JP6724342B2 - Battery separator, battery having the separator, method for manufacturing the separator, and method for manufacturing the battery - Google Patents
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Description
本発明は、電極を収納できるように筒状に加工された電池用セパレータ、およびこのセパレータを有する電池に関する。本発明はまた、上記セパレータの製造方法および電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a battery separator that is processed into a tubular shape so as to accommodate an electrode, and a battery including the separator. The present invention also relates to a method for manufacturing the above separator and a method for manufacturing a battery.
ノート型パソコン、携帯電話、電気自動車などの急速な市場拡大に伴い、キャパシタや二次電池などの蓄電デバイスが盛んに研究されている。中でも二次電池は、より多くのエネルギーを蓄えることができる点で、魅力的である。現在は更に高エネルギー密度の二次電池が求められており、その候補としてスズやシリコンなどの金属あるいはそれらの合金や酸化物を負極活物質として利用することが提案されている。また、リチウム空気電池などの理論容量の大きな電池を用いることも提案されている。しかし、より高エネルギー密度の電池ほど、放出できるエネルギーが大きくなるため、安全性についての配慮がより重要になる。 Along with the rapid market expansion of notebook PCs, mobile phones, electric vehicles, etc., electric storage devices such as capacitors and secondary batteries are being actively researched. Above all, the secondary battery is attractive in that it can store more energy. At present, there is a demand for secondary batteries with higher energy density, and it has been proposed to use metals such as tin and silicon or alloys or oxides thereof as a negative electrode active material as candidates. It has also been proposed to use a battery having a large theoretical capacity such as a lithium air battery. However, the higher the energy density of the battery, the larger the energy that can be released, and thus the consideration of safety becomes more important.
例えばリチウムイオン二次電池等の蓄電デバイスにおいて、セパレータは、正極と負極の短絡を防ぎ、リチウムイオンを効果的に移動させる役割を果たす。これまで、ポリプロピレンやポリエチレン材料からなるポリオレフィン系の微多孔質セパレータが主として用いられてきた。その理由は、これらの材料がもつシャットダウン効果が、電池の発熱時の安全性に寄与するためである。しかし、ポリオレフィン系の微多孔質セパレータでは、ポリプロピレンやポリエチレン材料の融点は一般に110℃〜160℃である。そのため、高エネルギー密度の電池に用いた場合、高温時にセパレータの熱収縮が生じ、また、シャットダウン効果が得られる前にセパレータが溶融し、広い面積で電極間の短絡が発生する可能性がある。 For example, in an electricity storage device such as a lithium ion secondary battery, a separator plays a role of preventing a short circuit between a positive electrode and a negative electrode and effectively moving lithium ions. Until now, polyolefin-based microporous separators made of polypropylene or polyethylene materials have been mainly used. The reason is that the shutdown effect of these materials contributes to safety when the battery heats up. However, in the polyolefin microporous separator, the melting points of polypropylene and polyethylene materials are generally 110°C to 160°C. Therefore, when used in a battery having a high energy density, the separator may thermally contract at a high temperature, and the separator may melt before the shutdown effect is obtained, resulting in short circuit between electrodes in a large area.
このような有機高分子セパレータに代えて、無機材料または有機高分子−無機複合材料をリチウムイオン電池において使用することも提案されている。無機材料は、上述のシャットダウン効果は有しないものの、有機高分子に比べて圧倒的に融点が高いので、むしろ安全性に優れる場合がある。また、有機高分子として、耐熱性の高い材料を用いてセパレータの溶融や収縮を防止することも提案されている。 It has also been proposed to use an inorganic material or an organic polymer-inorganic composite material in a lithium ion battery in place of such an organic polymer separator. Although the inorganic material does not have the above-mentioned shut-down effect, it has a melting point overwhelmingly higher than that of the organic polymer, so that it may be rather excellent in safety. It has also been proposed to use a material having high heat resistance as an organic polymer to prevent the separator from melting or shrinking .
特許文献1(特許第5644506号)には、高耐熱樹脂であるアラミド(芳香族ポリアミド)樹脂を含有するアラミド多孔質膜を用いたセパレータが開示されている。特許文献2(特許第5587555号)には、さらに高耐熱樹脂であるポリイミド樹脂を用いたセパレータが開示されている。 Patent Document 1 (Japanese Patent No. 5644506) discloses a separator using an aramid porous film containing an aramid (aromatic polyamide) resin which is a high heat resistant resin. Patent Document 2 (Japanese Patent No. 5587555) discloses a separator using a polyimide resin which is a highly heat resistant resin.
特許文献3(国際公開第2006/095579号)には、袋状に加工されたセパレータを用いた積層型電池が開示されている。セパレータは、熱可塑性樹脂からなる2枚のシートを重ね合わせ、その外周縁を連続的または間欠的に熱融着することによって形成される。正極または負極がセパレータの中に収納され、これによって、運搬時の振動等でセパレータがずれて正極と負極との短絡を防止できる。 Patent Document 3 (International Publication No. 2006/095579) discloses a laminated battery using a separator processed into a bag shape. The separator is formed by stacking two sheets of thermoplastic resin and heat-sealing the outer peripheral edges thereof continuously or intermittently. The positive electrode or the negative electrode is housed in the separator, which prevents the separator from being displaced due to vibration during transportation or the like, thereby preventing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode.
特許文献4(特開2015−69745号公報)には、アラミド樹脂からなる多孔質膜の少なくとも2辺を結合して袋状としたセパレータが開示されている。多孔質膜の結合方法として、結合部分に溶媒を塗布して貼り合わせた後、乾燥する方法、接着剤を用いる方法、結合部分に低融点の熱可塑性樹脂を挟み、加圧および熱処理する方法、多孔質膜に低温プラズマ処理等の表面処理を施した後、圧縮および加熱により積層する方法、アラミドからなる糸で縫合する方法などが記載されている。特許文献5(特開平5−290822号公報)には、非晶質アラミド樹脂を含む、溶融による袋状加工が可能なセパレータが開示されている。 Patent Document 4 (JP-A-2015-69745) discloses a bag-shaped separator in which at least two sides of a porous film made of an aramid resin are bonded. As a method of bonding the porous film, a method of applying a solvent to the bonding portion and bonding them together, followed by drying, a method of using an adhesive, a method of sandwiching a thermoplastic resin having a low melting point in the bonding portion, and applying pressure and heat treatment, It describes a method in which a porous membrane is subjected to a surface treatment such as low-temperature plasma treatment and then laminated by compression and heating, a method in which a thread made of aramid is sutured, and the like. Patent Document 5 (JP-A-5-290822) discloses a separator containing an amorphous aramid resin and capable of being processed into a bag shape by melting.
特許文献6(特開2006−59717号公報)には、アラミドおよび/またはポリイミドからなる繊維を含む繊維集合体によって構成された、シート状または袋状のセパレータが開示されている。繊維集合体を袋状に形成する方法として、熱融着による接合方法が開示されている。特許文献7(国際公開第2014/1999979号)にも、アラミド樹脂およびポリイミド樹脂といった高耐熱樹脂からなる2枚のシート材を重ね合わせ、その周辺部を噛み合わせることによって袋状に形成したセパレータが開示されている。 Patent Document 6 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-59717) discloses a sheet-shaped or bag-shaped separator made of a fiber assembly containing fibers made of aramid and/or polyimide. As a method for forming a fiber aggregate into a bag shape, a joining method by heat fusion is disclosed. Patent Document 7 (International Publication No. 2014/1999997) also discloses a separator formed in a bag shape by stacking two sheet materials made of a high heat-resistant resin such as an aramid resin and a polyimide resin, and engaging their peripheral portions with each other. It is disclosed.
特許文献1、2に記載された、アラミド樹脂やポリイミド樹脂のような高耐熱性樹脂を用いたセパレータでは、高温時の熱収縮の問題は小さいと考えられる。しかし、高耐熱性樹脂を用いたセパレータでは、特許文献3に記載されたセパレータのように熱融着によって袋状とする加工ができない。結果的に、電池の組み立て時や電池の運搬時にセパレータがずれ、正極と負極が短絡する可能性がある。 It is considered that the problem of heat shrinkage at high temperature is small in the separators described in Patent Documents 1 and 2 that use a highly heat-resistant resin such as an aramid resin or a polyimide resin. However, a separator using a high heat resistant resin cannot be processed into a bag shape by heat fusion, unlike the separator described in Patent Document 3. As a result, when the battery is assembled or the battery is transported, the separator may be displaced and the positive electrode and the negative electrode may be short-circuited.
一方、特許文献4には、アラミド樹脂からなる多孔質膜を熱溶着によらずに接合する幾つかの方法が記載されているが、これらの方法は、以下に述べるような点で、工業的に生産するうえでの課題がある。溶媒を利用する方法および接着剤を利用する方法では、溶媒や接着剤の塗布方法および塗布量などによっては適切に接合されない場合があることが考えられる。熱可塑性樹脂を用いる方法では、高温時に熱可塑性樹脂が溶融してしまい、接合の機能を果たさなくなるおそれがある。縫合による方法は、実現化が難しい。さらに、低温プラズマ処理による方法は、多孔質膜の表面同士の接合となるため、実接合面での質的な接触面積は小さく、結果的に十分な接合強度が得られないおそれがある。 On the other hand, Patent Document 4 describes several methods of joining a porous film made of an aramid resin without using heat welding, but these methods are industrially used in the following points. There is a problem in production. It is conceivable that the method using a solvent and the method using an adhesive may not be properly joined depending on the method of applying the solvent or the adhesive and the amount of application. In the method using a thermoplastic resin, the thermoplastic resin may be melted at a high temperature and the bonding function may not be fulfilled. The method by stitching is difficult to realize. Further, in the method using the low temperature plasma treatment, since the surfaces of the porous film are bonded to each other, the qualitative contact area on the actual bonding surface is small, and as a result, sufficient bonding strength may not be obtained.
特許文献5に記載のセパレータでは、非晶質アラミド樹脂を含むことによりセパレータの耐熱性が低下してしまい、高耐熱性樹脂本来の優位性が損なわれる結果となる。 In the separator described in Patent Document 5, the heat resistance of the separator is reduced due to the inclusion of the amorphous aramid resin, resulting in a loss of the original superiority of the high heat resistant resin.
さらに、特許文献6に記載された方法は、実際にアラミド樹脂やポリイミド樹脂を熱融着により接合することは困難である。特許文献7に記載された方法は、シート材同士の機械的な噛み合わせによる接合であるため、十分な噛み合わせ領域を確保しないと十分な接合強度が得られないおそれがある。 Further, in the method described in Patent Document 6, it is difficult to actually bond the aramid resin or the polyimide resin by heat fusion. Since the method described in Patent Document 7 is joining by mechanical meshing of sheet materials, there is a possibility that sufficient bonding strength cannot be obtained unless a sufficient meshing region is secured.
そこで本発明は、耐熱性樹脂をセパレータに使用した場合に十分な接合強度で袋状のセパレータを形成できるようにすることによって、電極とセパレータとの位置ずれを防止し、それによって、電池の生産性を向上させつつ、電極間の短絡を防止することを目的とする。 Therefore, the present invention prevents the positional deviation between the electrode and the separator by allowing the bag-shaped separator to be formed with sufficient bonding strength when the heat-resistant resin is used for the separator, thereby producing the battery. The purpose is to prevent short circuit between electrodes while improving the property.
本発明のセパレータは、正極と負極とを対向配置させた電池用のセパレータであって、
互いに対向配置された第1の部分および第2の部分を有する、融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を含有する、二つ折りにされた1枚の多孔質シートまたは重ね合わせられた2枚の多孔質シートを有し、
前記第1の部分と前記第2の部分とに跨って存在する部分を有し前記第1の部分と前記第2の部分とを一体化する接合部によって、前記多孔質シートが、前記電池の正極または負極を収納可能とする筒状に形成されている。
The separator of the present invention is a separator for a battery in which a positive electrode and a negative electrode are arranged to face each other,
One half-folded porous sheet or two superposed sheets containing a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, which has a first portion and a second portion arranged to face each other. Has a porous sheet of
The porous sheet allows the porous sheet to be connected to the battery by a joint portion that has a portion that extends across the first portion and the second portion and that integrates the first portion and the second portion. It is formed in a tubular shape capable of accommodating the positive electrode or the negative electrode.
本発明の電池は、対向配置された正極および負極と、
上記本発明のセパレータと、
を有し、
前記正極または前記負極が前記セパレータに収納されている。
The battery of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode that are arranged to face each other,
With the separator of the present invention,
Have
The positive electrode or the negative electrode is housed in the separator.
また本発明はセパレータの製造方法および電池の製造方法を提供する。本発明のセパレータの製造方法は、正極と負極とを対向配置させた電池用のセパレータの製造方法であって、
融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を含有する1枚または2枚の多孔質シートであって、二つ折りにされることによって互いに対向する第1の部分および第2の部分を構成する1枚の多孔質シート、または重ね合わせられることによって互いに対向する第1の部分および第2の部分を構成する2枚の多孔質シートを用意する工程と、
融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を溶解または膨潤させることのできる溶媒を含む接合剤を用いて、前記電池の正極または負極を収納可能とする筒状体が形成されるように、前記第1の部分と前記第2の部分とを一体化する接合部を、前記第1の部分と前記第2の部分とに跨って存在する部分を有して形成する工程と、
を有する。
The present invention also provides a separator manufacturing method and a battery manufacturing method. The method for producing the separator of the present invention is a method for producing a separator for a battery in which a positive electrode and a negative electrode are arranged to face each other,
One or two porous sheets containing a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, which are folded in half to form a first portion and a second portion which face each other. A step of preparing two porous sheets, or two porous sheets constituting a first portion and a second portion which face each other by being overlapped with each other;
A binder containing a solvent capable of dissolving or swelling a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher is used to form a cylindrical body capable of accommodating the positive electrode or the negative electrode of the battery. A step of forming a joining portion that integrates the first portion and the second portion with a portion that extends across the first portion and the second portion;
Have.
本発明の電池の製造方法は、融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を含有する多孔質シートであって、二つ折りにされることによって互いに対向する第1の部分および第2の部分を構成する1枚の多孔質シート、または重ね合わせられることによって互いに対向する第1の部分および第2の部分を構成する2枚の多孔質シート、正極および負極を用意する工程と、
前記第1の部分と前記第2の部分との間に前記正極または前記負極を配置する工程と、
融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を溶解または膨潤させることのできる溶媒を含む接合剤を用いて、前記正極または前記負極を収納可能とする筒状体が形成されるように、前記第1の部分と前記第2の部分とを一体化する接合部を、前記第1の部分と前記第2の部分とに跨って存在する部分を有して形成する工程と、
前記正極または前記負極が前記第1の部分と前記第2の部分との間に配置され、かつ、前記第1の部分と前記第2の部分とで前記筒状体が形成された後、前記正極と前記負極とを積層することによって電極積層体を得る工程と、
前記電極積層体を電解液とともに外装体内に封入する工程と、
を有する。
The method for producing a battery of the present invention is a porous sheet containing a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, and has a first portion and a second portion which are opposed to each other when folded in two. A step of preparing one porous sheet that constitutes the above, or two porous sheets that constitute a first portion and a second portion that face each other by being overlapped, a positive electrode and a negative electrode;
Disposing the positive electrode or the negative electrode between the first portion and the second portion,
Using a bonding agent containing a solvent capable of dissolving or swelling a resin having a melting point or glass transition temperature of 200° C. or higher, a cylindrical body capable of accommodating the positive electrode or the negative electrode is formed, A step of forming a joining portion that integrates the first portion and the second portion with a portion that extends over the first portion and the second portion;
After the positive electrode or the negative electrode is disposed between the first portion and the second portion, and the tubular body is formed by the first portion and the second portion, the A step of obtaining an electrode laminate by laminating a positive electrode and the negative electrode,
A step of encapsulating the electrode laminate with an electrolytic solution in an outer casing,
Have.
本発明によれば、融点またはガラス転移温度が200℃以上の耐熱樹脂を含有する多孔質シートを筒状に形成するための接合部が十分な接合強度で形成されるため、接合部での多孔質シートの破れ等が発生しにくいセパレータを得ることができる。このようなセパレータに正極または負極が収納されることによって、電極とセパレータとの位置ずれが防止され、電極間の短絡を良好に防止することができる。 According to the present invention, since a joining portion for forming a porous sheet containing a heat-resistant resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or more into a tubular shape is formed with sufficient joining strength, the porosity at the joining portion is increased. It is possible to obtain a separator in which breakage of the quality sheet is unlikely to occur. By accommodating the positive electrode or the negative electrode in such a separator, positional displacement between the electrode and the separator can be prevented, and a short circuit between the electrodes can be satisfactorily prevented.
以下、図面を参照して本発明の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[電極積層体および蓄電デバイス]
電極積層体および蓄電デバイスは、電荷を蓄積できるものであれば、種々のデバイスに適用できる。代表的なデバイスとしては、リチウムイオン二次電池などの電池が挙げられるが、その他の二次電池、さらには電気二重層キャパシタ等のキャパシタに適用することが可能である。以下の説明ではリチウムイオン二次電池を例に説明するが、これに限定されるものではなく、本発明が適用されるデバイスの種類に応じて、形状、構成および材料を適宜変更することができる。
[Electrode stack and electricity storage device]
The electrode laminate and the electricity storage device can be applied to various devices as long as they can store charges. A typical device is a battery such as a lithium ion secondary battery, but it can be applied to other secondary batteries and further to a capacitor such as an electric double layer capacitor. The following description is an example of lithium ion secondary batteries, but is not limited to this, depending on the type of device to which the present invention is applied, the shape, can be modified in arrangement and material appropriately it can.
二次電池は、電極の構造や形状等により、円筒型、扁平捲回角型、積層角型、コイン型、扁平捲回ラミネート型および積層ラミネート型等、種々のタイプがある。本発明はこれらの何れのタイプにも適用可能である。これらのうち、本発明が適用される二次電池の形状は、セパレータが破れ難い観点から、積層ラミネート型であることが好ましい。以下、積層ラミネート型の二次電池について説明する。 There are various types of secondary batteries, such as a cylindrical type, a flat wound rectangular type, a laminated rectangular type, a coin type, a flat wound laminated type, and a laminated laminated type, depending on the structure and shape of the electrodes. The present invention is applicable to any of these types. Among these, the shape of the secondary battery to which the present invention is applied is preferably a laminated laminate type from the viewpoint that the separator is not easily broken. The laminated laminate type secondary battery will be described below.
図1を参照すると、電極積層体10と、外装材21、22によって電極積層体10をその厚み方向両側から包囲することによって、電極積層体10を電解液とともに内包する外装体とを有する、本発明の一実施形態による二次電池1の分解斜視図が示されている。電極積層体10には負極端子31および正極端子32が、それぞれ一部を外装体から突出させて接続されている。
Referring to FIG. 1, the present invention includes an
電極積層体10は、図2および図3に示すように、複数の負極11と複数の正極12とが交互に位置するように対向配置された構成を有する。セパレータ13は、多孔質シートを用いて筒状に形成された筒状体を有して構成されている。図に示す例では、セパレータ13は全体として一端が開口し他端が閉塞した袋状に形成されており、正極12は、セパレータ13の開口した一端側から挿入されている。これによって、負極11と正極12とはセパレータ13を介して対向配置され、負極11と正極12は、セパレータ13によって互いに絶縁状態を保っている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the electrode laminated
負極11は、金属箔で形成することができる負極集電体11aと、負極集電体11aの両面または片面に形成された負極活物質11bとを有する。負極集電体11aは、セパレータ13と対向する部分から延長した延長部を有して形成され、この延長部には負極活物質11bは形成されていない。
The
正極12も、負極11と同様、金属泊で形成することができる正極集電体12aと、正極集電体12aの両面または片面に形成された正極活物質12bとを有する。正極集電体12aは、セパレータ13に収納された部分から延長した延長部を有して形成され、この延長部には正極活物質12bは形成されていない。
Like the
負極11および正極12は、それぞれの延長部が互いに反対方向に向かって延びるように積層される。複数の負極11は、延長部同士が溶接によって電気的に接続されて、図1に示す負極タブ10aを形成する。複数の正極12も、延長部同士が溶接によって電気的に接続されて、図1に示す正極タブ10bを形成する。負極端子31は負極タブ10aに電気的に接続され、正極端子32は正極タブ10bに電気的に接続される。
The
このような平面的な積層構造を有する電極積層体10は、曲率半径の小さい部分(捲回構造の巻き芯に近い領域)がないため、捲回構造を持つ電極素子に比べて、充放電に伴う電極の体積変化に対する影響を受けにくいという利点がある。すなわち、体積膨張を起こしやすい活物質を用いた電極積層体に有効である。
The electrode laminated
なお、図1〜3に示す例では、負極端子31および正極端子32が互いに反対方向に引き出されているが、負極端子31および正極端子32の引き出し方向は任意であってよい。例えば、図4に示すように、電極積層体10の同じ辺から負極端子31および正極端子32が引き出されていてもよいし、図示しないが、電極積層体10の隣り合う2辺から負極端子31および正極端子32がそれぞれ引き出されていてもよい。いずれの場合でも、負極11および正極12の活物質に覆われていない延長部(タブ)は、負極端子31および正極端子32が引き出される位置に対応した位置に形成される。
In the examples shown in FIGS. 1 to 3, the
また、図に示した例では、正極12をセパレータ13に収納しているが、負極11と正極12がセパレータ13を介して対向する構成とすることができれば、正極12ではなく負極11をセパレータ13に収納することもできる。さらには、負極11および正極12をそれぞれセパレータ13に収納し、セパレータ13に収納された負極11と、セパレータ13に収納された正極12とを対向配置してもよい。
Further, in the example shown in the figure, the
上記のとおり、セパレータ13を筒状とし、その中に負極11または正極12を収納することで、セパレータ13の位置ずれ防止することができる。
As described above, by making the
以下、上述した二次電池を構成する各要素について詳細に説明する。 Hereinafter, each element constituting the above-described secondary battery will be described in detail.
(セパレータ)
セパレータ13は、耐熱樹脂を基材として含有する多孔質シートを扁平な筒状に形成した筒状体として構成されている。筒状体は、正極12または負極11を収容できるサイズを有している。正極12または負極11が筒状体に収納されることで、正極12と負極11との間に存在する筒状体の部分を介して正極12と負極11とが対向配置され、正極12と負極11との短絡を防止するセパレータとして機能する。多孔質シートは、電気伝導性を有しておらず、正極12と負極11との短絡を防止でき、かつ、イオン伝導性を有するように筒状体を構成することができるものであれば、任意の無機フィラーおよび/または有機フィラーを含んでいてもよい。また、無機多孔質層が多孔質シートに積層されていてもよい。
(Separator)
The
多孔質シートに含有される耐熱樹脂としては、融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂であることが好ましく、より好ましくは、融点またはガラス転移温度が250℃以上である。そのような樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、アラミド樹脂(芳香族ポリイミド樹脂)、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミドイミド樹脂などが挙げられる。耐熱樹脂が含有できる、または上記無機多孔質層を構成することができる無機フィラーとしては、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化チタン、BaTiO2、ZrO、アルミナ−シリカ複合酸化物等の無機酸化物粒子;窒化アルミニウム、窒化硼素等の無機窒化物粒子;シリコーン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶粒子;硫酸バリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性イオン結晶粒子;タルク、モンモリロナイトなどの粘土微粒子等が挙げられる。これらの無機フィラーは、元素置換、表面処理、あるいは固溶体化等が必要に応じて実施されていてもよい。また、これらの無機フィラーは、1種が単独で用いられてもよいし、2種以上が組合せられて用いられてもよい。これらの無機フィラーの中でも、電解液中での安定性と電位安定性の観点から特に好ましいのは無機酸化物粒子である。 The heat-resistant resin contained in the porous sheet is preferably a resin having a melting point or glass transition temperature of 200° C. or higher, and more preferably a melting point or glass transition temperature of 250° C. or higher. Examples of such a resin include polyamide resin, aramid resin (aromatic polyimide resin), polyphenylene sulfide resin, polysulfone resin, polyether sulfone resin, polyetherimide resin, polyetheretherketone resin, polyamideimide resin, and the like. To be Examples of the inorganic filler that can be contained in the heat resistant resin or that can form the inorganic porous layer include inorganic oxides such as aluminum oxide, silicon oxide, magnesium oxide, titanium oxide, BaTiO 2 , ZrO, and alumina-silica composite oxide. Substance particles; inorganic nitride particles such as aluminum nitride and boron nitride; covalent bond crystal particles such as silicone and diamond; sparingly soluble ionic crystal particles such as barium sulfate, calcium fluoride, barium fluoride; clay such as talc and montmorillonite Examples thereof include fine particles. These inorganic fillers may be subjected to element substitution, surface treatment, solid solution treatment, or the like, if necessary. Moreover, these inorganic fillers may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. Among these inorganic fillers, the inorganic oxide particles are particularly preferable from the viewpoint of stability in the electrolytic solution and potential stability.
筒状体は、両端が開口した形態だけでなく、一端のみが開口し他端が閉塞した袋状の形態であってもよい。筒状体一端のみが開口した筒状体は、正極12または負極11をより安定に保持でき、正極12と負極11との短絡をより効果的に防止できることから、好ましく用いることができる。
The tubular body may have a bag-like form in which only one end is open and the other end is closed, as well as the form in which both ends are open. The tubular body having only one end opened is capable of holding the
筒状体は、図5に示すように、2枚の多孔質シートを重ね合わせることによって互いに対向配置された第1の部分131と第2の部分132とを、例えば外縁に沿った適宜部位で接合することによって構成することができる。あるいは、図6に示すように、1枚の多孔質シートを二つ折りにすることによって互いに対向配置された第1の部分131と第2の部分132とを、例えば外縁に沿った適宜部位で接合することによっても筒状体を構成することができる。いずれの場合においても、第1の部分131と第2の部分132とを接合することによって、筒状体は、第1の部分131と第2の部分132とが接合された部分である接合部133を有している。この接合部133では、第1の部分131と第2の部分132とは一体化されている。
As shown in FIG. 5, the tubular body includes a
ここで、第1の部分131および第2の部分132は、1つのセパレータ13が1枚の多孔質シートから作られるか2枚の多孔質シートから作られるかにかかわらず、1つのセパレータ13を構成する多孔質シートの部分を意味する。また、向かい合って配置される第1の部分131および第2の部分132は、好ましくは同じサイズおよび形状を有しているが、正極12または負極11を覆うことができれば、サイズおよび形状は互いに異なっていてもよい。図示した形態では、第1の部分131および第2の部分132は、同じサイズおよび形状を有している。
Here, the
接合部133の形成は、正極12または負極11が第1の部分131と第2の部分132との間に配置された後に行ってもよいし、配置される前に行ってもよい。正極12または負極11が第1の部分131と第2の部分132との間に配置された後に接合部133を形成することによって、接合部133の形成と同時に、正極12または負極11が収納されたセパレータ13が得られる。また、正極12または負極11が第1の部分131と第2の部分132との間に配置される前に接合部133を形成する場合は、接合により形成された筒状のセパレータ13に正極12または負極11が挿入され、これによって、正極12または負極11が収納されたセパレータ13が得られる。
The
接合部133の形成には接合剤が用いることができる。接合剤として、例えば、融点またはガラス転移温度が200℃以上の耐熱樹脂を溶解または膨潤させることができる溶媒を用いることができる。耐熱樹脂は、分子間力が強いため極性溶媒により溶解することが可能である場合が多い。このような溶媒としては、たとえば、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、クロロホルム、ジクロロメタンアセトン、テトラヒドロフラン(THF)、テトラメチルウレア(TMUA)などが挙げられる。
A bonding agent can be used to form the
溶媒は、多孔質シートの第1の部分131および第2の部分132の少なくとも一方の互いの対向面の接合部133を形成する部位に塗布される。溶媒の塗布後、少なくとも溶媒が塗布された部分で第1の部分131と第2の部分132とを密着させ、この状態を維持したまま、乾燥などによって溶媒が除去される。
The solvent is applied to a portion of at least one of the
塗布された溶媒は、多孔質シートの空隙内に浸透し、耐熱樹脂を溶解または膨潤させる。溶媒の塗布後、第1の部分131と第2の部分132との密着状態が維持されるので、溶媒による耐熱樹脂の溶解または膨潤は、第1の部分131および第2の部分132の双方で生じる。これにより、溶媒が塗布された部分では第1の部分131と第2の部分132との境界は実質的に消失し、また、空隙も実質的に消失する。その結果、図7に模式的に示すように、溶媒が除去されることによって形成される接合部133では、第1の部分131と第2の部分132とは、他のいかなる部材が介在せず第1の部分131および第2の部分132に跨る一つの層として構成される。つまり、接合部133では、第1の部分131と第2の部分132とを跨って存在する部分を有しており、これによって第1の部分131と第2の部分132とが一体化される。また、接合部133では、空隙が存在しないか、または他の部分と比較して空隙率が低くなっている。
The applied solvent penetrates into the voids of the porous sheet and dissolves or swells the heat resistant resin. After the application of the solvent, the close contact state between the
一方、接合剤には、多孔質シートに含有される耐熱樹脂として例示した上述の樹脂をこれらの溶媒で溶解した溶液(以下、「樹脂溶液」という)を用いることも可能である。そのような溶液として具体的には、ポリアミド樹脂やアラミド樹脂(芳香族ポリアミド樹脂)をNMPに溶解した溶液、ポリフェニレンスルフィド樹脂をジフェニルエーテル、NMPまたはN−Cyclohexylprrolidoneに溶解した溶液、ポリスルホン樹脂をジクロロメタンまたはメチルピロリドンに溶解した溶液、ポリエーテルスルフォン樹脂をNMP、テトレメチルウレア、DMAc、DMSOまたはDMFに溶解した溶液、ポリエーテルイミド樹脂をNMPに溶解した溶液、ポリエーテルエーテルケトン樹脂をDMSO、DMAc、クロロホルムまたはTHFに溶解した溶液、ポリアミドイミド樹脂をNMP、DMAc、DMFまたはDMSOに溶解した溶液などが挙げられる。
On the other hand, as the bonding agent, it is also possible to use a solution (hereinafter, referred to as “resin solution”) obtained by dissolving the above-mentioned resin exemplified as the heat-resistant resin contained in the porous sheet in these solvents. Specific examples of such a solution include a solution in which a polyamide resin or an aramid resin (aromatic polyamide resin) is dissolved in NMP, a solution in which a polyphenylene sulfide resin is dissolved in diphenyl ether, NMP or N-Cyclohexylprorolidene, and a polysulfone resin in dichloromethane or methyl. solution in pyrrolidone, polyether sulfone resins NMP, te Tre methyl urea, DMAc, solutions in DMSO or DMF, a solution prepared by dissolving the polyetherimide resin NMP, polyether ether ketone resin DMSO, DMA c, chloroform Alternatively, a solution in which THF is dissolved, a solution in which a polyamideimide resin is dissolved in NMP, DMAc, DMF or DMSO, and the like can be given.
接合剤として樹脂溶液を用いる場合であっても、樹脂溶液は、溶媒と同様、多孔質シートの第1の部分131および第2の部分132の少なくとも一方の互いの対向面の接合部133を形成する部位に塗布される。また、塗布後に第1の部分131と第2の部分とを少なくとも樹脂溶液が塗布された部分で密着させ、この状態を維持したまま、乾燥などによって溶媒が除去されることも、接合剤として溶媒を用いた場合と同様である。
Even when the resin solution is used as the bonding agent, the resin solution forms the
ただし、第1の部分131と第2の部分132との一体化の形態は、樹脂溶液中の溶媒が第1の部分131および第2の部分132を構成する多孔質シートに含まれる耐熱樹脂を溶解または膨潤させ得るか否かによって異なる。
However, the form of integration of the
樹脂溶液中の溶媒が、多孔質シートに含まれる耐熱樹脂を溶解または膨潤させ得る溶媒である場合は、耐熱樹脂は樹脂溶液によって溶解または膨潤する。そのため、接合剤として溶媒を用いた場合と同様、第1の部分131と第2の部分132とは、両者に跨る一つの層として構成された接合部133によって一体化される。
When the solvent in the resin solution is a solvent capable of dissolving or swelling the heat resistant resin contained in the porous sheet, the heat resistant resin is dissolved or swelled by the resin solution. Therefore, as in the case where a solvent is used as the bonding agent, the
ところが、樹脂溶液中の溶媒が、多孔質シートに含まれる耐熱樹脂を溶解または膨潤させることのできない溶媒である場合、塗布された樹脂溶液は、第1の部分131および第の部分132の空隙内に浸透する。空隙内に浸透した樹脂溶液から溶媒が除去されると、樹脂溶液中の耐熱樹脂が空隙内に残り、空隙内で固化する。図8に示すように、空隙内で固化した耐熱樹脂のうち第1の部分131および第2の部分132の両方に跨って存在する部分134が第1の部分131と第2の部分132とを固定するアンカーとして機能し、これによって第1の部分131と第2の部分132とが一体化された接合部133が形成される。また、接合部133では、第1の部分131および第2の部分132の空隙は、樹脂溶液に含まれていた樹脂が充填されているため、空隙は実質的に存在していない。
However, when the solvent in the resin solution is a solvent that cannot dissolve or swell the heat-resistant resin contained in the porous sheet, the applied resin solution is in the voids of the
以上のように、第1の部分131と第2の部分132との接合部133が、第1の部分131と第2の部分132とに跨って存在する部分を有して構成されることにより、第1の部分131と第2の部分132とが十分な接合強度で接合される。その結果、接合部133での破れが発生しにくい筒状のセパレータ13を得ることができる。このようなセパレータ13に正極12または負極11が収納されることによって、電池の製造中から電池として完成した後までの電極(正極12および負極11)とセパレータ13との位置ずれが防止され、電極間の短絡を良好に防止することができる。
As described above, the
また、接合部133の、第1の部分131と第2の部分132とに跨って存在する部分は、融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂で構成されている。そのため、例えば異常発生により電池が高温になった場合であってもこの跨って存在する部分が溶融したり軟化したりせず、第1の部分131と第2の部分132との接合状態が良好に維持される。
In addition, the portion of the
多孔質シートへの溶媒または樹脂溶液の塗布に際し、多孔質シートは、これら溶媒または樹脂溶液の浸透性に優れており、溶媒または樹脂溶液が浸透した領域では、多孔質シートの多孔性が喪失する。そのため、溶媒または樹脂溶液の塗布量が多すぎると、多孔性が喪失する領域が拡がりすぎてセパレータ13としての機能が失われるおそれがある。よって、溶媒または樹脂溶液は塗布量が十分に管理されることが重要である。塗布量を良好に管理可能な塗布方法としては、例えば、スタンプを用いて溶媒または樹脂溶液を多孔質シートに転写する方法、溶媒または樹脂溶液を微細なノズルより吐出する方法(インクジェット法)または噴霧する方法(スプレー法)、マイクロディスペンサーにより微量の溶媒または樹脂溶液を添加する方法などが挙げられる。
Upon application of the solvent or resin solution to the porous sheet, the porous sheet has excellent permeability to these solvents or resin solutions, and the porosity of the porous sheet is lost in the region where the solvent or resin solution has permeated. .. Therefore, if the coating amount of the solvent or the resin solution is too large, the region where the porosity is lost spreads too much and the function as the
接合部133は、正極12または負極11の周囲となる位置であれば、部分的に形成されてもよいし線状に連続的に形成されてもよい。ただし、接合部133の接合強度は、接合部の面積に依存し、一般に接合部の面積が大きいほど高い接合強度が得られることから、セパレータ13が筒状の形態を良好に維持できるようにするためには、接合部133は線状に形成することが好ましい。この観点から言えば、接合部133を部分的に形成する場合は、接合部133が点線状に形成されることが好ましい。接合部133を点線状に形成した場合、セパレータ13内に収納された正極12または負極11に電解液を含浸させる際に、接合部133の点線状の隙間を通じて電解液がセパレータ13に浸入しやすくなる。その結果、電池の製造時間を短縮することができる。
The
接合部133の幅は、第1の部分131と第2の部分132とを良好に接合するためには0.05mm以上であることが好ましく、また、より高い接合強度が得られるという観点からは、0.1mm以上であることがより好ましい。一方、接合部133の幅が広すぎると、セパレータ13の面積が、収納される正極12または負極11の面積に比べて大きくなり、電池自体の大型化を招く。このことは、単位体積当たりの電池容量が小さくなったり、単位重量当たりの電池容量が小さくなったりすることを意味する。したがって、接合部133の幅は、3mm以下であることが好ましく、より好ましくは1mm以下である。
The width of the joining
ここで、接合部133の幅とは、セパレータ13の外表面から見た、接合部133の長さ方向に垂直な方向の寸法をいう。セパレータ13は多孔質シートから作られており多数の空隙を有しているが、前述したように、接合部133では、空隙が存在しないか、または他の部分と比較して空隙率が低くなっている。よって、セパレータ13は、この空隙率の違いに起因する光の透過率の違いから、例えばセパレータ131の外表面からの目視観察または拡大観察などによって、接合部133と接合部133以外の部分とを区別することができる。
Here, the width of the
接合部133を形成するための溶媒または樹脂溶液の塗布量は、0.1μL/cm2〜3μL/cm2であることが好ましく、特に、厚みが15〜30μm、空隙率が30〜30%の多孔質シートに塗布する場合は、0.45μL/cm2〜2.4μL/cm2とすることが好ましい。上述した、塗布量を良好に管理可能な塗布方法によれば、こういった塗布量での溶媒または樹脂溶液の塗布を容易に行うことができる。また、転写によって塗布する場合、溶媒または樹脂溶液を適切な量で塗布するためには、スタンプの少なくとも転写面となる部分が、不織布または多孔質体で構成されることが好ましい。 The coating amount of the solvent or resin solution for forming the joint 133 is preferably 0.1μL / cm 2 ~3μL / cm 2 , in particular, a thickness of 15 to 30 [mu] m, porosity of 30 to 30% When applied to a porous sheet, it is preferably 0.45 μL/cm 2 to 2.4 μL/cm 2 . According to the above-described coating method capable of controlling the coating amount well, it is possible to easily coat the solvent or resin solution with such a coating amount. Further, in the case of applying by transfer, in order to apply an appropriate amount of the solvent or the resin solution, it is preferable that at least a portion serving as a transfer surface of the stamp is made of a nonwoven fabric or a porous body.
なお、多孔質シートに溶媒または樹脂溶液を塗布する際、実際には、塗布された溶媒または樹脂溶液は多孔質シートの空隙に浸透して拡がる。そのため、最終的に得られる接合部133の幅を上記のような好ましい幅とするためには、溶媒または樹脂溶液の塗布幅は、その拡がりを考慮した幅とすることが好ましい。ただし、上述したような塗布量を良好に管理可能な塗布方法で塗布する場合は、溶媒または樹脂溶液の拡がりを最小限に抑制できることから、溶媒または樹脂溶液の塗布幅は接合部133の幅と実質的に等しいと考えて差し支えない。
When the solvent or resin solution is applied to the porous sheet, the applied solvent or resin solution actually permeates and spreads in the voids of the porous sheet. Therefore, in order to set the width of the finally obtained
溶媒または樹脂溶液の塗布後、多孔質シートの第1の部分131と第2の部分132との接合を促すため、溶媒または樹脂溶液が塗布された領域で第1の部分131と第2の部分132とを加圧することが好ましい。さらに、接合部133とされる領域に超音波を照射しながら加圧すると、第1の部分131と第2の部分132との境界部での、溶解した耐熱樹脂(ここでいう耐熱樹脂は、多孔質シートに含まれる耐熱樹脂であってもよいし、樹脂溶液に含まれる耐熱樹脂であってもよい。)の混合が促されるため、より好ましい。
After applying the solvent or the resin solution, in order to promote the bonding between the
溶媒の除去に際しては、溶媒または樹脂溶液が塗布された多孔質シートの部分を加熱することが好ましい。これにより、溶媒の揮発による除去が促進される。また、溶媒が多孔質シートの耐熱樹脂を溶解し得る溶媒である場合は、溶媒塗布部での溶媒による多孔質シートの溶解を促進することもできる。このときの多孔質シートの加熱温度は、30℃以上であることが好ましく、より好ましくは50℃以上である。加熱温度が高ければ高いほど、多孔質シートの溶解がより促進される。ただし、溶媒の沸点近い温度では、揮発性が高くなり過ぎ、第1の部分131と第2の部分132との接合が困難になる場合がある。この観点からは、多孔質シートの加熱温度は溶媒の沸点以下であることが好ましく、より好ましくは、溶媒の沸点より30℃以上低い温度、さらに好ましくは溶媒の沸点より50℃以上低い温度である。また、溶媒除去のための加熱は、減圧環境下で行うことが好ましい。これにより、沸点以下の温度でも溶媒の蒸気圧を高めることができ、その結果、耐熱樹脂やその他の材料の熱劣化を引き起こすことなく、溶媒の乾燥除去を促進することができる。
When removing the solvent, it is preferable to heat the part of the porous sheet coated with the solvent or the resin solution. This accelerates the removal of the solvent by volatilization. Further, when the solvent is a solvent capable of dissolving the heat-resistant resin of the porous sheet, it is possible to accelerate the dissolution of the porous sheet by the solvent in the solvent application section. The heating temperature of the porous sheet at this time is preferably 30° C. or higher, and more preferably 50° C. or higher. The higher the heating temperature, the more accelerated the dissolution of the porous sheet. However, at a temperature close to the boiling point of the solvent, volatility becomes too high, and it may be difficult to bond the
多孔質シートの形態としては、多孔質フィルム、織布や不織布といった繊維集合体、および微多孔膜など、任意の形態を採用することができる。これらの中でも微多孔膜は、リチウムが析出しにくく、正極と負極との短絡を抑制することができることから特に好ましい。また、多孔質シートは、負極側の表面の空隙径が小さいほうが、リチウムの析出を抑制でき、好ましい。 As the form of the porous sheet, any form such as a porous film, a fiber aggregate such as a woven fabric or a non-woven fabric, and a microporous membrane can be adopted. Among them, the microporous film is particularly preferable because lithium is less likely to be deposited and a short circuit between the positive electrode and the negative electrode can be suppressed. Further, it is preferable that the porous sheet has a smaller void size on the surface on the negative electrode side because lithium deposition can be suppressed.
多孔質シートの空隙率は、パレータとして要求される特性に応じて適宜設定することができる。例えば、電池の良好なレート特性を得るためには、空隙率は35%以上であることが好ましく、40%以上であることがより好ましい。また、セパレータとしての機械的強度を高めるためには、多孔質シートの空隙率は80%以下であることが好ましく、70%以下であることがより好ましい。 The porosity of the porous sheet can be appropriately set according to the characteristics required as a pallet. For example, in order to obtain good rate characteristics of the battery, the porosity is preferably 35% or more, more preferably 40% or more. In order to increase the mechanical strength of the separator, the porosity of the porous sheet is preferably 80% or less, more preferably 70% or less.
多孔質シートの空隙率は、JIS P 8118に準じて嵩密度を測定し、下記式により計算することができる。 The porosity of the porous sheet can be calculated by measuring the bulk density according to JIS P 8118 and using the following formula.
空隙率の他の測定方法としては、電子顕微鏡による直接観察法、水銀ポロシメータによる圧入法なども挙げられる。 Other methods for measuring the porosity include a direct observation method with an electron microscope and a press-fitting method with a mercury porosimeter.
多孔質シートの平均空隙径は、1μm以下であることが好ましく、より好ましくは0.5μm以下、さらに好ましくは0.1μm以下である。また、荷電体を良好に透過させるため、多孔質シートは負極側の表面での空隙径が0.005μm以上であることが好ましく、より好ましくは0.01μm以上である。 The average void diameter of the porous sheet is preferably 1 μm or less, more preferably 0.5 μm or less, still more preferably 0.1 μm or less. Further, in order to allow the charged body to permeate well, the porous sheet preferably has a pore size of 0.005 μm or more on the surface of the negative electrode side, and more preferably 0.01 μm or more.
平均空隙径の一例として、多孔質シートの平均空隙径は、アラミド樹脂からなる微多孔フィルムの場合で0.5μm程度、ポリイミド樹脂からなる微多孔フィルムの場合で0.3μm程度、ポリフェニレンスルフィド樹脂からなる微多孔フィルムの場合で0.5μm程度であってもよい。 As an example of the average void diameter, the average void diameter of the porous sheet is about 0.5 μm in the case of a microporous film made of an aramid resin, about 0.3 μm in the case of a microporous film made of a polyimide resin, and from a polyphenylene sulfide resin. In the case of the microporous film, the thickness may be about 0.5 μm.
多孔質シートの空隙径は、STM−F−316記載のバブルポイント法およびミーンフロー法により求めることができる。また、平均空隙径は、多孔質シートの任意の5箇所においてそれぞれ空隙径を測定し、その測定値の平均値とすることができる。 The void diameter of the porous sheet can be determined by the bubble point method and the mean flow method described in STM-F-316. In addition, the average void diameter can be the average value of the measured values obtained by measuring the void diameters at any five points on the porous sheet.
多孔質シートの厚みは、絶縁性および機械的強度を維持する観点からは厚いほうが好ましい。一方、電池のエネルギー密度向上の観点からは薄いほうが好ましい。具体的な値としては、正極と負極との短絡防止および十分な耐熱性付与のため、多孔質シートの厚みは3μm以上であることが好ましく、より好ましくは5μm以上、さらに好ましくは8μm以上である。一方、通常要求されるエネルギー密度など、電池の仕様に対応するために、多孔質シートの厚みは、40μm以下であることが好ましく、より好ましくは30μm以下、さらに好ましくは25μm以下である。一例として、アラミド樹脂からなる微多孔フィルム、ポリイミド樹脂からなる微多孔フィルムおよびポリフェニレンスルフィド樹脂からなる微多孔フィルムのいずれの場合も、多孔質シートの厚みは20μm程度とすることができる。 The thickness of the porous sheet is preferably thick from the viewpoint of maintaining insulation and mechanical strength. On the other hand, from the viewpoint of improving the energy density of the battery, the thinner one is preferable. As a specific value, the thickness of the porous sheet is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, further preferably 8 μm or more in order to prevent short circuit between the positive electrode and the negative electrode and to impart sufficient heat resistance. .. On the other hand, the thickness of the porous sheet is preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less, and further preferably 25 μm or less in order to comply with battery specifications such as energy density that is usually required. As an example, in any of the microporous film made of aramid resin, the microporous film made of polyimide resin, and the microporous film made of polyphenylene sulfide resin, the thickness of the porous sheet can be about 20 μm.
セパレータの高温での絶縁性を示す指標として、絶縁層の厚みTsを用いることができる。多孔質シートには空隙があり、電極合剤層にも空隙がある。電極およびセパレータは、過充電等で局部的に400℃になることもある。したがって、この場合、400℃での絶縁性が重要である。400℃以下で溶融する樹脂は、セパレータの空隙を失うことにより、絶縁性能が低下する。また、溶融した樹脂が電極合剤層の空隙に入り込むことにより、電極間の間隔が狭まり絶縁性能が低下する。400℃での絶縁層の厚み(Ts)は、3μm以上であることが好ましく、より好ましくは5μm以上である。 The thickness Ts of the insulating layer can be used as an index indicating the insulating property of the separator at high temperature. The porous sheet has voids, and the electrode mixture layer also has voids. The electrodes and the separator may locally reach 400° C. due to overcharge or the like. Therefore, in this case, the insulating property at 400° C. is important. The resin that melts at 400° C. or lower loses the voids of the separator, and thus the insulating performance deteriorates. Further, the melted resin enters the voids of the electrode mixture layer, so that the gap between the electrodes is narrowed and the insulation performance is deteriorated. The thickness (Ts) of the insulating layer at 400° C. is preferably 3 μm or more, and more preferably 5 μm or more.
多孔質シートには、無機多孔質層を積層することができる。無機多孔質層の積層には無機バインダおよび有機バインダを用いることができる。無機バインダとしては、特に限定はされず、シリカ系材料、アルミナ系材料、シリカアルミナ系材料、アルミニウム系、リン酸アルミニウム系材料、銀系等を用いることができる。有機バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)及びこれらの高分子の共重合体を好適に用いることができる。これらのバインダは、単独の材料が用いられてもよいし、2種以上の材料を混合したものが用いられてもよい。 An inorganic porous layer can be laminated on the porous sheet. An inorganic binder and an organic binder can be used for laminating the inorganic porous layer. The inorganic binder is not particularly limited, and silica-based materials, alumina-based materials, silica-alumina-based materials, aluminum-based, aluminum phosphate-based materials, silver-based materials and the like can be used. As the organic binder, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), polymethylmethacrylate (PMMA) and copolymers of these polymers can be preferably used. As these binders, a single material may be used, or a mixture of two or more materials may be used.
セパレータのイオン伝導度の値は、電池の内部抵抗値に大きく影響するため、大きいほうが好ましい。たとえば、リチウム二次電池の電解液は、10-3S/cmであり、これを浸漬した状態で、10−4〜10−6S/cmであることが望ましい。 The ionic conductivity value of the separator has a large effect on the internal resistance value of the battery, and thus a larger value is preferable. For example, the electrolytic solution of the lithium secondary battery is 10 −3 S/cm, and it is desirable that the electrolytic solution is 10 −4 to 10 −6 S/cm in the state of being immersed.
(負極)
負極は、負極活物質が、負極結着剤により一体化された負極活物質層として集電体上に積層された構造を有する。負極活物質は、充放電に伴いリチウムイオンを可逆的に受容、放出可能な材料である。
(Negative electrode)
The negative electrode has a structure in which a negative electrode active material is laminated on a current collector as a negative electrode active material layer integrated with a negative electrode binder. The negative electrode active material is a material capable of reversibly receiving and releasing lithium ions as it is charged and discharged.
本発明の一形態において、負極は、金属および/または金属酸化物ならびに炭素を負極活物質として含む。金属としては、例えば、Li、Al、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La、またはこれらの2種以上の合金等が挙げられる。また、これらの金属又は合金は2種以上混合して用いてもよい。また、これらの金属又は合金は1種以上の非金属元素を含んでもよい。 In one embodiment of the present invention, the negative electrode contains a metal and/or a metal oxide and carbon as a negative electrode active material. Examples of the metal include Li, Al, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn, La, and alloys of two or more of these. .. Moreover, you may use these metals or alloys in mixture of 2 or more types. Also, these metals or alloys may contain one or more non-metallic elements.
金属酸化物としては、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化リチウム、またはこれらの複合物等が挙げられる。本実施形態では、負極活物質として酸化スズもしくは酸化シリコンを含むことが好ましく、酸化シリコンを含むことがより好ましい。これは、酸化シリコンが、比較的安定で他の化合物との反応を引き起こしにくいからである。また、金属酸化物に、窒素、ホウ素および硫黄の中から選ばれる一種または二種以上の元素を、例えば0.1〜5質量%添加することもできる。こうすることで、金属酸化物の電気伝導性を向上させることができる。また、金属や金属酸化物を、たとえば蒸着などの方法で、炭素等の導電物質を用いて被覆することでも、同様に電気伝導度を向上させることができる。 Examples of the metal oxide include silicon oxide, aluminum oxide, tin oxide, indium oxide, zinc oxide, lithium oxide, or a composite of these. In the present embodiment, the negative electrode active material preferably contains tin oxide or silicon oxide, and more preferably contains silicon oxide. This is because silicon oxide is relatively stable and does not easily cause a reaction with other compounds. Further, one or more elements selected from nitrogen, boron and sulfur may be added to the metal oxide, for example, in an amount of 0.1 to 5 mass %. By doing so, the electrical conductivity of the metal oxide can be improved. Further, the electric conductivity can be similarly improved by coating the metal or metal oxide with a conductive material such as carbon by a method such as vapor deposition.
炭素としては、例えば、黒鉛、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、カーボンナノチューブ、またはこれらの複合物等が挙げられる。ここで、結晶性の高い黒鉛は、電気伝導性が高く、銅などの金属からなる負極集電体との接着性および電圧平坦性が優れている。一方、結晶性の低い非晶質炭素は、体積膨張が比較的小さいため、負極全体の体積膨張を緩和する効果が高く、かつ結晶粒界や欠陥といった不均一性に起因する劣化が起きにくい。 Examples of carbon include graphite, amorphous carbon, diamond-like carbon, carbon nanotubes, and composites thereof. Here, graphite having high crystallinity has high electric conductivity, and has excellent adhesiveness to a negative electrode current collector made of a metal such as copper and excellent voltage flatness. On the other hand, since amorphous carbon having low crystallinity has a relatively small volume expansion, it has a high effect of alleviating the volume expansion of the entire negative electrode and is less likely to be deteriorated due to nonuniformity such as grain boundaries and defects.
金属および金属酸化物は、リチウムの受容能力が炭素に比べて遥かに大きいことが特徴である。したがって、負極活物質として金属および金属酸化物を多く使用することで電池のエネルギー密度を改善することができる。高エネルギー密度を達成するため、負極活物質中の金属および/または金属酸化物の含有比率が高い方が好ましく、負極に含まれる炭素のリチウム受容可能な量が、正極のリチウム放出可能な量より少なくなるように、金属および/または金属酸化物を負極中に配合する。本明細書において正極のリチウム放出可能な量、負極に含まれる炭素のリチウム受容可能な量は、それぞれの理論容量を意味する。正極のリチウム放出可能な量に対する負極に含まれる炭素のリチウム受容可能な量の比率は、0.95以下が好ましく、0.9以下がより好ましく、0.8以下がさらに好ましい。金属および/または金属酸化物は、多いほど負極全体としての容量が増加するので好ましい。金属および/または金属酸化物は、負極活物質の0.01質量%以上の量で負極に含まれることが好ましく、0.1質量%以上がより好ましく、1質量%以上が更に好ましい。しかしながら、金属および/または金属酸化物は、炭素にくらべてリチウムを吸蔵・放出した際の体積変化が大きくなり、電気的な接合が失われる場合があることから、99質量%以下、好ましくは90質量%以下、更に好ましくは80質量%以下である。上述した通り、負極活物質は、負極中の充放電に伴いリチウムイオンを可逆的に受容、放出可能な材料であり、それ以外の結着剤などは含まない。 Metals and metal oxides are characterized by a much higher lithium-accepting capacity than carbon. Therefore, the energy density of the battery can be improved by using a large amount of metal and metal oxide as the negative electrode active material. In order to achieve a high energy density, the content ratio of the metal and/or metal oxide in the negative electrode active material is preferably high, and the amount of carbon contained in the negative electrode that can be accepted by lithium is larger than the amount of lithium that can be released by the positive electrode. Metal and/or metal oxides are incorporated in the negative electrode so that the amount thereof is small. In the present specification, the amount of lithium that can be released from the positive electrode and the amount of carbon that can be received by lithium contained in the negative electrode mean the respective theoretical capacities. The ratio of the amount of lithium contained in the negative electrode that can be received by lithium to the amount of lithium that can be released from the positive electrode is preferably 0.95 or less, more preferably 0.9 or less, and further preferably 0.8 or less. The more the amount of the metal and/or the metal oxide is, the more the capacity of the negative electrode as a whole is increased, which is preferable. The metal and/or metal oxide is preferably contained in the negative electrode in an amount of 0.01% by mass or more of the negative electrode active material, more preferably 0.1% by mass or more, still more preferably 1% by mass or more. However, the metal and/or metal oxide has a large volume change when occluding/releasing lithium as compared with carbon, and may lose electrical bonding. Therefore, 99% by mass or less, preferably 90% by mass or less is preferable. It is not more than 80% by mass, more preferably not more than 80% by mass. As described above, the negative electrode active material is a material capable of reversibly receiving and releasing lithium ions as the negative electrode is charged and discharged, and does not include any other binder.
負極用結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル、ポリイミド、ポリアミドイミド等を用いることができる。前記のもの以外にも、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。SBR系エマルジョンのような水系の結着剤を用いる場合、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の増粘剤を用いることもできる。使用する負極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある十分な結着力と高エネルギー化の観点から、負極活物質100質量部に対して、0.5〜20質量部が好ましい。上記の負極用結着剤は、混合して用いることもできる。 As the binder for the negative electrode, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, styrene-butadiene copolymer rubber, polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, Acrylic, polyimide, polyamideimide, etc. can be used. Other than the above, styrene butadiene rubber (SBR) and the like can be mentioned. When an aqueous binder such as SBR emulsion is used, a thickener such as carboxymethyl cellulose (CMC) can also be used. The amount of the negative electrode binder used is preferably 0.5 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material, from the viewpoint of sufficient binding force and high energy which are in a trade-off relationship. The above-mentioned binder for the negative electrode may be mixed and used.
負極活物質は、導電補助材と共に用いることができる。導電補助材としては、具体的には、正極において具体的に例示するものと同様のものを挙げることができ、その使用量も同様とすることができる。 The negative electrode active material can be used together with the conductive auxiliary material. Specific examples of the conductive auxiliary material include the same materials as those specifically exemplified for the positive electrode, and the amount thereof used may be the same.
負極集電体としては、電気化学的な安定性から、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、クロム、銅、銀、およびそれらの合金が好ましい。その形状としては、箔、平板状、メッシュ状が挙げられる。 As the negative electrode current collector, aluminum, nickel, stainless steel, chromium, copper, silver, and alloys thereof are preferable from the viewpoint of electrochemical stability. Examples of the shape include foil, flat plate, and mesh.
負極活物質を含む塗工層には、インピーダンスを低下させる目的で、導電補助材を添加してもよい。導電補助材としては、鱗片状、煤状、繊維状の炭素質微粒子等、例えば、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック、気相法炭素繊維(昭和電工製VGCF(登録商標))等が挙げられる。 A conductive auxiliary material may be added to the coating layer containing the negative electrode active material for the purpose of lowering impedance. Examples of the conductive auxiliary material include scale-like, soot-like, and fibrous carbonaceous fine particles, such as graphite, carbon black, acetylene black, and vapor grown carbon fiber (VGCF (registered trademark) manufactured by Showa Denko KK).
負極活物質層の形成方法としては、ドクターブレード法、ダイコーター法、CVD法、スパッタリング法等が挙げられる。予め負極活物質層を形成した後に、蒸着、スパッタ等の方法でアルミニウム、ニッケルまたはそれらの合金の薄膜を形成して、負極集電体としてもよい。 Examples of the method for forming the negative electrode active material layer include a doctor blade method, a die coater method, a CVD method, and a sputtering method. After forming the negative electrode active material layer in advance, a thin film of aluminum, nickel, or an alloy thereof may be formed by a method such as vapor deposition or sputtering to serve as the negative electrode current collector.
(正極)
正極とは、電池内における高電位側の電極のことをいい、一例として、充放電に伴いリチウムイオンを可逆的に受容、放出可能な正極活物質を含み、正極活物質が正極結着剤により一体化された正極活物質層として集電体上に積層された構造を有する。本発明の一形態において、正極は、単位面積当たりの充電容量を3mAh/cm2以上有し、好ましくは3.5mAh/cm2以上有する。また、安全性の観点などから単位面積当たりの正極の充電容量が、15mAh/cm2以下であることが好ましい。ここで、単位面積当たり充電容量とは、活物質の理論容量から計算される。すなわち、単位面積当たりの正極の充電容量は、(正極に用いられる正極活物質の理論容量)/(正極の面積)によって計算される。なお、正極の面積とは、正極両面ではなく片面の面積のことを言う。
(Positive electrode)
The positive electrode refers to an electrode on the high potential side in the battery, and includes, for example, a positive electrode active material capable of reversibly receiving and releasing lithium ions with charge and discharge, and the positive electrode active material is a positive electrode binder. It has a structure in which it is laminated on the current collector as an integrated positive electrode active material layer. In one embodiment of the present invention, the positive electrode has a charge capacity per unit area of 3 mAh/cm 2 or more, preferably 3.5 mAh/cm 2 or more. In addition, from the viewpoint of safety, the charge capacity of the positive electrode per unit area is preferably 15 mAh/cm 2 or less. Here, the charge capacity per unit area is calculated from the theoretical capacity of the active material. That is, the charge capacity of the positive electrode per unit area is calculated by (theoretical capacity of the positive electrode active material used for the positive electrode)/(area of the positive electrode). The area of the positive electrode refers to the area of one surface of the positive electrode, not both surfaces.
正極の高エネルギー密度化のため、正極に使用される正極活物質は、リチウムを受容放出するもので、より高容量の化合物であることが好ましい。高容量の化合物としては、リチウム酸ニッケル(LiNiO2)のNiの一部を他の金属元素で置換したリチウムニッケル複合酸化物が挙げられ、下式(A)で表される層状リチウムニッケル複合酸化物が好ましい。 In order to increase the energy density of the positive electrode, the positive electrode active material used for the positive electrode receives and releases lithium and is preferably a compound having a higher capacity. Examples of the high-capacity compound include a lithium nickel composite oxide obtained by substituting a part of Ni of nickel lithium oxide (LiNiO 2 ) with another metal element, and a layered lithium nickel composite oxide represented by the following formula (A). The thing is preferable.
LiyNi(1−x)MxO2 (A)
(但し、0≦x<1、0<y≦1.2、MはCo、Al、Mn、Fe、Ti及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。)
Li y Ni (1-x) M x O 2 (A)
(However, 0≦x<1, 0<y≦1.2, and M is at least one element selected from the group consisting of Co, Al, Mn, Fe, Ti, and B.)
高容量の観点では、Niの含有量が高いこと、即ち式(A)において、xが0.5未満が好ましく、さらに0.4以下が好ましい。このような化合物としては、例えば、LiαNiβCoγMnδO2(0<α≦1.2好ましくは1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.7、γ≦0.2)、LiαNiβCoγAlδO2(0<α≦1.2好ましくは1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.6好ましくはβ≧0.7、γ≦0.2)などが挙げられ、特に、LiNiβCoγMnδO2(0.75≦β≦0.85、0.05≦γ≦0.15、0.10≦δ≦0.20)が挙げられる。より具体的には、例えば、LiNi0.8Co0.05Mn0.15O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiNi0.8Co0.1Al0.1O2等を好ましく用いることができる。 From the viewpoint of high capacity, the content of Ni is high, that is, in the formula (A), x is preferably less than 0.5, more preferably 0.4 or less. Examples of such a compound include Li α Ni β Co γ Mn δ O 2 (0<α≦1.2, preferably 1≦α≦1.2, β+γ+δ=1, β≧0.7, γ≦0 .2), Li α Ni β Co γ Al δ O 2 (0<α≦1.2, preferably 1≦α≦1.2, β+γ+δ=1, β≧0.6, preferably β≧0.7, γ ≦0.2) and the like, and particularly LiNi β Co γ Mn δ O 2 (0.75≦β≦0.85, 0.05≦γ≦0.15, 0.10≦δ≦0.20 ) Is mentioned. More specifically, for example, LiNi 0.8 Co 0.05 Mn 0.15 O 2, LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 and the like can be preferably used.
また、熱安定性の観点では、Niの含有量が0.5を超えないこと、即ち、式(A)において、xが0.5以上であることも好ましい。また特定の遷移金属が半数を超えないことも好ましい。このような化合物としては、LiαNiβCoγMnδO2(0<α≦1.2好ましくは1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、0.2≦β≦0.5、0.1≦γ≦0.4、0.1≦δ≦0.4)が挙げられる。より具体的には、LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2(NCM433と略記)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523と略記)、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2(NCM532と略記)など(但し、これらの化合物においてそれぞれの遷移金属の含有量が10%程度変動したものも含む)を挙げることができる。 From the viewpoint of thermal stability, it is also preferable that the Ni content does not exceed 0.5, that is, x in the formula (A) is 0.5 or more. It is also preferable that the number of specific transition metals does not exceed half. As such a compound, Li α Ni β Co γ Mn δ O 2 (0<α≦1.2, preferably 1≦α≦1.2, β+γ+δ=1, 0.2≦β≦0.5, 0 1≦γ≦0.4, 0.1≦δ≦0.4). More specifically, LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 2 (abbreviated as NCM433), LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 0.5 Co 0.2 Mn. 0.3 O 2 (abbreviated as NCM523), LiNi 0.5 Co 0.3 Mn 0.2 O 2 (abbreviated as NCM532), etc. (However, the content of each transition metal in these compounds varies by about 10%. (Including those that have been done).
また、式(A)で表される化合物を2種以上混合して使用してもよく、例えば、NCM532またはNCM523とNCM433とを9:1〜1:9の範囲(典型的な例として、2:1)で混合して使用することも好ましい。さらに、式(A)においてNiの含有量が高い材料(xが0.4以下)と、Niの含有量が0.5を超えない材料(xが0.5以上、例えばNCM433)とを混合することで、高容量で熱安定性の高い電池を構成することもできる。 Further, two or more compounds represented by the formula (A) may be mixed and used, and for example, NCM532 or NCM523 and NCM433 in a range of 9:1 to 1:9 (as a typical example, 2 It is also preferable to use the mixture in 1). Further, in the formula (A), a material having a high Ni content (x is 0.4 or less) and a material having a Ni content not exceeding 0.5 (x is 0.5 or more, for example, NCM433) are mixed. By doing so, a battery with high capacity and high thermal stability can be constructed.
上記以外にも正極活物質として、例えば、LiMnO2、LixMn2O4(0<x<2)、Li2MnO3、LixMn1.5Ni0.5O4(0<x<2)等の層状構造またはスピネル構造を有するマンガン酸リチウム;LiCoO2またはこれらの遷移金属の一部を他の金属で置き換えたもの;これらのリチウム遷移金属酸化物において化学量論組成よりもLiを過剰にしたもの;及びLiFePO4などのオリビン構造を有するもの等が挙げられる。さらに、これらの金属酸化物をAl、Fe、P、Ti、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La等により一部置換した材料も使用することができる。上記に記載した正極活物質はいずれも、1種を単独で、または2種以上を組合せて用いることができる。 In addition to the above, examples of the positive electrode active material include LiMnO 2 , Li x Mn 2 O 4 (0<x<2), Li 2 MnO 3 , Li x Mn 1.5 Ni 0.5 O 4 (0<x< 2) Lithium manganate having a layered structure or spinel structure such as; LiCoO 2 or some of these transition metals replaced with other metals; Li in these lithium transition metal oxides rather than stoichiometric composition Excessive ones; and those having an olivine structure such as LiFePO 4 are included. Further, materials obtained by partially replacing these metal oxides with Al, Fe, P, Ti, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn, La, etc. Can also be used. Each of the positive electrode active materials described above can be used alone or in combination of two or more.
正極用結着剤としては、負極用結着剤と同様のものを用いることができる。中でも、汎用性や低コストの観点から、ポリフッ化ビニリデンまたはポリテトラフルオロエチレンが好ましく、ポリフッ化ビニリデンがより好ましい。使用する正極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」の観点から、正極活物質100質量部に対して、2〜10質量部が好ましい。 As the positive electrode binder, the same binder as the negative electrode binder can be used. Among them, from the viewpoint of versatility and low cost, polyvinylidene fluoride or polytetrafluoroethylene is preferable, and polyvinylidene fluoride is more preferable. The amount of the positive electrode binder used is preferably 2 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material, from the viewpoints of “sufficient binding force” and “energy increase” which are in a trade-off relationship. ..
正極活物質を含む塗工層には、インピーダンスを低下させる目的で、導電補助材を添加してもよい。導電補助材としては、鱗片状、煤状、線維状の炭素質微粒子等、例えば、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック、気相法炭素繊維(例えば、昭和電工製VGCF)等が挙げられる。 A conductive auxiliary material may be added to the coating layer containing the positive electrode active material for the purpose of lowering impedance. Examples of the conductive auxiliary material include scale-like, soot-like, fibrous carbonaceous fine particles and the like, for example, graphite, carbon black, acetylene black, vapor grown carbon fiber (for example, VGCF manufactured by Showa Denko) and the like.
正極集電体としては、負極集電体と同様のものを用いることができる。特に正極としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄・ニッケル・クロム・モリブデン系のステンレスを用いた集電体が好ましい。 As the positive electrode current collector, the same one as the negative electrode current collector can be used. In particular, as the positive electrode, a collector made of aluminum, aluminum alloy, iron/nickel/chromium/molybdenum-based stainless steel is preferable.
正極は、負極と同様に、正極集電体上に、正極活物質と正極用結着剤を含む正極活物質層を形成することで作製することができる。 Like the negative electrode, the positive electrode can be produced by forming a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material and a positive electrode binder on a positive electrode current collector.
(電解液)
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電解液としては特に限定されないが、電池の動作電位において安定な非水溶媒と支持塩を含む非水電解液が好ましい。
(Electrolyte)
The electrolytic solution of the lithium-ion secondary battery according to this embodiment is not particularly limited, but a non-aqueous electrolytic solution containing a non-aqueous solvent and a supporting salt that is stable at the operating potential of the battery is preferable.
非水溶媒の例としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類;プロピレンカーボネート誘導体、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類;ジエチルエーテル、エチルプロピルエーテル等のエーテル類、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリオクチル、リン酸トリフェニル等のリン酸エステル類等の非プロトン性有機溶媒、及び、これらの化合物の水素原子の少なくとも一部をフッ素原子で置換したフッ素化非プロトン性有機溶媒等が挙げられる。 Examples of the non-aqueous solvent include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), and other cyclic carbonates; dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylmethyl carbonate (EMC), Chain carbonates such as dipropyl carbonate (DPC); propylene carbonate derivatives, aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl propionate; ethers such as diethyl ether and ethyl propyl ether, trimethyl phosphate, Aprotic organic solvents such as phosphoric acid esters such as triethyl phosphate, tripropyl phosphate, trioctyl phosphate, triphenyl phosphate, and fluorine in which at least a part of hydrogen atoms of these compounds are substituted with fluorine atoms. Aprotic organic solvent and the like.
金属または金属酸化物を負極に含む二次電池において、それらが劣化して崩壊することで、表面積が増大し電解液の分解を促進する場合がある。電解液の分解により生じるガスは負極のリチウムイオンの受容を阻害する要因の1つである。このため、本発明のように金属および/または金属酸化物の負極中の含有比率が多いリチウムイオン二次電池においては、耐酸化性が高く、分解しにくい溶媒が好ましい。耐酸化性の強い溶媒として、例えば、フッ素化エーテルやフッ素化リン酸エステルなどのフッ素化非プロトン性有機溶媒が挙げられる。 In a secondary battery containing a metal or a metal oxide in the negative electrode, they may deteriorate and disintegrate, which may increase the surface area and accelerate the decomposition of the electrolytic solution. The gas generated by the decomposition of the electrolytic solution is one of the factors that inhibit the acceptance of lithium ions in the negative electrode. Therefore, in the lithium ion secondary battery having a large content ratio of the metal and/or the metal oxide in the negative electrode as in the present invention, a solvent having high oxidation resistance and hardly decomposed is preferable. Examples of the solvent having strong oxidation resistance include fluorinated aprotic organic solvents such as fluorinated ethers and fluorinated phosphates.
その他にもエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(MEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の環状または鎖状カーボネート類も特に好ましい溶媒として挙げられる。 In addition, cyclic such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylmethyl carbonate (MEC), dipropyl carbonate (DPC) or the like. Chain carbonates are also mentioned as particularly preferable solvents.
非水溶媒は、1種を単独で、または2種以上を組み合わせて使用することができる。 The non-aqueous solvent may be used alone or in combination of two or more.
支持塩としては、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2等のリチウム塩が挙げられる。支持塩は、1種を単独で、または2種以上を組み合わせて使用することができる。低コスト化の観点からはLiPF6が好ましい。 As the supporting salt, LiPF 6, LiAsF 6, LiAlCl 4, LiClO 4, LiBF 4, LiSbF 6, LiCF 3 SO 3, LiC 4 F 9 SO 3, LiC (CF 3 SO 2) 3, LiN (CF 3 SO 2 ) 2 etc. lithium salt is mentioned. The supporting salts may be used alone or in combination of two or more. LiPF 6 is preferable from the viewpoint of cost reduction.
電解液は、さらに添加剤を含むことができる。添加剤としては特に限定されるものではないが、ハロゲン化環状カーボネート、不飽和環状カーボネート、及び、環状または鎖状ジスルホン酸エステル等が挙げられる。これらの化合物を添加することにより、サイクル特性等の電池特性を改善することができる。これは、これらの添加剤がリチウムイオン二次電池の充放電時に分解して電極活物質の表面に皮膜を形成し、電解液や支持塩の分解を抑制するためと推定される。 The electrolytic solution may further contain an additive. The additive is not particularly limited, and examples thereof include halogenated cyclic carbonate, unsaturated cyclic carbonate, and cyclic or chain disulfonic acid ester. By adding these compounds, battery characteristics such as cycle characteristics can be improved. It is presumed that this is because these additives are decomposed during charge/discharge of the lithium ion secondary battery to form a film on the surface of the electrode active material and suppress decomposition of the electrolytic solution and the supporting salt.
次に、上述した電池の製法および応用例等を説明する。 Next, a method of manufacturing the above-mentioned battery and an application example thereof will be described.
[二次電池の製造方法]
前述した積層ラミネート型のリチウムイオン二次電池は、例えば、次のようにして作製することができる。まず、前述のようにして複数の正極12および複数の負極11を作製する。
[Method of manufacturing secondary battery]
The above-mentioned laminated laminate type lithium ion secondary battery can be produced, for example, as follows. First, the plurality of
次に、乾燥空気または不活性雰囲気において、筒状に形成されたセパレータ13に正極12が収納された正極入りセパレータを作製する。正極入りセパレータの作製は、前述したように、正極12を第1の部分131と第2の部分132との間に配置した後に第1の部分131と第2の部分132とを接合することによって作製することができる。この場合は、正極タブ10bがセパレータ13から延長する部分を除いて正極12の全周にわたって接合部133を形成してもよい。あるいは、2辺または3辺で第1の部分131と第2の部分132とが接合された筒状のセパレータ13を作製した後に、このセパレータ13に正極12を挿入することによって、正極入りセパレータを作製することもできる。この場合は、セパレータ13に正極12を挿入した後に、接合されていない残りの辺で第1の部分131と第2の部分132とを接合することによって、正極タブ10bがセパレータ13から延長する部分を除いて正極12の全周にわたって接合部133を形成することができる。
Next, in dry air or an inert atmosphere, a positive electrode-containing separator in which the
以上のようにして複数の正極入りセパレータを作製し、これらを負極11と交互に重ね合わせる。このとき、正極入りセパレータおよび負極11の向きを、負極11ごとおよび正極入りセパレータごとに揃え、負極11の延長部同士および正極12の延長部同士をそれぞれ接合し、負極タブ10aおよび正極タブ10bを形成する。これにより、複数の正極12および複数の負極11がセパレータ13を介して積層された電極積層体10が作製される。正極12および負極11の積層数は、目的とする電池の容量に応じて決定される。なお、上記の例では正極12のみをセパレータ13に収納しているが、負極11のみをセパレータ13に収納することも可能である。
A plurality of positive electrode-containing separators are produced as described above, and these are alternately stacked on the
次に、負極タブ10aに負極端子31を接合するとともに、正極端部10bに正極端子32を接合する。これら端子の接合後、電極積層体10を外装体に収納する。外装体としてラミネートフィルムを用いた場合、電極積層体10の周囲でラミネートフィルムを熱融着することによって、外装体へ電極積層体10を収納することができる。このとき、負極探知31および正極端子32は外装体から突出させた状態とされる。また、ラミネートフィルムは、後工程で電解液を注入するための開口部となる部分を残して熱融着される。
Next, the
外装体への電極積層体10の収納後、外装体の開口部から電解液を注入し、電極積層体10に電解液を含浸させる。その後、開口部を封入し、これによって二次電池が製造される。
After housing the
上述した積層構造の電池は、一般的なセパレータを用いた場合に熱収縮によるセパレータの変形や位置ずれが生じやすいことから、本発明により大きな作用効果が得られる好ましい形態の1つである。 The battery having the above-described laminated structure is one of the preferable modes in which the present invention can obtain a large operational effect because the separator is likely to be deformed or displaced due to thermal contraction when a general separator is used.
[組電池]
複数の二次電池を組み合わせて組電池とすることができる。組電池は、例えば、本実施形態に係る2以上の二次電池を、直列および/または並列に接続した構成とすることができる。二次電池の直列数および並列数はそれぞれ、組電池の目的とする電圧および容量似応じて適宜選択することができる。
[Battery pack]
A plurality of secondary batteries can be combined to form an assembled battery. The assembled battery can be configured, for example, by connecting two or more secondary batteries according to the present embodiment in series and/or in parallel. The number of series and the number of parallel of the secondary batteries can be appropriately selected according to the target voltage and capacity similarity of the assembled battery.
[車両]
上述した二次電池またはその組電池は、車両に用いることができる。二次電池または組電池を利用できる車両としては、ハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バス等の商用車、軽自動車等)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)が挙げられる。なお、本実施形態に係る車両は自動車に限定されるわけではなく、他の車両、例えば電車等の移動体の各種電源として用いることもできる。このような車両の一例として、図9に電気自動車の模式図を示す。図9に示す電気自動車200は、上述した二次電池を複数、直列および並列に接続し、必要とされる電圧および容量を満たすように構成された組電池210を有する。
[vehicle]
The secondary battery or the assembled battery thereof described above can be used in a vehicle. Vehicles that can use secondary batteries or assembled batteries include hybrid vehicles, fuel cell vehicles, and electric vehicles (all are four-wheel vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, buses, and light vehicles), as well as two-wheel vehicles (motorcycles). And including tricycles). The vehicle according to the present embodiment is not limited to an automobile, but can be used as various power sources for other vehicles, for example, a moving body such as a train. As an example of such a vehicle, FIG. 9 shows a schematic diagram of an electric vehicle. The
[蓄電装置]
上述した二次電池またはその組電池は、蓄電装置に用いることができる。二次電池または組電池を利用した蓄電装置としては、例えば、一般家庭に供給される商用電源と家電製品等の負荷との間に接続され、停電時等のバックアップ電源や補助電源として使用されるものや、太陽光発電等の、再生可能エネルギーによる時間変動の大きい電力出力を安定化するための、大規模電力貯蔵用としても使用されるものが挙げられる。このような蓄電装置の一例を、図10に模式的に示す。図10に示す蓄電装置300は、上述した二次電池を複数、直列および並列に接続し、必要とされる電圧および容量を満たすように構成された組電池310を有する。
[Power storage device]
The secondary battery or the assembled battery thereof described above can be used for a power storage device. As a power storage device using a secondary battery or an assembled battery, for example, it is connected between a commercial power supply supplied to a general home and a load such as a home electric appliance, and used as a backup power supply or an auxiliary power supply at the time of power failure. There are also those used for large-scale electric power storage, such as solar power generation, for stabilizing electric power output with large time fluctuation due to renewable energy. An example of such a power storage device is schematically shown in FIG. A
[その他]
さらに、上述した二次電池またはその組電池は、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器の電源などとしてもとして利用できる。
[Other]
Furthermore, the above-mentioned secondary battery or its assembled battery can be used as a power source for mobile devices such as mobile phones and notebook computers.
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
[実施例1]
(正極の作製)
層状リチウムニッケル複合酸化物(LiNi0.8Co1.5Al0.05O2)と、カーボンブラック(商品名:「#3030B」、三菱化学株式会社製)と、ポリフッ化ビニリデン(商品名:「W#7200」、株式会社クレハ製)とを、それぞれ93:2:5の質量比で計量した。これらと、N−メチルピロリドン(NMP)とを混合し、スラリーとした。NMPと固形分との質量比は54:46とした。このスラリーを正極活物質として厚さ15μmのアルミニウム箔(正極集電体)にドクターブレードを用いて塗布した。このスラリーが塗布されたアルミニウム箔を120℃で5分間加熱してNMPを乾燥し、正極を作製した。
[Example 1]
(Preparation of positive electrode)
Layered lithium nickel composite oxide (LiNi 0.8 Co 1.5 Al 0.05 O 2 ), carbon black (trade name: “#3030B”, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), and polyvinylidene fluoride (trade name: "W#7200" manufactured by Kureha Co., Ltd.) were weighed at a mass ratio of 93:2:5, respectively. These were mixed with N-methylpyrrolidone (NMP) to obtain a slurry. The mass ratio of NMP and solid content was 54:46. This slurry was applied as a positive electrode active material to a 15 μm thick aluminum foil (positive electrode current collector) using a doctor blade. The aluminum foil coated with this slurry was heated at 120° C. for 5 minutes to dry the NMP to prepare a positive electrode.
(負極の作製)
人造黒鉛とカルボキメチルセルロース(CMC)の1質量%の水溶液を、自転・公転ミキサー(株式会社シンキー製 あわとり錬太郎 ARE−500)を用いて混練し、その後スチレンブタジエン共重合体(SBR)を加え、負極スラリーを調製した。人造黒鉛とCMCとSBRとの質量比は97:1:2とした。このスラリーを負極活物質として厚さ10μmの銅箔(負極集電体)上にドクターブレードで塗布した後、110℃で5分間加熱乾燥し、負極を作製した。
(Preparation of negative electrode)
A 1% by mass aqueous solution of artificial graphite and carboxymethylcellulose (CMC) was kneaded using a rotation/revolution mixer (Awatori Rentaro ARE-500 manufactured by Shinky Co., Ltd.), and then a styrene-butadiene copolymer (SBR) was added. A negative electrode slurry was prepared. The mass ratio of artificial graphite, CMC and SBR was 97:1:2. This slurry was applied as a negative electrode active material onto a copper foil (negative electrode current collector) having a thickness of 10 μm with a doctor blade, and then dried by heating at 110° C. for 5 minutes to prepare a negative electrode.
(セパレータの作製)
セパレータには、多孔質シートとして単層の全芳香族ポリアミド(アラミド)微多孔膜を用いた。このアラミド微多孔膜は、厚みが25μm、平均空隙径が0.5μm、空隙率が60%であった。このアラミド微多孔膜を長方形に切断し2枚重ねた。次に、重ねた2枚のアラミド微多孔膜を80℃のホットプレート上に載せ、二つ折りにしてNMPを含浸させたろ紙をアラミド微多孔膜の周辺部3辺に沿って押し付け、NMPを転写した。NMPの塗布量は、別途行ったホットプレートを用いない常温での転写試験において、1.0μL/cm2であることを重量法により確認した。アラミド微多孔膜はそのままホットプレート上で1時間放置した。これによって、NMPが転写された部分で2枚のアラミド微多孔膜が一体化された接合部がアラミド微多孔膜の3辺に沿って線状に形成された袋状のセパレータを得た。なお、得られたセパレータの重量を測定したところ、NMPは乾燥して失われていることを確認した。また、得られた接合部の幅は0.1mmであった。さらに、得られたセパレータについて、接合部を目視で確認することによって、接合性の評価を行った。
(Preparation of separator)
For the separator, a single layer wholly aromatic polyamide (aramid) microporous membrane was used as a porous sheet. The aramid microporous membrane had a thickness of 25 μm, an average void diameter of 0.5 μm, and a porosity of 60%. This aramid microporous membrane was cut into a rectangular shape and two pieces were stacked. Next, the two stacked aramid microporous membranes were placed on a hot plate at 80°C, folded in two and pressed with NMP-impregnated filter paper along the three sides of the peripheral portion of the aramid microporous membrane to transfer the NMP. did. It was confirmed by a gravimetric method that the amount of NMP applied was 1.0 μL/cm 2 in a separately performed transfer test at room temperature without using a hot plate. The aramid microporous membrane was left as it was on a hot plate for 1 hour. As a result, a bag-shaped separator was obtained in which the joint portion where the two aramid microporous membranes were integrated at the portion where NMP was transferred was linearly formed along the three sides of the aramid microporous membrane. When the weight of the obtained separator was measured, it was confirmed that NMP was dried and lost. In addition, the width of the obtained joint portion was 0.1 mm. Furthermore, the bondability of the obtained separator was evaluated by visually confirming the bonded portion.
また、接合部の耐熱性および収縮性を確認する目的で、得られたセパレータを200℃のホットプレート上で10分間加熱した。加熱後のセパレータについて、接合部での剥がれの有無および収縮の有無を目視で確認することによって、耐熱性の評価および収縮性の評価を行った。 Further, the obtained separator was heated on a hot plate at 200° C. for 10 minutes for the purpose of confirming heat resistance and shrinkage of the bonded portion. With respect to the separator after heating, the presence or absence of peeling and the presence or absence of shrinkage at the joint were visually checked to evaluate the heat resistance and the shrinkability.
(二次電池の作製)
次に、正極タブとなる正極活物質の未塗布部を有するように複数の正極を切り出した。切り出した複数の正極を、乾燥空気または不活性雰囲気において、袋状に加工したセパレータに1枚ずつ格納した。負極についても、正極と同様、負極タブとなる負極活物質の未塗布部を有するように複数の負極を切り出した。セパレータに格納された複数の正極と複数の負極とを、それぞれの活物質の未塗布部が互いに反対向きになるように、交互に重ね合わせて電極積層体を形成した。正極の正極活物質の未塗布部をまとめて正極端子と接合するとともに、負極の負極活物質の未塗布部をまとめて負極端子と接合した。次に、この電極積層体を、外装体(容器)に収容し、非水電解液を注入して、電極積層体に電解液を含浸させた。電解液には、電解質として1.0mol/lのLiPF6と、非水電解溶媒としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒(7:3(体積比))を含む溶液を用いた。その後、外装体の開口部を封止して二次電池を完成した。
(Preparation of secondary battery)
Next, a plurality of positive electrodes were cut out so as to have an uncoated portion of the positive electrode active material that became the positive electrode tab. A plurality of the cut-out positive electrodes were stored one by one in a bag-shaped separator in dry air or an inert atmosphere. Similarly to the positive electrode, a plurality of negative electrodes were cut out so that the negative electrode had an uncoated portion of the negative electrode active material that became the negative electrode tab. A plurality of positive electrodes and a plurality of negative electrodes stored in the separator were alternately stacked so that the uncoated portions of the active materials were in opposite directions to form an electrode laminate. The uncoated portions of the positive electrode active material of the positive electrode were collectively joined to the positive electrode terminal, and the uncoated portions of the negative electrode active material of the negative electrode were collectively joined to the negative electrode terminal. Next, this electrode laminated body was housed in an exterior body (container), and a nonaqueous electrolytic solution was injected to impregnate the electrode laminated body with the electrolytic solution. As the electrolytic solution, a solution containing 1.0 mol/l of LiPF 6 as an electrolyte and a mixed solvent (7:3 (volume ratio)) of ethylene carbonate and diethyl carbonate as a non-aqueous electrolytic solvent was used. Then, the opening of the outer package was sealed to complete the secondary battery.
上述のように作製した二次電池について、振動を与えた。振動は、15分間で振動数7Hzから200Hzを経由して7Hzに復帰する掃引振動とし、これを、X,Y,Zの3方向についてそれぞれ12セットずつ実施した。電池に振動を与えた後、初回放電容量を測定した。初回充放電の条件は、0.05Cの電流、20℃環境下、4.2V上限、2.5V下限とした。このとき、短絡により充電できなかったものを、振動試験後の短絡としてカウントした。 Vibration was applied to the secondary battery manufactured as described above. The vibration was a sweep vibration that returned from the frequency of 7 Hz to 7 Hz through 200 Hz in 15 minutes, and 12 sets were performed for each of the three directions of X, Y, and Z. After giving vibration to the battery, the initial discharge capacity was measured. The conditions of the first charge/discharge were a current of 0.05 C, an environment of 20° C., an upper limit of 4.2 V and a lower limit of 2.5 V. At this time, what could not be charged due to a short circuit was counted as a short circuit after the vibration test.
[実施例2]
セパレータの作製において多孔質シートを接合するのに、アラミド樹脂を10質量%溶解したNMP溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様に二次電池を作製し、実施例1と同じ評価を行った。
[Example 2]
A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that an NMP solution in which 10% by mass of an aramid resin was dissolved was used to bond the porous sheets in the production of the separator, and the same evaluation as in Example 1 was performed. went.
[実施例3]
多孔質シートとしてポリイミド微多孔膜(厚み20μm、平均空隙径0.3μm、空隙率80%)を用い、これを袋状とする接合部を形成するために塗布した溶液の塗布量を3μL/cm2としたこと以外は、実施例2と同様に二次電池を作製し、実施例1と同じ評価を行った。
[Example 3]
A polyimide microporous film (thickness 20 μm, average void diameter 0.3 μm, porosity 80%) is used as the porous sheet, and the coating amount of the solution applied to form a bag-shaped joint is 3 μL/cm. A secondary battery was produced in the same manner as in Example 2 except that the number was changed to 2, and the same evaluation as in Example 1 was performed.
[実施例4]
多孔質シートとしてポリフェニレンスルフィド微多孔膜(厚み20μm、平均空隙径0.5μm、空隙率40%)を用いたこと以外は、実施例2と同様に二次電池を作製し、実施例1と同じ評価を行った。
[Example 4]
A secondary battery was prepared in the same manner as in Example 2 except that a polyphenylene sulfide microporous membrane (thickness 20 μm, average void diameter 0.5 μm, porosity 40%) was used as the porous sheet, and the same as Example 1. An evaluation was made.
[実施例5]
多孔質シートの接合に用いたホットプレートの温度を120℃としたこと以外は、実施例1と同様に二次電池を作製し、実施例1と同じ評価を行った。
[Example 5]
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the hot plate used for joining the porous sheets was 120° C., and the same evaluation as in Example 1 was performed.
[実施例6]
多孔質シートの接合に用いたホットプレートの温度を120℃としたこと以外は、実施例3と同様に二次電池を作製し、実施例1と同じ評価を行った。
[Example 6]
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 3 except that the temperature of the hot plate used for joining the porous sheets was 120° C., and the same evaluation as in Example 1 was performed.
[実施例7]
多孔質シートの接合に用いたNMPの塗布量を10μL/cm2としたこと以外は、実施例1と同様に二次電池を作製し、実施例1と同じ評価を行った。多孔質シートの接合部分にシワが生じたため作業性が悪く、正極を格納するのに実施例1の2倍の時間を要した。
[Example 7]
Except that the coating fabric of NMP was used for bonding of the porous sheet was 10 [mu] L / cm @ 2 is then produced in the same manner as in the secondary battery in Example 1 and subjected to the same evaluation as in Example 1. Workability was poor because wrinkles were formed at the joined portion of the porous sheet, and it took twice as long as Example 1 to store the positive electrode.
[比較例1]
多孔質シートとしてポリイミド微多孔膜(厚み20μm、平均空隙径0.3μm、空隙率80%)を用い、それを袋状とする接合部を形成するために塗布したNMPの塗布量を3μL/cm2としたこと以外は、実施例1と同様に二次電池を作製し、実施例1と同じ評価を行った。ただし、多孔質シートは接合されず袋状のセパレータを得ることができなかったため、正極と負極を交互に積層し、それぞれのタブを電極端子と接合した後に、各電極間にシート状のセパレータを挟むことにより電極積層体を形成した。
[Comparative Example 1]
A polyimide microporous film (thickness 20 μm, average void diameter 0.3 μm, porosity 80%) is used as a porous sheet, and the coating amount of NMP applied to form a bag-shaped joint is 3 μL/cm. A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the number was changed to 2 , and the same evaluation as in Example 1 was performed. However, since the porous sheet was not joined and the bag-shaped separator could not be obtained, the positive electrode and the negative electrode were alternately laminated, and after each tab was bonded to the electrode terminal, the sheet-shaped separator was interposed between the electrodes. An electrode laminated body was formed by sandwiching.
[比較例2]
セパレータの作製において多孔質シートを接合するのにエタノールを用いたこと以外は、実施例1と同様に二次電池を作製し、実施例1と同じ評価を行った。ただし、多孔質シートは接合されず袋状のセパレータを得ることができなかったため、正極と負極を交互に積層し、それぞれのタブを電極端子と接合した後に、各電極間にシート状のセパレータを挟むことにより積層体を形成した。
[Comparative example 2]
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that ethanol was used to join the porous sheets in the production of the separator, and the same evaluation as in Example 1 was performed. However, since the porous sheet was not joined and the bag-shaped separator could not be obtained, the positive electrode and the negative electrode were alternately laminated, and after each tab was bonded to the electrode terminal, the sheet-shaped separator was interposed between the electrodes. A sandwich was formed by sandwiching.
[比較例3]
セパレータの作製において多孔質シートを接合するのに、ポリスチレン樹脂を10質量%溶解したトルエン溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様に二次電池を作製し、実施例1と同じ評価を行った。
[Comparative Example 3]
A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a toluene solution in which a polystyrene resin was dissolved in 10% by mass was used to bond the porous sheets in the production of the separator, and the same evaluation as in Example 1 was performed. went.
表1に、実施例1〜7および比較例1〜3について、セパレータの主な作製条件、多孔質シートの接合部の評価結果、および得られた二次電池の振動試験結果を示す。表1において、接合性についての評価結果は、剥がれが生じていないものについては「○」、剥がれが生じているものについては「×」で表した。接合部の耐熱性の評価結果は、剥がれの発生が認められなかったものについては「○」、剥がれの発生が認められたものについては「×」で表した。収縮性の評価結果は、加熱の前後で収縮による皺の発生やセパレータの変形など、外観上の変化が認められなかったものは「○」、収縮は認められないが接合部の周辺に皺が認められたものは「△」、接合部以外での皺の発生やセパレータの変形など、加熱の前後で外観上の変化が認められたものは「×」で表した。 Table 1 shows, for Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3, main preparation conditions of the separator, evaluation results of the joint portion of the porous sheet, and vibration test results of the obtained secondary batteries. In Table 1, the evaluation results of the bondability are represented by “◯” for those without peeling and “x” for those with peeling. The evaluation results of the heat resistance of the joints are represented by “◯” when the occurrence of peeling was not observed, and by “x” when the occurrence of peeling was observed. The shrinkage evaluation result is ``○'' if no change in appearance such as wrinkling due to shrinkage before and after heating or deformation of the separator was observed, and no shrinkage was observed but wrinkles around the joint. Those that were observed were indicated by “Δ”, and those that were observed in appearance changes before and after heating, such as wrinkles other than at the joints and deformation of the separator, are indicated by “x”.
実施例1、5および7は、いずれもアラミドで作られた微多孔膜を多孔質シートとして用いたうえで、アラミドを溶解することが可能なNMPを接合剤として用いることで、袋状への加工が行えた。ただし、実施例5は接合時の温度が高かったため、乾燥は早いものの溶解性が高くなり、均一な接合性に劣る結果となった。また、実施例7は過剰量のNMPを用いたため、含浸性の高い微多孔膜に対して接合剤を均一な線状に塗布することができず、実施例1、5と比較して皺状に拡がりをもった接合部が形成された。一方、比較例1では、接合剤としてNMPを用いたが、多孔質シートとしてはポリイミドで作られた微多孔膜を用いた。ポリイミドはNMPに溶解も膨潤もしなかったため、結果的に、ポリイミド微多孔膜を接合することができなかった。 In each of Examples 1, 5 and 7, a microporous membrane made of aramid was used as a porous sheet, and then NMP capable of dissolving aramid was used as a bonding agent to form a bag. Processing was possible. However, in Example 5, since the temperature at the time of joining was high, the drying was quick but the solubility was high, and the result was that the uniform joining property was poor. In addition, since the excessive amount of NMP was used in Example 7, the bonding agent could not be applied in a uniform linear shape to the microporous membrane having high impregnating property, and wrinkle-like particles were formed as compared with Examples 1 and 5. A joint having a spread was formed. On the other hand, in Comparative Example 1, NMP was used as the bonding agent, but a microporous film made of polyimide was used as the porous sheet. The polyimide did not dissolve or swell in NMP, and as a result, the polyimide microporous film could not be joined.
実施例2,3,4および6では、接合剤としてアラミド溶液を用いた。アラミド溶液は、実施例3や6で多孔性シートとして用いたポリイミド微多孔膜を溶解しない。しかし、ポリイミド微多孔膜の空隙に浸透したアラミド樹脂がアンカーとして機能するため、ポリイミド微多孔膜を袋状に加工することができた。また、アラミド樹脂は耐熱樹脂であることから、200℃に加熱しても接合部に剥がれは生じなかった。したがって、電池が異常な高温環境に置かれても安全性を確保できることが期待できる。 In Examples 2, 3, 4 and 6, an aramid solution was used as the bonding agent. The aramid solution does not dissolve the polyimide microporous membrane used as the porous sheet in Examples 3 and 6. However, since the aramid resin that has penetrated into the voids of the polyimide microporous film functions as an anchor, the polyimide microporous film could be processed into a bag shape. Further, since the aramid resin is a heat-resistant resin, peeling did not occur at the joint even when heated to 200°C. Therefore, it can be expected that safety can be ensured even if the battery is placed in an abnormally high temperature environment.
実施例6は実施例5と同様、120℃という高い温度で接合を行っているが、実施例6で用いたポリイミド微多孔膜はNMP溶媒に溶解しないため、接合部に皺は生じなかった。 Similar to Example 5, Example 6 was bonded at a high temperature of 120° C. However, since the polyimide microporous film used in Example 6 was not dissolved in the NMP solvent, wrinkles did not occur at the bonded portion.
比較例2では接合剤としてエタノールを用いた。比較例1と同様、比較例2で多孔質シートとして用いたアラミド微多孔膜がエタノールに溶解しないため、アラミド微多孔膜を袋状に加工することができなかった。比較例3では、接合剤としてポリスチレン樹脂のトルエン溶液を用いた。比較例3で多孔質シートとして用いたアラミド微多孔膜は、トルエンに溶解しないが、ポリスチレン樹脂がアンカーとして機能することから、アラミド微多孔膜を接合することは可能であった。しかし、200℃での耐熱性は無く、接合部の剥がれが生じた。また、ポリスチレン樹脂は電解液に可溶であるため、振動試験中に剥がれて短絡したものが多かった。 In Comparative Example 2, ethanol was used as the binder. Similar to Comparative Example 1, since the aramid microporous membrane used as the porous sheet in Comparative Example 2 was not dissolved in ethanol, the aramid microporous membrane could not be processed into a bag shape. In Comparative Example 3, a toluene solution of polystyrene resin was used as the bonding agent. The aramid microporous membrane used as the porous sheet in Comparative Example 3 was not dissolved in toluene, but since the polystyrene resin functions as an anchor, it was possible to bond the aramid microporous membrane. However, there was no heat resistance at 200°C, and peeling of the joint occurred. Further, since the polystyrene resin is soluble in the electrolytic solution, it was often peeled off and short-circuited during the vibration test.
以上、実施形態および実施例により本発明について詳細に説明したが、本明細書は、以下の発明を開示する。 Although the present invention has been described in detail above by the embodiments and examples, the present specification discloses the following inventions.
[1] 正極12と負極11とを対向配置させた電池用のセパレータ13であって、
互いに対向配置された第1の部分131および第2の部分132を有する、融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を含有する、二つ折りにされた1枚の多孔質シートまたは重ね合わせられた2枚の多孔質シートを有し、
前記第1の部分131と前記第2の部分132とに跨って存在する部分を有し前記第1の部分131と前記第2の部分132とを一体化する接合部133によって、前記多孔質シートが、前記電池の正極12または負極11を収納可能とする筒状に形成されているセパレータ13。
[1] A
One folded or two porous sheets containing a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher having a
The porous sheet is formed by a joint 133 that has a portion that extends over the
[2] 前記多孔質シートは無機フィラーをさらに含有している[1]に記載のセパレータ13。
[2] The
[3] 前記多孔質シートは、平均空隙径が1μm以下の微多孔膜である[1]または[2]に記載のセパレータ。 [3] The separator according to [1] or [2], wherein the porous sheet is a microporous film having an average void diameter of 1 μm or less.
[4] 前記接合部133は、前記第1の部分131と前記第2の部分132とに跨る一つの層として構成され、これによって前記第1の部分131と前記第2の部分132とが一体化されている[1]から[3]のいずれかに記載のセパレータ。
[4] The joining
[5] 前記接合部133では、前記第1の部分131と前記第2の部分132とを跨いで前記第1の部分131の空隙と前記第2の部分132の空隙を充填する、融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂からなるアンカーによって前記第1の部分131と前記第2の部分132とが一体化されている[1]から[3]のいずれかに記載のセパレータ。
[5] In the
[6] 前記アンカーを構成する樹脂は、前記多孔質シートが含有する樹脂と異なる樹脂である[5]に記載のセパレータ。 [6] The separator according to [5], wherein the resin forming the anchor is a resin different from the resin contained in the porous sheet.
[7] 前記接合部133での空隙率が前記接合部以外での空隙率よりも低い[1]から[6]のいずれかに記載のセパレータ。
[7] The separator according to any one of [1] to [6], in which the porosity at the
[8] 前記接合部133に空隙が存在しない[7]に記載のセパレータ。 [8] The separator according to [7], in which there are no voids in the joint 133.
[9] 前記多孔質シートが含有する樹脂は、全芳香族ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂またはポリフェニレンスルフィド樹脂である[1]から[8]のいずれかに記載のセパレータ。 [9] The separator according to any one of [1] to [8], wherein the resin contained in the porous sheet is a wholly aromatic polyamide resin, a polyimide resin, or a polyphenylene sulfide resin.
[10] 対向配置された正極12および負極11と、
[1]から[9]のいずれかに記載のセパレータ13と、
を有し、
前記正極12または前記負極11が前記セパレータ13に収納されている電池。
[10] A
A
Have
A battery in which the
[11] 正極12と負極11とを対向配置させた電池用のセパレータ13の製造方法であって、
融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を含有する1枚または2枚の多孔質シートであって、二つ折りにされることによって互いに対向する第1の部分131および第2の部分132を構成する1枚の前記多孔質シート、または重ね合わせられることによって互いに対向する第1の部分131および第2の部分132を構成する2枚の前記多孔質シートを用意する工程と、
融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を溶解または膨潤させることのできる溶媒を含む接合剤を用いて、前記電池の正極12または負極11を収納可能とする筒状体が形成されるように、前記第1の部分131と前記第2の部分132とを一体化する接合部133を、前記第1の部分131と前記第2の部分132とに跨って存在する部分を有して形成する工程と、
を有するセパレータの製造方法。
[11] A method for manufacturing a
1. One or two porous sheets containing a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, and constituting a
By using a bonding agent containing a solvent capable of dissolving or swelling a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, a tubular body capable of housing the
A method of manufacturing a separator having:
[12] 前記接合部133を形成する工程は、
前記第1の部分131と前記第2の部分132とを互いに重ね合わせる工程と、
前記多孔質シートが含有する前記樹脂を溶解または膨潤させることのできる溶媒を前記接合剤として、前記第1の部分131および前記第2の部分132の少なくとも一方の前接合部133となる領域に塗布する工程と、
前記第1の部分131と前記第2の部分132とが互いに重ね合わせられ、かつ、前記接合剤が塗布された後、前記溶媒を除去する工程と、
を有する、[11]に記載のセパレータの製造方法。
[12] The step of forming the joint 133 includes
Overlapping the
A solvent capable of dissolving or swelling the resin contained in the porous sheet is applied as the bonding agent to a region serving as the
Removing the solvent after the
[11] The method for producing the separator according to [11].
[13] 前記接合部133を形成する工程は、
前記接合剤として、融点またはガラス転移温度が200℃の樹脂を溶媒で溶解した溶液を得る工程と、
前記第1の部分131と前記第2の部分132とを互いに重ね合わせる工程と、
前記接合剤を、前記第1の部分131および前記第2の部分132の少なくとも一方の前記接合部133となる領域に塗布する工程と、
前記第1の部分131と前記第2の部分132とが互いに重ね合わせられ、かつ、前記接合剤が塗布された後、前記接合剤から前記溶媒を除去する工程と、
を有する、[11]に記載のセパレータの製造方法。
[13] The step of forming the joint 133 includes
As the bonding agent, a step of obtaining a solution in which a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. is dissolved in a solvent,
Overlapping the
Applying the bonding agent to a region that will be the
Removing the solvent from the bonding agent after the
[11] The method for producing the separator according to [11].
[14] 前記接合剤が含有する溶媒は、前記多孔質シートが含有する樹脂を溶解または膨潤させることができる溶媒である[13]に記載のセパレータの製造方法。 [14] The method for producing a separator according to [13], wherein the solvent contained in the bonding agent is a solvent capable of dissolving or swelling the resin contained in the porous sheet.
[15] 前記接合剤が含有する樹脂は、前記多孔質シートが含有する樹脂と異なる樹脂であり、前記接合剤が含有する溶媒は、前記接合剤が含有する樹脂を溶解または膨潤させることができるが、前記多孔質シートが含有する樹脂を溶解または膨潤させることはできない樹脂である[13]に記載のセパレータの製造方法。 [15] The resin contained in the bonding agent is a resin different from the resin contained in the porous sheet, and the solvent contained in the bonding agent can dissolve or swell the resin contained in the bonding agent. Is a resin that cannot dissolve or swell the resin contained in the porous sheet, [13].
[16] 前記接合剤を塗布する工程は、前記第1の部分131と前記第2の部分132とを重ね合わせる前に、前記第1の部分131と前記第2の部分132との互いの対向面の少なくとも一方に前記接合剤を塗布することを含む、[12]から[15]のいずれかに記載のセパレータの製造方法。
[16] In the step of applying the bonding agent, the
[17] 前記接合剤を塗布する工程は、前記第1の部分131と前記第2の部分132とを重ね合わせた後、前記第1の部分131および前記第2の部分132の少なくとも一方の外表面に前記接合剤を塗布することを含む、[12]から[15]のいずれかに記載のセパレータの製造方法。
[17] In the step of applying the bonding agent, after the
[18] 前記接合剤を塗布する工程は、前記接合剤を含浸させた多孔質体を前記接合部133となる領域に押し付けることによって、前記接合剤を前記接合部133となる領域に転写することを含む、[12]から[17]のいずれかに記載のセパレータの製造方法。
[18] In the step of applying the bonding agent, the porous material impregnated with the bonding agent is pressed onto the area to be the
[19] 前記溶媒を除去する工程は、前記第1の部分131および前記第2の部分132を加熱することを含む、[12]から[18]のいずれかに記載のセパレータの製造方法。
[19] The method for producing a separator according to any one of [12] to [18], wherein the step of removing the solvent includes heating the
[20] 前記溶媒を除去する工程を減圧下で行う、[12]から[19]のいずれかに記載のセパレータの製造方法。 [20] The method for producing a separator according to any one of [12] to [19], wherein the step of removing the solvent is performed under reduced pressure.
[21] 融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を含有する多孔質シートであって、二つ折りにされることによって互いに対向する第1の部分131および第2の部分を構成する1枚の多孔質シート、または重ね合わせられることによって互いに対向する第1の部分131および第2の部分132を構成する2枚の多孔質シート、正極12および負極11を用意する工程と、
前記第1の部分131と前記第2の部分132との間に前記正極12または前記負極11を配置する工程と、
融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を溶解または膨潤させることのできる溶媒を含む接合剤を用いて、前記正極12または前記負極11を収納可能とする筒状体が形成されるように、前記第1の部分131と前記第2の部分132とを一体化する接合部133を、前記第1の部分131と前記第2の部分132とに跨って存在する部分を有して形成する工程と、
前記正極12または前記負極11が前記第1の部分131と前記第2の部分132との間に配置され、かつ、前記第1の部分131と前記第2の部分132とで前記筒状体が形成された後、前記正極12と前記負極11とを積層することによって電極積層体10を得る工程と、
前記電極積層体10を電解液とともに外装体内に封入する工程と、
を有する電池の製造方法。
[21] A porous sheet containing a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, which is a single sheet that constitutes a
Disposing the
A binder containing a solvent capable of dissolving or swelling a resin having a melting point or glass transition temperature of 200° C. or higher is used to form a cylindrical body capable of accommodating the
The
A step of encapsulating the electrode laminated
Of manufacturing a battery having a.
本発明は、電源を必要とするあらゆる産業分野、ならびに電気的エネルギーの輸送、貯蔵および供給に関する産業分野にて利用することができる。具体的には、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器の電源;電気自動車、ハイブリッドカー、電動バイク、電動アシスト自転車などの電動車両を含む、電車や衛星や潜水艦などの移動・輸送用媒体の電源;UPSなどのバックアップ電源;太陽光発電、風力発電などで発電した電力を貯める蓄電設備;などに、利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in all industrial fields requiring a power source, and industrial fields related to transportation, storage and supply of electric energy. Specifically, power sources for mobile devices such as mobile phones and laptops; power sources for mobile and transportation media such as trains, satellites, and submarines, including electric vehicles such as electric vehicles, hybrid cars, electric motorcycles, and electric assist bicycles. It can be used as a backup power source such as UPS; a power storage facility that stores power generated by solar power generation, wind power generation, and the like.
1 二次電池
10 電極素子
11 負極
12 正極
13 セパレータ
21、22 外装材
31 負極端子
32 正極端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (16)
互いに対向配置された第1の部分および第2の部分を有する、融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を含有する、二つ折りにされた1枚の多孔質シートまたは重ね合
わせられた2枚の多孔質シートを有し、
前記第1の部分と前記第2の部分とに跨って存在する部分を有する接合部によって、前記多孔質シートが、前記電池の正極または負極を収納可能とする筒状に形成され、
前記接合部では、融点またはガラス転移温度が200℃以上であり、かつ、前記多孔質シートが含有する樹脂と異なる樹脂からなるアンカーによって前記第1の部分と前記第2の部分とが一体化されているセパレータ。 A separator for a battery in which a positive electrode and a negative electrode are arranged to face each other,
One half-folded porous sheet or two superposed sheets containing a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, which has a first portion and a second portion arranged to face each other. Has a porous sheet of
The joint that having a portion present across said second portion and said first portion, said porous sheet is formed into a cylindrical shape that allows housing the positive or negative electrode of the battery,
In the joint part, the melting point or the glass transition temperature is 200° C. or higher, and the first part and the second part are integrated by an anchor made of a resin different from the resin contained in the porous sheet. Separator.
前記第2の部分の空隙を充填する前記アンカーによって前記第1の部分と前記第2の部分とが一体化されている請求項1に
記載のセパレータ。 Wherein in the joint portion, the first portion and the second portion and the across at the first portion the the void by the anchor to fill the void of the second portion first portion and the second The separator according to claim 1, which is integrated with the part of.
請求項1から5のいずれか一項に記載のセパレータと、
を有し、
前記正極または前記負極が前記セパレータに収納されている電池。 A positive electrode and a negative electrode arranged to face each other,
A separator according to any one of claims 1 to 5 ,
Have
A battery in which the positive electrode or the negative electrode is housed in the separator.
融点またはガラス転移温度が200℃以上の樹脂を含有する1枚または2枚の多孔質シートであって、二つ折りにされることによって互いに対向する第1の部分および第2の部
分を構成する1枚の多孔質シート、または重ね合わせられることによって互いに対向する
第1の部分および第2の部分を構成する2枚の多孔質シートを用意する工程と、
前記多孔質シートに、接合剤を用いて、前記電池の正極または負極を収納可能とする筒状体が形成されるように、前記第1の部分と前記第2の部分とを一体化する接合部を、前記第1の部分と前記第2の部分とに跨って存在するアンカーを有して形成する工程と、
を有し、
前記接合部を形成する工程は、
前記接合剤として、融点またはガラス転移温度が200℃以上であり、かつ、前記多孔質シートが含有する樹脂と異なる樹脂を、前記多孔質シートが含有する樹脂を溶解または膨潤させることはできない溶媒で溶解した溶液を得る工程と、
前記第1の部分と前記第2の部分とを互いに重ね合わせる工程と、
前記接合剤を、前記第1の部分および前記第2の部分の少なくとも一方の前記接合部となる領域に塗布する工程と、
前記第1の部分と前記第2の部分とが互いに重ね合わせられ、かつ、前記接合剤が塗布された後、前記接合剤から前記溶媒を除去する工程と、
を有するセパレータの製造方法。 A method for manufacturing a separator for a battery, in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other,
One or two porous sheets containing a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, which are folded in half to form a first portion and a second portion which face each other. A step of preparing two porous sheets, or two porous sheets constituting a first portion and a second portion which face each other by being overlapped with each other;
Joining that integrates the first portion and the second portion so that a cylindrical body that can accommodate the positive electrode or the negative electrode of the battery is formed on the porous sheet by using a bonding agent. Forming the portion with an anchor that extends over the first portion and the second portion,
Have a,
The step of forming the joint includes
As the bonding agent, a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, and a resin different from the resin contained in the porous sheet is a solvent that cannot dissolve or swell the resin contained in the porous sheet. Obtaining a dissolved solution,
Superimposing the first portion and the second portion on each other,
Applying the bonding agent to at least one of the first portion and the second portion, which is the bonding portion,
Removing the solvent from the bonding agent after the first portion and the second portion are overlaid on each other and the bonding agent is applied;
A method of manufacturing a separator having :
記載のセパレータの製造方法。A method for manufacturing the described separator.
前記第1の部分と前記第2の部分との間に前記正極または前記負極を配置する工程と、
前記多孔質シートに、接合剤を用いて、前記正極または前記負極を収納可能とする筒状体が形成されるように、前記第1の部分と前記第2の部分とを一体化する接合部を、前記第1の部分と前記第2の部分とに跨って存在するアンカーを有して形成する工程と、
前記正極または前記負極が前記第1の部分と前記第2の部分との間に配置され、かつ、前記第1の部分と前記第2の部分とで前記筒状体が形成された後、前記正極と前記負極とを積層することによって電極積層体を得る工程と、
前記電極積層体を電解液とともに外装体内に封入する工程と、
を有し、
前記接合部を形成する工程は、
前記接合剤として、融点またはガラス転移温度が200℃以上であり、かつ、前記多孔質シートが含有する樹脂と異なる樹脂を、前記多孔質シートが含有する樹脂を溶解または膨潤させることはできない溶媒で溶解した
溶液を得る工程と、
前記第1の部分と前記第2の部分とを互いに重ね合わせる工程と、
前記接合剤を、前記第1の部分および前記第2の部分の少なくとも一方の前記接合部となる領域に塗布する工程と、
前記第1の部分と前記第2の部分とが互いに重ね合わせられ、かつ、前記接合剤が塗布された後、前記接合剤から前記溶媒を除去する工程と、
を有する電池の製造方法。 A porous sheet containing a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, and a single porous sheet that constitutes a first portion and a second portion that face each other by being folded in two, Alternatively, a step of preparing two porous sheets, a positive electrode and a negative electrode, which constitute a first portion and a second portion which face each other by being overlapped with each other,
Disposing the positive electrode or the negative electrode between the first portion and the second portion,
A joining portion that integrates the first portion and the second portion so that a tubular body that can accommodate the positive electrode or the negative electrode is formed on the porous sheet by using a joining agent. Forming an anchor having an anchor that extends over the first portion and the second portion,
After the positive electrode or the negative electrode is disposed between the first portion and the second portion, and the tubular body is formed by the first portion and the second portion, the A step of obtaining an electrode laminate by laminating a positive electrode and the negative electrode,
A step of encapsulating the electrode laminate with an electrolytic solution in an outer casing,
Have a,
The step of forming the joint includes
As the bonding agent, a resin having a melting point or a glass transition temperature of 200° C. or higher, and a resin different from the resin contained in the porous sheet is a solvent that cannot dissolve or swell the resin contained in the porous sheet. Melted
Obtaining a solution,
Superimposing the first portion and the second portion on each other,
Applying the bonding agent to at least one of the first portion and the second portion, which is the bonding portion,
Removing the solvent from the bonding agent after the first portion and the second portion are overlaid on each other and the bonding agent is applied;
Method for producing a battery to have a.
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