JP5809888B2 - Non-aqueous electrolyte battery - Google Patents
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Description
本発明は非水電解液電池に係り、特に、活物質を含む正極合剤が集電体に塗着された正極板と、活物質を含む負極合剤が集電体に塗着された負極板とが多孔質セパレータを介して配置された非水電解液電池に関する。 The present invention relates to a nonaqueous electrolyte battery, and in particular, a positive electrode plate in which a positive electrode mixture containing an active material is applied to a current collector, and a negative electrode in which a negative electrode mixture containing an active material is applied to a current collector. The present invention relates to a non-aqueous electrolyte battery in which a plate is disposed via a porous separator.
電解液が水溶液系である二次電池としては、アルカリ蓄電池や鉛蓄電池等が知られている。これらの水溶液系二次電池に代わり、小型、軽量かつ高エネルギー密度であり、リチウム二次電池に代表される非水電解液電池が普及している。非水電解液電池に用いられる電解液には、ジメチルエーテル等の有機溶媒が含まれている。有機溶媒が可燃性を有するため、短絡等の電池異常時や火中投下時に電池温度が上昇した場合には、電池構成材料の燃焼や活物質の熱分解反応により電池挙動が激しくなるおそれがある。 Known secondary batteries whose electrolyte is an aqueous solution are alkaline storage batteries, lead storage batteries, and the like. Instead of these aqueous secondary batteries, non-aqueous electrolyte batteries typified by lithium secondary batteries, which are small, light, and have high energy density, are in widespread use. The electrolyte used for the nonaqueous electrolyte battery contains an organic solvent such as dimethyl ether. Because organic solvents are flammable, battery behavior may become severe due to combustion of battery components or thermal decomposition of active materials when battery temperature rises during battery abnormalities such as short circuits or when dropped in fire .
このような事態を回避し電池の安全性を確保するために種々の安全化技術が提案されている。例えば、非水電解液に難燃化剤(難燃性付与物質)を溶解させて非水電解液を難燃化する技術(特許文献1参照)が開示されている。また、本出願人らは、正極板、負極板あるいはセパレータに難燃化剤層を形成させる技術(特許文献2参照)を開示している。 Various safety techniques have been proposed in order to avoid such a situation and ensure the safety of the battery. For example, a technique for making a non-aqueous electrolyte incombustible by dissolving a flame retardant (a flame retardant imparting substance) in the non-aqueous electrolyte is disclosed (see Patent Document 1). Moreover, the present applicants have disclosed a technique (see Patent Document 2) for forming a flame retardant layer on a positive electrode plate, a negative electrode plate, or a separator.
しかしながら、特許文献1の技術では、難燃化剤を含有させた非水電解液を難燃化させることができるものの、難燃化剤により、非水電解液電池内におけるリチウムイオンの移動抵抗が増大することが考えられる。特に、大容量非水電解液電池のように大型化するほど、難燃化剤によるリチウムイオンの移動抵抗は大きくなり、高率放電容量の低下の影響が大きく問題となる。また、特許文献2の技術では、難燃化剤層が形成された正極板、負極板あるいはセパレータ等の電池構成材料を難燃化することができるものの、リチウムイオンの移動性を考えれば、高率放電時の容量を十分に確保できるとはいえない。
However, in the technique of
本発明は上記事案に鑑み、電池異常時の安全性を確保し高率放電時の容量低下を抑制することができる非水電解液電池を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte battery capable of ensuring safety when a battery is abnormal and suppressing a decrease in capacity during high-rate discharge.
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様は、活物質を含む正極合剤が集電体に塗着された正極板と、活物質を含む負極合剤が集電体に塗着された負極板とが多孔質セパレータを介して配置された非水電解液電池において、前記非水電解液電池の設計容量が90Ah以上であり、前記正極板の片面または両面に難燃化剤を含む難燃化剤層が配されており、前記難燃化剤の前記正極合剤に対する割合が3質量%以上8質量%以下であるとともに、前記難燃化剤層が未形成の非水電解液電池の放電容量に対する前記難燃化剤層が配された非水電解液電池の放電容量の比が5CA放電のときに80%以上であることを特徴とする。本発明の第2の態様は、活物質を含む正極合剤が集電体に塗着された正極板と、活物質を含む負極合剤が集電体に塗着された負極板とが多孔質セパレータを介して配置された非水電解液電池において、前記非水電解液電池の設計容量が90Ah以上であり、前記正極板の片面または両面に難燃化剤のホスファゼン化合物を含む難燃化剤層が配されており、前記難燃化剤の前記正極合剤に対する割合が3質量%以上8質量%以下であるとともに、前記難燃化剤層が未形成の非水電解液電池の放電容量に対する前記難燃化剤層が配された非水電解液電池の放電容量の比が10CA放電のときに40%以上であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a first aspect of the present invention includes a positive electrode plate in which a positive electrode mixture containing an active material is applied to a current collector, and a negative electrode mixture containing an active material applied to the current collector. In the non-aqueous electrolyte battery in which the attached negative electrode plate is disposed via a porous separator, the design capacity of the non-aqueous electrolyte battery is 90 Ah or more, and the one or both surfaces of the positive electrode plate are flame retardant. A flame retardant layer containing an agent is disposed, and the ratio of the flame retardant to the positive electrode mixture is 3% by mass or more and 8% by mass or less, and the flame retardant layer is not formed. The ratio of the discharge capacity of the non-aqueous electrolyte battery in which the flame retardant layer is disposed to the discharge capacity of the water electrolyte battery is 80% or more at 5 CA discharge . In the second aspect of the present invention, a positive electrode plate in which a positive electrode mixture containing an active material is applied to a current collector and a negative electrode plate in which a negative electrode mixture containing an active material is applied to a current collector are porous. In the non-aqueous electrolyte battery disposed through the porous separator, the design capacity of the non-aqueous electrolyte battery is 90 Ah or more, and the one or both surfaces of the positive electrode plate include a phosphazene compound as a flame retardant Discharge of the nonaqueous electrolyte battery in which the agent layer is arranged, the ratio of the flame retardant to the positive electrode mixture is 3% by mass or more and 8% by mass or less, and the flame retardant layer is not formed. The ratio of the discharge capacity of the nonaqueous electrolyte battery in which the flame retardant layer is disposed with respect to the capacity is 40% or more when 10 CA discharge is performed.
本発明の第1、第2の態様において、難燃化剤層がリチウムイオン透過性を有することが好ましい。このとき、難燃化剤層が多孔化されていてもよい。また、難燃化剤が80℃以下の温度環境で固体であることが好ましい。 In the first and second aspects of the present invention , the flame retardant layer preferably has lithium ion permeability. At this time, the flame retardant layer may be made porous. The flame retardant is preferably solid in a temperature environment of 80 ° C. or lower .
本発明によれば、正極板の片面または両面に難燃化剤を含む難燃化剤層を配したことで、電池異常で温度上昇したときに難燃化剤が分解するため、電池挙動を穏やかにし安全性を確保できると共に、難燃化剤の正極合剤に対する割合を3質量%以上8質量%以下とすることで、充放電時に正負極板間のリチウムイオンの移動抵抗が低減するので、設計容量が90Ah以上の非水電解液電池において、難燃化剤層が未形成の非水電解液電池の放電容量に対する難燃化剤層が配された非水電解液電池の放電容量の比が5CA放電のときに80%以上、若しくは、10CA放電のときに40%以上となり高率放電時の容量低下を抑制することができる、という効果を得ることができる。 According to the present invention, by the one or both surfaces of the positive electrode plate arranged a flame retardant layer comprising a flame retardant, since the flame retardant is decomposed when the temperature increases a battery abnormality, the battery behavior As the ratio of the flame retardant to the positive electrode mixture is 3 mass% or more and 8 mass% or less, the migration resistance of lithium ions between the positive and negative electrode plates is reduced during charging and discharging. In a non-aqueous electrolyte battery having a design capacity of 90 Ah or more, the discharge capacity of the non-aqueous electrolyte battery in which the flame retardant layer is disposed relative to the discharge capacity of the non-aqueous electrolyte battery in which the flame retardant layer is not formed The ratio is 80% or more when 5 CA discharge is performed, or 40% or more when 10 CA discharge is performed, and the effect of suppressing the capacity reduction during high rate discharge can be obtained.
以下、図面を参照して、本発明を設計容量が4Ahの円筒形リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a cylindrical lithium ion secondary battery having a design capacity of 4 Ah will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、本実施形態の円筒形リチウムイオン二次電池20は、ニッケルメッキが施されたスチール製で有底円筒状の電池容器7を有している。電池容器7には、帯状の正負極板がセパレータを介して断面渦巻状に捲回された電極群6が収容されている。
As shown in FIG. 1, the cylindrical lithium ion
電極群6の捲回中心には、ポリプロピレン樹脂製で中空円筒状の軸芯1が使用されている。電極群6の上側には、軸芯1のほぼ延長線上に正極板からの電位を集電するための円環状導体の正極集電リング4が配置されている。正極集電リング4は、軸芯1の上端部に固定されている。正極集電リング4の周囲から一体に張り出している鍔部周縁には、正極板から導出された正極リード片2の端部が超音波溶接で接合されている。正極集電リング4の上方には、安全弁を内蔵し正極外部端子となる円盤状の電池蓋11が配置されている。正極集電リング4の上部は、導体リードを介して電池蓋11に接続されている。
A hollow
一方、電極群6の下側には負極板からの電位を集電するための円環状導体の負極集電リング5が配置されている。負極集電リング5の内周面には軸芯1の下端部外周面が固定されている。負極集電リング5の外周縁には、負極板から導出された負極リード片3の端部が溶接で接合されている。負極集電リング5の下部は、導体リードを介して電池容器7の内底部に接続されている。電池容器7の寸法は、本例では、外径40mm、内径39mmに設定されている。
On the other hand, an annular conductor negative electrode current collecting
電池蓋11は、絶縁性および耐熱性のEPDM樹脂製ガスケット10を介して電池容器7の上部にカシメ固定されている。このため、リチウムイオン二次電池20の内部は密封されている。また、電池容器7には、非水電解液が注液されている。非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とジエチルカーボネート(DEC)との体積比1:1:1の混合溶媒中にリチウム塩として6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットル溶解したものが用いられている。なお、リチウムイオン二次電池20は、所定電圧および電流で初充電を行うことで、電池機能が付与される。
The
電極群6は、正極板と負極板とが、これらの両極板が直接接触しないように、リチウムイオンが通過可能なポリエチレン製セパレータW5を介し、軸芯1の周囲に捲回されている。セパレータW5の厚さは、本例では、30μmに設定されている。正極リード片2と負極リード片3とが、それぞれ電極群6の互いに反対側の両端面に配置されている。下表1に示すように、電極群6の直径は、電池の設計容量によって異なり、正極板、負極板、セパレータW5の長さを調整することで調整される。本例では、電極群6の直径は38mmに設定されている。電極群6および正極集電リング4の鍔部周面全周には、電極群6と電池容器7との電気的接触を防止するために絶縁被覆が施されている。絶縁被覆には、ポリイミド製の基材の片面にヘキサメタアクリレートの粘着剤が塗布された粘着テープが用いられている。粘着テープは鍔部周面から電極群6の外周面に亘って一重以上巻かれている。電極群6の最大径部が絶縁被覆存在部となるように捲き数が調整され、該最大径が電池容器7の内径より僅かに小さく設定されている。
In the electrode group 6, the positive electrode plate and the negative electrode plate are wound around the
電極群6を構成する正極板は、正極集電体としてアルミニウム箔W1を有している。アルミニウム箔W1の厚さは、本例では、20μmに設定されている。アルミニウム箔W1の両面には、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極合剤が実質的に均等かつ均質に塗着され正極合剤層W2が形成されている。すなわち、形成された正極合剤層W2の厚さがほぼ一様であり、かつ、正極合剤層W2内では正極合剤がほぼ一様に分散されている。リチウム遷移金属複合酸化物には、層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末のいずれかが用いられている。正極合剤には、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物の85wt%に対して、導電材として鱗片状黒鉛の8wt%およびアセチレンブラックの2wt%と、バインダ(結着材)としてポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記する。)の5wt%と、が配合されている。アルミニウム箔W1に正極合剤を塗着するときには、分散溶媒のN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略記する。)が用いられる。アルミニウム箔W1の長寸方向一側の側縁には、幅30mmの正極合剤の無塗着部が形成されている。無塗着部は櫛状に切り欠かれており、切り欠き残部で正極リード片2が形成されている。隣り合う正極リード片2の間隔が20mm、正極リード片2の幅が5mmに設定されている。正極板は、乾燥後プレス加工され、幅80mmに裁断されている(表1参照)。
The positive electrode plate constituting the electrode group 6 has an aluminum foil W1 as a positive electrode current collector. In this example, the thickness of the aluminum foil W1 is set to 20 μm. On both surfaces of the aluminum foil W1, a positive electrode mixture containing a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material is applied substantially uniformly and uniformly to form a positive electrode mixture layer W2. That is, the thickness of the formed positive electrode mixture layer W2 is substantially uniform, and the positive electrode mixture is dispersed substantially uniformly in the positive electrode mixture layer W2. As the lithium transition metal composite oxide, either manganese nickel cobalt double acid lithium powder having a layered crystal structure or lithium manganate powder having a spinel crystal structure is used. The positive electrode mixture includes, for example, 85 wt% of the lithium transition metal composite oxide, 8 wt% of flaky graphite and 2 wt% of acetylene black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as a binder). And 5 wt% of PVDF). When the positive electrode mixture is applied to the aluminum foil W1, a dispersion solvent N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) is used. An uncoated portion of a positive electrode mixture having a width of 30 mm is formed on one side edge of the aluminum foil W1 in the longitudinal direction. The non-coated portion is cut out in a comb shape, and the positive
また、正極合剤層W2の表面、すなわち、正極板の両面には、難燃化剤を含む難燃化剤層W6が形成されている。難燃化剤層W6は、リチウムイオン透過性を有するように、造孔剤(孔形成剤)を配合することで多孔化されている。難燃化剤には、リンおよび窒素を基本骨格とするホスファゼン化合物が用いられている。難燃化剤の配合割合は、本例では、正極合剤に対して8wt%以下に設定されている。また、造孔剤には酸化アルミニウムが用いられている。酸化アルミニウムの配合割合は、難燃化剤層W6に形成する多孔の割合に合わせて調整することができる。この難燃化剤層W6は、次のようにして形成された
ものである。すなわち、ホスファゼン化合物とバインダのPVDFとを溶解させたNMP溶液に酸化アルミニウムを分散させる。得られた分散溶液を正極合剤層W2の表面に塗布し、乾燥後、プレス処理を施すことで正極板全体の厚さを調整する。
Moreover, the flame retardant layer W6 containing a flame retardant is formed on the surface of the positive electrode mixture layer W2, that is, on both surfaces of the positive electrode plate. The flame retardant layer W6 is made porous by blending a pore forming agent (pore forming agent) so as to have lithium ion permeability. As the flame retardant, a phosphazene compound having phosphorus and nitrogen as a basic skeleton is used. In this example, the blending ratio of the flame retardant is set to 8 wt% or less with respect to the positive electrode mixture. In addition, aluminum oxide is used as the pore forming agent. The mixing ratio of aluminum oxide can be adjusted according to the ratio of the porosity formed in the flame retardant layer W6. This flame retardant layer W6 is formed as follows. That is, aluminum oxide is dispersed in an NMP solution in which a phosphazene compound and a binder PVDF are dissolved. The obtained dispersion solution is applied to the surface of the positive electrode mixture layer W2, dried, and then subjected to press treatment to adjust the thickness of the entire positive electrode plate.
ホスファゼン化合物は、一般式(NPR2)3または(NPR2)4で表される環状化合物である。一般式中のRは、フッ素や塩素等のハロゲン元素または一価の置換基を示している。一価の置換基としては、メトキシ基やエトキシ基等のアルコキシ基、フェノキシ基やメチルフェノキシ基等のアリールオキシ基、メチル基やエチル基等のアルキル基、フェニル基やトリル基等のアリール基、メチルアミノ基等の置換型アミノ基を含むアミノ基、メチルチオ基やエチルチオ基等のアルキルチオ基、および、フェニルチオ基等のアリールチオ基を挙げることができる。置換基の種類により固体または液体となるが、本例では、80℃以下の温度環境で固体のホスファゼン化合物が用いられている。また、これらのホスファゼン化合物は、それぞれ所定温度で分解するものである。 The phosphazene compound is a cyclic compound represented by the general formula (NPR 2 ) 3 or (NPR 2 ) 4 . R in the general formula represents a halogen element such as fluorine or chlorine or a monovalent substituent. As monovalent substituents, alkoxy groups such as methoxy group and ethoxy group, aryloxy groups such as phenoxy group and methylphenoxy group, alkyl groups such as methyl group and ethyl group, aryl groups such as phenyl group and tolyl group, Examples thereof include an amino group containing a substituted amino group such as a methylamino group, an alkylthio group such as a methylthio group and an ethylthio group, and an arylthio group such as a phenylthio group. Depending on the type of substituent, the solid or liquid is used. In this example, a solid phosphazene compound is used in a temperature environment of 80 ° C. or lower. These phosphazene compounds are each decomposed at a predetermined temperature.
一方、負極板は、負極集電体として圧延銅箔W3を有している。圧延銅箔W3の厚さは、本例では、10μmに設定されている。圧延銅箔W3の両面には、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵、放出可能な炭素材を含む負極合剤が、正極板と同様に実質的に均等かつ均質に塗着され負極合剤層W4が形成されている。負極活物質の炭素材には、本例では、非晶質炭素粉末が用いられている。負極合剤には、例えば、非晶質炭素粉末の90wt%に対して、バインダとしてPVDFの10wt%が配合されている。圧延銅箔W3に負極合剤を塗着するときには、分散溶媒のNMPが用いられる。圧延銅箔W3の長寸方向一側の側縁には、正極板と同様に幅30mmの負極合剤の無塗着部が形成されており、負極リード片3が形成されている。隣り合う負極リード片3の間隔が20mm、負極リード片3の幅が5mmに設定されている。負極板は、乾燥後、プレス加工され、幅86mmに裁断されている(表1参照)。なお、負極板の長さは、正極板および負極板を捲回したときに、捲回最内周および最外周で捲回方向に正極板が負極板からはみ出すことがないように、正極板の長さより120mm長く設定されている。また、負極合剤層W4(合剤塗布部)の幅は、捲回方向と垂直方向において正極合剤層W2が負極合剤層W4からはみ出すことがないように、正極合剤層W2の幅より6mm長く設定されている。
On the other hand, the negative electrode plate has a rolled copper foil W3 as a negative electrode current collector. In this example, the thickness of the rolled copper foil W3 is set to 10 μm. A negative electrode mixture containing a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions as a negative electrode active material is applied to both surfaces of the rolled copper foil W3 substantially uniformly and homogeneously in the same manner as the positive electrode plate, and the negative electrode mixture layer W4. Is formed. In this example, amorphous carbon powder is used for the carbon material of the negative electrode active material. In the negative electrode mixture, for example, 10 wt% of PVDF is blended as a binder with respect to 90 wt% of the amorphous carbon powder. When applying the negative electrode mixture to the rolled copper foil W3, NMP as a dispersion solvent is used. An uncoated portion of a negative electrode mixture having a width of 30 mm is formed on the side edge on one side in the longitudinal direction of the rolled copper foil W3, and the negative
次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオン二次電池20の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例のリチウムイオン二次電池についても併記する。
Next, examples of the lithium ion
(実施例1)
実施例1では、設計容量が4Ahのリチウムイオン二次電池20を作製した。すなわち、難燃化剤のホスファゼン化合物(株式会社ブリヂストン製、商品名ホスライト(登録商標)、固体状、分解温度250℃以上)とPVDFとを溶解させたNMP溶液に酸化アルミニウムを分散させ分散溶液を調製した。この分散溶液を正極合剤層W2の表面に塗布した。このとき、分散溶液の塗布量を調整することで、正極合剤に対する難燃化剤の配合割合を調整した。下表2に示すように、実施例1では、難燃化剤の配合割合を1wt%に調整した。また、設計容量が20Ah、50Ah、90Ahのリチウムイオン二次電池20についても、各設計容量に対応するように電極群6の直径を調整し(表1参照)、同様の手順でそれぞれ作製した。
(Example 1)
In Example 1, a lithium ion
(実施例2〜実施例6)
表2に示すように、実施例2〜実施例6では、難燃化剤の配合割合を変える以外は実施例1と同様にして、設計容量が4Ah、20Ah、50Ah、90Ahのリチウムイオン二次電池20をそれぞれ作製した。すなわち、難燃化剤の配合割合は、実施例2では2wt%、実施例3では3wt%、実施例4では5wt%、実施例5では6wt%、実施例6では8wt%にそれぞれ調整した。
(Example 2 to Example 6)
As shown in Table 2, in Examples 2 to 6, a lithium ion secondary having a design capacity of 4 Ah, 20 Ah, 50 Ah, and 90 Ah was obtained in the same manner as in Example 1 except that the blending ratio of the flame retardant was changed. Each
(比較例1〜比較例3)
表2に示すように、比較例1では、正極合剤層の表面に難燃化剤層を形成しない以外は実施例1と同様にして、設計容量が4Ah、20Ah、50Ah、90Ahのリチウムイオン二次電池をそれぞれ作製した。また、比較例2および比較例3では、難燃化剤を8wt%を超える配合割合としたこと以外は実施例1と同様にして、設計容量が4Ah、20Ah、50Ah、90Ahのリチウムイオン二次電池をそれぞれ作製した。すなわち、難燃化剤の配合割合を、比較例2では10wt%、比較例3では15wt%にそれぞれ調整した。
(Comparative Examples 1 to 3)
As shown in Table 2, in Comparative Example 1, lithium ions having a design capacity of 4 Ah, 20 Ah, 50 Ah, and 90 Ah are the same as Example 1 except that the flame retardant layer is not formed on the surface of the positive electrode mixture layer. Secondary batteries were produced respectively. Moreover, in Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the lithium ion secondary having a design capacity of 4 Ah, 20 Ah, 50 Ah, and 90 Ah was obtained in the same manner as in Example 1 except that the flame retardant was mixed in a proportion exceeding 8 wt%. Each battery was produced. That is, the blending ratio of the flame retardant was adjusted to 10 wt% in Comparative Example 2 and 15 wt% in Comparative Example 3, respectively.
(試験1)
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池のうち、設計容量が4Ahおよび90Ahのリチウムイオン二次電池についてそれぞれ放電試験を行い、放電容量を評価した。放電試験は、0.2CA、5CAおよび10CAの放電電流で3.0Vまでの放電容量を測定した。正極合剤に対する難燃化剤の割合と、比較例1のリチウムイオン二次電池の放電容量を100%としたときの、実施例1〜6および比較例2、3の放電容量比との関係を、設計容量毎に、図2および図3のグラフにそれぞれ示す。
(Test 1)
Among the lithium ion secondary batteries of each Example and Comparative Example, discharge tests were performed on lithium ion secondary batteries with design capacities of 4 Ah and 90 Ah, and the discharge capacity was evaluated. In the discharge test, discharge capacities up to 3.0 V were measured with discharge currents of 0.2 CA, 5 CA, and 10 CA. Relationship between the ratio of the flame retardant to the positive electrode mixture and the discharge capacity ratio of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 2 and 3 when the discharge capacity of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 is 100% Are shown in the graphs of FIGS. 2 and 3 for each design capacity.
図2、図3に示すように、0.2CAの放電電流で放電容量を測定した場合、難燃化剤層が形成された実施例1〜6および比較例2、3では、設計容量が4Ahおよび90Ahのいずれについても放電容量比が90%以上を示し、固体難燃化剤量が増加しても放電容量が維持された。これは、難燃化剤層が多孔化されて形成されたことで、充放電時にリチウムイオンが正負極板間を十分に移動でき、電池性能が確保されたためと考えられる。 As shown in FIGS. 2 and 3, when the discharge capacity was measured with a discharge current of 0.2 CA, in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 2 and 3 in which the flame retardant layer was formed, the design capacity was 4 Ah. The discharge capacity ratio of both 90 and 90 Ah was 90% or more, and the discharge capacity was maintained even when the amount of the solid flame retardant increased. This is probably because the flame retardant layer was formed to be porous, so that lithium ions were able to move sufficiently between the positive and negative electrode plates during charge and discharge, and the battery performance was ensured.
これに対して、5CAの放電電流で放電容量を測定した場合、固体難燃化剤量が8wt%以下の実施例1〜6のリチウムイオン二次電池では、設計容量が4Ahおよび90Ahのいずれについても放電容量比が80%以上を示したが、固体難燃化剤量が8wt%を超える比較例2、3では、放電容量比が70%以下を示した。また、10CAの放電電流で放電容量を測定した場合、固体難燃化剤量が5wt%以下の実施例1〜4のリチウムイオン二次電池では、設計容量が4Ahおよび90Ahのいずれについても放電容量比が85%以上を示したが、固体難燃化剤量が6wt%以上の実施例5、6のリチウムイオン二次電池では、固体難燃化剤量が増加するにつれ放電容量比が次第に減少した。さらに、固体難燃化剤量が10wt%以上の比較例2、3のリチウムイオン二次電池では、放電容量比が25%以下となり、大幅に減少した。このことから、固体難燃化剤量が同じ場合、放電電流が大きいほどリチウムイオンの移動抵抗が大きくなることが判った。これは、固体難燃化剤が高率放電のような速い反応に対して正負極板間のリチウムイオンの移動抵抗となるため、放電容量比が低下したものと考えられる。 On the other hand, when the discharge capacity is measured at a discharge current of 5 CA, in the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 6 in which the amount of the solid flame retardant is 8 wt% or less, the design capacity is 4 Ah or 90 Ah. The discharge capacity ratio was 80% or more, but in Comparative Examples 2 and 3 where the amount of solid flame retardant exceeded 8 wt%, the discharge capacity ratio was 70% or less. In addition, when the discharge capacity was measured with a discharge current of 10 CA, in the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 4 in which the amount of the solid flame retardant was 5 wt% or less, the discharge capacity was 4 Ah and 90 Ah for both design capacities. The ratio was 85% or more, but in the lithium ion secondary batteries of Examples 5 and 6 in which the amount of the solid flame retardant was 6 wt% or more, the discharge capacity ratio gradually decreased as the amount of the solid flame retardant increased. did. Furthermore, in the lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 2 and 3 in which the amount of the solid flame retardant was 10 wt% or more, the discharge capacity ratio was 25% or less, which was significantly reduced. From this, it was found that when the amount of the solid flame retardant is the same, the migration resistance of lithium ions increases as the discharge current increases. This is presumably because the solid flame retardant acts as a migration resistance of lithium ions between the positive and negative electrode plates for a fast reaction such as high rate discharge, so that the discharge capacity ratio is lowered.
また、リチウムイオン二次電池の設計容量の違いを考えると、設計容量4Ahのものと比較して設計容量90Ahのものでは、放電電流を大きくするほど、容量低下の大きくなることが判った。さらに、設計容量20Ah、50Ahのリチウムイオン二次電池についても同様の結果を示し、設計容量4Ahのものと90Ahのものとの中間的な結果となることを確認している。従って、固体難燃化剤量を8wt%以下とすることで、設計容量が4Ah以上の非水電解液電池において高率放電時の容量低下を抑制することが期待できる。
Further, considering the difference in the design capacity of the lithium ion secondary battery, it was found that the capacity decrease was greater as the discharge current was increased in the design capacity 90 Ah than in the
(試験2)
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池について、過充電試験を行い、電池表面の破裂・発火の有無を確認した。過充電試験では、電池中央部に熱電対を配置し、各リチウムイオン二次電池を0.5CAの電流値で充電し続けた。過充電における破裂・発火の有無を下表3に示す。なお、表3において、矢印を表記した欄は、その上の欄と同じ結果であることを示す。
(Test 2)
About the lithium ion secondary battery of each Example and the comparative example, the overcharge test was done and the presence or absence of the burst and ignition of the battery surface was confirmed. In the overcharge test, a thermocouple was placed in the center of the battery, and each lithium ion secondary battery was continuously charged at a current value of 0.5 CA. Table 3 below shows the presence or absence of rupture / ignition during overcharge. In Table 3, the column with an arrow indicates the same result as the column above it.
表3に示すように、難燃化剤層が形成されていない比較例1の電池では、いずれの設計容量の電池においても、過充電試験により破裂・発火が認められた。これに対して、難燃化剤層が形成された実施例1〜6および比較例2、3の電池のうち、設計容量が4Ahの電池では、固体難燃化剤量が1wt%以上含まれれば、破裂・発火しないことが確認された。また、設計容量が20Ahおよび50Ahの電池では、固体難燃化剤量が2wt%以上、設計容量が90Ahの電池では、固体難燃化剤量が3wt%以上含まれれば、破裂・発火しないことが確認された。この結果から、過充電試験における安全性を確保するためには、設計容量が大きい電池ほど固体難燃化剤量が多く必要になることが判明した。これは、設計容量の大きい電池ほど、充放電時にエネルギーが大きく、放熱性が悪化するためと考えられる。 As shown in Table 3, in the battery of Comparative Example 1 in which the flame retardant layer was not formed, rupture / ignition was observed in the battery of any design capacity by the overcharge test. On the other hand, among the batteries of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 2 and 3 in which the flame retardant layer is formed, the battery having a design capacity of 4 Ah contains 1 wt% or more of the solid flame retardant. It was confirmed that no rupture or fire occurred. Also, batteries with a design capacity of 20 Ah and 50 Ah should not burst or ignite if the amount of solid flame retardant is 2 wt% or more, and for batteries with a design capacity of 90 Ah, if the amount of solid flame retardant is 3 wt% or more. Was confirmed. From this result, in order to ensure the safety in the overcharge test, it was found that a battery having a larger design capacity requires a larger amount of solid flame retardant. This is considered to be because a battery with a larger design capacity has a larger energy during charge / discharge, resulting in a deterioration in heat dissipation.
(作用等)
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池20の作用等について説明する。
(Action etc.)
Next, the operation and the like of the lithium ion
本実施形態では、電極群6を構成する正極板の正極合剤層W2の表面に、難燃化剤としてホスファゼン化合物が含有された難燃化剤層W6が形成されている。このホスファゼン化合物は、電池異常時等の高温環境下の所定温度で分解する。難燃化剤層W6が正極合剤層W2の表面に形成されることで、ホスファゼン化合物が正極活物質の近傍に存在することとなる。このため、リチウムイオン二次電池20が異常な高温環境下に曝されたときや電池異常が生じたときに、正極活物質の熱分解反応やその連鎖反応で電池温度が上昇すると、ホスファゼン化合物が分解する。これにより、電池構成材料の燃焼が抑制されるため、リチウムイオン二次電池20の電池挙動を穏やかにし、安全性を確保することができる。
In the present embodiment, a flame retardant layer W6 containing a phosphazene compound as a flame retardant is formed on the surface of the positive electrode mixture layer W2 of the positive electrode plate constituting the electrode group 6. This phosphazene compound decomposes at a predetermined temperature in a high temperature environment such as when the battery is abnormal. By forming the flame retardant layer W6 on the surface of the positive electrode mixture layer W2, the phosphazene compound is present in the vicinity of the positive electrode active material. For this reason, when the lithium ion
また、本実施形態では、難燃化剤層W6に含まれる難燃化剤を正極合剤に対して8質量%以下に設定した。また、難燃化剤層W6はリチウムイオン透過性を有し、多孔化されている。このため、通常の電池使用時(充放電)時に正負極板間のリチウムイオンの移動抵抗が低減し、リチウムイオンが正負極板間を十分に移動することができる。従って、大型(設計容量が4Ah以上)の非水電解液電池において、電池性能を確保することができ、高率放電時の容量低下を抑制することができる。更に、難燃化剤層W6が正極合剤層W2の表面に形成されているため、正極合剤層W2では、電極反応を生じさせる正極活物質の配合割合が確保されるので、リチウムイオン二次電池20の容量や出力を確保することができる。
Moreover, in this embodiment, the flame retardant contained in the flame retardant layer W6 was set to 8 mass% or less with respect to the positive electrode mixture. The flame retardant layer W6 has lithium ion permeability and is made porous. For this reason, the movement resistance of lithium ions between the positive and negative electrode plates is reduced during normal battery use (charging and discharging), and lithium ions can sufficiently move between the positive and negative electrode plates. Therefore, in a large-sized (design capacity is 4 Ah or more) non-aqueous electrolyte battery, battery performance can be ensured, and capacity reduction during high rate discharge can be suppressed. Furthermore, since the flame retardant layer W6 is formed on the surface of the positive electrode mixture layer W2, the positive electrode mixture layer W2 ensures a blending ratio of the positive electrode active material that causes an electrode reaction. The capacity and output of the
更に、本実施形態では、難燃化剤として80℃以下の温度環境で固体のホスファゼン化合物が用いられている。このため、通常の電池使用時にはホスファゼン化合物が固体の状態で難燃化剤層W6として保持され、非水電解液中に溶出することがないので、リチウムイオン二次電池20の電池性能を確保することができる。
Furthermore, in this embodiment, a solid phosphazene compound is used as a flame retardant in a temperature environment of 80 ° C. or lower. For this reason, since the phosphazene compound is held as a flame retardant layer W6 in a solid state and is not eluted in the non-aqueous electrolyte during normal battery use, the battery performance of the lithium ion
なお、本実施形態では、設計容量が4Ah、20Ah、50Ah、90Ahのリチウムイオン二次電池20をそれぞれ例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、設計容量が90Ahを超える電池において、過充電試験における安全性を確保することを考慮すれば難燃化剤の配合割合が3wt%以上に制限されるものの、難燃化剤の配合割合を8wt%以下とすることで、高率放電時の容量低下を抑制することが期待できる。
In the present embodiment, the lithium ion
また、本実施形態では、正極合剤層W2の表面、すなわち、正極板の両面に難燃化剤層W6を形成する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、負極板やセパレータW5に形成するようにしてもよい。すなわち、難燃化剤層W6が、正極板、負極板およびセパレータW5の少なくとも1つの片面または両面に形成されていればよい。更に、本実施形態では、バインダとしてPVDFを用いて難燃化剤層W6を形成させる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、難燃化剤層W6を形成可能であればいかなるバインダを用いてもよい。 In the present embodiment, an example in which the flame retardant layer W6 is formed on the surface of the positive electrode mixture layer W2, that is, both surfaces of the positive electrode plate is shown, but the present invention is not limited to this. For example, you may make it form in a negative electrode plate or the separator W5. That is, the flame retardant layer W6 only needs to be formed on at least one side or both sides of the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator W5. Furthermore, in this embodiment, although the example which forms the flame retardant layer W6 using PVDF as a binder was shown, this invention is not limited to this, The flame retardant layer W6 can be formed. Any binder can be used.
更に、本実施形態では、難燃化剤層W6の形成時に、造孔剤として酸化アルミニウムを配合する例を示したが、本発明は、用いる造孔剤に制限されるものではない。また、本実施形態では、難燃化剤層W6が多孔化されている例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、通常の充放電時にリチウムイオンが通過可能であれば、難燃化剤層W6が多孔化されていなくてもよい。 Furthermore, in this embodiment, the example which mix | blends an aluminum oxide as a pore making agent was shown at the time of formation of the flame retardant layer W6, However, This invention is not restrict | limited to the pore forming agent to be used. Moreover, in this embodiment, although the example in which the flame retardant layer W6 is made porous is shown, the present invention is not limited to this, and lithium ions can pass during normal charge / discharge. The flame retardant layer W6 may not be made porous.
また更に、本実施形態では、難燃化剤層W6に含まれる難燃化剤の正極合剤に対する割合を1wt%以上に設定する例を示した(実施例1〜実施例6)。難燃化剤の配合割合が1wt%に満たないと熱分解反応による温度上昇を抑制することが難しくなり、反対に、難燃化剤の配合割合が8wt%超えると、リチウムイオン移動抵抗が大きくなり、高率放電時の容量や出力を低下させることとなる。難燃化剤の配合割合が増加するほど、高率放電時の容量が低下することを考慮すれば、難燃化剤の配合割合を1〜8wt%の範囲とすることが好ましい。また、過充電時における安全性の確保を考慮すれば、設計容量が20Ah以上の電池では固体難燃化剤量が2wt%以上、設計容量が90Ah以上の電池では固体難燃化剤量が3wt%以上含まれることが好ましい。 Furthermore, in this embodiment, the example which sets the ratio with respect to the positive mix of the flame retardant contained in the flame retardant layer W6 to 1 wt% or more was shown (Example 1-Example 6). If the blending ratio of the flame retardant is less than 1 wt%, it is difficult to suppress the temperature rise due to the thermal decomposition reaction. Conversely, if the blending ratio of the flame retardant exceeds 8 wt%, the lithium ion transfer resistance is large. Thus, the capacity and output during high rate discharge are reduced. Considering that the capacity during high rate discharge decreases as the blending ratio of the flame retardant increases, the blending ratio of the flame retardant is preferably in the range of 1 to 8 wt%. In addition, in consideration of ensuring safety during overcharge, the amount of solid flame retardant is 2 wt% or more for a battery with a design capacity of 20 Ah or more, and the amount of solid flame retardant is 3 wt for a battery with a design capacity of 90 Ah or more. % Or more is preferable.
更にまた、本実施形態では、難燃化剤としてホスファゼン化合物を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、所定温度で分解し活物質の熱分解反応やその連鎖反応による温度上昇を抑制することができるものであればよい。また、ホスファゼン化合物についても本実施形態で例示した化合物以外の化合物を用いることも可能である。 Furthermore, in the present embodiment, the phosphazene compound is exemplified as the flame retardant, but the present invention is not limited to this, and the temperature is increased by decomposition at a predetermined temperature and thermal decomposition reaction of the active material or its chain reaction. What is necessary is just to be able to suppress this. Moreover, it is also possible to use compounds other than the compound illustrated by this embodiment also about a phosphazene compound.
また、本実施形態では、設計容量が4Ahの円筒形リチウムイオン二次電池20を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電池容量が4Ahを超える大型のリチウムイオン二次電池に適用することができる。また、本実施形態では、正極板、負極板を捲回した電極群6を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、矩形状の正極板、負極板を積層した電極群としてもよい。更に、電池形状についても、円筒形以外に角型等としてもよいことはもちろんである。また、正極活物質や負極活物質の種類、非水電解液の組成等についても特に制限されるものではない。
In the present embodiment, the cylindrical lithium ion
更に、本実施形態では、有底円筒状の電池容器7を用いたリチウムイオン二次電池20を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、無底円筒状の電池容器を用いてもよい。電池容器に無底円筒状のものを用いた場合、2つの開口を2つの蓋体で封止すればよい。このとき、2つの蓋体の中心に穴を形成し、正極外部端子および負極外部端子を構成する2本の極柱をそれぞれ2つの蓋体の穴に嵌め込み軸芯に挿入してもよい。
Further, in the present embodiment, the lithium ion
また更に、本実施形態では、正極活物質に、層状結晶構造を有するマンガンニッケルコバルト複酸リチウム粉末、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末のいずれかを用いる例を示したが、本発明で用いることのできる正極活物質としてはリチウム遷移金属複合酸化物であればよい。また、本発明はリチウムイオン二次電池に制限されるものではなく、非水電解液を用いた非水電解液電池に適用できることはいうまでもない。 Furthermore, in the present embodiment, an example in which either a manganese nickel cobalt lithium double acid powder having a layered crystal structure or a lithium manganate powder having a spinel crystal structure is used as the positive electrode active material has been described. The positive electrode active material that can be used may be a lithium transition metal composite oxide. Further, the present invention is not limited to the lithium ion secondary battery, and it goes without saying that the present invention can be applied to a nonaqueous electrolyte battery using a nonaqueous electrolyte.
本発明は電池異常時の安全性を確保し高率放電時の容量低下を抑制することができる非水電解液電池を提供するため、非水電解液電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。 Since the present invention contributes to the manufacture and sale of non-aqueous electrolyte batteries in order to provide a non-aqueous electrolyte battery that can ensure safety in the event of battery abnormalities and suppress capacity reduction during high rate discharge, With the above applicability.
W1 アルミニウム箔(集電体)
W2 正極合剤層
W3 圧延銅箔(集電体)
W4 負極合剤層
W5 セパレータ
W6 難燃化剤層
6 電極群
20 円筒形リチウムイオン二次電池(非水電解液電池)
W1 Aluminum foil (current collector)
W2 Positive electrode mixture layer W3 Rolled copper foil (current collector)
W4 Negative electrode mixture layer W5 Separator W6 Flame retardant layer 6
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