JP5031453B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、サイクル特性や高温放電特性に優れたリチウム二次電池に関し、例えば、140℃以上の高温環境下でも放電可能な薄型軽量リチウム二次電池に関する。因みに、消防法施行規則、建築基準法施工令により定められた社団法人日本照明器具工業会 JIL5501「非常用照明器具技術基準」によると、誘導灯、非常灯の灯火装置は140℃の雰囲気で、誘導灯では20分以上、非常灯では、30分以上の連続灯火が必要である。
なお、本明細書では、リチウムイオン二次電池とリチウムポリマー二次電池を総称してリチウム二次電池と呼ぶ場合がある。
The present invention relates to a lithium secondary battery excellent in cycle characteristics and high-temperature discharge characteristics, for example, a thin and light lithium secondary battery capable of discharging even in a high-temperature environment of 140 ° C. or higher. By the way, according to the Japan Lighting Equipment Manufacturers Association JIL5501 “Emergency Lighting Equipment Technical Standards” established by the Ordinance for Enforcement of Fire Service Act and Building Standard Law, the lighting equipment for guide lights and emergency lights has an atmosphere of 140 ° C. A continuous light of 20 minutes or more is required for a guide light, and 30 minutes or more for an emergency light.
In this specification, the lithium ion secondary battery and the lithium polymer secondary battery may be collectively referred to as a lithium secondary battery.
近年、電子機器の小型化軽量化に伴い、形状の自由度の高い電池が要望されている。なかでも、非水電解液を用いたリチウムイオン二次電池は高容量であることや環境負荷の少ない電池として市場から有望視されている。
リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵、放出可能なコバルト酸リチウムをアルミニウム箔に塗布した正極とリチウムイオンを電気化学的に吸蔵、放出可能な黒鉛を銅箔に塗布した負極を多孔質ポリオレフィンからなるセパレータとリチウム塩を有機溶媒に溶解した非水電解液およびこれらを収納するケースから構成されている。
In recent years, as electronic devices have become smaller and lighter, batteries having a high degree of freedom in shape have been demanded. Especially, the lithium ion secondary battery using a non-aqueous electrolyte is regarded as promising from the market as a battery having a high capacity and a low environmental load.
Lithium-ion secondary batteries consist of a positive electrode in which lithium cobaltate that can be occluded and released electrochemically is applied to an aluminum foil, and a negative electrode in which graphite that is capable of electrochemically occluded and released lithium ions is applied to a copper foil. Is made up of a separator made of porous polyolefin, a nonaqueous electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, and a case for housing these.
特に最近では、より安全性を高めるため、リチウムイオン二次電池の電解液を液体状から固体あるいはゲル状に置き換えたリチウムポリマー電池が増加してきた。
電解液をゲル状にすることで電池ケースにアクシデントがあったとき液もれが起きないという利点がある。
リチウムポリマー電池の電解質は前記、有機電解液と高分子化合物を混合したものをゲル状に固めたものであるが、その製造方法には一般的に、2種類の製造方法が実用化されている。
In recent years, lithium polymer batteries in which the electrolyte of a lithium ion secondary battery is replaced from a liquid state to a solid state or a gel state have been increasing in order to increase safety.
By making the electrolyte into a gel, there is an advantage that no leakage occurs when there is an accident in the battery case.
The electrolyte of the lithium polymer battery is a mixture of the above-described organic electrolyte and polymer compound, which is solidified in a gel form. In general, two types of manufacturing methods have been put to practical use. .
第1の製造方法(前含浸)は、例えば、特許文献1に記載されるように高温にしたリチウム塩を溶解させたエチレンカーボネート〔沸点248℃、引火点143℃、粘度1.86cP(40℃)〕、プロピレンカーボネート(沸点241.7℃、引火点132℃、2.53cP)および鎖状カーボネートからなる非水電解液にポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(以下PVdF−HFPと略す)を溶解させ、この溶液を正極、負極に塗布後、室温に冷却することでゲル化させ、多孔質ポリオレフィンからなるセパレータを介して電極群を作製後、電池ケースに収納する方法がある。
第2の製造法(後含浸)は、例えば、特許文献2に記載されるように正極および負極を多孔質ポリオレフィンからなるセパレータを介して電極群を作製し、電池ケースに収納した後、リチウム塩とエチレンカーボネート、鎖状カーボネートからなる非水電解液に高温で重合するモノマーと重合開始材を溶解したものを前述の電池ケースに注液後、電池ケースを封止した後、加熱することでモノマーを重合させる方法がある。
The first production method (pre-impregnation) is, for example, ethylene carbonate in which a lithium salt having a high temperature is dissolved as described in Patent Document 1 [boiling point 248 ° C., flash point 143 ° C., viscosity 1.86 cP (40 ° C. )], A non-aqueous electrolyte composed of propylene carbonate (boiling point 241.7 ° C., flash point 132 ° C., 2.53 cP) and chain carbonate, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (hereinafter abbreviated as PVdF-HFP) There is a method in which after the solution is applied to the positive electrode and the negative electrode, the solution is gelled by cooling to room temperature, an electrode group is produced through a separator made of porous polyolefin, and then stored in a battery case.
In the second production method (post-impregnation), for example, as described in Patent Document 2, a positive electrode and a negative electrode are produced through a separator made of porous polyolefin, and are stored in a battery case. After injecting a monomer and a polymerization initiator dissolved in a non-aqueous electrolyte consisting of ethylene carbonate and chain carbonate at high temperature into the battery case, sealing the battery case, and then heating the monomer There is a method of polymerizing.
これらの製造方法では、セパレータ濡れ性などを向上させる目的で、鎖状カーボネートが混合されてきた。この鎖状カーボネートは粘度の関係で、沸点および引火点の低い溶媒、たとえばジエチルカーボネート(沸点126.8℃、引火点25℃、粘度0.748cP)、ジメチルカーボネート(沸点91℃、引火点16℃、粘度0.59cP)が用いられてきた。 In these production methods, chain carbonates have been mixed for the purpose of improving separator wettability and the like. This chain carbonate is a solvent having a low boiling point and flash point, such as diethyl carbonate (boiling point 126.8 ° C., flash point 25 ° C., viscosity 0.748 cP), dimethyl carbonate (boiling point 91 ° C., flash point 16 ° C.). , A viscosity of 0.59 cP) has been used.
公共施設における防災器具のひとつとして、非常灯、誘導灯などの灯火機器の設置が義務付けられている。この種の灯火機器には停電時も作動させる必要性から、二次電池が搭載されているが、この二次電池には、従来ニッケルカドミウム二次電池が使われてきた。
最近になり、環境保護や小型化の目的で、ニッケル水素二次電池に置き換わりが始まっている。
As one of the disaster prevention equipment in public facilities, it is obliged to install lighting equipment such as emergency lights and guide lights. This kind of lighting equipment is equipped with a secondary battery because it needs to be operated even during a power failure. Conventionally, a nickel cadmium secondary battery has been used for this secondary battery.
Recently, replacement of nickel metal hydride secondary batteries has been started for the purpose of environmental protection and miniaturization.
更なる小型化のためリチウム二次電池への置き換えが試みられているが、従来のリチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池では120℃で放電不可能となるため、上記の灯火機器への採用は困難であった。120℃での放電不可能な理由としては大きく二つが考えられ、一つはセパレータのシャットダウンが、もう一つは電解液の沸点が挙げられる。 Replacement with lithium secondary batteries has been attempted for further miniaturization, but conventional lithium ion secondary batteries and lithium polymer secondary batteries cannot be discharged at 120 ° C. Adoption was difficult. There are two main reasons why discharge at 120 ° C. is impossible. One is the shutdown of the separator, and the other is the boiling point of the electrolyte.
セパレータについては、従来からある多孔質ポリオレフィンからなるセパレータは、高温時の安全性を増すため、約110〜120℃でシャットダウン機能を有するポリエチレンを使用している。シャットダウン機能とは、一定の温度以上で電池の放電をできなくさせる機能である。
しかしながら、防災器具として利用するためには、シャットダウン機能が働く温度を、従来よりも高温とする必要があった。このため、約160〜170℃でシャットダウン機能を有するポリプロピレンの採用が検討されてきたが、ポリプロピレンをセパレータに用いた場合、ポリプロピレンを濡らすことのできる電解液の非水溶媒には鎖状カーボネートが必要となる。
しかしながら、リチウム二次電池の非水溶媒として使用可能な鎖状カーボネートはジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなど沸点が130℃以下であり、140℃になると非水溶媒が沸騰蒸発し、正極、負極の電極距離が大きくなる。その結果、140℃以上の環境下では、内部抵抗が大きくなり、放電できなくなるという問題があった。
As for the separator, a conventional separator made of porous polyolefin uses polyethylene having a shutdown function at about 110 to 120 ° C. in order to increase safety at high temperatures. The shutdown function is a function that prevents the battery from being discharged at a certain temperature or higher.
However, in order to use it as a disaster prevention instrument, the temperature at which the shutdown function works needs to be higher than before. For this reason, the adoption of polypropylene having a shutdown function at about 160 to 170 ° C. has been studied, but when polypropylene is used as a separator, a non-aqueous solvent for the electrolyte that can wet the polypropylene requires a chain carbonate. It becomes.
However, chain carbonates that can be used as a non-aqueous solvent for a lithium secondary battery have a boiling point of 130 ° C. or less such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. The electrode distance of the negative electrode is increased. As a result, in an environment of 140 ° C. or higher, there is a problem that the internal resistance increases and discharge cannot be performed.
また、リチウムイオン二次電池においては、電池ケースが破損したり電解液の液もれが起きた際に、電解液が金属に対する腐食成分を含んでいるため、液漏れにより電子機器の回路が腐食され電子機器が使用不可能になるといった問題があった。
リチウムポリマー二次電池においても、電池ケースが破損した際に、外部の水分と電解液が少しずつ反応し腐食性ガスが発生するため、腐食性ガスにより電子機器の回路が腐食され電子機器が使用不可能になるといった問題があった。
In addition, in lithium ion secondary batteries, when the battery case is damaged or the electrolyte leaks, the electrolyte contains a corrosive component for the metal. However, there is a problem that the electronic device becomes unusable.
Even in the case of a lithium polymer secondary battery, when the battery case is damaged, external moisture reacts with the electrolyte little by little to generate corrosive gas, so the circuit of the electronic device is corroded by the corrosive gas and the electronic device is used. There was a problem of becoming impossible.
本発明は、上述の問題点を解消し、サイクル特性や高温放電特性に優れたリチウム二次電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a lithium secondary battery excellent in cycle characteristics and high-temperature discharge characteristics.
発明者は、セパレータをシャットダウン機能が160〜170℃で作動するポリプロピレン製とすることを検討したが、ポリプロピレン製とするとその表面は非常に疎水性が高く、非水電解液の濡れ性が悪いといった問題に直面した。そこで、かかる問題を解決するために、様々な検討をした結果、一般式〔I〕で表わされるエステル化合物とリチウム塩を溶解したエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートを主成分とする電解液に含有されることにより、ポリプロピレン製セパレータを濡らすことが可能であるとの知見を得るに至った。すなわち、一般式〔I〕で表わされるエステル化合物のカルボン酸残基CnH2n+1鎖のn数に特定のものを選ぶことにより、ポリプロピレンとの濡れ性が良好となること、また、エステル化合物のアルコール残基CmH2m+1のm数に特定のものを選ぶと非水溶媒と任意に混合することが可能となった。
また、一般式〔I〕で表わされるエステル化合物は香料に使用されるほど特有の芳香を持っているため、電池ケース破損時、香りを発し、警報を出すことが可能であることの知見を得た。
The inventor considered that the separator is made of polypropylene whose shutdown function operates at 160 to 170 ° C., but when made of polypropylene, the surface is very hydrophobic and the wettability of the non-aqueous electrolyte is poor. Faced a problem. Therefore, as a result of various studies to solve such problems, it is contained in an electrolytic solution mainly composed of ethylene carbonate and propylene carbonate in which an ester compound represented by the general formula [I] and a lithium salt are dissolved. As a result, the inventors have found that it is possible to wet a polypropylene separator. That is, by selecting a specific number of n in the carboxylic acid residue C n H 2n + 1 chain of the ester compound represented by the general formula [I], the wettability with polypropylene is improved, and the ester compound When a specific m number of the alcohol residue C m H 2m + 1 was selected, it was possible to arbitrarily mix with a non-aqueous solvent.
In addition, since the ester compound represented by the general formula [I] has a characteristic fragrance that can be used in a fragrance, it has been found that it can emit a scent and give an alarm when the battery case is broken. It was.
すなわち、本発明は、正極、セパレータ、負極および電解質層からなるリチウム二次電池であって、該電解質層が、電池破損時に芳香させることが可能となる香料成分のエステル化合物、好ましくは大気圧下、140℃以上の沸点を有するエステル化合物、より具体的には下記一般式〔I〕で表わされるエステル化合物を含有することを特徴とするリチウム二次電池、好ましくは140℃以上の高温環境下で30分以上放電可能であるリチウム二次電池を要旨とする。
前記電解質層が非水系電解液で構成され、前記エステル化合物が該非水系電解液に5重量%以下含有され、好ましくは、非水系電解液を溶媒として、炭素数3〜5の環状アルキレンカーボネートを用いることを特徴としており、すなわち、本発明は、正極、セパレータ、負極および電解質層からなるリチウム二次電池であって、該電解質層が、非水系電解液で構成され、好ましくは非水系電解液の溶媒として、炭素数3〜5の環状アルキレンカーボネートを用いて構成され、電池破損時に芳香させることが可能となる香料成分のエステル化合物、好ましくは大気圧下で、140℃以上の沸点を有するエステル化合物、より具体的には上記一般式〔I〕で表わされるエステル化合物を非水系電解液に5重量%以下含有されていることを特徴とするリチウム二次電池、好ましくは140℃以上の高温環境下で30分以上放電可能であるリチウム二次電池を要旨とする。 The electrolyte layer is composed of a non-aqueous electrolyte solution, and the ester compound is contained in the non-aqueous electrolyte solution in an amount of 5% by weight or less. Preferably, a cyclic alkylene carbonate having 3 to 5 carbon atoms is used with the non-aqueous electrolyte solution as a solvent. That is, the present invention is a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a separator, a negative electrode and an electrolyte layer, wherein the electrolyte layer is composed of a non-aqueous electrolyte solution, preferably a non-aqueous electrolyte solution. An ester compound of a fragrance component, which is composed of a cyclic alkylene carbonate having 3 to 5 carbon atoms as a solvent and can be fragrant when the battery is broken, preferably an ester compound having a boiling point of 140 ° C. or higher under atmospheric pressure More specifically, it is characterized in that the ester compound represented by the above general formula [I] is contained in the nonaqueous electrolytic solution in an amount of 5% by weight or less. Lithium secondary battery, preferably gist lithium secondary battery can be discharged under 140 ° C. to temperatures higher than 30 minutes or more.
前記電解質層が非水ゲル電解質で構成され、前記エステル化合物が該非水ゲル電解質に10重量%以下含有されていることを特徴としており、すなわち、本発明は、正極、セパレータ、負極および電解質層からなるリチウム二次電池であって、該電解質層が、非水ゲル電解質で構成され、構成され、電池破損時に芳香させることが可能となる香料成分のエステル化合物、好ましくは大気圧下、140℃以上の沸点を有するエステル化合物、より具体的には上記一般式〔I〕で表わされるエステル化合物を非水系電解液に10重量%以下含有されていることを特徴とするリチウム二次電池、好ましくは140℃以上の高温環境下で30分以上放電可能であるリチウム二次電池を要旨とする。 The electrolyte layer is composed of a non-aqueous gel electrolyte, and the ester compound is contained in the non-aqueous gel electrolyte in an amount of 10% by weight or less. That is, the present invention includes a positive electrode, a separator, a negative electrode, and an electrolyte layer. A lithium secondary battery, wherein the electrolyte layer is composed of a non-aqueous gel electrolyte, and is an ester compound of a fragrance component that can be aromad when the battery is broken, preferably 140 ° C. or higher under atmospheric pressure A lithium secondary battery, preferably 140, containing an ester compound having a boiling point of 10% by weight or less, more specifically, an ester compound represented by the above general formula [I] in a non-aqueous electrolyte solution. The gist of the present invention is a lithium secondary battery that can be discharged for 30 minutes or more in a high temperature environment of at least ° C.
前記セパレータが、融点140℃以上の多孔質ポリオレフィン樹脂、好ましくは多孔質ポリプロピレンであることを特徴としており、すなわち、本発明は、正極、セパレータ、負極および電解質層からなるリチウム二次電池であって、該電解質層が、電池破損時に芳香させることが可能となる香料成分のエステル化合物、好ましくは大気圧下、140℃以上の沸点を有するエステル化合物、より具体的には上記一般式〔I〕で表わされるエステル化合物を含有すること、ならびに、前記セパレータが、融点140℃以上の多孔質ポリオレフィン樹脂、好ましくは多孔質ポリプロピレンであることを特徴とするリチウム二次電池、好ましくは140℃以上の高温環境下で30分以上放電可能であるリチウム二次電池を要旨とする。当該発明においても、前記電解質層が非水系電解液で構成され、前記エステル化合物が該非水系電解液に5重量%以下含有され、好ましくは、非水系電解液を溶媒として、炭素数3〜5の環状アルキレンカーボネートを用いる態様、または前記電解質層が非水ゲル電解質で構成され、前記エステル化合物が該非水ゲル電解質に10重量%以下含有されている態様を包含している。 The separator is a porous polyolefin resin having a melting point of 140 ° C. or higher, preferably porous polypropylene, that is, the present invention is a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a separator, a negative electrode and an electrolyte layer. , An ester compound of a fragrance component that allows the electrolyte layer to be fragranced when the battery is broken, preferably an ester compound having a boiling point of 140 ° C. or higher under atmospheric pressure, more specifically in the above general formula [I] A lithium secondary battery, preferably a high temperature environment of 140 ° C. or higher, characterized by containing the ester compound represented, and the separator is a porous polyolefin resin having a melting point of 140 ° C. or higher, preferably porous polypropylene The gist of the present invention is a lithium secondary battery that can be discharged for 30 minutes or more. Also in the present invention, the electrolyte layer is composed of a non-aqueous electrolyte solution, and the ester compound is contained in the non-aqueous electrolyte solution in an amount of 5% by weight or less, preferably having 3 to 5 carbon atoms using the non-aqueous electrolyte solution as a solvent. It includes an embodiment in which a cyclic alkylene carbonate is used, or an embodiment in which the electrolyte layer is composed of a non-aqueous gel electrolyte and the ester compound is contained in the non-aqueous gel electrolyte by 10% by weight or less.
本発明によれば、電池特性を低下させることなく、高温時に放電可能なリチウム二次電池を提供できる。
また、電解質層が、電池破損時に芳香させることが可能となる香料成分のエステル化合物を含有することにより、警報を出すことが可能である。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lithium secondary battery which can be discharged at high temperature can be provided, without reducing a battery characteristic.
Moreover, it is possible to issue an alarm when the electrolyte layer contains an ester compound of a fragrance component that can be fragrant when the battery is broken.
以下では、最良の形態の本発明を、非水電解質型二次電池の例で説明する。最良の形態の本発明は、リチウムをドープ又は脱ドープする正極活物質及び負極物質と、電解質層(非水系電解液または非水ゲル電解質)とを用いた非水電解質型二次電池であって、下記一般式〔I〕で表わされるエステル化合物が前記非水電解液に配合されていることを特徴とする非水電解質型二次電池である。 In the following, the best mode of the present invention will be described using an example of a non-aqueous electrolyte secondary battery. The best mode of the present invention is a non-aqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material and a negative electrode material doped or dedoped with lithium, and an electrolyte layer (non-aqueous electrolyte or non-aqueous gel electrolyte). The nonaqueous electrolyte secondary battery is characterized in that an ester compound represented by the following general formula [I] is blended in the nonaqueous electrolytic solution.
一般式〔I〕で表わされるエステル化合物は香料に使用されるほど特有の芳香を持っている。また、大気圧下、140℃以上の沸点を有する化合物である(オクタン酸エチル:沸点208℃)。さらにまた、リチウム塩を溶解したエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートを主成分とする電解液に含有されることにより、ポリプロピレン製セパレータを濡らすことが可能である。また、CmH2m+1のm数に特定のものを選ぶことで、非水溶媒と任意に混合することが可能となる。 The ester compound represented by the general formula [I] has a unique fragrance as it is used as a perfume. Further, it is a compound having a boiling point of 140 ° C. or higher under atmospheric pressure (ethyl octoate: boiling point 208 ° C.). Furthermore, a polypropylene separator can be wetted by being contained in an electrolytic solution mainly composed of ethylene carbonate or propylene carbonate in which a lithium salt is dissolved. Further, by selecting a specific to m number of C m H 2m + 1, it is possible to mix a non-aqueous solvent and optionally.
一般式〔I〕で表わされるエステル化合物は、ヘキサン酸メチル、ヘキサン酸エチル、ヘキサン酸エステル(メチルエステル、エチルエステル、プロピルエステル)、ヘプタン酸メチル、ヘプタン酸エチル、オクタン酸メチル、オクタン酸エチル、ノナン酸メチル、ノナン酸エチル、デカン酸メチル、デカン酸エチルウンデカン酸メチル、ウンデカン酸エチル、ドデカン酸メチル、ドデカン酸エチル、トリデカン酸メチル、トリデカン酸エチルを例示することができる。 The ester compound represented by the general formula [I] is methyl hexanoate, ethyl hexanoate, hexanoate (methyl ester, ethyl ester, propyl ester), methyl heptanoate, ethyl heptanoate, methyl octanoate, ethyl octanoate, Examples include methyl nonanoate, ethyl nonanoate, methyl decanoate, ethyl undecanoate, ethyl undecanoate, methyl dodecanoate, ethyl dodecanoate, methyl tridecanoate, and ethyl tridecanoate.
一般式〔I〕で表わされるエステル化合物は電解質層(非水系電解液または非水ゲル電解質)全量において0.5〜5重量%、好ましくは1〜3重量%配合させる。芳香の点からは微量の存在でもその機能が発揮されるが、ポリプロピレン製セパレータの非水系電解液または非水ゲル電解質に対する濡れの観点から0.5重量%以上存在することが望ましいが、5重量%を超えると経済的に得策ではない。 The ester compound represented by the general formula [I] is added in an amount of 0.5 to 5% by weight, preferably 1 to 3% by weight in the total amount of the electrolyte layer (non-aqueous electrolyte or non-aqueous gel electrolyte). From the point of view of the fragrance, the function is exhibited even in the presence of a trace amount, but it is preferably 0.5% by weight or more from the viewpoint of wetting of the polypropylene separator with respect to the non-aqueous electrolyte or non-aqueous gel electrolyte. Beyond%, it is not economically advantageous.
[セパレータ]
公知の非水系電解質二次電池用セパレータとして非水系電解液二次電池用セパレータを例に説明する。
セパレータを構成する熱可塑性樹脂組成物の基材樹脂としての熱可塑性樹脂は、耐熱性、耐溶剤性、可撓性のバランスに優れていることから、特に好ましいのはポリオレフィン樹脂である。本発明においては、ポリオレフィン樹脂の中でもポリプロピレンを用いるのが好ましい。セパレータを構成する熱可塑性樹脂組成物に含まれる充填剤としては、リチウム二次電池で用いられる非水系電解液を分解しない性質を有する無機充填剤が選ばれる。充填剤の配合量は、熱可塑性樹脂と充填剤とを含む熱可塑性樹脂組成物中好ましくは20ないし30体積%である。この充填剤の配合量が例えば10体積%未満であるなど極端に少ないと連通孔を形成することが難しく、セパレータとしての機能を発現することが困難となる。また、例えば50体積%を超えるなど極端に多いとフィルム成形時の粘度が高くなり加工性に劣るばかりでなく、多孔化のための延伸時にフィルム破断を生じる恐れがある。熱可塑性樹脂組成物には、更に必要に応じて低分子量化合物、熱安定剤等の他の添加剤を添加することができる。上記添加剤としては、公知のものであれば特に制限されず用いられる。
[Separator]
A separator for a non-aqueous electrolyte secondary battery will be described as an example of a known separator for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
The thermoplastic resin as the base resin of the thermoplastic resin composition constituting the separator is particularly preferably a polyolefin resin because of its excellent balance of heat resistance, solvent resistance and flexibility. In the present invention, it is preferable to use polypropylene among the polyolefin resins. As a filler contained in the thermoplastic resin composition constituting the separator, an inorganic filler having a property of not decomposing a non-aqueous electrolyte used in a lithium secondary battery is selected. The blending amount of the filler is preferably 20 to 30% by volume in the thermoplastic resin composition containing the thermoplastic resin and the filler. If the blending amount of the filler is extremely small, for example, less than 10% by volume, it is difficult to form a communication hole, and it becomes difficult to develop a function as a separator. Further, if the amount is extremely large, for example, exceeding 50% by volume, the viscosity at the time of film forming becomes high and the processability is inferior, and the film may be broken at the time of stretching for porous formation. If necessary, the thermoplastic resin composition may further contain other additives such as a low molecular weight compound and a heat stabilizer. The additive is not particularly limited as long as it is a known additive.
ポリプロピレン製微多孔膜は、公知のものであり、ポリプロピレンを必須成分としており、ポリプロピレンが主要マトリクスであることが好ましい。
ポリプロピレンとしては、1種類或いは複数のポリプロピレンを使用することが出来る。使用するポリプロピレンとしては、ホモポリマー、ランダムコポリマー、ブロックコポリマーが挙げられるが、使用する全ポリプロピレンにおけるコモノマー(通常はエチレン)含量は1モル%以下であることが好ましく、ホモポリマーのポリプロピレンであることが好ましい。使用するポリプロピレンの重合触媒には特に制限はなく、チーグラー・ナッタ系の触媒やメタロセン系の触媒などが挙げられる。
The microporous membrane made of polypropylene is a known one and contains polypropylene as an essential component, and it is preferable that polypropylene is the main matrix.
As the polypropylene, one type or a plurality of polypropylenes can be used. Examples of the polypropylene to be used include homopolymers, random copolymers, and block copolymers, but the comonomer (usually ethylene) content in all the polypropylenes used is preferably 1 mol% or less, and is a homopolymer polypropylene. preferable. There are no particular limitations on the polypropylene polymerization catalyst used, and examples include Ziegler-Natta catalysts and metallocene catalysts.
ポリプロピレン製微多孔膜の孔閉塞温度は、電池組立時の熱乾燥工程及び電池の通常使用状態での孔閉塞防止の観点より140℃以上が好ましく、電池異常反応時の孔閉塞性の観点より170℃以下が好ましい。より好ましくは145〜165℃である。ポリプロピレン製微多孔膜の破膜温度は、20℃/minの高速昇温条件下においても190℃〜300℃と改善されている。高い破膜温度を有することにより、ポリプロピレン製微多孔膜を組み込んだ電池では、熱暴走の可能性を著しく低減できる。
ポリプロピレン製微多孔膜は、MD(微多孔膜の長手方向であり、すなわち機械方向)を固定した状態及びTD(機械方向に垂直な方向)を固定した状態で、150℃オーブン中に1時間おいた後でも、破膜しないことを特徴とする。これにより、ポリプロピレン製微多孔膜を組み込んだ電池のオーブン安全性は、ポリエチレン系などの従来品より著しく向上する。
The pore clogging temperature of the polypropylene microporous membrane is preferably 140 ° C. or higher from the viewpoint of preventing heat clogging in the heat drying step during battery assembly and in the normal use state of the battery, and 170 from the viewpoint of pore clogging properties during abnormal battery reaction. C. or lower is preferable. More preferably, it is 145-165 degreeC. The membrane breaking temperature of the polypropylene microporous membrane is improved to 190 ° C. to 300 ° C. even under a high temperature heating condition of 20 ° C./min. By having a high membrane breaking temperature, the possibility of thermal runaway can be significantly reduced in a battery incorporating a polypropylene microporous membrane.
The polypropylene microporous membrane is kept in an oven at 150 ° C. for 1 hour with MD (longitudinal direction of the microporous membrane, ie, machine direction) fixed and TD (direction perpendicular to the machine direction) fixed. It is characterized by not rupturing even after having been. As a result, the oven safety of a battery incorporating a polypropylene microporous membrane is significantly improved over conventional products such as polyethylene.
[非水系電解液二次電池]
本発明の非水系電解液二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極と、非水系溶媒及びリチウム塩を含有する非水系電解液と、上述のポリプロピレン製の非水系電解液二次電池用セパレータとを備えるものである。
[Non-aqueous electrolyte secondary battery]
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode capable of occluding and releasing lithium ions, a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, a non-aqueous electrolyte containing a non-aqueous solvent and a lithium salt, and And a non-aqueous electrolyte secondary battery separator made of polypropylene.
(1)非水系電解液
ア)非水系溶媒
本発明の非水系電解液二次電池に使用される電解液の非水系溶媒としては、非水系電解液二次電池の溶媒として公知の環状アルキレンカーボネートを用いる。環状アルキレンカーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2−ブチレンカーボネート、2,3−ブチレンカーボネート、1,3−プロピレンカーボネート、1,3−ブチレンカーボネートなどが挙げられるが、エチレンカーボネート(沸点248℃)、プロピレンカーボネート(沸点242℃)、ブチレンカーボネート(沸点240℃)等のアルキレンカーボネート等の環状アルキレンカーボネート(炭素数3〜5のアルキレンカーボネート)を好ましいものとして例示することができる。
これらは1種を単独で用いても良く、2種類以上を併用しても良い。環状カーボネートを用いた非水系溶媒が、充放電特性、電池寿命等の電池性能全般を高める観点から好ましい。また、該非水系溶媒は、環状カーボネートを非水系溶媒全体の70体積%以上となるように配合することが好ましい。さらに、上記の非水系溶媒は、製造されるリチウム電池の電池性能を低下させない範囲であれば、環状カーボネート以外の溶媒を含んでいても良い。非水系溶媒中における環状カーボネート以外の溶媒の割合は、通常30体積%以下、好ましくは10体積%以下である。
(1) Non-aqueous electrolyte a) Non-aqueous solvent As the non-aqueous solvent of the electrolyte used in the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, a known cyclic alkylene carbonate as a solvent for the non-aqueous electrolyte secondary battery. Is used. Examples of the cyclic alkylene carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,3-propylene carbonate, 1,3-butylene carbonate, etc., but ethylene carbonate (boiling point 248). C), cyclic alkylene carbonates (alkylene carbonates having 3 to 5 carbon atoms) such as alkylene carbonates such as propylene carbonate (boiling point 242 ° C.) and butylene carbonate (boiling point 240 ° C.).
These may be used alone or in combination of two or more. A non-aqueous solvent using a cyclic carbonate is preferable from the viewpoint of improving overall battery performance such as charge / discharge characteristics and battery life. Moreover, it is preferable to mix | blend this non-aqueous solvent so that a cyclic carbonate may become 70 volume% or more of the whole non-aqueous solvent. Furthermore, the non-aqueous solvent may contain a solvent other than the cyclic carbonate as long as the battery performance of the manufactured lithium battery is not deteriorated. The proportion of the solvent other than the cyclic carbonate in the non-aqueous solvent is usually 30% by volume or less, preferably 10% by volume or less.
イ)リチウム塩
非水系電解液の溶質であるリチウム塩としては、任意のものを用いることができる。例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4等の無機リチウム塩;LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2F5)2、LiPF4(CF3SO2)2、LiPF4(C2F5SO2)2、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等の含フッ素有機リチウム塩などが挙げられる。これらのうち、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2等の含フッ素有機リチウム塩、特にLiPF6、LiBF4が好ましい。なお、リチウム塩についても1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。
B) Lithium salt Any lithium salt that is a solute of the non-aqueous electrolyte can be used. For example, inorganic lithium salts such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 ; LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F9SO 2), LiC (CF 3 SO 2) 3, LiPF 4 (CF 3) 2, LiPF 4 (C 2 F 5) 2, LiPF 4 (CF 3 SO 2) 2, LiPF 4 (C 2 F 5 SO 2) 2, LiBF 2 (CF 3) 2, LiBF 2 (C 2 F 5) 2, LiBF 2 (CF 3 SO 2) 2, LiBF 2 (C 2 F 5 SO 2) 2 fluorine-containing organic lithium salt such as Etc. Of these, fluorine-containing organic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , and LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , particularly LiPF 6 and LiBF 4 are preferable. . In addition, about lithium salt, 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together.
これらのリチウム塩の非水系電解液中の濃度の下限値としては、通常0.5mol/l以上、中でも0.75mol/l以上、上限値としては、通常2mol/l以下、中でも1.5mol/l以下である。リチウム塩の濃度がこの上限値を超えると非水系電解液の粘度が高くなり、リチウムイオン伝導度が低下する。また、下限値を下回るとリチウムイオン伝導度が低くなるので、上記濃度範囲内で非水系電解液を調製することが好ましい。 The lower limit of the concentration of these lithium salts in the non-aqueous electrolyte is usually 0.5 mol / l or more, especially 0.75 mol / l or more, and the upper limit is usually 2 mol / l or less, especially 1.5 mol / l. l or less. If the concentration of the lithium salt exceeds this upper limit, the viscosity of the non-aqueous electrolyte increases and the lithium ion conductivity decreases. Moreover, since lithium ion conductivity will become low if less than a lower limit, it is preferable to prepare a non-aqueous electrolyte within the said concentration range.
非水系電解液には、非水系溶媒及びリチウム塩以外に、必要に応じて他の有用な成分、例えば従来公知の過充電防止剤、脱水剤、脱酸剤、正極保護剤等の各種の添加剤を含有させても良い。 In addition to the non-aqueous solvent and the lithium salt, the non-aqueous electrolyte includes various other useful components as necessary, such as conventionally known overcharge inhibitors, dehydrating agents, deoxidizing agents, positive electrode protecting agents, and the like. An agent may be included.
(2)正極
正極としては、通常、正極活物質とバインダーを含有する活物質層を集電体上に形成させたものが用いられる。正極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば、その種類に制限はない。好ましい例としては、リチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。
(2) Positive electrode As a positive electrode, what formed the active material layer containing a positive electrode active material and a binder on a collector normally is used. The positive electrode active material is not particularly limited as long as it can electrochemically occlude and release lithium ions. Preferable examples include lithium transition metal composite oxides.
リチウム遷移金属複合酸化物の具体例としては、LiCoO2などのリチウム・コバルト複合酸化物、LiNiO2などのリチウム・ニッケル複合酸化物、LiMnO2、LiMn2O4などのリチウム・マンガン複合酸化物等が挙げられる。これらのリチウム遷移金属複合酸化物は、主体となる遷移金属原子の一部をAl、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si等の他の金属で置き換えると、安定化させることができるので好ましい。これらの正極活物質は、何れか1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。 Specific examples of lithium transition metal composite oxides include lithium / cobalt composite oxides such as LiCoO 2 , lithium / nickel composite oxides such as LiNiO 2, and lithium / manganese composite oxides such as LiMnO 2 and LiMn 2 O 4. Is mentioned. In these lithium transition metal composite oxides, some of the main transition metal atoms are Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Li, Ni, Cu, Zn, Mg, Ga, Zr, Si, etc. Replacing with other metals is preferable because it can be stabilized. Any one of these positive electrode active materials may be used alone, or two or more thereof may be used in any combination and ratio.
バインダーとしては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば、特に限定されない。その具体例としてはポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、EPDM(エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体)、SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、複数種を併用しても良い。 The binder is not particularly limited as long as it is a material that is stable with respect to the solvent and electrolyte used during electrode production and other materials used during battery use. Specific examples thereof include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, EPDM (ethylene-propylene-diene terpolymer), SBR (styrene-butadiene rubber), NBR (acrylonitrile-butadiene rubber), Examples thereof include fluororubber, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyethylene, and nitrocellulose. These may be used individually by 1 type, or may use multiple types together.
正極活物質層中のバインダーの割合は、下限値が通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、より好ましくは5重量%以上であり、上限値が通常80重量%以下、好ましくは60重量%以下、より好ましくは40重量%以下、更に好ましくは10重量%以下である。バインダーの割合が少ないと、活物質を十分に保持できないので、正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させることがあり、逆に多すぎると電池容量や導電性を下げることになる。 As for the ratio of the binder in the positive electrode active material layer, the lower limit is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, more preferably 5% by weight or more, and the upper limit is usually 80% by weight or less, preferably 60% by weight or less, more preferably 40% by weight or less, and still more preferably 10% by weight or less. If the proportion of the binder is small, the active material cannot be sufficiently retained, so that the mechanical strength of the positive electrode is insufficient, and the battery performance such as cycle characteristics may be deteriorated. On the contrary, if the amount is too large, the battery capacity and conductivity are lowered. It will be.
正極活物質層は、通常、導電性を高めるため導電剤を含有する。導電剤としては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛の微粒子や、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素微粒子等の炭素質材料を挙げることができる。これらは1種を単独で用いても、複数種を併用しても良い。 The positive electrode active material layer usually contains a conductive agent in order to increase conductivity. Examples of the conductive agent include carbonaceous materials such as graphite fine particles such as natural graphite and artificial graphite, carbon black such as acetylene black, and amorphous carbon fine particles such as needle coke. These may be used individually by 1 type, or may use multiple types together.
正極活物質層中の導電剤の割合は、下限値が通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、更に好ましくは1重量%以上であり、上限値が通常50重量%以下、好ましくは30重量%以下、更に好ましくは15重量%以下である。導電剤の割合が少ないと導電性が不十分になることがあり、逆に多すぎると電池容量が低下することがある。 The ratio of the conductive agent in the positive electrode active material layer is such that the lower limit is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, more preferably 1% by weight or more, and the upper limit is usually 50% by weight or less. , Preferably 30% by weight or less, more preferably 15% by weight or less. If the proportion of the conductive agent is small, the conductivity may be insufficient, and conversely if too large, the battery capacity may be reduced.
正極活物質層には、その他、増粘剤等の通常の活物質層の添加剤を含有させることができる。 増粘剤は電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば、特に限定されない。 In addition, the positive electrode active material layer can contain additives for a normal active material layer such as a thickener. The thickener is not particularly limited as long as it is a material that is stable with respect to the solvent and electrolyte used during electrode production and other materials used during battery use.
正極の集電体には、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が使用される。 Aluminum, stainless steel, nickel-plated steel or the like is used for the current collector of the positive electrode.
正極は、前述の正極活物質とバインダーと導電剤、必要に応じて添加されるその他の添加剤とを溶媒でスラリー化したものを集電体に塗布して乾燥することにより形成することができる。スラリー化のために用いる溶媒としては、通常、バインダーを溶解する有機溶剤が使用される。例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等が用いられるがこれらに限定されない。これらは1種を単独で用いても、複数種を併用しても良い。 The positive electrode can be formed by applying a slurry obtained by slurrying the above-described positive electrode active material, a binder, a conductive agent, and other additives added as necessary with a solvent onto a current collector, and drying the positive electrode active material. . As the solvent used for slurrying, an organic solvent that dissolves the binder is usually used. For example, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N, N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran and the like are used, but not limited thereto. These may be used individually by 1 type, or may use multiple types together.
このようにして形成される正極活物質層の厚さは、通常10〜200μm程度である。なお、塗布・乾燥によって得られた活物質層は、活物質の充填密度を上げるために、ローラープレス等により圧密化するのが好ましい。 Thus, the thickness of the positive electrode active material layer formed is about 10-200 micrometers normally. The active material layer obtained by coating and drying is preferably consolidated by a roller press or the like in order to increase the packing density of the active material.
(3)負極
負極は、通常、負極活物質とバインダーを含有する活物質層を集電体上に形成させたものが用いられる。
(3) Negative electrode As the negative electrode, a material in which an active material layer containing a negative electrode active material and a binder is usually formed on a current collector is used.
負極活物質としては様々な熱分解条件での有機物の熱分解物や人造黒鉛、天然黒鉛等のリチウムを吸蔵・放出可能な炭素質材料;酸化錫、酸化珪素等のリチウムを吸蔵・放出可能な金属酸化物材料;リチウム金属;種々のリチウム合金などを用いることができる。これらの負極活物質は、1種を単独で用いても良く、2種類以上を混合して用いても良い。 As a negative electrode active material, a carbonaceous material capable of occluding / releasing lithium such as organic pyrolysate, artificial graphite and natural graphite under various pyrolysis conditions; capable of occluding / releasing lithium such as tin oxide and silicon oxide Metal oxide material; lithium metal; various lithium alloys can be used. These negative electrode active materials may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types.
バインダーとしては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば、特に限定されない。その具体例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、スチレン−ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム等を挙げることができる。これらは1種を単独で用いても、複数種を併用しても良い。 The binder is not particularly limited as long as it is a material that is stable with respect to the solvent and electrolyte used during electrode production and other materials used during battery use. Specific examples thereof include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, styrene-butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber and the like. These may be used individually by 1 type, or may use multiple types together.
負極活物質層中の上述のバインダーの割合は、下限値が通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、より好ましくは5重量%以上であり、上限値が通常80重量%以下、好ましくは60重量%以下、より好ましくは40重量%以下、更に好ましくは10重量%以下である。バインダーの割合が少ないと、活物質を十分に保持できないので負極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させることがあり、逆に多すぎると電池容量や導電性を下げることになる。 The ratio of the binder in the negative electrode active material layer is such that the lower limit is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, more preferably 5% by weight or more, and the upper limit is usually 80% by weight or less. Preferably it is 60 weight% or less, More preferably, it is 40 weight% or less, More preferably, it is 10 weight% or less. If the ratio of the binder is small, the active material cannot be sufficiently retained, so that the negative electrode mechanical strength may be insufficient, and the battery performance such as cycle characteristics may be deteriorated. become.
負極活物質層には、その他、増粘剤等の通常の活物質層の添加剤を含有させることができる。増粘剤は電極製造時に使用する溶媒や電解液、電池使用時に用いる他の材料に対して安定な材料であれば、特に限定されない。その具体例としては、カルボキシルメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、複数種を併用しても良い。 In addition, the negative electrode active material layer may contain additives for a normal active material layer such as a thickener. The thickener is not particularly limited as long as it is a material that is stable with respect to the solvent and electrolyte used during electrode production and other materials used during battery use. Specific examples thereof include carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, oxidized starch, phosphorylated starch, and casein. These may be used individually by 1 type, or may use multiple types together.
負極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が使用される。 Copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, or the like is used for the negative electrode current collector.
負極は、前述の負極活物質とバインダー、必要に応じて添加されるその他の添加剤とを溶媒でスラリー化したものを集電体に塗布して乾燥することにより形成することができる。スラリー化のために用いる溶媒としては、通常、バインダーを溶解する有機溶剤が使用される。例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等が用いられるがこれらに限定されない。これらは1種を単独で用いても、複数種を併用しても良い。また、水に分散剤、増粘剤等を加えてSBR等のラテックスで活物質をスラリー化することもできる。 The negative electrode can be formed by applying a slurry obtained by slurrying the above-described negative electrode active material, a binder, and other additives added as necessary with a solvent, and then drying the current collector. As the solvent used for slurrying, an organic solvent that dissolves the binder is usually used. For example, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N, N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran and the like are used, but not limited thereto. These may be used individually by 1 type, or may use multiple types together. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. can be added to water, and an active material can also be slurried with latex, such as SBR.
このようにして形成される負極活物質層の厚さは、通常、10〜200μm程度である。なお、塗布・乾燥によって得られた活物質層は、活物質の充填密度を上げるために、ローラープレス等により圧密化するのが好ましい。 Thus, the thickness of the negative electrode active material layer formed is about 10-200 micrometers normally. The active material layer obtained by coating and drying is preferably consolidated by a roller press or the like in order to increase the packing density of the active material.
(4)電池構成
本発明の非水系電解液二次電池は、上述した正極と、負極と、非水系電解液と、セパレータとを、適切な形状に組み立てることにより製造される。更に、必要に応じて外装ケース等の他の構成要素を用いることも可能である。
(4) Battery configuration The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is manufactured by assembling the above-described positive electrode, negative electrode, non-aqueous electrolyte, and separator into an appropriate shape. Furthermore, other components such as an outer case can be used as necessary.
その電池形状は特に制限されず、一般的に採用されている各種形状の中から、その用途に応じて適宜選択することができる。一般的に採用されている形状の例としては、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ、シート電極及びセパレータを積層したラミネートタイプなどが挙げられる。また、電池を組み立てる方法も特に制限されず、目的とする電池の形状に合わせて、通常用いられている各種方法の中から適宜選択することができる。 The battery shape is not particularly limited, and can be appropriately selected from various commonly used shapes according to the application. Examples of commonly used shapes include a cylinder type with a sheet electrode and separator spiral, an inside-out cylinder type with a combination of pellet electrode and separator, a coin type with a stack of pellet electrode and separator, and a sheet Examples include a laminate type in which electrodes and separators are laminated. The method for assembling the battery is not particularly limited, and can be appropriately selected from various commonly used methods according to the shape of the target battery.
本発明の電池の一態様として、板版形状の単位電池要素である、正極、負極、セパレータから成るシングルセルを積層し、高分子−金属を複合したラミネートフィルムバッグに封入したものが挙げられる。図1は、シングルセルの構造の一例を示したものであり、集電体はアルミ箔、その下側に遷移金属リチウム酸化物(LiCoO2等)にゲル電解液を含浸させたものからなる正極、その下側に多孔質ポリマーフィルムからなるセパレータにゲル電解液を含浸させたもの、その下側にグラファイトにゲル電解液を含浸させたものからなる負極、そしてその下側に集電体の銅箔を有する。図示された上側には、電池要素として正極が位置しているが、負極を位置させてもよい。
なお、本発明は、薄板上の電極群を渦巻状に巻回した巻回型電池にも適用できるし、また、電解液をゲル化しないリチウム二次電池にも適用することができる。
As one embodiment of the battery of the present invention, a single cell made of a positive electrode, a negative electrode, and a separator, which is a plate-shaped unit battery element, is laminated and enclosed in a polymer-metal composite laminate film bag. FIG. 1 shows an example of the structure of a single cell. A current collector is an aluminum foil, and a positive electrode made by impregnating a transition metal lithium oxide (LiCoO 2 or the like) with a gel electrolyte on the lower side. A separator made of a porous polymer film under the gel electrolyte solution, a negative electrode made of graphite impregnated with a gel electrolyte solution underneath, and a copper collector as the bottom Has a foil. Although the positive electrode is positioned as a battery element on the upper side in the drawing, the negative electrode may be positioned.
In addition, this invention can be applied also to the winding type battery which wound the electrode group on a thin plate in the shape of a spiral, and can also be applied to the lithium secondary battery which does not gelatinize electrolyte solution.
本発明の電池は、シングルセルを、ハウジング内で複数積層して構成される。ハウジングは、高分子−金属を複合したラミネートフィルムで容器(例.パウチ)を構成し、内部に積層した電池を真空封入することのできる容器である。封入は主にポリオレフィンフィルム同士を熱融着することで行われる。ラミネート容器を用いることにより、外装の電位が中立となり、クラッシュ時の安全性をより高くすることができる。 The battery of the present invention is configured by stacking a plurality of single cells in a housing. The housing is a container in which a container (for example, a pouch) is constituted by a laminate film in which a polymer and a metal are combined, and a battery laminated inside can be vacuum-sealed. Encapsulation is performed mainly by heat-sealing polyolefin films. By using the laminate container, the external potential becomes neutral, and the safety at the time of crash can be further increased.
本発明において、正極板、セパレータおよび負極板を積層した単位電池要素については、従来の単位電池要素と同様に構成される。例えば、正極板は正極集電体の反応部の片面に上記した正極活物質を塗布乾燥してなり、負極板は負極集電体の反応部の両面に上記したような負極活物質を塗布乾燥してなり、セパレータはポリオレフィン多孔質フィルムからなるものが例示できる。また、正極板には正極集電体が形成され、負極板には負極集電体が形成され、これらは超音波溶接等により正極端子リードおよび負極端子リードにそれぞれ接合されている。この接合は抵抗溶接によって行ってもよい。ただし、本発明の単位電池要素は、これらに何ら制限されるものではない。
以上、本発明の非水系電解液二次電池の一般的な実施形態について説明したが、本発明の非水系電解液二次電池は上記実施形態に制限されるものではなく、その要旨を越えない限りにおいて、各種の変形を加えて実施することが可能である。
In the present invention, the unit battery element in which the positive electrode plate, the separator, and the negative electrode plate are laminated is configured in the same manner as the conventional unit battery element. For example, the positive electrode plate is formed by applying and drying the above-described positive electrode active material on one side of the reaction part of the positive electrode current collector, and the negative electrode plate is formed by applying and drying the negative electrode active material as described above on both sides of the reaction part of the negative electrode current collector. Thus, the separator can be exemplified by a polyolefin porous film. Further, a positive electrode current collector is formed on the positive electrode plate, and a negative electrode current collector is formed on the negative electrode plate, and these are joined to the positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead by ultrasonic welding or the like. This joining may be performed by resistance welding. However, the unit cell element of the present invention is not limited to these.
The general embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention has been described above, but the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not limited to the above-described embodiment and does not exceed the gist thereof. As long as it is possible, various modifications can be made.
以下では、本発明の詳細を実施例で説明するが、本発明は何ら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, details of the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples.
[実施例1]
(硬化前電解質組成物の調製)
ポリエチレン製容器にテトラエチレングリコールジアクリレート500g及びモレキュラーシーブ4A(和光純薬社製)50gを入れ、5℃下で14日間静置させた。こうして脱水したテトラエチレングリコールジアクリレート7重量%、ソルライト(三菱化学社製、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートの等重量混合液にLiPF6を1.3mol/Lの濃度となるように溶解させたもの)93重量%、トリゴノックス23−C70(化薬アクゾ社製)0.2重量%を三角フラスコに秤取し不活性な雰囲気下で混合した。これをベース電解質と称す。
このベース電解質に鎖状エステルであるヘキサン酸エチル、ヘプタン酸エチル、オクタン酸エチルを表1の組成比で添加した。
[Example 1]
(Preparation of pre-curing electrolyte composition)
In a polyethylene container, 500 g of tetraethylene glycol diacrylate and 50 g of molecular sieve 4A (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were placed and allowed to stand at 5 ° C. for 14 days. Tetraethylene glycol diacrylate thus dehydrated 7% by weight, Sollite (Mitsubishi Chemical Co., Ltd., LiPF 6 dissolved in an equal weight mixed solution of propylene carbonate and ethylene carbonate to a concentration of 1.3 mol / L) 93 Weight percent, Trigonox 23-C70 (manufactured by Kayaku Akzo) 0.2 weight percent was weighed into an Erlenmeyer flask and mixed in an inert atmosphere. This is referred to as a base electrolyte.
To this base electrolyte, ethyl hexanoate, ethyl heptanoate, and ethyl octanoate, which are chain esters, were added at the composition ratio shown in Table 1.
(セパレータ含浸試験)
リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池において、セパレータが濡れる電解液であることは必須である。
今回、表1で作製した鎖状エステル入り硬化前電解質にてセパレータの濡れ性試験のため、含浸試験をした。
試験方法は、表1の硬化前電解質にポリエチレンセパレータ、ポリプロピレンセパレータを30秒間浸して、引き上げたときのセパレータの透明度で評価した。
表1の鎖状エステル入り硬化前電解質では、すべてのものでポリエチレンセパレータを濡らすことが可能であることがわかった。
表1より、オクタン酸エチルを含有させた硬化前電解質のみがポリプロピレンセパレータを濡らすことができた。
鎖状エステルのない硬化前電解質(No.D)では、ポリエチレン、ポリプロピレンセパレータとも濡らすことができなかった。
(Separator impregnation test)
In the lithium ion secondary battery and the lithium polymer secondary battery, it is essential that the separator is an electrolytic solution that gets wet.
This time, the impregnation test was performed for the wettability test of the separator with the pre-curing electrolyte containing the chain ester prepared in Table 1.
The test method was evaluated by the transparency of the separator when a polyethylene separator and a polypropylene separator were immersed in the electrolyte before curing shown in Table 1 for 30 seconds and pulled up.
It was found that the polyethylene ester-containing pre-curing electrolyte shown in Table 1 can wet the polyethylene separator.
From Table 1, only the pre-curing electrolyte containing ethyl octoate was able to wet the polypropylene separator.
With the pre-curing electrolyte (No. D) having no chain ester, neither polyethylene nor polypropylene separator could be wetted.
(正極の製造)
正極活物質であるLiCoO2(本荘化学社製)を92重量%、導電材であるアセチレンブラック(電気化学工業製)を4重量%、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(呉羽化学製)を4重量%、さらに溶剤としてのN−メチルピロリドン80重量%を混合し、サンドミルで0.5時間混練・分散処理を行った。この混合物を厚さ15μmのアルミ箔上にドクターブレードを用いて塗布し、120℃で乾燥して溶剤を除去した後にカレンダー工程を加えて厚さが約80μmの正極を製造した。
(Manufacture of positive electrode)
92% by weight of LiCoO 2 (produced by Honjo Chemical Co., Ltd.) as the positive electrode active material, 4% by weight of acetylene black (produced by Denki Kagaku Kogyo) as the conductive material, and 4% of polyvinylidene fluoride (produced by Kureha Chemical) as the binder. % By weight and further 80% by weight of N-methylpyrrolidone as a solvent were mixed, and kneaded and dispersed in a sand mill for 0.5 hours. This mixture was applied onto an aluminum foil having a thickness of 15 μm using a doctor blade, dried at 120 ° C. to remove the solvent, and then a calendar process was added to produce a positive electrode having a thickness of about 80 μm.
(負極の製造)
負極活物質であるグラファイト(大阪ガス社製)を92重量%、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(呉羽化学製)を8重量%、溶剤としてのN−メチルピロリドン80重量%を混合し、サンドミルで0.5時間混練・分散処理を行った。この混合物を厚さ10μmの銅箔上にドクターブレードを用いて塗布し、120℃で乾燥して溶剤を除去した後にカレンダー工程を加えて厚さが約80μmの負極を製造した。
(Manufacture of negative electrode)
A sand mill was mixed with 92% by weight of graphite (made by Osaka Gas Co., Ltd.), 8% by weight of polyvinylidene fluoride (made by Kureha Chemical), and 80% by weight of N-methylpyrrolidone as a solvent. The mixture was kneaded and dispersed for 0.5 hour. This mixture was applied onto a copper foil having a thickness of 10 μm using a doctor blade, dried at 120 ° C. to remove the solvent, and then a calendar process was added to produce a negative electrode having a thickness of about 80 μm.
(電池の作製1:B−1)
正極(縦60mm×横63mm片面電極)、ポリプロピレン製セパレータ(縦64×横68、セルガード2500、セルガード社製)、負極(縦61mm×横64mm片面電極)に表1の硬化前電解質組成物(A−5)を塗布し活物質層内に含浸させた後に、正極と負極でセパレータを挟み、90℃で5分加熱して硬化させることにより正極/高分子ゲル 電解質/多孔膜/高分子ゲル 電解質/負極を1単位とする素電池を作製した。これを26組積層後、電流取出用のリードを取り付け、アルミラミネートのケースに収容して2200mAhの電池を作製した。
(Production of battery 1: B-1)
Pre-curing electrolyte composition (A) in Table 1 on positive electrode (vertical 60 mm × horizontal 63 mm single-sided electrode), polypropylene separator (vertical 64 × horizontal 68, Celgard 2500, manufactured by Celgard), negative electrode (vertical 61 mm × horizontal 64 mm single-sided electrode) -5) is applied and impregnated in the active material layer, and then sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and cured by heating at 90 ° C. for 5 minutes to form a positive electrode / polymer gel electrolyte / porous membrane / polymer gel electrolyte / A unit cell having a negative electrode as one unit was produced. After stacking 26 sets of these, a lead for current extraction was attached and housed in an aluminum laminate case to produce a 2200 mAh battery.
(初期充放電)
i)充電
電池容量の1/5の電流(以下1/5Cという)である440mAで4.2Vまで定電流充電し4.2Vで定電圧充電した。充電終止条件は充電開始から8時間とした。
ii)放電
1/5Cで3.0Vまで定電流放電した。この初期充放電試験で2100mAh以上の容量が確認できたものを良品電池として、引き続き試験評価電池とした。
(Initial charge / discharge)
i) Charging The battery was constant current charged to 4.2 V at 440 mA, which is 1/5 of the battery capacity (hereinafter referred to as 1/5 C), and constant voltage charged at 4.2 V. The charge termination condition was 8 hours from the start of charging.
ii) Discharge A constant current was discharged to 3.0V at 1 / 5C. A battery for which a capacity of 2100 mAh or more was confirmed in this initial charge / discharge test was regarded as a non-defective battery and subsequently a test evaluation battery.
(サイクル試験)
充電は、電池容量の2200mAhの電流(以下1Cという)である2200mAで
4.2Vまで定電流充電し4.2Vで定電圧充電した。充電終止条件は充電開始から
2.5時間とした。放電は1Cで3.0Vまで定電流放電した。この操作を400回繰り返した。400回後の容量を理論容量(2200mAh)で除算した値を容量維持率とした。サイクル試験の雰囲気温度は25℃±3℃で試験した。
試験結果を表2に示す。表2より、実施例1の電池の400回後の容量維持率は85%であった。
(Cycle test)
The battery was charged at a constant current up to 4.2 V at 2200 mA, which is a current of 2200 mAh (hereinafter referred to as 1C), and was charged at a constant voltage at 4.2 V. The charge termination condition was 2.5 hours from the start of charging. The discharge was a constant current discharge to 3.0V at 1C. This operation was repeated 400 times. The capacity retention rate was obtained by dividing the capacity after 400 times by the theoretical capacity (2200 mAh). The atmospheric temperature of the cycle test was tested at 25 ° C. ± 3 ° C.
The test results are shown in Table 2. From Table 2, the capacity retention rate after 400 times of the battery of Example 1 was 85%.
(高温放電試験)
電池容量の1/5の電流(以下1/5Cという)である440mAで4.2Vまで定電流充電し4.2Vで定電圧充電した。充電終止条件は充電開始から8時間とした。
充電状態の電池を加熱して、140℃に到達後、140℃に維持したまま1Cで放電した。
試験結果を表2に示す。表2より、実施例1の電池の140℃での容量維持率は70%であった。
(High temperature discharge test)
The battery was constant-current charged to 4.2 V at 440 mA, which is a current of 1/5 of the battery capacity (hereinafter referred to as 1/5 C), and constant voltage charged at 4.2 V. The charge termination condition was 8 hours from the start of charging.
The charged battery was heated and reached 140 ° C., and then discharged at 1 C while being maintained at 140 ° C.
The test results are shown in Table 2. From Table 2, the capacity retention rate at 140 ° C. of the battery of Example 1 was 70%.
(電池の作製2:B−2)
電池の作製1の硬化前電解質組成物(A−5)をA−6にした以外は、同様にして電池を作製し、評価した。
試験結果を表2に示す。表2より、実施例2の電池の400回後の容量維持率は88%であった。また、140℃での容量維持率は75%であった。
[比較例1]
(Production of battery 2: B-2)
A battery was prepared and evaluated in the same manner except that the pre-curing electrolyte composition (A-5) of battery preparation 1 was changed to A-6.
The test results are shown in Table 2. From Table 2, the capacity retention rate after 400 times of the battery of Example 2 was 88%. Further, the capacity retention rate at 140 ° C. was 75%.
[Comparative Example 1]
(電池の作製3:B−3)
電池の作製1のセパレータをポリエチレン(縦64×横68、旭化成社製)、にした以外は、同様にして電池を作製し、評価した。
試験結果を表2に示す。表2より、比較例1の電池の400回後の容量維持率は88%であった。また、140℃での放電は不可能であった。理由としては、高温でセパレータがシャットダウンしてしまったことが挙げられる。
[比較例2]
(Production of battery 3: B-3)
A battery was prepared and evaluated in the same manner except that the separator of battery preparation 1 was polyethylene (length 64 × width 68, manufactured by Asahi Kasei Corporation).
The test results are shown in Table 2. From Table 2, the capacity retention rate after 400 times of the battery of Comparative Example 1 was 88%. Moreover, discharge at 140 ° C. was impossible. The reason is that the separator shut down at a high temperature.
[Comparative Example 2]
(電池の作製4:B−4)
電池の作製2のセパレータをポリエチレン(縦64×横68、旭化成社製)にした以外は、同様にして電池を作製し、評価した。
試験結果を表2に示す。表2より、比較例2の電池の400回後の容量維持率は89%であった。また、140℃での放電は不可能であった。理由として、高温でセパレータがシャットダウンしてしまったためである。
[実施例3]
(Production of battery 4: B-4)
A battery was prepared and evaluated in the same manner except that the separator of battery preparation 2 was polyethylene (length 64 × width 68, manufactured by Asahi Kasei Corporation).
The test results are shown in Table 2. From Table 2, the capacity retention rate after 400 times of the battery of Comparative Example 2 was 89%. Moreover, discharge at 140 ° C. was impossible. The reason is that the separator has shut down at a high temperature.
[Example 3]
(電池ケース破損時の匂い試験)
放電状態の電池B−1、B−2、B−3およびB−4のアルミラミネートに穴を開け、匂いがするかどうか確認した。その結果、これら全ての電池は匂いがし、穴が開いていることが匂いからもわかった。一方、穴の開いていない電池においては匂いがしなかった。
(Odor test when battery case is damaged)
A hole was made in the aluminum laminate of discharged batteries B-1, B-2, B-3, and B-4, and it was confirmed whether or not there was an odor. As a result, all of these batteries smelled and it was clear from the smell that there was a hole. On the other hand, the batteries without holes did not smell.
本発明によれば、電池を小型化することのみならず、香りによってその破損を把握でき、また、140℃以上で30分以上放電が可能であるため、公共施設における防災器具のひとつとして非常灯、誘導灯などに利用することで、それらの設置が推進されることが期待される。 According to the present invention, not only can the battery be miniaturized, but also the damage can be grasped by the scent and can be discharged at 140 ° C. or higher for 30 minutes or more. It is expected that their installation will be promoted by using them for guide lights.
1 正極
2 負極
3 アルミ箔(集電材)
4 遷移金属リチウム酸化物(LiCoO2)+ゲル電解液
5 多孔質ポリマーフィルム(セパレータ)+ゲル電解液
6 グラファイト+ゲル電解液
7 銅箔(集電材)
1 Positive electrode 2 Negative electrode 3 Aluminum foil (current collector)
4 transition metal lithium oxide (LiCoO 2 ) + gel electrolyte 5 porous polymer film (separator) + gel electrolyte 6 graphite + gel electrolyte 7 copper foil (current collector)
Claims (4)
(ただし、式中nは5〜12、mは1〜3の整数である。) A lithium secondary battery comprising a positive electrode, a separator, a negative electrode and an electrolyte layer and capable of discharging for 30 minutes or more in a high temperature environment of 140 ° C. or higher , wherein the separator is a porous polyolefin resin having a melting point of 140 ° C. or higher; In addition, the electrolyte layer is composed of a non-aqueous electrolyte solution or a non-aqueous gel electrolyte, and an ester compound represented by the following general formula [I] as a fragrance component that can be fragranced when the battery is broken is used as a non-aqueous electrolyte solution. A lithium secondary battery comprising 5% by weight or less or 10% by weight or less in a non-aqueous gel electrolyte .
(In the formula, n is an integer of 5 to 12, and m is an integer of 1 to 3.)
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