JPWO2020044612A1 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2020044612A1
JPWO2020044612A1 JP2020540029A JP2020540029A JPWO2020044612A1 JP WO2020044612 A1 JPWO2020044612 A1 JP WO2020044612A1 JP 2020540029 A JP2020540029 A JP 2020540029A JP 2020540029 A JP2020540029 A JP 2020540029A JP WO2020044612 A1 JPWO2020044612 A1 JP WO2020044612A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
filler layer
positive electrode
base material
mass
aqueous electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2020540029A
Other languages
English (en)
Other versions
JP7373727B2 (ja
Inventor
泰憲 馬場
泰憲 馬場
仁徳 杉森
仁徳 杉森
柳田 勝功
勝功 柳田
暢宏 平野
暢宏 平野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JPWO2020044612A1 publication Critical patent/JPWO2020044612A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7373727B2 publication Critical patent/JP7373727B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/364Composites as mixtures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/70Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/76Containers for holding the active material, e.g. tubes, capsules
    • H01M4/762Porous or perforated metallic containers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417Polyolefins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/426Fluorocarbon polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431Inorganic material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/443Particulate material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/446Composite material consisting of a mixture of organic and inorganic materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

実施形態の一例である非水電解質二次電池において、セパレータは、多孔質の基材と、第1フィラー層と、第2フィラー層とを有する。第1フィラー層は、BET比表面積が5m2/g以上100m2/g以下のリン酸塩粒子、及びポリフッ化ビニリデンを含み、基材の正極側を向いた第1面に形成され、正極に当接している。第2フィラー層は、リン酸塩粒子より融点の高い無機物粒子を含み、基材の負極側を向いた第2面、及び基材と第1フィラー層との間の少なくとも一方に形成されている。第1フィラー層に含まれるポリフッ化ビニリデンの含有率は、10質量%以上50質量%以下であり、基材側の領域よりも正極側の領域で高くなっている。

Description

本開示は、非水電解質二次電池に関する。
リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池は、過充電、内部短絡、外部短絡、大電流に起因する過度の抵抗加熱等により、異常発熱する可能性がある。従来、非水電解質二次電池の発熱を抑制する技術の1つとして、セパレータのシャットダウン機能が知られている。シャットダウン機能は、電池の異常発熱によりセパレータが溶融してセパレータの空孔を塞ぐことで、正負極間のイオン伝導(リチウムイオンの移動)を遮断し、電池のさらなる発熱を抑制するものである。
従来、非水電解質二次電池に用いられる種々のセパレータが知られている。例えば、特許文献1には、多孔質基材の表面に、酸化アルミニウム、ベーマイト等の無機物粒子を含む層が形成された非水電解質二次電池用セパレータが開示されている。また、特許文献2には、多孔質基材の表面に、ポリフッ化ビニリデンを主成分とする多孔質層が形成された非水電解質二次電池用セパレータが開示されている。
特開2017−63041号公報 特許第4109522号公報
上述の通り、電池が異常発熱したときに、正負極間のイオン伝導を遮断して、電池の発熱を抑制することは重要な課題である。しかし、特許文献1,2の技術を含む従来の技術では、正負極間のイオン伝導を十分に遮断できない場合がある。一方、セパレータには、電池の通常の使用状態においてはリチウムイオンの移動を阻害せず、電池の内部抵抗を上昇させないことが求められる。本開示の目的は、内部抵抗が低く出力特性に優れ、異常発生時の発熱が低く抑えられた非水電解質二次電池を提供することである。
本開示の一態様である非水電解質二次電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極の間に介在するセパレータとを備え、前記正極の合材層密度が3.6g/cc以上である非水電解質二次電池において、前記セパレータは、多孔質の基材と、BET比表面積が5m/g以上100m/g以下のリン酸塩粒子、及びポリフッ化ビニリデンを含み、前記基材の前記正極側を向いた第1面に形成され、前記正極に当接する第1フィラー層と、前記リン酸塩粒子より融点の高い無機物粒子を含み、前記基材の前記負極側を向いた第2面、及び前記基材と前記第1フィラー層との間の少なくとも一方に形成された第2フィラー層とを有する。前記第1フィラー層に含まれるポリフッ化ビニリデンの含有率は、10質量%以上50質量%以下であり、前記基材側の領域よりも前記正極側の領域で高くなっている。
本開示の一態様である非水電解質二次電池によれば、出力特性を良好に維持しつつ、異常発生時の発熱を十分に抑制することができる。
実施形態の一例である非水電解質二次電池の断面図である。 実施形態の一例である電極体の断面図である。
上述のように、無機物粒子を含むフィラー層が多孔質の樹脂基材上に形成されたセパレータが知られている。一般的に、多孔質の樹脂基材はシャットダウン機能を有する。したがって、電池が異常発熱した際には、樹脂基材のシャットダウン機能により、正負極間のイオン伝導等が遮断され、電池のさらなる発熱が抑制される。しかし、電池の高容量化、高エネルギー密度化に伴い、異常発生時に電池内の温度が非常に高温(例えば、200℃以上)になり、セパレータの形状が確保できない場合がある。上記フィラー層には樹脂基材のようなシャットダウン機能がないため、熱によりセパレータがその形状を確保できない程度に大きく変形すると、フィラー層が存在しても、正負極間のイオン伝導等を十分に遮断することができず、電池の発熱を十分に抑制できない場合がある。
かかる状況に鑑みて、本発明者らは鋭意検討した結果、上記の第1フィラー層及び第2フィラー層を有するセパレータを用いることで、電池が異常発熱したときに、正負極間のイオン伝導を十分に遮断できることを見出した。本開示に係る非水電解質二次電池によれば、電池が異常発熱したときに、電池のさらなる発熱を抑制することが可能である。
本開示に係る非水電解質二次電池では、短絡等により電池が異常発熱した際に、第1フィラー層に含まれるリン酸塩粒子が、熱及び正極の電位を加速因子として溶融、重縮合し、正極表面に不活性な膜(ポリリン酸塩の膜)を形成すると共に、ポリリン酸塩が基材の空孔を埋める。この際、第2フィラー層によってセパレータの形状安定性が確保されるので、基材のシャットダウン効果が高まる。このため、正負極間におけるリチウムイオンの移動が阻害され、短絡時の発熱反応が十分に抑制される。
セパレータの第1フィラー層は、リン酸塩粒子及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含み、PVdFの含有率が10質量%以上50質量%以下で、かつPVdFの濃度が基材側の領域よりも正極側の領域で高くなっている。このような形態をとることによって、第1フィラー層は、正極表面との密着性が良好になり、電解液を吸収して膨潤したPVdFによって、空隙の少ない3.6g/cc以上の高い合材層密度の正極に、電解液を均一に供給することができる。
これにより、電池が異常発熱した際に、第1フィラー層に含まれるリン酸塩粒子の溶融及び重縮合反応が均一に起こり、基材及び第2フィラー層の空孔を効率的に埋めることができる。これにより、正負極間のイオン伝導が十分に遮断され、電池のさらなる発熱を抑制することができる。なお、電池の内部短絡による電池内の温度上昇によって、例えば一方の電極から可燃性、支燃性のあるガス(酸素、水素等)が発生し、そのガスが他方の電極に移動して反応することによっても、電池の発熱が加速される。本開示に係る非水電解質二次電池によれば、当該ガスの移動も十分に遮断することができる。
また、本開示に係る非水電解質二次電池では、通常時使用時は、3.6g/cc以上の高い合材層密度の正極へ電解液を均一に供給することができる。このため、正極表面の充放電反応が均一化して、電池の内部抵抗が低減され、出力特性が向上する。
以下、本開示に係る非水電解質二次電池の実施形態の一例について詳細に説明する。以下では、巻回型の電極体14が円筒形の電池ケースに収容された円筒形電池を例示するが、電極体は、巻回型に限定されず、複数の正極と複数の負極がセパレータを介して交互に1枚ずつ積層されてなる積層型であってもよい。また、電池ケースは円筒形に限定されず、角形(角形電池)、コイン形(コイン形電池)等の金属製ケース、樹脂フィルムによって構成される樹脂製ケース(ラミネート電池)などであってもよい。
図1は、実施形態の一例である非水電解質二次電池10の断面図である。図1に例示するように、非水電解質二次電池10は、電極体14と、非水電解質と、電極体14及び非水電解質を収容する電池ケース15とを備える。電極体14は、正極11と、負極12と、正極11と負極12の間に介在するセパレータ13とを備える。電極体14は、正極11と負極12がセパレータ13を介して巻回された巻回構造を有する。電池ケース15は、有底円筒形状の外装缶16と、外装缶16の開口部を塞ぐ封口体17とで構成されている。
非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、及びこれらの2種以上の混合溶媒等を用いてもよい。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。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、固体電解質であってもよい。電解質塩には、例えばLiPF等のリチウム塩が使用される。
非水電解質二次電池10は、電極体14の上下にそれぞれ配置された絶縁板18,19を備える。図1に示す例では、正極11に取り付けられた正極リード20が絶縁板18の貫通孔を通って封口体17側に延び、負極12に取り付けられた負極リード21が絶縁板19の外側を通って外装缶16の底部側に延びている。正極リード20は封口体17の底板である底板23の下面に溶接等で接続され、底板23と電気的に接続された封口体17の天板であるキャップ27が正極端子となる。負極リード21は外装缶16の底部内面に溶接等で接続され、外装缶16が負極端子となる。
外装缶16は、例えば有底円筒形状の金属製容器である。外装缶16と封口体17との間にはガスケット28が設けられ、電池内部の密閉性が確保される。外装缶16は、例えば側面部の一部が内側に張り出した、封口体17を支持する溝入部22を有する。溝入部22は、外装缶16の周方向に沿って環状に形成されることが好ましく、その上面で封口体17を支持する。
封口体17は、電極体14側から順に、底板23、下弁体24、絶縁部材25、上弁体26、及びキャップ27が積層された構造を有する。封口体17を構成する各部材は、例えば円板形状又はリング形状を有し、絶縁部材25を除く各部材は互いに電気的に接続されている。下弁体24と上弁体26は各々の中央部で互いに接続され、各々の周縁部の間には絶縁部材25が介在している。異常発熱で電池の内圧が上昇すると、下弁体24が上弁体26をキャップ27側に押し上げるように変形して破断し、下弁体24と上弁体26の間の電流経路が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体26が破断し、キャップ27の開口部からガスが排出される。
以下、図2を参照しながら、電極体14について、特にセパレータ13について詳説する。図2は、電極体14の断面図であって、特にセパレータ13の断面の一部を拡大して示す。
[正極]
正極11は、正極集電体と、当該集電体上に形成された正極合材層とを備える。正極集電体には、アルミニウムなどの正極11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。正極合材層は、正極活物質、導電材、及び結着材を含み、正極集電体の両面に形成されることが好ましい。正極11は、正極集電体上に正極活物質、導電材、結着材等を含む正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して正極合材層を正極集電体の両面に形成することにより作製できる。電池の高容量化の観点から、正極合材層の密度は、3.6g/cc以上であり、好ましくは3.6g/cc以上4.0g/cc以下である。
正極活物質としては、Niを主成分とする遷移金属元素を含有するリチウム含有金属複合酸化物で構成される。リチウム含有金属複合酸化物の一例は、LiNi1−y(M;Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、Bのうち少なくとも1種、0.95≦x≦1.2、0.30≦y≦0.95)である。Niの含有比yは、0.30≦y≦0.95であり、0.50≦y≦0.95が好ましく、0.80≦y≦0.95がより好ましい。Ni含有比が増加するほど高エネルギー密度が得られるが、それに伴い、直流抵抗は増加し、短絡等で電池が異常発熱した時の電池温度も上昇する。このため、本開示の効果は、高いNi含有比の複合酸化物を用いた正極で顕著である。
正極合材層に含まれる導電材としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン等の炭素材料が例示できる。正極合材層に含まれる結着材としては、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)等の含フッ素樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリオレフィン等が例示できる。また、これらの樹脂と、カルボキシメチルセルロース(CMC)又はその塩、ポリエチレンオキシド(PEO)等が併用されてもよい。
[負極]
負極12は、負極集電体と、当該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12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、負極活物質、及び結着材を含み、負極集電体の両面に形成されることが好ましい。負極12は、負極集電体上に負極活物質、結着材等を含む負極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して負極合材層を負極集電体の両面に形成することにより作製できる。
負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出できるものであれば特に限定されず、例えば天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料、ケイ素(Si)、錫(Sn)等のLiと合金化する金属、又はSi、Sn等の金属元素を含む酸化物などを用いることができる。また、負極合材層は、リチウムチタン複合酸化物を含んでいてもよい。リチウムチタン複合酸化物は、負極活物質として機能する。リチウムチタン複合酸化物を用いる場合、負極合材層にはカーボンブラック等の導電材を添加することが好ましい。
負極合材層に含まれる結着材には、正極11の場合と同様に、PTFE、PVdF等の含フッ素樹脂、PAN、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリオレフィン等を用いることができる。また、水系溶媒を用いて負極合材スラリーを調製する場合、結着材として、CMC又はその塩、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸(PAA)又はその塩、ポリビニルアルコール(PVA)等を用いることができる。
[セパレータ]
図2に例示するように、セパレータ13は、多孔質の基材30と、第1フィラー層31と、第2フィラー層32とを有する。第1フィラー層31は、BET比表面積が5m/g以上100m/g以下のリン酸塩粒子33、及び第1結着材35を含み、基材30の正極11側を向いた第1面に形成され、正極11に当接している。第1フィラー層31に含まれるリン酸塩粒子33の溶融、重縮合は、電池の異常発生時における熱だけでなく、正極11の電位によっても引き起こされる。このため、第1フィラー層31は正極11に当接していることが好ましい。第2フィラー層32は、リン酸塩粒子33より融点の高い無機物粒子34を含み、基材30の負極12側を向いた第2面に形成されている。
第1結着材35には、少なくともポリフッ化ビニリデン(PVdF)が用いられる。本実施形態では、第1結着材35が実質的にPVdFのみで構成されるものとして説明するが、本開示の目的を損なわない範囲でPVdF以外の樹脂を併用してもよい。また、第2フィラー層32は第2結着材36を含む。詳しくは後述するが、第1フィラー層31に含まれるPVdFの含有率は、10質量%以上50質量%以下である。即ち、第1フィラー層31の総質量に対するPVdFの含有量の割合は、10質量%以上50質量%以下である。さらに、第1フィラー層31の基材30側に位置する領域よりも正極11側に位置する領域で、PVdFの含有率が高くなっている。即ち、第1フィラー層31の単位体積当たりに含まれるPVdFの量(含有量の割合)は、基材30側の領域よりも正極11側の領域で多くなっている。
図2に示す例では、第1フィラー層31及び第2フィラー層32によって基材30が挟まれている。そして、第1フィラー層31が形成された基材30の第1面が正極11側に向いた状態で、正極11と負極12の間にセパレータ13が配置され、第1フィラー層31が正極11の合材層表面に当接している。セパレータ13は、正極11側から、第1フィラー層31/基材30/第2フィラー層32の順に積層された3層構造を有する。
セパレータ13には、本開示の目的を損なわない範囲で、第1フィラー層31及び第2フィラー層32以外の他の層を有していてもよいが、第1フィラー層31の表面には、正極11との接触を阻害するような他の層を有さないことが好ましい。ここで、第1フィラー層31の表面とは、特に断らない限り、第1フィラー層31の正極11側の表面を意味する。第1フィラー層31は、セパレータ13の正極11側の最表面となる。
なお、第2フィラー層32は、第1フィラー層31と基材30の間、即ち基材30の第1面に形成されていてもよい。この場合、第1フィラー層31は、第2フィラー層32を介して基材30の第1面に形成される。また、第1フィラー層31及び第2フィラー層32は、複数設けられてもよい。例えば、各フィラー層は、基材30の第1面及び第2面に形成されてもよい。但し、いずれの形態においても、第1フィラー層31が、セパレータ13の正極11側の最表層となるように各層を形成する。
基材30は、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔質シート、例えば微多孔薄膜、織布、不織布等で構成される。基材30を構成する樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンとαオレフィンとの共重合体等のポリオレフィン、アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリエステル、セルロースなどが例示できる。基材30は、例えばポリオレフィンを主成分として構成され、実質的にポリオレフィンのみで構成されてもよい。基材30は、単層構造であってもよく、積層構造を有していてもよい。基材30の厚みは、特に限定されないが、例えば、3μm以上20μm以下が好ましい。
基材30の空孔率は、電池の充放電時におけるイオン導電性を確保する点で、例えば、30%以上70%以下であることが好ましい。基材30の空孔率は、下記の方法で測定される。
(1)基材30の10箇所を直径2cmの円形に打ち抜き、打ち抜いた基材30の小片の中心部の厚みh、質量wをそれぞれ測定する。
(2)厚みh、質量wから、10枚分の小片の体積V、質量Wを求め、以下の式から空孔率εを算出する。
空孔率ε(%)=((ρV−W)/(ρV))×100
ρ:基材を構成する材料の密度
基材30の平均孔径は、例えば0.02μm以上5μm以下であり、好ましくは0.05μm以上1μm以下である。基材30の平均孔径は、例えばバブルポイント法(JIS K3832、ASTM F316−86)による細孔径測定ができるパームポロメーター(西華産業製)を用いて測定される。
第1フィラー層31は、リン酸塩粒子33を含む多孔質層であって、リン酸塩粒子33同士の間隙にリチウムイオンが通過する空孔が形成されている。リン酸塩粒子33は、例えば充電状態の電池が異常発熱した際に、熱及び正極11の電位を加速因子として溶融、重縮合することで、正極11の表面に不活性なポリリン酸塩の膜が形成されると共に、ポリリン酸塩が基材30の空孔を埋めることにより、正負極間のイオン伝導が遮断され、さらなる発熱が抑制される。なお、基材30自体も溶融することで空孔が閉じられる。
第1フィラー層31の空孔率は、電池の充放電時において、良好なイオン導電性を確保する点、物理的な強度を確保する点等から、30%以上70%以下が好ましい。第1フィラー層31の空孔率は、下記の式で算出される(第2フィラー層32についても同様)。
第1フィラー層の空孔率(%)=100−[[W÷(d×ρ)]×100]
W:第1フィラー層の目付量(g/cm
d:第1フィラー層の厚み(cm)
ρ:第1フィラー層の平均密度(g/cm
リン酸塩粒子33としては、LiPO、LiPON、LiHPO、LiHPO、NaPO、NaHPO、NaHPO、Zr(PO、Zr(HPO、HZr(PO、KPO、KHPO、KHPO、Ca(PO、CaHPO、Mg(PO、MgHPO等が例示できる。中でも、副反応抑制等の観点から、リン酸リチウム(LiPO)、リン酸水素二リチウム(LiHPO)、リン酸二水素リチウム(LiHPO)から選択される少なくとも1種が好ましい。
一般的に、電池製造時にかかる温度、通常使用時における電池内温度、及び異常時における電池内温度を考慮すれば、リン酸塩粒子33は、140℃〜190℃程度の温度で溶融することが好ましい。
リン酸塩粒子33のBET比表面積は、5m/g以上100m/g以下が好ましく、20m/g以上100m/g以下がより好ましい。BET比表面積は、JIS R1626のBET法(窒素吸着法)に従って測定される。上記範囲のBET比表面積を有するリン酸塩粒子33は140℃〜190℃程度の温度で溶融し易いため、当該粒子を用いることで、電池の異常発熱時に溶融、重縮合したリン酸塩が正極11の表面を迅速に覆うと共に、基材30の空孔を迅速に塞ぐことができる。
リン酸塩粒子33のメジアン径(50%粒径D50、中位径)は、例えば0.05μm以上2μm以下である。リン酸塩粒子33のメジアン径が上記範囲を満たさない場合、上記範囲を満たす場合と比較して、電池の異常発生時における発熱量が多くなる場合がある。ここで、メジアン径とは、レーザ回折法によって測定される粒子径分布において体積積算値が50%となる粒径を意味する。メジアン径は、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製)を用いて測定される。
リン酸塩粒子33の好適なメジアン径は、0.05μm以上1μm以下であり、基材30の平均孔径より小さい。メジアン径が基材30の平均孔径よりも小さなリン酸塩粒子33を用いることで、リン酸塩粒子33の一部が基材30の空孔内に入り込み、短絡発生時に基材30の空孔を塞ぐことが容易になる。リン酸塩粒子33が基材30の空孔に入り込む深さは、基材30の厚み方向に対し、0.1μm以上1μm以下が好ましい。
リン酸塩粒子33の含有率は、基材30の空孔を塞ぐのに十分な量であることが好ましく、第1フィラー層31の総質量に対して、少なくとも50質量%であり、50質量%以上90質量%以下が好ましい。第1フィラー層31は、実質的にリン酸塩粒子33及び第1結着材35のみで構成される。好適な第1結着材35は、上述の通り、PVdFである。PVdFの含有率は、第1フィラー層31の総質量に対して、10質量%以上50質量%以下である。そして、PVdFの含有率は、第1フィラー層31の基材30側の領域(以下、「第1領域」という場合がある)よりも正極11側の領域(以下、「第2領域」という場合がある)で高くなっている。
第1フィラー層31に含まれるPVdFの単位体積当たりの含有率(濃度)は、例えば正極11に当接する第1フィラー層31の表面で最も高くなっている。第1フィラー層31の厚み方向において、PVdFの含有率は、基材30側から正極11側(第1フィラー層31の表面)に向かって次第に高くなっていてもよい。或いは、第1フィラー層31の表面近傍で、PVdFの含有率が急峻に高くなっていてもよい。いずれの形態においても、PVdFは、第1フィラー層31の第2領域に偏在している。即ち、リン酸塩粒子33の質量に対するPVdFの質量の割合は、第1領域よりも第2領域で高くなっている。
この場合、電解液を吸収して膨潤したPVdFにより第1フィラー層31が正極11の表面に強く密着して充放電反応が均一化される。これにより、電池が異常発熱した際に、第1フィラー層31に含まれるリン酸塩粒子の溶融及び重縮合反応が均一に起こり、基材30及び第2フィラー層32の空孔を効率的に埋めることができる。そして、正負極間のイオン伝導が迅速に遮断され、さらなる発熱が抑制される。また、正極表面の充放電反応が均一化することにより、電池の内部抵抗が低減され、出力特性が向上する。
第1フィラー層31を厚み方向中央で半分に分けた場合に、正極11側の第2領域(基材30側の表面を0%、正極11側の表面を100%としたときに、第1フィラー層31の正極側50%−100%の領域)に存在するPVdFの含有率は、例えば第1フィラー層31の全体に含まれるPVdFの総質量の50質量%超80質量%以下である。PVdFの当該含有率は、55質量%以上75質量%以下が好ましく、60質量%以上70質量%以下がより好ましい。換言すると、基材30側の第1領域(第1フィラー層31の表面側50%−100%の領域)に存在するPVdFの含有率は、例えば第1フィラー層31の全体に含まれるPVdFの総質量の20質量%以上50質量%未満である。
PVdFは、第1フィラー層31の第2領域の表面近傍、特に正極側80%−100%の領域、又は90%−100%の領域に多く含まれていてもよい。正極側80%−100%の領域に存在するPVdFは、例えば、第1フィラー層31の全体に含まれるPVdFの総質量の50質量%超80質量%以下であってもよい。PVdFは、第2領域において略均一に分布していてもよいが、第2領域の第1領域側よりも正極11側で含有率が高いことが好ましい。
第1フィラー層31の厚みは、特に限定されないが、1μm以上10μm以下が好ましく、1μm以上5μm以下がより好ましく、2μm以上4μm以下が特に好ましい。電池の発熱量抑制の観点からは、第1フィラー層31の厚みを、リン酸塩粒子33のメジアン径の2倍以上40倍以下とすることが好ましく、3倍以上20倍以下とすることがより好ましい。
第1フィラー層31は、さらに、ヘテロポリ酸を含んでいてもよい。ヘテロポリ酸を添加することで、溶融したリン酸塩の重縮合が促進されると考えられる。ヘテロポリ酸としては、リンモリブデン酸、リンタングステン酸、リンモリブドタングステン酸、リンモリブドバナジン酸、リンモリブドタングストバナジン酸、リンタングストバナジン酸、ケイタングステン酸、ケイモリブデン酸、ケイモリブドタングステン酸、ケイモリブドタングステントバナジン酸等が例示できる。
第1フィラー層31は、基材30の表面に、リン酸塩粒子33、PVdF、及び分散媒(PVdFを溶解する溶剤)を含むスラリー状組成物(第1スラリー)を塗布し、塗膜を乾燥させることにより形成できる。第1フィラー層31の厚み方向におけるPVdFの上記濃度分布は、例えば塗膜の乾燥過程におけるPVdFのマイグレーションを制御することで調整できる。具体的には、分散媒の種類、塗膜の乾燥温度、乾燥時間などが重要な制御因子となる。分散媒には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、メチルエチルケトン(MEK)などを用いることができる。第1スラリーには、MEK等の揮発性の高い溶剤を用いることが好ましい。揮発性の高い溶剤を用いて塗膜を素早く乾燥させることで、PVdFが第1フィラー層31の表面側に移動し易くなり、表面側でPVdFの含有率(濃度)を高くすることができる。
なお、PVdFの添加量が異なる2種類のスラリーを用いて、PVdFの上記濃度分布を実現することもできる。例えば、基材30の表面に、PVdFの添加量が少ないスラリーを塗布して第1フィラー層31の第1層を形成した後、PVdFの添加量が多いスラリーを第1層上に塗布して第1フィラー層31の第2層を形成してもよい。一般的に、第1層と第2層の界面は確認できないので、この場合も実質的に単層構造の第1フィラー層31が得られる。
第2フィラー層32は、融点(耐熱性)の高い無機物粒子34を含む多孔質層であって、無機物粒子34同士の間隙にリチウムイオンが通過する空孔が形成される。第2フィラー層32の空孔率は、第1フィラー層31と同様に、30%以上70%以下が好ましい。第2フィラー層32は、電池の異常発熱によって基材30が大きく変形することを抑制し、セパレータ13の形状安定性を高める機能を有する。耐熱層である第2フィラー層32を設けることで、基材30のシャットダウン効果が向上し、短絡時の発熱反応が十分に抑制される。
無機物粒子34は、第1フィラー層31に含まれるリン酸塩粒子33より融点、熱分解温度等が高い粒子であればよく、電池の異常発熱時に溶融、分解しない、絶縁性の無機化合物で構成されてもよい。無機物粒子34の一例は、金属酸化物、金属酸化物水和物、金属水酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硫化物等の粒子である。無機物粒子34のメジアン径は、例えば0.2μm以上2μm以下であり、リン酸塩粒子33のメジアン径より大きい。無機物粒子34のメジアン径が当該範囲を満たさない場合、上記範囲を満たす場合と比較して、異常発熱時における発熱量が多くなる場合がある。
金属酸化物、金属酸化物水和物の例としては、酸化アルミニウム(アルミナ)、ベーマイト(AlO又はAlOOH)、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化イットリウム、酸化亜鉛等が挙げられる。金属窒化物の例としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化チタン等が挙げられる。金属炭化物の例としては、炭化ケイ素、炭化ホウ素等が挙げられる。金属硫化物の例としては、硫酸バリウム等が挙げられる。金属水酸化物の例としては、水酸化アルミニウム等が挙げられる。なお、例えばベーマイトのようにアルミナに変性後溶融するような物質の融点は、変性後の物質の融点がリン酸塩粒子33の融点より高ければよい。
また、無機物粒子34は、ゼオライト(M2/nO・Al・xSiO・yHO、Mは金属元素、x≧2、y≧0)等の多孔質アルミノケイ酸塩、タルク(MgSi10(OH))等の層状ケイ酸塩、チタン酸バリウム(BaTiO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)等の粒子であってもよい。中でも、絶縁性、耐熱性等の観点から、酸化アルミニウム、ベーマイト、タルク、酸化チタン、酸化マグネシウムから選択される少なくとも1種が好適である。
第2フィラー層32に含まれる第2結着材36は、特に限定されず、第1結着材35と同様の樹脂(PVdF)であってもよく、ポリN−ビニルアセトアミドなど、異なる樹脂であってもよい。無機物粒子34の含有率は、第2フィラー層32の総質量に対して、90質量%以上が好ましく、92質量%以上98質量%以下がより好ましい。第2フィラー層32における結着材の含有率は、例えば2質量%以上8質量%以下である。第2フィラー層32の厚みは、特に限定されないが、1μm以上5μm以下が好ましく、2μm以上4μm以下が特に好ましい。
第2フィラー層32は、第1フィラー層31の場合と同様に、基材30の表面に、無機物粒子34、第2結着材36、及び分散媒(第2結着材36を溶解する溶剤)を含むスラリー状組成物(第2スラリー)を塗布し、塗膜を乾燥させることにより形成できる。分散媒には、例えばNMPが用いられる。
以下、実施例により本開示をさらに説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
[セパレータの作製]
下記の手順で、リン酸塩粒子を含む第1フィラー層/ポリエチレン製の多孔質基材/ベーマイト粒子を含む第2フィラー層の3層構造を有するセパレータを作製した。
(1)第1スラリーの調製
BET比表面積が54.07m/g、D50が0.93μmのリン酸リチウム粒子(LiPO)と、PVdFとを、70:30の質量比で混合し、メチルエチルケトン(MEK)を加えて、固形分濃度が15質量%の第1スラリーを調製した。
(2)第2スラリーの調製
ベーマイト粒子と、ポリN−ビニルアセトアミドとを、100:6.5の質量比で混合し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて、固形分濃度が15質量%の第2スラリー状組成物を調製した。
(3)第1フィラー層の形成
厚みが12μmの単層のポリエチレン製多孔質基材の一方の面に、乾燥後の層厚みが2μmとなるようにグラビアコート方式で第1スラリーを塗布し、塗膜を60℃で2分間乾燥させることにより第1フィラー層を形成した。
(4)第2フィラー層の形成
多孔質基材の他方の面に、乾燥後の層厚みが2μmとなるようにグラビアコート方式で第2スラリーを塗布し、塗膜を60℃で2分間乾燥させることにより第2フィラー層を形成した。
[第1フィラー層中のPVdFの分布観察]
クロスセクションポリッシャにより、第1フィラー層の塗膜の断面を作製し、2重量%のOsO水溶液を塗膜全体に含侵させ、2時間放置して第1フィラー層のPVdFをOsで修飾した。層断面のOsの分布を、エネルギー分散型X線分析(EDX)で観測することにより、第1フィラー層の厚み方向におけるPVdFの分布を観察した。PVdFの含有率の計測結果を表1に示す。
[正極の作製]
正極活物質として、Li1.05Ni0.82Co0.15Al0.03で表されるリチウム複合酸化物粒子を用いた。正極活物質と、カーボンブラックと、PVdFとを、NMP中で100:1:1の質量比で混合して正極合材スラリーを調製した。次に、当該正極合材スラリーを、アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延ローラーにより圧延し、さらにアルミニウム製の集電タブを取り付けて、正極集電体の両面に正極合材層が形成された正極を作製した。なお、正極合材の充填密度は3.70g/cmであった。
[負極の作製]
人造黒鉛と、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC‐Na)と、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)のディスパージョンとを、水中で98:1:1の固形分質量比で混合して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、塗膜を乾燥させた後、圧延ローラーにより圧延し、さらにニッケル製の集電タブを取り付けて、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。なお、負極合材の充填密度は1.70g/cmであった。
[非水電解質の調製]
エチレンカーボネート(EC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを、3:3:4の体積比で混合した混合溶媒に対して、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1モル/リットルの濃度になるように溶解した。さらに、ビニレンカーボネート(VC)を上記混合溶媒に対して1質量%の濃度で溶解させて、非水電解質を調製した。
[非水電解質二次電池の作製]
上記正極及び上記負極を、上記セパレータを介して巻回したした後、80℃で加熱プレス成形して扁平状の巻回型電極体を作製した。このとき、第1フィラー層が正極表面に当接するように、第1フィラー層が形成された面を正極側に向けてセパレータを配置した。アルミラミネートシートで構成される電池外装体内に当該電極体を収容し、上記非水電解質を注入した後、外装体を封止して、750mAhの非水電解質二次電池を作製した。
上記非水電解質二次電池について、下記の方法で性能評価(出力特性、発熱抑制)を行った。評価結果を表1に示す。
[直流抵抗の測定]
上記非水電解質二次電池について、25℃の環境下で、150mA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、4.2Vの定電圧で電流値が37.5mAになるまで充電を行った。その後、150mAで電池電圧が2.5Vになるまで放電したときの放電容量を測定した。再び上記充電条件にて充電し、150mAで放電容量の50%の容量(放電深度)になるまで放電した後、150mA、375mA、750mAの電流値でそれぞれ10秒間放電し、10秒間経過時点での電圧値を測定した。電流値の変化をΔI、電圧値の変化をΔVとしたときの直流抵抗値RDCを、以下の式より算出した。
DC = ΔV/ΔI
[釘刺し試験]
上記非水電解質二次電池について、25℃の環境下で、150mA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、4.2Vの定電圧で電流値が37.5mAになるまで充電を行った。25℃の環境下で上記充電状態の電池の側面中央部に、3mmφの大きさの丸釘の先端を10mm/秒の速度で垂直に突き刺し、丸釘が完全に電池を貫通した時点で丸釘の突き刺しを停止させた。電池側面部の釘を刺した場所から5mm離れた箇所の最高到達温度を測定した。
<実施例2>
正極の作製において、正極合材の充填密度が3.60g/cmとなるように塗膜を圧延した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<実施例3>
セパレータの作製において、BET比表面積が54.07m/g、D50が0.93μmのリン酸リチウム粒子(LiPO)と、PVdFとを、50:50の質量比で混合し、MEKを加えて、固形分濃度が15質量%の第1スラリーを調製した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<実施例4>
セパレータの作製において、BET比表面積が54.07m/g、D50が0.93μmのリン酸リチウム粒子(LiPO)と、PVdFとを、90:10の質量比で混合し、MEKを加えて、固形分濃度が15質量%の第1スラリーを調製した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<実施例5>
セパレータの作製において、BET比表面積が7.1m/g、D50が0.33μmのリン酸水素二リチウム粒子(LiHPO)と、PVdFとを、70:30の質量比で混合し、MEKを加えて、固形分濃度が15質量%の第1スラリーを調製した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<比較例1>
セパレータの作製において、BET比表面積が3.65m/g、D50が1.60μmのリン酸リチウム粒子(LiPO)と、PVdFとを、70:30の質量比で混合し、MEKを加えて、固形分濃度が15質量%の第1スラリーを調製した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<比較例2>
セパレータの作製において、BET比表面積が1.56m/g、D50が0.87μmのリン酸水素二リチウム粒子(Li2HPO)と、PVdFとを、70:30の質量比で混合し、MEKを加えて、固形分濃度が15質量%の第1スラリーを調製した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<比較例3>
セパレータの作製において、BET比表面積が54.07m/g、D50が0.93μmのリン酸リチウム粒子(LiPO)と、PVdFとを、95:5の質量比で混合し、MEKを加えて、固形分濃度が15質量%の第1スラリーを調製した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<比較例4>
セパレータの作製において、BET比表面積が54.07m/g、D50が0.93μmのリン酸リチウム粒子(LiPO)と、PVdFとを、40:60の質量比で混合し、MEKを加えて、固形分濃度が15質量%の第1スラリーを調製した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<比較例5>
セパレータの作製の第1スラリーの調製において、MEKの代わりにNMPを用い、第1フィラー層の作製において、塗膜を60℃で5分間乾燥させて第1フィラー層を形成した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<比較例6>
セパレータの作製において、厚みが12μmの単層のポリエチレン製多孔質基材の一方の面に第1フィラー層のみを形成した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<比較例7>
セパレータの作製において、厚みが12μmの単層のポリエチレン製多孔質基材の一方の面に第2フィラー層のみを形成した以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<比較例8>
セパレータの作製において、リン酸リチウム粒子(LiPO、BET比表面積:54.07m/g、D50:0.93μm)と、ベーマイト粒子と、ポリN−ビニルアセトアミドとを、50:50:6.5の質量比で混合し、MEKを加えて、固形分濃度15.0質量%のスラリーを調製した。厚みが12μmのポリプロピレン製多孔性シートの一方の面に、乾燥後の層厚みが2μmとなるようにグラビアコート方式で当該スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させることで、リン酸リチウム粒子とベーマイト粒子の混合層からなる第1フィラー層を形成した。なお、第2フィラー層は形成しなかった。他の条件については実施例1と同じ条件にして、非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
<比較例9>
セパレータの作製において、ポリエチレン製の多孔質基材/ベーマイト粒子を含む第2フィラー層の2層構造を有するセパレータを作製したこと、及び正極の作製において、乾燥後の層厚みが2μmとなるようにグラビアコート方式で、セパレータの作製において使用した第1スラリーを正極表面に塗布し、塗膜を60℃で2分間乾燥させることにより第3フィラー層を形成したこと以外は、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、性能評価を行った。
Figure 2020044612
表1に示す評価結果から理解されるように、実施例の電池はいずれも、直流抵抗値が低く、かつ釘刺し試験における最高到達温度が低い。即ち、実施例の電池によれば、良好な出力特性と、異常発生時の発熱抑制効果とを両立できる。一方、比較例の電池では、直流抵抗値及び最高到達温度のいずれか一方が高く、良好な出力特性と、異常発生時の発熱抑制効果とを両立することはできない。
実施例1〜5及び比較例1〜4では、第1フィラー層の厚み方向におけるPVdF濃度が、多孔質基材側より表面側が高いのに対し、比較例5では第1フィラー層の全体でPVdF濃度が同等である。比較例5の電池の直流抵抗が高い理由は、PVdFが第1フィラー層の表面に偏在しない場合、PVdFが多孔質基材の細孔に浸透すること、また正極と第1フィラー層の密着性が低下することが考えられる。この場合、電解液を吸収して膨潤したPVdFによって、正極へ電解液を均一に供給することができなくなり、正極表面の充放電反応が不均一化するため、抵抗が上昇する。
釘刺し試験における発熱抑制は、第1フィラー層のリン酸塩の比表面積が5g/m以上である場合に得られる。これは、リン酸塩の重縮合反応による発熱抑制効果に十分な反応面積が得られるためと考えられる。発熱抑制効果は、PVdFの含有率が10質量%以上50質量%以下である場合に得られる。これは、PVdFの含有率が10質量%未満では正極と第1フィラー層の密着が十分に確保されず、また50質量%より高いと発熱抑制に必要なリン酸塩が不足するためと考えられる。
また、第1フィラー層又は第2フィラー層が存在しない場合、及び第1及び第2フィラー層の代わりに、リン酸塩とベーマイトの混合層を設けた場合(比較例6〜8)は、釘刺し試験において発熱を十分抑制できない。
セパレータ上に第1フィラー層を形成せず、正極表面に、リン酸塩粒子及びPVdFを含む第3フィラー層を形成した場合(比較例9)は、第3フィラー層の正極側(実施例1における第2領域側)のPVdFの含有率が低くなって、PVdFが多孔質基材の細孔に浸透する、或いは正極と第1フィラー層の密着性が低下して、直流抵抗が増加したと考えられる。
10 非水電解質二次電池、11 正極、12 負極、13 セパレータ、14 電極体、15 電池ケース、16 外装缶、17 封口体、18,19 絶縁板、20 正極リード、21 負極リード、22 溝入部、23 底板、24 下弁体、25 絶縁部材、26 上弁体、27 キャップ、28 ガスケット、30 基材、31 第1フィラー層、32 第2フィラー層、33 リン酸塩粒子、34 無機物粒子、35 第1結着材、36 第2結着材

Claims (5)

  1. 正極と、負極と、前記正極と前記負極の間に介在するセパレータとを備え、前記正極の合材層密度が3.6g/cc以上である非水電解質二次電池において、
    前記セパレータは、
    多孔質の基材と、
    BET比表面積が5m/g以上100m/g以下のリン酸塩粒子、及びポリフッ化ビニリデンを含み、前記基材の前記正極側を向いた第1面に形成され、前記正極に当接する第1フィラー層と、
    前記リン酸塩粒子より融点の高い無機物粒子を含み、前記基材の前記負極側を向いた第2面、及び前記基材と前記第1フィラー層との間の少なくとも一方に形成された第2フィラー層と、
    を有し、
    前記第1フィラー層に含まれるポリフッ化ビニリデンの含有率は、10質量%以上50質量%以下であり、前記基材側の領域よりも前記正極側の領域で高くなっている、非水電解質二次電池。
  2. 前記第1フィラー層を厚み方向中央で半分に分けた場合に、前記正極側に位置する領域に存在するポリフッ化ビニリデンの含有率は、前記第1フィラー層の全体に含まれるポリフッ化ビニリデンの総質量の50質量%超80質量%以下である、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
  3. 前記基材は、ポリオレフィンを主成分として構成される、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池。
  4. 前記第2フィラー層は、前記基材の前記第2面に形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
  5. 前記リン酸塩粒子は、リン酸リチウム、リン酸水素二リチウム、及びリン酸二水素リチウムから選択される少なくとも1種である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
JP2020540029A 2018-08-29 2019-02-25 非水電解質二次電池 Active JP7373727B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018160615 2018-08-29
JP2018160615 2018-08-29
PCT/JP2019/007045 WO2020044612A1 (ja) 2018-08-29 2019-02-25 非水電解質二次電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2020044612A1 true JPWO2020044612A1 (ja) 2021-08-12
JP7373727B2 JP7373727B2 (ja) 2023-11-06

Family

ID=69645219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020540029A Active JP7373727B2 (ja) 2018-08-29 2019-02-25 非水電解質二次電池

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11949097B2 (ja)
JP (1) JP7373727B2 (ja)
CN (1) CN112106224B (ja)
WO (1) WO2020044612A1 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2022114231A1 (ja) * 2020-11-30 2022-06-02
US11892983B2 (en) 2021-04-29 2024-02-06 EMC IP Holding Company LLC Methods and systems for seamless tiering in a distributed storage system
US11677633B2 (en) 2021-10-27 2023-06-13 EMC IP Holding Company LLC Methods and systems for distributing topology information to client nodes
US11922071B2 (en) 2021-10-27 2024-03-05 EMC IP Holding Company LLC Methods and systems for storing data in a distributed system using offload components and a GPU module
US11762682B2 (en) 2021-10-27 2023-09-19 EMC IP Holding Company LLC Methods and systems for storing data in a distributed system using offload components with advanced data services

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013114764A (ja) * 2011-11-25 2013-06-10 Sony Corp リチウムイオン電池およびセパレータ、並びに電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム
JP2014120291A (ja) * 2012-12-14 2014-06-30 Toyota Motor Corp 非水電解質二次電池
JP2015088430A (ja) * 2013-11-01 2015-05-07 日立マクセル株式会社 非水電解液二次電池用セパレータおよびそれを備えた非水電解液二次電池
JP2016038967A (ja) * 2014-08-06 2016-03-22 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池
JP2016072120A (ja) * 2014-09-30 2016-05-09 旭化成イーマテリアルズ株式会社 蓄電デバイス用セパレータ
JP2016181324A (ja) * 2013-08-14 2016-10-13 日立マクセル株式会社 電気化学素子用セパレータ
WO2018110188A1 (ja) * 2016-12-14 2018-06-21 マクセルホールディングス株式会社 リチウムイオン二次電池、その製造方法およびリチウムイオン二次電池の前駆体
WO2018139493A1 (ja) * 2017-01-24 2018-08-02 株式会社 東芝 電極体、電極群、二次電池、電池モジュール及び車両

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4109522B2 (ja) 2002-09-17 2008-07-02 株式会社巴川製紙所 リチウムイオン二次電池用セパレーターおよびそれを用いたリチウムイオン二次電池
KR100573358B1 (ko) 2002-09-17 2006-04-24 가부시키가이샤 도모에가와 세이시쇼 리튬이온2차전지용 세퍼레이터 및 이를 포함한리튬이온2차전지
JP5671208B2 (ja) * 2005-12-06 2015-02-18 エルジー・ケム・リミテッド モルフォロジーグラジエントを有する有機/無機複合分離膜、その製造方法及びこれを備えた電気化学素子
CN102473900B (zh) * 2010-05-28 2015-08-19 松下电器产业株式会社 非水电解质二次电池用正极及非水电解质二次电池
JP2012049060A (ja) * 2010-08-30 2012-03-08 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解質二次電池用正極及びその正極を用いた非水電解質二次電池
JPWO2013145110A1 (ja) * 2012-03-26 2015-08-03 株式会社東芝 非水電解質二次電池用電極、非水電解質二次電池と電池パック
JP2014007089A (ja) * 2012-06-26 2014-01-16 Hitachi Maxell Ltd 電気化学素子用セパレータおよび電気化学素子
JP6070421B2 (ja) 2013-05-31 2017-02-01 ソニー株式会社 電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム
JP6211317B2 (ja) * 2013-07-09 2017-10-11 日立マクセル株式会社 非水電解質二次電池用セパレータ、および非水電解質二次電池
JP6371905B2 (ja) * 2015-11-11 2018-08-08 帝人株式会社 非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池
JP6264429B2 (ja) 2016-11-07 2018-01-24 株式会社村田製作所 電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム
CN110024202A (zh) * 2016-12-02 2019-07-16 旭化成株式会社 非水电解质电池用无机颗粒

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013114764A (ja) * 2011-11-25 2013-06-10 Sony Corp リチウムイオン電池およびセパレータ、並びに電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム
JP2014120291A (ja) * 2012-12-14 2014-06-30 Toyota Motor Corp 非水電解質二次電池
JP2016181324A (ja) * 2013-08-14 2016-10-13 日立マクセル株式会社 電気化学素子用セパレータ
JP2015088430A (ja) * 2013-11-01 2015-05-07 日立マクセル株式会社 非水電解液二次電池用セパレータおよびそれを備えた非水電解液二次電池
JP2016038967A (ja) * 2014-08-06 2016-03-22 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池
JP2016072120A (ja) * 2014-09-30 2016-05-09 旭化成イーマテリアルズ株式会社 蓄電デバイス用セパレータ
WO2018110188A1 (ja) * 2016-12-14 2018-06-21 マクセルホールディングス株式会社 リチウムイオン二次電池、その製造方法およびリチウムイオン二次電池の前駆体
WO2018139493A1 (ja) * 2017-01-24 2018-08-02 株式会社 東芝 電極体、電極群、二次電池、電池モジュール及び車両

Also Published As

Publication number Publication date
JP7373727B2 (ja) 2023-11-06
CN112106224A (zh) 2020-12-18
US11949097B2 (en) 2024-04-02
CN112106224B (zh) 2023-03-17
WO2020044612A1 (ja) 2020-03-05
US20210249649A1 (en) 2021-08-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5937776B2 (ja) 電池用セパレータおよび電池
JP7373727B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP7162187B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP5664932B2 (ja) 二次電池
US11695117B2 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery
CN111033801B (zh) 非水电解质二次电池
US11942645B2 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery having separator with multilayer structure
CN112106225B (zh) 非水电解质二次电池
JPWO2019044308A1 (ja) 非水電解質二次電池
WO2021131255A1 (ja) 非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池
WO2020137561A1 (ja) 非水電解質二次電池
WO2020137562A1 (ja) 非水電解質二次電池
JPWO2020090410A1 (ja) 二次電池
CN113412547A (zh) 正极及二次电池

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20211206

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20221206

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230509

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230619

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231003

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231010

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 7373727

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151