CN115149215A - 锂离子二次电池 - Google Patents
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Abstract
一种锂离子二次电池,包含外装体、电极体、电解液和多孔构件。外装体收纳电极体、电解液和多孔构件。电极体具有正极、负极和隔膜。正极与负极隔着隔膜层叠。正极、负极和隔膜在锂离子二次电池的设置时的上下方向上层叠。多孔构件与电极体的侧面的至少一部分接触。多孔构件包含电解液。多孔构件的平均细孔直径小于正极和负极各自的平均细孔直径。
Description
技术领域
本公开涉及锂离子二次电池。
背景技术
日本特开2014-93128号公报和日本特开2005-294150号公报中,公开了一种在正极和隔膜和负极层叠而成的层叠型电极体的周围卷绕有多孔片(多孔膜)的非水电解质二次电池(锂离子二次电池)。
发明内容
通常,在液体系电池中,正极和负极浸渗于电解液中,由电解液承担正极与负极之间的离子传导。但是,在将具有层叠结构的电池平放(以层叠方向成为上下方向的方式设置)时,在层叠方向上产生电解液填充量的差异,即、产生上侧的电解液不足且下侧的电解液过剩这样的液体不均。因此,在反复充放电的情况下,有可能导致容量维持率降低,或是电池寿命缩短。
作为解决这样的问题的方法,专利文献1中提出在层叠型电极体的周围卷绕具有能够保持电解液的细孔的多孔构件,专利文献2中提出在层叠型电极体的周围卷绕具有比隔膜的孔径更大的孔径的多孔膜。
可是,在上述方法中,虽然通过与电池的充放电相伴的电极体的膨胀收缩,使电极体内的电解液移动到电极体外并保持在多孔构件中,但是在消除液体不均方面仍有改善的空间。另外,在电池由于充放电而发热的情况等,多孔构件会发生收缩,由此例如也有可能对层叠型电极体的端部等施加应力,使电池损坏。
本公开的目的是提供一种能够抑制电池的损坏、并且抑制由电解液不足导致的容量维持率降低的锂离子二次电池。
以下,对本公开的技术构成和作用效果进行说明。本公开的作用机制包括推定。不应根据作用机制的正确与否来限定权利要求的范围。
〔1〕本公开的锂离子二次电池,包含外装体、电极体、电解液和多孔构件,
外装体收纳电极体、电解液和多孔构件,
电极体具有正极、负极和隔膜,
正极与负极隔着隔膜层叠,
正极、负极和隔膜在锂离子二次电池的设置时的上下方向上层叠,
多孔构件与电极体的侧面的至少一部分接触,
多孔构件包含电解液,
多孔构件的平均细孔直径小于正极和负极各自的平均细孔直径。
参照图2,在上述〔1〕的锂离子二次电池中,含有电解液的多孔构件40,与正极10和负极20隔着隔膜30层叠而成的电极体50的侧面的至少一部分接触。例如,在由于反复充放电导致电极体50的上侧的电解液不足的情况下,能够从多孔构件40向该不足部分供给电解液。由此,能够消除电极体50的上下方向的液体不均。
因此,根据上述〔1〕,能够抑制电池的损坏,并且抑制由电解液不足导致的电池的容量维持率降低。
〔2〕在上述〔1〕记载的锂离子二次电池中,多孔构件的平均细孔直径可以为0.01μm以上且10μm以下。
〔3〕在上述〔1〕或〔2〕记载的锂离子二次电池中,多孔构件的孔隙率可以为30%以上且90%以下。
〔4〕在上述〔1〕~〔3〕中任一项记载的锂离子二次电池中,多孔构件的耐热温度优选为70℃以上。
本发明的上述以及其它目的、特征、方面和优点,可根据关联附图而理解的与本发明相关的以下详细说明来明确。
附图说明
图1是表示本实施方式的锂离子二次电池所包含的电极体的一个例子的概略剖视图。
图2是表示本实施方式的锂离子二次电池所包含的电极体和多孔构件的一个例子的概略剖视图。
图3是表示采用压汞法对实施例2涉及的多孔构件、正极和负极的细孔分布进行测定而得到的结果的图表。
图4是实施例1和比较例1涉及的多孔构件以及负极的热重量测定的曲线图。
具体实施方式
以下,对本公开的实施方式(本说明书中记为“本实施方式”)进行说明。但以下的说明并不限定权利要求的范围。以下,将锂离子二次电池简称为“电池”。
<锂离子二次电池>
本实施方式的锂离子二次电池,包含外装体、电极体、电解液和多孔构件,
外装体收纳电极体、电解液和多孔构件,
电极体具有正极、负极和隔膜,
正极与负极隔着隔膜层叠,
正极、负极和隔膜在锂离子二次电池的设置时的上下方向上层叠,
多孔构件与电极体的侧面的至少一部分接触,
多孔构件包含电解液,
多孔构件的平均细孔直径小于正极和负极各自的平均细孔直径。
图1是表示本实施方式的锂离子二次电池的电极体的一个例子的概略剖视图。图2是表示本实施方式的锂离子二次电池所包含的电极体和多孔构件的一个例子的概略剖视图。
参照图1和图2,本实施方式的电池包含外装体(未图示)、电极体50、电解液(未图示)和多孔构件40。电极体50、电解液和多孔构件40收纳在外装体内。电极体50具有正极10、隔膜30和负极20,由正极10与负极20隔着隔膜30交替层叠而成。正极10、负极20和隔膜30在电池的设置(使用)时的上下方向上层叠,多孔构件40与电极体的侧面的至少一部分接触。
(电极体)
电极体50具有正极10、负极20和隔膜30。正极10与正极端子(未图示)连接。负极20与负极端子(未图示)连接。
电极体50为层叠型。电极体50例如是通过正极10、隔膜30和负极20在设置(使用)时的上下方向上层叠而形成的。电极体50由正极10与负极20隔着隔膜30层叠而成。
如图2所示,电极体50的厚度T优选为5mm以上,更优选为7mm以上。
〔正极〕
正极10包含正极集电箔11和正极合剂12。正极集电箔11例如可以是铝(Al)箔等。正极集电箔11例如可以具有10μm以上且30μm以下的厚度。
正极合剂12例如可以具有10μm以上且200μm以下的厚度。正极合剂12至少包含正极活性物质。正极合剂12例如可以实质由正极活性物质构成。正极合剂12除了包含正极活性物质以外,例如还可以包含固体电解质、导电材料和粘合剂等。正极活性物质例如可以包含选自钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂等(例如LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等)、镍钴铝酸锂和磷酸铁锂中的至少一种。可以对正极活性物质实施表面处理。可以通过表面处理,在正极活性物质的表面形成缓冲层。缓冲层例如可以包含铌酸锂(LiNbO3)等。固体电解质例如可以包含硫化物固体电解质等〔例如LiBr-LiI-(Li2S-P2S5)等〕。导电材料例如可以包含炭黑(CB)、乙炔黑(AB)、科琴黑、石墨等碳材料。粘合剂例如可以包含聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯酸(PAA)等。
正极10的平均细孔直径例如为0.1μm以上且1μm以下。平均细孔直径是指由水银压入式孔隙率计测定出的细孔分布的累积细孔容积成为总细孔容积的50%的细孔直径。
正极10的孔隙率例如为10%以上且50%以下。孔隙率根据由水银压入式孔隙率计测定的真实体积和由电极构成材料算出的理论体积计算。
〔负极〕
负极20包含负极集电箔21和负极合剂22。负极集电箔21例如可以是铜(Cu)箔、镍(Ni)箔等。负极集电箔21例如可以具有5μm以上且30μm以下的厚度。
负极合剂22例如可以具有10μm以上且200μm以下的厚度。负极合剂22至少包含负极活性物质。负极合剂22例如可以实质由负极活性物质构成。负极合剂22除了包含负极活性物质以外,例如还可以包含固体电解质、导电材料和粘合剂等。负极活性物质例如可以包含选自石墨、软碳、硬碳、硅、氧化硅、硅基合金、锡、氧化锡、锡基合金和钛酸锂(Li4Ti5O12)中的至少一种。固体电解质例如可以包含硫化物固体电解质等〔例如LiBr-LiI-(Li2S-P2S5)等〕。导电材料例如可以包含炭黑(CB)、乙炔黑(AB)、科琴黑、石墨等碳材料。粘合剂例如可以包含聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯酸(PAA)等。
负极20的平均细孔直径例如为1μm以上且5μm以下。负极20的孔隙率例如为10%以上且50%以下。
〔隔膜〕
隔膜30介于正极10与负极20之间。隔膜30使正极10与负极20分离。
隔膜30为多孔质。隔膜30的平均细孔直径例如为0.1μm以上且10μm以下。隔膜30的孔隙率例如为35%以上且55%以下。
隔膜30可以由电绝缘性的材料构成。隔膜30例如可以是聚乙烯(PE)制、聚丙烯(PP)制等。
(电解液)
电解液包含溶剂和支持电解质。溶剂为非质子性。溶剂可以包含任意成分。溶剂例如可以是碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)等。可以单独使用1种溶剂,也可以组合使用2种以上溶剂。
支持电解质溶解于溶剂中。支持电解质例如可以是LiPF6、LiBF4、LiN(FSO2)2等。可以单独使用1种支持电解质,也可以组合使用2种以上支持电解质。支持电解质例如可以具有0.5mol/L以上且2mol/L以下的摩尔浓度。
电解液可以还包含任意的添加剂。电解液例如可以包含以质量分率计为0.1%以上且5%以下的添加剂。添加剂例如可以是碳酸亚乙烯酯(VC)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、氟磺酸锂(FSO3Li)、双草酸硼酸锂(LiBOB)等。可以单独使用1种添加剂,也可以组合使用2种以上添加剂。
(多孔构件)
多孔构件40与电极体50的垂直于层叠方向的侧面的至少一部分接触即可,也可以与整体接触。再者,在能够抑制由多孔构件40的膨胀收缩导致电极体50损坏的范围内,多孔构件40也可以与除了侧面以外的电极体50的表面(电池设置时的上表面和底面)的一部分接触,但优选不与除了侧面以外的电极体50的表面的整体接触,更优选与除了侧面以外的电极体50的表面完全不接触。
多孔构件40包含电解液。多孔构件40的平均细孔直径小于构成电极体50的正极10和负极20各自的平均细孔直径,优选小于正极10、负极20和隔膜30中任一构件的平均细孔直径。
多孔构件40在电极体50的电解液不足的情况下能够供给电解液。能够从多孔构件40向电极体50供给电解液的理由如下。通过电池的充放电,电池内的温度发生变动,电解液膨胀收缩。在此,多孔构件的平均细孔直径小于电极体的平均细孔直径。通常,当温度上升时,多孔构件的体积以及电解液发生膨胀。此时,随着平均细孔直径越小,内压越容易上升,存在先从平均细孔直径小的构件放出液体的倾向。因此,从多孔构件放出电解液会早于从电极体放出电解液。所以,在电极体的电解液不足的情况下,能够从多孔构件向电极体供给电解液。再者,在电池的充放电后,电池内的温度降低,会向多孔构件再次供给电解液。
多孔构件40至少包含多孔质材料。多孔构件40除了包含多孔质材料以外,可以还包含任意添加剂。多孔质材料例如可举出聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、活性炭、沸石、氧化铝、碳化硅(SiC)等,优选沸石。添加剂例如可以是粘合剂等。粘合剂例如可举出聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯酸(PAA)等。
多孔构件40的平均细孔直径优选为0.01μm以上且10μm以下,更优选为0.05μm以上且1μm以下。在多孔构件40的平均细孔直径小于0.01μm的情况下,与多孔构件40的平均细孔直径为0.01μm以上的情况相比,会在更低的温度下放出电解液,导致多孔构件40的补液性降低。在多孔构件40的平均细孔直径大于10μm的情况下,会大于电极体50的平均细孔直径,因此与电极体50相比,会在更高的温度下放出电解液,导致多孔构件40的补液性降低。
多孔构件40的孔隙率优选高于构成电极体50的正极10、负极20和隔膜30中任一构件的孔隙率。多孔构件40的孔隙率优选为30%以上且90%以下,更优选为45%以上且80%以下,特别优选为50%以上且75%以下。
多孔构件40优选具有耐热性,多孔构件40的耐热温度优选为70℃以上。在多孔构件40的耐热温度小于70℃的情况下,有可能在电池的通常工作温度下发生变形或损坏。在此,耐热温度为70℃是指将多孔构件暴露在70℃的环境后,再次恢复到室温时,孔隙体积、孔隙率没有发生变化。
(加热恢复)
在发生了电池的容量维持率降低的情况或推测电池的容量维持率降低的情况下,可以实施将电池加热至预定温度的加热恢复处理。在此,预定温度是指与从多孔构件放出电解液的温度相比更高的温度,可以是与从电极体放出电解液的温度相比更低的温度。该温度例如可以为35℃以上且70℃以下,也可以为40℃以上且55℃以下。另外,加热时间可以是电解液从多孔构件放出并供给到电极体的时间,例如可以为1分钟以上且180分钟以下,也可以为15分钟以上且120分钟以下。电池的容量维持率的降低可以由以往已知的方法来判断,例如可以通过某一任意的电压之间的区间容量来判断。
以下,对实施例进行说明。但以下的例子并不限定权利要求的范围。
<实施例1>
(正极的制造)
准备下述材料。
正极活性物质:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
导电材料:AB
粘合剂:PVdF
分散介质:N-甲基-2-吡咯烷酮
正极集电箔:Al箔
通过将正极活性物质、导电材料、粘合剂和分散介质混合,调制了正极浆液。将正极浆液涂布于正极集电体的表面并进行干燥,形成正极合剂。将正极合剂压缩,由此制造了正极。
(负极的制造)
准备下述材料。
负极活性物质:天然石墨
导电材料:AB
粘合剂:PVdF
溶剂:水
负极集电箔:Cu箔
通过将负极活性物质、导电材料、粘合剂和溶剂混合,调制了负极浆液。将负极浆液涂布于负极集电体的表面并进行干燥,形成负极合剂。将负极合剂压缩,由此制造了负极。
(隔膜的制造)
准备了具有15μm厚度的隔膜(多孔膜)。该隔膜具有3层结构。3层结构是通过将聚丙烯(PP)的多孔层、聚乙烯(PE)的多孔层和聚丙烯(PP)的多孔层以该顺序层叠而构成的。隔膜(整体)的孔隙率为45%。
(电极体的制作)
通过将隔膜、正极、隔膜和负极以该顺序层叠而形成了层叠体。将1对正极和负极的层叠体层叠24个,由此制作了电极体。电极体的厚度(相当于图2的T)为9.5mm。
(电解液的调制)
通过将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)混合而调制出混合溶剂。在混合溶剂中溶解LiPF6,由此调制出具备以下组成的电解液。
电解液溶剂:EC:DMC:EMC=3:4:3(体积比)
LiPF6:1.0mol/L
(多孔构件的制作)
制作80质量%的沸石、20质量%的聚丙烯酸在蒸馏水中混合而成的糊剂,使用片剂成型机进行加压成型,将其在400℃的烤箱中加热,由此制作了多孔构件。
(锂离子二次电池的制作)
以多孔构件与电极体的垂直于层叠方向的两个侧面整体接触的方式安装了多孔构件。作为外装体,准备了Al层压膜制的袋体。将安装有多孔构件的电极体收纳于外装体中。向外装体注入电解液。通过以上,制作了实施例1的锂离子二次电池。
<实施例2和3>
除了改变作为多孔构件的材料的沸石和聚丙烯酸的含量以外,与实施例1同样地制作了各锂离子二次电池。在实施例2中,使用将70质量%的沸石、30质量%的聚丙烯酸混合而成的材料作为多孔构件的材料,在实施例3中,使用将60质量%的沸石、40质量%的聚丙烯酸混合而成的材料作为多孔构件的材料。
<比较例1~3>
将多孔构件的材料从沸石变更为氧化铝,改变氧化铝和聚丙烯酸的含量以及氧化铝的中位直径d50,除此以外与实施例1同样地制作了各锂离子二次电池。在比较例1中,使用将80质量%的氧化铝(中位直径d50:15μm)、20质量%的聚丙烯酸混合而成的材料作为多孔构件的材料,在比较例2中,使用将80质量%的氧化铝(中位直径d50:5μm)、20质量%的聚丙烯酸混合而成的材料作为多孔构件的材料,在比较例3中,使用将70质量%的氧化铝(中位直径d50:1μm)、30质量%的聚丙烯酸混合而成的材料作为多孔构件的材料。
<评价>
(多孔构件、正极和负极的平均细孔直径的测定)
对于多孔构件、正极和负极,分别使用水银压入式孔隙率计(Micromeritics公司制,AutoPoreV)测定了细孔分布。将结果示于表1的“平均细孔直径(μm)”一栏。另外,将实施例2涉及的多孔构件、正极和负极的细孔分布测定的结果(差分细孔容积分布)示于图3。再者,各试样的n数为3,表1的值是它们的平均值。
(多孔构件、正极和负极的孔隙率的测定)
对于多孔构件、正极和负极,分别使用水银压入式孔隙率计(Micromeritics公司制,AutoPoreV)测定了孔隙率。将结果示于表1的“孔隙率(%)”一栏。再者,各试样的n数为3,表1的值是它们的平均值。
(重量减少温度的测定)
通过热重量测定(TG)对实施例1和比较例1的多孔构件以及负极的重量减少温度进行了测定。重量减少温度可以通过使用热重量测定装置(RIGAKU公司制,ThermoplusEV02),将上述各试料放在铝制试样盘上,测定以10℃/分钟升温时的重量减少而得到。将结果示于图4。
(初期容量)
在25℃的温度环境下,通过恒流-恒压方式(cccv)充电,将各锂离子二次电池的SOC(StateOfCharge)调整为100%。恒流方式(cc)充电时的电流为1/3It。恒压方式(cv)充电时的电压为4.2V。通过cc放电,电池被放电至3V。cc放电时的电流为1/3It。此时的放电容量被视作“初期容量”。以下,本实施例的SOC表示该时刻的充电容量相对于初期容量的百分率。再者,“It”是表示电流的时间速率的符号。1It的电流定义为以1小时将相当于100%的SOC的容量放电的电流。
(循环试验)
对各锂离子二次电池实施200次循环充放电。通过将第200次循环的放电容量除以初期容量,求出容量维持率。将结果示于表1的“容量维持率(%)循环试验”一栏。
(保存试验)
将上述的循环试验后的各锂离子二次电池的SOC调整为30%。在设定为50℃的恒温槽内保存各锂离子二次电池5小时。通过将5小时后的放电容量除以初期容量,求出容量维持率。将结果示于表1的“容量维持率(%)保存试验”一栏。
(恢复率)
对各锂离子二次电池,通过下式计算出恢复率。将结果示于表1的“恢复率(%)”一栏。认为恢复率越高,容量维持率的降低越被抑制。
恢复率(%)=保存试验后的容量维持率-循环试验后的容量维持率
表1
<结果>
(实施例1~3)
如上述表1所示,在实施例1~3中,多孔构件的平均细孔直径小于正极和负极的平均细孔直径。并且,多孔构件的孔隙率高于正极和负极的孔隙率。另外,恢复率为6~8%。
(比较例1~3)
在比较例1中,多孔构件的平均细孔直径大于正极和负极的平均细孔直径。并且,多孔构件的孔隙率高于正极和负极的孔隙率。另外,恢复率为2%。
在比较例2中,多孔构件的平均细孔直径大于正极的平均细孔直径,与负极的平均细孔直径相同。并且,多孔构件的孔隙率高于正极和负极的孔隙率。另外,恢复率为1%。
在比较例3中,多孔构件的平均细孔直径虽然小于负极的平均细孔直径,但是大于正极的平均细孔直径。并且,多孔构件的孔隙率高于正极和负极的孔隙率。另外,恢复率为2%。
另外,根据图4,实施例1的多孔构件与比较例1的多孔构件和负极相比,开始发生重量减少的温度更低。由该结果认为,实施例1的多孔构件在与比较例1的多孔构件和负极相比更低的温度下开始放出电解液。
对本发明的实施方式进行了说明,但本次公开的实施方式在各方面只是例示,并不进行限制。本发明的范围由权利要求的范围表示,包含与权利要求的范围均等的意义和范围内的所有变更。
Claims (4)
1.一种锂离子二次电池,包含外装体、电极体、电解液和多孔构件,
所述外装体收纳所述电极体、所述电解液和所述多孔构件,
所述电极体具有正极、负极和隔膜,
所述正极与所述负极隔着所述隔膜层叠,
所述正极、所述负极和所述隔膜在所述锂离子二次电池的设置时的上下方向上层叠,
所述多孔构件与所述电极体的侧面的至少一部分接触,
所述多孔构件包含所述电解液,
所述多孔构件的平均细孔直径小于所述正极和所述负极各自的平均细孔直径。
2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池,所述多孔构件的平均细孔直径为0.01μm以上且10μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子二次电池,所述多孔构件的孔隙率为30%以上且90%以下。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的锂离子二次电池,所述多孔构件的耐热温度为70℃以上。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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