JP7638100B2 - Electrolyte laminate and non-aqueous secondary battery including same - Google Patents
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Description
本発明は、電解質積層体、及びそれを含む非水系二次電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte laminate and a nonaqueous secondary battery including the same.
リチウムイオン二次電池は、軽量、高エネルギー及び長寿命であることが大きな特徴であり、例えばノートブックコンピュータ、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の携帯用電子機器の電源として広範囲に用いられている。また、低環境負荷社会への移行に伴い、リチウムイオン二次電池は、ハイブリッド型電気自動車(Hybrid Electric Vehicle:HEV)及びプラグインHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle:PHEV)の電源、更には住宅用蓄電システム等の電力貯蔵分野においても注目されている。 The main features of lithium-ion secondary batteries are their light weight, high energy and long life, and they are widely used as power sources for portable electronic devices such as notebook computers, mobile phones, digital cameras and video cameras. In addition, with the transition to a society with a low environmental impact, lithium-ion secondary batteries are attracting attention as power sources for hybrid electric vehicles (HEVs) and plug-in HEVs (PHEVs), as well as in the power storage field, such as residential energy storage systems.
ところで、従来、リチウムイオン二次電池の電解質には、リチウム塩を有機溶媒に溶解した有機電解液が用いられており、漏液に伴う安全性の懸念があった。 Conventionally, the electrolyte used in lithium-ion secondary batteries has been an organic electrolyte solution in which lithium salt is dissolved in an organic solvent, which poses safety concerns due to leakage.
電解液の代わりに固体電解質を用いることで、正極材、電解質および負極材をすべて固体とした全固体電池は、可燃性の電解液が不要になり、かつ安全性が飛躍的に向上した技術として提案されている。 By using a solid electrolyte instead of a liquid electrolyte, all-solid-state batteries, in which the positive electrode material, electrolyte, and negative electrode material are all solid, are proposed as a technology that eliminates the need for flammable electrolyte and dramatically improves safety.
全固体電池に用いる酸化物系固体電解質としては、例えば、ガーネット型酸化物、NASICON型又はペロブスカイト型の酸化物などの金属酸化物系の材料を固体電解質として用いる試みがされている。これらの金属酸化物系の材料は、リチウムイオン伝導性を有し、かつ化学的に安定であるが、固く成形性が悪いという課題がある。他方、高いリチウムイオン伝導性から硫化物系材料を用いた技術の開示がある。しかしながら、硫化物系材料は化学的安定性に乏しく、大気暴露において硫化水素が発生したり、硫化物系固体電解質と正極材とを直接接触させた場合、境界面に、リチウムの存在しない、厚さ数ナノメートルの「欠乏層」が出現し、出力特性が著しく低下したりするなどの課題がある。硫化物系材料は、金属酸化物材料と比べ、成形容易性がメリットではあるが、一方で、そのプレス圧は高く、加圧の際に短絡が発生し易い。そのため、硫化物系固体電解質は、一定厚み以上を確保する必要があり、固体電解質層を薄くして活物質充てん量を増やすことで電池としての電気容量を増やすという観点から問題があった。 As oxide-based solid electrolytes for use in solid-state batteries, attempts have been made to use metal oxide-based materials such as garnet-type oxides, NASICON-type oxides, or perovskite-type oxides as solid electrolytes. These metal oxide-based materials have lithium ion conductivity and are chemically stable, but have the problem of being hard and poorly moldable. On the other hand, a technology has been disclosed that uses sulfide-based materials because of their high lithium ion conductivity. However, sulfide-based materials have poor chemical stability, and hydrogen sulfide is generated when exposed to the atmosphere, and when a sulfide-based solid electrolyte is directly contacted with a positive electrode material, a "deficiency layer" with a thickness of several nanometers where no lithium exists appears at the interface, resulting in a significant decrease in output characteristics. Compared to metal oxide materials, sulfide-based materials have the advantage of being easier to mold, but on the other hand, they require high pressing pressure and are prone to short circuits when pressed. For this reason, sulfide-based solid electrolytes must be thicker than a certain thickness, which is problematic from the perspective of increasing the electric capacity of the battery by thinning the solid electrolyte layer and increasing the amount of active material filled.
上記課題に対して、固体ポリマー電解質にも注目が集まっているが、固体ポリマー電解質を適用した全固体電池は、室温ではもちろん、60℃~80℃でも十分な出力又は容量が発現され難い。このような理由としては、ポリマー電解質の低いイオン伝導度もさることながら、電極活物質と固体ポリマー電解質との間の界面抵抗が挙げられる。固体ポリマー電解質のイオン伝導度の問題を解決するために、これまでにも多くの努力が為されてきたが、画期的なイオン伝導度の向上はなく、固体ポリマー電解質の限界として指摘されてきた。 In order to address the above issues, attention has been focused on solid polymer electrolytes, but all-solid-state batteries that use solid polymer electrolytes are unlikely to achieve sufficient output or capacity, not only at room temperature, but also at temperatures between 60°C and 80°C. This is due to the low ionic conductivity of the polymer electrolyte, as well as the interfacial resistance between the electrode active material and the solid polymer electrolyte. Many efforts have been made to solve the problem of the ionic conductivity of solid polymer electrolytes, but there has been no dramatic improvement in ionic conductivity, and this has been pointed out as the limit of solid polymer electrolytes.
例えば、リチウムと固体ポリマー電解質との間の界面抵抗を顕著に低くした全固体電池用ポリマー電解質を提供することを目的として、特許文献1が挙げられるが、特許文献1に記載のとおりにラミネーションする際に、面内方向にデフォームし易い。特にイオン伝導度の高いポリマー固体電解質は概して柔軟性が高く、塑性変形し易いことが多く、ラミネーション工程におけるデフォームが問題となることが多い。特に膨張性の高い電極、例えば、ケイ素(Si)系負極活物質を含んだ電極とポリマー固体電解質を組み合わせた際には、充電時にSi系負極活物質にLiが挿入され、膨張、内圧の上昇等が起きるため、デフォームは一層加速すると予想される。しかしながら、高容量化のためには、Si系負極活物質を含んだ電極は大変魅力的である。 For example, Patent Document 1 aims to provide a polymer electrolyte for an all-solid-state battery in which the interfacial resistance between lithium and the solid polymer electrolyte is significantly reduced, but when laminating as described in Patent Document 1, it is prone to deformation in the in-plane direction. Polymer solid electrolytes with particularly high ionic conductivity are generally highly flexible and often prone to plastic deformation, and deformation during the lamination process is often a problem. In particular, when a polymer solid electrolyte is combined with an electrode with high expansion properties, for example, an electrode containing a silicon (Si)-based negative electrode active material, Li is inserted into the Si-based negative electrode active material during charging, causing expansion and an increase in internal pressure, and it is expected that deformation will be further accelerated. However, electrodes containing Si-based negative electrode active materials are very attractive for increasing capacity.
電極活物質と固体電解質との間の界面抵抗を下げるためには十分な可塑性を有する材料が必要になる。一方で、材料の可塑性を高め過ぎると流動してしまい、いわゆる既に頻繁に使われている有機電解液との差異がなくなってしまうことを鑑みれば、ラミネーションで界面コンタクトを得ながら、デフォームを抑制することが困難である。したがって、本発明は、固体でありながら、高いイオン伝導度を発現し得るリチウムイオン伝導体を用いて、デフォームを抑制したまま、十分な界面コンタクトを得ることが可能な電解質フィルム、及びそれを含む非水系二次電池を提供することを目的とする。 In order to reduce the interfacial resistance between the electrode active material and the solid electrolyte, a material with sufficient plasticity is required. On the other hand, if the plasticity of the material is increased too much, it will flow and there will be no difference from the organic electrolyte solution that is already in frequent use. Considering this, it is difficult to suppress deformation while obtaining interfacial contact by lamination. Therefore, the present invention aims to provide an electrolyte film that can obtain sufficient interfacial contact while suppressing deformation, using a lithium ion conductor that is solid but can exhibit high ionic conductivity, and a nonaqueous secondary battery including the electrolyte film.
本発明者らは、電解質フィルムを構成する電解質積層体の諸物性を制御することによって、デフォームを抑制しつつ、固体電解質と電極活物質とのコンタクトを良化でき、イオン伝導度の向上が図れることが分かり、本発明を完成させた。後に詳しく説明するが、電解質積層体中の第二の固体電解質層には非イオン伝導性の補強層が存在するが、この補強層が電極活物質に触れるとイオン伝導度が低下するため、補強層はイオン伝導性電解質で覆われていることで電池として高いパフォーマンスを発揮する。電極活物質と補強層が接触している電池セルは、コンディショニング初期段階で除外できることが好ましいということも分かり、これを果たすための本発明の一態様を以下に例示する。 The inventors have found that by controlling the various physical properties of the electrolyte laminate constituting the electrolyte film, it is possible to improve the contact between the solid electrolyte and the electrode active material while suppressing deformation, thereby improving ionic conductivity, and have thus completed the present invention. As will be explained in detail later, the second solid electrolyte layer in the electrolyte laminate has a non-ion-conductive reinforcing layer. When this reinforcing layer comes into contact with the electrode active material, the ionic conductivity decreases, so the reinforcing layer is covered with an ion-conductive electrolyte, which allows the battery to perform at a high level. It has also been found that it is preferable to remove battery cells in which the electrode active material is in contact with the reinforcing layer at an early stage of conditioning, and one embodiment of the present invention for achieving this is illustrated below.
[1]少なくとも第一の電解質層と、第二の電解質層と、第三の電解質層とが記載の順に接合して積層されており、前記第二の電解質層は電解質と基材とが複合した層であり、第一、第二、第三の各電解質層にイオン輸送性有機物を含む電解質積層体であって、
前記第一の電解質層と前記第二の電解質層が、異なるイオン輸送性有機物を含み、かつ前記第二の電解質層に含まれるイオン輸送性有機物の25℃におけるちょう度が、100以上400未満である電解質積層体。
[2]前記基材が連続長繊維で構成される、項目1に記載の電解質積層体。
[3]前記基材が積層不織布である、項目1又は2に記載の電解質積層体。
[4]前記積層不織布は、繊維径が0.1μm以上4.0μm未満の繊維で構成される不織布層(I層)と、繊維径が4.0μm以上30.0μm以下の繊維で構成される不織布層(II層)とを含む、少なくとも2層の積層不織布で構成され、かつ目付けが3.0g/m2以上20.0g/m2未満である、項目3に記載の電解質積層体。
[5]前記第二の電解質層は、固体電解質層であり、かつ前記固体電解質層に含まれる基材が、2.0V以上4.5V(vs.Li)以下に分解電流閾値を有する、項目1~4のいずれか1項に記載の電解質積層体。
[6]前記基材が、ポリアルキレンテレフタレート樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリオキシメチレンエーテル系樹脂、ポリケトン系樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、セルロース系樹脂不織布、ガラス不織布及びガラスクロスからなる群から選ばれる少なくとも1つで構成された連続長繊維不織布または織布である、項目1~5のいずれか1項に記載の電解質積層体。
[7]前記イオン輸送性有機物が、ニトリル基を含む、項目1~6のいずれか1項に記載の電解質積層体。
[8]固体電解質積層体である、項目1~7のいずれか1項に記載の電解質積層体。
[9]項目8に記載の電解質積層体からなる電解質フィルム。
[10]正極と、負極と、項目1~8のいずれか1項に記載の電解質積層体又は項目9に記載の電解質フィルムと含む、非水系二次電池構成体であって、
前記第一の電解質層または前記第三の電解質層が前記正極上に形成され、前記第一の電解質層または前記第三の電解質層のうち、前記正極と当接しない前記第一の電解質層または前記第三の電解質層が、前記負極上に形成され、かつ少なくとも一対の前記正極と前記負極の間に前記第二の電解質層が自立している非水系二次電池構成体。
[11]正極、項目1~8のいずれか1項に記載の電解質積層体または項目9に記載の電解質フィルム、負極が、記載の順に積層されている非水系二次電池。
[1] An electrolyte laminate comprising at least a first electrolyte layer, a second electrolyte layer, and a third electrolyte layer bonded and laminated in the order described above, the second electrolyte layer being a composite layer of an electrolyte and a base material, and each of the first, second, and third electrolyte layers containing an ion-transporting organic material,
The first electrolyte layer and the second electrolyte layer contain different ion transporting organic materials, and the consistency of the ion transporting organic material contained in the second electrolyte layer at 25° C. is 100 or more and less than 400.
[2] The electrolyte laminate according to item 1, wherein the substrate is composed of continuous long fibers.
[3] The electrolyte laminate according to item 1 or 2, wherein the substrate is a laminated nonwoven fabric.
[4] The electrolyte laminate according to item 3, wherein the laminated nonwoven fabric is composed of at least two layers of laminated nonwoven fabric including a nonwoven fabric layer (I layer) composed of fibers having a fiber diameter of 0.1 μm or more and less than 4.0 μm, and a nonwoven fabric layer (II layer) composed of fibers having a fiber diameter of 4.0 μm or more and 30.0 μm or less, and has a basis weight of 3.0 g/ m2 or more and less than 20.0 g/ m2 .
[5] The electrolyte laminate according to any one of items 1 to 4, wherein the second electrolyte layer is a solid electrolyte layer, and a base material included in the solid electrolyte layer has a decomposition current threshold of 2.0 V or more and 4.5 V (vs. Li) or less.
[6] The electrolyte laminate according to any one of items 1 to 5, wherein the substrate is a continuous long-fiber nonwoven fabric or woven fabric composed of at least one selected from the group consisting of polyalkylene terephthalate resin, polyolefin resin, polyamide resin, polyoxymethylene ether resin, polyketone resin, thermoplastic polyimide resin, cellulose resin nonwoven fabric, glass nonwoven fabric, and glass cloth.
[7] The electrolyte laminate according to any one of items 1 to 6, wherein the ion transporting organic material contains a nitrile group.
[8] The electrolyte laminate according to any one of items 1 to 7, which is a solid electrolyte laminate.
[9] An electrolyte film comprising the electrolyte laminate according to item 8.
[10] A nonaqueous secondary battery structure comprising a positive electrode, a negative electrode, and the electrolyte laminate according to any one of items 1 to 8 or the electrolyte film according to item 9,
a nonaqueous secondary battery structure in which the first electrolyte layer or the third electrolyte layer is formed on the positive electrode, and one of the first electrolyte layer or the third electrolyte layer that is not in contact with the positive electrode is formed on the negative electrode, and the second electrolyte layer is self-supporting between at least one pair of the positive electrode and the negative electrode.
[11] A nonaqueous secondary battery comprising a positive electrode, the electrolyte laminate according to any one of items 1 to 8 or the electrolyte film according to item 9, and a negative electrode, laminated in the order listed.
本発明の電解質積層体を電池セルに適用すれば、電極活物質との界面抵抗及び放電過電圧が顕著に減少し、結果的に十分な放電容量が具現化され、出力特性及びエネルギー密度を改善し、サイクル性を向上させることができる。 When the electrolyte laminate of the present invention is applied to a battery cell, the interfacial resistance with the electrode active material and the discharge overvoltage are significantly reduced, resulting in a sufficient discharge capacity, improved output characteristics and energy density, and improved cycleability.
以下、本発明の実施の形態(以下、「本実施形態」という。)について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は、以下に説明する実施形態又は図面に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 The following describes in detail an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "the present embodiment") with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiment or drawings described below, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
本実施形態の非水系二次電池の一例を、図1及び図2に示した。図1は該非水系二次電池の一例を模式的に表す平面図であり、図2は図1のA-A線断面図である。 An example of a nonaqueous secondary battery according to this embodiment is shown in Figures 1 and 2. Figure 1 is a plan view showing a schematic diagram of an example of the nonaqueous secondary battery, and Figure 2 is a cross-sectional view taken along line A-A in Figure 1.
非水系二次電池100は、2枚のアルミニウムラミネートフィルムで構成したラミネートフィルム外装体110の領域120内に、正極150と負極160とを、リチウムイオン伝導体層である電解質積層体170を介して積層して構成した積層電極体を収納して成る。アルミニウムラミネートフィルム外装体110は、その外周部において、上下のアルミニウムラミネートフィルムを熱融着することにより封止されている。領域120は、外装体110の一部であって、正極150、負極160、及び電解質積層体170から成る積層体を収納するために、膨らんだ空間である。
The non-aqueous
正極150及び負極160は、外部回路と接続するためにアルミニウム製タブ130及びニッケル製タブ140に、それぞれ電気的に接続されている。なお、図2においては、図面が煩雑になることを避けるために、アルミニウムラミネートフィルム外装体110を構成している各層、並びに正極150及び負極160の各層を区別して示していない。非水系二次電池100において、イオン伝導体を除く各部材としては、従来のリチウムイオン二次電池に備えられるものを用いることができ、例えば後述のものであってもよい。
The
非水系二次電池100において、領域120内に圧力を掛けてもよい。非水系二次電池の構成要素を以下に説明する。
In the nonaqueous
特に指示がないときは、各種測定は室温25℃湿度60%RHで実施することとする。 Unless otherwise specified, all measurements should be carried out at a room temperature of 25°C and a humidity of 60% RH.
<1.電解質積層体>
本実施形態の電解質積層体は、少なくとも第一の電解質層と、第二の電解質層と、第三の電解質層が順に接合して積層されている。第一の電解質層と、第二の電解質層と、第三の電解質層と、に含まれるイオンを伝導するイオン輸送性有機物はそれぞれ異なっていてもよく、任意の電解質層に含まれるイオン輸送性有機物が同一であってもよく、すべての電解質層に含まれるイオン輸送性有機物は同一であってよいが、少なくとも第一の電解質層と第二の電解質層は、異なるイオン輸送性有機物を含むことが好ましい。第一の電解質層と、第三の電解質層と、に含まれるイオン輸送性有機物はそれぞれの当接する電極に合わせた組成であることが好ましく、第二の電解質層は、第一の電解質層から第二の電解質層にイオンを伝導することに合わせた組成であることが好ましい。第二の電解質層には、電解質積層体の強度補強の観点に加えて、界面形成時の外圧を有効に界面形成に用い、界面接合の良化と電解質のデフォームの抑制をする観点から、基材を含むことが好ましい。
1. Electrolyte laminate
The electrolyte laminate of the present embodiment is formed by sequentially bonding at least a first electrolyte layer, a second electrolyte layer, and a third electrolyte layer. The ion-transporting organic substances that conduct ions contained in the first electrolyte layer, the second electrolyte layer, and the third electrolyte layer may be different from each other, the ion-transporting organic substances contained in any electrolyte layer may be the same, and the ion-transporting organic substances contained in all electrolyte layers may be the same, but it is preferable that at least the first electrolyte layer and the second electrolyte layer contain different ion-transporting organic substances. The ion-transporting organic substances contained in the first electrolyte layer and the third electrolyte layer are preferably of a composition that matches the electrodes that contact each other, and the second electrolyte layer is preferably of a composition that matches the conduction of ions from the first electrolyte layer to the second electrolyte layer. In addition to the viewpoint of reinforcing the strength of the electrolyte laminate, the second electrolyte layer preferably contains a base material from the viewpoint of effectively using the external pressure during interface formation for interface formation, improving interface bonding, and suppressing electrolyte deformation.
第一の電解質層と、第二の電解質層と、第三の電解質層が順に積層された電解質電池積層体は、電解質フィルムの形態であってもよく、上記電解質電池積層体、又は電解質フィルムは、一対の対向する正極、負極の間に自立して配置された非水系二次電池構成体であってもよい。 The electrolyte battery stack in which the first electrolyte layer, the second electrolyte layer, and the third electrolyte layer are stacked in this order may be in the form of an electrolyte film, and the electrolyte battery stack or electrolyte film may be a non-aqueous secondary battery component that is independently disposed between a pair of opposing positive and negative electrodes.
本発明の電解質積層体の膜厚が5~300μmとなるように形成することが好ましい。その下限は、電解質積層体が変形し、界面形成をする上で厚みがある方が好ましく、7μm以上がより好ましく、10μm以上がさらに好ましい。その上限は、界面形成時の変形量を少なくする観点から薄い方が好ましく、250μm以下がより好ましく、200μm以下がさらに好ましい。 The electrolyte laminate of the present invention is preferably formed to have a film thickness of 5 to 300 μm. The lower limit is preferably thicker in order for the electrolyte laminate to deform and form an interface, more preferably 7 μm or more, and even more preferably 10 μm or more. The upper limit is preferably thinner in order to reduce the amount of deformation during interface formation, more preferably 250 μm or less, and even more preferably 200 μm or less.
第一の電解質層、第二の電解質層、第三の電解質層の各層の厚さは、各層を足し合わせて電解質積層体の膜厚を越えなければよく、特に限定されない。第一の電解質層の厚みは1μm以上100μm以下であることが好ましい。その下限は、電解質積層体が変形し、界面形成をする上で厚みがある方が好ましく、2μm以上であることがより好ましく、3μm以上であることがさらに好ましい。また、その上限は、界面形成時の変形量を少なくする観点から薄い方が好ましく、90μm以下であることがより好ましく、80μm以下であることがさらに好ましく、70μm以下であることが特に好ましい。第三の電解質層の厚みは第一の電解質層の厚みと同様の好ましい範囲を有する。 The thickness of each of the first electrolyte layer, the second electrolyte layer, and the third electrolyte layer is not particularly limited, and may be any thickness that does not exceed the film thickness of the electrolyte laminate when the layers are added together. The thickness of the first electrolyte layer is preferably 1 μm or more and 100 μm or less. The lower limit is preferably thicker in order to allow the electrolyte laminate to deform and form an interface, more preferably 2 μm or more, and even more preferably 3 μm or more. The upper limit is preferably thinner in order to reduce the amount of deformation during interface formation, more preferably 90 μm or less, even more preferably 80 μm or less, and especially preferably 70 μm or less. The thickness of the third electrolyte layer has the same preferred range as the thickness of the first electrolyte layer.
第二の電解質層の厚みは、3μm以上100μm以下であることがあることが好ましい。その下限は、第二の電解質層の強度を保つため、4μm以上であることがより好ましく、5μm以上であることがさらに好ましい。その上限は、界面接合時の圧力を第二の電解質層の変形ではなく、界面接合に有効に伝える観点から、90μm以下であることがより好ましく、80μm以下であることがさらに好ましい。 The thickness of the second electrolyte layer may preferably be 3 μm or more and 100 μm or less. The lower limit is more preferably 4 μm or more, and even more preferably 5 μm or more, in order to maintain the strength of the second electrolyte layer. The upper limit is more preferably 90 μm or less, and even more preferably 80 μm or less, in order to effectively transmit the pressure during interface bonding to the interface bonding rather than to the deformation of the second electrolyte layer.
第二の電解質層の永久ひずみが、第一の電解質層と第三の電解質層の永久ひずみよりも小さいことが好ましい。電解質層が上記関係性を満たすことで、界面形成時の応力を、界面形成に有効に作用させることが可能になり、良好な界面形成が可能になり、電解質を用いた電池としての特性が向上する。 It is preferable that the permanent strain of the second electrolyte layer is smaller than the permanent strain of the first electrolyte layer and the third electrolyte layer. When the electrolyte layer satisfies the above relationship, the stress generated during interface formation can be effectively applied to the interface formation, allowing for good interface formation and improving the characteristics of the battery using the electrolyte.
電解質の永久ひずみの測定方法としては、微小硬度計によって一般的に評価される。直径5mmに打ち抜いた各電解質層を0.5MPaの応力を掛けた状態で24時間静置し、初期の膜厚と24時間経過した後の膜厚から算出が可能である。式としては、初期の膜厚をDs、24時間経過後の膜厚をDfとした際、永久ひずみは、下記式:
(Ds-Df)/Ds
にて表される。
The permanent deformation of the electrolyte is generally measured using a microhardness tester. Each electrolyte layer is punched to a diameter of 5 mm and left to stand for 24 hours under a stress of 0.5 MPa, and the permanent deformation can be calculated from the initial film thickness and the film thickness after 24 hours. When the initial film thickness is Ds and the film thickness after 24 hours is Df, the permanent deformation is calculated using the following formula:
(Ds-Df)/Ds
It is expressed as:
第一の電解質層の永久ひずみは、0.05以上0.90未満であることが好ましく、その上限は0.85以下であることがより好ましく、0.75以下であることが更に好ましく、0.70以下であることが最も好ましい。その下限は0.10以上であることがより好ましく、0.15以上であることが更に好ましく、0.20以上であることが最も好ましい。第三の電解質層の永久ひずみは、第一の電解質層と同様の範囲であることが好ましく、第一の電解質層と第三の電解質層の永久ひずみの大小関係については、問わない。 The permanent strain of the first electrolyte layer is preferably 0.05 or more and less than 0.90, with the upper limit being more preferably 0.85 or less, even more preferably 0.75 or less, and most preferably 0.70 or less. The lower limit is more preferably 0.10 or more, even more preferably 0.15 or more, and most preferably 0.20 or more. The permanent strain of the third electrolyte layer is preferably in the same range as that of the first electrolyte layer, and the magnitude relationship between the permanent strains of the first electrolyte layer and the third electrolyte layer is not important.
第二の電解質層の永久ひずみは、0.50以上1.00以下であることが好ましく、その上限は0.95以下であることがより好ましく、0.90以下であることが更に好ましく、0.85以下であることが最も好ましい。その下限は0.55以上であることがより好ましく、0.60以上であることが更に好ましく、0.65以上であることが最も好ましい。第二の電解質層の永久ひずみは、第一及び第三の電解質層の永久ひずみよりも小さいことが好ましい。 The permanent strain of the second electrolyte layer is preferably 0.50 or more and 1.00 or less, with the upper limit being more preferably 0.95 or less, even more preferably 0.90 or less, and most preferably 0.85 or less. The lower limit is more preferably 0.55 or more, even more preferably 0.60 or more, and most preferably 0.65 or more. The permanent strain of the second electrolyte layer is preferably smaller than the permanent strains of the first and third electrolyte layers.
<1-1.基材>
第二の電解質層に含まれる、非イオン伝導性の補強層としての基材は特に限定されない。但し、基材は、電解質積層体を内部に包含する必要があることから多孔を有している必要がある。
<1-1. Substrate>
The substrate as the non-ion conductive reinforcing layer included in the second electrolyte layer is not particularly limited, however, the substrate needs to be porous since it is necessary to contain the electrolyte laminate therein.
基材は、一種の基材を単層又は複数積層したものであってもよく、二種以上の微多孔基材を積層したものであってもよい。 The substrate may be a single layer or multiple layers of one type of substrate, or a layer of two or more types of microporous substrates.
本実施形態に係る基材の厚みは、電解質積層体の第二の電解質層内に収まれば問題なく、厚みが4~100μmとなるように基材を形成することが好ましい。その下限は、第二の電解質層の強度を保つため、4μm以上が好ましく、4μmを超えることがより好ましく、5μm以上がさらに好ましい。その上限は、界面接合時の圧力を第二の電解質層の変形ではなく、界面接合に有効に伝える観点から、90μm以下であることがより好ましく、80μm以下であることがさらに好ましい。 The thickness of the substrate in this embodiment is preferably 4 to 100 μm, provided that it fits within the second electrolyte layer of the electrolyte laminate. The lower limit is preferably 4 μm or more, more preferably more than 4 μm, and even more preferably 5 μm or more, in order to maintain the strength of the second electrolyte layer. The upper limit is more preferably 90 μm or less, and even more preferably 80 μm or less, in order to effectively transmit the pressure during interface bonding to the interface bonding rather than to the deformation of the second electrolyte layer.
基材の空孔率について特に制限されないが、20%以上80%以下であることが好ましい。その下限は、基材の面内の強度を高める観点から、30%以上がより好ましく、40%以上がさらに好ましい。その上限は、第二の電解質層内のイオン伝導を高める観点から、75%以下がより好ましく、70%以下がさらに好ましい。 The porosity of the substrate is not particularly limited, but is preferably 20% or more and 80% or less. The lower limit is more preferably 30% or more, and even more preferably 40% or more, from the viewpoint of increasing the in-plane strength of the substrate. The upper limit is more preferably 75% or less, and even more preferably 70% or less, from the viewpoint of increasing the ionic conductivity in the second electrolyte layer.
基材として、繊維状物を用いた微多孔膜を用いる場合、基材の目付けは、2.0g/m2以上20.0g/m2未満であることが好ましい。基材の目付けが20.0g/m2未満であれば、基材に対して一定厚みが要求される場合に、基材の目付けが大き過ぎず繊維空隙が十分に確保される傾向にあり、イオンの透過性を高くでき、高性能な電解質積層体を作製できる。また、基材の目付けが2.0g/m2以上であれば、スリットされた基材の機械強度が高くでき、製造後の巻き取り、使用時に掛かる張力などに対して耐性が強く、取り扱いがし易くなる傾向にある。電解質と電極界面の接合をするためには、繊維が一定の範囲で密に存在する必要がある。この意味で、基材の目付けは、より好ましくは、3.0g/m2以上20.0g/m2未満であり、さらに好ましくは3.0~10g/m2である。 When a microporous membrane using a fibrous material is used as the substrate, the basis weight of the substrate is preferably 2.0 g/m 2 or more and less than 20.0 g/m 2. If the basis weight of the substrate is less than 20.0 g/m 2 , when a certain thickness is required for the substrate, the basis weight of the substrate is not too large and fiber voids tend to be sufficiently secured, and the ion permeability can be increased, and a high-performance electrolyte laminate can be produced. In addition, if the basis weight of the substrate is 2.0 g/m 2 or more, the mechanical strength of the slit substrate can be increased, and the substrate has high resistance to tension applied during winding and use after production, and tends to be easy to handle. In order to bond the electrolyte and the electrode interface, the fibers need to be densely present within a certain range. In this sense, the basis weight of the substrate is more preferably 3.0 g/m 2 or more and less than 20.0 g/m 2 , and even more preferably 3.0 to 10 g/m 2 .
基材は、自立を可能とするものであれば、いかなる基材を用いてもよい。自立とは、10cm角に切った基材の2頂点をもって、自重で破壊しないことを指す。基材は、2.0V以上4.5V(vs.Li)以下に分解電流閾値があることで、基材が電極と接触している場合、初充放電時に不可逆容量の増加として、その検出が容易であることから、好ましい。基材の分解電流閾値は、4.3V(vs.Li)以下であることがより好ましく、4.1V(vs.Li)以下であることがさらに好ましい。より低い分解電流閾値を持つことで、検出のタイミングを早めることが可能になる。以下に示すリニアスイープボルタンメトリー法により、分解電流閾値を測定した。 Any substrate may be used as long as it is self-supporting. Self-supporting means that the substrate cut into a 10 cm square does not break under its own weight when held at two vertices. It is preferable that the substrate has a decomposition current threshold of 2.0 V or more and 4.5 V or less (vs. Li) because it is easy to detect the increase in irreversible capacity during the initial charge/discharge when the substrate is in contact with the electrode. The decomposition current threshold of the substrate is more preferably 4.3 V (vs. Li) or less, and even more preferably 4.1 V (vs. Li) or less. By having a lower decomposition current threshold, it is possible to hasten the timing of detection. The decomposition current threshold was measured by the linear sweep voltammetry method shown below.
(リニアスイープボルタンメトリー法)
エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを等容量で混合し、1Mの濃度になるようにLiPF6を溶解した非水電解液を、2cm2の円形チタン(Ti)電極と、Li電極とで挟み込みこまれた基材の積層体に含浸させ、開回路電圧から貴な電圧に向けて1mV/秒の掃引速度で8Vまで電圧を掃引した。その結果を横軸に電圧(V)、縦軸に分解電流(mA/cm2)としてプロットし、立ち上がった分解電流の接線のx切片として測定される値を分解電流閾値とした。電解質が充填された基材であれば、2cm2の円形Ti電極と、Li電極とで挟み込み、電圧を掃引すればよい。
(Linear sweep voltammetry method)
Ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate were mixed in equal volumes, and a non-aqueous electrolyte solution in which LiPF6 was dissolved to a concentration of 1M was impregnated into a laminate of substrates sandwiched between a 2 cm2 circular titanium (Ti) electrode and a Li electrode, and the voltage was swept from the open circuit voltage to a noble voltage at a sweep rate of 1 mV/sec up to 8 V. The results were plotted as voltage (V) on the horizontal axis and decomposition current (mA/ cm2 ) on the vertical axis, and the value measured as the x-intercept of the tangent of the rising decomposition current was taken as the decomposition current threshold. If the substrate was filled with electrolyte, it was sandwiched between a 2 cm2 circular Ti electrode and a Li electrode, and the voltage was swept.
基材としては、例えば、公知の非水系二次電池に備えられるものと同様であってもよく、多孔性であり、機械的強度に優れる絶縁性の薄膜が好ましい。 The substrate may be, for example, the same as that used in known non-aqueous secondary batteries, and is preferably a porous insulating thin film with excellent mechanical strength.
上記基材としては、特に制限されないが、織布、不織布、(微)多孔質膜及びガラス成形体等が挙げられる。上記織布及び不織布としては、ポリアルキレンテレフタレート樹脂(PET、PBT、PTT等)及びその誘導体、ポリオレフィン系樹脂(ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン等)及びその誘導体、N6、N66、N612等のポリアミド系樹脂及びその誘導体;ポリオキシメチレンエーテル系樹脂(POM等)、PEN、PPS、PPO、ポリケトン樹脂、PEEK等のポリケトン系樹脂、TPI等の熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリパラフェニレンテレフタルアミド等のアラミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、セルロース系樹脂(セルロース系繊維)等;アルミナ繊維、セラミックス繊維、ガラス繊維または、これらの樹脂または繊維を主体とする共重合体もしくはそれらの混合物などの樹脂)等が挙げられる。 The substrate is not particularly limited, but examples thereof include woven fabrics, nonwoven fabrics, (micro)porous membranes, and glass molded bodies. Examples of the woven fabrics and nonwoven fabrics include polyalkylene terephthalate resins (PET, PBT, PTT, etc.) and derivatives thereof, polyolefin resins (polypropylene, polyethylene, polymethylpentene, etc.) and derivatives thereof, polyamide resins such as N6, N66, and N612 and derivatives thereof; polyoxymethylene ether resins (POM, etc.), PEN, PPS, PPO, polyketone resins, polyketone resins such as PEEK, thermoplastic polyimide resins such as TPI, aramid resins such as polyparaphenylene terephthalamide, acrylic resins, polyvinyl alcohol resins, cellulose resins (cellulose fibers), etc.; alumina fibers, ceramic fibers, glass fibers, or copolymers or mixtures thereof mainly composed of these resins or fibers).
これらの基材としては、更に親水性を向上させるために、界面活性剤を付与する方法、発煙硫酸、クロルスルホン酸等の化学薬品によるスルホン化、フッ素化、グラフト化処理等の方法、又は、コロナ放電若しくはプラズマ放電等による方法によって親水化処理したものを用いても良い。 To further improve the hydrophilicity of these substrates, hydrophilic treatments may be used, such as adding a surfactant, sulfonation with chemicals such as fuming sulfuric acid or chlorosulfonic acid, fluorination, or grafting, or methods such as corona discharge or plasma discharge.
上記基材としては、ポリアルキレンテレフタレート樹脂(PET、PBT、PTT等)及びその誘導体、ポリオレフィン系樹脂(ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン等)及びその誘導体、N6、N66、N612等のポリアミド系樹脂及びその誘導体;ポリオキシメチレンエーテル系樹脂(POM等)、PEN、PPS、PPO、ポリケトン樹脂、PEEK等のポリケトン系樹脂、TPI等の熱可塑性ポリイミド樹脂、セルロース系樹脂不織布、ガラス不織布及びガラスクロスからなる群より選択される少なくとも1種からなるものが好ましい。基材としては、より好ましくは2.0V以上4.5V(vs.Li)以下に分解電流閾値があるものであり、具体的には、ポリアルキレンテレフタレート樹脂(PET、PBT、PTT等)及びその誘導体、N6、N66、N612等のポリアミド系樹脂及びその誘導体;ポリオキシメチレンエーテル系樹脂(POM等)、PEN、PPS、PPO、ポリケトン樹脂、PEEK等のポリケトン系樹脂、TPI等の熱可塑性ポリイミド樹脂、である。特に好ましくは、ポリアルキレンテレフタレート樹脂(PET、PBT、PTT等)及びその誘導体である。 The above-mentioned substrate is preferably at least one selected from the group consisting of polyalkylene terephthalate resins (PET, PBT, PTT, etc.) and their derivatives, polyolefin resins (polypropylene, polyethylene, polymethylpentene, etc.) and their derivatives, polyamide resins such as N6, N66, N612, etc. and their derivatives; polyoxymethylene ether resins (POM, etc.), polyketone resins such as PEN, PPS, PPO, polyketone resins, PEEK, etc., thermoplastic polyimide resins such as TPI, cellulose resin nonwoven fabrics, glass nonwoven fabrics, and glass cloths. The substrate is preferably one having a decomposition current threshold of 2.0 V or more and 4.5 V or less (vs. Li), specifically, polyalkylene terephthalate resin (PET, PBT, PTT, etc.) and its derivatives, polyamide resin such as N6, N66, N612, etc. and its derivatives, polyoxymethylene ether resin (POM, etc.), polyketone resin such as PEN, PPS, PPO, polyketone resin, PEEK, etc., thermoplastic polyimide resin such as TPI. Particularly preferred is polyalkylene terephthalate resin (PET, PBT, PTT, etc.) and its derivatives.
少なくとも2層(I層,II層)を備える積層不織布については下記に様態を示す。不織布層(I層)は、繊維径0.1μm以上4.0μm未満を有する極細繊維で構成されることが好ましい。なお本明細書において、用語「極細繊維」とは、上記の0.1μm以上4μm未満の範囲の繊維径を有する繊維を意図している。I層は、本発明の効果を損なわない範囲で、上記極細繊維以外の繊維を含有してもよいが、典型的には上記極細繊維のみからなる。繊維径が4.0μm未満であれば、不織布層の繊維間隙が大きくなり過ぎないため、電解質が繊維間隙に入り易く、結果として電解質保持性に優れた電解質積層体となる。また一方、繊維径が0.1μm以上であると、繊維を比較的容易に形成でき、且つ形成された繊維が、表面摩擦等で毛羽立ったり、糸くずを作ったりしない傾向にある。この意味で、不織布層(I層)の繊維径は、好ましくは0.1~3.8μm、より好ましくは0.2~3.0μm、さらに好ましくは0.3~2.5μmである。なお本明細書で記載する繊維径は、マイクロスコープによる繊維直径の測定によって評価できる。 The laminated nonwoven fabric having at least two layers (I layer, II layer) is described below. The nonwoven fabric layer (I layer) is preferably composed of ultrafine fibers having a fiber diameter of 0.1 μm or more and less than 4.0 μm. In this specification, the term "ultrafine fibers" refers to fibers having a fiber diameter in the range of 0.1 μm or more and less than 4 μm. The I layer may contain fibers other than the ultrafine fibers as long as the effect of the present invention is not impaired, but typically consists only of the ultrafine fibers. If the fiber diameter is less than 4.0 μm, the fiber gaps in the nonwoven fabric layer do not become too large, so that the electrolyte easily enters the fiber gaps, resulting in an electrolyte laminate with excellent electrolyte retention. On the other hand, if the fiber diameter is 0.1 μm or more, the fibers can be formed relatively easily, and the formed fibers tend not to fluff or produce lint due to surface friction, etc. In this sense, the fiber diameter of the nonwoven fabric layer (layer I) is preferably 0.1 to 3.8 μm, more preferably 0.2 to 3.0 μm, and even more preferably 0.3 to 2.5 μm. The fiber diameter described in this specification can be evaluated by measuring the fiber diameter using a microscope.
不織布層(II層)は、繊維径4.0μm以上30.0μm以下を有する熱可塑性樹脂繊維で構成される。繊維径が30.0μm以下であると、繊維の径が太過ぎず、イオンの透過性を阻害しない傾向にある。不織布層(II層)は、本発明の効果を損なわない範囲で、繊維径4.0μm以上30.0μm以下の熱可塑性樹脂繊維以外の繊維を含有してもよいが、典型的には繊維径4.0μm以上30.0μm以下の熱可塑性樹脂繊維のみからなる。上記I層における繊維径が重要であるのと同様、II層における繊維径も重要である。II層を構成する繊維の繊維径が30.0μm以下であれば表面平滑性が高くなり、I層とII層とを互いに接するように積層した場合に、I層を構成する繊維が、II層を構成する繊維の間に目付け斑のない、より均一な層配置が可能となる。これにより、積層不織布において、より均一に繊維が分布する。この結果、界面接合が良好にすることが可能となる。一方、II層を構成する繊維の繊維径が4.0μm以上であると、積層不織布が十分な強度を有し、機械強度が安定する傾向にある。この意味で、II層を構成する繊維の繊維径は、好ましくは4.0~28μm、より好ましくは5.0~25μm、さらに好ましくは6.0~20μmである。 The nonwoven fabric layer (II layer) is composed of thermoplastic resin fibers having a fiber diameter of 4.0 μm or more and 30.0 μm or less. When the fiber diameter is 30.0 μm or less, the fiber diameter is not too thick and tends not to inhibit ion permeability. The nonwoven fabric layer (II layer) may contain fibers other than thermoplastic resin fibers having a fiber diameter of 4.0 μm or more and 30.0 μm or less within a range that does not impair the effects of the present invention, but typically consists only of thermoplastic resin fibers having a fiber diameter of 4.0 μm or more and 30.0 μm or less. Just as the fiber diameter in the above-mentioned I layer is important, the fiber diameter in the II layer is also important. If the fiber diameter of the fiber constituting the II layer is 30.0 μm or less, the surface smoothness is high, and when the I layer and the II layer are laminated so that they are in contact with each other, the fibers constituting the I layer can be more uniformly layered without unevenness between the fibers constituting the II layer. This allows the fibers to be distributed more uniformly in the laminated nonwoven fabric. As a result, it is possible to improve the interfacial bonding. On the other hand, if the fiber diameter of the fibers constituting the II layer is 4.0 μm or more, the laminated nonwoven fabric has sufficient strength and tends to have stable mechanical strength. In this sense, the fiber diameter of the fibers constituting the II layer is preferably 4.0 to 28 μm, more preferably 5.0 to 25 μm, and even more preferably 6.0 to 20 μm.
本発明の電解質積層体に関しては、構成されている不織布の内部又は表面に、極細繊維不織布層(I層)を設けることができる。I層においては、繊維径が小さいため、繊維間隙が小さく、繊維が均一に分布しており、さらに比表面積が大きい。このI層の繊維層を有することにより、緻密構造による高いバリアー性を発現しており、電極間の電気絶縁性に優れたセパレータを作製することができる。また、極細繊維の比表面積が大きいために、電解液の保持性に優れ、イオンの透過性に優れている。 In the electrolyte laminate of the present invention, an ultrafine fiber nonwoven fabric layer (I layer) can be provided inside or on the surface of the nonwoven fabric that is made up of it. In the I layer, the fiber diameter is small, so the fiber gaps are small, the fibers are uniformly distributed, and the specific surface area is large. By having this fiber layer I layer, a high barrier property is achieved due to the dense structure, and a separator with excellent electrical insulation between electrodes can be produced. In addition, the large specific surface area of the ultrafine fibers provides excellent electrolyte retention and excellent ion permeability.
本発明においてII層に隣接して極細繊維不織布層(I層)を配置することで、電解質と積層不織布との一体性を高め、界面接合を良化させることができる。 In the present invention, by arranging the ultrafine fiber nonwoven fabric layer (layer I) adjacent to layer II, the integrity of the electrolyte and the laminated nonwoven fabric can be increased, improving the interfacial bonding.
本発明においては、不織布層(I層)を補強する支持層として、熱可塑性樹脂繊維で構成される不織布層(II層)を設けることができる。また、不織布層(I層)は、通気性が比較的低いため、イオンの透過性が低下する懸念がある。しかしながら、不織布層(I層)を繊維径の比較的太い繊維層(II層)と組み合わせることにより、積層不織布の通気性を向上させることが出来、イオン透過性に優れた電解質積層体を与えることを可能とする。さらに電解質積層体及び電池、又はキャパシタの各生産工程において、不織布層(II層)が、機械的強度に劣る変形及び損傷から不織布層(I層)を守るため、不良率を低くして安定して生産できる。 In the present invention, a nonwoven fabric layer (II layer) made of thermoplastic resin fibers can be provided as a support layer that reinforces the nonwoven fabric layer (I layer). In addition, the nonwoven fabric layer (I layer) has a relatively low air permeability, and there is a concern that the ion permeability may decrease. However, by combining the nonwoven fabric layer (I layer) with a fiber layer (II layer) having a relatively large fiber diameter, the air permeability of the laminated nonwoven fabric can be improved, making it possible to provide an electrolyte laminate with excellent ion permeability. Furthermore, in each production process of the electrolyte laminate and the battery or capacitor, the nonwoven fabric layer (II layer) protects the nonwoven fabric layer (I layer) from deformation and damage due to poor mechanical strength, so that stable production can be achieved with a low defect rate.
積層不織布において、I層は、緻密構造を形成するために必須であり、II層は、積層不織布をより安定させ(即ち、不織布の引張強度、曲げ強度及び表面磨耗性を良好にし)、かつ、I層を各工程で安定的に保持するために必須である。このような理由で、上記のI層とII層とを有する積層不織布は、良好な性能を有する電池、あるいはキャパシタを製造するために有利である。 In the laminated nonwoven fabric, the I layer is essential for forming a dense structure, and the II layer is essential for making the laminated nonwoven fabric more stable (i.e., improving the tensile strength, bending strength, and surface abrasion resistance of the nonwoven fabric) and for maintaining the I layer stably in each process. For these reasons, the laminated nonwoven fabric having the above I layer and II layer is advantageous for producing batteries or capacitors with good performance.
本発明において、より良好な高性能な電解質積層体を製造するためには、3層からなる積層不織布がより好ましい。 In the present invention, a three-layer laminated nonwoven fabric is more preferred for producing a better, high-performance electrolyte laminate.
本発明で、不織布層(I層および/またはII層)における熱可塑性樹脂繊維は、熱可塑性合成長繊維であることが好ましい。本明細書において、熱可塑性合成長繊維とは、熱可塑性合成樹脂(ポリアルキレンテレフタレート樹脂(PET、PBT、PTT等)及びその誘導体、ポリオレフィン系樹脂(PE、PP等)及びその誘導体、N6、N66、N612等のポリアミド系樹脂及びその誘導体;ポリオキシメチレンエーテル系樹脂(POM等)、PEN、PPS、PPO、ポリケトン樹脂、PEEK等のポリケトン系樹脂、TPI等の熱可塑性ポリイミド樹脂または、これらの樹脂を主体とする共重合体もしくはそれらの混合物などの樹脂)からなる連続長繊維をいう。ここで、連続長繊維とは、JIS-L0222で規定される意味の繊維をいう。熱可塑性合成長繊維で構成される不織布は、十分な機械強度を有することができる。また熱可塑性合成長繊維で構成される不織布は、スリット時、及び外部からの摩擦等を受けた際に、より糸くずが発生し難く、磨耗性にも強い。熱可塑性合成長繊維の例としては、例えば後述で列挙する結晶性樹脂で構成される長繊維が挙げられる。一方、熱可塑性樹脂繊維として短繊維を用いる場合、例えば、その結晶性樹脂と、その結晶性樹脂より低い融点の熱可塑性樹脂とを混合して用いることが出来る。混合は単一の樹脂から構成される繊維を混ぜても良いし、1本の繊維中に融点の異なる2種以上の樹脂が含まれていても良い。例えば芯と鞘とから成り、鞘の熱可塑性樹脂の融点が芯の熱可塑性樹脂の融点より低い鞘芯糸を用いることが出来る。例えば芯がPET、鞘が共重合PETの鞘芯糸が使用できる。 In the present invention, the thermoplastic resin fiber in the nonwoven fabric layer (layer I and/or layer II) is preferably a thermoplastic synthetic long fiber. In this specification, the thermoplastic synthetic long fiber refers to a continuous long fiber made of a thermoplastic synthetic resin (polyalkylene terephthalate resin (PET, PBT, PTT, etc.) and its derivatives, polyolefin resin (PE, PP, etc.) and its derivatives, polyamide resin such as N6, N66, N612 and its derivatives; polyoxymethylene ether resin (POM, etc.), PEN, PPS, PPO, polyketone resin, polyketone resin such as PEEK, thermoplastic polyimide resin such as TPI, or a copolymer mainly made of these resins or a mixture thereof). Here, the continuous long fiber refers to a fiber as defined in JIS-L0222. A nonwoven fabric made of thermoplastic synthetic long fiber can have sufficient mechanical strength. In addition, nonwoven fabrics made of thermoplastic synthetic long fibers are less likely to produce lint when slitting or when subjected to external friction, and are also resistant to abrasion. Examples of thermoplastic synthetic long fibers include long fibers made of crystalline resins, which will be listed later. On the other hand, when short fibers are used as thermoplastic resin fibers, the crystalline resin can be mixed with a thermoplastic resin having a lower melting point than the crystalline resin. The mixture may be a mixture of fibers made of a single resin, or a single fiber may contain two or more resins with different melting points. For example, a sheath-core yarn made of a core and a sheath, in which the melting point of the thermoplastic resin in the sheath is lower than that of the thermoplastic resin in the core, can be used. For example, a sheath-core yarn with a core of PET and a sheath of copolymerized PET can be used.
<1-2.イオン輸送性有機物>
本実施形態におけるイオン輸送性有機物は、少なくとも一つの塩とイオン乖離促進剤を含むか、または少なくとも一つのシングルイオン伝導ポリマーを含む。
<1-2. Ion-transporting organic substances>
The ion transporting organic material in this embodiment includes at least one salt and an ion dissociation promoter, or includes at least one single ion conducting polymer.
イオン輸送性有機物の25℃でのちょう度が、100以上400未満であることが好ましい。この範囲にちょう度があることで、本発明に用いる第一の固体電解質層、及び第二の固体電解質層は、双方の当接する電極との界面形成のための流動性と、界面形成のための外圧を界面接合へと伝えることが可能になり、電極-イオン輸送性有機物との界面が良好に接合される。このような観点から、イオン輸送性有機物の25℃でのちょう度は、110~380、120~360、又は130~350の範囲内にあることが好ましい。 It is preferable that the consistency of the ion transporting organic material at 25°C is 100 or more and less than 400. With a consistency in this range, the first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer used in the present invention can transmit the fluidity for forming an interface with the electrodes that contact them and the external pressure for forming the interface to the interface bond, and the interface between the electrode and the ion transporting organic material is well bonded. From this perspective, it is preferable that the consistency of the ion transporting organic material at 25°C is within the range of 110 to 380, 120 to 360, or 130 to 350.
ちょう度の測定には、JIS K 2220(グリース)の「ちょう度試験方法」に規定するちょう度計を用い、試料を規定のグリースカップに、表面が平らになるように詰め、22±0.5℃に保った後、円すいコーンを垂直に5秒間進入させる。試料のちょう度は、その進入深さを0.1mm単位で測定し、これを10倍した数値で表す。 To measure the consistency, a consistency tester specified in the "Consistency Test Method" of JIS K 2220 (Grease) is used, and the sample is packed into a specified grease cup so that the surface is flat. After keeping the temperature at 22±0.5°C, a cone is inserted vertically into the cup for 5 seconds. The consistency of the sample is expressed as a value obtained by multiplying the penetration depth by 10, measured to the nearest 0.1 mm.
イオン輸送性有機物は、界面形成能を高める観点から、ニトリル基を含むことが好ましく、後述されるイオン乖離促進剤に由来するニトリル基を含むことがより好ましい。 From the viewpoint of enhancing the interface forming ability, the ion-transporting organic material preferably contains a nitrile group, and more preferably contains a nitrile group derived from an ion dissociation promoter described below.
<1-3.塩>
本実施形態におけるイオン伝導体に含有される塩としては、非水系二次電池の電解液に用いられている塩であればよい。
<1-3. Salt>
The salt contained in the ion conductor in this embodiment may be any salt that is used in the electrolyte of a non-aqueous secondary battery.
本実施形態のイオン伝導体中における塩の含有量については、特に制限はないが、非水系溶媒1Lに対して0.2mol以上であることが好ましく、0.5mol以上であることがより好ましく、0.8mol以上であることが更に好ましい。また、塩の含有量は、非水系溶媒1Lに対して15mol以下であることが好ましく、4mol以下であることがより好ましく、2.8mol以下であることが更に好ましい。塩の含有量が上述の範囲内にある場合、イオン伝導度が増大して高出力特性を発現できる傾向にあり、イオン伝導体の優れた性能を維持しながら、貯蔵特性及びその他の電池特性を一層良好なものとすることができる傾向にある。 The salt content in the ionic conductor of this embodiment is not particularly limited, but is preferably 0.2 mol or more per 1 L of non-aqueous solvent, more preferably 0.5 mol or more, and even more preferably 0.8 mol or more. The salt content is preferably 15 mol or less per 1 L of non-aqueous solvent, more preferably 4 mol or less, and even more preferably 2.8 mol or less. When the salt content is within the above range, there is a tendency for the ionic conductivity to increase and for high output characteristics to be achieved, and there is a tendency for the storage characteristics and other battery characteristics to be further improved while maintaining the excellent performance of the ionic conductor.
塩としては、通常の非水系電解質として用いられているものであれば特に限定されず、いずれのものであってもよい。そのようなリチウム塩の具体例としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li2SiF6、LiSbF6、LiAlO4、LiAlCl4、Li2B10H10-aXa〔式中、XはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつaは0~10の整数である〕で表されるリチウム塩、LiB12H12-bYb〔式中、YはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつbは0~12の整数である〕で表されるリチウム塩、LiCB11H12-cZc〔式中、ZはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつcは0~12の整数である〕で表されるリチウム塩、LiCB9H10-dWd〔式中、XはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつdは0~10の整数である〕で表されるリチウム塩、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2等のLiN(SO2CmF2m+1)2〔式中、mは1~8の整数である〕で表されるリチウム塩;LiPF5(CF3)等のLiPFn(CpF2p+1)6-n〔式中、nは1~5の整数であり、かつpは1~8の整数である〕で表されるリチウム塩;LiBF3(CF3)等のLiBFq(CsF2s+1)4-q〔式中、qは1~3の整数であり、かつsは1~8の整数である〕で表されるリチウム塩;LiB(C2O4)2で表されるリチウムビス(オキサラト)ボレート(LiBOB);ハロゲン化された有機酸を配位子とするボレートのリチウム塩;LiBF2(C2O4)で表されるリチウムオキサラトジフルオロボレート(LiODFB);LiB(C3O4H2)2で表されるリチウムビス(マロネート)ボレート(LiBMB);LiPF4(C2O4)で表されるリチウムテトラフルオロオキサラトフォスフェート等のリチウム塩;下記一般式(1a)、(1b)及び(1c):
LiC(SO2R2)(SO2R3)(SO2R4) (1a)
LiN(SO2OR5)(SO2OR6) (1b)
LiN(SO2R7)(SO2OR8) (1c)
{式中、R2、R3、R4、R5、R6、R7、及びR8は、互いに同一であっても異なっていてもよく、炭素数1~8のパーフルオロアルキル基を示す。}のそれぞれで表されるリチウム塩等が挙げられる。中でも、イオン伝導体に含有される塩は、イオン伝導度の観点からLi2B10H10-aXa〔式中、XはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつaは0~10の整数である〕で表されるリチウム塩、LiB12H12-bYb〔式中、Yは、F、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつbは0~12の整数である〕で表されるリチウム塩、LiCB11H12-cZc〔式中、ZはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつcは0~12の整数である〕で表されるリチウム塩、LiCB9H10-dWd〔式中、XはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつdは0~10の整数である〕で表されるリチウム塩、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2を含むことが好ましく、より好ましくは、Li2B10H10-aXa〔式中、XはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつaは0~10の整数である〕で表されるリチウム塩、LiB12H12-bYb〔式中、YはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつbは0~12の整数である〕で表されるリチウム塩、LiCB11H12-cZc〔式中、ZはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつcは0~12の整数である〕で表されるリチウム塩、LiCB9H10-dWd〔式中、XはF、Cl、Br、又はIから選ばれ、かつdは0~10の整数である〕で表されるリチウム塩を含むことが好ましい。リチウム塩は、1種又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
The salt is not particularly limited as long as it is one that is commonly used as a non-aqueous electrolyte, and any salt may be used. Specific examples of such lithium salts include lithium salts represented by LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li 2 SiF 6 , LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 H 10-a X a (wherein X is selected from F, Cl, Br, or I, and a is an integer from 0 to 10), lithium salts represented by LiB 12 H 12-b Y b (wherein Y is selected from F, Cl, Br, or I, and b is an integer from 0 to 12), lithium salts represented by LiCB 11 H 12-c Z c (wherein Z is selected from F, Cl, Br, or I, and c is an integer from 0 to 12), and LiCB 9 H Lithium salts represented by W d 10-d (wherein X is selected from F, Cl, Br, or I, and d is an integer of 0 to 10), lithium salts represented by LiN(SO 2 F) 2 , LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , etc. ( wherein m is an integer of 1 to 8); lithium salts represented by LiPF n (C p F 2p + 1 ) 6-n (wherein n is an integer of 1 to 5, and p is an integer of 1 to 8), etc. (LiPF 5 (CF 3 ); LiBF q (C s F 2s+1 ) 4-q, etc. (LiBF 3 (CF 3 )). [wherein q is an integer of 1 to 3, and s is an integer of 1 to 8]; lithium bis(oxalato)borate (LiBOB) represented by LiB(C 2 O 4 ) 2 ; lithium salts of borates having halogenated organic acids as ligands; lithium oxalatodifluoroborate (LiODFB) represented by LiBF 2 (C 2 O 4 ); lithium bis(malonate)borate (LiBMB) represented by LiB(C 3 O 4 H 2 ) 2 ; lithium salts such as lithium tetrafluorooxalatophosphate represented by LiPF 4 (C 2 O 4 ); and the following general formulae (1a), (1b), and (1c):
LiC( SO2R2 ) ( SO2R3 ) ( SO2R4 ) (1a)
LiN( SO2OR5 ) ( SO2OR6 ) (1b )
LiN( SO2R7 ) ( SO2OR8 ) (1c )
{In the formula, R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , and R 8 may be the same or different and represent a perfluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms.} Among these, the salts contained in the ionic conductor are, from the viewpoint of ionic conductivity, lithium salts represented by Li 2 B 10 H 10-a X a (wherein X is selected from F, Cl, Br, or I, and a is an integer of 0 to 10), lithium salts represented by LiB 12 H 12-b Y b (wherein Y is selected from F, Cl, Br, or I, and b is an integer of 0 to 12), lithium salts represented by LiCB 11 H 12-c Z c (wherein Z is selected from F, Cl, Br, or I, and c is an integer of 0 to 12), lithium salts represented by LiCB 9 H 10-d W d (wherein X is selected from F, Cl, Br, or I, and d is an integer of 0 to 10), LiN(SO 2 F) 2 , LiN(SO 2 It is preferable that the lithium salt contains Li(SO 2 C 2 F 5 ) 2 , Li 2 B 10 H 10-a X a (wherein X is selected from F, Cl, Br, or I, and a is an integer of 0 to 10), LiB 12 H 12-b Y b (wherein Y is selected from F, Cl, Br, or I, and b is an integer of 0 to 12), LiCB 11 H 12-c Z c (wherein Z is selected from F, Cl, Br, or I, and c is an integer of 0 to 12), or LiCB 9 H 10-d W d (wherein X is selected from F, Cl, Br, or I, and d is an integer of 0 to 10). The lithium salts may be used alone or in combination of two or more.
<1-4.イオン乖離促進剤>
本実施形態においては、イオン乖離促進剤とは、塩から乖離したカチオンを安定化させるための分子及びポリマーのことであり、その由来は、例えば、リチウムイオン電池であれば、リチウムイオンのカチオンとしての安定性のためにカーボネート系材料を混合することが一般的であるが、このカーボネート系材料に相当するものがイオン乖離促進剤と捉えることが理解を助ける。
<1-4. Ion dissociation promoter>
In this embodiment, the ion dissociation promoter refers to a molecule and a polymer for stabilizing a cation dissociated from a salt. The origin of the term is that, for example, in the case of a lithium ion battery, a carbonate-based material is generally mixed to stabilize the lithium ion as a cation, and it is helpful to understand that the ion dissociation promoter is equivalent to this carbonate-based material.
イオン乖離促進剤は常温で流動性が乏しいことが好ましい。流動性が乏しいということは、具体的には、粘度が10mPa・s以上であることを指す。これにより、一般的なリチウムイオン電池とは異なり、イオン乖離促進剤の流動性が低減されることから、安全性の向上が期待できる。 It is preferable that the ion dissociation promoter has poor fluidity at room temperature. Poor fluidity specifically means that the viscosity is 10 mPa·s or more. This reduces the fluidity of the ion dissociation promoter, unlike general lithium-ion batteries, and is expected to improve safety.
本実施形態におけるイオン乖離促進剤としては、例えば、ポリアルキレンオキシド:ポリエチレンオキシド;ポリエチレンカーボネート系材料;シアノ基含有水素化ニトリルゴム系材料、水素添加ニトリルブタジエンゴム(HNBR);カルボラン系材料:オルト-カルボラン、メタ-カルボラン、パラ-カルボラン;アダマンタン系材料:2-アダマンタノン、1-アダマンタノン、1-アダマンタンカルボニトリル、2-アダマンタンカルボニトリル;ジニトリル化合物:スクシノニトリル、メチルスクシノニトリル、テトラメチルスクシノニトリル、アゾビスイソブチロニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、オクタンジニトリル、アゼラニトリル、セバコニトリル;特開2008-277218号公報に記載のシアノ基含有ポリオキセタン;特開2006-307012号公報に記載のシアノ基含有ポリビニルアルコール;または、これらポリマーを構成する複数のモノマーの共重合体、PIM:下記繰り返し単位(A)からなるポリマー{式中、nは、1を超える数であり、例えば10~10000の整数である}などが挙げられるが、その限りではない。イオン乖離促進剤は、界面形成能を高める観点から、ニトリル基を含むことが好ましく、HNBR、1-アダマンタンカルボニトリル、2-アダマンタンカルボニトリル、ジニトリル化合物、シアノ基含有ポリオキセタン、シアノ基含有ポリビニルアルコール、PIMが好ましい。
上記の溶媒性分子は、公知の合成法、必要に応じた合成法等によって製造することができる。 The above solvent molecules can be produced by known synthesis methods, synthesis methods as required, etc.
<1-5.シングルイオン伝導ポリマー>
本実施形態のシングルイオン伝導ポリマーは、イオン性解離基を有するアニオン型ポリマーリチウム塩を指す。イオン性解離基としては、カルボキシレート基、スルホネート基、スルホンイミド基、フェノレート基等が挙げられる。主鎖骨格は例えば、ポリエチレン骨格が挙げられるが、ポリマーの柔軟性等の付与に応じて、その構造については問わない。
<1-5. Single-ion conductive polymer>
The single ion conductive polymer of the present embodiment refers to an anionic polymer lithium salt having an ionically dissociable group. Examples of the ionically dissociable group include a carboxylate group, a sulfonate group, a sulfonimide group, and a phenolate group. The main chain skeleton may be, for example, a polyethylene skeleton, but the structure is not limited depending on the flexibility of the polymer.
<1-6.非水系溶媒>
本実施形態のイオン輸送性有機物は、上記の溶媒性分子及び溶媒性ポリマー、加えて塩のみからなっていてもよいし、これら以外に非水系溶媒を含有していてもよい。
<1-6. Non-aqueous solvent>
The ion transporting organic material of the present embodiment may consist of only the above-mentioned soluble molecules and soluble polymer, and also a salt, or may contain a non-aqueous solvent in addition to these.
本実施形態における非水系溶媒としては、本発明による課題解決を阻害しないものであれば特に制限はない。非水系溶媒は、本実施形態のイオン輸送性有機物及び非水系二次電池の性能向上に寄与する物質であることが好ましい。非水系溶媒は、1成分を単独で又は2成分以上を組み合わせて用いてもよい。 The non-aqueous solvent in this embodiment is not particularly limited as long as it does not impede the solution of the problems by the present invention. The non-aqueous solvent is preferably a substance that contributes to improving the performance of the ion-transporting organic material and the non-aqueous secondary battery of this embodiment. The non-aqueous solvent may be used alone or in combination of two or more components.
本実施形態のイオン輸送性有機物に添加して用いられる他の非水系溶媒としては、特に制限はなく、例えば、非プロトン性溶媒が挙げられ、非プロトン性極性溶媒が好ましい。 The other non-aqueous solvents that are added to the ion-transporting organic material of this embodiment are not particularly limited, and examples include aprotic solvents, with aprotic polar solvents being preferred.
そのような非水系溶媒の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート、トランス-2,3-ブチレンカーボネート、シス-2,3-ブチレンカーボネート、1,2-ペンチレンカーボネート、トランス-2,3-ペンチレンカーボネート、シス-2,3-ペンチレンカーボネート、トリフルオロメチルエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、及び1,2-ジフルオロエチレンカーボネートに代表される環状カーボネート;γ-ブチロラクトン及びγ-バレロラクトンに代表されるラクトン;スルホラン及びジメチルスルホキシドに代表される硫黄化合物;テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン、及び1,3-ジオキサンに代表される環状エーテル;メチルエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、ジブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、及びメチルトリフルオロエチルカーボネートに代表される鎖状カーボネート;プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、及びアクリロニトリルに代表されるモノニトリル(ただし、アセトニトリルを除く。);メトキシアセトニトリル及び3-メトキシプロピオニトリルに代表されるアルコキシ基置換ニトリル;メチルプロピオネートに代表される鎖状カルボン酸エステル;ジメトキシエタンに代表される鎖状エーテル等、並びにこれらのフッ素化物に代表されるハロゲン化物等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 Specific examples of such non-aqueous solvents include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-butylene carbonate, trans-2,3-butylene carbonate, cis-2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, trans-2,3-pentylene carbonate, cis-2,3-pentylene carbonate, trifluoromethylethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, and 1,2-difluoroethylene carbonate; lactones such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; sulfur compounds such as sulfolane and dimethylsulfoxide; cyclic ethers such as tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, and 1,3-dioxane; methylethyl carbonate, Examples of suitable nitriles include linear carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl butyl carbonate, dibutyl carbonate, ethyl propyl carbonate, and methyl trifluoroethyl carbonate; mononitriles such as propionitrile, butyronitrile, valeronitrile, benzonitrile, and acrylonitrile (excluding acetonitrile); alkoxy-substituted nitriles such as methoxyacetonitrile and 3-methoxypropionitrile; linear carboxylic acid esters such as methyl propionate; linear ethers such as dimethoxyethane, and halides such as fluorinated versions of these. These may be used alone or in combination of two or more.
本実施形態のイオン輸送性有機物における非水系溶媒の含有量については特に制限はないが、本実施形態のイオン輸送性有機物の全量に対して、0~40質量%である。その下限は0.1質量%以上であることが好ましく、0.5%質量以上であることが更に好ましい。その上限は30質量%であることがより好ましく、25質量%以下であることが更に好ましい。 The content of the non-aqueous solvent in the ion-transporting organic material of this embodiment is not particularly limited, but is 0 to 40% by mass relative to the total amount of the ion-transporting organic material of this embodiment. The lower limit is preferably 0.1% by mass or more, and more preferably 0.5% by mass or more. The upper limit is more preferably 30% by mass, and even more preferably 25% by mass or less.
<1-7.添加剤>
本実施形態のイオン輸送性有機物は、上記の溶媒性分子及び塩のみからなっていてもよいし、上記の溶媒性分子、上記の塩及び非水溶媒のみからなっていてもよいし、これら以外の添加剤を含有していてもよい。
<1-7. Additives>
The ion-transporting organic material of this embodiment may consist only of the above-mentioned solvent molecules and salts, or may consist only of the above-mentioned solvent molecules, the above-mentioned salts and a non-aqueous solvent, or may contain additives other than these.
本実施形態における添加剤としては、本発明による課題解決を阻害しないものであれば特に制限はなく、リチウム塩を固溶・溶解する溶媒としての役割を担う物質(すなわち上記の非水系溶媒)と実質的に重複してもよい。添加剤は、本実施形態のイオン輸送性有機物及び非水系二次電池の性能向上に寄与する物質であることが好ましい。しかしながら該添加剤は、電気化学的な反応には直接関与しない物質をも包含する。添加剤は、1成分を単独で又は2成分以上を組み合わせて用いることができる。 The additive in this embodiment is not particularly limited as long as it does not impede the problem-solving of the present invention, and may substantially overlap with the substance that plays the role of a solvent that dissolves and solidifies lithium salts (i.e., the above-mentioned non-aqueous solvent). The additive is preferably a substance that contributes to improving the performance of the ion-transporting organic material and non-aqueous secondary battery of this embodiment. However, the additive also includes substances that are not directly involved in electrochemical reactions. The additive can be used alone or in combination of two or more components.
添加剤としては、例えば、電極を保護する添加剤を挙げることができる。 Additives include, for example, additives that protect electrodes.
添加剤の具体例としては、例えば、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、シス-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、トランス-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4,5-トリフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4,5,5-テトラフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、及び4,4,5-トリフルオロ-5-メチル-1,3-ジオキソラン-2-オンに代表されるフルオロエチレンカーボネート;ビニレンカーボネート、4,5-ジメチルビニレンカーボネート、及びビニルエチレンカーボネートに代表される不飽和結合含有環状カーボネート;γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、γ-カプロラクトン、δ-バレロラクトン、δ-カプロラクトン、及びε-カプロラクトンに代表されるラクトン;1,2-ジオキサンに代表される環状エーテル; Specific examples of additives include, for example, 4-fluoro-1,3-dioxolane-2-one, 4,4-difluoro-1,3-dioxolane-2-one, cis-4,5-difluoro-1,3-dioxolane-2-one, trans-4,5-difluoro-1,3-dioxolane-2-one, 4,4,5-trifluoro-1,3-dioxolane-2-one, 4,4,5,5-tetrafluoro-1,3-dioxolane-2-one, and 4,4,5-trifluoro-5 -Fluoroethylene carbonates such as methyl-1,3-dioxolan-2-one; unsaturated bond-containing cyclic carbonates such as vinylene carbonate, 4,5-dimethylvinylene carbonate, and vinylethylene carbonate; lactones such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, δ-valerolactone, δ-caprolactone, and ε-caprolactone; cyclic ethers such as 1,2-dioxane;
メチルホルメート、メチルアセテート、メチルプロピオネート、メチルブチレート、エチルホルメート、エチルアセテート、エチルプロピオネート、エチルブチレート、n-プロピルホルメート、n-プロピルアセテート、n-プロピルプロピオネート、n-プロピルブチレート、イソプロピルホルメート、イソプロピルアセテート、イソプロピルプロピオネート、イソプロピルブチレート、n-ブチルホルメート、n-ブチルアセテート、n-ブチルプロピオネート、n-ブチルブチレート、イソブチルホルメート、イソブチルアセテート、イソブチルプロピオネート、イソブチルブチレート、sec-ブチルホルメート、sec-ブチルアセテート、sec-ブチルプロピオネート、sec-ブチルブチレート、tert-ブチルホルメート、tert-ブチルアセテート、tert-ブチルプロピオネート、tert-ブチルブチレート、メチルピバレート、n-ブチルピバレート、n-ヘキシルピバレート、n-オクチルピバレート、ジメチルオキサレート、エチルメチルオキサレート、ジエチルオキサレート、ジフェニルオキサレート、マロン酸エステル、フマル酸エステル、及びマレイン酸エステルに代表されるカルボン酸エステル; Methyl formate, methyl acetate, methyl propionate, methyl butyrate, ethyl formate, ethyl acetate, ethyl propionate, ethyl butyrate, n-propyl formate, n-propyl acetate, n-propyl propionate, n-propyl butyrate, isopropyl formate, isopropyl acetate, isopropyl propionate, isopropyl butyrate, n-butyl formate, n-butyl acetate, n-butyl propionate, n-butyl butyrate, isobutyl formate, isobutyl acetate, isobutyl propionate, isopropyl Carboxylic acid esters such as isobutyl butyrate, sec-butyl formate, sec-butyl acetate, sec-butyl propionate, sec-butyl butyrate, tert-butyl formate, tert-butyl acetate, tert-butyl propionate, tert-butyl butyrate, methyl pivalate, n-butyl pivalate, n-hexyl pivalate, n-octyl pivalate, dimethyl oxalate, ethyl methyl oxalate, diethyl oxalate, diphenyl oxalate, malonic acid esters, fumaric acid esters, and maleic acid esters;
N-メチルホルムアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、及びN,N-ジメチルアセトアミドに代表されるアミド;エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト、ブチレンサルファイト、ペンテンサルファイト、スルホラン、3-メチルスルホラン、3-スルホレン、1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、1,3-プロパンジオール硫酸エステル、テトラメチレンスルホキシド、及びチオフェン1-オキシドに代表される環状硫黄化合物;モノフルオロベンゼン、ビフェニル、及びフッ素化ビフェニルに代表される芳香族化合物;ニトロメタンに代表されるニトロ化合物;シッフ塩基;シッフ塩基錯体;オキサラト錯体が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 These include amides such as N-methylformamide, N,N-dimethylformamide, and N,N-dimethylacetamide; cyclic sulfur compounds such as ethylene sulfite, propylene sulfite, butylene sulfite, pentene sulfite, sulfolane, 3-methylsulfolane, 3-sulfolene, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3-propanediol sulfate, tetramethylene sulfoxide, and thiophene 1-oxide; aromatic compounds such as monofluorobenzene, biphenyl, and fluorinated biphenyl; nitro compounds such as nitromethane; Schiff bases; Schiff base complexes; and oxalate complexes. These may be used alone or in combination of two or more.
本実施形態のイオン輸送性有機物における添加剤の含有量については特に制限はないが、本実施形態のイオン輸送性有機物の全量に対して、0.1~30質量%であることが好ましく、0.1~10質量%であることがより好ましい。 There are no particular limitations on the content of the additive in the ion-transporting organic material of this embodiment, but it is preferably 0.1 to 30 mass % and more preferably 0.1 to 10 mass % relative to the total amount of the ion-transporting organic material of this embodiment.
本実施形態においては、添加剤の含有量が多いほどイオン輸送性有機物の劣化が抑えられるが、添加剤の含有量が少ないほど非水系二次電池の低温環境下における高出力特性が向上することになる。従って、添加剤の含有量を上記の範囲内に調整することによって、非水系二次電池としての基本的な機能を損なうことなくイオン輸送性有機物の高イオン伝導度に基づく優れた性能を最大限に発揮することができる。このような組成で電解液を調製することにより、該イオン輸送性有機物を具備する非水系二次電池において、サイクル性能、低温環境下における高出力性能、及びその他の電池特性のすべてを一層良好なものとすることができる。 In this embodiment, the higher the content of the additive, the more the deterioration of the ion-transporting organic material is suppressed, but the lower the content of the additive, the more the high-output characteristics of the non-aqueous secondary battery in a low-temperature environment are improved. Therefore, by adjusting the content of the additive within the above range, it is possible to maximize the excellent performance based on the high ionic conductivity of the ion-transporting organic material without impairing the basic functions of the non-aqueous secondary battery. By preparing the electrolyte with such a composition, it is possible to further improve the cycle performance, high-output performance in a low-temperature environment, and all other battery characteristics of the non-aqueous secondary battery comprising the ion-transporting organic material.
<1-8.その他の添加剤>
本実施形態においては、イオン輸送性有機物は、成形性又は強度など、電池特性以外に製造時のハンドリング又は保管性など、電池製造又は経年劣化に対して諸物性を達成するためのその他の添加剤を含んでいてもよい。上記<1-6>で説明された添加剤以外の添加剤として、例えば、非イオン伝導性ポリマー(PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリカルボン酸、ポリスルホン酸、ポリアクリル酸、スチレンブタジエンゴム、及びフッ素ゴム等)、非イオン伝導性無機フィラー(例えば、TiO2、SiO2、BaTiO3、Al2O3、ベーマイト等)、有機繊維(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース等)等が挙げられる。
<1-8. Other additives>
In this embodiment, the ion-transporting organic material may contain other additives for achieving various physical properties against battery production or deterioration over time, such as handling or storage during production, in addition to battery characteristics such as moldability or strength. Examples of additives other than the additives described in <1-6> above include non-ion conductive polymers (PVDF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), polycarboxylic acid, polysulfonic acid, polyacrylic acid, styrene butadiene rubber, fluororubber, etc.), non-ion conductive inorganic fillers (for example, TiO 2 , SiO 2 , BaTiO 3 , Al 2 O 3 , boehmite, etc.), organic fibers (for example, polyethylene, polypropylene, cellulose, etc.), etc.
本実施形態のイオン輸送性有機物におけるその他の添加剤の含有量については特に制限はないが、本実施形態のイオン輸送性有機物の全量に対して、0.1~30質量%であることが好ましく、0.1~10質量%であることがより好ましい。 There are no particular limitations on the content of other additives in the ion-transporting organic material of this embodiment, but it is preferably 0.1 to 30 mass % and more preferably 0.1 to 10 mass % relative to the total amount of the ion-transporting organic material of this embodiment.
<2.第2のイオン輸送性物質>
本実施形態のイオン輸送性有機物は、上記の溶媒性分子及び塩のみからなっていてもよいし、上記の溶媒性分子、上記の塩及び非水溶媒のみからなっていてもよいし、上記の溶媒性分子、上記の塩、非水溶媒及び添加剤のみからなっていてもよいし、これら以外の第2のイオン輸送性物質を含んでいてもよい。第2のイオン輸送性物質としては公知のポリマー系固体電解質、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質を組み合わせてもよい。本実施形態のイオン輸送性有機物における第2のイオン輸送性物質の含有量については特に制限はない。本実施形態のイオン輸送性有機物の特性が良い場合には、第2のイオン輸送性物質の含有量については、0.1~30質量%であることが好ましく、0.1~10質量%であることがより好ましい。組み合わせるイオン輸送性物質の特性が良い場合には、本実施形態のイオン輸送性物質の含有量は、0.1~30質量%であることが好ましく、0.1~10質量%であることがより好ましい。
<2. Second Ion Transporting Substance>
The ion transporting organic material of the present embodiment may be composed of only the above-mentioned solvent molecules and salts, may be composed of only the above-mentioned solvent molecules, the above-mentioned salts, and non-aqueous solvents, may be composed of only the above-mentioned solvent molecules, the above-mentioned salts, non-aqueous solvents, and additives, or may contain a second ion transporting material other than these. The second ion transporting material may be a combination of a known polymer-based solid electrolyte, an oxide-based solid electrolyte, or a sulfide-based solid electrolyte. There is no particular limit to the content of the second ion transporting material in the ion transporting organic material of the present embodiment. When the characteristics of the ion transporting organic material of the present embodiment are good, the content of the second ion transporting material is preferably 0.1 to 30% by mass, and more preferably 0.1 to 10% by mass. When the characteristics of the ion transporting material to be combined are good, the content of the ion transporting material of the present embodiment is preferably 0.1 to 30% by mass, and more preferably 0.1 to 10% by mass.
<3.イオン輸送性有機物の製造方法>
本発明のイオン輸送性有機物の製造方法は、本発明で限定せず、公知の湿式又は乾式の方法での混合及び成形工程が用いられてもよい。例えば、湿式法にてイオン伝導体を作製する場合には、溶媒性分子とリチウム塩を溶媒に溶解させ、ドクターブレード、ダイコート、コンマコート、スクリーン印刷等の方法で成膜する。このとき、溶液の濃度、又はコーティング回数などを調節し、最終的にコーティングされるコーティング膜厚を調節することができる。乾燥工程は、支持体にコーティングされたイオン輸送性有機物塗工膜内の溶媒及び水分を除去する過程であり、用いられる溶媒に応じて変わる。一例として、50~200℃の真空オーブンで行う。乾燥方法には、例えば、温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、(遠)赤外線又は電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。乾燥時間については、特に限定しないが、通常的に30秒~24時間の範囲で行われる。
3. Method for producing ion-transporting organic material
The method for producing the ion transporting organic material of the present invention is not limited to the present invention, and a mixing and molding process by a known wet or dry method may be used. For example, when an ion conductor is produced by a wet method, a solvent molecule and a lithium salt are dissolved in a solvent, and a film is formed by a method such as doctor blade, die coating, comma coating, screen printing, etc. At this time, the concentration of the solution or the number of coatings can be adjusted to adjust the final coating film thickness. The drying process is a process for removing the solvent and moisture in the ion transporting organic material coating film coated on the support, and varies depending on the solvent used. As an example, it is performed in a vacuum oven at 50 to 200°C. Examples of drying methods include drying with warm air, hot air, low humidity air, vacuum drying, and drying by irradiation with (far) infrared rays or electron beams. The drying time is not particularly limited, but is usually performed within a range of 30 seconds to 24 hours.
乾式法にてイオン輸送性有機物を作製する場合には、好適成分を好適割合で含む組成物を押出成形することによって製造することができる。一軸スクリュー押出機又は二軸スクリュー押出機を用いて、溶媒性分子を溶融し、塩を添加、混錬の後、押出成形することができる。より良好な分散を可能にする二軸スクリュー押出機を用いて製造するのが好ましい。 When preparing an ion-transporting organic material by a dry method, it can be produced by extruding a composition containing suitable components in suitable ratios. Using a single-screw extruder or a twin-screw extruder, the solvent molecules can be melted, salt can be added, kneaded, and then extruded. It is preferable to produce it using a twin-screw extruder, which allows for better dispersion.
上記<1-6>の添加剤、上記<1-7>のその他の添加剤、非水溶媒、第2のイオン輸送性物質については、その生産性又は保管性等を考慮して適宜添加のタイミングを調整することができる。 The timing of addition of the additives in <1-6> above, the other additives in <1-7> above, the non-aqueous solvent, and the second ion transporting substance can be adjusted appropriately taking into account their productivity, storage properties, etc.
<4.電解質積層体の製造方法>
本実施形態に係る電解質積層体の製造方法の一例は、例えば、(i)電解質を含む第一、第二及び第三の電解質層の同時形成工程;及び/又は(ii)電解質と支持体を備える第二の電解質層に対する第一と第三の電解質層の製膜工程を含む。電解質積層体の製造方法については、工程(i)及び工程(ii)に限定されず、基材と電解質とイオン性有機物を用いて第一、第二及び第三の電解質層をこの順に接合して積層することができる既知の電解質積層体の製造方法、又は既知の固体電解質積層体を使用することができる。
4. Manufacturing method of electrolyte laminate
An example of the method for producing the electrolyte laminate according to the present embodiment includes, for example, (i) a step of simultaneously forming the first, second, and third electrolyte layers containing an electrolyte; and/or (ii) a step of forming the first and third electrolyte layers on the second electrolyte layer including the electrolyte and a support. The method for producing the electrolyte laminate is not limited to the steps (i) and (ii), and a known method for producing an electrolyte laminate in which the first, second, and third electrolyte layers can be bonded and laminated in this order using a base material, an electrolyte, and an ionic organic substance, or a known solid electrolyte laminate can be used.
<5.正極及び正極集電体>
正極は、非水系二次電池の正極として作用するものであれば特に限定されず、公知のものであってもよい。本実施形態における好ましい正極は、正極活物質を含有し、場合により導電助剤、バインダー及びイオン伝導体を更に含有する。
<5. Positive electrode and positive electrode current collector>
The positive electrode is not particularly limited as long as it functions as a positive electrode for a non-aqueous secondary battery, and may be a known positive electrode. A preferred positive electrode in this embodiment contains a positive electrode active material, and optionally further contains a conductive assistant, a binder, and an ion conductor.
正極が正極活物質としてイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料からなる群より選ばれる1種以上の材料を含有すると、高電圧及び高エネルギー密度を得ることができる傾向にあるので好ましい。そのような材料としては、例えば、下記一般式(2a)及び(2b):
LixMO2 (2a)
LiyM2O4 (2b)
{式中、Mは遷移金属から選ばれる1種以上の金属を示し、xは0~1の数、yは0~2の数を示す。}のそれぞれで表されるリチウム含有化合物、及びその他のリチウム含有化合物が挙げられる。
It is preferable that the positive electrode contains one or more materials selected from the group consisting of materials capable of absorbing and releasing ions as a positive electrode active material, since this tends to enable a high voltage and a high energy density to be obtained. Examples of such materials include those represented by the following general formulas (2a) and (2b):
Li x MO 2 (2a)
Li y M 2 O 4 (2b)
{wherein M represents one or more metals selected from transition metals, x represents a number from 0 to 1, and y represents a number from 0 to 2.}, as well as other lithium-containing compounds.
上記一般式(2a)及び(2b)のそれぞれで表されるリチウム含有化合物としては、例えば、LiCoO2に代表されるリチウムコバルト酸化物;LiMnO2、LiMn2O4、及びLi2Mn2O4に代表されるリチウムマンガン酸化物;LiNiO2に代表されるリチウムニッケル酸化物;LizMO2(式中、Mは、Ni、Mn、Co、Al及びMgから成る群より選ばれる1種以上の元素を示し、zは0.9超1.2未満の数を示す)で表されるリチウム含有複合金属酸化物等が挙げられる。 Examples of the lithium-containing compounds represented by the above general formulas (2a) and ( 2b ) include lithium cobalt oxides such as LiCoO2; lithium manganese oxides such as LiMnO2 , LiMn2O4 , and Li2Mn2O4 ; lithium nickel oxides such as LiNiO2 ; and lithium - containing composite metal oxides such as LizMO2 (wherein M represents one or more elements selected from the group consisting of Ni, Mn, Co, Al, and Mg, and z represents a number greater than 0.9 and less than 1.2).
その他のリチウム含有化合物としては、リチウムを含有するものであればよい。このようなその他のリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、リチウムを有する金属カルコゲン化物、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物、及びリチウムと遷移金属元素とを含むケイ酸金属化合物(例えばLitMuSiO4、Mは上記式(2a)と同義であり、tは0~1の数、uは0~2の数を示す。)が挙げられる。より高い電圧を得る観点から、その他のリチウム含有化合物としては、特に、リチウムと、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、バナジウム(V)及びチタン(Ti)から成る群より選ばれる1種以上の遷移金属元素とを含む複合酸化物、並びにリン酸化合物が好ましい。 The other lithium-containing compound may be any compound containing lithium. Examples of such other lithium-containing compounds include composite oxides containing lithium and transition metal elements, metal chalcogenides containing lithium, phosphate compounds containing lithium and transition metal elements, and metal silicate compounds containing lithium and transition metal elements (e.g., Li t M u SiO 4 , where M is the same as in the above formula (2a), t is a number from 0 to 1, and u is a number from 0 to 2). From the viewpoint of obtaining a higher voltage, the other lithium-containing compounds are particularly preferably composite oxides containing lithium and one or more transition metal elements selected from the group consisting of cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), iron (Fe), copper (Cu), zinc (Zn), chromium (Cr), vanadium (V) and titanium (Ti), and phosphate compounds.
その他のリチウム化合物としてより具体的には、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物又はリチウムと遷移金属元素とを含む金属カルコゲン化物、及びリチウムを有するリン酸金属化合物がより好ましく、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物及びリチウムを有するリン酸金属化合物が更に好ましい。例えば、それぞれ下記一般式(3a)及び(3b):
LivMIO2 (3a)
LiwMIIPO4 (3b)
{式中、MI及びMIIはそれぞれ1種以上の遷移金属元素を示し、v及びwの値は、電池の充放電状態によって異なり、vは0.05~1.10、wは0.05~1.10の数を示す。}で表される化合物が挙げられる。
More specifically, the other lithium compounds are preferably a composite oxide containing lithium and a transition metal element, a metal chalcogenide containing lithium and a transition metal element, and a metal phosphate compound containing lithium, and more preferably a composite oxide containing lithium and a transition metal element and a metal phosphate compound containing lithium. For example, the following general formulas (3a) and (3b) are respectively:
Liv M I O 2 (3a)
Li w M II PO 4 (3b)
{wherein M I and M II each represent one or more transition metal elements, the values of v and w vary depending on the charge/discharge state of the battery, v represents a number from 0.05 to 1.10, and w represents a number from 0.05 to 1.10.}
上記一般式(3a)で表される化合物は層状構造を有し、上記一般式(3b)で表される化合物はオリビン構造を有する。これらの化合物は、構造を安定化させる等の目的から、Al、Mg、又はその他の遷移金属元素により遷移金属元素の一部を置換したもの、これらの金属元素を結晶粒界に含ませたもの、酸素原子の一部をフッ素原子等で置換したもの、正極活物質表面の少なくとも一部に他の正極活物質を被覆したものであってもよい。 The compound represented by the above general formula (3a) has a layered structure, and the compound represented by the above general formula (3b) has an olivine structure. These compounds may have a part of the transition metal element replaced with Al, Mg, or other transition metal element, may have these metal elements included in the grain boundaries, may have a part of the oxygen atoms replaced with fluorine atoms, or may have at least a part of the surface of the positive electrode active material coated with another positive electrode active material, for the purpose of stabilizing the structure, etc.
本実施形態における正極活物質としては、上記のようなリチウム含有化合物のみを用いてもよいし、該リチウム含有化合物とともにその他の正極活物質を併用してもよい。 In this embodiment, the positive electrode active material may be the lithium-containing compound alone, or may be used in combination with other positive electrode active materials.
このようなその他の正極活物質としては、例えば、トンネル構造及び層状構造を有する金属酸化物又は金属カルコゲン化物;イオウ;導電性高分子等が挙げられる。トンネル構造及び層状構造を有する金属酸化物又は金属カルコゲン化物としては、例えば、MnO2、FeO2、FeS2、V2O5、V6O13、TiO2、TiS2、MoS2、及びNbSe2に代表されるリチウム以外の金属の酸化物、硫化物、セレン化物等が例示される。 Examples of such other positive electrode active materials include metal oxides or metal chalcogenides having a tunnel structure and a layered structure , sulfur, conductive polymers, etc. Examples of metal oxides or metal chalcogenides having a tunnel structure and a layered structure include oxides, sulfides, and selenides of metals other than lithium, such as MnO2, FeO2, FeS2, V2O5, V6O13 , TiO2 , TiS2 , MoS2 , and NbSe2 .
導電性高分子としては、例えば、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、及びポリピロールに代表される導電性高分子が例示される。
正極活物質は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
Examples of the conductive polymer include conductive polymers typified by polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole.
The positive electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
正極活物質として、リチウム含有化合物とその他の正極活物質とを併用する場合、両者の使用割合としては、正極活物質の全部に対するリチウム含有化合物の使用割合として、80質量%以上が好ましく、85質量%以上がより好ましい。 When a lithium-containing compound and another positive electrode active material are used in combination as the positive electrode active material, the ratio of the lithium-containing compound to the total positive electrode active material is preferably 80% by mass or more, and more preferably 85% by mass or more.
正極活物質の数平均粒子径(一次粒子径)は、好ましくは0.05μm~100μm、より好ましくは1μm~10μmである。正極活物質の数平均粒子径は、湿式の粒子径測定装置(例えば、レーザー回折/散乱式粒度分布計、動的光散乱式粒度分布計等)により測定することができる。或いは、透過型電子顕微鏡を用いて観察した画像から粒子100個をランダムに抽出し、画像解析ソフト(例えば、旭コンディショニングエンジニアリング株式会社製の画像解析ソフト、商品名「A像くん」)で解析し、その相加平均を算出することによっても得られる。この場合、同じ試料に対して、測定方法間で数平均粒子径が異なる場合は、標準試料を対象として作成した検量線を用いてもよい。 The number average particle size (primary particle size) of the positive electrode active material is preferably 0.05 μm to 100 μm, more preferably 1 μm to 10 μm. The number average particle size of the positive electrode active material can be measured by a wet particle size measuring device (e.g., a laser diffraction/scattering type particle size distribution meter, a dynamic light scattering type particle size distribution meter, etc.). Alternatively, it can be obtained by randomly extracting 100 particles from an image observed using a transmission electron microscope, analyzing them with image analysis software (e.g., image analysis software manufactured by Asahi Conditioning Engineering Co., Ltd., product name "A-zo-kun"), and calculating the arithmetic mean. In this case, if the number average particle size differs between measurement methods for the same sample, a calibration curve created for a standard sample may be used.
導電助剤としては、例えば、グラファイト、アセチレンブラック、及びケッチェンブラックに代表されるカーボンブラック、並びに炭素繊維が挙げられる。導電助剤の数平均粒子径(一次粒子径)は、好ましくは10nm~10μm、より好ましくは20nm~1μmである。導電助剤の数平均粒子径は、正極活物質の数平均粒子径と同様にして測定される。導電助剤の含有割合は、正極活物質100質量部に対して、10質量部以下とすることが好ましく、より好ましくは1~5質量部である。 Examples of conductive assistants include carbon black, such as graphite, acetylene black, and ketjen black, and carbon fiber. The number average particle size (primary particle size) of the conductive assistant is preferably 10 nm to 10 μm, and more preferably 20 nm to 1 μm. The number average particle size of the conductive assistant is measured in the same manner as the number average particle size of the positive electrode active material. The content of the conductive assistant is preferably 10 parts by mass or less, and more preferably 1 to 5 parts by mass, per 100 parts by mass of the positive electrode active material.
バインダーとしては、例えば、PVDF、PTFE、ポリアクリル酸、スチレンブタジエンゴム、及びフッ素ゴムが挙げられる。バインダーの含有割合は、正極活物質100質量部に対して、6質量部以下とすることが好ましく、より好ましくは0.5~4質量部である。 Examples of binders include PVDF, PTFE, polyacrylic acid, styrene butadiene rubber, and fluororubber. The binder content is preferably 6 parts by mass or less, and more preferably 0.5 to 4 parts by mass, per 100 parts by mass of the positive electrode active material.
イオン輸送性有機物の含有割合は、正極活物質100質量部に対して、25質量部以下とすることが好ましく、より好ましくは5~20質量部である。 The content of the ion-transporting organic material is preferably 25 parts by mass or less, and more preferably 5 to 20 parts by mass, per 100 parts by mass of the positive electrode active material.
正極は、例えば、下記のようにして得られる。すなわち、先ず、上記正極活物質に対して、必要に応じて、導電助剤、バインダー、リチウムイオン伝導体等を加えて混合した正極合剤を溶剤に分散させて正極合剤含有スラリーを調製する。溶剤としては、特に制限はなく、従来公知のものを用いてよいが、例えば、N―メチル-2-ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、水等が挙げられる。ここで、正極合剤含有スラリー中の固形分濃度は、好ましくは30~80質量%であり、より好ましくは40~70質量%である。次いで、この正極合剤含有スラリーを正極集電体上に塗布し、乾燥して正極活物質層を形成する。 The positive electrode can be obtained, for example, as follows. First, the positive electrode mixture is mixed with the positive electrode active material, and a conductive assistant, binder, lithium ion conductor, etc. are added as necessary, and the positive electrode mixture is dispersed in a solvent to prepare a positive electrode mixture-containing slurry. There is no particular restriction on the solvent, and a conventionally known solvent may be used, for example, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, water, etc. Here, the solid content concentration in the positive electrode mixture-containing slurry is preferably 30 to 80 mass%, more preferably 40 to 70 mass%. Next, the positive electrode mixture-containing slurry is applied to a positive electrode current collector and dried to form a positive electrode active material layer.
正極集電体は、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔、ステンレス箔等の金属箔により構成される。正極集電体は、表面にカーボンコートが施されていてもよく、メッシュ状に加工されていてもよい。正極集電体の厚みは、5~40μmであることが好ましく、7~35μmであることがより好ましく、9~30μmであることが更に好ましい。 The positive electrode current collector is composed of a metal foil such as aluminum foil, nickel foil, or stainless steel foil. The positive electrode current collector may have a carbon coating on the surface, or may be processed into a mesh shape. The thickness of the positive electrode current collector is preferably 5 to 40 μm, more preferably 7 to 35 μm, and even more preferably 9 to 30 μm.
乾燥後に得られた正極活物質層をロールプレス等により圧縮することにより、正極合剤層(正極)が形成される。圧縮後の正極合剤の厚さは、10~300μmであることが好ましく、20~280μmであることがより好ましく、30~250μmであることが更に好ましい。 The positive electrode active material layer obtained after drying is compressed by a roll press or the like to form a positive electrode mixture layer (positive electrode). The thickness of the positive electrode mixture after compression is preferably 10 to 300 μm, more preferably 20 to 280 μm, and even more preferably 30 to 250 μm.
<6.負極及び負極集電体>
負極は、非水系二次電池の負極として作用するものであれば特に限定されず、公知のものであってもよい。本実施形態における好ましい負極は、負極活物質を含有し、場合により導電助剤、バインダー及びイオン輸送性有機物を更に含有する。
<6. Negative electrode and negative electrode current collector>
The negative electrode is not particularly limited as long as it functions as a negative electrode of a non-aqueous secondary battery, and may be a known one. A preferred negative electrode in this embodiment contains a negative electrode active material, and optionally further contains a conductive assistant, a binder, and an ion-transporting organic material.
負極は、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料、及び金属リチウムから成る群より選ばれる1種以上の材料を含有すると好ましい。そのような材料としては、例えば、金属リチウム、アモルファスカーボン(ハードカーボン)、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解炭素、コークス、ガラス状炭素、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、グラファイト、炭素コロイド、及びカーボンブラックに代表される炭素材料;リチウムとの合金を形成可能な元素を含む材料等が挙げられる。上記コークスとしては、例えば、ピッチコークス、ニードルコークス、及び石油コークスが挙げられる。有機高分子化合物の焼成体は、フェノール樹脂、フラン樹脂等の高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものである。炭素材料には、炭素以外に、O、B、P、N、S、Si、SiC、SiO、SiO2、B4C等の、異種元素又は異種化合物を含んでもよい。異種元素又は異種化合物の含有量としては、0~10質量%が好ましい。 The negative electrode preferably contains one or more materials selected from the group consisting of materials capable of absorbing and releasing lithium ions as the negative electrode active material, and metallic lithium. Examples of such materials include metallic lithium, amorphous carbon (hard carbon), artificial graphite, natural graphite, pyrolytic carbon, coke, glassy carbon, a sintered body of an organic polymer compound, mesocarbon microbeads, carbon fiber, activated carbon, graphite, carbon colloid, and carbon black; and materials containing elements capable of forming an alloy with lithium. Examples of the coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. The sintered body of an organic polymer compound is a polymer material such as a phenolic resin or a furan resin that is sintered at an appropriate temperature to carbonize it. The carbon material may contain, in addition to carbon, heterogeneous elements or heterogeneous compounds such as O, B, P, N, S, Si, SiC, SiO, SiO 2 , and B 4 C. The content of heterogeneous elements or heterogeneous compounds is preferably 0 to 10% by mass.
上記リチウムとの合金を形成可能な元素を含む材料としては、金属又は半金属の単体、合金、又は化合物であることができ、これらの1種又は2種以上の相を少なくとも一部に有するものであってもよい。 The material containing an element capable of forming an alloy with lithium may be a metal or semimetal element, an alloy, or a compound, and may have one or more of these phases at least in part.
本明細書において、「合金」には、2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを有するものも含まれる。また、合金が、その全体として金属の性質を有するものであれば、非金属元素を有していてもよい。合金の組織には、固溶体、共晶(共融混合物)、若しくは金属間化合物、又はこれらのうちの2種以上が共存することができる。 In this specification, "alloy" includes those that are made of two or more metallic elements, as well as those that have one or more metallic elements and one or more metalloid elements. In addition, as long as the alloy has metallic properties as a whole, it may contain nonmetallic elements. The structure of an alloy may be a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), or an intermetallic compound, or two or more of these may coexist.
リチウムとの合金を形成可能な金属元素及び半金属元素としては、例えば、チタン(Ti)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、銀(Ag)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、及びイットリウム(Y)が挙げられる。これらの中でも、長周期型周期表における4族又は14族の金属元素及び半金属元素が好ましい。特に好ましいのは、リチウムを吸蔵及び放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができる、チタン、ケイ素、及びスズである。 Metal elements and metalloid elements capable of forming an alloy with lithium include, for example, titanium (Ti), tin (Sn), lead (Pb), aluminum (Al), indium (In), silicon (Si), zinc (Zn), antimony (Sb), bismuth (Bi), gallium (Ga), germanium (Ge), arsenic (As), silver (Ag), hafnium (Hf), zirconium (Zr), and yttrium (Y). Among these, metal elements and metalloid elements in Group 4 or Group 14 of the long-form periodic table are preferred. Particularly preferred are titanium, silicon, and tin, which have a high ability to absorb and release lithium and can obtain a high energy density.
スズの合金としては、スズ以外の第2の構成元素として、例えば、ケイ素、マグネシウム(Mg)、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン(Ti)、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン、及びクロム(Cr)から成る群より選ばれる1種以上の元素を有するものが挙げられる。 Examples of tin alloys include those having, as a second constituent element other than tin, one or more elements selected from the group consisting of silicon, magnesium (Mg), nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium (Ti), germanium, bismuth, antimony, and chromium (Cr).
ケイ素の合金としては、ケイ素以外の第2の構成元素として、例えば、マグネシウム、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン、及びクロムからなる群より選ばれる1種以上の元素を有するものが挙げられる。 Silicon alloys include those having, as a second constituent element other than silicon, one or more elements selected from the group consisting of magnesium, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony, and chromium.
チタンの化合物、スズの化合物、及びケイ素の化合物としては、例えば酸素(O)又は炭素(C)を有するものが挙げられる。この場合、チタン、スズ、又はケイ素に加えて、上述の第2の構成元素を有していてもよい。 Examples of titanium compounds, tin compounds, and silicon compounds include those containing oxygen (O) or carbon (C). In this case, in addition to titanium, tin, or silicon, they may also contain the second constituent element described above.
負極は、負極活物質として、0.4~3V vs.Li/Li+の範囲でリチウムイオンを吸蔵することが可能な金属化合物を含有してもよい。このような金属化合物としては、例えば、金属酸化物、金属硫化物、及び金属窒化物が挙げられる。 The negative electrode may contain, as a negative electrode active material, a metal compound capable of absorbing lithium ions in the range of 0.4 to 3 V vs. Li/Li + . Examples of such metal compounds include metal oxides, metal sulfides, and metal nitrides.
金属酸化物としては、例えば、チタン酸化物、リチウムチタン酸化物(リチウムチタン含有複合酸化物)、タングステン酸化物(例えばWO3)、アモルファススズ酸化物(例えばSnB0.4P0.6O3.1)、スズ珪素酸化物(例えばSnSiO3)、及び酸化珪素(SiO)が挙げられる。これらの中でも、チタン酸化物及びリチウムチタン酸化物が好ましい。 Examples of metal oxides include titanium oxide, lithium titanium oxide (lithium titanium-containing composite oxide), tungsten oxide (e.g., WO3 ), amorphous tin oxide (e.g. , SnB0.4P0.6O3.1 ), tin silicon oxide (e.g., SnSiO3 ), and silicon oxide (SiO). Among these, titanium oxide and lithium titanium oxide are preferred.
リチウムチタン酸化物としては、例えば、スピネル構造のチタン酸リチウム{例えばLi4+aTi5O12(式中、aは充放電反応により-1≦a≦3の範囲で変化し得る。)}、ラムスデライト構造のチタン酸リチウム{例えばLi2+bTi3O7(式中、bは充放電反応により-1≦b≦3の範囲で変化し得る。)}等が挙げられる。 Examples of lithium titanium oxides include lithium titanate having a spinel structure (e.g., Li4 + aTi5O12 (wherein a can vary within the range of -1≦a≦3 due to charge/discharge reactions)) and lithium titanate having a ramsdellite structure (e.g., Li2 + bTi3O7 (wherein b can vary within the range of -1≦b≦ 3 due to charge/discharge reactions)).
チタン酸化物としては、充放電前からLiを含むもの又は含まないもののいずれをも用いることができる。充放電前(合成時)にLiを含まないチタン酸化物としては、例えば、酸化チタン(例えばTiO2、H2Ti12O25)、TiとP、V、Sn、Cu、Ni、及びFeより成る群から選ばれる少なくとも1種の元素とを含有するチタン複合酸化物等が挙げられる。TiO2としては、アナターゼ型で熱処理温度が300~500℃の低結晶性のものが好ましい。チタン複合酸化物としては、例えば、TiO2-P2O5、TiO2-V2O5、TiO2-P2O5-SnO2、TiO2-P2O5-MeO(式中、MeはCu、Ni及びFeより成る群から選ばれる少なくとも1種の元素である)が挙げられる。チタン複合酸化物は、結晶性が低く、結晶相とアモルファス相とが共存した、又はアモルファス相単独で存在した、ミクロ構造を有することが好ましい。このようなミクロ構造を有することにより、非水系二次電池のサイクル性能を大幅に向上することができる。 As the titanium oxide, either one containing Li before charging and discharging or one not containing Li can be used. Examples of titanium oxides not containing Li before charging and discharging (during synthesis) include titanium oxide (e.g., TiO 2 , H 2 Ti 12 O 25 ), titanium composite oxides containing Ti and at least one element selected from the group consisting of P, V, Sn, Cu, Ni, and Fe, and the like. As the TiO 2 , an anatase type with low crystallinity and heat treatment temperature of 300 to 500°C is preferred. Examples of titanium composite oxides include TiO2 - P2O5 , TiO2 - V2O5 , TiO2 -P2O5 - SnO2 , and TiO2 - P2O5 - MeO (wherein Me is at least one element selected from the group consisting of Cu, Ni , and Fe). The titanium composite oxide preferably has a microstructure with low crystallinity in which a crystalline phase and an amorphous phase coexist, or in which an amorphous phase exists alone. By having such a microstructure, the cycle performance of a non-aqueous secondary battery can be significantly improved.
充放電前(合成時)からLiを含むチタン酸化物としては、例えば、LicTiO2(式中、0<c≦1.1である)等が挙げられる。 An example of the titanium oxide that contains Li before charge/discharge (at the time of synthesis) is Li c TiO 2 (wherein 0<c≦1.1).
金属硫化物としては、例えば、硫化チタン(例えばTiS2)、硫化モリブデン(例えばMoS2)、及び硫化鉄(例えば、FeS、FeS2、LigFeS2(式中、gは0≦g≦1である))が挙げられる。金属窒化物としては、例えば、リチウムコバルト窒化物(例えば、LidCoeN、0<d<4、0<e<0.5)が挙げられる。 Metal sulfides include, for example, titanium sulfide (e.g., TiS2 ), molybdenum sulfide (e.g., MoS2 ), and iron sulfide (e.g., FeS, FeS2 , LigFeS2 , where g is 0≦g≦1). Metal nitrides include, for example, lithium cobalt nitride (e.g., LidCoeN , 0<d<4, 0<e<0.5).
本実施形態における非水系二次電池は、電池電圧を高められるという観点から、負極が、負極活物質として、リチウムイオンを0.4V vs.Li/Li+よりも卑な電位で吸蔵する材料を含有することが好ましい。そのような材料としては、例えば、アモルファスカーボン(ハードカーボン)、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛、熱分解炭素、コークス、ガラス状炭素、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、グラファイト、炭素コロイド、及びカーボンブラックに代表される炭素材料の他、金属リチウム、金属酸化物、金属窒化物、リチウム合金、スズ合金、シリコン合金、金属間化合物、有機化合物、無機化合物、金属錯体、有機高分子化合物等が挙げられる。 In the non-aqueous secondary battery of this embodiment, from the viewpoint of increasing the battery voltage, the negative electrode preferably contains a material that absorbs lithium ions at a potential lower than 0.4 V vs. Li/Li + as a negative electrode active material. Examples of such materials include amorphous carbon (hard carbon), artificial graphite, natural graphite, graphite, pyrolytic carbon, coke, glassy carbon, baked bodies of organic polymer compounds, mesocarbon microbeads, carbon fibers, activated carbon, graphite, carbon colloids, and carbon materials such as carbon black, as well as metallic lithium, metal oxides, metal nitrides, lithium alloys, tin alloys, silicon alloys, intermetallic compounds, organic compounds, inorganic compounds, metal complexes, organic polymer compounds, and the like.
負極活物質は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 Negative electrode active materials are used alone or in combination of two or more.
負極活物質の数平均粒子径(一次粒子径)は、好ましくは0.1μm~100μm、より好ましくは1μm~10μmである。負極活物質の数平均粒子径は、正極活物質の数平均粒子径と同様にして測定される。 The number average particle diameter (primary particle diameter) of the negative electrode active material is preferably 0.1 μm to 100 μm, more preferably 1 μm to 10 μm. The number average particle diameter of the negative electrode active material is measured in the same manner as the number average particle diameter of the positive electrode active material.
導電助剤としては、例えば、グラファイト、アセチレンブラック、及びケッチェンブラックに代表されるカーボンブラック、並びに炭素繊維が挙げられる。導電助剤の数平均粒子径(一次粒子径)は、好ましくは10nm~10μm、より好ましくは20nm~1μmである。導電助剤の数平均粒子径は、正極活物質の数平均粒子径と同様にして測定される。導電助剤の含有割合は、負極活物質100質量部に対して、20質量部以下とすることが好ましく、より好ましくは0.1~10質量部である。 Examples of conductive assistants include carbon black, such as graphite, acetylene black, and ketjen black, and carbon fiber. The number average particle size (primary particle size) of the conductive assistant is preferably 10 nm to 10 μm, and more preferably 20 nm to 1 μm. The number average particle size of the conductive assistant is measured in the same manner as the number average particle size of the positive electrode active material. The content of the conductive assistant is preferably 20 parts by mass or less, and more preferably 0.1 to 10 parts by mass, per 100 parts by mass of the negative electrode active material.
バインダーとしては、例えば、PVDF、PTFE、ポリアクリル酸、スチレンブタジエンゴム、及びフッ素ゴムが挙げられる。バインダーの含有割合は、負極活物質100質量部に対して、10質量部以下とすることが好ましく、より好ましくは0.5~6質量部である。 Examples of binders include PVDF, PTFE, polyacrylic acid, styrene butadiene rubber, and fluororubber. The binder content is preferably 10 parts by mass or less, and more preferably 0.5 to 6 parts by mass, per 100 parts by mass of the negative electrode active material.
イオン輸送性有機物の含有割合は、負極活物質100質量部に対して、25質量部以下とすることが好ましく、より好ましくは5~20質量部である。 The content of the ion-transporting organic material is preferably 25 parts by mass or less, and more preferably 5 to 20 parts by mass, per 100 parts by mass of the negative electrode active material.
負極は、例えば、下記のようにして得られる。すなわち、先ず、上記負極活物質に対して、必要に応じて、導電助剤、バインダー、リチウムイオン伝導体等を加えて混合した負極合剤を溶剤に分散させて、負極合剤含有スラリーを調製する。溶剤としては、特に制限はなく、従来公知のものを用いてよい。例えば、N―メチル-2-ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、水等を使用することができる。負極合剤含有スラリー中の固形分濃度は、好ましくは30~80質量%であり、より好ましくは40~70質量%である。次いで、この負極合剤含有スラリーを負極集電体上に塗布し、乾燥して負極活物質層を形成する。 The negative electrode can be obtained, for example, as follows. That is, first, the negative electrode mixture obtained by adding a conductive assistant, a binder, a lithium ion conductor, etc. to the negative electrode active material as necessary and mixing the mixture is dispersed in a solvent to prepare a negative electrode mixture-containing slurry. There is no particular restriction on the solvent, and a conventionally known solvent may be used. For example, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, water, etc. can be used. The solid content concentration in the negative electrode mixture-containing slurry is preferably 30 to 80 mass%, more preferably 40 to 70 mass%. Next, the negative electrode mixture-containing slurry is applied onto a negative electrode current collector and dried to form a negative electrode active material layer.
負極集電体としては、例えば、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔等の金属箔により構成される。負極集電体は、その表面にカーボンコートが施された態様、メッシュ状に加工された態様であってもよい。負極集電体の厚みは5~40μmであることが好ましく、6~35μmであることがより好ましく、7~30μmであることが更に好ましい。 The negative electrode current collector is, for example, composed of a metal foil such as copper foil, nickel foil, or stainless steel foil. The negative electrode current collector may have a carbon coating on its surface or may be processed into a mesh shape. The thickness of the negative electrode current collector is preferably 5 to 40 μm, more preferably 6 to 35 μm, and even more preferably 7 to 30 μm.
乾燥後に得られた負極活物質層をロールプレス等により圧縮することにより、負極合剤層(負極)が形成される。圧縮後の負極合剤厚さは10~300μmであることが好ましく、20~280μmであることがより好ましく、30~250μmであることが更に好ましい。 The negative electrode active material layer obtained after drying is compressed by a roll press or the like to form a negative electrode mixture layer (negative electrode). The thickness of the negative electrode mixture after compression is preferably 10 to 300 μm, more preferably 20 to 280 μm, and even more preferably 30 to 250 μm.
<7.電池外装>
本実施形態における非水系二次電池の電池外装の構成は特に限定されないが、例えば、電池缶及びラミネートフィルム外装体のいずれかの電池外装を用いることができる。電池缶としては、例えば、スチール又はアルミニウムからなる金属缶を用いることができる。ラミネートフィルム外装体としては、例えば、熱溶融樹脂/金属フィルム/樹脂の3層構成から成るラミネートフィルムを熱溶融樹脂側を内側に向けた状態で2枚重ねて端部をヒートシールにて封止したものを用いることができる。
7. Battery exterior
The structure of the battery exterior of the non-aqueous secondary battery in this embodiment is not particularly limited, and for example, either a battery can or a laminate film exterior can be used. For example, a metal can made of steel or aluminum can be used as the battery can. For example, a laminate film exterior can be used in which two laminate films made of a three-layer structure of heat-melting resin/metal film/resin are stacked with the heat-melting resin side facing inward and the ends are sealed by heat sealing.
ラミネートフィルム外装体を用いる場合、正極集電体及び負極集電体にそれぞれ正極端子(又は正極端子と接続するリードタブ)及び負極端子(又は負極端子と接続するリードタブ)を接続し、両端子(又はリードタブ)の端部が外装体の外部に引き出された状態でラミネートフィルム外装体を封止してもよい。 When a laminate film exterior is used, a positive electrode terminal (or a lead tab connected to the positive electrode terminal) and a negative electrode terminal (or a lead tab connected to the negative electrode terminal) may be connected to the positive electrode collector and the negative electrode collector, respectively, and the laminate film exterior may be sealed with the ends of both terminals (or lead tabs) extended to the outside of the exterior.
<8.電池の作製方法>
本実施形態の非水系二次電池は、上述の固体電解質積層体を具備することを特徴とする。
8. How to make a battery
The nonaqueous secondary battery of this embodiment is characterized by including the above-mentioned solid electrolyte laminate.
本実施形態の非水系二次電池は、例えば、上述の固体電解質積層体、正極、負極を用いて、公知の方法により作製することができる。 The nonaqueous secondary battery of this embodiment can be produced by a known method, for example, using the above-mentioned solid electrolyte laminate, positive electrode, and negative electrode.
先ず、正極、負極、及び固体電解質積層体から成る積層体を形成する。 First, a laminate is formed consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte laminate.
例えば:
正極と負極とを、その間に固体電解質積層体を介在させた積層状態で巻回して巻回構造の積層体に成形する態様;
該積層体を折り曲げる、或いは該積層体の複数を積層する等の処置によって、複数組の正極と負極との間にそれぞれ固体電解質積層体及びセパレータが介在する多層積層体に成形する態様;
等が可能である。
for example:
An embodiment in which a positive electrode and a negative electrode are wound in a stacked state with a solid electrolyte laminate interposed therebetween to form a laminate having a wound structure;
The laminate is folded or a plurality of the laminates are laminated to form a multi-layer laminate in which a solid electrolyte laminate and a separator are interposed between each of a plurality of pairs of positive electrodes and negative electrodes;
etc. are possible.
次いで、電池ケース(電池外装)内に上記の積層体を収容して封印することによって、本実施形態における非水系二次電池を作製することができる。 Next, the laminate is placed in a battery case (battery exterior) and sealed to produce the nonaqueous secondary battery of this embodiment.
本実施形態の非水系二次電池の形状は、特に限定されず、例えば、円筒形、楕円形、角筒型、ボタン形、コイン形、扁平形、ラミネート形等が好適に採用される。 The shape of the nonaqueous secondary battery of this embodiment is not particularly limited, and for example, a cylindrical shape, an elliptical shape, a rectangular tube shape, a button shape, a coin shape, a flat shape, a laminate shape, etc. are preferably adopted.
本実施形態の非水系二次電池は、初回充電により電池として機能し得るが、初回充電の際にリチウムイオン伝導体の一部が分解することにより安定化する。本実施形態における初回充電の方法について特に制限はないが、初回充電が0.001~0.3Cで行われることが好ましく、0.002~0.25Cで行われることがより好ましく、0.003~0.2Cで行われることが特に好ましい。初回充電が、途中に定電圧充電を途中に経由して行われることも好ましい結果を与える。定格容量を1時間で放電する定電流が1Cである。リチウム塩が電気化学的な反応に関与する電圧範囲を長く設定することによって、SEI(Solid Electrolyte Interface:固体電解質界面)が電極表面に形成され、正極を含めた内部抵抗の増加を抑制する効果があることの他、反応生成物が負極のみに強固に固定化されることなく、何らかの形で、正極、固体電解質積層体等の、負極以外の部材にも良好な効果を与える。このため、電解液に溶解したリチウム塩の電気化学的な反応を考慮して初回充電を行うことは、非常に有効である。 The non-aqueous secondary battery of this embodiment can function as a battery by initial charging, but is stabilized by decomposing a part of the lithium ion conductor during the initial charging. There is no particular restriction on the method of initial charging in this embodiment, but the initial charging is preferably performed at 0.001 to 0.3 C, more preferably at 0.002 to 0.25 C, and particularly preferably at 0.003 to 0.2 C. The initial charging can also be performed via a constant voltage charge in the middle to give favorable results. The constant current for discharging the rated capacity in one hour is 1 C. By setting the voltage range in which the lithium salt is involved in the electrochemical reaction to be long, a SEI (Solid Electrolyte Interface) is formed on the electrode surface, which has the effect of suppressing an increase in internal resistance including the positive electrode, and the reaction product is not firmly fixed only to the negative electrode, and in some form, it has a good effect on components other than the negative electrode, such as the positive electrode and solid electrolyte laminate. For this reason, it is very effective to perform the initial charge while taking into account the electrochemical reaction of the lithium salt dissolved in the electrolyte.
本実施形態の非水系二次電池は、複数個を直列又は並列に接続した電池パックとして使用することもできる。電池パックの充放電状態を管理する観点から、1個当たりの使用電圧範囲は2~5Vであることが好ましく、2.5~5Vであることがより好ましく、2.75V~5Vであることが特に好ましい。 The nonaqueous secondary battery of this embodiment can also be used as a battery pack by connecting multiple batteries in series or in parallel. From the viewpoint of managing the charge/discharge state of the battery pack, the operating voltage range per battery is preferably 2 to 5 V, more preferably 2.5 to 5 V, and particularly preferably 2.75 V to 5 V.
以下、実施例によって本発明を例示するが、これら実施例は本発明を限定するものではない。 The present invention will be illustrated by the following examples, but these examples are not intended to limit the present invention.
[実施例1]
リチウムビス(トリフルオロメタン)スルホンイミド(LiN(SO2CF3)2、以下、「LiTFSI」という)と、下記繰り返し単位(a)からなるシアノ基含有水素化ニトリルゴム(HNBR)と、ポリエチレンオキサイド(PEO)とをアセトニトリルに溶解させ、LiTFSI塩濃度が0.60mol/Lとなるように、またHNBRとアセトニトリルのシアノ基の比率が3:7になるようにイオン輸送性有機物を調製した。
Lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide (LiN( SO2CF3 ) 2 , hereinafter referred to as "LiTFSI"), cyano group-containing hydrogenated nitrile rubber (HNBR) consisting of the following repeating unit (a), and polyethylene oxide (PEO) were dissolved in acetonitrile to prepare an ion-transporting organic material such that the LiTFSI salt concentration was 0.60 mol/L and the ratio of cyano groups in the HNBR and acetonitrile was 3:7.
また基材として、別途以下の方法により、積層不織布を作製した。
極細繊維不織布層(I層)用の極細繊維ウェブを得るために、ポリエチレンテレフタレート(PET)の溶液(o-クロロフェノール(OCP)を溶媒として用い、温度35℃で測定した溶液粘度:ηsp/c=0.50を有するもの)を用い、紡糸温度300℃、加熱空気1000Nm3/hr/mの条件下で、移動する捕集ネットに向けて押し出し、メルトブロウン法により紡糸した。この際、メルトブロウンノズルから極細繊維ウェブまでの距離を100mmとし、メルトブロウンノズル直下の捕集面における吸引力を0.2kPa、風速を7m/secに設定した。繊維径及び結晶化度の調整は、加熱空気量を調整することにより行う。得られたメルトブロウン層は繊維径平均1.6μm、目付2.0g/m2であった。
Separately, a laminated nonwoven fabric was prepared as a substrate by the following method.
In order to obtain an ultrafine fiber web for the ultrafine fiber nonwoven fabric layer (I layer), a solution of polyethylene terephthalate (PET) (using o-chlorophenol (OCP) as a solvent and having a solution viscosity of ηsp/c = 0.50 measured at a temperature of 35 ° C.) was used, and the solution was extruded toward a moving collection net under conditions of a spinning temperature of 300 ° C. and a heated air flow of 1000 Nm 3 /hr/m, and spun by a meltblown method. At this time, the distance from the meltblown nozzle to the ultrafine fiber web was set to 100 mm, the suction force at the collection surface directly below the meltblown nozzle was set to 0.2 kPa, and the wind speed was set to 7 m/sec. The fiber diameter and crystallinity were adjusted by adjusting the amount of heated air. The obtained meltblown layer had an average fiber diameter of 1.6 μm and a basis weight of 2.0 g/m 2 .
次に熱可塑性樹脂繊維で構成される不織布層(II層)を得るために、汎用的なPET(熱可塑性樹脂として)の溶液(OCPを溶媒として用い、温度35℃で測定した溶液粘度:ηsp/c=0.67を有する)(溶液粘度は、温度35℃の恒温水槽中の粘度管で測定した。以下同じ。)を用い、スパンボンド法により、紡糸温度300℃で、フィラメント群を、紡糸速度4500m/分で紡糸し、極細繊維ウェブ上に吹き付けた。次いで、コロナ帯電で繊維を3μC/g程度帯電させてフィラメント群を十分に開繊させ、極細繊維で構成される不織布層(I層)/熱可塑性樹脂長繊維で構成される不織布層(II層)からなる積層ウェブを得た。繊維径の調整は、牽引条件を変えることにより行った。スパンボンド層は繊維径平均10μm、目付2.0g/m2であった。 Next, in order to obtain a nonwoven fabric layer (II layer) composed of thermoplastic resin fibers, a general-purpose PET (as a thermoplastic resin) solution (OCP was used as a solvent, and the solution viscosity measured at a temperature of 35°C: ηsp/c = 0.67) (the solution viscosity was measured with a viscosity tube in a thermostatic water bath at a temperature of 35°C. The same applies below.) was used, and the filament group was spun at a spinning temperature of 300°C by the spunbond method at a spinning speed of 4500 m/min and sprayed onto the ultrafine fiber web. Next, the fibers were charged with a corona charge of about 3 μC/g to fully open the filament group, and a laminated web consisting of a nonwoven fabric layer (I layer) composed of ultrafine fibers/a nonwoven fabric layer (II layer) composed of long thermoplastic resin fibers was obtained. The fiber diameter was adjusted by changing the traction conditions. The spunbond layer had an average fiber diameter of 10 μm and a basis weight of 2.0 g/ m2 .
上記で得た積層ウェブ上に、上記の不織布層(I層)としての極細繊維ウェブの形成と同様の方法で、不織布層(I層)を繊維径平均1.6μm、目付2.0g/m2になるように積層した。これにより、I層/II層/I層からなる積層ウェブを得た。得られた積層ウェブを、120℃に加温したフラットロールにて熱接着した後、70℃に加温したカレンダーロールにて厚みを調整した。得られた積層不織布の厚みは20μmであった。 On the laminated web obtained above, a nonwoven fabric layer (I layer) was laminated in the same manner as in the formation of the ultrafine fiber web as the nonwoven fabric layer (I layer) described above, so that the average fiber diameter was 1.6 μm and the basis weight was 2.0 g/m 2. This resulted in a laminated web consisting of I layer/II layer/I layer. The obtained laminated web was thermally bonded with a flat roll heated to 120° C., and then the thickness was adjusted with a calendar roll heated to 70° C. The thickness of the obtained laminated nonwoven fabric was 20 μm.
製造した積層不織布に対して、LiTFSI:HNBR:PEO:アセトニトリル混合物からなるイオン輸送性有機物をダイコートにて塗工した。バックロールは配さず、基材が垂直となるように配置し、ダイヘッドを側方より押し付けた。混合物が不織布を通過し、裏抜け、ダイ塗工面と反対の面に塗膜が形成することを確認し、60℃の乾燥炉を通過させることで、総厚が32μm、積層不織布の基材部の厚さが20μm、その両面に厚さ6μmの電解質層が形成されている電解質積層体を得た。この電解質積層体における、基材部を含まない電解質層の組成を解析したところ、HNBRとアセトニトリルのシアノ基比率は3:5、LiTFSI塩濃度は、0.75mol/Lとなっていた。一方、基材部における電解質の組成は、ほぼ塗工時の組成のままであり、異なるイオン輸送性有機物の積層体になっていることが分かった。 The laminated nonwoven fabric thus produced was coated with an ion-transporting organic material consisting of a mixture of LiTFSI:HNBR:PEO:acetonitrile by die coating. No back roll was provided, the substrate was positioned vertically, and the die head was pressed against it from the side. It was confirmed that the mixture passed through the nonwoven fabric, struck through the back, and a coating film was formed on the side opposite to the die-coated surface. The laminate was then passed through a drying oven at 60°C to obtain an electrolyte laminate with a total thickness of 32 μm, a substrate part of the laminated nonwoven fabric having a thickness of 20 μm, and an electrolyte layer of 6 μm thickness formed on both sides. When the composition of the electrolyte layer not including the substrate part in this electrolyte laminate was analyzed, the cyano group ratio of HNBR and acetonitrile was 3:5, and the LiTFSI salt concentration was 0.75 mol/L. On the other hand, it was found that the composition of the electrolyte in the substrate part remained almost the same as the composition at the time of coating, and that it was a laminate of different ion-transporting organic materials.
カソードは、カーボンベース層で被覆されたアルミニウムから作られた集電体上に配置された40μmの複合材料の膜であり、該複合材料は、電極の活性材料としてのニッケル-コバルト-マンガン酸化物正極(Ni:Mn:Co=5:2:3)、電子伝導性を生じさせる材料としてのカーボンブラック、及びイオン輸送性有機物として1.5mol/Lの比率で混合されたLiTFSIを、HNBRとPEOとともに含むものだった。目付は1.5mA/cm2であった。カソードとアノードの間に挟む電解質積層体は、上記で作製したものを用いた。アノードは、グラファイト:SiO=95:5(質量比)を含み、電子伝導性を生じさせる材料としてカーボンナノチューブ、イオン輸送性有機物として1.5mol/Lの比率で混合されたLiTFSIを、HNBRとPEOとともに含むものだった。目付は1.7mA/cm2であった。これらを積層し、アルミラミネートフィルム外装体により封止した。その後50℃、1MPaの圧力で100秒間プレスした。これにより、カソード/(LiTFSI:HNBR:PEO:アセトニトリル)/アノード素子を含む電池を得た。 The cathode was a 40 μm composite membrane placed on a current collector made of aluminum coated with a carbon-based layer, the composite comprising a nickel-cobalt-manganese oxide cathode (Ni:Mn:Co=5:2:3) as the active material of the electrode, carbon black as the material causing electronic conductivity, and LiTFSI mixed in a ratio of 1.5 mol/L as the ion transporting organic material, together with HNBR and PEO. The basis weight was 1.5 mA/ cm2 . The electrolyte laminate sandwiched between the cathode and the anode was the one prepared above. The anode comprised graphite:SiO=95:5 (by weight), carbon nanotubes as the material causing electronic conductivity, LiTFSI mixed in a ratio of 1.5 mol/L as the ion transporting organic material, together with HNBR and PEO. The basis weight was 1.7 mA/ cm2 . These were laminated and sealed with an aluminum laminate film exterior body, and then pressed at 50° C. and a pressure of 1 MPa for 100 seconds, thereby obtaining a battery including a cathode/(LiTFSI:HNBR:PEO:acetonitrile)/anode element.
[実施例2]
実施例1と同様にして、LiTFSI、HNBR及びPEOをアセトニトリルに溶解させ、LiTFSI塩濃度が0.60mol/Lとなるように、またHNBRとアセトニトリルのシアノ基比率が3:7になるようにイオン輸送性有機物を調製した。これに繊維径10μm,長さ3mmの短繊維PETを加えて混錬し、離型フィルム上にアプリケータにて塗工した後60℃で乾燥し、支持体である短繊維PETとイオン輸送性有機物とが融合した電解質フィルムを得た。
同じ組成からなるLiTFSI:HNBR:PEO:アセトニトリル混合物を、上記電解質フィルム上にアプリケータで塗工し、再度60℃で乾燥させた。離型処理フィルムを貼り合わせて、上記電解質フィルムの裏面にも同様に塗工・乾燥し、電解質積層体とした。電解質積層体の各層の膜厚は、短繊維PETを含む層が15μm、両面に配した層がともに9μmであり、そして総厚33μmであった。なお、短繊維PETを含まない電解質層のLiTFSI塩濃度は0.75mol/Lとなるように乾燥時間を調節した。電池は、実施例2で作製の電解質積層体を使用する以外は、実施例1と同様に作製し、評価した。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, LiTFSI, HNBR, and PEO were dissolved in acetonitrile to prepare an ion-transporting organic material so that the LiTFSI salt concentration was 0.60 mol/L and the cyano group ratio of HNBR to acetonitrile was 3:7. Short fiber PET with a fiber diameter of 10 μm and a length of 3 mm was added and kneaded, and the mixture was applied onto a release film with an applicator and then dried at 60° C. to obtain an electrolyte film in which the short fiber PET support and the ion-transporting organic material were fused together.
A LiTFSI:HNBR:PEO:acetonitrile mixture having the same composition was applied to the electrolyte film with an applicator and dried again at 60°C. A release-treated film was attached, and the back side of the electrolyte film was similarly coated and dried to obtain an electrolyte laminate. The thickness of each layer of the electrolyte laminate was 15 μm for the layer containing short fiber PET, 9 μm for both layers on both sides, and 33 μm in total. The drying time was adjusted so that the LiTFSI salt concentration of the electrolyte layer not containing short fiber PET was 0.75 mol/L. The battery was fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte laminate fabricated in Example 2 was used.
[実施例3]
実施例1と同様にして、LiTFSI、HNBR及びPEOをアセトニトリルに溶解させ、LiTFSI塩濃度が0.60mol/Lとなるように、またシアノ基含有水素化ニトリルゴムとアセトニトリルのシアノ基比率が3:7になるようにイオン輸送性有機物を調製した。
[Example 3]
In the same manner as in Example 1, LiTFSI, HNBR and PEO were dissolved in acetonitrile to prepare an ion-transporting organic material so that the LiTFSI salt concentration was 0.60 mol/L and the cyano group ratio of the cyano group-containing hydrogenated nitrile rubber to acetonitrile was 3:7.
また、基材として、別途以下の方法により、不織布を作製した。
熱可塑性樹脂繊維で構成される不織布層(II層)を得るために、汎用的なPET(熱可塑性樹脂として)の溶液(OCPを溶媒として用い、温度35℃で測定した溶液粘度:ηsp/c=0.67を有する)を用い、スパンボンド法により、紡糸温度300℃で、フィラメント群を、紡糸速度4500m/分で紡糸し、極細繊維ウェブ上に吹き付けた。次いで、コロナ帯電で繊維を3μC/g程度帯電させてフィラメント群を十分に開繊させ、熱可塑性樹脂長繊維で構成される不織布を得た。繊維径の調整は、牽引条件を変えることにより行った。スパンボンド層は繊維径平均10μm、目付6.0g/m2であった。このようにして得られた不織布層(II層)と、実施例1と同様の2つの不織布層(I層)とを積層して、120℃に加温したフラットロールにて熱接着した後、70℃に加温したカレンダーロールにて厚みを調整した。得られた積層不織布の厚みは20μmであった。
Separately, a nonwoven fabric was prepared as a substrate by the following method.
In order to obtain a nonwoven fabric layer (II layer) composed of thermoplastic resin fibers, a general-purpose PET (as thermoplastic resin) solution (OCP was used as a solvent, and the solution viscosity measured at a temperature of 35 ° C. was ηsp / c = 0.67) was used, and a filament group was spun at a spinning temperature of 300 ° C. by the spunbond method at a spinning speed of 4500 m / min and sprayed onto the ultrafine fiber web. Next, the fibers were charged with about 3 μC / g by corona charging to fully open the filament group, and a nonwoven fabric composed of thermoplastic resin long fibers was obtained. The fiber diameter was adjusted by changing the traction conditions. The spunbond layer had an average fiber diameter of 10 μm and a basis weight of 6.0 g / m 2. The nonwoven fabric layer (II layer) obtained in this way and two nonwoven fabric layers (I layer) similar to those in Example 1 were laminated and heat-bonded with a flat roll heated to 120 ° C., and then the thickness was adjusted with a calendar roll heated to 70 ° C. The thickness of the obtained laminated nonwoven fabric was 20 μm.
製造した積層不織布に対して実施例1と同じイオン輸送性有機物を実施例1と同様にダイコートにて塗工し、総厚が32μm、積層不織布の基材部の厚さが20μm、その両面に厚さ6μmの電解質層が形成されている電解質積層体を得た。この電解質積層体における、基材部を含まない電解質層の組成を解析したところ、HNBRとアセトニトリルのシアノ基比率は3:5、LiTFSI塩濃度は0.75mol/Lとなっていた。一方、基材部における電解質の組成は、ほぼ塗工時の組成のままであり、異なるイオン輸送性有機物の積層体になっていることが分かった。電池は、実施例3で作製の電解質積層体を使用する以外は、実施例1と同様に作製し、評価した。 The same ion-transporting organic material as in Example 1 was applied to the laminated nonwoven fabric produced by die coating in the same manner as in Example 1, to obtain an electrolyte laminate having a total thickness of 32 μm, a substrate thickness of the laminated nonwoven fabric of 20 μm, and an electrolyte layer of 6 μm thickness formed on both sides. When the composition of the electrolyte layer not including the substrate in this electrolyte laminate was analyzed, the cyano group ratio of HNBR and acetonitrile was 3:5, and the LiTFSI salt concentration was 0.75 mol/L. On the other hand, the composition of the electrolyte in the substrate remained almost the same as when it was applied, and it was found to be a laminate of different ion-transporting organic materials. The battery was fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte laminate produced in Example 3 was used.
[レート試験、サイクル試験、インピーダンス測定]
得られた電池のコンディショニング条件は、以下のとおりである。電池を1MPaの圧力で拘束し、充電は0.1CのCCCV充電で実施した。CV時間は1時間とし、終止電圧は4.2Vに設定した。放電は0.1CのCC放電で実施した。終止電圧は3.0Vに設定した。その後、放電容量を算出するため、下記の条件で容量を確認した。充電は0.1CのCCCV充電で実施した。CV時間は1時間とし、終止電圧は4.2Vに設定した。放電は0.1CのCC放電で実施した。終止電圧は3.0Vに設定した。
[Rate test, cycle test, impedance measurement]
The conditioning conditions of the obtained battery are as follows. The battery was restrained at a pressure of 1 MPa, and charging was performed by CCCV charging at 0.1 C. The CV time was set to 1 hour, and the end voltage was set to 4.2 V. Discharging was performed by CC discharging at 0.1 C. The end voltage was set to 3.0 V. Thereafter, in order to calculate the discharge capacity, the capacity was confirmed under the following conditions. Charging was performed by CCCV charging at 0.1 C. The CV time was set to 1 hour, and the end voltage was set to 4.2 V. Discharging was performed by CC discharging at 0.1 C. The end voltage was set to 3.0 V.
レート試験に条件は以下のとおりである。コンディショニング及び放電容量を確認したセルに対して、2Cの電流値に変更し、放電容量確認時と同様の電圧制御と終止条件で行った。 The conditions for the rate test are as follows. For the cells for which conditioning and discharge capacity had been confirmed, the current value was changed to 2C, and the test was performed under the same voltage control and termination conditions as when confirming the discharge capacity.
サイクル試験の条件は以下のとおりである。放電容量を確認したセルは各拘束圧条件に設定しなおし、充電は1CのCCCV充電で実施した。CV時間は1時間とし、終止電圧は4.2Vに設定した。放電は1CのCC放電で実施した。終止電圧は3.0Vに設定した。サイクル試験における放電容量維持率は1回目の1Cの放電容量を基準に算出した。 The cycle test conditions are as follows. The cells whose discharge capacity had been confirmed were reset to each confining pressure condition, and charging was performed by CCCV charging at 1C. The CV time was 1 hour, and the end voltage was set to 4.2V. Discharging was performed by CC discharging at 1C. The end voltage was set to 3.0V. The discharge capacity retention rate in the cycle test was calculated based on the first 1C discharge capacity.
インピーダンス測定は下記のとおりに実施した。
実施例1から実施例3を比較すると、実施例1は、いずれの拘束圧でもサイクル劣化はせず、200サイクルを超えてもなお、80%以上の放電容量維持率を示すのに対し、実施例2および実施例3では、5MPaの拘束圧において200サイクルに到達する前に、放電容量が80%を切っている。これは、負極の膨張収縮によって、電解質の流動が発生し、基材と電極が接触したことを意味していると推察される。実施例2の短繊維補強では、毛羽立ちが電極と接触したためと考えられる。また、実施例3の長繊維単層の場合には、細い繊維層がないことで電解質の基材の一体性に欠け、サイクルとともに、電解質が流動し、スパンボンド層と電極が接触し、抵抗の増大等を引き起こしていると推察される。実施例2および実施例3では、基材としてPETを用いているので、基材と電極の接触を、インピーダンス測定やDC-IR測定やレート測定など煩雑なプロセスを経ることなく、放電容量維持率の低下として容易に判定できた。1MPa、3MPaの範囲でコントロールすれば良好な界面を維持できることが、サイクル試験から容易に判定できた。
Impedance measurements were performed as follows.
Comparing Example 1 to Example 3, Example 1 did not show any cycle deterioration at any confining pressure, and even after 200 cycles, it showed a discharge capacity retention rate of 80% or more, whereas in Examples 2 and 3, the discharge capacity fell below 80% before reaching 200 cycles at a confining pressure of 5 MPa. This is presumably because the electrolyte flowed due to the expansion and contraction of the negative electrode, and the substrate and the electrode came into contact. In the case of the short fiber reinforcement in Example 2, it is considered that the fluff came into contact with the electrode. In addition, in the case of the long fiber single layer in Example 3, it is presumed that the absence of a thin fiber layer caused the electrolyte substrate to lack integrity, and the electrolyte flowed with cycles, causing the spunbond layer to come into contact with the electrode, causing an increase in resistance, etc. In Examples 2 and 3, PET was used as the substrate, so the contact between the substrate and the electrode could be easily determined as a decrease in the discharge capacity retention rate without going through complicated processes such as impedance measurement, DC-IR measurement, and rate measurement. It was easily determined from the cycle test that a good interface can be maintained by controlling the pressure within the range of 1 MPa or 3 MPa.
[組成解析とちょう度測定]
実施例1から実施例3のセルを解体し、基材部を含む第二の電解質層の組成を解析したところ、いずれのセルもLiTFSI塩濃度は0.9mol/L、HNBRとアセトニトリルの比率は1:1である混合物になっていることが分かった。また、カソードとアノードの組成も同様であった。アセトニトリルがカソードとアノードに分配された結果、上記の塩濃度になっていると推察される。この基材部を含む第二の電解質層と同じ組成のイオン輸送性有機物のちょう度を測定したところ、160という値を得た。
[Composition analysis and consistency measurement]
The cells of Examples 1 to 3 were disassembled, and the composition of the second electrolyte layer including the substrate was analyzed. It was found that the LiTFSI salt concentration was 0.9 mol/L and the ratio of HNBR to acetonitrile was 1:1 in all the cells. The compositions of the cathode and anode were also similar. It is presumed that the above salt concentration was achieved as a result of acetonitrile being distributed to the cathode and anode. When the consistency of an ion-transporting organic material having the same composition as the second electrolyte layer including the substrate was measured, a value of 160 was obtained.
[比較例1]
実施例1と同じ積層不織布を用意し、実施例1と同じ組成のイオン輸送性有機物をダイコートにて塗工した。比較例1では、バックロールを配し、基材が垂直となるように配置し、ダイヘッドを側方より押し付けた。混合物が不織布を通過し、裏抜け、バックロールが混合物で濡れていることを確認し、60℃の乾燥炉を通過させることで、総厚が26μm、積層不織布の基材部の厚さが20μm、その片面に厚さ6μmの電解質層が形成されている電解質積層体を得た。この電解質積層体における、基材部を含まない電解質層の組成を解析したところ、HNBRとアセトニトリルのシアノ基比率は3:5、LiTFSI塩濃度は、0.75mol/Lとなっていた。
[Comparative Example 1]
The same laminated nonwoven fabric as in Example 1 was prepared, and an ion-transporting organic material having the same composition as in Example 1 was applied by die coating. In Comparative Example 1, a back roll was arranged, the substrate was arranged vertically, and the die head was pressed from the side. The mixture passed through the nonwoven fabric, and it was confirmed that the back roll was wet with the mixture, and the mixture was passed through a drying oven at 60 ° C. to obtain an electrolyte laminate having a total thickness of 26 μm, a substrate part of the laminated nonwoven fabric having a thickness of 20 μm, and an electrolyte layer having a thickness of 6 μm formed on one side of the substrate part. When the composition of the electrolyte layer not including the substrate part in this electrolyte laminate was analyzed, the cyano group ratio of HNBR and acetonitrile was 3:5, and the LiTFSI salt concentration was 0.75 mol / L.
カソードおよびアノードは、実施例1と同様に作製し、上記[比較例1]で作製した電解質積層体の厚さ6μmの電解質層が形成されている面をアノード側へ当接させて、アルミラミネートフィルム外装体により封止した。その後、50℃の温度及び1MPaの圧力で封止体を100秒間プレスした。これにより、カソード/(LiTFSI:HNBR:PEO:アセトニトリル)/アノード素子を含む電池を得た。 The cathode and anode were prepared in the same manner as in Example 1, and the surface of the electrolyte laminate prepared in the above [Comparative Example 1] on which the 6 μm-thick electrolyte layer was formed was abutted against the anode side, and the laminate was sealed with an aluminum laminate film exterior. The sealed body was then pressed at a temperature of 50°C and a pressure of 1 MPa for 100 seconds. This resulted in a battery including a cathode/(LiTFSI:HNBR:PEO:acetonitrile)/anode element.
[比較例2]
繊維径10μm、目付6g/m2、厚さ20μmのポリプロピレン(PP)製不織布を用意し、実施例1と同じ組成のイオン輸送性有機物を比較例1と同様にダイコートにて塗工し、総厚が26μm、積層不織布の基材部の厚さが20μm、その片面に厚さ6μmの電解質層が形成されている電解質積層体を得た。この電解質積層体における、基材部を含まない電解質層の組成を解析したところ、HNBRとアセトニトリルのシアノ基比率は3:5、LiTFSI塩濃度は0.75mol/Lとなっていた。
[Comparative Example 2]
A polypropylene (PP) nonwoven fabric having a fiber diameter of 10 μm, a basis weight of 6 g/ m2 , and a thickness of 20 μm was prepared, and an ion-transporting organic material having the same composition as in Example 1 was applied by die coating in the same manner as in Comparative Example 1 to obtain an electrolyte laminate having a total thickness of 26 μm, a substrate part of the laminated nonwoven fabric having a thickness of 20 μm, and an electrolyte layer having a thickness of 6 μm formed on one side thereof. When the composition of the electrolyte layer not including the substrate part in this electrolyte laminate was analyzed, the cyano group ratio of HNBR and acetonitrile was 3:5, and the LiTFSI salt concentration was 0.75 mol/L.
比較例1と同様に、上記[比較例2]で作製した電解質積層体の厚さ6μmの電解質層が形成されている面をアノード側へ当接させるようにして、カソード/(LiTFSI:HNBR:PEO:アセトニトリル)/アノード素子を含む電池を得た。 As in Comparative Example 1, the surface of the electrolyte laminate produced in Comparative Example 2 above on which the 6 μm-thick electrolyte layer was formed was brought into contact with the anode side to obtain a battery including a cathode/(LiTFSI:HNBR:PEO:acetonitrile)/anode element.
[比較例3]
ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)とポリアクリロニトリルとアセトニトリルとを混合し、LiPF6:ポリアクリロニトリル:アセトニトリル混合物を、実施例1と同様に用意した積層不織布に対して、実施例1と同様の手順で、ダイコートにて塗工した。バックロールを配さず、基材が垂直となるように配置し、ダイヘッドを側方より押し付けた。混合物が不織布を通過し、裏抜けし、塗膜が形成されていることを確認し、60℃の乾燥炉を通過させた。乾燥炉通過後のフィルムの両面に離型処理フィルムを貼り合わせて巻き取った。塗工された不織布を抜き取って、組成を解析したところ、アクリロニトリルとアセトニトリルのシアノ基比率が、1:9となっていた。また、塩濃度は、0.7mol/Lとなっていた。このようにして総厚が32μmの電解質積層体を得た。その両面に厚さ6μmの電解質層が形成されていることを確認した。
[Comparative Example 3]
Lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), polyacrylonitrile, and acetonitrile were mixed, and the LiPF 6 : polyacrylonitrile: acetonitrile mixture was applied to a laminated nonwoven fabric prepared in the same manner as in Example 1 by die coating in the same manner as in Example 1. A back roll was not provided, the substrate was arranged vertically, and the die head was pressed from the side. It was confirmed that the mixture passed through the nonwoven fabric, penetrated through the back, and a coating film was formed, and the nonwoven fabric was passed through a drying oven at 60°C. A release-treated film was attached to both sides of the film after passing through the drying oven and rolled up. The coated nonwoven fabric was extracted and the composition was analyzed, and the cyano group ratio of acrylonitrile and acetonitrile was 1:9. The salt concentration was 0.7 mol/L. In this way, an electrolyte laminate with a total thickness of 32 μm was obtained. It was confirmed that an electrolyte layer with a thickness of 6 μm was formed on both sides.
カソードおよびアノードは、シアノ基含有水素化ニトリルゴムをポリアクリロニトリルに変更した以外は実施例1と同様に作製し、上記[比較例3]で作製した電解質積層体をアノードとカソードで挟み込み、アルミラミネートフィルム外装体により封止した。その後、50℃の温度及び1MPaの圧力で封止体を30秒間プレスした。これにより、カソード/(LiPF6:ポリアクリロニトリル:アセトニトリル)/アノード素子を含む電池を得た。 The cathode and anode were prepared in the same manner as in Example 1, except that the cyano group-containing hydrogenated nitrile rubber was replaced with polyacrylonitrile, and the electrolyte laminate prepared in the above [Comparative Example 3] was sandwiched between the anode and cathode, and sealed with an aluminum laminate film exterior. The sealed body was then pressed at a temperature of 50° C. and a pressure of 1 MPa for 30 seconds. This resulted in a battery including a cathode/(LiPF 6 :polyacrylonitrile:acetonitrile)/anode element.
[レート試験、サイクル試験、インピーダンス測定]
比較例1~3で得られた電池に対して、実施例と同様の手順で、コンディショニング、放電容量の算出、レート試験、及びサイクル試験を実施した。
[Rate test, cycle test, impedance measurement]
For the batteries obtained in Comparative Examples 1 to 3, conditioning, calculation of discharge capacity, rate test, and cycle test were carried out in the same manner as in the Examples.
比較例1では、コンディショニングの段階で不可逆容量が大きく、測定できなかった。これは、PET基材が正極に当接していることにより、副反応が進行したためと推察される。基材と電極が接触したセルは、非液系電池においては特性が不良になるために、早期に除外すべきであり、基材が不可逆容量として初充放電の段階で判明し、インピーダンス測定やDC-IR測定やレート測定など煩雑なプロセスを経ることなく、容易に判定できているとして評価できる。 In Comparative Example 1, the irreversible capacity was large during the conditioning stage and could not be measured. This is believed to be because a side reaction occurred due to the PET substrate being in contact with the positive electrode. Cells in which the substrate and electrode are in contact should be removed early on, as this will result in poor characteristics in non-liquid batteries. This can be evaluated as being easily determined as the substrate being the irreversible capacity at the initial charge/discharge stage, without having to go through complicated processes such as impedance measurements, DC-IR measurements, or rate measurements.
比較例2では、基材にPPを用いているが、この場合、レート試験を実施すると50%の容量しか出ていないこと、インピーダンス測定によって界面抵抗があることがあることが分かった。PPは分解しないため、初充放電の段階では、レート試験の結果やインピーダンス測定の結果を予想することはできなかった。 In Comparative Example 2, PP was used as the substrate, but in this case, when a rate test was performed, it was found that only 50% of the capacity was obtained, and impedance measurements showed that there was sometimes interface resistance. Because PP does not decompose, it was not possible to predict the results of the rate test or the impedance measurement at the initial charge/discharge stage.
比較例3ではサイクル特性が悪く、充放電時のセルの拘束圧を上げるほど劣化が激しい。負極の大きな膨張収縮や、外部の拘束圧により、電解質が変形し、基材が電極に接触したためと考えられる。これは、電解質にポリアクリロニトリルを用いて、その比率をアセトニトリルの9分に1に抑えており、電解質のちょう度は450という低粘度であったためであると考えられる。非液系電解質においては、電解質粘度が重要で、適切な粘度範囲で、所望の特性が発現されることが分かった。 In Comparative Example 3, the cycle characteristics were poor, and the greater the cell's restraining pressure during charging and discharging, the greater the degradation. This is thought to be because the electrolyte was deformed due to the large expansion and contraction of the negative electrode and the external restraining pressure, causing the base material to come into contact with the electrode. This is thought to be because polyacrylonitrile was used as the electrolyte, with its ratio kept to 1/9 of acetonitrile, and the electrolyte had a low viscosity of 450 consistency. It was found that the electrolyte viscosity is important for non-liquid electrolytes, and that the desired characteristics are expressed within an appropriate viscosity range.
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 The above describes the form for implementing the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be modified in various ways without departing from the gist of the invention.
100 非水系二次電池
110 外装体
120 外装体の一領域(膨らんだ空間)
130 アルミニウム製タブ
140 ニッケル製タブ
150 正極
160 負極
170 電解質積層体(リチウムイオン伝導体層)
100 Non-aqueous
130
Claims (10)
前記第一の電解質層と前記第二の電解質層が、異なるイオン輸送性有機物を含み、かつ前記第二の電解質層に含まれるイオン輸送性有機物の25℃におけるちょう度が、100以上400未満である電解質積層体。 An electrolyte laminate comprising at least a first electrolyte layer, a second electrolyte layer, and a third electrolyte layer bonded and laminated in the order described above, the second electrolyte layer being a composite layer of an electrolyte and a base material formed of continuous long fibers , and each of the first, second, and third electrolyte layers containing an ion-transporting organic material,
The first electrolyte layer and the second electrolyte layer contain different ion transporting organic materials, and the consistency of the ion transporting organic material contained in the second electrolyte layer at 25° C. is 100 or more and less than 400.
前記第一の電解質層または前記第三の電解質層が前記正極上に形成され、前記第一の電解質層または前記第三の電解質層のうち、前記正極と当接しない前記第一の電解質層または前記第三の電解質層が、前記負極上に形成され、かつ少なくとも一対の前記正極と前記負極の間に前記第二の電解質層が自立している非水系二次電池構成体。 A non-aqueous secondary battery structure comprising a positive electrode, a negative electrode, and the electrolyte laminate according to any one of claims 1 to 7 or the electrolyte film according to claim 8 ,
a nonaqueous secondary battery structure in which the first electrolyte layer or the third electrolyte layer is formed on the positive electrode, and one of the first electrolyte layer or the third electrolyte layer that is not in contact with the positive electrode is formed on the negative electrode, and the second electrolyte layer is self-supporting between at least one pair of the positive electrode and the negative electrode.
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