JP2018028986A - 二次電池用セパレータ、二次電池、及び二次電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池性能の低下を抑制しつつ、電池の異常発熱時における安全性を向上させることができる。【解決手段】二次電池用セパレータ１７は、合成樹脂製の繊維２０を含む不織布３０により形成され、正極部材と負極部材との間に介在される。繊維２０には、炭酸ガス発生剤２１及び耐熱性の電気絶縁体２２が繊維２０を紡糸する際に一体に形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、リチウムイオン電池などの二次電池用セパレータ、二次電池、及び二次電池用セパレータの製造方法に関する。

リチウムイオン電池は、正極部材、負極部材、及び正極部材と負極部材との間に介設された電気絶縁性の多孔体からなるセパレータを備えている。リチウムイオン電池は、他の二次電池に比べてエネルギ密度が高いことから、過充電などにより異常に発熱することがある。そのため、リチウムイオン電池においては、安全弁としての弁機構が設けられているものがある（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載のリチウムイオン電池においては、不織布などの多孔体の表面に炭酸ガス発生剤を塗布することによりセパレータが形成されている。特許文献１に記載のリチウムイオン電池（以下、電池）によれば、電池が異常に発熱した場合に、炭酸ガス発生剤から非引火性の炭酸ガスが発生することにより電池内部の圧力が上昇して弁機構が開放される。これにより、電池内部の圧力が早期に低下される。

国際公開第２０１２／１７２５８７号

ところで、特許文献１に記載の電池のセパレータは、多孔体の表面に炭酸ガス発生剤を塗布することにより形成されているため、炭酸ガス発生剤が多孔体の表面近傍に多く偏在しやすい。そのため、表面近傍の細孔が炭酸ガス発生剤によって塞がれる結果、正極部材と負極部材との間におけるイオン導電性、すなわち電池性能が損なわれるおそれがある。

なお、こうした問題は、リチウムイオン電池及びリチウムイオン電池用セパレータに限られるものではなく、エネルギ密度の高い他の二次電池及び同二次電池用セパレータにおいても同様にして生じる。

本発明の目的は、電池性能の低下を抑制しつつ、電池の異常発熱時における安全性を向上させることのできる二次電池用セパレータ、二次電池、及び二次電池用セパレータの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための二次電池用セパレータは、合成樹脂製の繊維を含む不織布により形成され、正極部材と負極部材との間に介在される二次電池用セパレータにおいて、前記繊維には、炭酸ガス発生剤が前記繊維を紡糸する際に一体に形成されている。

また、上記目的を達成するための二次電池は、正極部材と、負極部材と、前記正極部材と前記負極部材との間に介設された前記二次電池用セパレータと、電解液と、電池内部の圧力の上昇により開放されて電池内部の圧力を低下させる弁機構と、を備える。

上記構成によれば、二次電池が異常に発熱した場合に、セパレータを構成する炭酸ガス発生剤から非引火性の炭酸ガスが発生することにより電池内部の圧力が上昇して弁機構が開放される。これにより、電池内部の圧力が早期に低下する。

また、不織布において炭酸ガス発生剤が均等に分散して配置されるため、炭酸ガス発生剤によってセパレータの細孔が塞がれることが抑制される。これにより、正極部材と負極部材との間におけるイオン導電性、ひいては電池の充電性能及び放電性能が損なわれることを抑制できる。

また、上記目的を達成するための二次電池用セパレータの製造方法は、合成樹脂製の繊維を含む不織布により形成され、二次電池の正極部材と負極部材との間に介在される二次電池用セパレータを製造する方法において、液状の合成樹脂材料に炭酸ガス発生剤が混在された原料から前記繊維を紡糸することにより前記不織布を製造する工程を含む。

同方法によれば、炭酸ガス発生剤が液状の合成樹脂材料に混在された原料から繊維を紡糸することにより、炭酸ガス発生剤が繊維に一体に形成される。このため、不織布において炭酸ガス発生剤を均等に分散して配置することができる。また、不織布に対して別途、炭酸ガス発生剤を塗布する工程が不要となるため、セパレータの製造工程を簡略化することができる。

したがって、電池性能の低下を抑制しつつ、電池の異常発熱時における安全性を向上させることができる。

本発明によれば、電池性能の低下を抑制しつつ、電池の異常発熱時における安全性を向上させることができる。

二次電池の一実施形態について、リチウムイオン電池の斜視図。 同実施形態のリチウムイオン電池の電極積層体を示す斜視図。 同実施形態のセパレータを構成する不織布を拡大して示す拡大図。 同実施形態におけるセパレータを製造する製造装置の概略構成を示す略図。

以下、図１〜図４を参照して、本発明を、リチウムイオン電池、リチウムイオン電池用セパレータ、及びリチウムイオン電池用セパレータの製造方法として具体化した一実施形態について説明する。

図１及び図２に示すように、リチウムイオン電池（以下、電池１０）は、絶縁性樹脂により形成されたケース１１を備えている。
図２に示すように、ケース１１の内部には、電解液１８と共に電極積層体１４が収容されている。電極積層体１４は、複数枚の正極部材１５、複数枚の負極部材１６、及び複数枚のセパレータ１７を有している。１枚の正極部材１５と１枚の負極部材１６との間に１枚のセパレータ１７が介在するように、正極部材１５、負極部材１６、及びセパレータ１７が積層されている。

本実施形態の正極部材１５は、アルミニウム箔の両面にコバルト酸リチウムなどの活物質が塗布されたものである。また、本実施形態の負極部材１６は、銅箔の両面に炭素材料などが塗布されたものである。

図１及び図２に示すように、各正極部材１５は、正極側集合部（図示略）を介して正極端子１２に接続されている。また、各負極部材１６は、負極側集合部（図示略）を介して負極端子１３に接続されている。正極端子１２及び負極端子１３はケース１１の外部に突出している。

図１に示すように、電池１０には、電池１０内部の圧力の上昇により開放されて電池１０内部の圧力を低下させる周知の弁機構１９が設けられている。
次に、本実施形態のセパレータ１７について説明する。

図３に示すように、セパレータ１７は、電気絶縁性及び耐熱性に優れたポリアクリロニトリル樹脂製の繊維２０を含む不織布３０により形成されている。繊維２０には、炭酸ガス発生剤２１と、耐熱性の電気絶縁体２２とが繊維２０を紡糸する際に一体に形成されている。繊維２０の外径は、０．１μｍ（１００ｎｍ）以上、１μｍ（１０００ｎｍ）以下であることが好ましい。

炭酸ガス発生剤２１は、炭酸塩、詳しくは炭酸カルシウムの粉体である。炭酸ガス発生剤２１の粒径は、０．１μｍ以上、６μｍ以下であることが好ましい。
電気絶縁体２２は、無機セラミック材料、詳しくはアルミナ（酸化アルミニウム）の粉体である。電気絶縁体２２の粒径は、０．１μｍ以上、６μｍ以下であることが好ましい。

次に、セパレータ１７を形成する不織布３０の製造装置３１、及び同製造装置３１を用いた不織布３０の製造方法について説明する。
図４に示すように、製造装置３１は、電解紡糸法により繊維２０を紡糸することにより不織布３０を製造するものである。製造装置３１は、繊維２０の原料であるポリアクリロニトリル樹脂を含む溶液３３が収容されたタンク３２、タンク３２に接続された供給管３４、及び供給管３４の先端に取り付けられたノズル３５を備えている。溶液３３には、炭酸ガス発生剤２１の粉体及び電気絶縁体２２の粉体が混在されている。なお、同図では、炭酸ガス発生剤２１の粉体及び電気絶縁体２２の粉体が誇張して示されている。

製造装置３１には、ノズル３５から噴射されて紡糸された繊維２０を集積するとともに搬送する搬送装置３６が設けられている。搬送装置３６は、ベルト３７と、ベルト３７を搬送するローラ３８とを備えている。

また、製造装置３１は、ノズル３５とベルト３７との間に電圧を印加する電圧装置３９を備えている。
ノズル３５にプラスの電圧が印加されると、ノズル３５の先端開口において溶液３３の液滴の表面にプレスの電荷が集まるとともにこれらのプレスの電荷が互いに反発する。これにより、溶液３３の液滴は先細の円錐状になる。

印加される電圧が大きくされて電荷の反発力が溶液３３の表面張力を超えると、溶液３３はマイナスに帯電したベルト３７に向けて噴射される。そして、溶液３３の流れが細くなると、溶液３３の表面における電荷の密度が大きくなり、電荷の反発力が更に増大することで溶液３３の流れが更に引き伸ばされる。

このとき、溶液３３の表面積が大きくなることにより溶媒が揮発し、炭酸ガス発生剤２１及び電気絶縁体２２が一体化された微細な繊維２０が形成される。
こうして紡糸された繊維２０がベルト３７上に集積されることにより不織布３０が形成される。

次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態の電池１０においては、過充電などにより電池１０が異常に発熱した場合に、セパレータ１７を構成する炭酸ガス発生剤２１から非引火性の炭酸ガスが発生することにより電池１０内部の圧力が上昇して弁機構１９が開放される。これにより、電池１０内部の圧力が早期に低下する。

またこのとき、電池の異常な発熱に伴って繊維２０が軟化しても、繊維２０に一体に形成された耐熱性の電気絶縁体２２によって繊維２０の熱収縮が抑制されるとともに、正極部材１５と負極部材１６との間に電気絶縁体２２が介在することで正極部材１５と負極部材１６との接触、すなわち短絡が抑制される。

更に、不織布３０において炭酸ガス発生剤２１や電気絶縁体２２が均等に分散して配置されるため、炭酸ガス発生剤２１や電気絶縁体２２によってセパレータ１７の細孔が塞がれることが抑制される。これにより、正極部材１５と負極部材１６との間におけるイオン導電性、ひいては電池１０の充電性能及び放電性能が損なわれることが抑制される。

以上説明した本実施形態に係る二次電池用セパレータ、二次電池、及び二次電池用セパレータの製造方法によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）セパレータ１７を形成する不織布３０の繊維２０には、炭酸ガス発生剤２１及び耐熱性の電気絶縁体２２が繊維２０を紡糸する際に一体に形成されている。

こうした構成によれば、上記作用を奏することから、電池性能を維持しつつ、電池の異常発熱時における安全性を向上させることができる。
（２）電池１０は、正極部材１５と、負極部材１６と、正極部材１５と負極部材１６との間に介設されたセパレータ１７と、電解液１８と、電池１０内部の圧力の上昇により開放されて電池１０内部の圧力を低下させる弁機構１９とを備える。

こうした構成によれば、上記効果（１）と同様な効果を奏することができる。
（３）セパレータ１７の製造方法は、炭酸ガス発生剤２１及び耐熱性の電気絶縁体２２が混在された合成樹脂材料の溶液３３を原料として電界紡糸法により繊維２０を紡糸することにより不織布３０を製造する工程を含む。

こうした方法によれば、炭酸ガス発生剤２１及び電気絶縁体２２を繊維２０に一体に形成することが容易にできる。このため、不織布３０において炭酸ガス発生剤２１や電気絶縁体２２を均等に分散して配置することができる。

また、上記方法によれば、不織布３０に対して別途、炭酸ガス発生剤２１などを塗布する工程が不要となるため、セパレータ１７の製造工程を簡略化することができる。
＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。

・繊維２０の外径は、上記実施形態において例示した範囲の下限値（０．１μｍ）よりも小さくすることもできるし、同範囲の上限値（１μｍ）よりも大きくすることもできる。また、炭酸ガス発生剤２１の粒径や電気絶縁体２２の粒径についても同様にして変更することができる。

・ポリプロピレンやポリエチレンテレフタレートなどの他の合成樹脂によって繊維２０を形成することもできる。
・炭酸ガス発生剤２１を炭酸リチウムなどの他の炭酸塩に変更することもできる。

・上記実施形態では、セパレータ１７を形成する繊維２０に、炭酸ガス発生剤２１及び耐熱性の電気絶縁体２２の双方が一体化されたものについて例示したが、繊維２０に炭酸ガス発生剤２１のみが一体化されたものとして本発明を具体化することもできる。

・リチウムイオン電池以外の他の二次電池に対して本発明を適用することもできる。

１０…電池（二次電池）、１１…ケース、１２…正極端子、１３…負極端子、１４…電極積層体、１５…正極部材、１６…負極部材、１７…セパレータ、１８…電解液、１９…弁機構、２０…繊維、２１…炭酸ガス発生剤、２２…電気絶縁体、３０…不織布、３１…製造装置、３２…タンク、３３…溶液、３４…供給管、３５…ノズル、３６…搬送装置、３７…ベルト、３８…ローラ、３９…電圧装置。

Claims (6)

1. 合成樹脂製の繊維を含む不織布により形成され、正極部材と負極部材との間に介在される二次電池用セパレータにおいて、
   前記繊維には、炭酸ガス発生剤が前記繊維を紡糸する際に一体に形成されている、
   二次電池用セパレータ。
2. 前記繊維には、前記炭酸ガス発生剤と耐熱性の電気絶縁体とが前記繊維を紡糸する際に一体に形成されている、
   請求項１に記載の二次電池用セパレータ。
3. 正極部材と、
   負極部材と、
   前記正極部材と前記負極部材との間に介設された請求項１または請求項２に記載の二次電池用セパレータと、
   電解液と、
   電池内部の圧力の上昇により開放されて電池内部の圧力を低下させる弁機構と、を備える、
   二次電池。
4. 合成樹脂製の繊維を含む不織布により形成され、正極部材と負極部材との間に介在される二次電池用セパレータを製造する方法において、
   液状の合成樹脂材料に炭酸ガス発生剤が混在された原料から前記繊維を紡糸することにより前記不織布を製造する工程を含む、
   二次電池用セパレータの製造方法。
5. 前記原料には、前記炭酸ガス発生剤と耐熱性の電気絶縁体とが混在されている、
   請求項４に記載の二次電池用セパレータの製造方法。
6. 前記工程は、電界紡糸法により前記繊維を紡糸することにより前記不織布を製造するものである、
   請求項４または請求項５に記載の二次電池用セパレータの製造方法。

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