JPWO2012127561A1 - Non-aqueous electrolyte battery - Google Patents
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Abstract
本発明の非水電解質電池は、正極と、負極と、セパレータと、非水電解質とを備え、前記正極と前記負極とは、それぞれ集電体と前記集電体の上に形成された活物質含有層とを含み、前記集電体は、樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの少なくとも片面に設けられた導電層とを含み、前記活物質含有層は、前記導電層の上に形成され、前記集電体の任意方向のヤング率Ya及び前記任意方向に直交する方向のヤング率Ybが、それぞれ4GPa以上17GPa以下であり、前記ヤング率Ya及び前記ヤング率Ybとの差の絶対値|Ya−Yb|が、5.0以下であることを特徴とする。The non-aqueous electrolyte battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte. The positive electrode and the negative electrode are formed on the current collector and the current collector, respectively. The current collector includes a resin film and a conductive layer provided on at least one side of the resin film, and the active material-containing layer is formed on the conductive layer, and The Young's modulus Ya in the arbitrary direction of the electric body and the Young's modulus Yb in the direction orthogonal to the arbitrary direction are 4 GPa or more and 17 GPa or less, respectively, and the absolute value of the difference between the Young's modulus Ya and the Young's modulus Yb | Ya−Yb | Is 5.0 or less.
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte battery such as a lithium ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質電池は、エネルギー密度が高いという特徴から、携帯電話やノート型パーソナルコンピューター等の携帯機器の電源として広く用いられている。携帯機器の高性能化に伴ってリチウムイオン二次電池の高容量化が更に進む傾向にあり、エネルギー密度を更に向上させる必要がある。 A non-aqueous electrolyte battery represented by a lithium ion secondary battery is widely used as a power source for portable devices such as a mobile phone and a notebook personal computer because of its high energy density. As the performance of portable devices increases, the capacity of lithium ion secondary batteries tends to increase further, and it is necessary to further improve the energy density.
非水電解質電池は、集電体の片面又は両面に活物質含有層を設けた電極(正極及び負極)を備えている。上記集電体は、通常金属箔から形成されているが、非水電解質電池の構成部材である集電体を極限にまで軽量化して、非水電解質電池のエネルギー密度を向上させるために、樹脂フィルムの表面に導電性薄膜を形成した集電体が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。 The nonaqueous electrolyte battery includes electrodes (positive electrode and negative electrode) in which an active material-containing layer is provided on one side or both sides of a current collector. The current collector is usually formed from a metal foil. However, in order to reduce the weight of the current collector, which is a component of the nonaqueous electrolyte battery, to the limit and improve the energy density of the nonaqueous electrolyte battery, a resin is used. A current collector in which a conductive thin film is formed on the surface of a film has been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
しかし、集電体の基材として樹脂フィルムを用いた場合、電池の充放電による温度上昇とともに樹脂フィルムが膨張することは避けられない。電池の使用中に集電体の基材である樹脂フィルムが膨張すると、集電体全体も膨張し、集電体の上に設けられた活物質含有層と、集電体との接合が不十分になり、電池の充放電特性が低下するおそれがある。 However, when a resin film is used as the base material of the current collector, it is inevitable that the resin film expands as the temperature rises due to charging and discharging of the battery. When the resin film, which is the base material of the current collector, expands during use of the battery, the entire current collector also expands, and the active material-containing layer provided on the current collector is not bonded to the current collector. This may be sufficient, and the charge / discharge characteristics of the battery may be reduced.
本発明は上記問題を解決したもので、軽量で且つ充放電特性が高い非水電解質電池を提供するものである。 The present invention solves the above problems and provides a nonaqueous electrolyte battery that is lightweight and has high charge / discharge characteristics.
本発明の非水電解質電池は、正極と、負極と、セパレータと、非水電解質とを含む非水電解質電池であって、前記正極と前記負極とは、それぞれ集電体と前記集電体の上に形成された活物質含有層とを含み、前記集電体は、樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの少なくとも片面に設けられた導電層とを含み、前記活物質含有層は、前記導電層の上に形成され、前記集電体の任意方向のヤング率Ya及び前記任意方向に直交する方向のヤング率Ybが、それぞれ4GPa以上17GPa以下であり、前記ヤング率Ya及び前記ヤング率Ybとの差の絶対値|Ya−Yb|が、5.0以下であることを特徴とする。 The non-aqueous electrolyte battery of the present invention is a non-aqueous electrolyte battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte, wherein the positive electrode and the negative electrode are a current collector and a current collector, respectively. An active material-containing layer formed thereon, the current collector includes a resin film and a conductive layer provided on at least one surface of the resin film, and the active material-containing layer is formed of the conductive layer. The Young's modulus Ya in the arbitrary direction of the current collector and the Young's modulus Yb in the direction orthogonal to the arbitrary direction are 4 GPa or more and 17 GPa or less, respectively, and the difference between the Young's modulus Ya and the Young's modulus Yb The absolute value of | Ya−Yb | is 5.0 or less.
本発明によると、軽量で且つ充放電特性が高い非水電解質電池を提供できる。 According to the present invention, a non-aqueous electrolyte battery that is lightweight and has high charge / discharge characteristics can be provided.
本発明の非水電解質電池は、正極と、負極と、セパレータと、非水電解質とを備えている。また、上記正極と上記負極とは、それぞれ集電体と上記集電体の上に形成された活物質含有層とを含み、上記集電体は、樹脂フィルムと、上記樹脂フィルムの少なくとも片面に設けられた導電層とを含み、上記活物質含有層は、上記導電層の上に形成されている。更に、上記集電体の任意方向のヤング率Ya及び上記任意方向に直交する方向のヤング率Ybが、それぞれ4GPa以上17GPa以下であり、上記ヤング率Ya及び上記ヤング率Ybとの差の絶対値|Ya−Yb|が、5.0以下に設定されている。 The nonaqueous electrolyte battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a nonaqueous electrolyte. The positive electrode and the negative electrode each include a current collector and an active material-containing layer formed on the current collector, and the current collector is disposed on at least one surface of the resin film and the resin film. The active material-containing layer is formed on the conductive layer. Furthermore, the Young's modulus Ya in the arbitrary direction of the current collector and the Young's modulus Yb in the direction orthogonal to the arbitrary direction are 4 GPa or more and 17 GPa or less, respectively, and the absolute value of the difference between the Young's modulus Ya and the Young's modulus Yb | Ya-Yb | is set to 5.0 or less.
通常、樹脂フィルムは押し出し成形により製膜された後、1軸延伸又は2軸延伸することで強度が付与される。本発明者らは、樹脂フィルムの強度の尺度の1つであるヤング率に着目し、樹脂フィルムのヤング率と樹脂フィルムの温度膨張係数との関係を検討し、樹脂フィルムのヤング率を特定の範囲とすることにより、温度膨張係数が小さい樹脂フィルムを実現した。そして、その樹脂フィルムを集電体の基材として用いることにより、温度変化によっても膨張の小さい集電体を実現し、軽量で且つ充放電特性の高い非水電解質電池を提供するものである。 Usually, after a resin film is formed by extrusion molding, strength is imparted by uniaxial stretching or biaxial stretching. The inventors pay attention to the Young's modulus, which is one of the measures of the strength of the resin film, examine the relationship between the Young's modulus of the resin film and the temperature expansion coefficient of the resin film, and specify the Young's modulus of the resin film. By setting the range, a resin film having a small temperature expansion coefficient was realized. By using the resin film as a base material for the current collector, a non-aqueous electrolyte battery that is light in weight and high in charge / discharge characteristics is realized by realizing a current collector that is small in expansion even when the temperature changes.
本発明では、上記集電体の任意方向のヤング率Ya及び上記任意方向に直交する方向のヤング率Ybは、それぞれ4GPa以上17GPa以下であり、より好ましくは7GPa以上17GPa以下である。これにより、集電体の温度上昇による膨張を抑制することができる。上記ヤング率Ya、Ybの少なくとも一方が4GPaを下回ると、温度上昇による集電体の膨張が大きくなり、電池の充放電特性が低下する。上記ヤング率Ya、Ybの値が高いほど集電体の温度上昇による膨張を抑制することができるが、集電体の基材として用いる樹脂フィルムの材料である工業用樹脂のヤング率の上限値は17GPa程度であるので、工業用樹脂を用いる限り集電体のヤング率の上限値も17GPa程度となる。 In the present invention, the Young's modulus Ya in the arbitrary direction of the current collector and the Young's modulus Yb in the direction orthogonal to the arbitrary direction are 4 GPa or more and 17 GPa or less, more preferably 7 GPa or more and 17 GPa or less. Thereby, the expansion | swelling by the temperature rise of a collector can be suppressed. When at least one of the Young's moduli Ya and Yb is less than 4 GPa, the current collector expands due to temperature rise, and the charge / discharge characteristics of the battery deteriorate. The higher the Young's modulus Ya, Yb is, the more the current collector can be prevented from expanding due to the temperature rise, but the upper limit of the Young's modulus of the industrial resin that is the material of the resin film used as the base material of the current collector Is about 17 GPa, the upper limit of the Young's modulus of the current collector is about 17 GPa as long as an industrial resin is used.
また、本発明では、上記ヤング率Ya及び上記ヤング率Ybとの差の絶対値|Ya−Yb|は、5.0以下に設定されている。これにより、集電体の温度上昇による膨張を均等に抑制できるため、電池の充放電特性を確実に維持できる。 In the present invention, the absolute value | Ya−Yb | of the difference between the Young's modulus Ya and the Young's modulus Yb is set to 5.0 or less. Thereby, since the expansion | swelling by the temperature rise of a collector can be suppressed equally, the charging / discharging characteristic of a battery can be maintained reliably.
本発明において樹脂フィルムと導電層とを含む集電体のヤング率は、次の測定方法に基づき測定するものとする。測定環境は、温度23℃±5℃、相対湿度50%±10%とする。測定装置として引っ張り試験機を用い、引っ張り試験機のロードセル間隔を10cmとして測定試料をセットし、引っ張り速度を10mm/minで試料を引っ張り、その時の加重を読み取り、1.5Nの加重の時の試料の伸び量と、0.5Nの時の試料の伸び量との差を、試料の厚さで割って上記ヤング率とする。 In the present invention, the Young's modulus of a current collector including a resin film and a conductive layer is measured based on the following measurement method. The measurement environment is a temperature of 23 ° C. ± 5 ° C. and a relative humidity of 50% ± 10%. Using a tensile tester as the measuring device, set the measurement sample with the load cell interval of the tensile tester set to 10 cm, pull the sample at a pulling speed of 10 mm / min, read the weight at that time, and read the sample at a load of 1.5 N The Young's modulus is obtained by dividing the difference between the amount of elongation and the amount of elongation of the sample at 0.5 N by the thickness of the sample.
上記樹脂フィルムの厚さは、3μm以上20μm以下であることが好ましく、4.5μm以上10μm以下がより好ましい。3μm未満では、薄すぎてフィルムの加工が困難となり、フィルムの強度を確保することが困難となる傾向がある。また、20μmを超えるとフィルムの占める体積が増加し、同一体積の電池の場合、フィルムの体積増加分だけ活物質含有層の体積が減少するので、電池の体積エネルギー密度が低下する。 The thickness of the resin film is preferably 3 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 4.5 μm or more and 10 μm or less. If it is less than 3 μm, it is too thin to make it difficult to process the film, and it tends to be difficult to ensure the strength of the film. On the other hand, when the thickness exceeds 20 μm, the volume occupied by the film increases, and in the case of a battery having the same volume, the volume of the active material-containing layer decreases by the volume increase of the film.
上記導電層の厚さは、100nm以上3μm以下であることが好ましい。100nm未満では、集電体としての電気抵抗が高くなり、集電効果が低下する傾向がある。3μmを超えると、導電層の応力が大きくなり、集電体の反り、うねりが発生し集電体として用いることが困難となる場合がある。 The conductive layer preferably has a thickness of 100 nm to 3 μm. If it is less than 100 nm, the electrical resistance as a current collector increases, and the current collection effect tends to decrease. If the thickness exceeds 3 μm, the stress of the conductive layer increases, and the current collector may be warped and undulated, making it difficult to use it as a current collector.
以下、本発明に用いる電極の実施形態を図面に基づき説明する。但し、図1〜図2では、同一部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of electrodes used in the present invention will be described with reference to the drawings. However, in FIGS. 1-2, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の非水電解質電池に用いる電極の一例を示す模式断面図である。図1において、電極(正極又は負極)10は、集電体11と集電体11の両面上に形成された活物質含有層12とを備えている。また、集電体11は、樹脂フィルム11aと、樹脂フィルム11aの両面に設けられた導電層11bとを備え、活物質含有層12と導電層11bとは電気的に接合している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrode used in the nonaqueous electrolyte battery of the present invention. In FIG. 1, an electrode (positive electrode or negative electrode) 10 includes a
樹脂フィルム11aを構成する樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド及びポリイミドからなる群から選択される1種の樹脂を用いることができる。また、樹脂フィルム11aとしては、上記樹脂に導電性フィラー等を混合して導電性樹脂フィルムとしてもよい。前述のとおり、樹脂フィルム11aの厚さは、3μm以上20μm以下に設定されている。
As the resin constituting the
導電層11bを構成する材料としては、例えば、アルミニウム、銅等の金属、又はグラファイト等の炭素材料を用いることができる。樹脂フィルム11aに導電層11bを形成する方法は限定されないが、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等を用いることができる。前述のとおり、導電層11bの厚さは、100nm以上3μm以下に設定されている。
As a material constituting the
集電体11のヤング率は、樹脂フィルム11aのヤング率を調整することにより、実質的に制御できる。また、樹脂フィルム11aのヤング率は、例えば、その延伸倍率を調整すること等により制御できる。一般に、延伸倍率を上昇させると樹脂フィルムのヤング率は増加する。
The Young's modulus of the
活物質含有層12は、活物質と、導電助剤と、バインダ等から形成される。活物質含有層12の厚さは特に限定されないが、薄すぎると電池全体で活物質含有層12の体積が相対的に減少するため、片面あたり150μm以上が好ましい。
The active material-containing
図2は、本発明の非水電解質電池に用いる電極の他の例を示す模式断面図である。図2において、電極20は、導電層11bが樹脂フィルム11aの片面のみに設けられ、活物質含有層12が導電層11bの上にのみ形成されていること以外は、図1に示した電極10と同様の構成である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of an electrode used in the nonaqueous electrolyte battery of the present invention. 2, the
次に、本発明の非水電解質電池の実施形態について扁平型リチウムイオン二次電池を例に説明する。図3Aは本実施形態で用いる電極体を説明するための斜視図であり、図3Bは電極体を外装材に収納している状態を示す斜視図であり、図3Cは電極体を外装材に収納した状態の斜視図である。 Next, an embodiment of the nonaqueous electrolyte battery of the present invention will be described by taking a flat lithium ion secondary battery as an example. 3A is a perspective view for explaining an electrode body used in the present embodiment, FIG. 3B is a perspective view showing a state in which the electrode body is housed in an exterior material, and FIG. 3C is an electrode body as an exterior material. It is a perspective view of the stored state.
図3Aにおいて、電極体30は、矩形状の正極31と矩形状の負極32とを、矩形状のセパレータ33を介して積層して作製される。正極31の一端には、正極リード端子31aが設けられ、負極32の一端には、負極リード端子32aが設けられている。
3A, the
図3Bにおいて、可撓性を有する矩形状の外装材34は、谷折りされて第1外装面34aと第2外装面34bとから構成されている。第1外装面34aには、深絞り成形により電極収納部35が形成されている。また、各正極リード端子31a(図3A)及び各負極リード端子32a(図3A)は、それぞれ重ね合わされて溶接されて、それぞれ正極リード端子部36a及び負極リード端子部36bを形成している。
In FIG. 3B, the rectangular-shaped
図3Cにおいて、電極体30は、非水電解質とともに谷折りされた第1外装面34aと第2外装面34bとが形成する電極収納部35に収納される。また、外装材34の外周辺のうち、谷折りされた一辺以外の三辺が所定の幅をもって接合されて封止部37a、37b、37cを形成している。正極リード端子部36a及び負極リード端子部36bは、外装材34の谷折りされた一辺と対向する封止部37cから外部に引き出されている。
In FIG. 3C, the
正極31は、正極活物質、正極用導電助剤、正極用バインダ等を含む混合物に、溶剤を加えて十分に混練して得た正極合剤ペーストを、本発明に係る正極集電体の両面に塗布して乾燥した後に、その正極合剤層(正極活物質含有層)を所定の厚さ及び所定の電極密度に制御することにより形成できる。
The
上記正極活物質としては、例えば、一般式LiMn2O4の組成を有するスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物(構成元素の一部がGe、Zr、Mg、Ni、Al、Co等の元素で置換された複合酸化物も含む。);一般式LiCoO2の組成を有するリチウムコバルト複合酸化物(構成元素の一部が、Ni、Al、Mg、Zr、Ti、B等の元素で置換された複合酸化物も含む。)、一般式LiNiO2の組成を有するリチウムニッケル複合酸化物(構成元素の一部が、Co、Al、Mg、Zr、Ti、B等の元素で置換された複合酸化物も含む。)等の層状構造の複合酸化物;一般式LiMPO4の組成を有するオリビン構造のリチウム含有複合酸化物(但し、MはNi、Co及びFeより選ばれる少なくとも1種である。)等が例示される。As the positive electrode active material, for example, a lithium manganese composite oxide having a spinel structure having a composition of the general formula LiMn 2 O 4 (a part of the constituent elements is replaced by an element such as Ge, Zr, Mg, Ni, Al, Co) A lithium cobalt composite oxide having a composition of the general formula LiCoO 2 ( a composite in which some of the constituent elements are substituted with elements such as Ni, Al, Mg, Zr, Ti, and B) And a lithium nickel composite oxide having a composition of the general formula LiNiO 2 (a composite oxide in which a part of the constituent elements is substituted with an element such as Co, Al, Mg, Zr, Ti, B, etc.) . including) composite oxide of a layered structure such as, lithium-containing composite oxide of olivine structure having a composition of general formula LiMPO 4 (where, M is at least one selected from Ni, Co and Fe). There are exemplified.
上記正極用導電助剤は、正極合剤層の導電性向上等の目的で必要に応じて添加すればよく、導電助剤となる導電性粉末として、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、繊維状炭素、黒鉛等の炭素粉末や、ニッケル粉末等の金属粉末を利用することができる。 The positive electrode conductive auxiliary agent may be added as necessary for the purpose of improving the electric conductivity of the positive electrode mixture layer. Examples of the conductive powder used as the conductive auxiliary agent include carbon black, ketjen black, and acetylene black. Carbon powder such as fibrous carbon and graphite, and metal powder such as nickel powder can be used.
上記正極用バインダには、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the positive electrode binder include, but are not limited to, polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
上記正極集電体としては、前述した図1に示した集電体10と同一の構造で、例えば、樹脂フィルム11aとしてPETフィルムを用い、導電層11bとしてアルミニウム層を用いたものが使用される。
As the positive electrode current collector, one having the same structure as the
上記溶剤としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン等が使用できる。 As the solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidone or the like can be used.
負極32は、負極活物質、負極用導電助剤、負極用バインダ等を含む混合物に、溶剤を加えて十分に混練して得た負極合剤ペーストを、本発明に係る負極集電体の両面に塗布して乾燥した後に、その負極合剤層(負極活物質含有層)を所定の厚さ及び所定の電極密度に制御することにより形成できる。
The
上記負極活物質としては、例えば、天然黒鉛又は塊状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等の人造黒鉛等の炭素材料が用いられるが、リチウムイオンを吸蔵・放出可能であればこれらに限定はされない。 Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as natural graphite or artificial graphite such as massive graphite, flaky graphite, and earthy graphite, but are not limited thereto as long as lithium ions can be occluded / released. .
上記負極集電体としては、前述した図1に示した集電体10と同一の構造で、例えば、樹脂フィルム11aとしてPETフィルムを用い、導電層11bとして銅層を用いたものが使用される。
As the negative electrode current collector, one having the same structure as the
上記負極用導電助剤、負極用バインダ、溶剤については、正極に用いたものと同様のものを使用できる。 About the said conductive additive for negative electrodes, the binder for negative electrodes, and a solvent, the thing similar to what was used for the positive electrode can be used.
セパレータ33としては、厚さが10〜50μmの耐熱性多孔質基体と、厚さが10〜30μmの熱可塑性樹脂からなる微多孔フィルムとを備えた2層構造のセパレータを用いることが好ましい。
As the
上記耐熱性多孔質基体としては、例えば、耐熱温度が150℃以上の繊維状物で形成してもよく、上記繊維状物は、セルロース及びその変成体、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリアミドイミド及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種の材料で形成することができ、より具体的には上記材料からなる織布、不織布(紙を含む。)等のシート状物を耐熱性多孔質基体として用いることができる。 The heat-resistant porous substrate may be formed of, for example, a fibrous material having a heat-resistant temperature of 150 ° C. or higher, and the fibrous material may be cellulose or a modified product thereof, polyolefin, polyester, polyacrylonitrile, aramid, polyamide. It can be formed of at least one material selected from the group consisting of imides and polyimides. More specifically, sheet-like materials such as woven fabrics and nonwoven fabrics (including paper) made of the above materials can be used as heat-resistant porous materials. It can be used as a quality substrate.
上記熱可塑性樹脂からなる微多孔フィルムとしては、一定温度以上(100〜140℃)で微孔を閉塞し、抵抗を上げるシャットダウン機能をセパレータに付与するために、例えば、融点が80〜140℃である熱可塑性樹脂からなる微多孔性フィルムを用いることができる。より具体的には、耐有機溶剤性及び疎水性を有するポリプロピレン、ポリエチレン等のオレフィン系ポリマーからなる微多孔シートを用いることができる。 The microporous film made of the thermoplastic resin has a melting point of 80 to 140 ° C., for example, in order to provide the separator with a shutdown function that closes the micropores at a certain temperature (100 to 140 ° C.) and increases the resistance. A microporous film made of a certain thermoplastic resin can be used. More specifically, a microporous sheet made of an olefin polymer such as polypropylene and polyethylene having resistance to organic solvents and hydrophobicity can be used.
また、セパレータ33の耐熱性をより向上させるために、上記耐熱性多孔質基体に無機フィラーを含ませてもよく、また、上記微多孔フィルムに厚さが3〜10μm程度の無機フィラー層を設けてもよい。上記無機フィラーとしては、例えば、アルミナ、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム及びベーマイトよりなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物の粒子を用いることができる。
In order to further improve the heat resistance of the
セパレータ33の厚さは特に限定されないが、通常は25〜90μmである。
Although the thickness of the
外装材34としては、アルミニウム等の金属層と熱可塑性樹脂層とが積層されたラミネートフィルム等を用いることができる。例えば、厚さが20〜100μmのアルミニウム層の外側に厚さが20〜50μmの熱可塑性樹脂層を設け、その内側に20〜100μmの接着層を設けたラミネートフィルムを用いることができる。これにより、封止部37a、37b、37cは、熱溶着により確実に接合できる。
As the
外装材34の厚さは特に限定されないが、通常は60〜250μmである。
Although the thickness of the
上記非水電解質としては、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた溶液(非水電解液)が使用される。 As the non-aqueous electrolyte, a solution (non-aqueous electrolytic solution) in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent is used.
上記有機溶媒としては、例えば、ビニレンカーボネート(VC)、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、γ−ブチロラクトン等の有機溶媒を1種類又は2種類以上混合して用いることができる。また、上記リチウム塩としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3等から選ばれる少なくとも1種類のリチウム塩を用いることができる。非水電解液中のLiイオンの濃度は、0.5〜1.5mol/Lとすればよい。Examples of the organic solvent include vinylene carbonate (VC), propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and methyl ethyl carbonate (MEC). , Γ-butyrolactone or other organic solvents can be used alone or in combination. Furthermore, as the lithium salt, for example, it can be used at least one lithium salt selected from LiClO 4, LiPF 6, LiBF 4 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiCF 3 SO 3 and the like. The concentration of Li ions in the nonaqueous electrolytic solution may be 0.5 to 1.5 mol / L.
上記非水電解質電池の実施形態では、矩形状の電極をセパレータを介して積層した積層電極体を用いた例を示したが、長尺状の電極をセパレータを介して巻回した巻回電極体を用いてもよい。 In the embodiment of the non-aqueous electrolyte battery, an example using a laminated electrode body in which rectangular electrodes are stacked via a separator is shown. However, a wound electrode body in which a long electrode is wound via a separator. May be used.
次に、本発明を実施例に基づき説明する。 Next, this invention is demonstrated based on an Example.
(実施例1)
<集電体の作製>
以下のようにして正極及び負極に用いる集電体を作製した。Example 1
<Preparation of current collector>
The current collector used for the positive electrode and the negative electrode was produced as follows.
樹脂フィルムとして厚さ6.1μmの帝人社製のPENフィルム“テオネックス“(商品名)を用いた。先ず、真空蒸着装置の巻き出し部に上記樹脂フィルムをセットし、1.5×10−3Paまで減圧した後、−20℃の冷却ドラムを介して樹脂フィルムを搬送速度60m/min、搬送張力100N/mで走行させた。この時、純度99.99重量%のアルミニウムを電子ビーム(出力5.1kW)で加熱蒸発させ、樹脂フィルムの表面にアルミニウムを蒸着させてアルミニウム薄膜を形成し、樹脂フィルムを巻き取った。アルミニウム薄膜の厚さは約150nmとした。次に、先ほど巻き取った樹脂フィルムのアルミニウム薄膜が形成された面とは反対側の面に、搬送張力を80N/minにしたこと以外は、上記と同様にしてアルミニウム薄膜を形成した後、巻き取ることで、樹脂フィルムの両面にアルミニウム薄膜を形成した正極集電体を作製した。A PEN film “Teonex” (trade name) manufactured by Teijin Ltd. having a thickness of 6.1 μm was used as the resin film. First, the resin film is set on the unwinding part of the vacuum evaporation apparatus, and after reducing the pressure to 1.5 × 10 −3 Pa, the resin film is conveyed at a conveyance speed of 60 m / min and a conveyance tension through a cooling drum at −20 ° C. The vehicle was run at 100 N / m. At this time, aluminum having a purity of 99.99% by weight was evaporated by heating with an electron beam (output 5.1 kW), aluminum was deposited on the surface of the resin film to form an aluminum thin film, and the resin film was wound up. The thickness of the aluminum thin film was about 150 nm. Next, after forming the aluminum thin film in the same manner as described above except that the transport tension was set to 80 N / min on the surface opposite to the surface on which the aluminum thin film was formed of the resin film wound up earlier, As a result, a positive electrode current collector in which an aluminum thin film was formed on both surfaces of the resin film was produced.
また、上記アルミニウムの蒸着に替えて、純度99.99重量%の銅を樹脂フィルムに蒸着し、樹脂フィルムの両面に厚さ約150nmの銅薄膜を形成したこと以外は、上記正極集電体と同様にして負極集電体を作製した。 Further, in place of the deposition of aluminum, copper having a purity of 99.99% by weight was deposited on a resin film, and a copper thin film having a thickness of about 150 nm was formed on both surfaces of the resin film. A negative electrode current collector was produced in the same manner.
<集電体のヤング率の測定>
以下のようにして、作製した集電体のヤング率を測定した。先ず、作製した集電体から幅12.65mm、長さ15cmの大きさの試料を任意方向に切り出して第1試料とし、第1試料の切り出し方向を第1方向とした。次に、引っ張り試験機のロードセル間隔を10cmにして第1試料をセットし、10mm/minの速度で長さ方向に引っ張り、その時の加重を読み取り、1.5Nの加重の時の試料の伸び量と、0.5Nの時の試料の伸び量との差を、第1試料の厚さで割って第1方向(任意方向)のヤング率Yaを求めた。<Measurement of Young's modulus of current collector>
The Young's modulus of the produced current collector was measured as follows. First, a sample having a width of 12.65 mm and a length of 15 cm was cut out from the produced current collector in an arbitrary direction to be a first sample, and the cutting direction of the first sample was taken as a first direction. Next, the first test sample is set with the load cell interval of the tensile tester set to 10 cm, pulled in the length direction at a speed of 10 mm / min, the weight at that time is read, and the amount of elongation of the sample when the weight is 1.5 N The Young's modulus Ya in the first direction (arbitrary direction) was determined by dividing the difference between the sample elongation at 0.5N and the thickness of the first sample.
但し、集電体のヤング率の測定に用いる試料の寸法は、上記試料の寸法に限定されるものではない。 However, the size of the sample used for measuring the Young's modulus of the current collector is not limited to the size of the sample.
次に、同じ集電体から上記第1試料の切り出し方向と直交する方向に切り出したこと以外は第1試料と同様にして第2試料を切り出し、第2試料の切り出し方向を第2方向とし、第2試料を用いたこと以外は、第1試料と同様にして第2方向(任意方向に直交する方向)のヤング率Ybを求めた。 Next, the second sample is cut out in the same manner as the first sample except that it is cut out from the same current collector in the direction perpendicular to the cutting direction of the first sample, the cutting direction of the second sample is set as the second direction, The Young's modulus Yb in the second direction (direction perpendicular to the arbitrary direction) was determined in the same manner as in the first sample except that the second sample was used.
上記ヤング率の測定は、温度23℃±5℃、相対湿度50%±10%の雰囲気環境で行なった。 The Young's modulus was measured in an atmospheric environment at a temperature of 23 ° C. ± 5 ° C. and a relative humidity of 50% ± 10%.
<集電体の長さの温度変化量の測定>
集電体の長さの温度変化量の測定試料として、上記集電体のヤング率の測定の場合と同様にして第1試料及び第2試料を準備し、以下のようにして第1試料及び第2試料の長さの温度変化量を測定した。先ず、各試料の長さ方向の長さを10℃の雰囲気温度で測定し、その長さをL1とした。次に、雰囲気温度を29℃まで上げて各試料の長さ方向の長さを測定し、その長さをL2とした。続いて、(L2−L1)/L1を計算し、ppm単位で温度変化量を求めた。<Measurement of temperature change of current collector length>
As a measurement sample of the temperature change amount of the current collector length, a first sample and a second sample are prepared in the same manner as in the measurement of the Young's modulus of the current collector, and the first sample and The amount of temperature change in the length of the second sample was measured. First, the length of each sample in the length direction was measured at an ambient temperature of 10 ° C., and the length was defined as L1. Next, the ambient temperature was raised to 29 ° C., the length in the length direction of each sample was measured, and the length was defined as L2. Subsequently, (L2-L1) / L1 was calculated, and the temperature change amount was determined in ppm.
<非水電解質電池の作製>
以下のようにして、作製した集電体を用いて非水電解質電池を作製した。<Production of nonaqueous electrolyte battery>
A nonaqueous electrolyte battery was produced using the produced current collector as follows.
正極活物質としてLiMn2O4を94質量部、導電助剤としてアセチレンブラック3質量部、及びバインダとしてポリフッ化ビニリデン3質量部を、N−メチル−2−ピロリドンを溶剤として均一になるように混合し、正極合剤含有ペーストを調製した。そのペーストを、上記正極集電体の両面に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成し、ローラーで加圧成形した後、電極塗布面が幅40mm及び長さ72mmになるように切断して正極を作製した。また、正極合剤層が形成されていない正極の一端部には正極リード端子を形成した。94 parts by mass of LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material, 3 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed so as to be uniform using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. Then, a positive electrode mixture-containing paste was prepared. The paste is applied to both sides of the positive electrode current collector, dried to form a positive electrode mixture layer, press-formed with a roller, and then cut so that the electrode application surface has a width of 40 mm and a length of 72 mm. Thus, a positive electrode was produced. Moreover, the positive electrode lead terminal was formed in the one end part of the positive electrode in which the positive mix layer was not formed.
負極活物質としてBET比表面積が2.2m2/gで平均粒径が18μmの黒鉛粉末、及びバインダとしてカルボキシメチルセルロース(CMC)とスチレン・ブタジエン共重合体ゴム(SBR)を用い、溶媒としての水とともに、黒鉛粉末、CMC及びSBRを、それぞれ質量比で、96:2:2の割合で混合し、スラリー状の負極合剤含有ぺーストを調製した。そのぺーストを、上記負極集電体の両面に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成し、ローラーで加圧成形した後、電極塗布面が幅42mm及び長さ74mmになるように切断して負極を作製した。また、負極合剤層が形成されていない負極の一端部には負極リード端子を形成した。Water as a solvent using graphite powder having a BET specific surface area of 2.2 m 2 / g and an average particle diameter of 18 μm as the negative electrode active material, and carboxymethyl cellulose (CMC) and styrene-butadiene copolymer rubber (SBR) as the binder. At the same time, graphite powder, CMC, and SBR were mixed at a mass ratio of 96: 2: 2 to prepare a slurry-like negative electrode mixture-containing paste. The paste is applied to both sides of the negative electrode current collector, dried to form a negative electrode mixture layer, press-formed with a roller, and then cut so that the electrode application surface has a width of 42 mm and a length of 74 mm. Thus, a negative electrode was produced. Moreover, the negative electrode lead terminal was formed in the one end part of the negative electrode in which the negative mix layer was not formed.
セパレータとして、厚さ16μmのポリエチレン製の微多孔フィルムに厚さ5μmのベーマイト粒子層を形成した多孔性フィルムと、厚さ20μmのポリエチレンテレフタレート製の不織布とを積層した多孔性積層フィルムを準備した。上記多孔性積層フィルム(セパレータ)の総厚みは約20μm、開口率は50%であった。 As a separator, a porous laminated film was prepared by laminating a porous film in which a boehmite particle layer having a thickness of 5 μm was formed on a microporous film made of polyethylene having a thickness of 16 μm and a nonwoven fabric made of polyethylene terephthalate having a thickness of 20 μm. The total thickness of the porous laminated film (separator) was about 20 μm, and the opening ratio was 50%.
次に、上記正極15枚及び上記負極16枚を用い、正極と負極との間に、不織布側が正極に当接するように上記セパレータを配置して各正極及び各負極を積層し、各正極リード端子を溶接して正極リード端子部を形成し、各負極リード端子を溶接して負極リード端子部を形成した後、ラミネートフィルム製の外装材内に挿入した。 Next, using the 15 positive electrodes and the 16 negative electrodes, the separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode so that the nonwoven fabric is in contact with the positive electrode, and each positive electrode and each negative electrode are laminated. Were welded to form a positive electrode lead terminal portion, each negative electrode lead terminal was welded to form a negative electrode lead terminal portion, and then inserted into an outer packaging material made of a laminate film.
非水電解液に、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比1:2で混合した溶媒中に、LiPF6を1.2mol/Lの割合で溶解した溶液を用い、これを上記外装材内に注入した後、開口部を封止して非水電解質電池を作製した。A solution obtained by dissolving LiPF 6 at a ratio of 1.2 mol / L in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 2 in a non-aqueous electrolyte was injected into the exterior material. After that, the opening was sealed to produce a nonaqueous electrolyte battery.
(実施例2)
樹脂フィルムとして上記PENフィルムに替えて、厚さ6.1μmの東レ社製のPETフィルム“ルミラー”(商品名)を用いた以外は、実施例1と同様にして、集電体を作製し、集電体のヤング率及び集電体の長さの温度変化量を測定し、非水電解質電池を作製した。(Example 2)
Instead of the PEN film as a resin film, a current collector was prepared in the same manner as in Example 1 except that a PET film “Lumirror” (trade name) manufactured by Toray Industries, Inc. having a thickness of 6.1 μm was used. The temperature change of the Young's modulus of the current collector and the length of the current collector was measured to produce a nonaqueous electrolyte battery.
(実施例3)
樹脂フィルムとして上記PENフィルムに替えて、厚さ3.6μmの東レ社製のアラミドフィルム“ミクトロン”(商品名)を用いた以外は、実施例1と同様にして、集電体を作製し、集電体のヤング率及び集電体の長さの温度変化量を測定し、非水電解質電池を作製した。(Example 3)
Instead of the PEN film as a resin film, a current collector was prepared in the same manner as in Example 1 except that an aramid film “Mikutron” (trade name) manufactured by Toray Industries, Inc. having a thickness of 3.6 μm was used. The temperature change of the Young's modulus of the current collector and the length of the current collector was measured to produce a nonaqueous electrolyte battery.
(比較例1)
実施例2で用いたPETフィルムの片面にポリビニルアルコール(PVA)水溶液を塗布した後、80℃で乾燥させて、厚さ1.0μmのPVA層を形成して強度を低下させたPETフィルムを準備し、そのPETフィルムを用いた以外は、実施例2と同様にして、集電体を作製し、集電体のヤング率及び集電体の長さの温度変化量を測定し、非水電解質電池を作製した。(Comparative Example 1)
After applying a polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution to one side of the PET film used in Example 2, it was dried at 80 ° C. to form a PVA layer having a thickness of 1.0 μm to prepare a PET film with reduced strength. A current collector was prepared in the same manner as in Example 2 except that the PET film was used, and the temperature change in the Young's modulus of the current collector and the length of the current collector was measured. A battery was produced.
(比較例2)
実施例1で用いたPENフィルムを130℃の乾燥機中で長手方向に150N/mの張力で引っ張って長手方向の強度を上げたPENフィルムを準備し、そのPENフィルムを用いた以外は、実施例1と同様にして、集電体を作製し、集電体のヤング率及び集電体の長さの温度変化量を測定し、非水電解質電池を作製した。(Comparative Example 2)
The PEN film used in Example 1 was pulled in a dryer at 130 ° C. with a tension of 150 N / m in the longitudinal direction to increase the strength in the longitudinal direction, and the PEN film was used except that the PEN film was used. A current collector was prepared in the same manner as in Example 1, and the temperature change of the Young's modulus of the current collector and the length of the current collector was measured to prepare a nonaqueous electrolyte battery.
<充放電サイクル試験>
次に、実施例1〜3及び比較例1〜2の非水電解質電池について、下記のように充放電サイクル試験を行った。<Charge / discharge cycle test>
Next, the charge / discharge cycle test was performed as follows about the nonaqueous electrolyte battery of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2.
各電池について、1Cの定電流及び電圧4.2Vの定電圧による定電流−定電圧充電(総充電時間:3時間)を行った後、1Cで定電流放電(放電終止電圧:2.7V)を行って放電容量(mAh)を測定した。これを1サイクルとして、1サイクル目の放電容量に対して各サイクルの放電容量が90%を下回るまで上記条件で充放電を繰り返した。但し、最大充放電サイクル数は500サイクルとした。その結果、実施例1〜3の電池では、1サイクル目の放電容量に対して500サイクル目の放電容量は90%以上を維持していた。一方、比較例1の電池では225サイクル目で1サイクル目の放電容量に対して放電容量が90%を下回り、また、比較例2の電池では348サイクル目で1サイクル目の放電容量に対して放電容量が90%を下回り、それぞれ放電容量が90%を下回ったサイクル数を寿命サイクル数とした。 Each battery was subjected to constant current-constant voltage charging (total charging time: 3 hours) with a constant current of 1C and a constant voltage of 4.2V, and then a constant current discharge at 1C (end-of-discharge voltage: 2.7V). The discharge capacity (mAh) was measured. With this as one cycle, charging and discharging were repeated under the above conditions until the discharge capacity of each cycle was less than 90% of the discharge capacity of the first cycle. However, the maximum number of charge / discharge cycles was 500. As a result, in the batteries of Examples 1 to 3, the discharge capacity at the 500th cycle was maintained at 90% or more with respect to the discharge capacity at the first cycle. On the other hand, in the battery of Comparative Example 1, the discharge capacity is less than 90% with respect to the discharge capacity of the first cycle at the 225th cycle, and with respect to the discharge capacity of the first cycle at the 348th cycle in the battery of Comparative Example 2. The number of cycles in which the discharge capacity was less than 90% and the discharge capacity was less than 90% was defined as the life cycle number.
上記試験後の比較例1及び比較例2の電池を解体して電極表面の状態を観察したところ、いずれの電池でも電極の表面に集電体の収縮によるものと思われる皺が見られた。 When the batteries of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 after the above test were disassembled and the state of the electrode surface was observed, wrinkles that were thought to be due to the contraction of the current collector were observed on the surface of the electrode in any battery.
以上の結果を表1にまとめて示す。 The above results are summarized in Table 1.
表1からYa及びYbがともに4〜17GPaの範囲にあり、且つ|Ya−Yb|が5.0以下の範囲にある実施例1〜3では、集電体の温度変化量が小さく、充放電特性が優れていることが分かる。一方、Yaが4GPaを下回った比較例1及び|Ya−Yb|が5.0を上回った比較例2では、いずれも実施例1〜3に比べて、充放電特性が劣っていることが分かる。 From Table 1, in Examples 1 to 3, where Ya and Yb are both in the range of 4 to 17 GPa and | Ya-Yb | is in the range of 5.0 or less, the temperature change amount of the current collector is small, and charging / discharging It can be seen that the characteristics are excellent. On the other hand, in Comparative Example 1 in which Ya was lower than 4 GPa and Comparative Example 2 in which | Ya-Yb | was higher than 5.0, it was found that the charge / discharge characteristics were inferior to those in Examples 1 to 3. .
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上記以外の形態としても実施が可能である。本出願に開示された実施形態は一例であって、これらに限定はされない。本発明の範囲は、上述の明細書の記載よりも、添付されている請求の範囲の記載を優先して解釈され、請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更は、請求の範囲に含まれるものである。 The present invention can be implemented in other forms than the above without departing from the spirit of the present invention. The embodiments disclosed in the present application are merely examples, and the present invention is not limited thereto. The scope of the present invention is construed in preference to the description of the appended claims rather than the description of the above specification, and all modifications within the scope equivalent to the claims are construed in the scope of the claims. It is included.
以上説明したように、本発明は、軽量で且つ充放電特性が高い非水電解質電池を提供でき、携帯電話やノート型パーソナルコンピューター等の携帯機器の電源として広く利用できる。 As described above, the present invention can provide a nonaqueous electrolyte battery that is lightweight and has high charge / discharge characteristics, and can be widely used as a power source for portable devices such as mobile phones and notebook personal computers.
10 電極
11 集電体
11a 樹脂フィルム
11b 導電層
12 活物質含有層
20 電極
30 電極体
31 正極
31a 正極リード端子
32 負極
32a 負極リード端子
33 セパレータ
34 外装材
34a 第1外装面
34b 第2外装面
35 電極収納部
36a 正極リード端子部
36b 負極リード端子部
37a、37b、37c 封止部
DESCRIPTION OF
【書類名】明細書
【発明の名称】非水電解質電池
【技術分野】
【0001】
本発明は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質電池に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質電池は、エネルギー密度が高いという特徴から、携帯電話やノート型パーソナルコンピューター等の携帯機器の電源として広く用いられている。携帯機器の高性能化に伴ってリチウムイオン二次電池の高容量化が更に進む傾向にあり、エネルギー密度を更に向上させる必要がある。
【0003】
非水電解質電池は、集電体の片面又は両面に活物質含有層を設けた電極(正極及び負極)を備えている。上記集電体は、通常金属箔から形成されているが、非水電解質電池の構成部材である集電体を極限にまで軽量化して、非水電解質電池のエネルギー密度を向上させるために、樹脂フィルムの表面に導電性薄膜を形成した集電体が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平9−213338号公報
【特許文献2】特開平9−283149号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、集電体の基材として樹脂フィルムを用いた場合、電池の充放電による温度上昇とともに樹脂フィルムが膨張することは避けられない。電池の使用中に集電体の基材である樹脂フィルムが膨張すると、集電体全体も膨張し、集電体の上に設けられた活物質含有層と、集電体との接合が不十分になり、電池の充放電特性が低下するおそれがある。
【0006】
本発明は上記問題を解決したもので、軽量で且つ充放電特性が高い非水電解質電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の非水電解質電池は、正極と、負極と、セパレータと、非水電解質とを含む非水電解質電池であって、前記正極と前記負極とは、それぞれ集電体と前記集電体の上に形成された活物質含有層とを含み、前記集電体は、樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの少なくとも片面に設けられた導電層とを含み、前記活物質含有層は、前記導電層の上に形成され、前記集電体の任意方向のヤング率Ya及び前記任意方向に直交する方向のヤング率Ybが、それぞれ4GPa以上17GPa以下であり、前記ヤング率Ya及び前記ヤング率Ybとの差の絶対値|Ya−Yb|が、5.0以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によると、軽量で且つ充放電特性が高い非水電解質電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】図1は、本発明の非水電解質電池に用いる電極の一例を示す模式断面図である。
【図2】図2は、本発明の非水電解質電池に用いる電極の他の例を示す模式断面図である。
【図3】図3Aは本発明で用いる電極体を説明するための斜視図であり、図3Bは電極体を外装材に収納している状態を示す斜視図であり、図3Cは電極体を外装材に収納した状態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の非水電解質電池は、正極と、負極と、セパレータと、非水電解質とを備えている。また、上記正極と上記負極とは、それぞれ集電体と上記集電体の上に形成された活物質含有層とを含み、上記集電体は、樹脂フィルムと、上記樹脂フィルムの少なくとも片面に設けられた導電層とを含み、上記活物質含有層は、上記導電層の上に形成されている。更に、上記集電体の任意方向のヤング率Ya及び上記任意方向に直交する方向のヤング率Ybが、それぞれ4GPa以上17GPa以下であり、上記ヤング率Ya及び上記ヤング率Ybとの差の絶対値|Ya−Yb|が、5.0以下に設定されている。
【0011】
通常、樹脂フィルムは押し出し成形により製膜された後、1軸延伸又は2軸延伸することで強度が付与される。本発明者らは、樹脂フィルムの強度の尺度の1つであるヤング率に着目し、樹脂フィルムのヤング率と樹脂フィルムの温度膨張係数との関係を検討し、樹脂フィルムのヤング率を特定の範囲とすることにより、温度膨張係数が小さい樹脂フィルムを実現した。そして、その樹脂フィルムを集電体の基材として用いることにより、温度変化によっても膨張の小さい集電体を実現し、軽量で且つ充放電特性の高い非水電解質電池を提供するものである。
【0012】
本発明では、上記集電体の任意方向のヤング率Ya及び上記任意方向に直交する方向のヤング率Ybは、それぞれ4GPa以上17GPa以下であり、より好ましくは7GPa以上17GPa以下である。これにより、集電体の温度上昇による膨張を抑制することができる。上記ヤング率Ya、Ybの少なくとも一方が4GPaを下回ると、温度上昇による集電体の膨張が大きくなり、電池の充放電特性が低下する。上記ヤング率Ya、Ybの値が高いほど集電体の温度上昇による膨張を抑制することができるが、集電体の基材として用いる樹脂フィルムの材料である工業用樹脂のヤング率の上限値は17GPa程度であるので、工業用樹脂を用いる限り集電体のヤング率の上限値も17GPa程度となる。
【0013】
また、本発明では、上記ヤング率Ya及び上記ヤング率Ybとの差の絶対値|Ya−Yb|は、5.0以下に設定されている。これにより、集電体の温度上昇による膨張を均等に抑制できるため、電池の充放電特性を確実に維持できる。
【0014】
本発明において樹脂フィルムと導電層とを含む集電体のヤング率は、次の測定方法に基づき測定するものとする。測定環境は、温度23℃±5℃、相対湿度50%±10%とする。測定装置として引っ張り試験機を用い、引っ張り試験機のロードセル間隔を10cmとして測定試料をセットし、引っ張り速度を10mm/minで試料を引っ張り、その時の加重を読み取り、1.5Nの加重の時の試料の伸び量と、0.5Nの時の試料の伸び量との差を、試料の厚さで割って上記ヤング率とする。
【0015】
上記樹脂フィルムの厚さは、3μm以上20μm以下であることが好ましく、4.5μm以上10μm以下がより好ましい。3μm未満では、薄すぎてフィルムの加工が困難となり、フィルムの強度を確保することが困難となる傾向がある。また、20μmを超えるとフィルムの占める体積が増加し、同一体積の電池の場合、フィルムの体積増加分だけ活物質含有層の体積が減少するので、電池の体積エネルギー密度が低下する。
【0016】
上記導電層の厚さは、100nm以上3μm以下であることが好ましい。100nm未満では、集電体としての電気抵抗が高くなり、集電効果が低下する傾向がある。3μmを超えると、導電層の応力が大きくなり、集電体の反り、うねりが発生し集電体として用いることが困難となる場合がある。
【0017】
以下、本発明に用いる電極の実施形態を図面に基づき説明する。但し、図1〜図2では、同一部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【0018】
図1は、本発明の非水電解質電池に用いる電極の一例を示す模式断面図である。図1において、電極(正極又は負極)10は、集電体11と集電体11の両面上に形成された活物質含有層12とを備えている。また、集電体11は、樹脂フィルム11aと、樹脂フィルム11aの両面に設けられた導電層11bとを備え、活物質含有層12と導電層11bとは電気的に接合している。
【0019】
樹脂フィルム11aを構成する樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド及びポリイミドからなる群から選択される1種の樹脂を用いることができる。また、樹脂フィルム11aとしては、上記樹脂に導電性フィラー等を混合して導電性樹脂フィルムとしてもよい。前述のとおり、樹脂フィルム11aの厚さは、3μm以上20μm以下に設定されている。
【0020】
導電層11bを構成する材料としては、例えば、アルミニウム、銅等の金属、又はグラファイト等の炭素材料を用いることができる。樹脂フィルム11aに導電層11bを形成する方法は限定されないが、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等を用いることができる。前述のとおり、導電層11bの厚さは、100nm以上3μm以下に設定されている。
【0021】
集電体11のヤング率は、樹脂フィルム11aのヤング率を調整することにより、実質的に制御できる。また、樹脂フィルム11aのヤング率は、例えば、その延伸倍率を調整すること等により制御できる。一般に、延伸倍率を上昇させると樹脂フィルムのヤング率は増加する。
【0022】
活物質含有層12は、活物質と、導電助剤と、バインダ等から形成される。活物質含有層12の厚さは特に限定されないが、薄すぎると電池全体で活物質含有層12の体積が相対的に減少するため、片面あたり150μm以上が好ましい。
【0023】
図2は、本発明の非水電解質電池に用いる電極の他の例を示す模式断面図である。図2において、電極20は、導電層11bが樹脂フィルム11aの片面のみに設けられ、活物質含有層12が導電層11bの上にのみ形成されていること以外は、図1に示した電極10と同様の構成である。
【0024】
次に、本発明の非水電解質電池の実施形態について扁平型リチウムイオン二次電池を例に説明する。図3Aは本実施形態で用いる電極体を説明するための斜視図であり、図3Bは電極体を外装材に収納している状態を示す斜視図であり、図3Cは電極体を外装材に収納した状態の斜視図である。
【0025】
図3Aにおいて、電極体30は、矩形状の正極31と矩形状の負極32とを、矩形状のセパレータ33を介して積層して作製される。正極31の一端には、正極リード端子31aが設けられ、負極32の一端には、負極リード端子32aが設けられている。
【0026】
図3Bにおいて、可撓性を有する矩形状の外装材34は、谷折りされて第1外装面34aと第2外装面34bとから構成されている。第1外装面34aには、深絞り成形により電極収納部35が形成されている。また、各正極リード端子31a(図3A)及び各負極リード端子32a(図3A)は、それぞれ重ね合わされて溶接されて、それぞれ正極リード端子部36a及び負極リード端子部36bを形成している。
【0027】
図3Cにおいて、電極体30は、非水電解質とともに谷折りされた第1外装面34aと第2外装面34bとが形成する電極収納部35に収納される。また、外装材34の外周辺のうち、谷折りされた一辺以外の三辺が所定の幅をもって接合されて封止部37a、37b、37cを形成している。正極リード端子部36a及び負極リード端子部36bは、外装材34の谷折りされた一辺と対向する封止部37cから外部に引き出されている。
【0028】
正極31は、正極活物質、正極用導電助剤、正極用バインダ等を含む混合物に、溶剤を加えて十分に混練して得た正極合剤ペーストを、本発明に係る正極集電体の両面に塗布して乾燥した後に、その正極合剤層(正極活物質含有層)を所定の厚さ及び所定の電極密度に制御することにより形成できる。
【0029】
上記正極活物質としては、例えば、一般式LiMn2O4の組成を有するスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物(構成元素の一部がGe、Zr、Mg、Ni、Al、Co等の元素で置換された複合酸化物も含む。);一般式LiCoO2の組成を有するリチウムコバルト複合酸化物(構成元素の一部が、Ni、Al、Mg、Zr、Ti、B等の元素で置換された複合酸化物も含む。)、一般式LiNiO2の組成を有するリチウムニッケル複合酸化物(構成元素の一部が、Co、Al、Mg、Zr、Ti、B等の元素で置換された複合酸化物も含む。)等の層状構造の複合酸化物;一般式LiMPO4の組成を有するオリビン構造のリチウム含有複合酸化物(但し、MはNi、Co及びFeより選ばれる少なくとも1種である。)等が例示される。
【0030】
上記正極用導電助剤は、正極合剤層の導電性向上等の目的で必要に応じて添加すればよく、導電助剤となる導電性粉末として、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、繊維状炭素、黒鉛等の炭素粉末や、ニッケル粉末等の金属粉末を利用することができる。
【0031】
上記正極用バインダには、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0032】
上記正極集電体としては、前述した図1に示した集電体10と同一の構造で、例えば、樹脂フィルム11aとしてPETフィルムを用い、導電層11bとしてアルミニウム層を用いたものが使用される。
【0033】
上記溶剤としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン等が使用できる。
【0034】
負極32は、負極活物質、負極用導電助剤、負極用バインダ等を含む混合物に、溶剤を加えて十分に混練して得た負極合剤ペーストを、本発明に係る負極集電体の両面に塗布して乾燥した後に、その負極合剤層(負極活物質含有層)を所定の厚さ及び所定の電極密度に制御することにより形成できる。
【0035】
上記負極活物質としては、例えば、天然黒鉛又は塊状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等の人造黒鉛等の炭素材料が用いられるが、リチウムイオンを吸蔵・放出可能であればこれらに限定はされない。
【0036】
上記負極集電体としては、前述した図1に示した集電体10と同一の構造で、例えば、樹脂フィルム11aとしてPETフィルムを用い、導電層11bとして銅層を用いたものが使用される。
【0037】
上記負極用導電助剤、負極用バインダ、溶剤については、正極に用いたものと同様のものを使用できる。
【0038】
セパレータ33としては、厚さが10〜50μmの耐熱性多孔質基体と、厚さが10〜30μmの熱可塑性樹脂からなる微多孔フィルムとを備えた2層構造のセパレータを用いることが好ましい。
【0039】
上記耐熱性多孔質基体としては、例えば、耐熱温度が150℃以上の繊維状物で形成してもよく、上記繊維状物は、セルロース及びその変成体、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリアミドイミド及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種の材料で形成することができ、より具体的には上記材料からなる織布、不織布(紙を含む。)等のシート状物を耐熱性多孔質基体として用いることができる。
【0040】
上記熱可塑性樹脂からなる微多孔フィルムとしては、一定温度以上(100〜140℃)で微孔を閉塞し、抵抗を上げるシャットダウン機能をセパレータに付与するために、例えば、融点が80〜140℃である熱可塑性樹脂からなる微多孔性フィルムを用いることができる。より具体的には、耐有機溶剤性及び疎水性を有するポリプロピレン、ポリエチレン等のオレフィン系ポリマーからなる微多孔シートを用いることができる。
【0041】
また、セパレータ33の耐熱性をより向上させるために、上記耐熱性多孔質基体に無機フィラーを含ませてもよく、また、上記微多孔フィルムに厚さが3〜10μm程度の無機フィラー層を設けてもよい。上記無機フィラーとしては、例えば、アルミナ、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム及びベーマイトよりなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物の粒子を用いることができる。
【0042】
セパレータ33の厚さは特に限定されないが、通常は25〜90μmである。
【0043】
外装材34としては、アルミニウム等の金属層と熱可塑性樹脂層とが積層されたラミネートフィルム等を用いることができる。例えば、厚さが20〜100μmのアルミニウム層の外側に厚さが20〜50μmの熱可塑性樹脂層を設け、その内側に20〜100μmの接着層を設けたラミネートフィルムを用いることができる。これにより、封止部37a、37b、37cは、熱溶着により確実に接合できる。
【0044】
外装材34の厚さは特に限定されないが、通常は60〜250μmである。
【0045】
上記非水電解質としては、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた溶液(非水電解液)が使用される。
【0046】
上記有機溶媒としては、例えば、ビニレンカーボネート(VC)、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、γ−ブチロラクトン等の有機溶媒を1種類又は2種類以上混合して用いることができる。また、上記リチウム塩としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3等から選ばれる少なくとも1種類のリチウム塩を用いることができる。非水電解液中のLiイオンの濃度は、0.5〜1.5mol/Lとすればよい。
【0047】
上記非水電解質電池の実施形態では、矩形状の電極をセパレータを介して積層した積層電極体を用いた例を示したが、長尺状の電極をセパレータを介して巻回した巻回電極体を用いてもよい。
【0048】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づき説明する。
【0049】
(実施例1)
<集電体の作製>
以下のようにして正極及び負極に用いる集電体を作製した。
【0050】
樹脂フィルムとして厚さ6.1μmの帝人社製のPENフィルム“テオネックス“(商品名)を用いた。先ず、真空蒸着装置の巻き出し部に上記樹脂フィルムをセットし、1.5×10-3Paまで減圧した後、−20℃の冷却ドラムを介して樹脂フィルムを搬送速度60m/min、搬送張力100N/mで走行させた。この時、純度99.99重量%のアルミニウムを電子ビーム(出力5.1kW)で加熱蒸発させ、樹脂フィルムの表面にアルミニウムを蒸着させてアルミニウム薄膜を形成し、樹脂フィルムを巻き取った。アルミニウム薄膜の厚さは約150nmとした。次に、先ほど巻き取った樹脂フィルムのアルミニウム薄膜が形成された面とは反対側の面に、搬送張力を80N/minにしたこと以外は、上記と同様にしてアルミニウム薄膜を形成した後、巻き取ることで、樹脂フィルムの両面にアルミニウム薄膜を形成した正極集電体を作製した。
【0051】
また、上記アルミニウムの蒸着に替えて、純度99.99重量%の銅を樹脂フィルムに蒸着し、樹脂フィルムの両面に厚さ約150nmの銅薄膜を形成したこと以外は、上記正極集電体と同様にして負極集電体を作製した。
【0052】
<集電体のヤング率の測定>
以下のようにして、作製した集電体のヤング率を測定した。先ず、作製した集電体から幅12.65mm、長さ15cmの大きさの試料を任意方向に切り出して第1試料とし、第1試料の切り出し方向を第1方向とした。次に、引っ張り試験機のロードセル間隔を10cmにして第1試料をセットし、10mm/minの速度で長さ方向に引っ張り、その時の加重を読み取り、1.5Nの加重の時の試料の伸び量と、0.5Nの時の試料の伸び量との差を、第1試料の厚さで割って第1方向(任意方向)のヤング率Yaを求めた。
【0053】
但し、集電体のヤング率の測定に用いる試料の寸法は、上記試料の寸法に限定されるものではない。
【0054】
次に、同じ集電体から上記第1試料の切り出し方向と直交する方向に切り出したこと以外は第1試料と同様にして第2試料を切り出し、第2試料の切り出し方向を第2方向とし、第2試料を用いたこと以外は、第1試料と同様にして第2方向(任意方向に直交する方向)のヤング率Ybを求めた。
【0055】
上記ヤング率の測定は、温度23℃±5℃、相対湿度50%±10%の雰囲気環境で行なった。
【0056】
<集電体の長さの温度変化量の測定>
集電体の長さの温度変化量の測定試料として、上記集電体のヤング率の測定の場合と同様にして第1試料及び第2試料を準備し、以下のようにして第1試料及び第2試料の長さの温度変化量を測定した。先ず、各試料の長さ方向の長さを10℃の雰囲気温度で測定し、その長さをL1とした。次に、雰囲気温度を29℃まで上げて各試料の長さ方向の長さを測定し、その長さをL2とした。続いて、(L2−L1)/L1を計算し、ppm単位で温度変化量を求めた。
【0057】
<非水電解質電池の作製>
以下のようにして、作製した集電体を用いて非水電解質電池を作製した。
【0058】
正極活物質としてLiMn2O4を94質量部、導電助剤としてアセチレンブラック3質量部、及びバインダとしてポリフッ化ビニリデン3質量部を、N−メチル−2−ピロリドンを溶剤として均一になるように混合し、正極合剤含有ペーストを調製した。そのペーストを、上記正極集電体の両面に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成し、ローラーで加圧成形した後、電極塗布面が幅40mm及び長さ72mmになるように切断して正極を作製した。また、正極合剤層が形成されていない正極の一端部には正極リード端子を形成した。
【0059】
負極活物質としてBET比表面積が2.2m2/gで平均粒径が18μmの黒鉛粉末、及びバインダとしてカルボキシメチルセルロース(CMC)とスチレン・ブタジエン共重合体ゴム(SBR)を用い、溶媒としての水とともに、黒鉛粉末、CMC及びSBRを、それぞれ質量比で、96:2:2の割合で混合し、スラリー状の負極合剤含有ぺーストを調製した。そのぺーストを、上記負極集電体の両面に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成し、ローラーで加圧成形した後、電極塗布面が幅42mm及び長さ74mmになるように切断して負極を作製した。また、負極合剤層が形成されていない負極の一端部には負極リード端子を形成した。
【0060】
セパレータとして、厚さ16μmのポリエチレン製の微多孔フィルムに厚さ5μmのベーマイト粒子層を形成した多孔性フィルムと、厚さ20μmのポリエチレンテレフタレート製の不織布とを積層した多孔性積層フィルムを準備した。上記多孔性積層フィルム(セパレータ)の総厚みは約20μm、開口率は50%であった。
【0061】
次に、上記正極15枚及び上記負極16枚を用い、正極と負極との間に、不織布側が正極に当接するように上記セパレータを配置して各正極及び各負極を積層し、各正極リード端子を溶接して正極リード端子部を形成し、各負極リード端子を溶接して負極リード端子部を形成した後、ラミネートフィルム製の外装材内に挿入した。
【0062】
非水電解液に、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比1:2で混合した溶媒中に、LiPF6を1.2mol/Lの割合で溶解した溶液を用い、これを上記外装材内に注入した後、開口部を封止して非水電解質電池を作製した。
【0063】
(実施例2)
樹脂フィルムとして上記PENフィルムに替えて、厚さ6.1μmの東レ社製のPETフィルム“ルミラー”(商品名)を用いた以外は、実施例1と同様にして、集電体を作製し、集電体のヤング率及び集電体の長さの温度変化量を測定し、非水電解質電池を作製した。
【0064】
(実施例3)
樹脂フィルムとして上記PENフィルムに替えて、厚さ3.6μmの東レ社製のアラミドフィルム“ミクトロン”(商品名)を用いた以外は、実施例1と同様にして、集電体を作製し、集電体のヤング率及び集電体の長さの温度変化量を測定し、非水電解質電池を作製した。
【0065】
(比較例1)
実施例2で用いたPETフィルムの片面にポリビニルアルコール(PVA)水溶液を塗布した後、80℃で乾燥させて、厚さ1.0μmのPVA層を形成して強度を低下させたPETフィルムを準備し、そのPETフィルムを用いた以外は、実施例2と同様にして、集電体を作製し、集電体のヤング率及び集電体の長さの温度変化量を測定し、非水電解質電池を作製した。
【0066】
(比較例2)
実施例1で用いたPENフィルムを130℃の乾燥機中で長手方向に150N/mの張力で引っ張って長手方向の強度を上げたPENフィルムを準備し、そのPENフィルムを用いた以外は、実施例1と同様にして、集電体を作製し、集電体のヤング率及び集電体の長さの温度変化量を測定し、非水電解質電池を作製した。
【0067】
<充放電サイクル試験>
次に、実施例1〜3及び比較例1〜2の非水電解質電池について、下記のように充放電サイクル試験を行った。
【0068】
各電池について、1Cの定電流及び電圧4.2Vの定電圧による定電流−定電圧充電(総充電時間:3時間)を行った後、1Cで定電流放電(放電終止電圧:2.7V)を行って放電容量(mAh)を測定した。これを1サイクルとして、1サイクル目の放電容量に対して各サイクルの放電容量が90%を下回るまで上記条件で充放電を繰り返した。但し、最大充放電サイクル数は500サイクルとした。その結果、実施例1〜3の電池では、1サイクル目の放電容量に対して500サイクル目の放電容量は90%以上を維持していた。一方、比較例1の電池では225サイクル目で1サイクル目の放電容量に対して放電容量が90%を下回り、また、比較例2の電池では348サイクル目で1サイクル目の放電容量に対して放電容量が90%を下回り、それぞれ放電容量が90%を下回ったサイクル数を寿命サイクル数とした。
【0069】
上記試験後の比較例1及び比較例2の電池を解体して電極表面の状態を観察したところ、いずれの電池でも電極の表面に集電体の収縮によるものと思われる皺が見られた。
【0070】
以上の結果を表1にまとめて示す。
【0071】
【表1】
【0072】
表1からYa及びYbがともに4〜17GPaの範囲にあり、且つ|Ya−Yb|が5.0以下の範囲にある実施例1〜3では、集電体の温度変化量が小さく、充放電特性が優れていることが分かる。一方、Yaが4GPaを下回った比較例1及び|Ya−Yb|が5.0を上回った比較例2では、いずれも実施例1〜3に比べて、充放電特性が劣っていることが分かる。
【0073】
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上記以外の形態としても実施が可能である。本出願に開示された実施形態は一例であって、これらに限定はされない。本発明の範囲は、上述の明細書の記載よりも、添付されている請求の範囲の記載を優先して解釈され、請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更は、請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【0074】
以上説明したように、本発明は、軽量で且つ充放電特性が高い非水電解質電池を提供でき、携帯電話やノート型パーソナルコンピューター等の携帯機器の電源として広く利用できる。
【符号の説明】
【0075】
10 電極
11 集電体
11a 樹脂フィルム
11b 導電層
12 活物質含有層
20 電極
30 電極体
31 正極
31a 正極リード端子
32 負極
32a 負極リード端子
33 セパレータ
34 外装材
34a 第1外装面
34b 第2外装面
35 電極収納部
36a 正極リード端子部
36b 負極リード端子部
37a、37b、37c 封止部
[Document Name] Description [Title of Invention] Nonaqueous Electrolyte Battery [Technical Field]
[0001]
The present invention relates to a non-aqueous electrolyte battery such as a lithium ion secondary battery.
[Background]
[0002]
A non-aqueous electrolyte battery represented by a lithium ion secondary battery is widely used as a power source for portable devices such as a mobile phone and a notebook personal computer because of its high energy density. As the performance of portable devices increases, the capacity of lithium ion secondary batteries tends to increase further, and it is necessary to further improve the energy density.
[0003]
The nonaqueous electrolyte battery includes electrodes (positive electrode and negative electrode) in which an active material-containing layer is provided on one side or both sides of a current collector. The current collector is usually formed from a metal foil. However, in order to reduce the weight of the current collector, which is a component of the nonaqueous electrolyte battery, to the limit and improve the energy density of the nonaqueous electrolyte battery, a resin is used. A current collector in which a conductive thin film is formed on the surface of a film has been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[0004]
[Patent Document 1] JP-A-9-213338 [Patent Document 2] JP-A-9-283149 [Summary of Invention]
[Problems to be solved by the invention]
[0005]
However, when a resin film is used as the base material of the current collector, it is inevitable that the resin film expands as the temperature rises due to charging / discharging of the battery. When the resin film, which is the base material of the current collector, expands during use of the battery, the entire current collector also expands, and the active material-containing layer provided on the current collector is not bonded to the current collector. This may be sufficient, and the charge / discharge characteristics of the battery may be reduced.
[0006]
The present invention solves the above problems and provides a nonaqueous electrolyte battery that is lightweight and has high charge / discharge characteristics.
[Means for Solving the Problems]
[0007]
The non-aqueous electrolyte battery of the present invention is a non-aqueous electrolyte battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte, wherein the positive electrode and the negative electrode are a current collector and a current collector, respectively. An active material-containing layer formed thereon, the current collector includes a resin film and a conductive layer provided on at least one surface of the resin film, and the active material-containing layer is formed of the conductive layer. The Young's modulus Ya in the arbitrary direction of the current collector and the Young's modulus Yb in the direction orthogonal to the arbitrary direction are 4 GPa or more and 17 GPa or less, respectively, and the difference between the Young's modulus Ya and the Young's modulus Yb The absolute value of | Ya−Yb | is 5.0 or less.
【Effect of the invention】
[0008]
According to the present invention, a non-aqueous electrolyte battery that is lightweight and has high charge / discharge characteristics can be provided.
[Brief description of the drawings]
[0009]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrode used in a nonaqueous electrolyte battery of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of an electrode used in the nonaqueous electrolyte battery of the present invention.
3A is a perspective view for explaining an electrode body used in the present invention, FIG. 3B is a perspective view showing a state in which the electrode body is housed in an exterior material, and FIG. 3C is an electrode body. It is a perspective view of the state accommodated in the exterior material.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0010]
The nonaqueous electrolyte battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a nonaqueous electrolyte. The positive electrode and the negative electrode each include a current collector and an active material-containing layer formed on the current collector, and the current collector is disposed on at least one surface of the resin film and the resin film. The active material-containing layer is formed on the conductive layer. Furthermore, the Young's modulus Ya in the arbitrary direction of the current collector and the Young's modulus Yb in the direction orthogonal to the arbitrary direction are 4 GPa or more and 17 GPa or less, respectively, and the absolute value of the difference between the Young's modulus Ya and the Young's modulus Yb | Ya-Yb | is set to 5.0 or less.
[0011]
Usually, after a resin film is formed by extrusion molding, strength is imparted by uniaxial stretching or biaxial stretching. The inventors pay attention to the Young's modulus, which is one of the measures of the strength of the resin film, examine the relationship between the Young's modulus of the resin film and the temperature expansion coefficient of the resin film, and specify the Young's modulus of the resin film. By setting the range, a resin film having a small temperature expansion coefficient was realized. By using the resin film as a base material for the current collector, a non-aqueous electrolyte battery that is light in weight and high in charge / discharge characteristics is realized by realizing a current collector that is small in expansion even when the temperature changes.
[0012]
In the present invention, the Young's modulus Ya in the arbitrary direction of the current collector and the Young's modulus Yb in the direction orthogonal to the arbitrary direction are 4 GPa or more and 17 GPa or less, more preferably 7 GPa or more and 17 GPa or less. Thereby, the expansion | swelling by the temperature rise of a collector can be suppressed. When at least one of the Young's moduli Ya and Yb is less than 4 GPa, the current collector expands due to temperature rise, and the charge / discharge characteristics of the battery deteriorate. The higher the Young's modulus Ya, Yb is, the more the current collector can be prevented from expanding due to the temperature rise, but the upper limit of the Young's modulus of the industrial resin that is the material of the resin film used as the base material of the current collector Is about 17 GPa, the upper limit of the Young's modulus of the current collector is about 17 GPa as long as an industrial resin is used.
[0013]
In the present invention, the absolute value | Ya−Yb | of the difference between the Young's modulus Ya and the Young's modulus Yb is set to 5.0 or less. Thereby, since the expansion | swelling by the temperature rise of a collector can be suppressed equally, the charging / discharging characteristic of a battery can be maintained reliably.
[0014]
In the present invention, the Young's modulus of a current collector including a resin film and a conductive layer is measured based on the following measurement method. The measurement environment is a temperature of 23 ° C. ± 5 ° C. and a relative humidity of 50% ± 10%. Using a tensile tester as the measuring device, set the measurement sample with the load cell interval of the tensile tester set to 10 cm, pull the sample at a pulling speed of 10 mm / min, read the weight at that time, and read the sample at a load of 1.5 N The Young's modulus is obtained by dividing the difference between the amount of elongation and the amount of elongation of the sample at 0.5 N by the thickness of the sample.
[0015]
The thickness of the resin film is preferably 3 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 4.5 μm or more and 10 μm or less. If it is less than 3 μm, it is too thin to make it difficult to process the film, and it tends to be difficult to ensure the strength of the film. On the other hand, when the thickness exceeds 20 μm, the volume occupied by the film increases, and in the case of a battery having the same volume, the volume of the active material-containing layer decreases by the volume increase of the film, so the volume energy density of the battery decreases.
[0016]
The conductive layer preferably has a thickness of 100 nm to 3 μm. If it is less than 100 nm, the electrical resistance as a current collector increases, and the current collection effect tends to decrease. If the thickness exceeds 3 μm, the stress of the conductive layer increases, and the current collector may be warped and undulated, making it difficult to use it as a current collector.
[0017]
Hereinafter, embodiments of electrodes used in the present invention will be described with reference to the drawings. However, in FIGS. 1-2, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0018]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrode used in the nonaqueous electrolyte battery of the present invention. In FIG. 1, an electrode (positive electrode or negative electrode) 10 includes a
[0019]
As the resin constituting the
[0020]
As a material constituting the
[0021]
The Young's modulus of the
[0022]
The active material-containing
[0023]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of an electrode used in the nonaqueous electrolyte battery of the present invention. 2, the
[0024]
Next, an embodiment of the nonaqueous electrolyte battery of the present invention will be described by taking a flat lithium ion secondary battery as an example. 3A is a perspective view for explaining an electrode body used in the present embodiment, FIG. 3B is a perspective view showing a state in which the electrode body is housed in an exterior material, and FIG. 3C is an electrode body as an exterior material. It is a perspective view of the stored state.
[0025]
3A, the
[0026]
In FIG. 3B, the rectangular-shaped
[0027]
In FIG. 3C, the
[0028]
The
[0029]
As the positive electrode active material, for example, a lithium manganese composite oxide having a spinel structure having a composition of the general formula LiMn 2 O 4 (a part of the constituent elements is replaced with an element such as Ge, Zr, Mg, Ni, Al, Co) A lithium cobalt composite oxide having a composition of the general formula LiCoO 2 ( a composite in which some of the constituent elements are substituted with elements such as Ni, Al, Mg, Zr, Ti, B, etc.) And a lithium nickel composite oxide having a composition of the general formula LiNiO 2 (a composite oxide in which some of the constituent elements are substituted with elements such as Co, Al, Mg, Zr, Ti, and B) A composite oxide having a layered structure such as a lithium-containing composite oxide having an olivine structure having a composition of the general formula LiMPO 4 (where M is at least one selected from Ni, Co and Fe). Example It is.
[0030]
The positive electrode conductive auxiliary agent may be added as necessary for the purpose of improving the electric conductivity of the positive electrode mixture layer. Examples of the conductive powder used as the conductive auxiliary agent include carbon black, ketjen black, and acetylene black. Carbon powder such as fibrous carbon and graphite, and metal powder such as nickel powder can be used.
[0031]
Examples of the positive electrode binder include, but are not limited to, polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
[0032]
As the positive electrode current collector, one having the same structure as the
[0033]
As the solvent, for example, N-methyl-2-pyrrolidone or the like can be used.
[0034]
The
[0035]
Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as natural graphite or artificial graphite such as massive graphite, flaky graphite, and earthy graphite, but are not limited thereto as long as lithium ions can be occluded / released. .
[0036]
As the negative electrode current collector, one having the same structure as the
[0037]
About the said conductive additive for negative electrodes, the binder for negative electrodes, and a solvent, the thing similar to what was used for the positive electrode can be used.
[0038]
As the
[0039]
The heat-resistant porous substrate may be formed of, for example, a fibrous material having a heat-resistant temperature of 150 ° C. or higher, and the fibrous material may be cellulose or a modified product thereof, polyolefin, polyester, polyacrylonitrile, aramid, polyamide. It can be formed of at least one material selected from the group consisting of imides and polyimides. More specifically, sheet-like materials such as woven fabrics and nonwoven fabrics (including paper) made of the above materials can be used as heat-resistant porous materials. It can be used as a quality substrate.
[0040]
The microporous film made of the thermoplastic resin has a melting point of 80 to 140 ° C., for example, in order to provide the separator with a shutdown function that closes the micropores at a certain temperature (100 to 140 ° C.) and increases the resistance. A microporous film made of a certain thermoplastic resin can be used. More specifically, a microporous sheet made of an olefin polymer such as polypropylene and polyethylene having resistance to organic solvents and hydrophobicity can be used.
[0041]
In order to further improve the heat resistance of the
[0042]
Although the thickness of the
[0043]
As the
[0044]
Although the thickness of the
[0045]
As the non-aqueous electrolyte, a solution (non-aqueous electrolytic solution) in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent is used.
[0046]
Examples of the organic solvent include vinylene carbonate (VC), propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and methyl ethyl carbonate (MEC). , Γ-butyrolactone or other organic solvents can be used alone or in combination. Furthermore, as the lithium salt, for example, it can be used at least one lithium salt selected from LiClO 4, LiPF 6, LiBF 4 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiCF 3 SO 3 and the like. The concentration of Li ions in the nonaqueous electrolytic solution may be 0.5 to 1.5 mol / L.
[0047]
In the embodiment of the non-aqueous electrolyte battery, an example using a laminated electrode body in which rectangular electrodes are stacked via a separator is shown. However, a wound electrode body in which a long electrode is wound via a separator. May be used.
[0048]
【Example】
Next, this invention is demonstrated based on an Example.
[0049]
Example 1
<Preparation of current collector>
The current collector used for the positive electrode and the negative electrode was produced as follows.
[0050]
A PEN film “Teonex” (trade name) manufactured by Teijin Ltd. having a thickness of 6.1 μm was used as the resin film. First, the resin film is set on the unwinding part of the vacuum deposition apparatus, and after reducing the pressure to 1.5 × 10 −3 Pa, the resin film is conveyed through a cooling drum at −20 ° C. at a conveyance speed of 60 m / min and a conveyance tension. The vehicle was run at 100 N / m. At this time, aluminum having a purity of 99.99% by weight was evaporated by heating with an electron beam (output 5.1 kW), aluminum was deposited on the surface of the resin film to form an aluminum thin film, and the resin film was wound up. The thickness of the aluminum thin film was about 150 nm. Next, after forming the aluminum thin film in the same manner as described above except that the transport tension was set to 80 N / min on the surface opposite to the surface on which the aluminum thin film was formed of the resin film wound up earlier, As a result, a positive electrode current collector in which an aluminum thin film was formed on both surfaces of the resin film was produced.
[0051]
Further, in place of the deposition of aluminum, copper having a purity of 99.99% by weight was deposited on a resin film, and a copper thin film having a thickness of about 150 nm was formed on both surfaces of the resin film. A negative electrode current collector was produced in the same manner.
[0052]
<Measurement of Young's modulus of current collector>
The Young's modulus of the produced current collector was measured as follows. First, a sample having a width of 12.65 mm and a length of 15 cm was cut out from the produced current collector in an arbitrary direction to be a first sample, and the cutting direction of the first sample was taken as a first direction. Next, the first test sample is set with the load cell interval of the tensile tester set to 10 cm, pulled in the length direction at a speed of 10 mm / min, the weight at that time is read, and the amount of elongation of the sample when the weight is 1.5 N The Young's modulus Ya in the first direction (arbitrary direction) was determined by dividing the difference between the sample elongation at 0.5N and the thickness of the first sample.
[0053]
However, the size of the sample used for measuring the Young's modulus of the current collector is not limited to the size of the sample.
[0054]
Next, the second sample is cut out in the same manner as the first sample except that it is cut out from the same current collector in the direction perpendicular to the cutting direction of the first sample, the cutting direction of the second sample is set as the second direction, The Young's modulus Yb in the second direction (direction perpendicular to the arbitrary direction) was determined in the same manner as in the first sample except that the second sample was used.
[0055]
The Young's modulus was measured in an atmospheric environment at a temperature of 23 ° C. ± 5 ° C. and a relative humidity of 50% ± 10%.
[0056]
<Measurement of temperature change of current collector length>
As a measurement sample of the temperature change amount of the current collector length, a first sample and a second sample are prepared in the same manner as in the measurement of the Young's modulus of the current collector, and the first sample and The amount of temperature change in the length of the second sample was measured. First, the length of each sample in the length direction was measured at an ambient temperature of 10 ° C., and the length was defined as L1. Next, the ambient temperature was raised to 29 ° C., the length in the length direction of each sample was measured, and the length was defined as L2. Subsequently, (L2-L1) / L1 was calculated, and the temperature change amount was determined in ppm.
[0057]
<Production of nonaqueous electrolyte battery>
A nonaqueous electrolyte battery was produced using the produced current collector as follows.
[0058]
94 parts by mass of LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material, 3 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed so as to be uniform using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. Then, a positive electrode mixture-containing paste was prepared. The paste is applied to both sides of the positive electrode current collector, dried to form a positive electrode mixture layer, press-formed with a roller, and then cut so that the electrode application surface has a width of 40 mm and a length of 72 mm. Thus, a positive electrode was produced. Moreover, the positive electrode lead terminal was formed in the one end part of the positive electrode in which the positive mix layer was not formed.
[0059]
Water as a solvent using graphite powder having a BET specific surface area of 2.2 m 2 / g and an average particle diameter of 18 μm as the negative electrode active material, and carboxymethyl cellulose (CMC) and styrene-butadiene copolymer rubber (SBR) as the binder. At the same time, graphite powder, CMC, and SBR were mixed at a mass ratio of 96: 2: 2 to prepare a slurry-like negative electrode mixture-containing paste. The paste is applied to both sides of the negative electrode current collector, dried to form a negative electrode mixture layer, press-formed with a roller, and then cut so that the electrode application surface has a width of 42 mm and a length of 74 mm. Thus, a negative electrode was produced. Moreover, the negative electrode lead terminal was formed in the one end part of the negative electrode in which the negative mix layer was not formed.
[0060]
As a separator, a porous laminated film was prepared by laminating a porous film in which a boehmite particle layer having a thickness of 5 μm was formed on a microporous film made of polyethylene having a thickness of 16 μm and a nonwoven fabric made of polyethylene terephthalate having a thickness of 20 μm. The total thickness of the porous laminated film (separator) was about 20 μm, and the opening ratio was 50%.
[0061]
Next, using the 15 positive electrodes and the 16 negative electrodes, the separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode so that the nonwoven fabric is in contact with the positive electrode, and each positive electrode and each negative electrode are laminated. Were welded to form a positive electrode lead terminal portion, each negative electrode lead terminal was welded to form a negative electrode lead terminal portion, and then inserted into an outer packaging material made of a laminate film.
[0062]
Using a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a ratio of 1.2 mol / L in a solvent obtained by mixing ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 2 in a non-aqueous electrolyte, this was injected into the outer packaging. After that, the opening was sealed to produce a nonaqueous electrolyte battery.
[0063]
(Example 2)
Instead of the PEN film as a resin film, a current collector was prepared in the same manner as in Example 1 except that a PET film “Lumirror” (trade name) manufactured by Toray Industries, Inc. having a thickness of 6.1 μm was used. The temperature change of the Young's modulus of the current collector and the length of the current collector was measured to produce a nonaqueous electrolyte battery.
[0064]
(Example 3)
Instead of the PEN film as a resin film, a current collector was prepared in the same manner as in Example 1 except that an aramid film “Mikutron” (trade name) manufactured by Toray Industries, Inc. having a thickness of 3.6 μm was used. The temperature change of the Young's modulus of the current collector and the length of the current collector was measured to produce a nonaqueous electrolyte battery.
[0065]
(Comparative Example 1)
After applying a polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution to one side of the PET film used in Example 2, it was dried at 80 ° C. to form a PVA layer having a thickness of 1.0 μm to prepare a PET film with reduced strength. A current collector was prepared in the same manner as in Example 2 except that the PET film was used, and the temperature change in the Young's modulus of the current collector and the length of the current collector was measured. A battery was produced.
[0066]
(Comparative Example 2)
The PEN film used in Example 1 was pulled in a dryer at 130 ° C. with a tension of 150 N / m in the longitudinal direction to increase the strength in the longitudinal direction, and the PEN film was used except that the PEN film was used. A current collector was prepared in the same manner as in Example 1, and the temperature change of the Young's modulus of the current collector and the length of the current collector was measured to prepare a nonaqueous electrolyte battery.
[0067]
<Charge / discharge cycle test>
Next, the charge / discharge cycle test was performed as follows about the nonaqueous electrolyte battery of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2.
[0068]
Each battery was subjected to constant current-constant voltage charging (total charging time: 3 hours) with a constant current of 1C and a constant voltage of 4.2V, and then a constant current discharge at 1C (end-of-discharge voltage: 2.7V). The discharge capacity (mAh) was measured. With this as one cycle, charging and discharging were repeated under the above conditions until the discharge capacity of each cycle was less than 90% of the discharge capacity of the first cycle. However, the maximum number of charge / discharge cycles was 500. As a result, in the batteries of Examples 1 to 3, the discharge capacity at the 500th cycle was maintained at 90% or more with respect to the discharge capacity at the first cycle. On the other hand, in the battery of Comparative Example 1, the discharge capacity is less than 90% with respect to the discharge capacity of the first cycle at the 225th cycle, and with respect to the discharge capacity of the first cycle at the 348th cycle in the battery of Comparative Example 2. The number of cycles in which the discharge capacity was less than 90% and the discharge capacity was less than 90% was defined as the life cycle number.
[0069]
When the batteries of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 after the above test were disassembled and the state of the electrode surface was observed, wrinkles that were thought to be due to the contraction of the current collector were observed on the surface of the electrode in any battery.
[0070]
The above results are summarized in Table 1.
[0071]
[Table 1]
[0072]
From Table 1, in Examples 1 to 3, where Ya and Yb are both in the range of 4 to 17 GPa and | Ya-Yb | is in the range of 5.0 or less, the temperature change amount of the current collector is small, and charging / discharging It can be seen that the characteristics are excellent. On the other hand, in Comparative Example 1 in which Ya was lower than 4 GPa and Comparative Example 2 in which | Ya-Yb | was higher than 5.0, it was found that the charge / discharge characteristics were inferior to those in Examples 1 to 3. .
[0073]
The present invention can be implemented in other forms than the above without departing from the spirit of the present invention. The embodiments disclosed in the present application are merely examples, and the present invention is not limited thereto. The scope of the present invention is construed in preference to the description of the appended claims rather than the description of the above specification, and all modifications within the scope equivalent to the claims are construed in the scope of the claims. It is included.
[Industrial applicability]
[0074]
As described above, the present invention can provide a nonaqueous electrolyte battery that is lightweight and has high charge / discharge characteristics, and can be widely used as a power source for portable devices such as mobile phones and notebook personal computers.
[Explanation of symbols]
[0075]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記正極と前記負極とは、それぞれ集電体と前記集電体の上に形成された活物質含有層とを含み、
前記集電体は、樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの少なくとも片面に設けられた導電層とを含み、
前記活物質含有層は、前記導電層の上に形成され、
前記集電体の任意方向のヤング率Ya及び前記任意方向に直交する方向のヤング率Ybが、それぞれ4GPa以上17GPa以下であり、
前記ヤング率Ya及び前記ヤング率Ybとの差の絶対値|Ya−Yb|が、5.0以下であることを特徴とする非水電解質電池。A non-aqueous electrolyte battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode and the negative electrode each include a current collector and an active material-containing layer formed on the current collector,
The current collector includes a resin film and a conductive layer provided on at least one side of the resin film,
The active material-containing layer is formed on the conductive layer,
The Young's modulus Ya in the arbitrary direction of the current collector and the Young's modulus Yb in the direction orthogonal to the arbitrary direction are 4 GPa or more and 17 GPa or less, respectively.
An absolute value | Ya−Yb | of a difference between the Young's modulus Ya and the Young's modulus Yb is 5.0 or less.
The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein the conductive layer has a thickness of 100 nm to 3 μm.
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