifth embodiment, there is provided a battery pack including the secondary battery according to the third embodiment. This battery pack can include the battery assembly according to the fourth embodiment. This battery pack may include a single secondary battery according to the third embodiment instead of the battery assembly according to the fourth embodiment.
係る電池パックは、保護回路を更に具備することができる。保護回路は、二次電池の充放電を制御する機能を有する。或いは、電池パックを電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を、電池パックの保護回路として使用してもよい。 Such a battery pack may further include a protection circuit. The protection circuit has a function of controlling charging and discharging of the secondary battery. Alternatively, a circuit included in a device that uses the battery pack as a power source (e.g., electronic equipment, automobiles, etc.) may be used as the protection circuit for the battery pack.
また、電池パックは、通電用の外部端子を更に具備することもできる。通電用の外部端子は、外部に二次電池からの電流を出力するため、及び/又は二次電池に外部からの電流を入力するためのものである。言い換えれば、電池パックを電源として使用する際、電流が通電用の外部端子を通して外部に供給される。また、電池パックを充電する際、充電電流(自動車などの動力の回生エネルギーを含む)は通電用の外部端子を通して電池パックに供給される。 The battery pack may further include an external terminal for current flow. The external terminal for current flow is for outputting current from the secondary battery to the outside and/or for inputting current from the outside to the secondary battery. In other words, when the battery pack is used as a power source, current is supplied to the outside through the external terminal for current flow. When the battery pack is charged, charging current (including regenerative energy from the power of an automobile or the like) is supplied to the battery pack through the external terminal for current flow.
次に、実施形態に係る電池パックの一例について、図面を参照しながら説明する。
図9は実施形態に係る電池パックの一例を概略的に示す斜視図である。
Next, an example of a battery pack according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 9 is a perspective view that illustrates an example of a battery pack according to the embodiment.
電池パック300は、例えば、図6及び図7に示す二次電池からなる組電池を備える。電池パック300は、筐体310と、筐体310内に収容された組電池200とを含む。組電池200は、複数(例えば5個)の二次電池100が電気的に直列に接続されたものである。二次電池100は、厚さ方向に積層されている。筐体310は、上部及び4つの側面それぞれに開口部320を有している。二次電池100の負極端子6及び正極端子7が突出している側面が、筐体310の開口部320に露出している。組電池200の出力用正極端子332は、帯状をなし、一端が二次電池100のいずれかの正極端子7と電気的に接続され、かつ他端が筐体310の開口部320から突出して筐体310の上部から突き出ている。一方、組電池200の出力用負極端子333は、帯状をなし、一端が二次電池100いずれかの負極端子6と電気的に接続され、かつ他端が筐体310の開口部320から突出して筐体310の上部から突き出ている。
The
係る電池パックの別の例を図10及び図11を参照して詳細に説明する。図10は、実施形態に係る電池パックの他の例を概略的に示す分解斜視図である。図11は、図10に示す電池パックの電気回路の一例を示すブロック図である。 Another example of such a battery pack will be described in detail with reference to Figs. 10 and 11. Fig. 10 is an exploded perspective view showing a schematic diagram of another example of a battery pack according to an embodiment. Fig. 11 is a block diagram showing an example of an electrical circuit of the battery pack shown in Fig. 10.
図10及び図11に示す電池パック300は、収容容器31と、蓋32と、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35と、図示しない絶縁板とを備えている。
The
図10に示す収容容器31は、長方形の底面を有する有底角型容器である。収容容器31は、保護シート33と、組電池200と、プリント配線基板34と、配線35とを収容可能に構成されている。蓋32は、矩形型の形状を有する。蓋32は、収容容器31を覆うことにより、上記組電池200等を収容する。収容容器31及び蓋32には、図示していないが、外部機器等へと接続するための開口部又は接続端子等が設けられている。
The
組電池200は、複数の単電池100と、正極側リード22と、負極側リード23と、粘着テープ24とを備えている。
The
複数の単電池100の少なくとも1つは、実施形態に係る二次電池である。複数の単電池100の各々は、図11に示すように電気的に直列に接続されている。複数の単電池100は、電気的に並列に接続されていてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されていてもよい。複数の単電池100を並列接続すると、直列接続した場合と比較して、電池容量が増大する。
At least one of the multiple
粘着テープ24は、複数の単電池100を締結している。粘着テープ24の代わりに、熱収縮テープを用いて複数の単電池100を固定してもよい。この場合、組電池200の両側面に保護シート33を配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて複数の単電池100を結束させる。
The
正極側リード22の一端は、組電池200に接続されている。正極側リード22の一端は、1以上の単電池100の正極と電気的に接続されている。負極側リード23の一端は、組電池200に接続されている。負極側リード23の一端は、1以上の単電池100の負極と電気的に接続されている。
One end of the
プリント配線基板34は、収容容器31の内側面のうち、一方の短辺方向の面に沿って設置されている。プリント配線基板34は、正極側コネクタ342と、負極側コネクタ343と、サーミスタ345と、保護回路346と、配線342a及び343aと、通電用の外部端子350と、プラス側配線(正側配線)348aと、マイナス側配線(負側配線)348bとを備えている。プリント配線基板34の一方の面は、組電池200の一側面と向き合っている。プリント配線基板34と組電池200との間には、図示しない絶縁板が介在している。
The printed
正極側コネクタ342に、正極側リード22の他端22aが電気的に接続されている。負極側コネクタ343に、負極側リード23の他端23aが電気的に接続されている。
The
サーミスタ345は、プリント配線基板34の一方の面に固定されている。サーミスタ345は、単電池100の各々の温度を検出し、その検出信号を保護回路346に送信する。
The
通電用の外部端子350は、プリント配線基板34の他方の面に固定されている。通電用の外部端子350は、電池パック300の外部に存在する機器と電気的に接続されている。通電用の外部端子350は、正側端子352と負側端子353とを含む。
The
保護回路346は、プリント配線基板34の他方の面に固定されている。保護回路346は、プラス側配線348aを介して正側端子352と接続されている。保護回路346は、マイナス側配線348bを介して負側端子353と接続されている。また、保護回路346は、配線342aを介して正極側コネクタ342に電気的に接続されている。保護回路346は、配線343aを介して負極側コネクタ343に電気的に接続されている。更に、保護回路346は、複数の単電池100の各々と配線35を介して電気的に接続されている。
The
保護シート33は、収容容器31の長辺方向の両方の内側面と、組電池200を介してプリント配線基板34と向き合う短辺方向の内側面とに配置されている。保護シート33は、例えば、樹脂又はゴムからなる。
The
保護回路346は、複数の単電池100の充放電を制御する。また、保護回路346は、サーミスタ345から送信される検出信号、又は、個々の単電池100若しくは組電池200から送信される検出信号に基づいて、保護回路346と外部機器への通電用の外部端子350(正側端子352、負側端子353)との電気的な接続を遮断する。
The
サーミスタ345から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の温度が所定の温度以上であることを検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100若しくは組電池200から送信される検出信号としては、例えば、単電池100の過充電、過放電及び過電流を検出した信号を挙げることができる。個々の単電池100について過充電等を検出する場合、電池電圧を検出してもよく、正極電位又は負極電位を検出してもよい。後者の場合、参照極として用いるリチウム電極を個々の単電池100に挿入する。
The detection signal transmitted from the
なお、保護回路346としては、電池パック300を電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を用いてもよい。
The
また、この電池パック300は、上述したように通電用の外部端子350を備えている。したがって、この電池パック300は、通電用の外部端子350を介して、組電池200からの電流を外部機器に出力するとともに、外部機器からの電流を、組電池200に入力することができる。言い換えると、電池パック300を電源として使用する際には、組電池200からの電流が、通電用の外部端子350を通して外部機器に供給される。また、電池パック300を充電する際には、外部機器からの充電電流が、通電用の外部端子350を通して電池パック300に供給される。この電池パック300を車載用電池として用いた場合、外部機器からの充電電流として、車両の動力の回生エネルギーを用いることができる。
As described above, the
なお、電池パック300は、複数の組電池200を備えていてもよい。この場合、複数の組電池200は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。また、プリント配線基板34及び配線35は省略してもよい。この場合、正極側リード22及び負極側リード23を通電用の外部端子の正側端子と負側端子としてそれぞれ用いてもよい。
The
このような電池パックは、例えば大電流を取り出したときにサイクル性能が優れていることが要求される用途に用いられる。この電池パックは、具体的には、例えば、電子機器の電源、定置用電池、各種車両の車載用電池として用いられる。電子機器としては、例えば、デジタルカメラを挙げることができる。この電池パックは、車載用電池として特に好適に用いられる。 Such battery packs are used in applications that require excellent cycle performance, for example, when drawing a large current. Specifically, these battery packs are used, for example, as power sources for electronic devices, stationary batteries, and on-board batteries for various vehicles. Examples of electronic devices include digital cameras. These battery packs are particularly suitable for use as on-board batteries.
第5の実施形態に係る電池パックは、第3の実施形態に係る二次電池又は第4の実施形態に係る組電池を備えている。そのため、当該電池パックは、高い充放電効率を示すとともにレート特性の向上と自己放電が抑制されている。 The battery pack according to the fifth embodiment includes the secondary battery according to the third embodiment or the battery pack according to the fourth embodiment. Therefore, the battery pack exhibits high charge/discharge efficiency, improves rate characteristics, and suppresses self-discharge.
[第6の実施形態]
第6の実施形態によると、第5の実施形態に係る電池パックを含む車両が提供される。
Sixth embodiment
According to a sixth embodiment, a vehicle including the battery pack according to the fifth embodiment is provided.
係る車両において、電池パックは、例えば、車両の動力の回生エネルギーを回収するものである。車両は、この車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構(Regenerator:再生器)を含んでいてもよい。 In such a vehicle, the battery pack, for example, recovers regenerative energy from the vehicle's motive power. The vehicle may also include a mechanism (regenerator) that converts the kinetic energy of the vehicle into regenerative energy.
実施形態に係る車両の例としては、例えば、二輪から四輪のハイブリッド電気自動車、二輪から四輪の電気自動車、アシスト自転車、及び鉄道用車両が挙げられる。 Examples of vehicles according to the embodiment include two- to four-wheel hybrid electric vehicles, two- to four-wheel electric vehicles, power-assisted bicycles, and rail vehicles.
実施形態に係る車両における電池パックの搭載位置は、特には限定されない。例えば、電池パックを自動車に搭載する場合、電池パックは、車両のエンジンルーム、車体後方又は座席の下に搭載することができる。 The mounting position of the battery pack in the vehicle according to the embodiment is not particularly limited. For example, when the battery pack is mounted in an automobile, the battery pack can be mounted in the engine compartment, the rear of the vehicle body, or under the seat of the vehicle.
実施形態に係る車両は、複数の電池パックを搭載してもよい。この場合、それぞれの電池パックが含む電池同士は、電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。例えば、各電池パックが組電池を含む場合は、組電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、又は電気的に並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。或いは、各電池パックが単一の電池を含む場合は、それぞれの電池同士が電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよく、又は直列接続及び並列接続を組み合わせて電気的に接続されてもよい。 The vehicle according to the embodiment may be equipped with a plurality of battery packs. In this case, the batteries included in each battery pack may be electrically connected in series, electrically connected in parallel, or electrically connected by a combination of series and parallel connections. For example, when each battery pack includes a battery pack, the battery packs may be electrically connected in series, electrically connected in parallel, or electrically connected by a combination of series and parallel connections. Alternatively, when each battery pack includes a single battery, the batteries may be electrically connected in series, electrically connected in parallel, or electrically connected by a combination of series and parallel connections.
次に、実施形態に係る車両の一例について、図面を参照しながら説明する。
図12は、実施形態に係る車両の一例を概略的に示す部分透過図である。
図12に示す車両400は、車両本体40と、第5の実施形態に係る電池パック300とを含んでいる。図12に示す例では、車両400は、四輪の自動車である。
Next, an example of a vehicle according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 12 is a partially see-through view that illustrates an example of a vehicle according to an embodiment.
A
この車両400は、複数の電池パック300を搭載してもよい。この場合、電池パック300が含む電池(例えば、単電池又は組電池)は、直列に接続されてもよく、並列に接続されてもよく、直列接続及び並列接続を組み合わせて接続されてもよい。
The
図12では、電池パック300が車両本体40の前方に位置するエンジンルーム内に搭載されている例を図示している。上述したとおり、電池パック300は、例えば、車両本体40の後方又は座席の下に搭載してもよい。この電池パック300は、車両400の電源として用いることができる。また、この電池パック300は、車両400の動力の回生エネルギーを回収することができる。
Figure 12 illustrates an example in which the
第6の実施形態に係る車両は、第5の実施形態に係る電池パックを搭載している。したがって、当該車両は、走行性能及び信頼性に優れる。 The vehicle according to the sixth embodiment is equipped with the battery pack according to the fifth embodiment. Therefore, the vehicle has excellent driving performance and reliability.
[第7の実施形態]
第7の実施形態によると、第5の実施形態に係る電池パックを含む定置用電源が提供される。
係る定置用電源は、第5の実施形態に係る電池パックの代わりに、第4の実施形態に係る組電池又は第3の実施形態に係る二次電池を搭載していてもよい。実施形態に係る定置用電源は、長寿命を実現できる。
[Seventh embodiment]
According to a seventh embodiment, there is provided a stationary power source including the battery pack according to the fifth embodiment.
The stationary power source may be equipped with the assembled battery according to the fourth embodiment or the secondary battery according to the third embodiment, instead of the battery pack according to the fifth embodiment. The stationary power source according to the embodiments can achieve a long life.
図13は、実施形態に係る定置用電源を含むシステムの一例を示すブロック図である。図13は、実施形態に係る電池パック300A、300Bの使用例として、定置用電源112、123への適用例を示す図である。図13に示す一例では、定置用電源112,123が用いられるシステム110が示される。システム110は、発電所111、定置用電源112、需要家側電力系統113及びエネルギー管理システム(EMS)115を備える。また、システム110には、電力網116及び通信網117が形成され、発電所111、定置用電源112、需要家側電力系統113及びEMS115は、電力網116及び通信網117を介して、接続される。EMS115は、電力網116及び通信網117を活用して、システム110全体を安定化させる制御を行う。
FIG. 13 is a block diagram showing an example of a system including a stationary power source according to the embodiment. FIG. 13 is a diagram showing an example of application to
発電所111は、火力及び原子力等の燃料源によって、大容量の電力を生成する。発電所111からは、電力網116等を通して電力が供給される。また、定置用電源112には、電池パック300Aが搭載される。電池パック300Aは、発電所111から供給される電力等を蓄電できる。また、定置用電源112は、電池パック300Aに蓄電された電力を、電力網116等を通して供給できる。システム110には、電力変換装置118が設けられる。電力変換装置118は、コンバータ、インバータ及び変圧器等を含む。したがって、電力変換装置118は、直流と交流との間の変換、互いに対して周波数が異なる交流の間の変換、及び、変圧(昇圧及び降圧)等を行うことができる。このため、電力変換装置118は、発電所111からの電力を、電池パック300Aへ蓄電可能な電力に変換できる。
The
需要家側電力系統113には、工場用の電力系統、ビル用の電力系統、及び、家庭用の電力系統等が、含まれる。需要家側電力系統113は、需要家側EMS121、電力変換装置122及び定置用電源123を備える。定置用電源123には、電池パック300Bが搭載される。需要家側EMS121は、需要家側電力系統113を安定化させる制御を行う。
The consumer-
需要家側電力系統113には、発電所111からの電力、及び、電池パック300Aからの電力が、電力網116を通して供給される。電池パック300Bは、需要家側電力系統113に供給された電力を蓄電できる。また、電力変換装置122は、電力変換装置118と同様に、コンバータ、インバータ及び変圧器等を含む。したがって、電力変換装置122は、直流と交流との間の変換、互いに対して周波数が異なる交流の間の変換、及び、変圧(昇圧及び降圧)等を行うことができる。このため、電力変換装置122は、需要家側電力系統113に供給された電力を、電池パック300Bへ蓄電可能な電力に変換できる。
The consumer-
なお、電池パック300Bに蓄電された電力は、例えば、電気自動車等の車両の充電等に用いることができる。また、システム110には、自然エネルギー源が設けられてもよい。この場合、自然エネルギー源は、風力及び太陽光等の自然エネルギーによって、電力を生成する。そして、発電所111に加えて自然エネルギー源からも、電力網116を通して、電力が供給される。
The power stored in the
[実施例]
(実施例1)
<電極構造体の製造>
まず、負極を作製した。負極活物質、導電剤及び結着剤を、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶媒に分散して負極活物質含有スラリーを調製した。負極活物質含有層における導電剤及び結着剤の割合は、それぞれ、負極活物質100重量部に対して5重量部及び1重量部とした。負極活物質としては、リチウムチタン酸化物(Li4Ti5O12)粉末を用いた。導電剤としては、黒鉛粉末を用いた。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)樹脂を用いた。
[Example]
Example 1
<Manufacture of electrode structure>
First, the negative electrode was prepared. The negative electrode active material, the conductive agent, and the binder were dispersed in an N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent to prepare a negative electrode active material-containing slurry. The proportions of the conductive agent and the binder in the negative electrode active material-containing layer were 5 parts by weight and 1 part by weight, respectively, relative to 100 parts by weight of the negative electrode active material. Lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ) powder was used as the negative electrode active material. Graphite powder was used as the conductive agent. Polyvinylidene fluoride (PVdF) resin was used as the binder.
次いで、調製したスラリーを、負極集電体の両面に塗布し、塗膜を乾燥させることで負極活物質含有層を形成した。負極集電体としては、厚さ50μmのZn箔を用いた。ここで、スラリーをZn箔に塗布する際、作製する負極のうち、電極群の最外層に位置する部分についてはZn箔の片面にのみ負極活物質含有スラリーを塗布し、それ以外の部分についてはZn箔の両面に負極活物質含有スラリーを塗布した。このとき、負極活物質含有スラリー乾燥温度は120℃、スラリー塗工速度は1m/分であった。次いで、負極集電体と負極活物質含有層とをプレス温度25℃、プレス圧は5kNでプレスして、負極を作製した。表1ではこの負極集電体と負極活物質含有層とのプレス温度及びプレス圧を、合剤塗膜プレス温度、合剤塗膜プレス圧と記載した。 The prepared slurry was then applied to both sides of the negative electrode current collector, and the coating was dried to form a negative electrode active material-containing layer. A 50 μm thick Zn foil was used as the negative electrode current collector. When applying the slurry to the Zn foil, the negative electrode active material-containing slurry was applied only to one side of the Zn foil for the portion of the negative electrode to be prepared that was located in the outermost layer of the electrode group, and the negative electrode active material-containing slurry was applied to both sides of the Zn foil for the other portions. At this time, the drying temperature of the negative electrode active material-containing slurry was 120° C., and the slurry application speed was 1 m/min. Next, the negative electrode current collector and the negative electrode active material-containing layer were pressed at a press temperature of 25° C. and a press pressure of 5 kN to prepare a negative electrode. In Table 1, the pressing temperature and pressing pressure of the negative electrode current collector and the negative electrode active material-containing layer are described as the composite coating film pressing temperature and the composite coating film pressing pressure.
次に、固体粒子と高分子材料とをNMPと混合して、複合層形成用のスラリーを得た。固体粒子として無機固体粒子であるLATP(Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3)を用い、高分子材料としてポリビニルブチラールを用いた。該ポリビニルブチラールの軟化点は120℃であった。複合層スラリーにおいて、無機固体粒子と高分子材料との質量比は、88:12とした。この複合層スラリーを、セルロース不織布の一方の面上にドクターブレード法により塗工速度0.5m/分で塗工し、得られた塗膜を120℃の温度で乾燥させた。また、セルロース不織布のもう一方の面についても、同様の条件で塗工し、セルロース不織布両面に複合層が設けられた、つまり第1複合層と第2複合層を有するセパレータ前駆体を得た。 Next, the solid particles and the polymeric material were mixed with NMP to obtain a slurry for forming the composite layer. The inorganic solid particles LATP ( Li1.5Al0.5Ti1.5 ( PO4 ) 3 ) were used as the solid particles, and polyvinyl butyral was used as the polymeric material. The softening point of the polyvinyl butyral was 120°C. In the composite layer slurry, the mass ratio of the inorganic solid particles to the polymeric material was 88:12. This composite layer slurry was applied to one side of the cellulose nonwoven fabric by the doctor blade method at a coating speed of 0.5 m/min, and the resulting coating was dried at a temperature of 120°C. The other side of the cellulose nonwoven fabric was also coated under the same conditions to obtain a separator precursor in which a composite layer was provided on both sides of the cellulose nonwoven fabric, that is, a first composite layer and a second composite layer were provided.
次に、このセパレータ前駆体をロールプレス処理に供した。ロールプレス処理に際しては、上下に2つのローラーを備えたプレス装置を用いた。ローラーの加熱温度を120℃、ローラーのプレス圧を10kNとしてプレスすることでセパレータを得た。作製した負極とセパレータを改めて、120℃に加熱したローラーのプレス圧10kNにてプレス圧着することにより、負極表面上にセパレータが設けられた電極構造体を得た。 Next, this separator precursor was subjected to roll pressing. For the roll pressing, a pressing device equipped with two rollers, one above the other, was used. The separator was obtained by pressing with the heating temperature of the rollers set to 120°C and the pressing pressure of the rollers set to 10 kN. The prepared negative electrode and separator were then pressed together again with rollers heated to 120°C and a pressing pressure of 10 kN to obtain an electrode structure with a separator provided on the surface of the negative electrode.
<二次電池の作製>
得られた電極構造体に加え、以下の方法により準備した正極、並びに水系電解質を用いて二次電池を作製した。
<Preparation of secondary battery>
A secondary battery was fabricated using the obtained electrode structure, a positive electrode prepared by the following method, and an aqueous electrolyte.
[正極の製造]
正極活物質と、導電剤と、結着剤と、溶媒とを混合して、正極作製用スラリーを調製した。正極活物質としては、LiMn2O4を用いた。導電剤としては、黒鉛粉末を用いた。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いた。溶媒としては、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を用いた。スラリーにおける正極活物質、導電剤、及び結着剤の質量比は100:5:5した。この正極作製用スラリーを正極集電体の両面に塗布し、乾燥させた後、プレス処理を施し、正極を得た。正極集電体としては、厚さ12μmのTi箔を用いた。
[Production of Positive Electrode]
A positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and a solvent were mixed to prepare a positive electrode slurry. LiMn 2 O 4 was used as the positive electrode active material. Graphite powder was used as the conductive agent. Polyvinylidene fluoride (PVdF) was used as the binder. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was used as the solvent. The mass ratio of the positive electrode active material, conductive agent, and binder in the slurry was 100:5:5. This positive electrode slurry was applied to both sides of a positive electrode current collector, dried, and then pressed to obtain a positive electrode. A Ti foil with a thickness of 12 μm was used as the positive electrode current collector.
[電極群の作製]
正極と、電極構造体とを、積層して積層体を得た。この際、電極構造体は水系電解質として12MのLiCl水溶液を含浸した後、第2複合層面が正極側に位置するように配置した。積層体を、負極側が最外周に位置するように渦巻き状に捲回した後、5kNでプレスして偏平状電極群を作製した。
[Preparation of electrode group]
The positive electrode and the electrode structure were laminated to obtain a laminate. At this time, the electrode structure was impregnated with a 12 M LiCl aqueous solution as an aqueous electrolyte, and then arranged so that the second composite layer surface was located on the positive electrode side. The laminate was spirally wound so that the negative electrode side was located on the outermost periphery, and then pressed with 5 kN to produce a flat electrode group.
[電池の組み立て]
得られた電極群を金属缶内に収容し、電極構造体に含浸させたものと同様に調製した水系電解質を注液して二次電池を作製した。
[Battery Assembly]
The obtained electrode group was placed in a metal can, and an aqueous electrolyte prepared in the same manner as that impregnated in the electrode structure was poured thereinto to prepare a secondary battery.
<二次電池の性能評価>
<内部抵抗測定>
先ず、充電状態(SOC:State of Charge)を50%に調製した。調整後の電池について、10Cのレートでパルス放電し、10秒後の放電電圧を測定した。放電前の電圧、及び10Cの放電電圧とから、二次電池の内部抵抗を算出した。
<Performance evaluation of secondary batteries>
<Internal resistance measurement>
First, the state of charge (SOC) was adjusted to 50%. The adjusted battery was pulse-discharged at a rate of 10 C, and the discharge voltage after 10 seconds was measured. The internal resistance of the secondary battery was calculated from the voltage before discharge and the discharge voltage at 10 C.
<充放電試験>
充放電効率を測定した。具体的には、先ず、二次電池を、25℃の環境下において、5Aの定電流で、電池電圧が2.7Vに至るまで充電した。その状態を30分間にわたって維持した。その後、5Aの定電流で、電池電圧が2.1Vに至るまで放電した。その状態を30分間にわたって維持した。これら一連の操作を1つの充放電サイクルとし、これを50回繰り返した。各二次電池について50サイクル目の放電容量と充電容量とを測定し、測定値を用いて充放電効率(放電容量/充電容量)を算出した。引きつづき、電池電圧2.7Vに至るまで二次電池を充電した後、24時間のレスト期間を設けた後、充電容量を再度測定し、貯蔵性能(24時間レスト後の充電容量/レスト直前の充電容量)を評価した。その結果を表4に示した。
<Charge/discharge test>
The charge and discharge efficiency was measured. Specifically, the secondary battery was first charged at a constant current of 5A in an environment of 25°C until the battery voltage reached 2.7V. This state was maintained for 30 minutes. Then, the secondary battery was discharged at a constant current of 5A until the battery voltage reached 2.1V. This state was maintained for 30 minutes. This series of operations constituted one charge and discharge cycle, which was repeated 50 times. The discharge capacity and charge capacity at the 50th cycle were measured for each secondary battery, and the charge and discharge efficiency (discharge capacity/charge capacity) was calculated using the measured values. Subsequently, the secondary battery was charged until the battery voltage reached 2.7V, and then a rest period of 24 hours was provided, after which the charge capacity was measured again, and the storage performance (charge capacity after 24 hours rest/charge capacity immediately before rest) was evaluated. The results are shown in Table 4.
表4において、「充放電効率(%)」と表記した列には、上記のとおり算出した、50サイクル試験後の放電容量を、充電容量で除した値を記載している。「放電容量(mAh/g)」と表記した列には、50サイクル試験における50サイクル目の放電容量を記載している。「貯蔵性能(%)」と表記した列には、51サイクル目に満充電まで充電した時の容量から24時間レストした後の充電容量の比を記載している。 In Table 4, the column labeled "Charge/Discharge Efficiency (%)" lists the discharge capacity after 50 cycles of testing, calculated as above, divided by the charge capacity. The column labeled "Discharge Capacity (mAh/g)" lists the discharge capacity at the 50th cycle of the 50-cycle test. The column labeled "Storage Performance (%)" lists the ratio of the charge capacity after 24 hours of rest to the capacity when fully charged at the 51st cycle.
以下に剥離強度、気孔度の測定方法について記載するが、これらの評価は上記抵抗、充放電効率、放電容量及び貯蔵性能を測定後に行った。 The methods for measuring peel strength and porosity are described below, but these evaluations were performed after measuring the above resistance, charge/discharge efficiency, discharge capacity, and storage performance.
<剥離強度評価>
得られた電極構造体について負極活物質含有層とセパレータの備える第1複合層界面の剥離強度を測定した際の水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVを先に説明した表面・界面切削法により評価した。具体的には、電極構造体の両面を純水で洗い流した後、純水に浸漬させて48時間以上放置し、その後、さらに純水で両面を洗い流し、超音波振動を加えることで、正極を剥離させ、電極構造体を取り出す。その後、100℃の真空乾燥炉にて48時間以上乾燥させて、電極構造体の測定試料を準備した。
<Evaluation of peel strength>
The obtained electrode structure was evaluated by the surface/interface cutting method described above for the horizontal force FH and the vertical force FV when measuring the peel strength of the interface between the negative electrode active material-containing layer and the separator. Specifically, both sides of the electrode structure were washed with pure water, then immersed in pure water and left for 48 hours or more, and then further washed with pure water and ultrasonic vibration was applied to peel off the positive electrode and take out the electrode structure. Then, the electrode structure was dried in a vacuum drying oven at 100 ° C for 48 hours or more to prepare a measurement sample of the electrode structure.
準備した電極構造体に対して表面・界面切削法を用いて測定した。測定装置としては、ダイプラ・ウインテス株式会社製DN-GSを用いた。切り刃には、例えば刃幅が1.0mmのボラゾン材質のセラミック刃を使用し、測定条件としては、刃角は、すくい角度20度、にげ角度10度とした。 Measurements were made using the surface and interface cutting method on the prepared electrode structure. The measuring device used was a DN-GS manufactured by Daipla Wintes Co., Ltd. For example, a ceramic blade made of borazon material with a blade width of 1.0 mm was used as the cutting blade, and the measurement conditions were a rake angle of 20 degrees and a relief angle of 10 degrees.
先ず、複合層に対し押圧荷重1Nにて垂直方向への切削を行った(定荷重モード)。この際第2複合層表面から切削を行う。ここで、水平速度2μm/秒、垂直速度0.2μm/秒の一定速度で、せん断角度45℃で切削を行った。第1複合層が負極活物質含有層から剥離したことで刃にかかる水平方向の荷重(水平力)が低下した段階で、垂直方向への荷重が0.5Nとなるように制御して垂直方向への刃の位置を一定に保った。その後、水平速度2μm/秒で水平力(水平方向の荷重)を測定した。剥離に伴う水平力が一定になってから、1mm長の領域に亘って計測を続け、この長さ領域において測定される水平力の平均強度を剥離強度における水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVを計測した。測定温度及び試料温度のいずれも室温(25℃)であった。実施例1で製造した電極構造体の測定結果は、水平方向にかかる力FHは6.0N/cm、垂直方向にかかる力FVは4.1N/cmであり、水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係は、FH/FV=1.46であった。 First, the composite layer was cut in the vertical direction with a pressing load of 1N (constant load mode). At this time, cutting was performed from the surface of the second composite layer. Here, cutting was performed at a constant horizontal speed of 2 μm/sec and vertical speed of 0.2 μm/sec, and a shear angle of 45°C. When the horizontal load (horizontal force) applied to the blade decreased due to the first composite layer being peeled off from the negative electrode active material-containing layer, the vertical load was controlled to be 0.5 N to keep the position of the blade constant in the vertical direction. Then, the horizontal force (horizontal load) was measured at a horizontal speed of 2 μm/sec. After the horizontal force associated with the peeling became constant, the measurement was continued over a 1 mm long area, and the average strength of the horizontal force measured in this length area was measured as the horizontal force FH and the vertical force FV in the peel strength. Both the measurement temperature and the sample temperature were room temperature (25°C). The measurement results of the electrode structure manufactured in Example 1 were that the force FH applied in the horizontal direction was 6.0 N/cm, the force FV applied in the vertical direction was 4.1 N/cm, and the relationship between the force FH applied in the horizontal direction and the force FV applied in the vertical direction was FH/FV = 1.46.
(電極構造体の気孔度の測定方法)
電極構造体の気孔度の測定においては、電極構造体を電池の他の部品から分離する。電極群を、純水で両面を洗い流した後、純水に浸漬させて48時間以上放置する。その後、さらに超音波振動を加えることで、正極を剥離させ、電極構造体を取り出す。この電極構造体を純水で両面を洗い流し、100℃の真空乾燥炉にて48時間以上乾燥させた後に、イオンミリングにより断面研磨した面を5000倍でSEM観察を行った。得られたSEM像の空孔領域Aの面積SAを観察領域の面積Sを100倍したもので割る(SA/(観察領域の面積S×100))することで気孔度を求めた。
(Method of measuring porosity of electrode structure)
In measuring the porosity of the electrode structure, the electrode structure is separated from other components of the battery. The electrode group is washed on both sides with pure water, and then immersed in pure water and left for 48 hours or more. Then, ultrasonic vibration is further applied to peel off the positive electrode and remove the electrode structure. The electrode structure is washed on both sides with pure water, dried in a vacuum drying furnace at 100 ° C. for 48 hours or more, and then the surface polished by ion milling was observed at 5000 times the magnification with an SEM. The porosity was obtained by dividing the area S A of the pore region A of the obtained SEM image by 100 times the area S of the observation region (S A / (area S of the observation region × 100)).
この操作を複合層の断面、負極活物質層断面にてそれぞれ任意の領域で5回計測し、その平均を取って、それぞれの気孔度を算出した。複合層の気孔度の測定では第1複合層と第2複合層は区別せずに測定した。実施例1で製造した電極構造体の測定結果は、複合層の気孔度が14%、負極合材層の気孔度が25%であった。 This operation was performed five times at any area on the cross section of the composite layer and the cross section of the negative electrode active material layer, and the average was taken to calculate the porosity of each. The porosity of the composite layer was measured without distinguishing between the first composite layer and the second composite layer. The measurement results of the electrode structure produced in Example 1 showed that the porosity of the composite layer was 14%, and the porosity of the negative electrode mixture layer was 25%.
上述した実施例1及び後述する実施例2-10における電極構造体の組成及び製造条件を表1-3にまとめた。また、実施例1-10で製造した電極構造体について得られた表面・界面切削法による評価及び電極構造体の気孔度の評価の結果も表4にまとめる。セパレータの組成としては、複合層の材料に用いた固体粒子、高分子材料、及びそれらの質量比を示す。セパレータの製造条件としては、複合層形成用スラリーの乾燥温度及び塗工速度、並びにロールプレス処理の際のローラー加熱温度及びプレス圧を示す。 The composition and manufacturing conditions of the electrode structures in Example 1 described above and Examples 2-10 described below are summarized in Tables 1-3. Table 4 also summarizes the results of the surface/interface cutting method evaluation and the porosity evaluation of the electrode structures manufactured in Examples 1-10. The separator composition shows the solid particles and polymeric material used in the composite layer material, and their mass ratios. The separator manufacturing conditions show the drying temperature and coating speed of the composite layer forming slurry, as well as the roller heating temperature and pressing pressure during roll pressing.
同様に、後述する比較例1-3に用いたセパレータの組成、電極構造体の製造条件、負極組成、負極の作製条件、剥離強度、FH、FVの比(FH/FV)、電極構造体の各層の気孔度、抵抗、充放電効率、放電容量及び貯蔵性能については表5-8にまとめた。評価できなかったものは、表では対応の項目下に“-”と表記している。 Similarly, the separator composition, electrode structure manufacturing conditions, negative electrode composition, negative electrode fabrication conditions, peel strength, FH, FV ratio (FH/FV), porosity of each layer of the electrode structure, resistance, charge/discharge efficiency, discharge capacity, and storage performance used in Comparative Examples 1-3 described below are summarized in Tables 5-8. Items that could not be evaluated are marked with "-" under the corresponding item in the table.
(実施例2)
<電極構造体の製造>
複合層の作製に用いたスラリーにおける固体粒子と高分子材料との質量比を97:3に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で電極構造体を製造した。
Example 2
<Manufacture of electrode structure>
An electrode structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the solid particles to the polymer material in the slurry used to prepare the composite layer was changed to 97:3.
<二次電池の作製>
得られた電極構造体を実施例1で得た電極構造体の代わりに用いたことを除き、実施例1と同様の手順により二次電池を作製し、評価を行った。
<Preparation of secondary battery>
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained electrode structure was used instead of the electrode structure obtained in Example 1, and was evaluated.
実施例1と同様の評価を行ったところ、水平方向にかかる力FHは5.1N/cm、垂直方向にかかる力FVは3.6N/cmであった。また、複合層の気孔度が21%、負極合材層の気孔度が25%であった。 When the same evaluation as in Example 1 was performed, the force FH applied in the horizontal direction was 5.1 N/cm, and the force FV applied in the vertical direction was 3.6 N/cm. In addition, the porosity of the composite layer was 21%, and the porosity of the negative electrode composite layer was 25%.
(実施例3)
<電極構造体の製造>
複合層の作製に用いたスラリーにおける固体粒子と高分子材料との質量比を80:20に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で電極構造体を製造した。
Example 3
<Manufacture of electrode structure>
An electrode structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of the solid particles to the polymer material in the slurry used to prepare the composite layer was changed to 80:20.
<二次電池の作製>
得られた電極構造体を実施例1で得た電極構造体の代わりに用いたことを除き、実施例1と同様の手順により二次電池を作製し、評価を行った。
<Preparation of secondary battery>
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained electrode structure was used instead of the electrode structure obtained in Example 1, and was evaluated.
実施例1と同様の評価を行ったところ、水平方向にかかる力FHは9.0N/cm、垂直方向にかかる力FVは4.3N/cmであった。また、複合層の気孔度が10%、負極合材層の気孔度が25%であった。 When the same evaluation as in Example 1 was performed, the force FH applied in the horizontal direction was 9.0 N/cm, and the force FV applied in the vertical direction was 4.3 N/cm. In addition, the porosity of the composite layer was 10%, and the porosity of the negative electrode composite layer was 25%.
(実施例4)
LATPの代わりにアルミナ(Al2O3)を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で電極構造体を製造した。
Example 4
An electrode structure was produced in the same manner as in Example 1, except that alumina (Al 2 O 3 ) was used instead of LATP.
<二次電池の作製>
得られた電極構造体を実施例1で得た電極構造体の代わりに用いたことを除き、実施例1と同様の手順により二次電池を作製し、評価を行った。
<Preparation of secondary battery>
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained electrode structure was used instead of the electrode structure obtained in Example 1, and was evaluated.
実施例4では、水平方向にかかる力FHは6.2N/cm、垂直方向にかかる力FVは4.1N/cmであった。また、複合層の気孔度が19%、負極合材層の気孔度が25%であった。 In Example 4, the horizontal force FH was 6.2 N/cm, and the vertical force FV was 4.1 N/cm. The porosity of the composite layer was 19%, and the porosity of the negative electrode composite layer was 25%.
下記実施例5-7により、各部材に様々な材料を用いた例を示す。 Examples 5-7 below show examples of using various materials for each component.
(実施例5-7)
<電極構造体の製造>
実施例5-7では、表1-3に示すとおりセパレータ及び負極活物質含有層に用いた材料を変更したことを以外は、実施例1と同様の方法で電極構造体を製造した。
(Examples 5 to 7)
<Manufacture of electrode structure>
In Examples 5-7, electrode structures were produced in the same manner as in Example 1, except that the materials used for the separator and the negative electrode active material-containing layer were changed as shown in Tables 1-3.
<二次電池の作製及び性能評価>
得られた電極構造体を実施例1で得た電極構造体の代わりに用いたことを除き、実施例1と同様の手順により二次電池を作製し、評価を行った。
実施例5-7のFH、FV、並びに気孔度は纏めて表4に示した。
<Preparation of secondary battery and performance evaluation>
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained electrode structure was used instead of the electrode structure obtained in Example 1, and was evaluated.
The FH, FV and porosity of Examples 5-7 are summarized in Table 4.
下記実施例8-10には、様々なプロセス条件で電極構造体を作製した例を示す。 Examples 8-10 below show examples of electrode structures fabricated under various process conditions.
<電極構造体の製造>
実施例8では、セパレータ、負極活物質含有層双方、プレス前の状態で重ね合わせ、一度に加熱ロールプレス処理したこと以外は、実施例1と同様の方法で電極構造体を製造した。そのため、実施例8のセパレータ構造体製造条件と負極活物質含有層作製条件のローラー加熱温度、プレス温度及びプレス圧は空欄を示す「―」と表記した。実施例8-10では、表5-7に示すとおりセパレータ及び負極活物質含有層の製造条件を変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で電極構造体を製造した。
<Manufacture of electrode structure>
In Example 8, the electrode structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the separator and the negative electrode active material-containing layer were both stacked in a pre-press state and subjected to a heated roll press treatment at the same time. Therefore, the roller heating temperature, press temperature, and press pressure in the separator structure production conditions and the negative electrode active material-containing layer production conditions in Example 8 are indicated as "-" to indicate blanks. In Examples 8-10, the electrode structure was produced in the same manner as in Example 1, except that the production conditions of the separator and the negative electrode active material-containing layer were changed as shown in Tables 5-7.
<二次電池の作製及び性能評価>
得られた電極構造体を実施例1で得た電極構造体の代わりに用いたことを除き、実施例1と同様の手順により二次電池を作製し、評価を行った。
<Preparation of secondary battery and performance evaluation>
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained electrode structure was used instead of the electrode structure obtained in Example 1, and was evaluated.
実施例8-10のFH、FV、並びに気孔度は纏めて表8に示した。 The FH, FV, and porosity for Examples 8-10 are summarized in Table 8.
(比較例1)
実施例1と同様の手順で作製した負極、及び正極を準備した。また、セパレータを下記のように作製した。多孔質層として、厚さ15μmのセルロース系不織布を準備した。次に、固体粒子と高分子材料とをN-メチル-2-ピロリドン(NMP)と混合して、複合層形成用のスラリーを得た。固体粒子として無機固体粒子のLATP(Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3)を用い、高分子材料としてポリビニルブチラールを用いた。該ポリビニルブチラールの軟化点は120℃であった。スラリーにおいて、無機固体粒子と高分子材料との質量比は、88:12とした。このスラリーを、多孔質層の一方の面上にのみドクターブレード法によりスラリー塗工速度0.5m/分で塗工し、得られた塗膜を120℃の温度で乾燥させた。このようにして、多孔質層上に塗膜が設けられたセパレータ前駆体を得た。
(Comparative Example 1)
A negative electrode and a positive electrode were prepared in the same manner as in Example 1. A separator was also prepared as follows. A 15 μm thick cellulose-based nonwoven fabric was prepared as a porous layer. Next, the solid particles and the polymeric material were mixed with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to obtain a slurry for forming a composite layer. Inorganic solid particles LATP (Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3) were used as the solid particles, and polyvinyl butyral was used as the polymeric material. The softening point of the polyvinyl butyral was 120° C. In the slurry, the mass ratio of the inorganic solid particles to the polymeric material was 88:12. This slurry was applied only on one side of the porous layer by a doctor blade method at a slurry application speed of 0.5 m/min, and the resulting coating was dried at a temperature of 120° C. In this manner, a separator precursor having a coating film provided on the porous layer was obtained.
次にこのセパレータ前駆体をロールプレス処理に供した。ロールプレス処理に際しては、上下に2つのローラーを備えたプレス装置を用いた。ローラーの加熱温度は120℃とし、ローラーのプレス圧は10kNとした。以上により、セパレータを得た。 Next, this separator precursor was subjected to roll press treatment. For the roll press treatment, a press device equipped with two rollers, one above and one below, was used. The heating temperature of the rollers was 120°C, and the pressing pressure of the rollers was 10 kN. In this way, a separator was obtained.
<二次電池の作製>
実施例1と同様の負極に加え、上記のようにセパレータを2枚作製して、第1セパレータ及び第2セパレータとして準備した。また、実施例1と同様の正極及び水系電解質を準備した。
<Preparation of secondary battery>
In addition to the same negative electrode as in Example 1, two separators were prepared as described above as a first separator and a second separator, and a positive electrode and an aqueous electrolyte were prepared as in Example 1.
正極と、第1セパレータと、負極と、第2セパレータとを、この順序で積層して積層体を得た。この際、複合層が負極側に位置し、多孔質層が正極側に位置するように第1及び第2セパレータを配置した。積層体を、負極が最外周に位置するように渦巻き状に捲回した後、プレスして偏平状電極群を作製した。 The positive electrode, the first separator, the negative electrode, and the second separator were stacked in this order to obtain a laminate. At this time, the first and second separators were arranged so that the composite layer was located on the negative electrode side and the porous layer was located on the positive electrode side. The laminate was wound in a spiral shape so that the negative electrode was located on the outermost periphery, and then pressed to produce a flat electrode group.
得られた電極群を実施例1で得た電極群の代わりに用いたことを除き、実施例1と同様の手順により二次電池を作製し、評価を行った。 A secondary battery was produced and evaluated in the same manner as in Example 1, except that the obtained electrode group was used instead of the electrode group obtained in Example 1.
剥離強度については、比較例1の電極構造体において、水平方向にかかる力FHは2.1N/cm、垂直方向にかかる力FVは2.3N/cmであった。複合層の表面と負極活物質含有層の表面とが接することになるものの、これらの部材は接合されないため、FHとFVが同等の値を取った。 Regarding peel strength, in the electrode structure of Comparative Example 1, the horizontal force FH was 2.1 N/cm, and the vertical force FV was 2.3 N/cm. Although the surface of the composite layer and the surface of the negative electrode active material-containing layer are in contact with each other, these members are not joined, so FH and FV had equivalent values.
(比較例2)
<負極の製造>
実施例1で調製したものと同様の負極作製用スラリーを調製した。このスラリーを50μm厚のZn箔の両面上に塗工し、120℃で乾燥させて負極活物質含有層の塗膜を設けた。Zn箔(集電箔)と負極活物質含有層の塗膜との積層体をロールプレス処理に供し、集電箔及び負極活物質含有層からなる負極を製造した。ローラーの温度は室温(25℃)とし、プレス圧は10kNとした。
(Comparative Example 2)
<Production of negative electrode>
A slurry for producing an anode was prepared similar to that prepared in Example 1. This slurry was applied to both sides of a 50 μm-thick Zn foil and dried at 120° C. to provide a coating film of an anode active material-containing layer. A laminate of the Zn foil (current collector foil) and the coating film of the anode active material-containing layer was subjected to a roll press treatment to produce an anode consisting of the current collector foil and the anode active material-containing layer. The temperature of the roller was room temperature (25° C.), and the pressing pressure was 10 kN.
<電極構造体の製造>
引きつづき、負極の負極活物質含有層の面上に複合層を形成した。実施例1で調製したものと同様の複合層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを用いて、多孔質層の代わりに負極活物質含有層の表面に直接塗工することを除き、実施例1におけるセパレータの形成と同様の条件で塗工、乾燥、及びロールプレス処理を行った。つまり、比較例2のセパレータには多孔質層は含まれず、負極活物質含有層と複合層が直接接している。これにより、集電箔、負極活物質含有層、セパレータが一体化した電極構造体を得た。
<Manufacture of electrode structure>
Next, a composite layer was formed on the surface of the negative electrode active material-containing layer of the negative electrode. A slurry for forming the composite layer was prepared similar to that prepared in Example 1. This slurry was used to perform coating, drying, and roll press treatment under the same conditions as those for forming the separator in Example 1, except that the slurry was directly coated on the surface of the negative electrode active material-containing layer instead of the porous layer. In other words, the separator in Comparative Example 2 did not include a porous layer, and the negative electrode active material-containing layer and the composite layer were in direct contact with each other. As a result, an electrode structure in which the current collector foil, the negative electrode active material-containing layer, and the separator were integrated was obtained.
<二次電池の作製>
得られた電極構造体を、実施例1と同様の水系電解質に浸漬させた。この電極構造体を実施例1で得た電極構造体の代わりに用いたことを除き、実施例1と同様の手順により二次電池を作製し、評価を行った。
<Preparation of secondary battery>
The obtained electrode structure was immersed in the same aqueous electrolyte as in Example 1. A secondary battery was produced and evaluated in the same manner as in Example 1, except that this electrode structure was used instead of the electrode structure obtained in Example 1.
得られた電極構造体について、実施例1と同様に剥離強度を評価したところ、比較例2では、FHは10.8N/cmであった。FVは4.5N/cmであった。 The peel strength of the obtained electrode structure was evaluated in the same manner as in Example 1. In Comparative Example 2, the FH was 10.8 N/cm and the FV was 4.5 N/cm.
(比較例3)
<二次電池の作製>
実施例1で得た負極と、セパレータとして15μm厚のセルロース不織布を用いたことを除き、実施例1と同様の手順により二次電池を作製し、評価を行った。
<Preparation of secondary battery>
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode obtained in Example 1 and a 15 μm-thick cellulose nonwoven fabric were used as the separator, and evaluation was carried out.
表4、8に示すとおり、実施例1-10では表に示した製造手順を採用したことにより、1.35≦FH/FV≦2.2電極構造体が得られた。これらの結果から、電極構造体において第1面での密着性がよく、撚れ等が生じていなかったと判断される。さらに、実施例1-10では、複合層の気孔度が負極合材層よりも小さくなる構造を得た。 As shown in Tables 4 and 8, in Example 1-10, by adopting the manufacturing procedures shown in the tables, an electrode structure with 1.35≦FH/FV≦2.2 was obtained. From these results, it is judged that the adhesion on the first surface of the electrode structure was good and no twisting or the like occurred. Furthermore, in Example 1-10, a structure was obtained in which the porosity of the composite layer was smaller than that of the negative electrode composite layer.
比較例1-3における電極構造体の組成及び製造条件、また、表面・界面切削法による評価の結果を表にまとめる。 The composition and manufacturing conditions of the electrode structures in Comparative Examples 1-3, as well as the results of evaluation using the surface and interface cutting method, are summarized in the table below.
上述のとおり、比較例1では、負極活物質含有層とセパレータが接合していないためFHとFVがほぼ同等の値を示した。一方、比較例2では、逆に、複合層形成時に複合層スラリーが負極合材層側に過度に侵入し、FHが大きな値となりFH/FV≧2.2を示した。 As described above, in Comparative Example 1, the negative electrode active material-containing layer and the separator were not joined, so FH and FV were almost equal. On the other hand, in Comparative Example 2, conversely, the composite layer slurry penetrated excessively into the negative electrode composite layer during composite layer formation, resulting in a large FH value and FH/FV≧2.2.
実施例1-10並びに比較例1-3に係る二次電池ついて、電池性能評価した結果を、表4及び表8に示す。表4及び表8において、「抵抗(mΩ)」と表記した列には、上述の通り算出した内部抵抗を、「充放電効率(%)」と表記した列には、50サイクル試験後の放電容量を、充電容量で除した値を記載している。「放電容量(mAh/g)」と表記した列には、50サイクル試験における50サイクル目の放電容量を記載している。「貯蔵性能(%)」と表記した列には、51サイクル目に満充電まで充電した時の容量から24時間レストした後の充電容量の比を記載している。 The results of the battery performance evaluation of the secondary batteries according to Examples 1-10 and Comparative Examples 1-3 are shown in Tables 4 and 8. In Tables 4 and 8, the column labeled "Resistance (mΩ)" lists the internal resistance calculated as described above, and the column labeled "Charge/Discharge Efficiency (%)" lists the value obtained by dividing the discharge capacity after a 50-cycle test by the charge capacity. The column labeled "Discharge Capacity (mAh/g)" lists the discharge capacity at the 50th cycle in the 50-cycle test. The column labeled "Storage Performance (%)" lists the ratio of the charge capacity after a 24-hour rest to the capacity when the battery was fully charged at the 51st cycle.
表4及び表8から明らかなように、実施例1-10の電極構造体を用いた二次電池の貯蔵性能は、比較例1-3の二次電池の貯蔵性能よりも高かった。比較例1との性能差については、実施例1-10に係る二次電池における負極とセパレータとの界面(負極活物質含有層と第1複合層との界面)でのFHとFVが1.35≦FH/FV≦2.2であるため、強固に負極と複合層が結着するため、より複合層での膨潤による割れ、クラックの発生を抑制することができるようになり、セパレータの強度を向上させることができた。また、セパレータと負極の間に液溜まりの存在を抑制することができた。そのため、抵抗を抑制しながら自己放電を抑制することができた。対して、比較例1ではセパレータと負極を積層させただけであったため、それらの界面に液溜まりが生じていたと推察される。比較例1では、液溜まり中の水に負極を構成する部材が接触することで水の電気分解が生じ、自己放電が進行したと判断される。 As is clear from Tables 4 and 8, the storage performance of the secondary battery using the electrode structure of Example 1-10 was higher than that of the secondary battery of Comparative Example 1-3. Regarding the performance difference from Comparative Example 1, since the FH and FV at the interface between the negative electrode and the separator (the interface between the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer) in the secondary battery of Example 1-10 are 1.35≦FH/FV≦2.2, the negative electrode and the composite layer are firmly bonded, so that it is possible to suppress the occurrence of cracks and breaks due to swelling in the composite layer, and the strength of the separator can be improved. In addition, it was possible to suppress the presence of a liquid pool between the separator and the negative electrode. Therefore, it was possible to suppress self-discharge while suppressing resistance. In contrast, in Comparative Example 1, since the separator and the negative electrode were simply laminated, it is presumed that a liquid pool was generated at the interface between them. In Comparative Example 1, it is determined that the electrolysis of water occurred due to the contact of the member constituting the negative electrode with the water in the liquid pool, and self-discharge progressed.
表8に示す剥離強度測定の結果から比較例2についても液溜まりがないと判断されるものの、比較例2では各性能が著しく低かった。これは、比較例2に係る電極構造体で採用した製造方法の都合上、電解質溶液の事前含浸ができなかったことに起因すると推測される。先ず、負極活物質含有層及び複合層を形成するそれぞれのスラリーの乾燥温度が高いため水系電解質の水溶媒が蒸発してしまうので、これら負極活物質含有層及び複合層の両方が形成されるまでは、水系電解質を含浸させることができない。比較例2では、負極活物質含有層及び複合層の両方が揃っている段階では、負極活物質含有層の一方の面に集電箔が設けられており、裏側のもう一方の面に複合層が形成されている。集電箔を通して液を浸透させることができないため、集電箔側の面から負極活物質含有層に水系電解質を含浸させることができない。比較例2では複合層形成のための原料やプロセスが実施例1と同じであるため、少なくともある程度は緻密な複合層が得られていると判断できる。このように緻密な複合層を通して液を浸透させることも困難であり、複合層側の面からも負極活物質含有層に水系電解質がほとんど含浸されないと考えられる。これらの結果、比較例2では電極構造体に含浸された水系電解質の量が少なく、電池性能が著しく劣化したものと考えられる。 From the results of the peel strength measurement shown in Table 8, it is judged that there is no liquid pool in Comparative Example 2, but each performance in Comparative Example 2 was significantly low. This is presumably due to the fact that the manufacturing method adopted in the electrode structure according to Comparative Example 2 did not allow pre-impregnation with the electrolyte solution. First, since the drying temperature of each slurry forming the negative electrode active material-containing layer and the composite layer is high, the water solvent of the aqueous electrolyte evaporates, so the aqueous electrolyte cannot be impregnated until both the negative electrode active material-containing layer and the composite layer are formed. In Comparative Example 2, at the stage where both the negative electrode active material-containing layer and the composite layer are prepared, a current collector foil is provided on one side of the negative electrode active material-containing layer, and a composite layer is formed on the other side on the back side. Since the liquid cannot be permeated through the current collector foil, the aqueous electrolyte cannot be impregnated into the negative electrode active material-containing layer from the side on the current collector foil side. In Comparative Example 2, since the raw materials and process for forming the composite layer are the same as those in Example 1, it can be judged that a dense composite layer is obtained at least to some extent. It is difficult to allow liquid to penetrate through such a dense composite layer, and it is believed that the aqueous electrolyte is hardly impregnated into the negative electrode active material-containing layer from the composite layer side. As a result, the amount of aqueous electrolyte impregnated into the electrode structure in Comparative Example 2 is small, and it is believed that the battery performance is significantly deteriorated.
比較例3では、そもそも水の電気分解を抑制することが出来ず、貯蔵性能に加えて、充放電効率もが低かった。 In Comparative Example 3, the electrolysis of water could not be suppressed in the first place, and in addition to the storage performance, the charge/discharge efficiency was also low.
以上説明した1以上の実施形態及び実施例によれば、電極構造体は、負極活物質含有層を備える負極と、第1複合層、多孔質層及び第2複合層の少なくとも3層をこの順で備えるセパレータと、を備え、負極活物質含有層と第1複合層は接し、第1複合層及び第2複合層は固体粒子及び高分子材料を含み、負極活物質含有層と第1複合層の界面を界面切削評価により計測したときの水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係が1.35≦FH/FV≦2.2である。 According to one or more of the embodiments and examples described above, the electrode structure comprises a negative electrode having a negative electrode active material-containing layer, and a separator having at least three layers, a first composite layer, a porous layer, and a second composite layer, in this order, the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer are in contact with each other, the first composite layer and the second composite layer contain solid particles and a polymeric material, and the relationship between the force FH applied in the horizontal direction and the force FV applied in the vertical direction when the interface between the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer is measured by interface cutting evaluation is 1.35≦FH/FV≦2.2.
上記構成によれば、高い充放電効率を示すとともにレート特性の向上と自己放電が抑制された二次電池を実現できる電極構造体、二次電池及び電池パック、並びに、当該電池パックを備えた車両及び定置用電源を提供することができる。 The above configuration makes it possible to provide an electrode structure, a secondary battery, and a battery pack that can realize a secondary battery that exhibits high charge/discharge efficiency, improves rate characteristics, and suppresses self-discharge, as well as a vehicle and a stationary power source equipped with the battery pack.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.
1…電極構造体、2…外装部材、3…負極、3a…負極集電体、3b…負極活物質含有層、3c…負極活物質、4…セパレータ、4a…多孔質層、4b…複合層、5…正極、5a…正極集電体、5b…正極活物質含有層、6…負極端子、7…正極端子、8…負極ガスケット、9…正極ガスケット、10…封口板、11…制御弁、12…注液口、13…封止栓、16…負極集電タブ、17…正極集電タブ、21…バスバー、22…正極側リード、23…負極側リード、24…粘着テープ、31…収容容器、32…蓋、33…保護シート、34…プリント配線基板、35…配線、40…車両本体、100…二次電池、110…システム、111…発電所、112…定置用電源、113…需要家側電力系統、115…エネルギー管理システム、116…電力網、117…通信網、118…電力変換装置、121…需要家側EMS、122…電力変換装置、123…定置用電源、200…組電池、300…電池パック、300A…電池パック、300B…電池パック、310…筐体、320…開口部、332…出力用正極端子、333…出力用負極端子、342…正極側コネクタ、343…負極側コネクタ、345…サーミスタ、346…保護回路、342a…配線、343a…配線、350…通電用の外部端子、352…正側端子、353…負側端子、348a…プラス側配線、348b…マイナス側配線、400…車両。 1...electrode structure, 2...exterior member, 3...negative electrode, 3a...negative electrode current collector, 3b...negative electrode active material-containing layer, 3c...negative electrode active material, 4...separator, 4a...porous layer, 4b...composite layer, 5...positive electrode, 5a...positive electrode current collector, 5b...positive electrode active material-containing layer, 6...negative electrode terminal, 7...positive electrode terminal, 8...negative electrode gasket, 9...positive electrode gasket, 10...sealing plate, 11...control valve, 12...filling port, 13...sealing plug, 16...negative electrode current collector tab, 17...positive electrode current collector tab, 21...bus bar, 22...positive electrode side lead, 23...negative electrode side lead, 24...adhesive tape, 31...container, 32...lid, 33...protective sheet, 34...printed wiring board, 35...wiring, 40...vehicle body, 100...secondary battery, 110...system, 111...power plant, 112... Stationary power source, 113... consumer side power system, 115... energy management system, 116... power network, 117... communication network, 118... power conversion device, 121... consumer side EMS, 122... power conversion device, 123... stationary power source, 200... battery pack, 300... battery pack, 300A... battery pack, 300B... battery pack, 310... housing, 320... opening, 332... output positive terminal, 333... output negative terminal, 342... positive side connector, 343... negative side connector, 345... thermistor, 346... protection circuit, 342a... wiring, 343a... wiring, 350... external terminal for current supply, 352... positive side terminal, 353... negative side terminal, 348a... positive side wiring, 348b... negative side wiring, 400... vehicle.
Claims (16)
第1複合層、多孔質層及び第2複合層の少なくとも3層をこの順で備えるセパレータと、
を備え、
前記負極活物質含有層と前記第1複合層は接し、前記第1複合層及び第2複合層は固体粒子及び高分子材料を含み、
前記固体粒子は、アルカリ金属イオンのイオン伝導性を有する無機固体粒子を含み、前記無機固体粒子はアルミナ、シリカ、ジルコニア、イットリア、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化バナジウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸ランタン、炭酸セリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、石膏、硫酸バリウム、水酸燐灰石、リチウムリン酸塩、リン酸ジルコニウム、リン酸チタニウム、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素から成る群から選択される1つを含み、
前記高分子材料は、酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)及びフッ素(F)からなる群より選択される1以上を含む官能基を有する炭化水素からなるモノマーユニットを含み、
前記セパレータを切削したとき、前記第1複合層の前記負極活物質含有層からの剥離に伴い水平方向にかかる力FHと垂直方向にかかる力FVの関係が1.35≦FH/FV≦2.2である電極構造体。 a negative electrode including a negative electrode active material-containing layer;
a separator including at least three layers, in this order, a first composite layer, a porous layer, and a second composite layer;
Equipped with
the negative electrode active material-containing layer and the first composite layer are in contact with each other, and the first composite layer and the second composite layer contain solid particles and a polymer material,
The solid particles include inorganic solid particles having an ionic conductivity of an alkali metal ion, the inorganic solid particles including one selected from the group consisting of alumina, silica, zirconia, yttria, magnesium oxide, calcium oxide, barium oxide, strontium oxide , vanadium oxide, sodium carbonate, potassium carbonate, magnesium carbonate, calcium carbonate, barium carbonate, lanthanum carbonate, cerium carbonate, calcium sulfate, magnesium sulfate, aluminum sulfate, gypsum, barium sulfate, hydroxyapatite, lithium phosphate, zirconium phosphate, titanium phosphate, silicon nitride, titanium nitride , and boron nitride;
The polymer material includes a monomer unit made of a hydrocarbon having a functional group containing one or more selected from the group consisting of oxygen (O), sulfur (S), nitrogen (N) and fluorine (F),
An electrode structure in which, when the separator is cut, the relationship between a force FH applied in a horizontal direction and a force FV applied in a vertical direction accompanying peeling of the first composite layer from the negative electrode active material containing layer is 1.35≦FH/FV≦2.2.
正極と、
水を含んだ水系電解質と
を具備する二次電池。 The electrode structure according to any one of claims 1 to 8,
A positive electrode and
A secondary battery comprising an aqueous electrolyte containing water.
前記正極活物質含有層は、リチウムイオン挿入-脱離電位がリチウムの酸化-還元電位に対し2.5V以上5.5V以下(vs.Li/Li+)である化合物を含んだ正極活物質を含む、請求項9に記載の二次電池。 The positive electrode comprises a positive electrode active material-containing layer,
10. The secondary battery according to claim 9, wherein the positive electrode active material-containing layer contains a positive electrode active material containing a compound having a lithium ion insertion-extraction potential of 2.5 V or more and 5.5 V or less relative to the oxidation-reduction potential of lithium (vs. Li/Li + ).
A stationary power source comprising the battery pack according to any one of claims 11 to 13.
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