JPWO2017018436A1 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
セパレータを介して正極と負極とが交互に積層された二次電池であって、
前記セパレータは、単層であって、かつ、少なくとも200℃で溶融または軟化せずかつ熱収縮率が3%以下であり、
前記正極の前記セパレータに対向する面に絶縁層が形成されている、
リチウムイオン二次電池。
フィルム外装電池の基本的な構成について、図1〜図3を参照して説明する。以下では電池要素が積層型のフィルム外装電池を例に挙げて説明する。
本発明の実施形態を、リチウムイオン二次電池の各部材ごとに説明する。
本発明の一形態においてセパレータは、電解液中で、その沸点における熱収縮率が3%未満である。電解液中での沸点におけるセパレータの収縮率は、熱機械分析(TMA)で測定することが可能である。なお、セパレータにかける荷重により、特にセパレータの融点付近での収縮率を正確に測定するのが困難なため、例えば次のような方法で測定する。すなわち、一例で1mmの間隔をもつ2枚のガラス板(例:150mm×150mm×5mm)の間に、正極(例:120mm×120mm)、セパレータ(例:100mm×100mm)、負極(例:120mm×120mm)の順に重ねたものを設置する。これを電解液の沸点に合わせたオーブン中で1時間放置することにより、熱収縮率の測定を行う。
S=(L0−L)/L0×100
Ts=T−Ta−Tc
空孔率(%)=[1−(嵩密度ρ(g/cm3)/材料の理論密度ρ0(g/cm3))]×100
負極は、負極活物質が、負極結着剤により一体化された負極活物質層として集電体上に積層された構造を有する。負極活物質は、充放電に伴いリチウムイオンを可逆的に受容、放出可能な材料である。
正極とは、電池内における高電位側の電極のことをいい、一例として、充放電に伴いリチウムイオンを可逆的に受容、放出可能な正極活物質を含み、正極活物質が正極結着剤により一体化された正極活物質層として集電体上に積層された構造を有する。本発明の一形態において、正極は、単位面積当たりの充電容量を3mAh/cm2以上有し、好ましくは3.5mAh/cm2以上有する。また、安全性の観点などから単位面積当たりの正極の充電容量が、15mAh/cm2以下であることが好ましい。ここで、単位面積当たり充電容量とは、活物質の理論容量から計算される。すなわち、単位面積当たりの正極の充電容量は、(正極に用いられる正極活物質の理論容量)/(正極の面積)によって計算される。なお、正極の面積とは、正極両面ではなく片面の面積のことを言う。
LiyNi(1−x)MxO2 (A)
(但し、0≦x<1、0<y≦1.2、MはCo、Al、Mn、Fe、Ti及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。)
次に、多孔質絶縁層の形成方法について説明する。多孔質絶縁層を形成するための材料としては、無機フィラー、バインダおよび溶媒を混合分散したペースト状(スラリー状またはインク状を含む。以下同じ。)のものが用いられる。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電解液としては特に限定されないが、電池の動作電位において安定な非水溶媒と支持塩を含む非水電解液が好ましい。
本実施形態によるリチウムイオン二次電池は、次のような方法に従って作製することができる。ここでは、積層ラミネート型のリチウムイオン二次電池を例に、リチウムイオン二次電池の製造方法の一例を説明する。
[組電池]
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を複数組み合わせて組電池とすることができる。組電池は、例えば、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を2つ以上用い、直列、並列又はその両方で接続した構成とすることができる。直列および/または並列接続することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。組電池が備えるリチウムイオン二次電池の個数については、電池容量や出力に応じて適宜設定することができる。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池またはその組電池は、車両に用いることができる。本実施形態に係る車両としては、ハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バス等の商用車、軽自動車等)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)が挙げられる。なお、本実施形態に係る車両は自動車に限定されるわけではなく、他の車両、例えば電車等の移動体の各種電源として用いることもできる。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池またはその組電池は、蓄電装置に用いることができる。本実施形態に係る蓄電装置としては、例えば、一般家庭に供給される商用電源と家電製品等の負荷との間に接続され、停電時等のバックアップ電源や補助電力として使用されるものや、太陽光発電等の、再生可能エネルギーによる時間変動の大きい電力出力を安定化するための、大規模電力貯蔵用としても使用されるものが挙げられる。
さらに、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池またはその組電池は、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器の電源などとしてもとして利用できる。
本実施例の電池の作製について説明する。
(正極)
正極活物質としてのリチウムニッケル複合酸化物(LiNi0.80Mn0.15Co0.05O2)、導電補助材としてのカーボンブラック、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを、90:5:5の質量比で計量し、それらをN−メチルピロリドンを用いて混練し、正極スラリーとした。調製した正極スラリーを、集電体としての厚み20μmのアルミニウム箔に塗布し乾燥し、さらにプレスすることで正極を得た。
炭素材としての人造黒鉛粒子(平均粒径8μm)と、導電補助材としてのカーボンブラック、結着剤としてのスチレン−ブタジエン共重合ゴム:カルボキシメチルセルロースの質量比1対1混合物を、97:1:2の質量比で計量し、それらを蒸留水を用いて混練し、負極スラリーとした。調製した負極スラリーを、集電体としての厚み15μmの銅箔に塗布し乾燥し、さらにプレスすることで負極を得た。
作製した正極および負極のそれぞれに、アルミニウム端子、ニッケル端子を溶接した。これらを、セパレータを介して重ね合わせて電極素子を作製した。電極素子をラミネートフィルムで外装し、ラミネートフィルム内部に電解液を注入した。セパレータには単層の全芳香族ポリアミド(アラミド)微多孔膜を用いた。このアラミド微多孔膜の、厚みは25μm、孔径0.5μm、空孔率は60%であった。
電池に組み込む前のセパレータについて、目視評価を行った。静電気の影響をなくすため金属プレート上に、10cm角に切り取ったセパレータを載せたところ、ソリやカールは認められなかった。この場合は判定は○、外周部がソリ、5mm以上浮き上がった場合は×と判定する。結果を表1に示す。
(高温試験)
作製した二次電池を、4.2Vまで充電後、160℃の恒温槽で30分放置したが、電池の破裂や、発煙は無かった。この場合の判定は○、発火した場合は×と判定する。結果を表1に示す。
作成した二次電池を、1Cで5Vまで充電し4週間放置したのち放電し解体したが、セパレータの正極側には、酸化劣化の兆候を示す変色などの異常は認められなかった。この場合の判定は○、着色などの異常が認められた場合は、×と判定する。結果を表1に示す。
作成した二次電池を4.2Vまで充電後、インピーダンスを測定した。結果を表1に示す。
絶縁層に用いる絶縁粒子をシリカ(平均粒径1.0μm)とした以外は、実施例1と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
セパレータを微多孔ポリフェニレンスルフィド(厚み20μm、孔径0.5μm、空隙率40%)とした以外は、実施例1と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
セパレータをポリイミドセパレータ(厚み20μm、孔径0.3μm、空孔率80%)とした以外は、実施例1と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
絶縁層スラリーを水系に代え、アルミナ(1μm)とスチレン−ブタジエン共重合ゴム:カルボキシメチルセルロースの質量比1対1混合物を、96:4の質量比で計量し、それらを蒸留水を用いて混練し、絶縁層スラリーとし、これを正極ではなく、アラミドセパレータに塗布した以外は、実施例1と同じ電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。(厚み3μm、空孔率55%)
絶縁層スラリーをアラミドセパレータの両面に塗工した以外は、実施例5と同じ電池を作成した。両面に塗工したセパレータにはソリはなく組み立てが容易であった。
セパレータをポリイミドセパレータ(厚み20μm、孔径0.3μm、空孔率80%)にした以外は、実施例5と同じ電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
セパレータを微多孔ポリプロピレンのセパレータ(厚み25μm、孔径0.06μm、空孔率55%)とした以外は、実施例1と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
絶縁層を正極に塗布しなかったこと以外は、実施例1と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
セパレータを3μmのセラミック層を塗布した微多孔ポリプロピレンのセパレータ(厚み25μm、孔径0.06μm、空隙率55%)とした以外は、実施例1と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
絶縁層の厚みを30μmとした以外は、実施例1と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
セパレータを微多孔ポリプロピレンのセパレータ(厚み25μm、孔径0.06μm、空隙率55%))としアラミドを絶縁層とした以外は、実施例1と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。なお、アラミドの絶縁層は、アラミド樹脂をジメチルアセトアミド(DMAc)に貧溶媒としてトリプロピレングリコール(TPG)を混合した溶液に溶解したスラリー(アラミド樹脂/DMAc/TPG=5質量%/85.5質量%/14.5質量%)をポリプロピレンセパレータに塗布し、凝固液(水/DMAc/TPD=50質量%/45質量%/5質量%)をスプレーしたのち、水洗・乾燥することにより多孔質のアラミド絶縁層(厚み:3μm)を得た。負極に対向するように電池を組み立てた。結果を表1に示す。
絶縁層を正極に塗布しなかったこと以外は、実施例3と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
絶縁層を正極に塗布しなかったこと以外は、実施例4と同じ条件で電池を作成し、評価を行った。結果を表1に示す。
本出願は、以下の発明を開示する:
1.セパレータを介して正極と負極とが交互に積層された二次電池であって、
前記セパレータは、単層であって、かつ、少なくとも200℃で溶融または軟化せずかつ熱収縮率が3%以下であり、
前記正極の前記セパレータに対向する面に絶縁層が形成されている、
リチウムイオン二次電池。
前記セパレータは、単層であって、かつ、少なくとも200℃で溶融または軟化せずかつ熱収縮率が3%以下であり、前記セパレータの前記正極に対向する面に絶縁層が形成されている、
リチウムイオン二次電池。
10 フィルム外装体
15 熱融着部
20 電池要素
25 セパレータ
30 正極
40 負極
70 絶縁層
Claims (8)
- セパレータを介して正極と負極とが交互に積層された二次電池であって、
前記セパレータは、単層であって、かつ、少なくとも200℃で溶融または軟化せずかつ熱収縮率が3%以下であり、
前記正極の前記セパレータに対向する面に絶縁層が形成されている、
リチウムイオン二次電池。 - 前記セパレータが、アラミド、ポリイミド、またはポリフェニレンスルフィドを含む材料からなる、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記絶縁層の厚みが、1μm以上10μm未満である、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記絶縁層を形成する材料が、無機粒子とバインダを含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記無機粒子が、酸化アルミニウムおよび酸化珪素からなる群より選ばれる1種以上を含む、請求項4に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記バインダが、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)、およびポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)からなる群より選ばれる1種以上を含む、請求項4または5に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記バインダは、HOMO値が−12以下のものである、請求項4〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- セパレータを介して正極と負極とが交互に積層された二次電池であって、
前記セパレータは、単層であって、かつ、少なくとも200℃で溶融または軟化せずかつ熱収縮率が3%以下であり、前記セパレータの前記正極に対向する面に絶縁層が形成されている、
リチウムイオン二次電池。
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