JP7823864B2 - Lithium-ion battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン電池に関する。 The present invention relates to a lithium-ion battery.
リチウムイオン電池はエネルギー密度が高いため、スマートフォン、ノートパソコンなどの電子・電気機器に幅広く搭載されている。リチウムイオン電池では一般的に電解質としてリチウム塩を非水溶媒に溶解させた可燃性の非水電解質が用いられる。また、リチウムイオン電池では、過充電、正極-負極間の短絡などに起因して発熱する場合がある。さらに、正極活物質は、熱分解や過充電などにより結晶中の酸素を放出する場合がある。このため、リチウムイオン電池は、異常発熱や発火のおそれがある。
この異常発熱や発火による事故を防止するために、リチウムイオン電池の電解質溶媒にイオン液体を用いることが提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。イオン液体は、アニオンとカチオンから構成される液体であり、一般的に蒸気圧が低く不燃性である。従って、イオン液体を電解質の溶媒に用いることにより、リチウムイオン電池の安全性を向上させることができる。
Due to their high energy density, lithium-ion batteries are widely used in electronic and electrical devices such as smartphones and laptops. Lithium-ion batteries typically use a flammable non-aqueous electrolyte, in which lithium salts are dissolved in a non-aqueous solvent. Lithium-ion batteries can generate heat due to overcharging or short circuits between the positive and negative electrodes. Furthermore, the positive electrode active material can release oxygen from its crystals due to thermal decomposition or overcharging. This puts lithium-ion batteries at risk of abnormal heat generation and fire.
To prevent accidents caused by abnormal heat generation and fire, it has been proposed to use ionic liquids as electrolyte solvents in lithium-ion batteries (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Ionic liquids are liquids composed of anions and cations and generally have low vapor pressure and are non-flammable. Therefore, using ionic liquids as electrolyte solvents can improve the safety of lithium-ion batteries.
イオン液体は有機溶媒と比較してイオン伝導率が低い。このため、イオン液体電解質を用いる従来のリチウムイオン電池では、充放電中の正極活物質および負極活物質へのリチウムイオンの供給量が不均一になり、リチウムイオン電池の充放電特性が低下する。また、イオン液体電解質を用いる従来のリチウムイオン電池では、高レート充放電において正極活物質および負極活物質へのリチウムイオンの供給が停滞し、レート特性が低下する場合がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、優れた充放電特性及び優れたレート特性を有するリチウムイオン電池を提供する。
Ionic liquids have lower ionic conductivity than organic solvents. Therefore, in conventional lithium-ion batteries using ionic liquid electrolytes, the amount of lithium ions supplied to the positive and negative electrode active materials during charging and discharging is uneven, resulting in poor charge-discharge performance. Furthermore, in conventional lithium-ion batteries using ionic liquid electrolytes, the supply of lithium ions to the positive and negative electrode active materials can stagnate during high-rate charging and discharging, resulting in poor rate performance.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a lithium ion battery having excellent charge/discharge characteristics and excellent rate characteristics.
本発明は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された多孔質絶縁層と、電解液とを備え、前記多孔質絶縁層は、複数の電気絶縁性粒子を有する多孔質構造を有し、かつ、前記負極活物質層に隣接して配置され、複数の電気絶縁性粒子のメジアン径は、1μm以上5μm以下であり、前記多孔質絶縁層の厚さは、5μm以上50μm以下であり、前記電解液は、リチウム塩と、イオン液体とを含むことを特徴とするリチウムイオン電池を提供する。 The present invention provides a lithium-ion battery comprising: a positive electrode having a positive electrode active material layer; a negative electrode having a negative electrode active material layer; a porous insulating layer disposed between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte solution; the porous insulating layer has a porous structure containing a plurality of electrically insulating particles and is disposed adjacent to the negative electrode active material layer; the median diameter of the plurality of electrically insulating particles is 1 μm or more and 5 μm or less; the thickness of the porous insulating layer is 5 μm or more and 50 μm or less; and the electrolyte solution contains a lithium salt and an ionic liquid.
本発明のリチウムイオン電池は上記特徴を有することにより優れた充放電特性及び優れたレート特性を有する。このことは、本願発明者等が行った実験により明らかになった。 The lithium-ion battery of the present invention possesses the above-mentioned characteristics, resulting in excellent charge/discharge characteristics and excellent rate characteristics. This was made clear through experiments conducted by the inventors.
本発明のリチウムイオン電池は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された多孔質絶縁層と、電解液とを備え、前記多孔質絶縁層は、複数の電気絶縁性粒子を有する多孔質構造を有し、かつ、前記負極活物質層に隣接して配置され、複数の電気絶縁性粒子のメジアン径は、1μm以上5μm以下であり、前記多孔質絶縁層の厚さは、5μm以上50μm以下であり、前記電解液は、リチウム塩と、イオン液体とを含むことを特徴とする。 The lithium-ion battery of the present invention comprises a positive electrode having a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode active material layer, a porous insulating layer disposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte solution, wherein the porous insulating layer has a porous structure containing a plurality of electrically insulating particles and is disposed adjacent to the negative electrode active material layer, the median diameter of the plurality of electrically insulating particles being 1 μm or more and 5 μm or less, the thickness of the porous insulating layer being 5 μm or more and 50 μm or less, and the electrolyte solution containing a lithium salt and an ionic liquid.
本発明のリチウムイオン電池は、セパレータを備えることが好ましく、前記セパレータは、前記正極と前記負極との間に配置され、かつ、不織布又は多孔樹脂膜であり、前記多孔質絶縁層は、前記セパレータの少なくとも一方の主要面をコーティングし、前記セパレータは、前記多孔質絶縁層でコーティングされている前記セパレータの主要面が前記負極活物質層側となるように配置されることが好ましい。このことにより、リチウムイオン電池の充放電特性及びレート特性を向上させることができる。
前記多孔質絶縁層は、前記負極活物質層の表面をコーティングしてもよい。
前記電解液における前記リチウム塩の濃度は、1.6mol/L以上3.2mol/L以下であることが好ましい。
The lithium-ion battery of the present invention preferably includes a separator, which is disposed between the positive electrode and the negative electrode and is a nonwoven fabric or a porous resin film, and the porous insulating layer coats at least one major surface of the separator, and the separator is preferably disposed so that the major surface of the separator coated with the porous insulating layer faces the negative electrode active material layer, thereby improving the charge/discharge characteristics and rate characteristics of the lithium-ion battery.
The porous insulating layer may coat the surface of the negative electrode active material layer.
The concentration of the lithium salt in the electrolyte solution is preferably 1.6 mol/L or more and 3.2 mol/L or less.
好ましくは、前記イオン液体は、アニオン成分とカチオン成分とを含み、前記リチウム塩は、前記電解液においてリチウムイオンとアニオン成分とに解離する化合物であり、前記イオン液体のアニオン成分又は前記リチウム塩のアニオン成分は、ビス(フルオロスルホニル)アミドイオンである。
好ましくは、前記イオン液体は、アニオン成分とカチオン成分とを含み、前記イオン液体のカチオン成分は、鎖状又は環状の第4級アンモニウムイオンである。
前記電気絶縁性粒子は、セラミック粒子又は合成樹脂粒子であることが好ましい。
前記多孔質絶縁層の表面に前記電解液を滴下してから10秒後に測定される接触角が60度以下であることが好ましい。
Preferably, the ionic liquid contains an anion component and a cation component, the lithium salt is a compound that dissociates into a lithium ion and an anion component in the electrolyte solution, and the anion component of the ionic liquid or the anion component of the lithium salt is a bis(fluorosulfonyl)amide ion.
Preferably, the ionic liquid contains an anion component and a cation component, and the cation component of the ionic liquid is a chain or cyclic quaternary ammonium ion.
The electrically insulating particles are preferably ceramic particles or synthetic resin particles.
It is preferable that the contact angle measured 10 seconds after the electrolytic solution is dropped onto the surface of the porous insulating layer is 60 degrees or less.
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 An embodiment of the present invention will be described below using the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings or the following description.
図1及び図2はそれぞれ本実施形態のリチウムイオン電池の概略断面図であり、図3は多孔質絶縁層の表面拡大図である。
本実施形態のリチウムイオン電池20は、正極活物質層7を有する正極2と、負極活物質層12を有する負極3と、正極2と負極3との間に配置された多孔質絶縁層8と、電解液5とを備え、多孔質絶縁層8は、複数の電気絶縁性粒子9を有する多孔質構造を有し、かつ、負極活物質層12に隣接して配置され、複数の電気絶縁性粒子9のメジアン径は、1μm以上5μm以下であり、多孔質絶縁層8の厚さは、5μm以上50μm以下であり、電解液5は、リチウム塩と、イオン液体とを含むことを特徴とする。
リチウムイオン電池20は、二次電池であってもよい。また、リチウムイオン電池20は、正極2と負極3との間に配置されたセパレータ4を含むことができる。
1 and 2 are schematic cross-sectional views of the lithium ion battery of this embodiment, and FIG. 3 is an enlarged view of the surface of the porous insulating layer.
The lithium ion battery 20 of this embodiment includes a positive electrode 2 having a positive electrode active material layer 7, a negative electrode 3 having a negative electrode active material layer 12, a porous insulating layer 8 arranged between the positive electrode 2 and the negative electrode 3, and an electrolyte 5, wherein the porous insulating layer 8 has a porous structure having a plurality of electrically insulating particles 9 and is arranged adjacent to the negative electrode active material layer 12, the plurality of electrically insulating particles 9 having a median diameter of 1 μm or more and 5 μm or less, the porous insulating layer 8 having a thickness of 5 μm or more and 50 μm or less, and the electrolyte 5 containing a lithium salt and an ionic liquid.
The lithium ion battery 20 may be a secondary battery. The lithium ion battery 20 may also include a separator 4 disposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3.
正極2は、正極集電シート6と、正極集電シート6上に設けられた多孔質の正極活物質層7とを有する。
正極集電シート6は、正極活物質層7を設けるための基材となるシートであり、正極電池端子と正極活物質層7とを電気的に接続する導電体である。また、正極集電シート6の一部が正極電池端子であってもよい。正極集電シート6は、例えば、アルミニウム箔である。
The positive electrode 2 has a positive electrode current collector sheet 6 and a porous positive electrode active material layer 7 provided on the positive electrode current collector sheet 6 .
The positive electrode current collector sheet 6 is a sheet that serves as a base material for providing the positive electrode active material layer 7, and is a conductor that electrically connects the positive electrode battery terminal and the positive electrode active material layer 7. Furthermore, a part of the positive electrode current collector sheet 6 may serve as the positive electrode battery terminal. The positive electrode current collector sheet 6 is, for example, aluminum foil.
正極活物質層7は、多孔質層であり、正極活物質を含む層である。正極活物質層7は、正極集電シート6の片面上に設けられてもよく、正極集電シート6の両面上にそれぞれ設けられてもよい。
正極活物質層7の厚さは、例えば、1μm以上100μm以下である。
正極活物質層7の厚さを1μm以上とすることにより、正極2に含まれる正極活物質の量を多くすることができ、リチウムイオン電池の容量を大きくすることができる。また、正極活物質層7を塗工により容易に形成することが可能になる。
正極活物質層7の厚さを100μm以下とすることにより、正極活物質層7と正極集電シート6との界面付近と、正極活物質層7の表面付近との間のリチウムイオンの移動距離(拡散距離)を短くすることができ、放電時に前記界面付近の細孔の電解液5においてリチウムイオンが不足すること及び充電時に前記界面付近の細孔の電解液5においてリチウムイオンが過剰になることを抑制することができる。
The positive electrode active material layer 7 is a porous layer containing a positive electrode active material. The positive electrode active material layer 7 may be provided on one side of the positive electrode current collector sheet 6 or on both sides of the positive electrode current collector sheet 6.
The thickness of the positive electrode active material layer 7 is, for example, not less than 1 μm and not more than 100 μm.
By making the thickness of the positive electrode active material layer 7 1 μm or more, the amount of the positive electrode active material contained in the positive electrode 2 can be increased, thereby increasing the capacity of the lithium ion battery. In addition, the positive electrode active material layer 7 can be easily formed by coating.
By setting the thickness of the positive electrode active material layer 7 to 100 μm or less, it is possible to shorten the migration distance (diffusion distance) of lithium ions between the vicinity of the interface between the positive electrode active material layer 7 and the positive electrode current collector sheet 6 and the vicinity of the surface of the positive electrode active material layer 7, and it is possible to prevent a shortage of lithium ions in the electrolyte 5 in the pores near the interface during discharge and an excess of lithium ions in the electrolyte 5 in the pores near the interface during charge.
正極活物質は、正極における電荷移動を伴う電子の受け渡しに直接関与する物質である。正極活物質層7に含まれる正極活物質は、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiNixCo1-xO2(x=0.01~0.99)、LiMnO2、LiMn2O4、LiCoxMnyNizO2(x+y+z=1)またはオリビン型のLiFePO4やLixFe1-yMyPO4(ただし、0.05≦x≦1.2、0≦y≦0.8であり、MはMn、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B、Nbのうち少なくとも1種以上である)などである。正極活物質層7は、これらの正極活物質を1種単独でまたは複数種混合で含むことができる。 The positive electrode active material is a material that is directly involved in the transfer of electrons accompanying charge transfer in the positive electrode. Examples of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 7 include LiCoO2 , LiNiO2 , LiNi x Co 1 -x O 2 (x = 0.01 to 0.99), LiMnO2, LiMn 2 O 4 , LiCo x Mn y Ni z O 2 (x + y + z = 1), or olivine-type LiFePO4 or Li x Fe 1-y M y PO4 (where 0.05 ≤ x ≤ 1.2, 0 ≤ y ≤ 0.8, and M is at least one of Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, and Nb). The positive electrode active material layer 7 can contain one type of these positive electrode active materials alone or a mixture of two or more types.
正極活物質層7は、正極活物質の粉体がバインダーにより接着された多孔質構造を有することができる。このことにより、正極活物質層7は、正極活物質粒子間に細孔を有することができる。この細孔は電解液5で満たされ、正極活物質粒子の表面において電極反応が進行する。
例えば、リチウムイオン電池20を充電する際には、正極活物質粒子に含まれるリチウム原子がリチウムイオン(Li+)として電解液5に放出され、リチウムイオン電池20が放電する際には、電解液5のリチウムイオンがリチウム原子として正極活物質粒子中に挿入される。
The positive electrode active material layer 7 can have a porous structure in which positive electrode active material powder is bonded with a binder. This allows the positive electrode active material layer 7 to have pores between the positive electrode active material particles. These pores are filled with the electrolyte solution 5, and an electrode reaction proceeds on the surfaces of the positive electrode active material particles.
For example, when charging the lithium ion battery 20, the lithium atoms contained in the positive electrode active material particles are released into the electrolyte 5 as lithium ions (Li + ), and when discharging the lithium ion battery 20, the lithium ions in the electrolyte 5 are inserted into the positive electrode active material particles as lithium atoms.
正極活物質層7に含まれる正極活物質粒子は、その表面に導電皮膜を有することができる。このことにより、電極反応が進行する粒子表面の導電性を向上させることができ、正極2の内部抵抗を低くすることができる。導電皮膜は、例えば、炭素皮膜である。 The positive electrode active material particles contained in the positive electrode active material layer 7 may have a conductive coating on their surfaces. This improves the conductivity of the particle surfaces where the electrode reaction progresses, thereby reducing the internal resistance of the positive electrode 2. The conductive coating may be, for example, a carbon coating.
正極活物質層7は、導電剤を含むことができる。このことにより、正極活物質層7の導電性を向上させることができ、正極2の内部抵抗を低減することができる。導電剤は、例えば、アセチレンブラックである。また、導電剤は、易黒鉛化性炭素であるコークス系ソフトカーボンの微粒子であってもよい。
正極活物質層7は、バインダーを含むことができる。バインダーは、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエン共重合体(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、アクリロニトリルゴム、又はアクリロニトリルゴム-PTFE混合体などである。
The positive electrode active material layer 7 may contain a conductive agent. This can improve the conductivity of the positive electrode active material layer 7 and reduce the internal resistance of the positive electrode 2. The conductive agent is, for example, acetylene black. Alternatively, the conductive agent may be fine particles of coke-based soft carbon, which is easily graphitizable carbon.
The positive electrode active material layer 7 may contain a binder, such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene copolymer (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), acrylonitrile rubber, or an acrylonitrile rubber-PTFE mixture.
例えば、正極活物質の粉末と、導電剤と、バインダーとを混合してスラリーを調製し、このスラリーを正極集電シート6上に塗布する(例えば、ロールtoロール塗工方式)。その後、塗布層を乾燥させ、プレス処理することにより正極活物質層7を形成することができる。スラリーの調製に用いる溶媒としては、水、ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、イソプロパノール、トルエン等が挙げられる。 For example, a positive electrode active material powder, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a slurry, which is then applied to the positive electrode current collector sheet 6 (for example, by roll-to-roll coating). The applied layer is then dried and pressed to form the positive electrode active material layer 7. Examples of solvents that can be used to prepare the slurry include water, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, isopropanol, and toluene.
負極3は、負極活物質を有する電極である。負極活物質は、負極における電荷移動を伴う電子の受け渡しに直接関与する物質である。負極活物質は、例えば、グラファイト、部分黒鉛化した炭素、ハードカーボン、ソフトカーボン、チタン酸リチウム(LTO)、Sn合金などである。負極活物質層12は、これらの負極活物質を一種単独で又は複数種混合で含むことができる。 The negative electrode 3 is an electrode containing a negative electrode active material. The negative electrode active material is a substance that is directly involved in the transfer of electrons that accompanies charge transfer at the negative electrode. Examples of negative electrode active materials include graphite, partially graphitized carbon, hard carbon, soft carbon, lithium titanate (LTO), and Sn alloys. The negative electrode active material layer 12 can contain one or more of these negative electrode active materials.
負極3は、負極集電シート11と、負極集電シート11上に設けられた多孔質の負極活物質層12とを備えることができる。負極集電シート11は、負極活物質層12を設けるための基材となるシートであり、負極電池端子と負極活物質層12とを電気的に接続する導電体である。また、負極集電シート11の一部が負極電池端子となってもよい。負極集電シート11は、例えば、銅箔又はアルミニウム箔である。
負極活物質層12は、多孔質層であり、負極活物質を含む層である。負極活物質層12は、負極集電シート11の片面上に設けられてもよく、負極集電シート11の両面上にそれぞれ設けられてもよい。負極活物質層12は、例えば、負極活物質の微粒子を含むことができる。図2に示したリチウムイオン電池のように、正極側の負極活物質層12の表面は多孔質絶縁層8で覆われていてもよい。この場合、多孔質絶縁層8により正極2と負極3との短絡を防止できるため、セパレータ4を省略することができる。
負極活物質層12は、バインダーを含むことができる。バインダーは、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエン共重合体(SBR)、アクリロニトリルゴム、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)、アクリロニトリルゴム、又はアクリロニトリルゴム-PTFE混合体などである。
負極活物質層12は、増粘剤を含むことができる。増粘剤は、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)である。
The negative electrode 3 can include a negative electrode current collector sheet 11 and a porous negative electrode active material layer 12 provided on the negative electrode current collector sheet 11. The negative electrode current collector sheet 11 is a sheet that serves as a base for providing the negative electrode active material layer 12, and is a conductor that electrically connects the negative electrode battery terminal and the negative electrode active material layer 12. Alternatively, a portion of the negative electrode current collector sheet 11 may serve as the negative electrode battery terminal. The negative electrode current collector sheet 11 is, for example, a copper foil or an aluminum foil.
The negative electrode active material layer 12 is a porous layer containing a negative electrode active material. The negative electrode active material layer 12 may be provided on one side of the negative electrode current collector sheet 11, or on both sides of the negative electrode current collector sheet 11. The negative electrode active material layer 12 may contain, for example, fine particles of a negative electrode active material. As in the lithium-ion battery shown in FIG. 2 , the surface of the negative electrode active material layer 12 on the positive electrode side may be covered with a porous insulating layer 8. In this case, the porous insulating layer 8 can prevent a short circuit between the positive electrode 2 and the negative electrode 3, so the separator 4 can be omitted.
The negative electrode active material layer 12 may contain a binder, such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene copolymer (SBR), acrylonitrile rubber, sodium carboxymethyl cellulose (CMC), acrylonitrile rubber, or an acrylonitrile rubber-PTFE mixture.
The negative electrode active material layer 12 may contain a thickener, such as carboxymethyl cellulose (CMC).
負極活物質層12の厚さは、例えば、1μm以上100μm以下である。負極活物質層12の厚さを1μm以上とすることにより、負極3に含まれる負極活物質の量を多くすることができ、リチウムイオン電池の容量を大きくすることができる。また、負極活物質層12を塗工により容易に形成することが可能になる。負極活物質層12の厚さを100μm以下とすることにより、負極活物質層12と負極集電シート11との界面付近と、負極活物質層12の表面付近との間のリチウムイオンの移動距離(拡散距離)を短くすることができ、充電時に前記界面付近の細孔の電解液5においてリチウムイオンが不足すること及び放電時に前記界面付近の細孔の電解液5においてリチウムイオンが過剰になることを抑制することができる。 The thickness of the negative electrode active material layer 12 is, for example, 1 μm or more and 100 μm or less. By making the thickness of the negative electrode active material layer 12 1 μm or more, the amount of negative electrode active material contained in the negative electrode 3 can be increased, thereby increasing the capacity of the lithium-ion battery. Furthermore, the negative electrode active material layer 12 can be easily formed by coating. By making the thickness of the negative electrode active material layer 12 100 μm or less, the migration distance (diffusion distance) of lithium ions between the vicinity of the interface between the negative electrode active material layer 12 and the negative electrode current collector sheet 11 and the vicinity of the surface of the negative electrode active material layer 12 can be shortened, thereby preventing a shortage of lithium ions in the electrolyte solution 5 in the pores near the interface during charging and an excess of lithium ions in the electrolyte solution 5 in the pores near the interface during discharge.
負極活物質層12は、負極活物質の粉体がバインダーにより接着された多孔質構造を有することができる。このことにより、負極活物質層12は、負極活物質粒子間に細孔を有することができる。この細孔は電解液5で満たされ、負極活物質粒子の表面において電極反応が進行する。
例えば、リチウムイオン電池20を充電する際には、電解液5のリチウムイオンがリチウム原子として負極活物質粒子中に挿入され、リチウムイオン電池20が放電する際には、負極活物質粒子に含まれるリチウム原子がリチウムイオン(Li+)として電解液5に放出される。
The negative electrode active material layer 12 can have a porous structure in which negative electrode active material powder is bonded with a binder. This allows the negative electrode active material layer 12 to have pores between the negative electrode active material particles. These pores are filled with the electrolyte solution 5, and an electrode reaction proceeds on the surfaces of the negative electrode active material particles.
For example, when charging the lithium ion battery 20, the lithium ions in the electrolyte 5 are inserted into the negative electrode active material particles as lithium atoms, and when the lithium ion battery 20 is discharged, the lithium atoms contained in the negative electrode active material particles are released into the electrolyte 5 as lithium ions (Li + ).
例えば、負極活物質の粉末と、バインダーとを混合してスラリーを調製し、このスラリーを負極集電シート11上に塗布する。その後、塗布層を乾燥させ、プレス処理することにより負極活物質層12を形成することができる。スラリーの調製に用いる溶剤としては、例えば、水、ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、イソプロパノール、トルエン等である。 For example, a negative electrode active material powder is mixed with a binder to prepare a slurry, which is then applied to the negative electrode current collector sheet 11. The applied layer is then dried and pressed to form the negative electrode active material layer 12. Examples of solvents used to prepare the slurry include water, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, isopropanol, and toluene.
電解液5は、正極-負極間のイオン伝導媒体であり、アニオンとカチオンから構成されるイオン液体(溶媒)と、溶媒に溶解したリチウム塩とを含むイオン液体電解質である。電解液5は、ケーシング16内に収容される。また、リチウムイオン電池20は、正極-負極間のイオン伝導媒体として、電解液5と固体電解質の両方を含んでもよい。固体電解質は、例えば多孔質絶縁層8と正極の間に配置することができる。
イオン液体は一般的に蒸気圧が低く燃えにくいため、電解液5としてイオン液体電解質を用いることにより、リチウムイオン電池20の安全性を向上させることができる。
The electrolyte solution 5 is an ion-conducting medium between the positive electrode and the negative electrode, and is an ionic liquid electrolyte containing an ionic liquid (solvent) composed of anions and cations, and a lithium salt dissolved in the solvent. The electrolyte solution 5 is contained in the casing 16. The lithium-ion battery 20 may also contain both the electrolyte solution 5 and a solid electrolyte as ion-conducting media between the positive electrode and the negative electrode. The solid electrolyte can be disposed, for example, between the porous insulating layer 8 and the positive electrode.
Ionic liquids generally have low vapor pressure and are difficult to burn, so by using an ionic liquid electrolyte as the electrolyte solution 5, the safety of the lithium ion battery 20 can be improved.
イオン液体電解質5に含まれるイオン液体のカチオン成分は、鎖状又は環状の第4級アンモニウムイオンが好ましい。イオン液体のカチオン成分を鎖状又は環状の第4級アンモニウムイオンとすることで、イオン液体の粘度が抑制され、電解液5を正極2、負極3、セパレータ4に十分に含浸させることができる。鎖状第4級アンモニウムイオンは、例えば、下記化学式[1]で表されるアンモニウムイオン(ここで、R1、R2、R3、R4はアルキル基又はアルコキシアルキル基である)が挙げられる。 The cationic component of the ionic liquid contained in the ionic liquid electrolyte 5 is preferably a chain or cyclic quaternary ammonium ion. By using a chain or cyclic quaternary ammonium ion as the cationic component of the ionic liquid, the viscosity of the ionic liquid is reduced, allowing the electrolyte solution 5 to be sufficiently impregnated into the positive electrode 2, the negative electrode 3, and the separator 4. An example of the chain quaternary ammonium ion is an ammonium ion represented by the following chemical formula [1] (where R1 , R2 , R3 , and R4 are alkyl groups or alkoxyalkyl groups).
環状第4級アンモニウムイオンは、例えば、下記の化学式[2]で表されるピロリジニウムカチオン(ここで、R1、R2はアルキル基又はアルコキシアルキル基である)、下記の化学式[3]で表されるイミダゾリウムカチオン(ここで、R1、R2はアルキル基又はアルコキシアルキル基であり、R3、R4、R5はアルキル基、アルコキシアルキル基又は水素原子である)が挙げられる。より具体的には、カチオン成分は、例えば、メチルプロピルピロリジニウムイオン(MPPイオン)、エチルメチルイミダゾリウムイオン(EMIイオン)などである。 Examples of the cyclic quaternary ammonium ion include a pyrrolidinium cation represented by the following chemical formula [2] (where R1 and R2 are alkyl or alkoxyalkyl groups) and an imidazolium cation represented by the following chemical formula [3] (where R1 and R2 are alkyl or alkoxyalkyl groups, and R3 , R4 , and R5 are alkyl, alkoxyalkyl, or hydrogen atoms). More specifically, examples of the cation component include a methylpropylpyrrolidinium ion (MPP ion) and an ethylmethylimidazolium ion (EMI ion).
イオン液体のアニオン成分は、ビス(フルオロスルホニル)アミドイオン(FSAイオン)が好ましい。イオン液体のアニオン成分をビス(フルオロスルホニル)アミドイオンとすることで、正極活物質および負極活物質と電解液5との界面が安定化し、リチウムイオン電池20の充放電特性・レート特性を向上させることができる。また、イオン液体の粘度増大を抑制することができ、電解液5が正極、負極、セパレータに十分に含浸することができる。 The anion component of the ionic liquid is preferably a bis(fluorosulfonyl)amide ion (FSA ion). By using a bis(fluorosulfonyl)amide ion as the anion component of the ionic liquid, the interfaces between the positive electrode active material, negative electrode active material, and electrolyte 5 are stabilized, improving the charge/discharge characteristics and rate performance of the lithium-ion battery 20. Furthermore, an increase in the viscosity of the ionic liquid can be suppressed, allowing electrolyte 5 to sufficiently impregnate the positive electrode, negative electrode, and separator.
イオン液体電解質5に含まれるリチウム塩(イオン液体に溶解したリチウム塩)は、電解液5においてリチウムイオンとアニオン成分とに解離している化合物である。このアニオン成分は、ビス(フルオロスルホニル)アミドイオンであることが好ましい。また、リチウム塩は、リチウムビス(フルオロスルホニル)アミド(以下、LiFSAという)が好ましい。リチウム塩のアニオン成分をビス(フルオロスルホニル)アミドイオンとすることで、正極活物質および負極活物質と電解液5との界面が安定化し、リチウムイオン電池20の充放電特性・レート特性を向上させることができる。ただし、上記以外のリチウム塩を使用しても問題はない。 The lithium salt contained in the ionic liquid electrolyte 5 (lithium salt dissolved in the ionic liquid) is a compound that dissociates into lithium ions and an anion component in the electrolyte solution 5. This anion component is preferably a bis(fluorosulfonyl)amide ion. Furthermore, the lithium salt is preferably lithium bis(fluorosulfonyl)amide (hereinafter referred to as LiFSA). By using a bis(fluorosulfonyl)amide ion as the anion component of the lithium salt, the interfaces between the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the electrolyte solution 5 are stabilized, thereby improving the charge/discharge characteristics and rate performance of the lithium-ion battery 20. However, there is no problem in using lithium salts other than those mentioned above.
電解液5中のリチウム塩の濃度は、1.6mol/L以上3.2mol/L以下とすることができる。リチウム塩濃度を1.6mol/L以上とすることにより、イオン液体電解質5のイオン伝導率を大きくすることができ、リチウムイオン電池20の充放電特性・レート特性を向上させることができる。また、リチウム塩濃度を3.2mol/L以下とすることにより、電解液5の粘度増大が抑制され、電解液5が正極2、負極3、セパレータ4に十分に含浸することができる。 The concentration of lithium salt in the electrolyte solution 5 can be 1.6 mol/L or more and 3.2 mol/L or less. By setting the lithium salt concentration to 1.6 mol/L or more, the ionic conductivity of the ionic liquid electrolyte 5 can be increased, improving the charge/discharge characteristics and rate performance of the lithium-ion battery 20. Furthermore, by setting the lithium salt concentration to 3.2 mol/L or less, an increase in the viscosity of the electrolyte solution 5 is suppressed, allowing the electrolyte solution 5 to sufficiently impregnate the positive electrode 2, negative electrode 3, and separator 4.
電解液5の粘度は、特に限定されるものではないが、25℃のときに30mPa・s以上とすることができる。このことにより、電解液5のリチウム塩濃度を大きくすることが可能になる。
電解液5のイオン伝導率は、特に限定されるものではないが、25℃のときに0.01mS/cm以下とすることができる。このことにより、リチウムイオン電池20の内部抵抗を小さくすることができる。
The viscosity of the electrolyte solution 5 is not particularly limited, but can be set to 30 mPa·s or more at 25° C. This allows the lithium salt concentration in the electrolyte solution 5 to be increased.
The ionic conductivity of the electrolyte solution 5 is not particularly limited, but can be set to 0.01 mS/cm or less at 25° C. This allows the internal resistance of the lithium ion battery 20 to be reduced.
セパレータ4は、シート状であり、正極2と負極3との間に配置される。また、セパレータ4は、正極2、負極3と共に電極積層体を構成することができる。セパレータ4を設けることにより、正極2と負極3との間に短絡電流が流れることを防止することができる。また、セパレータ4は、多数の開口を有し、この開口が電解液5で満たされる。このことにより、正極2と負極3との間を伝導するリチウムイオンがセパレータ4を透過することができ、リチウムイオン電池20の内部抵抗を低減することができる。
負極活物質層12の正極2に面した表面が多孔質絶縁層8で覆われている場合、セパレータ4を省略することができる。この場合、多孔質絶縁層8が正極2と負極3との間に短絡電流が流れることを防止する。
The separator 4 is in the form of a sheet and is disposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3. The separator 4 can also constitute an electrode laminate together with the positive electrode 2 and the negative electrode 3. The provision of the separator 4 can prevent short-circuit current from flowing between the positive electrode 2 and the negative electrode 3. The separator 4 also has a large number of openings, which are filled with the electrolyte 5. This allows lithium ions conducting between the positive electrode 2 and the negative electrode 3 to pass through the separator 4, thereby reducing the internal resistance of the lithium-ion battery 20.
When the surface of the negative electrode active material layer 12 facing the positive electrode 2 is covered with the porous insulating layer 8, the separator 4 can be omitted. In this case, the porous insulating layer 8 prevents a short-circuit current from flowing between the positive electrode 2 and the negative electrode 3.
セパレータ4の少なくとも一方の主要面(セパレータの表面又は裏面)は、多孔質絶縁層8でコーティングされていてもよい。また、セパレータ4の両方の主要面(表面及び裏面)がそれぞれ多孔質絶縁層8でコーティングされていてもよい。 At least one major surface of the separator 4 (the front or back surface of the separator) may be coated with a porous insulating layer 8. Alternatively, both major surfaces of the separator 4 (the front and back surfaces) may each be coated with a porous insulating layer 8.
セパレータ4は、短絡電流が流れることを防止でき、正極-負極間を伝導するイオンが透過可能なものであれば特に限定されないが、例えば、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミドなどの微多孔性フィルム(多孔樹脂膜)とすることができる。また、セパレータ4は、例えば、セルロース、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミドなどの繊維のうち少なくとも1つを含む不織布であってもよい。 Separator 4 is not particularly limited as long as it can prevent the flow of short-circuit current and is permeable to ions that conduct between the positive and negative electrodes. For example, it can be a microporous film (porous resin membrane) made of polyolefin, polyester, polyacrylonitrile, polyethylene terephthalate, polyamide, polyimide, or the like. Separator 4 may also be a nonwoven fabric containing at least one of fibers such as cellulose, polyolefin, polyester, polyacrylonitrile, polyethylene terephthalate, polyamide, or polyimide.
多孔質絶縁層8は、セパレータ4の主要面(基材シートの表面又は裏面)をコーティングする層又は負極活物質層12の表面をコーティングする層である。
図1に示したリチウムイオン電池のように、多孔質絶縁層8がセパレータ4をコーティングする場合、多孔質絶縁層8は、セパレータ4の主要面の負極活物質層12と隣接する部分を覆うように設けることができる。また、多孔質絶縁層8は、セパレータ4の主要面の全体を覆うように設けられてもよい。
図2に示したリチウムイオン電池のように、多孔質絶縁層8が負極活物質層12をコーティングする場合、多孔質絶縁層8は、負極活物質層12の負極集電シート11の反対側の主要面の全体を覆うように設けることができる。
The porous insulating layer 8 is a layer that coats the main surface of the separator 4 (the front or back surface of the substrate sheet) or a layer that coats the surface of the negative electrode active material layer 12 .
1 , when the porous insulating layer 8 coats the separator 4, the porous insulating layer 8 can be provided so as to cover the portion of the main surface of the separator 4 that is adjacent to the negative electrode active material layer 12. Alternatively, the porous insulating layer 8 may be provided so as to cover the entire main surface of the separator 4.
When the porous insulating layer 8 coats the negative electrode active material layer 12 as in the lithium ion battery shown in FIG. 2 , the porous insulating layer 8 can be provided so as to cover the entire main surface of the negative electrode active material layer 12 opposite to the negative electrode current collector sheet 11.
多孔質絶縁層8は、複数の電気絶縁性粒子を有する多孔質構造を有する。例えば、多孔質絶縁層8は、複数の電気絶縁性粒子9がバインダーにより接着された多孔質構造を有することができる。このことにより、電気的絶縁性粒子9の粒子間に開口10を形成することができる。また、多孔質絶縁層8は、複数の電気絶縁性粒子9がバインダーなしで固着した多孔質構造を有してもよい。多孔質絶縁層8の多孔質構造内の開口は電解液5で満たされる。多孔質絶縁層8は、例えば、図3に示したような多孔質構造を有することができる。 The porous insulating layer 8 has a porous structure containing a plurality of electrically insulating particles. For example, the porous insulating layer 8 can have a porous structure in which a plurality of electrically insulating particles 9 are bonded together with a binder. This allows openings 10 to be formed between the electrically insulating particles 9. The porous insulating layer 8 may also have a porous structure in which a plurality of electrically insulating particles 9 are fixed together without a binder. The openings within the porous structure of the porous insulating layer 8 are filled with the electrolyte solution 5. The porous insulating layer 8 can have a porous structure such as that shown in Figure 3, for example.
多孔質絶縁層8に含まれる電気絶縁性粒子9は、電気絶縁性を有する粒子であれば特に限定されないが、例えば、セラミック粒子、合成樹脂粒子などである。セラミック粒子の材料は、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウムなどである。合成樹脂粒子の材料は、例えば、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミドなどである。 The electrically insulating particles 9 contained in the porous insulating layer 8 are not particularly limited as long as they are electrically insulating particles, but examples include ceramic particles and synthetic resin particles. Materials for ceramic particles include magnesium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, and zirconium oxide. Materials for synthetic resin particles include polyester, polyacrylonitrile, polyethylene terephthalate, polyamide, and polyimide.
多孔質絶縁層8に含まれる電気絶縁性粒子9のメジアン径は、1μm以上5μm以下である。メジアン径が1μm以上であることにより、多孔質絶縁層8が十分な大きさの空孔を持つことができ、多孔質絶縁層8内にイオン液体電解質5が速やかに含浸することができる。また、メジアン径が5μm以下であることにより、充放電中の正極活物質および負極活物質へのリチウムイオンの供給が均一化される。さらに、高レート充放電においても正極活物質および負極活物質へのリチウムイオンの供給が速やかに行われる。
例えば、多孔質絶縁層8を形成する前の電気絶縁性粒子9の粉体について粒度分布(粒子径分布)を測定することにより、メジアン径を算出することができる。また、多孔質絶縁層8のSEM写真を用いて電気絶縁性粒子9の粒径を計測し、粒子径分布を作成し、この粒子径分布に基づきメジアン径を算出してもよい。
The median diameter of the electrically insulating particles 9 contained in the porous insulating layer 8 is 1 μm or more and 5 μm or less. A median diameter of 1 μm or more allows the porous insulating layer 8 to have sufficiently large pores, allowing the ionic liquid electrolyte 5 to be rapidly impregnated into the porous insulating layer 8. Furthermore, a median diameter of 5 μm or less allows lithium ions to be uniformly supplied to the positive electrode active material and the negative electrode active material during charging and discharging. Furthermore, lithium ions are rapidly supplied to the positive electrode active material and the negative electrode active material even during high-rate charging and discharging.
For example, the median diameter can be calculated by measuring the particle size distribution (particle diameter distribution) of the powder of the electrically insulating particles 9 before forming the porous insulating layer 8. Alternatively, the particle diameters of the electrically insulating particles 9 may be measured using an SEM photograph of the porous insulating layer 8 to create a particle diameter distribution, and the median diameter may be calculated based on this particle diameter distribution.
多孔質絶縁層8は、バインダーを含むことができる。バインダーは、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエン共重合体(SBR)、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)、アクリロニトリルゴム、又はアクリロニトリルゴム-PTFE混合体などである。 The porous insulating layer 8 may contain a binder. Examples of binders include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene copolymer (SBR), sodium carboxymethyl cellulose (CMC), acrylonitrile rubber, or an acrylonitrile rubber-PTFE mixture.
多孔質絶縁層8の厚さは、5μm以上50μm以下である。厚さが5μm以上であることにより、正極活物質および負極活物質が多孔質絶縁層8を貫通することがなく、正極2と負極3との間に短絡電流が流れることを防止することができる。また、厚さが50μm以下であることにより、正極2と負極3との間の溶液抵抗が抑制され、高レート充放電においても正極活物質および負極活物質へのリチウムイオンの供給が速やかに行われる。 The thickness of the porous insulating layer 8 is 5 μm or more and 50 μm or less. A thickness of 5 μm or more prevents the positive electrode active material and negative electrode active material from penetrating the porous insulating layer 8, preventing short-circuit current from flowing between the positive electrode 2 and the negative electrode 3. Furthermore, a thickness of 50 μm or less suppresses solution resistance between the positive electrode 2 and the negative electrode 3, allowing lithium ions to be supplied quickly to the positive electrode active material and the negative electrode active material even during high-rate charging and discharging.
多孔質絶縁層8の空孔率は、特に限定されるものではないが、50%以上90%以下が好ましい。空孔率が50%以上であることにより、多孔質絶縁層8が十分な体積のイオン液体電解質5を含有することができる。また、空孔率が90%以下であることにより、多孔質絶縁層8が十分な機械的強度を持つことができる。 The porosity of the porous insulating layer 8 is not particularly limited, but is preferably 50% or more and 90% or less. A porosity of 50% or more allows the porous insulating layer 8 to contain a sufficient volume of ionic liquid electrolyte 5. Furthermore, a porosity of 90% or less allows the porous insulating layer 8 to have sufficient mechanical strength.
多孔質絶縁層8の透気度(ガーレー試験機法による透気度)は、特に限定されるものではないが、1s/100mL以上100s/100mL以下が好ましい。透気度が1s/100mL以上であることにより、正極活物質および負極活物質が多孔質絶縁層8を貫通することがなく、正極2と負極3との間に短絡電流が流れることを防止することができる。また、透気度が100s/100mL以下であることにより、多孔質絶縁層8にイオン液体電解質5が速やかに含浸することができる。 The air permeability of the porous insulating layer 8 (air permeability measured by the Gurley tester) is not particularly limited, but is preferably 1 s/100 mL or more and 100 s/100 mL or less. An air permeability of 1 s/100 mL or more prevents the positive electrode active material and negative electrode active material from penetrating the porous insulating layer 8, preventing short-circuit current from flowing between the positive electrode 2 and the negative electrode 3. Furthermore, an air permeability of 100 s/100 mL or less allows the ionic liquid electrolyte 5 to quickly impregnate the porous insulating layer 8.
多孔質絶縁層8に電解液5を滴下してから10秒後に測定される接触角は60°以下である。接触角は多孔質絶縁層8と電解液5との親和性を示すパラメータであり、接触角が60°以下であることにより、多孔質絶縁層8にイオン液体電解質5が速やかに含浸することができる。 The contact angle measured 10 seconds after the electrolyte solution 5 is dropped onto the porous insulating layer 8 is 60° or less. The contact angle is a parameter that indicates the affinity between the porous insulating layer 8 and the electrolyte solution 5, and a contact angle of 60° or less allows the ionic liquid electrolyte 5 to quickly impregnate the porous insulating layer 8.
多孔質絶縁層8は、負極活物質層12に隣接して配置される。例えば、図1に示したリチウムイオン電池のように、セパレータ4をコーティングした多孔質絶縁層8を負極活物質層12に隣接するように配置してもよい。また、例えば、図2に示したリチウムイオン電池のように、多孔質絶縁層8が負極活物質層12をコーティングしてもよい。
負極活物質上では、電解質分解やリチウム析出などの副反応が発生しやすい。負極活物質層12に隣接するように多孔質絶縁層8を配置することにより、充放電中の負極活物質へのリチウムイオンの供給が均一化され、副反応の発生を抑制することができる。このことにより、リチウムイオン電池20の充放電特性及びレート特性を向上させることができる。このことは、本願発明者等が行った実験により明らかになった。
また、図1に示したリチウムイオン電池のように、セパレータ4は、多孔質絶縁層8でコーティングされていないセパレータ4の主要面が正極活物質層7と隣接するように配置することができる。
The porous insulating layer 8 is disposed adjacent to the negative electrode active material layer 12. For example, as in the lithium ion battery shown in FIG. 1 , the porous insulating layer 8 coated with the separator 4 may be disposed adjacent to the negative electrode active material layer 12. Alternatively, as in the lithium ion battery shown in FIG. 2 , the porous insulating layer 8 may coat the negative electrode active material layer 12.
Side reactions such as electrolyte decomposition and lithium deposition are likely to occur on the negative electrode active material. By disposing the porous insulating layer 8 adjacent to the negative electrode active material layer 12, the supply of lithium ions to the negative electrode active material during charge and discharge is made uniform, and the occurrence of side reactions can be suppressed. This improves the charge and discharge characteristics and rate characteristics of the lithium-ion battery 20. This was made clear by experiments conducted by the present inventors.
Furthermore, as in the lithium ion battery shown in FIG. 1 , the separator 4 can be disposed so that the main surface of the separator 4 that is not coated with the porous insulating layer 8 is adjacent to the positive electrode active material layer 7 .
リチウムイオン電池の作製
実施例1、2のリチウムイオン電池及び比較例1~7のリチウムイオン電池を作製した。
[実施例1]
91質量%のリン酸鉄リチウム(正極活物質)と、4質量%のアセチレンブラック(導電剤)と、5質量%のポリフッ化ビニリデン(バインダー)とを混合した正極合剤をN-メチル-2-ピロリドン(分散媒)に分散させて正極スラリーを調製した。そして、この正極スラリーをアルミニウム箔(正極集電シート)の両面上にそれぞれ塗布し、分散媒を乾燥させることにより正極活物質層を有する正極を作製した。
Fabrication of Lithium Ion Batteries Lithium ion batteries of Examples 1 and 2 and comparative examples 1 to 7 were fabricated.
[Example 1]
A positive electrode mixture containing 91% by mass of lithium iron phosphate (positive electrode active material), 4% by mass of acetylene black (conductive agent), and 5% by mass of polyvinylidene fluoride (binder) was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (dispersion medium) to prepare a positive electrode slurry. This positive electrode slurry was then applied to both sides of an aluminum foil (positive electrode current collector sheet), and the dispersion medium was dried to produce a positive electrode having a positive electrode active material layer.
94質量%のソフトカーボン(負極活物質)と、5質量%のスチレン・ブタジエンゴム(バインダー)と、1質量%のカルボキシメチルセルロースとを混合した負極合剤を水(分散媒)に分散させて負極スラリーを調製した。そして、この負極スラリーを銅箔(負極集電シート)の両面上にそれぞれ塗布し、分散媒を乾燥させることにより負極活物質層を有する負極を作製した。 A negative electrode mixture consisting of 94% by mass of soft carbon (negative electrode active material), 5% by mass of styrene-butadiene rubber (binder), and 1% by mass of carboxymethyl cellulose was dispersed in water (dispersion medium) to prepare a negative electrode slurry. This negative electrode slurry was then applied to both sides of copper foil (negative electrode current collector sheet), and the dispersion medium was allowed to dry, producing a negative electrode with a negative electrode active material layer.
電気絶縁性粒子である酸化マグネシウム粒子(メジアン径:3μm)と、バインダーとを水に分散させMgOスラリーを調製した。そして、このMgOスラリーをポリエステル繊維(繊維径:5μm~10μm)の不織布(厚さ:15μm)(セパレータ)の片方の主要面(表面又は裏面)に塗布し乾燥させることにより、多孔質絶縁層(MgO層)(厚さ:10μm)を形成し、二層構造のセパレータを作製した。 Magnesium oxide particles (median diameter: 3 μm), which are electrically insulating particles, and a binder were dispersed in water to prepare an MgO slurry. This MgO slurry was then applied to one of the main surfaces (front or back) of a polyester fiber (fiber diameter: 5 μm to 10 μm) nonwoven fabric (thickness: 15 μm) (separator) and dried to form a porous insulating layer (MgO layer) (thickness: 10 μm), producing a two-layer separator.
リチウム塩(溶質)であるリチウムビス(フルオロスルホニル)アミド(LiFSA)を、溶媒(イオン液体)であるN-メチル-N-プロピルピロリジニウム-ビス(フルオロスルホニル)アミド(MPP-FSA)に2.4mol/Lの濃度で溶解してイオン液体電解質を調製した。 An ionic liquid electrolyte was prepared by dissolving lithium bis(fluorosulfonyl)amide (LiFSA), a lithium salt (solute), in N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)amide (MPP-FSA), a solvent (ionic liquid), at a concentration of 2.4 mol/L.
上述の正極、負極、セパレータ及び電解液を用いて、図1に示したようなリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
具体的には、1枚の正極を2枚のセパレータで挟み込み、この積層体を2枚の負極で挟み込み電極積層体を作製した。この際、2枚のセパレータの多孔質絶縁層(MgO層)がそれぞれ負極活物質層と隣接し、2枚のセパレータの不織布がそれぞれ正極活物質層と隣接するようにセパレータを配置した。作製した電極積層体を正極集電シートの端子部及び負極集電シートの端子部が外部に露出するようにラミネートフィルムで挟み込み、ラミネートフィルムの周縁部を電解液の注液口を残して融着させた。その後、調製したイオン液体電解質を注液口からラミネートフィルムのパウチ中に注液し、注液口を融着させることによりリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
Using the above-described positive electrode, negative electrode, separator, and electrolyte, a lithium ion battery (pouch battery) as shown in FIG. 1 was fabricated.
Specifically, one positive electrode was sandwiched between two separators, and this laminate was sandwiched between two negative electrodes to produce an electrode laminate. The separators were arranged so that the porous insulating layers (MgO layers) of the two separators were adjacent to the negative electrode active material layers, and the nonwoven fabrics of the two separators were adjacent to the positive electrode active material layers. The produced electrode laminate was sandwiched between laminate films so that the terminals of the positive electrode current collector sheet and the negative electrode current collector sheet were exposed to the outside, and the peripheral edges of the laminate films were fused, leaving an electrolyte inlet. The prepared ionic liquid electrolyte was then poured into a pouch of the laminate film through the inlet, and the inlet was fused to produce a lithium-ion battery (pouch battery).
[比較例1]
電極積層体において、2枚のセパレータの多孔質絶縁層(MgO層)がそれぞれ正極活物質層と隣接し、2枚のセパレータの不織布がそれぞれ負極活物質層と隣接するようにセパレータを配置したこと以外は、実施例1と同様にリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
[Comparative Example 1]
A lithium ion battery (pouch battery) was produced in the same manner as in Example 1, except that in the electrode laminate, the separators were arranged so that the porous insulating layers (MgO layers) of the two separators were adjacent to the positive electrode active material layers, and the nonwoven fabrics of the two separators were adjacent to the negative electrode active material layers.
[比較例2]
多孔質絶縁層を有さないポリエステル繊維(繊維径:5μm~10μm)の不織布(厚さ:20μm)をセパレータとして用いたこと以外は、実施例1と同様にリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
[Comparative Example 2]
A lithium ion battery (pouch battery) was produced in the same manner as in Example 1, except that a nonwoven fabric (thickness: 20 μm) of polyester fiber (fiber diameter: 5 μm to 10 μm) without a porous insulating layer was used as the separator.
[実施例2]
リチウム塩(溶質)であるLiFSAを、溶媒である1-エチル-3-メチルイミダゾリウム-ビス(フルオロスルホニル)アミド(EMI-FSA)に2.7mol/Lの濃度で溶解して調製したイオン液体電解質を用いたこと以外は実施例1と同様にリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
[Example 2]
A lithium ion battery (pouch battery) was fabricated in the same manner as in Example 1, except that an ionic liquid electrolyte was used, which was prepared by dissolving a lithium salt (solute) LiFSA in a solvent of 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)amide (EMI-FSA) at a concentration of 2.7 mol/L.
[比較例3]
電極積層体において、2枚のセパレータの多孔質絶縁層(MgO層)がそれぞれ正極活物質層と隣接し、2枚のセパレータの不織布がそれぞれ負極活物質層と隣接するようにセパレータを配置したこと以外は、実施例2と同様にリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
[Comparative Example 3]
A lithium ion battery (pouch battery) was produced in the same manner as in Example 2, except that in the electrode laminate, the separators were arranged so that the porous insulating layers (MgO layers) of the two separators were adjacent to the positive electrode active material layers, and the nonwoven fabrics of the two separators were adjacent to the negative electrode active material layers.
[比較例4]
多孔質絶縁層を有さないポリエステル繊維(繊維径:5μm~10μm)の不織布(厚さ:20μm)をセパレータとして用いたこと以外は、実施例2と同様にリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
[Comparative Example 4]
A lithium ion battery (pouch battery) was produced in the same manner as in Example 2, except that a nonwoven fabric (thickness: 20 μm) of polyester fiber (fiber diameter: 5 μm to 10 μm) without a porous insulating layer was used as the separator.
[比較例5]
リチウム塩(溶質)であるLiPF6を、カーボネート系溶媒(EC/DEC/EMC=27.5/5.0/67.5(添加剤として0.7%VC、0.3%FECを含む))に1.2mol/Lの濃度で溶解して調製した有機液体電解質を使用したこと以外は、実施例1と同様にリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
[Comparative Example 5]
A lithium ion battery (pouch battery) was fabricated in the same manner as in Example 1, except that an organic liquid electrolyte was used, which was prepared by dissolving a lithium salt (solute) LiPF6 in a carbonate-based solvent (EC/DEC/EMC=27.5/5.0/67.5 (containing 0.7% VC and 0.3% FEC as additives)) at a concentration of 1.2 mol/L.
[比較例6]
電極積層体において、2枚のセパレータの多孔質絶縁層(MgO層)がそれぞれ正極活物質層と隣接し、2枚のセパレータの不織布がそれぞれ負極活物質層と隣接するようにセパレータを配置したこと以外は、比較例5と同様にリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
[Comparative Example 6]
A lithium ion battery (pouch battery) was produced in the same manner as in Comparative Example 5, except that in the electrode laminate, the separators were arranged so that the porous insulating layers (MgO layers) of the two separators were adjacent to the positive electrode active material layers, and the nonwoven fabrics of the two separators were adjacent to the negative electrode active material layers.
[比較例7]
多孔質絶縁層を有さないポリエステル繊維(繊維径:5μm~10μm)の不織布(厚さ:20μm)をセパレータとして用いたこと以外は、比較例5と同様にリチウムイオン電池(パウチ電池)を作製した。
[Comparative Example 7]
A lithium ion battery (pouch battery) was produced in the same manner as in Comparative Example 5, except that a nonwoven fabric (thickness: 20 μm) of polyester fiber (fiber diameter: 5 μm to 10 μm) without a porous insulating layer was used as the separator.
電解質の粘度の測定
回転粘度計を用いて、実施例1及び実施例2で調製したイオン液体電解質の粘度の測定を行った。
実施例1で調製したイオン液体電解質の粘度は170mPa・sであり、実施例2で調製したイオン液体電解質の粘度は90mPa・sであった。
Measurement of Electrolyte Viscosity The viscosities of the ionic liquid electrolytes prepared in Examples 1 and 2 were measured using a rotational viscometer.
The viscosity of the ionic liquid electrolyte prepared in Example 1 was 170 mPa·s, and the viscosity of the ionic liquid electrolyte prepared in Example 2 was 90 mPa·s.
接触角の測定
作製したセパレータの表面に、イオン液体電解質をディスペンサを用いて滴下し、滴下してから10秒後の接触角を計測した。
二層構造のセパレータの多孔質絶縁層表面に調製したLiFSA-MPPFSA電解質を滴下したときの接触角は41°であり、二層構造のセパレータの不織布表面に調製したLiFSA-MPPFSA電解質を滴下したときの接触角は30°であり、二層構造のセパレータの多孔質絶縁層表面に調製したLiFSA-EMIFSA電解質を滴下したときの接触角は30°であり、二層構造のセパレータの不織布表面に調製したLiFSA-EMIFSA電解質を滴下したときの接触角は29°であった。
Measurement of Contact Angle An ionic liquid electrolyte was dropped onto the surface of the prepared separator using a dispenser, and the contact angle was measured 10 seconds after dropping.
The contact angle when the prepared LiFSA-MPPFSA electrolyte was dropped onto the surface of the porous insulating layer of the bilayer separator was 41°, the contact angle when the prepared LiFSA-MPPFSA electrolyte was dropped onto the surface of the nonwoven fabric of the bilayer separator was 30°, the contact angle when the prepared LiFSA-EMIFSA electrolyte was dropped onto the surface of the porous insulating layer of the bilayer separator was 30°, and the contact angle when the prepared LiFSA-EMIFSA electrolyte was dropped onto the surface of the nonwoven fabric of the bilayer separator was 29°.
充放電試験
実施例1、2及び比較例1~7のリチウムイオン電池を用いて充放電試験を行った。具体的には、25℃において、0.1Cの電流値で電圧が3.6Vになるまでリチウムイオン電池を定電流充電し、続けて3.6Vの電圧で電流値が0.05Cになるまで定電圧充電を行った。5分間の休止後、0.1Cの電流値で電圧が2.0Vになるまで定電流放電を行った。ここで、電流値の単位Cは、電池容量を1時間で完全に充電又は放電するときの電流値である。このときの充電容量を初回充電容量とし、このときの放電容量を初回放電容量(0.1C放電容量)として、以下の式(1)から初回充放電効率を算出した。
初回充放電効率(%)=初回放電容量÷初回充電容量×100 (1)
Charge/Discharge Tests Charge/Discharge tests were conducted using the lithium ion batteries of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 7. Specifically, at 25°C, the lithium ion batteries were charged at a constant current of 0.1 C until the voltage reached 3.6 V, followed by constant voltage charging at 3.6 V until the current reached 0.05 C. After a 5-minute pause, constant current discharge was performed at a current of 0.1 C until the voltage reached 2.0 V. Here, the unit of current value, C, is the current value when the battery capacity is fully charged or discharged in 1 hour. The charge capacity at this time was defined as the initial charge capacity, and the discharge capacity at this time was defined as the initial discharge capacity (0.1 C discharge capacity). The initial charge/discharge efficiency was calculated using the following formula (1):
Initial charge/discharge efficiency (%) = initial discharge capacity ÷ initial charge capacity × 100 (1)
その後、1Cの電流値で電圧が3.6Vになるまで定電流充電を行い、続けて3.6Vの電圧で電流値が0.05Cになるまで定電圧充電を行った。5分間の休止後、1Cの電流値で電圧が2.0Vになるまで定電流放電を行った。このときの放電容量を1C放電容量とし、前記初回放電容量を0.1C放電容量として、以下の式(2)からレート特性の指標となる値を算出した。
レート特性(%)=1C放電容量÷0.1C放電容量×100 (2)
Thereafter, constant current charging was performed at a current value of 1 C until the voltage reached 3.6 V, followed by constant voltage charging at a voltage of 3.6 V until the current value reached 0.05 C. After a 5-minute break, constant current discharging was performed at a current value of 1 C until the voltage reached 2.0 V. The discharge capacity at this time was defined as the 1 C discharge capacity, and the initial discharge capacity was defined as the 0.1 C discharge capacity, and a value serving as an index of rate characteristics was calculated from the following formula (2).
Rate characteristic (%) = 1 C discharge capacity ÷ 0.1 C discharge capacity × 100 (2)
SEM観察
二層構造セパレータの多孔質絶縁層のSEM観察及び二層構造セパレータのポリエステル繊維不織布のSEM観察を行った。
SEM Observation SEM observation was carried out on the porous insulating layer of the two-layer separator and on the polyester fiber nonwoven fabric of the two-layer separator.
測定結果及び評価
充放電試験の測定結果を表1に示す。また、図4は多孔質絶縁層のSEM像であり、図5はポリエステル繊維不織布のSEM像である。
The measurement results and the measurement results of the evaluation charge/discharge test are shown in Table 1. Also, Fig. 4 is an SEM image of the porous insulating layer, and Fig. 5 is an SEM image of the polyester fiber nonwoven fabric.
実施例1の電池および比較例1、2の電池はセパレータ以外は全く同じ構成であるが、多孔質絶縁層(MgO層)が負極側となるようにセパレータが配置された実施例1の電池の初回充放電効率及びレート特性が比較例1、2の電池の値を上回っている。
上記と同様に、実施例2の電池および比較例3、4の電池はセパレータ以外は全く同じ構成であるが、多孔質絶縁層(MgO層)が負極側となるようにセパレータが配置された実施例2の電池の初回充放電効率およびレート特性は、比較例3、4の電池の値を上回っている。
従って、イオン液体電解質を用いたリチウムイオン電池において、電気絶縁性粒子から構成される多孔質絶縁層が負極側となるように二層構造のセパレータを配置した電池が優れた充放電特性・レート特性を有することがわかった。
The battery of Example 1 and the batteries of Comparative Examples 1 and 2 have exactly the same configuration except for the separator. However, the initial charge-discharge efficiency and rate characteristics of the battery of Example 1, in which the separator is arranged so that the porous insulating layer (MgO layer) is on the negative electrode side, are higher than those of the batteries of Comparative Examples 1 and 2.
As described above, the battery of Example 2 and the batteries of Comparative Examples 3 and 4 have exactly the same configuration except for the separator. However, the initial charge-discharge efficiency and rate characteristics of the battery of Example 2, in which the separator was arranged so that the porous insulating layer (MgO layer) was on the negative electrode side, exceeded those of the batteries of Comparative Examples 3 and 4.
Therefore, it was found that in lithium-ion batteries using ionic liquid electrolytes, batteries in which a two-layer separator is arranged so that the porous insulating layer composed of electrically insulating particles is on the negative electrode side have excellent charge/discharge characteristics and rate characteristics.
この理由は明らかではないが、多孔質絶縁層が負極側となるように二層構造のセパレータを配置することにより、充放電中の正極活物質および負極活物質へのリチウムイオンの供給が均一化され、さらに、高レート充放電においても正極活物質および負極活物質へのリチウムイオンの供給が速やかに行われると考えられる。そのため、実施例1、2のリチウムイオン電池が優れた充放電特性・レート特性を有すると考えられる。 The reason for this is unclear, but by positioning the two-layer separator so that the porous insulating layer is on the negative electrode side, it is thought that the supply of lithium ions to the positive electrode active material and negative electrode active material during charge and discharge is uniform, and that lithium ions are also supplied quickly to the positive electrode active material and negative electrode active material even during high-rate charge and discharge. Therefore, it is thought that the lithium-ion batteries of Examples 1 and 2 have excellent charge and discharge characteristics and rate characteristics.
また、比較例5~7の電池は、イオン液体電解質の代わりに有機液体電解質を使用したが、これらの電池の初回充放電効率およびレート特性は、多孔質絶縁層の配置および有無によらず同程度である。
従って、本発明の効果は、イオン液体電解質を用いたリチウムイオン電池にのみ特異的に現れるものである。
In addition, the batteries of Comparative Examples 5 to 7 used an organic liquid electrolyte instead of an ionic liquid electrolyte, but the initial charge/discharge efficiency and rate characteristics of these batteries were similar regardless of the arrangement and presence or absence of the porous insulating layer.
Therefore, the effects of the present invention are uniquely manifested only in lithium ion batteries that use ionic liquid electrolytes.
2:正極 3:負極 4:セパレータ 5:電解液(イオン液体電解質) 6:正極集電シート 7:正極活物質層 8:多孔質絶縁層 9:電気絶縁性粒子 10:開口 11:負極集電シート 12:負極活物質層 16:ケーシング 20:リチウムイオン電池 2: Positive electrode 3: Negative electrode 4: Separator 5: Electrolyte (ionic liquid electrolyte) 6: Positive electrode current collector sheet 7: Positive electrode active material layer 8: Porous insulating layer 9: Electrically insulating particles 10: Opening 11: Negative electrode current collector sheet 12: Negative electrode active material layer 16: Casing 20: Lithium-ion battery
Claims (6)
前記多孔質絶縁層は、複数の電気絶縁性粒子を有する多孔質構造を有し、かつ、前記負極活物質層に隣接して配置され、
複数の電気絶縁性粒子のメジアン径は、1μm以上5μm以下であり、
前記多孔質絶縁層の厚さは、5μm以上50μm以下であり、
前記電解液は、リチウム塩と、イオン液体とを含み、
前記セパレータは、前記正極と前記負極との間に配置され、かつ、不織布又は多孔樹脂膜であり、
前記多孔質絶縁層は、前記セパレータの一方の主要面をコーティングし、
前記セパレータは、前記多孔質絶縁層でコーティングされている前記セパレータの主要面が前記負極活物質層側となるように配置され、かつ、前記多孔質絶縁層でコーティングされていない前記セパレータの主要面が前記正極活物質層と隣接するように配置されたことを特徴とするリチウムイオン電池。 a positive electrode having a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode active material layer , a separator, a porous insulating layer disposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte;
the porous insulating layer has a porous structure containing a plurality of electrically insulating particles, and is disposed adjacent to the negative electrode active material layer;
the median diameter of the plurality of electrically insulating particles is 1 μm or more and 5 μm or less;
the thickness of the porous insulating layer is 5 μm or more and 50 μm or less;
the electrolyte solution contains a lithium salt and an ionic liquid,
the separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode and is a nonwoven fabric or a porous resin film;
the porous insulating layer coats one major surface of the separator;
a separator disposed such that a major surface of the separator coated with the porous insulating layer faces the negative electrode active material layer, and a major surface of the separator not coated with the porous insulating layer faces the positive electrode active material layer .
前記リチウム塩は、前記電解液においてリチウムイオンとアニオン成分とに解離している化合物であり、
前記イオン液体のアニオン成分又は前記リチウム塩のアニオン成分は、ビス(フルオロスルホニル)アミドイオンである請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池。 The ionic liquid contains an anion component and a cation component,
the lithium salt is a compound that dissociates into lithium ions and an anion component in the electrolyte solution,
3. The lithium ion battery according to claim 1 , wherein the anion component of the ionic liquid or the anion component of the lithium salt is a bis(fluorosulfonyl)amide ion.
前記イオン液体のカチオン成分は、鎖状又は環状の第4級アンモニウムイオンである請求項1~3のいずれか1つに記載のリチウムイオン電池。 The ionic liquid contains an anion component and a cation component,
4. The lithium ion battery according to claim 1, wherein the cationic component of the ionic liquid is a chain or cyclic quaternary ammonium ion.
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