JPWO2018220991A1 - 二次電池用正極、及び二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
図2は、第1実施形態に係る正極の断面図である。正極11は、正極集電体30と、正極合材層32と、正極集電体30と正極合材層32との間に設けられる中間層31と、を備える。中間層31は、第1中間層31a及び第2中間層31bを有する。第2中間層31bは正極集電体30上に配置され、第1中間層31aは第2中間層31b上に配置されている。
負極12は、例えば金属箔等の負極集電体と、負極集電体上に形成された負極合材層とを備える。負極集電体には、銅などの負極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合材層は、例えば、負極活物質、結着材、増粘剤等を含む。
セパレータ13には、例えば、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シート等が用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータの材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、セルロースなどが好適である。セパレータ13は、セルロース繊維層及びオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂繊維層を有する積層体であってもよい。また、ポリエチレン層及びポリプロピレン層を含む多層セパレータであってもよく、セパレータの表面にアラミド系樹脂、セラミック等の材料が塗布されたものを用いてもよい。
電解質は、溶媒と、溶媒に溶解した電解質塩とを含む。電解質は、液体電解質(非水電解液)に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、アセトニトリル等のニトリル類、ジメチルホルムアミド等のアミド類、及びこれらの2種以上の混合溶媒等の非水溶媒や水を用いることができる。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有していてもよい。
[正極の作製]
導電性無機化合物としてのTiCと、絶縁性無機材料としてのAl2O3と、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、5:94:1の質量比で混合し、さらにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量加えて第2中間層用スラリーを調製した。次に、当該スラリーを厚み15μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、塗膜を乾燥して、厚み5μmの第2中間層を形成した。
人造黒鉛を100質量部と、カルボキシメチルセルロース(CMC)を1質量部と、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)を1質量部とを混合し、負極合材スラリーを調製した。次に、当該負極合材スラリーを銅箔からなる負極集電体の両面に塗布した。塗膜を乾燥させた後、圧延ローラを用いて圧延し、負極集電体の両面に負極合材層が形成された負極を作製した。
エチレンカーボネート(EC)と、メチルエチルカーボネート(EMC)と、ジメチルカーボネート(DMC)を、3:3:4の体積比で混合した。当該混合溶媒に、LiPF6を1.2mol/Lの濃度となるように溶解させて非水電解質を調製した。
上記の正極及び負極を、それぞれ所定の寸法にカットして電極タブを取り付け、セパレータを介して巻回することにより巻回型の電極体を作製した。次に、アルミラミネートフィルムに電極体を収容し、上記の非水電解質を注入し、密閉した。これを実施例1の非水電解質二次電池とした。
導電性無機化合物としてWCを用いたこと以外は、実施例1と同様に正極を作製した。これを実施例2の正極として、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
導電性無機化合物としてTiNを用いたこと以外は、実施例1と同様に正極を作製した。これを実施例3の正極として、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
正極集電体上に形成した第2中間層上に第1中間層を形成せず、第2中間層上に正極合材層を形成したこと以外は、実施例1と同様に正極を作製した。これを実施例4の正極として、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
導電性無機化合物としてWCを用いたこと、正極集電体上に形成した第2中間層上に第1中間層を形成せず、第2中間層上に正極合材層を形成したこと以外は、実施例1と同様に正極を作製した。これを実施例5の正極として、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
導電性無機化合物としてTiNを用いたこと、正極集電体上に形成した第2中間層上に第1中間層を形成せず、第2中間層上に正極合材層を形成したこと以外は、実施例1と同様に正極を作製した。これを実施例6の正極として、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
正極集電体上に第2中間層を形成せず、正極集電体上に第1中間層を形成し、第1中間層上に正極合材層を形成したこと以外は、実施例1と同様に正極を作製した。これを実施例7の正極として、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
導電性無機化合物としてWCを用いたこと、正極集電体上に第2中間層を形成せず、正極集電体上に第1中間層を形成し、第1中間層上に正極合材層を形成したこと以外は、実施例1と同様に正極を作製した。これを実施例8の正極として、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
導電性無機化合物としてTiNを用いたこと、正極集電体上に第2中間層を形成せず、正極集電体上に第1中間層を形成し、第1中間層上に正極合材層を形成したこと以外は、実施例1と同様に正極を作製した。これを実施例9の正極として、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
正極集電体と正極合材層との間に第2中間層及び第1中間層を形成せず、正極集電体上に正極合材層を形成したこと以外は、実施例1と同様に正極を作製した。これを比較例の正極として、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
各実施例及び比較例の非水電解質二次電池について、下記手順で釘刺し試験を行った。
(1)25℃の環境下で、600mAの定電流で電池電圧が4.2Vになるまで充電を行い、その後定電圧で電流値が90mAになるまで充電を引き続き行った。
(2)25℃の環境下で、(1)で充電した電池の側面中央部に2.7mmφの太さの丸釘の先端を接触させ、1mm/秒の速度で電池における電極体の積層方向に丸釘を突き刺し、内部短絡による電池電圧降下を検出した直後、丸釘の突き刺しを停止した。
(3)丸釘によって電池が短絡を開始して1分後の電池表面温度を測定した。
11 正極
12 負極
13 セパレータ
14 電極体
15 ケース本体
16 封口体
17,18 絶縁板
19 正極リード
20 負極リード
21 張り出し部
22 フィルタ
22a フィルタ開口部
23 下弁体
24 絶縁部材
25 上弁体
26 キャップ
26a キャップ開口部
27 ガスケット
30 正極集電体
31 中間層
31a 第1中間層
31b 第2中間層
32 正極合材層
Claims (24)
- 正極集電体と、正極合材層と、前記正極集電体と前記正極合材層との間に設けられる中間層と、を備え、
前記中間層は、非酸化物である導電性無機化合物と正極活物質とを含む第1中間層と、絶縁性無機材料と非酸化物である導電性無機化合物とを含む第2中間層と、を有し、
前記導電性無機化合物は、300℃以上で絶縁性酸化物となる、二次電池用正極。 - 前記第2中間層は前記正極集電体上に配置され、前記第1中間層は前記第2中間層上に配置されている、請求項1に記載の二次電池用正極。
- 前記導電性無機化合物は、300℃以上500℃以下で絶縁性酸化物となる、請求項1又は2に記載の二次電池用正極。
- 前記導電性無機化合物は、TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、WC、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、TiB2、ZrB2、HfB2、VB2、NbB2、TaB2、W2B5、Mo2B5、FeB、NiB、TiSi2、ZrSi2、CrSi2、VSi2、NbSi2、TaSi2、WSi2、MoSi2のうち少なくともいずれか1つを含む、請求項1又は2に記載の二次電池用正極。
- 前記第1中間層の厚みは、前記正極合材層の厚みの1/2以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 前記第2中間層中の絶縁性無機材料の含有量は80質量%〜98質量%の範囲であり、前記第2中間層中の導電性無機化合物の含有量は20質量%以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 前記絶縁性無機材料は、1012Ωcm以上の抵抗率を有する無機材料である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 前記絶縁性無機材料は、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化珪素、酸化マンガン、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化ケイ素、フッ化アルミニウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、水酸化アルミニウム、ベーマイト、Ni−Cu−Zn系フェライトのうち少なくともいずれか1つを含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 前記第2中間層の厚みは、1μm〜5μmの範囲である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 前記第1中間層に含まれる導電性無機化合物は、前記第2中間層に含まれる導電性無機化合物とは異なる材料である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 前記第1中間層に含まれる導電性無機化合物は、前記第2中間層に含まれる導電性無機化合物よりも抵抗率が低い材料であり、
前記第2中間層に含まれる導電性無機化合物は、前記第1中間層に含まれる導電性無機化合物よりも酸化温度の低い材料である、請求項2に記載の二次電池用正極。 - 前記第1中間層に含まれる導電性無機化合物は、前記第2中間層に含まれる導電性無機化合物とは同じ材料である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 正極集電体と、正極合材層と、前記正極集電体と前記正極合材層との間に設けられる中間層と、を備え、
前記中間層は、非酸化物である導電性無機化合物と正極活物質とを含み、
前記導電性無機化合物は、300℃以上で絶縁性酸化物となる、二次電池用正極。 - 前記導電性無機化合物は、300℃以上500℃以下で絶縁性酸化物となる、請求項13に記載の二次電池用正極。
- 前記導電性無機化合物は、TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、WC、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、TiB2、ZrB2、HfB2、VB2、NbB2、TaB2、W2B5、Mo2B5、FeB、NiB、TiSi2、ZrSi2、CrSi2、VSi2、NbSi2、TaSi2、WSi2、MoSi2のうち少なくともいずれか1つを含む、請求項13に記載の二次電池用正極。
- 前記中間層の厚みは、前記正極合材層の厚みの1/2以下である、請求項13〜15のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 正極集電体と、正極合材層と、前記正極集電体と前記正極合材層との間に設けられる中間層と、を備え、
前記中間層は、非酸化物である導電性無機化合物と絶縁性無機材料とを含み、
前記導電性無機化合物は、300℃以上で絶縁性酸化物となる、二次電池用正極。 - 前記導電性無機化合物は、300℃以上500℃以下で絶縁性酸化物となる、請求項17に記載の二次電池用正極。
- 前記導電性無機化合物は、TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、WC、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、TiB2、ZrB2、HfB2、VB2、NbB2、TaB2、W2B5、Mo2B5、FeB、NiB、TiSi2、ZrSi2、CrSi2、VSi2、NbSi2、TaSi2、WSi2、MoSi2のうち少なくともいずれか1つを含む、請求項17に記載の二次電池用正極。
- 前記中間層中の絶縁性無機材料の含有量は80質量%〜98質量%の範囲であり、前記中間層中の導電性無機化合物の含有量は、20質量%以下である、請求項16〜18のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 前記絶縁性無機材料は、1012Ωcm以上の抵抗率を有する無機材料である、請求項17〜20のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 前記絶縁性無機材料は、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化珪素、酸化マンガン、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化ケイ素、フッ化アルミニウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、水酸化アルミニウム、ベーマイト、Ni−Cu−Zn系フェライトのうち少なくともいずれか1つを含む、請求項17〜21のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 前記中間層の厚みは、1μm〜5μmの範囲である、請求項17〜22のいずれか1項に記載の二次電池用正極。
- 正極と、負極と、電解質と、を含み、
前記正極は、請求項1〜23のいずれか1項に記載の二次電池用正極である、二次電池。
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