KR101042054B1 - Nonaqueous electrolyte secondary battery and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
양극 집전체(4A) 상에 양극 활물질이 형성된 양극(4), 및 음극 집전체(5A) 상에 음극 활물질이 형성된 음극(5)을, 다공질 절연층(6)을 개재하여 감거나 또는 적층시켜 전극군을 구성하며, 양극(4)의 인장 신장률을 3.0% 이상으로 하고 또 다공질 절연층(6)을 아라미드 수지를 포함하는 재료로 구성한다. 이에 따라, 압괴(壓壞)로 인해 비수전해질 이차전지가 뭉그러지는 일이 있어도, 전지 내에서의 내부 단락 발생을 방지하며, 내부 단락에 기인하는 이상 발열을 억제할 수 있다.The positive electrode 4 having the positive electrode active material formed on the positive electrode current collector 4A, and the negative electrode 5 having the negative electrode active material formed on the negative electrode current collector 5A are wound or laminated through the porous insulating layer 6. The electrode group is constituted, the tensile elongation of the positive electrode 4 is 3.0% or more, and the porous insulating layer 6 is made of a material containing aramid resin. As a result, even if the nonaqueous electrolyte secondary battery is crushed due to crushing, the occurrence of internal short circuit in the battery can be prevented, and abnormal heat generation caused by internal short circuit can be suppressed.
인장 신장률, 다공질 절연층, 아라미드 수지, 압괴, 내부 단락 Tensile Elongation, Porous Insulation Layer, Aramid Resin, Crush, Internal Short Circuit
Description
본 발명은 비수전해질 이차전지 및 그의 제조방법에 관한 것이며, 특히 압괴(壓壞)로 인한 내부 단락 발생을 억제하는 것이 가능한 비수전해질 이차전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nonaqueous electrolyte secondary battery and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a nonaqueous electrolyte secondary battery capable of suppressing occurrence of internal short circuit due to crushing and a method for manufacturing the same.
근래, 자동자 탑재용으로의 요구, 또는 대형 공구 DC화의 요구에 대하여, 급속 충전 및 대전류방전이 가능한 소형·경량인 이차전지가 요구되고 있다. 이와 같은 요구를 만족시키는 전형적인 전지로서, 리튬이온의 흡장 및 방출이 가능한 탄소 등의 재료를 음극 활물질로 하고, 리튬이온과 가역적으로 전기화학 반응하는 리튬코발트 복합산화물 등의 재료를 양극 활물질로 하고, LiClO4 또는 LiPF6 등 리튬염을 용해시킨 비 프로톤(proton)성의 유기 용매를 전해액으로 하는 비수전해질 이차전지를 들 수 있다.In recent years, small size and light weight secondary batteries capable of rapid charging and large current discharge have been demanded in response to demands for vehicle mounting or demand for large tool DC. As a typical battery that satisfies these requirements, a material such as carbon that can occlude and release lithium ions is used as a negative electrode active material, and a material such as lithium cobalt composite oxide that reversibly electrochemically reacts with lithium ions is used as a positive electrode active material, LiClO 4 or LiPF 6 can be given such a non-aqueous electrolyte secondary battery of the dissolved non-proton (proton) castle organic solvent as an electrolyte lithium salt.
이 비수전해질 이차전지(이하, 단지 "전지"라 함)는, 양극 집전체 상에 양극 활물질이 형성된 양극, 및 음극 집전체 상에 음극 활물질이 형성된 음극이 분리막(다공질 절연층)을 개재하여 감기거나 또는 적층된 전극군을, 전해액과 함께 전지 케이스 내에 수용하고, 이 전지 케이스의 개구부를 밀봉판으로 밀봉한 구성으로 이루어진다.In this nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter, simply referred to as a "battery"), a positive electrode in which a positive electrode active material is formed on a positive electrode current collector, and a negative electrode in which a negative electrode active material is formed on a negative electrode current collector are wound through a separator (porous insulating layer). Or the stacked electrode group together with the electrolyte solution, and the opening of the battery case is sealed with a sealing plate.
그런데, 비수전해질 이차전지 내에서 내부 단락이 일어나면, 이 내부 단락으로 인해 전지 내로 전류가 흐르고, 그 결과 전지 내 온도가 상승한다. 내부 단락이 일어나는 요인은 여러 가지 있으나, 특히 압괴로 인해 전지가 뭉그러지면 순간적으로 대전류가 흐르므로, 전지 내 온도가 급격하게 상승할 우려가 있다.However, when an internal short circuit occurs in the nonaqueous electrolyte secondary battery, current flows into the battery due to the internal short circuit, resulting in an increase in the temperature in the battery. There are many factors that cause internal short-circuits, but especially when the battery is clumped due to crushing, a large current flows instantaneously, and thus there is a concern that the temperature in the battery may increase rapidly.
통상, 분리막으로서 이용되는 다공질 절연층(예를 들어, 폴리올레핀층)은, 내부 단락으로 인해 전지 내 온도가 상승하여 고온이 되면 무공(無孔)화되어 전류를 흐르지 않게 하는, 이른바 차단 기능을 구비하는데, 발열이 심한 경우에는 다공질 절연층이 용융·수축되어 단락부가 확대되어 버리므로, 이상 발열을 억제하는 것이 어려워진다.In general, a porous insulating layer (for example, a polyolefin layer) used as a separator has a so-called blocking function, in which a temperature inside a battery rises due to internal short-circuit and becomes high when the temperature becomes high, thereby preventing current from flowing. However, when the heat generation is severe, the porous insulating layer is melted and shrunk and the short circuit portion is enlarged, which makes it difficult to suppress abnormal heat generation.
그래서, 이와 같은 이상 발열을 억제하는 방법으로서, 특허문헌 1(일본 특허공개 제2000-100408호 공보)에는, 분리막을 종래의 차단 기능을 구비한 다공성 절연층과, 내열성 다공질 절연층(예를 들어, 폴리이미드층, 아라미드층 등)과의 적층 구조로 하는 방법이 기재되어 있다. 이와 같은 적층 구조의 분리막은, 본래의 차단 기능을 유지하면서, 발열이 심해져 차단 기능이 상실됐을 때, 내열성 다공질 절연층에 의해 단락부의 확대를 방지함으로써, 이상 발열을 억제할 수 있다.Therefore, as a method of suppressing such abnormal heat generation, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-100408) discloses a porous insulating layer having a conventional blocking function for a separator and a heat resistant porous insulating layer (for example, , A polyimide layer, an aramid layer, etc.) is described. The separator having such a laminated structure can suppress abnormal heat generation by preventing expansion of the short circuit portion by the heat resistant porous insulating layer when the heat generation becomes severe and the blocking function is lost while maintaining the original blocking function.
또 특허문헌 2(일본 특허공개 제2001-297763호 공보)에는, 양극 활물질의 비 저항을 크게 함으로써, 내부 단락 시에 흐르는 단락 전류의 크기를 억제하며, 이에 따라 이상 발열을 억제하는 방법이 기재되어 있다.Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-297763) discloses a method of suppressing the magnitude of short-circuit current flowing during an internal short circuit by increasing the specific resistance of the positive electrode active material, thereby suppressing abnormal heat generation. have.
[발명의 개시][Initiation of invention]
[발명이 해결하고자 하는 과제][Problem to Solve Invention]
종래의 내부 단락에 기인하는 이상 발열을 억제하는 방법은 모두 내부 단락이 발생한 경우에, 단락 시에 흐르는 단락 전류의 크기를 억제하는 것으로, 내부 단락 발생을 방지하는 본질적인 해결이 되지 않는다. 따라서, 내부 단락의 정도에 따라서는 이상 발열을 충분히 억제할 수 없다는 우려도 있다. 또, 단락 전류의 크기를 억제하는 효과를 크게 하고자 하면, 전지의 본래 성능을 저하시키는 결과(예를 들어, 양극 활물질의 비저항을 크게 하면 고율방전 특성이 저하됨)가 되므로, 종래의 방법으로 이상 발열을 억제하는 효과에도 일정한 한계가 있다.In the conventional method of suppressing abnormal heat generation due to internal short circuit, when internal short circuit occurs, it is possible to suppress the magnitude of the short circuit current flowing at the time of short circuit, and it is not an essential solution to prevent the internal short circuit. Therefore, there is a concern that abnormal heat generation cannot be sufficiently suppressed depending on the degree of internal short circuit. In addition, if the effect of suppressing the magnitude of the short-circuit current is to be increased, the result is that the original performance of the battery is reduced (for example, when the specific resistance of the positive electrode active material is increased, the high rate discharge characteristic is lowered). There is a certain limit to the effect of suppressing.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 압괴로 인해 비수전해질 이차전지가 뭉그러지는 일이 있어도, 전지 내에서의 내부 단락 발생을 방지하여, 내부 단락에 기인하는 이상 발열이 없는 안전성이 우수한 비수전해질 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of this point, and even if the nonaqueous electrolyte secondary battery is crushed due to crushing, it prevents the internal short circuit occurring in the battery and prevents abnormal heat generation due to the internal short circuit. It is an object to provide a secondary battery.
[과제를 해결하기 위한 수단][Means for solving the problem]
본 발명에 관한 비수전해질 이차전지는, 양극 집전체 상에 양극 활물질이 형성된 양극, 및 음극 집전체 상에 음극 활물질이 형성된 음극이 다공질 절연층을 개재하여 감기거나 또는 적층된 전극군을 구비한 비수전해질 이차전지이며, 양극의 인장 신장률은 3.0% 이상이고, 다공질 절연층은 아라미드 수지를 포함하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.A nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a nonaqueous electrolyte including an electrode group in which a positive electrode having a positive electrode active material formed on a positive electrode current collector, and a negative electrode having a negative electrode active material formed on a negative electrode current collector wound or stacked through a porous insulating layer. It is an electrolyte secondary battery, The tensile elongation of a positive electrode is 3.0% or more, The porous insulating layer is characterized by consisting of a material containing an aramid resin.
이와 같은 구성에 의해, 압괴로 인해 비수전해질 이차전지가 뭉그러지는 일이 있어도, 양극의 인장 신장률이 크므로, 양극이 파단되는 일은 없으며, 이에 따라 전지 내 내부 단락 발생을 방지할 수 있다. 더불어, 제조 공정상의 편차로 인해 양극의 인장 신장률이 불충분한 결과 양극이 파단되더라도, 다공질 절연층을 양극에 대하여 마찰력이 큰 아라미드 수지를 포함한 재료로 구성함으로써, 다공질 절연층이 파단된 양극에 추종하여 이동하여, 이에 따라 양극의 파단면 위치를 다공질 절연층의 단부에서 유지할 수 있다. 그 결과, 파단된 양극이 음극에 닿는 것을 방지할 수 있으므로, 내부 단락 발생을 방지할 수 있다.With such a configuration, even if the nonaqueous electrolyte secondary battery is crushed due to crushing, the tensile elongation of the positive electrode is large, so that the positive electrode is not broken, thereby preventing the occurrence of internal short circuit in the battery. In addition, even if the anode breaks as a result of insufficient tensile elongation of the anode due to variations in the manufacturing process, the porous insulating layer is made of a material containing aramid resin having a large frictional force against the anode, thereby following the porous insulating layer to the broken anode. By moving, the position of the fracture surface of the anode can thus be maintained at the end of the porous insulating layer. As a result, it is possible to prevent the broken anode from contacting the cathode, thereby preventing the occurrence of an internal short circuit.
[발명의 효과][Effects of the Invention]
본 발명에 의하면, 압괴로 인해 비수전해질 이차전지가 뭉그러지는 일이 있어도 양극이 파단되는 일은 없으며, 전지 내 내부 단락 발생을 방지할 수 있음과 더불어, 제조 공정상의 편차로 인해 인장 신장률이 불충분한 양극이 파단되더라도, 파단된 양극이 음극에 닿는 일없이, 전지 내 내부 단락 발생을 방지할 수 있다. 이에 따라 내부 단락에 기인하는 이상 발열이 없는 안전성이 우수한 비수전해질 이차전지를 제공할 수 있다.According to the present invention, even if the nonaqueous electrolyte secondary battery is agglomerated due to crushing, the positive electrode is not broken, the internal short circuit can be prevented from occurring, and the positive electrode has insufficient tensile elongation due to variations in the manufacturing process. Even if this breaks, the broken positive electrode can be prevented from occurring inside the battery without touching the negative electrode. Accordingly, it is possible to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent safety without abnormal heat generation due to an internal short circuit.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서 비수전해질 이차전지의 구성을 나타내 는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the configuration of a nonaqueous electrolyte secondary battery in the embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서 전극군의 구성을 나타내는 확대단면도이다.2 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the electrode group in the embodiment of the present invention.
도 3의 (a)는 아라미드 수지를 포함하지 않는 분리막을 이용한 경우의 압괴로 인한 양극의 파단 상태를 나타내는 도면이고, (b)는 아라미드 수지를 포함한 분리막을 이용한 경우의 압괴로 인한 양극의 파단 상태를 나타내는 도면이다.Figure 3 (a) is a view showing the fracture state of the positive electrode due to the collapse when using a separator containing no aramid resin, (b) is a fracture state of the positive electrode due to the collapse when using a separator containing aramid resin It is a figure which shows.
[부호의 설명][Description of the code]
1 : 전지 케이스 2 : 밀봉판1: battery case 2: sealing plate
3 : 가스켓 4 : 양극3: gasket 4: anode
4A : 양극 집전체 4B : 양극 합제층4A: positive electrode
4a : 양극 리드 5 : 음극4a: anode lead 5: cathode
5A : 음극 집전체 5B : 음극 합제층5A: negative electrode
5a : 음극 리드 6 : 분리막5a: negative electrode lead 6: separator
8 : 전극군8: electrode group
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION [
본원 출원인은, 비수전해질 이차전지가 압괴로 인해 뭉그러졌을 때, 전지 내에서 내부 단락이 일어나는 요인을 검토한 바, 전극군을 구성하는 양극, 음극, 및 분리막 중, 인장 신장률이 가장 작은 양극이 우선적으로 파단된 결과, 양극의 파단부가 분리막을 뚫고 양극판과 음극판이 단락됨을 알았다.When the non-aqueous electrolyte secondary battery is agglomerated due to crushing, the applicant of the present application examines a factor in which internal short circuit occurs in the battery, and thus, the positive electrode, the negative electrode, and the positive electrode having the smallest tensile elongation among the electrode groups are preferred. As a result, it was found that the breakage portion of the positive electrode penetrated the separator and the positive electrode plate and the negative electrode plate were short-circuited.
그래서, 양극의 인장 신장률을 높이는 방법을 추가로 검토한 결과, 양극 합제층을 도포한 양극 집전체를 압연한 후에 소정 온도로 열처리를 실시함으로써, 양극의 인장 신장률이 커지는 효과를 찾아내었다. 여기서, 통상, 양극 집전체에 양극 합제층을 도포한 후, 양극 합제층과 양극 집전체의 밀착성을 향상시키는 목적으로 열처리를 실시하는데(예컨대, 특허문헌 3(일본 특허공개 평성 5-182692호 공보), 4(일본 특허공개 평성 7-105970호 공보) 등을 참조), 이 열처리에 의해 양극의 인장 신장률은 일시적으로 커지기는 하되, 그 후에 압연처리를 실시하면 인장 신장률은 다시 저하되어, 결국 양극의 인장 신장률을 크게 할 수는 없다.Therefore, as a result of further examining the method of increasing the tensile elongation rate of the positive electrode, the effect of increasing the tensile elongation rate of the positive electrode was found by performing heat treatment at a predetermined temperature after rolling the positive electrode current collector coated with the positive electrode mixture layer. Usually, after apply | coating a positive electrode mixture layer to a positive electrode electrical power collector, heat processing is performed for the purpose of improving the adhesiveness of a positive electrode mixture layer and a positive electrode electrical power collector (for example, patent document 3 (Unexamined-Japanese-Patent No. 5-182692). ), 4 (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-105970), etc.), although the tensile elongation of the positive electrode is temporarily increased by this heat treatment, the tensile elongation is lowered again after the rolling treatment. It is not possible to increase the tensile elongation of.
본원 출원인은, 이러한 지견에 근거하여, 양극의 인장 신장률을 소정 값 이상으로 함으로써, 압괴(壓壞)된 비수전해질 이차전지의 내부 단락 발생을 억제하는 방법을 일본 특허출원 제2007-323217호(PCT/JP2008/002114)의 출원명세서에 개시했다.Based on these findings, the present applicant has disclosed a method of suppressing the occurrence of internal short circuit in a crushed nonaqueous electrolyte secondary battery by setting the tensile elongation rate of the positive electrode to a predetermined value or more, Japanese Patent Application No. 2007-323217 (PCT / JP2008 / 002114).
즉, 양극 집전체 상에, 양극 활물질을 포함한 양극 합제 슬러리를 도포 건조시킨 후, 양극 합제 슬러리가 도포 건조된 양극 집전체를 압연하고, 얼마 후, 압연된 양극 집전체를 소정 온도로 열처리함으로써, 압연 후의 양극 인장 신장률을 3.0% 이상으로 할 수 있다. 이에 따라, 압괴로 인해 비수전해질 이차전지가 뭉그러지는 일이 있어도, 양극이 우선적으로 파단되는 일은 없으므로, 전지 내의 내부 단락 발생을 방지할 수 있다.That is, after coating and drying the positive electrode mixture slurry containing a positive electrode active material on a positive electrode current collector, the positive electrode current collector with which the positive electrode mixture slurry was apply | coated and dried, after a while, heat-processing the rolled positive electrode current collector to predetermined temperature, The positive electrode tensile elongation rate after rolling can be 3.0% or more. As a result, even if the nonaqueous electrolyte secondary battery is crushed due to the crushing, the positive electrode does not break preferentially, so that occurrence of internal short circuit in the battery can be prevented.
상기와 같이 압연 후의 열처리에 의해 양극의 인장 신장률을 3.0% 이상으로 높일 수 있는 것은 다음과 같은 메커니즘에 의한 것으로 생각된다.As described above, it is considered that the tensile elongation of the positive electrode can be increased to 3.0% or more by the heat treatment after rolling as follows.
즉, 양극의 인장 신장률은, 양극 집전체의 표면에 양극 합제층이 형성되어 있으므로, 양극 집전체 자체의 고유의 인장 신장률로 규제되는 것은 아니다. 통상, 양극 합제층 쪽이 양극 집전체보다 인장 신장률이 낮으므로, 압연 후 열처리를 실시하지 않은 양극을 신장했을 때, 양극 합제층에 큰 균열이 발생함과 동시에, 양극이 파단된다. 이는 양극의 신장과 함께 양극 합제층 내의 인장응력이 증대되어, 양극 집전체에 가해지는 인장응력이, 큰 균열이 발생한 부분에 집중됨으로써 양극 집전체가 파단된 것으로 생각된다.That is, since the positive electrode mixture layer is formed on the surface of the positive electrode current collector, the tensile elongation of the positive electrode is not limited to the intrinsic tensile elongation of the positive electrode current collector itself. Usually, since the positive electrode mixture layer has a lower tensile elongation rate than the positive electrode current collector, when the positive electrode that is not subjected to heat treatment after rolling is elongated, a large crack occurs in the positive electrode mixture layer and the positive electrode breaks. This is thought to be because the tensile stress in the positive electrode mixture layer increases with the extension of the positive electrode, and the tensile stress applied to the positive electrode current collector is concentrated at a portion where a large crack has occurred.
한편, 압연 후에 열처리를 실시한 양극을 신장했을 때는 양극 집전체가 연화되어 있으므로, 양극 합제층에 다수의 미세한 균열을 발생시키면서 계속 신장되며, 곧 양극이 파단된다. 이는 양극 집전체에 가해지는 인장응력이 미세한 균열의 발생에 의해 분산되므로, 양극 합제층의 균열 발생에 의한 집전체에 끼치는 영향은 적으며, 균열 발생과 동시에 양극이 파단되는 일없이 일정한 크기까지 계속 신장되고, 인장응력이 일정한 크기(집전체 고유의 인장 신장률에 가까운 값)에 달한 시점에서 양극 집전체가 파단된 것으로 생각된다.On the other hand, when the positive electrode heat-treated after rolling is elongated, the positive electrode current collector is softened, and thus the positive electrode current collector is continuously elongated while generating a large number of fine cracks in the positive electrode mixture layer, and the positive electrode breaks soon. Since the tensile stress applied to the positive electrode current collector is dispersed by the occurrence of fine cracks, the impact on the current collector due to the occurrence of cracks in the positive electrode mixture layer is small, and the crack continues to a certain size without breaking the positive electrode at the same time. It is thought that the positive electrode current collector was broken when the tensile stress reached a constant size (a value close to the tensile elongation rate inherent to the current collector).
압연 후의 열처리에 의해 얻어지는 양극의 인장 신장률은 양극 집전체나 양극 활물질의 재료에 따라 크기가 다르나, 예컨대 알루미늄으로 된 양극 집전체에, LiCoO2를 양극 활물질로 하는 양극 합제층이 형성된 양극의 경우, 200℃ 이상의 온도에서 압연 후의 열처리(180초)를 실시함으로써, 양극의 인장 신장률을 3% 이상으로 높일 수 있다. 여기서 열처리 온도는, 양극 집전체의 연화 온도보다 높으며 결착제의 분해 온도보다 낮은 것이 바람직하다.The tensile elongation of the positive electrode is obtained by the heat treatment after rolling, if the cathode size is different in, for example, formed with the entire amount of the positive electrode collector of aluminum and the positive electrode material mixture layer to the LiCoO 2 as a cathode active material depending on the material of the positive electrode collector and positive electrode active material, By performing the heat treatment (180 seconds) after rolling at the temperature of 200 degreeC or more, the tensile elongation rate of a positive electrode can be raised to 3% or more. The heat treatment temperature is preferably higher than the softening temperature of the positive electrode current collector and lower than the decomposition temperature of the binder.
표 1은, 알루미늄으로 된 양극 집전체에, LiCoO2를 양극 활물질로 하는 양극 합제층를 형성한 양극을 이용하여 전지를 제작했을 때의 압괴시험 결과를 나타내는 표이다. 여기서 전지(1~4)는, 양극의 압연 후 열처리 조건을, 280℃의 온도에서, 열처리 시간을 10초, 20초, 120초, 180초로 바꾸어 실시한 것이다. 또 전지(5)는 압연 후의 열처리를 실시하지 않은 것이다.Table 1 shows, the entire amount of the positive electrode collector of aluminum, a table showing the test results of pressure collapse when making a battery using the positive electrode A positive electrode material mixture formed cheungreul that the LiCoO 2 as a cathode active material. Herein, the
압연후 양극의
인장 신장률
[%]
Anode after rolling
Tensile elongation
[%]
[%]Heat treatment temperature
[%]
[mm]Paragraph depth
[mm]
280
280
표 1에 나타내는 바와 같이, 압연 후 열처리를 실시하지 않은 전지(5)의 양극의 인장 신장률은 1.5%인데 반해, 압연 후 열처리를 실시한 전지(1~4)의 양극의 인장 신장률은 3~6.5%로 각각 커졌음을 알 수 있다. 그리고 각 전지에 대하여, 압괴시험(6Φ의 둥근 막대로 0.1㎜/sec 속도로 전지를 눌러, 전지 내에서 내부 단락이 일어난 시점에서의 전지 변형량(단락깊이)을 측정)을 실시한 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 압연 후 열처리를 실시하지 않는 전지(5)의 단락깊이는 5㎜인데 반해, 압연후 열처리를 실시한 전지(1~4)의 단락깊이는 8~10㎜로 깊어졌음을 알 수 있다. 즉 압연 후에 소정의 열처리를 실시함으로써 양극의 인장 신장률을 3% 이상으로 할 수 있으며, 이에 따라, 압괴로 인한 내부 단락 발생을 방지할 수 있다.As shown in Table 1, the tensile elongation of the positive electrode of the
여기서, 압연 후의 열처리 온도가 높거나 열처리 시간이 길어지면, 양극 합제층에 포함된 결착제가 용융되며, 양극 활물질이 용융된 결착제로 피복되면 전지용량이 저하될 우려가 있다. 압연 후의 열처리에 따른 전지용량 저하를 방지하기 위해, 상기 출원명세서에서는, 양극 집전체로서 철을 함유한 알루미늄을 이용하는 것이 바람직하다는 것을 개시했다. 철을 함유한 알루미늄으로 된 양극 집전체를 이용함으로써, 소정의 양극의 인장 신장률을 얻는데 필요한 압연 후의 열처리 온도를 낮추거나 혹은 열처리 시간을 짧게 할 수 있다. 이에 따라, 압연 후의 열처리에 따른 전지용량 저하를 방지할 수 있다.Here, when the heat treatment temperature after rolling is high or the heat treatment time is long, the binder contained in the positive electrode mixture layer is melted, and there is a fear that the battery capacity is reduced when the positive electrode active material is coated with the melted binder. In order to prevent the battery capacity drop caused by the heat treatment after rolling, the above-mentioned application specification discloses that it is preferable to use aluminum containing iron as the positive electrode current collector. By using the positive electrode current collector made of aluminum containing iron, the heat treatment temperature after rolling required for obtaining the tensile elongation rate of the predetermined positive electrode can be lowered or the heat treatment time can be shortened. Thereby, the fall of the battery capacity by the heat processing after rolling can be prevented.
본원 발명자는, 압연 후의 열처리에 의해, 양극의 인장 신장률을 3% 이상으로 높인 양극을 구비한 비수전해질 이차전지를 제작하여, 압괴에 대한 안전성을 검토한 바, 어느 일정한 비율로, 압괴로 인해 양극이 파단되어 내부 단락이 발생하는 전지가 있음을 알았다.The inventors of the present invention fabricated a nonaqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode in which the tensile elongation rate of the positive electrode was increased to 3% or more by heat treatment after rolling, and examined the safety against crushing. It was found that some batteries were broken and an internal short circuit occurred.
양극의 인장 신장률은, 압연 후에 실시하는 열처리 조건으로 제어할 수 있으나, 실제로는, 이러한 열처리 조건만이 아닌, 예를 들어 양극 집전체의 두께나, 양극 합제층에 포함된 결착제의 비율 등, 양극의 인장 신장률에 영향을 끼치는 여러 가지 요인이, 제조 공정에서 편차가 발생됨으로써, 소기의 인장 신장률(예를 들어 3% 정도)을 얻을 수 없는 경우가 있다. 상기의 압괴로 인해 내부 단락이 발생한 전지는, 이와 같은 제조 공정상의 편차로 인해, 양극의 인장 신장률이 소기의 값이 되지 않고 압괴에 대하여 충분한 인장 신장률을 갖지 않은 결과 양극이 파단된 것에 기인하는 것으로 생각된다.Although the tensile elongation rate of a positive electrode can be controlled by the heat processing conditions performed after rolling, it is not only these heat processing conditions but actually, for example, the thickness of a positive electrode collector, the ratio of the binder contained in a positive electrode mixture layer, etc., Various factors which affect the tensile elongation of a positive electrode may not be able to obtain a desired tensile elongation rate (for example, about 3%) because a deviation generate | occur | produces in a manufacturing process. The battery in which the internal short circuit occurs due to the crushing is caused by the breakage of the positive electrode as a result of the variation in the manufacturing process such that the tensile elongation of the positive electrode does not become a desired value and does not have sufficient tensile elongation with respect to the crushing. I think.
그래서 본원 발명자는, 제조 공정상의 편차로 인해, 양극의 인장 신장률이 불충분한 결과 양극이 파단됐다 하더라도, 여기서 내부 단락 발생을 방지할 수 있는 방법을 검토한 결과, 본 발명을 상정하는데 이르렀다.Therefore, the inventors of the present application have come to assume the present invention as a result of examining a method for preventing the occurrence of an internal short circuit, even if the positive electrode is broken due to insufficient tensile elongation of the positive electrode due to variations in the manufacturing process.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 그리고 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되지 않는다. 또 본 실시형태에서 설명하는 비수전해질 이차전지의 구성에 대해서는, 본원 출원에 의한 상기 출원명세서에 기재된 구성을 적용할 수 있다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described, referring drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. Moreover, about the structure of the nonaqueous electrolyte secondary battery demonstrated by this embodiment, the structure described in the said application specification by this application can be applied.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서 비수전해질 이차전지의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which shows typically the structure of a nonaqueous electrolyte secondary battery in embodiment of this invention.
도 1에 나타내는 바와 같이, 양극(4) 및 음극(5)이 분리막(다공질 절연층)을 개재하여 감긴 전극군(8)이 전해액과 함께 전지 케이스(1) 내에 수용된다. 전지 케이스(1)의 개구부는 가스켓(3)을 개재하여 밀봉판(2)으로 밀봉된다. 양극(4)에 장착된 양극 리드(4a)는 양극 단자를 겸한 밀봉판(2)에 접속되며, 음극(5)에 장착된 음극 리드(5a)는 음극 단자를 겸한 전지 케이스(1)에 접속된다.As shown in FIG. 1, the electrode group 8 in which the
도 2는 본 실시형태에 있어서 전극군(8)의 구성을 모식적으로 나타내는 확대 단면도이다.2 is an enlarged cross-sectional view schematically showing the configuration of the electrode group 8 in the present embodiment.
도 2에 나타내는 바와 같이, 양극 집전체(4A)의 양면에 양극 합제층(4B)이 형성되고, 음극 집전체(5A)의 양면에 음극 합제층(5B)이 형성되며, 양극(4)과 음극(5) 사이에는 분리막(6)이 배치된다.As shown in FIG. 2, the positive
여기서, 양극(4)의 인장 신장률은 3.0% 이상이며, 분리막(6)은 아라미드 수지를 포함한 재료로 이루어진다. Here, the tensile elongation of the
양극(4)의 인장 신장률을 3.0% 이상으로 함으로써, 압괴로 인해 비수전해질 이차전지가 뭉그러지는 일이 있어도, 양극(4)이 파단되는 일없이, 전지 내의 내부 단락 발생을 방지할 수 있다. 더불어 제조 공정상의 편차로 인해 양극(4)의 인장 신장률이 불충분(3.0% 미만)한 것에 기인하여 양극(4)이 파단되더라도, 분리막(6)을, 양극(4)에 대하여 마찰력이 큰 아라미드 수지를 포함한 재료로 구성함으로써, 파단된 양극(4)이 음극(5)에 닿는 것을 방지할 수 있다.By setting the tensile elongation rate of the
여기서 본 발명의 "인장 신장률"은, 시험편을 당기고, 시험편이 파단됐을 때 시험편이 신장된 비율을 말하며, 예를 들어 폭이 15㎜이고 유효부 길이가 20㎜인 극판을 20㎜/min 속도로 당겨, 극판이 파단된 시점에서의 신장률로 구해진다.Here, the "tensile elongation" of the present invention refers to the rate at which the test piece is stretched when the test piece is pulled and the test piece is broken. For example, the electrode plate having a width of 15 mm and an effective part length of 20 mm at a speed of 20 mm / min. It pulls out and is calculated | required by the elongation rate at the time when a pole plate is broken.
다음은, 도 3의 (a), (b)를 참조하면서 아라미드 수지를 포함한 분리막(6)을 채용함으로써, 파단된 양극(4)이 음극(5)에 닿는 것을 방지할 수 있는 메커니즘을 설명한다.Next, the mechanism which can prevent the
도 3의 (a)는, 아라미드 수지를 포함하지 않은 재료(예를 들어, 폴리올레핀층)로 된 분리막(6)을 이용한 경우의, 압괴로 인해 양극(4)이 파단됐을 때의 상태를 나타내는 도이다. 종래의 분리막(6)은 양극(4)에 대하여 마찰력이 작아 미끄러지기 쉬우므로, 파단된 양극(4)에 추종하여 분리막(6)은 이동하지 않으며, 파단된 양극(4)은 음극(5)에까지 달해버려, 내부 단락이 발생한다.FIG. 3 (a) is a diagram showing a state when the
이에 반해 도 3의 (b)는, 아라미드 수지를 포함한 재료로 된 분리막(6)을 이용한 경우, 압괴로 인해 양극(4)이 파단됐을 때의 상태를 나타내는 도이다. 분리막(6)은 양극(4)에 대하여 마찰력이 크므로, 파단된 양극(4)에 추종하여 분리막(6)이 이동하며, 이에 따라 양극(4)의 파단면 위치를 분리막(6)의 단부에서 유지할 수 있다. 그 결과, 파단된 양극(4)이 음극(5)에 닿는 것을 방지할 수 있으므로, 내부 단락의 발생을 방지할 수 있다.On the other hand, FIG. 3B is a diagram showing a state when the
종래, 아라미드 수지는 강도가 우수하다는 관점에서, 외력에 의해 파단되기 어려운 분리막(6)의 재료로서 이용되는 경우가 있었다. 본 발명은 아라미드 수지를 포함한 재료로 된 분리막(6)이, 양극(4)에 대한 마찰력이 크다는 성질에 착안하여 이루어진 것이다. 따라서 본 발명의 분리막은, 일정한 마찰력을 발휘할 수 있을 정도로 아라미드 수지를 포함하는 것이면 되나, 상기 작용효과를 보다 발휘시키기 위해서는 20중량% 이상의 아라미드 수지를 포함한 재료(아라미드 수지만의 재료도 포함함)로 된 분리막을 이용하는 것이 바람직하다. 또 분리막의 차단 기능을 유지하는 관점에서는, 45중량% 이하의 아라미드 수지를 포함한 재료를 이용하는 것이 바람직하다.Conventionally, aramid resin has been used as a material of the
여기서, 아라미드 수지로는, 예를 들어 폴리(파라페닐렌테레프탈아미드), 폴리(파라벤즈아미드), 폴리(4,4'-벤즈아닐리드테레프탈아미드), 폴리(파라페닐렌-2,6-나프탈렌디카르복시산아미드), 폴리(2-클로로파라페닐렌테레프탈아미드)폴리페닐렌테레프탈아미드/2,6-디클로로파라페닐렌테레프탈아미드 등을 이용할 수 있다.Here, as an aramid resin, For example, poly (paraphenylene terephthalamide), poly (parabenzamide), poly (4,4'- benzanilide terephthalamide), poly (paraphenylene-2, 6- naphthalene) Dicarboxylic acid amide), poly (2-chloroparaphenylene terephthalamide) polyphenylene terephthalamide / 2,6-dichloroparaphenylene terephthalamide, and the like.
또 분리막(6)을, 본 발명의 아라미드 수지를 포함한 재료로 된 제 1 분리막과, 고온 시에 무공(無孔)성 층이 되는 차단 기능을 갖는 제 2 분리막으로 구성해도 된다. 이와 같은 적층 구조로 함으로써, 상기 작용효과에 더불어, 제 1 분리막을 45중량% 이상의 아라미드 수지를 포함한 재료로 구성한 경우라도, 제 2 분리막에 의해 차단 기능을 유지할 수 있다는 효과를 발휘할 수 있다. 여기서, 이 경우 제 1 분리막은 양극(4)에 접하며, 양극(4)과 음극(5) 사이에 배치될 필요가 있다. 또 제 2 분리막으로는, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 폴리올레핀계 수지로 된 분리막을 이용할 수 있다. 또한 제 1 분리막은 무기재료를 포함할 수 있다. 무기재료를 첨가함으로써, 내열층(아라미드 수지를 포함한 층)의 내열성을 높일 수 있다. 무기재료의 구체예로는, 예를 들어 알루미나, 마그네슘, 지르코늄, 티타니아, 이트리아, 제올라이트, 질화규소, 탄화규소 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 되며, 2종류 이상을 조합하여 이용해도 된다.Moreover, you may comprise the
본 발명에서, 도 2에 나타낸 전극군(8)을 구성하는 양극(4) 및 음극(5)에 대해서는 특별히 그 재료 및 제법에 제한은 없으나, 이하와 같은 재료 및 제법을 적용할 수 있다. 또, 전극군(8)은 양극(4) 및 음극(5)이 분리막(6)을 개재하여 감긴 것이 아닌, 적층된 것이어도 됨은 물론이다.In the present invention, the
양극 집전체(4A)는, 예를 들어 알루미늄, 스테인리스스틸, 티탄 등을 이용할 수 있다. 특히 철을 함유한 알루미늄을 이용하면, 양극(4)의 압연 후 열처리 온도를 낮추거나, 혹은 열처리 시간을 짧게 할 수 있다. 그리고 양극 집전체(4A) 중의 철 함유량은 1.20∼1.70중량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.As the positive electrode
양극 합제층(4B)는 양극 활물질 외에, 결착제, 도전제 등을 포함할 수 있다. 양극 활물질로는, 예를 들어 리튬복합금속산화물을 이용할 수 있다. 대표적인 재료로는, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiCoNiO2 등을 들 수 있다. 또 결착제로는, 예를 들어 폴리비닐리덴풀루오라이드(PVDF), PVDF의 유도체, 또는 고무계 결착제(예를 들어 불소고무 및 아크릴고무 등)가 적합하게 이용된다. 또 도전제로는, 예를 들어 흡연 등 그라파이트류, 아세틸렌블랙 등 카본블랙류 등의 재료를 이용할 수 있다.The positive
양극(4)은, 양극 집전체(4A) 상에, 양극 활물질을 포함한 양극 합제 슬러리를 도포 건조시킨 후, 양극 합제 슬러리가 도포 건조된 양극 집전체(4A)를 압연하고, 얼마 후 압연된 양극 집전체(4A)를 소정 온도로 열처리함으로써 얻어진다. 또, 압연 후의 열처리 조건은, 양극(4)의 인장 신장률이 3% 이상이 되도록 제어한다. 단, 양극(4)의 인장 신장률이 10%를 초과하면, 전극군(8)을 감아 형성할 때, 양극(4)이 변형되어 균일하게 감기 어려워지므로, 양극의 인장 신장률은 10% 이하인 것이 바람직하다.The
음극 집전체(5A)는, 예를 들어 구리, 스테인리스스틸, 니켈 등을 이용할 수 있다. 음극 합제층(5B)은, 음극 활물질 외에 결착제, 도전제 등을 포함할 수 있다. 음극 활물질로는, 예를 들어 흑연, 탄소섬유 등 탄소재료나, SiOx 등의 규소화합물을 이용할 수 있다.As the negative electrode
음극(5)은, 음극 집전체(5A) 상에, 음극 활물질을 포함한 음극 합제 슬러리를 도포 건조시킨 후, 음극 합제 슬러리가 도포 건조된 음극 집전체(5A)를 압연하여 얻는다.The
여기서, 본 발명의 효과를 발휘하기 위해서는, 음극(5) 및 분리막(다공질 절연층)(6)의 인장 신장률은 3% 이상일 필요가 있다.Here, in order to achieve the effect of the present invention, the tensile elongation of the
이상, 본 발명을 바람직한 실시형태에 의해 설명했으나, 이러한 서술은 한정사항이 아니며, 여러 가지 개변이 가능함은 물론이다. 예를 들어 상기 실시형태에서는, 비수전해질 이차전지로서 리튬이온 이차전지를 예로 설명했으나, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위에서, 니켈수소 축전지 등 다른 비수전해질 이차전지에도 적용할 수 있다. 또 본 발명은, 압괴로 인한 전지 내에서의 내부 단락 발생을 방지하는 효과를 발휘하는 것이나, 전지의 충방전에 따른 음극 활물질의 팽창수축에 기인한 전극군의 좌굴(buckling) 또는 극판의 파단 방지에도 적용할 수 있다.As mentioned above, although this invention was demonstrated by the preferable embodiment, this description is not a restriction | limiting and various modifications are of course possible. For example, in the said embodiment, although the lithium ion secondary battery was demonstrated to the nonaqueous electrolyte secondary battery as an example, it can apply also to other nonaqueous electrolyte secondary batteries, such as a nickel hydrogen storage battery, in the range which exhibits the effect of this invention. In addition, the present invention exhibits an effect of preventing the occurrence of internal short circuit in the battery due to crushing, and prevents buckling of the electrode group or fracture of the electrode plate due to expansion and contraction of the negative electrode active material due to charge and discharge of the battery. Applicable to
본 발명은, 대전류 방전에 적합한 전극군을 구비한 비수전해질 이차전지에 유용하며, 예를 들어 고출력을 필요로 하는 전동공구나 전기자동차 등의 구동용 전지, 대용량의 백업용 전원, 축전용전원용 전지 등에 적용할 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for a nonaqueous electrolyte secondary battery having an electrode group suitable for high current discharge. For example, a drive battery for an electric tool or an electric vehicle requiring a high output, a large capacity backup power supply, a battery for a power storage power supply, and the like. Applicable
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