JPWO2017126510A1 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、温度が上昇した場合に電池の内部抵抗を上昇させる機能を備え、通常作動時には優れた電池特性及び安全性を有し、且つ製造工程も簡便なリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、セパレータ及び電解質を備え、前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、前記セパレータは、160℃における熱収縮率が30%以下である。

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関するものである。
リチウムイオン二次電池は高いエネルギー密度を有するエネルギーデバイスであり、ノート型パソコン、携帯電話、PDA(Personal Digital Assistant)のような携帯情報端末の電源として汎用されている。
代表的なリチウムイオン二次電池では、セパレータを介して正極と負極を交互に積層して電極群が構成されている。負極の活物質としては、リチウムイオンの層間への挿入及び放出が可能な多層構造を有する炭素材料が主に用いられている。また、正極の活物質としては、リチウム含有金属複合酸化物が主に用いられている。また、セパレータにはポリオレフィン製多孔質膜が主に用いられている。このような材料から構成されるリチウムイオン二次電池は、電池容量(放電容量)及び出力が高く、充放電サイクル特性も良好である。
リチウムイオン二次電池は安全性の面でも高水準にある。一方で、リチウムイオン二次電池は高容量及び高出力ゆえに、安全性の面でさらなる向上が要望されている。例えば、リチウムイオン二次電池が過充電されると、発熱したり熱暴走したりする可能性がある。そこで、電流を遮断して発熱を抑制する方法として、特許文献1の方法が提案されている。特許文献1には、正極集電体上に導電性粒子とポリオレフィン粒子と水溶性高分子を含むPTC(Positive Temperature Coefficient)層を設けることによって、リチウムイオン二次電池の温度が上昇した場合には、リチウムイオン二次電池の内部抵抗を上昇させて電流を流れにくくし、リチウムイオン二次電池の過熱を抑制する効果が発揮されることが開示されている。
国際公開第2015/046469号
しかしながら、特許文献1に記載されているリチウムイオン二次電池では、集電体と活物質層との間にPTC層を形成するため、製造工程が煩雑となるという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、温度が上昇した場合に電池の内部抵抗(以下、直流抵抗という場合もある)を上昇させる機能を備え、通常作動時には優れた電池特性及び安全性を有し、且つ製造工程も簡便なリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
前記課題を達成するための具体的手段は以下の通りである。
<1> 正極、負極、セパレータ及び電解質を備え、
前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、
前記セパレータは、160℃における熱収縮率が30%以下であるリチウムイオン二次電池。
<2> 前記セパレータは多孔質基材と無機物粒子とを含み、前記多孔質基材は異なる2種以上の樹脂を含み、前記樹脂は、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂及びアラミド樹脂からなる群より選択される<1>に記載のリチウムイオン二次電池。
<3> 前記多孔質基材は、ポリエチレン樹脂とポリプロピレン樹脂とを含む<2>記載のリチウムイオン二次電池。
<4> 前記セパレータの160℃における熱収縮率が20%以下である<1>〜<3>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
<5> 前記セパレータのガーレ値が1000秒/100cc以下である<1>〜<4>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
<6> 前記セパレータは多孔質基材と無機物粒子を含み、前記多孔質基材はポリエステル樹脂を含む<1>に記載のリチウムイオン二次電池。
<7> 前記ポリエステル樹脂はポリエチレンテレフタレート樹脂を含む<6>に記載のリチウムイオン二次電池。
<8> 正極、負極、セパレータ及び電解質を備え、
前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、
前記セパレータは多孔質基材と無機物粒子とを含み、前記多孔質基材はポリプロピレン樹脂及びポリエチレン樹脂が交互に積層された積層体であるリチウムイオン二次電池。
<9> 正極、負極、セパレータ及び電解質を備え、
前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、
前記セパレータはポリエチレンテレフタレート樹脂の織布又は不織布及び無機物粒子を含むリチウムイオン二次電池。
<10> 前記無機物粒子が酸化アルミニウム(Al)及び酸化ケイ素(SiO)の少なくとも一方を含む<2>、<6>、<8>及び<9>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
<11> 前記セパレータの厚さが5μm〜100μmである<1>〜<10>いずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
<12> 前記結着剤が、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂を含有する<1>〜<11>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
本発明によれば、温度が上昇した場合に電池の内部抵抗を上昇させる機能を備え、通常作動時には優れた電池特性及び安全性を有し、且つ製造工程も簡便なリチウムイオン二次電池を提供することができる。
本開示を適用したリチウムイオン二次電池の断面図である。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は、実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本明細書において組成物中の各成分の含有率又は含有量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本明細書において組成物中の各成分の粒子径は、組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本明細書において「層」との語は、平面図として観察したときに、全面に形成されている形状の構成に加え、一部に形成されている形状の構成も包含される。
本明細書において「積層」との語は、層を積み重ねることを示し、二以上の層が結合されていてもよく、二以上の層が着脱可能であってもよい。
本明細書において、(メタ)アクリレートはアクリレート又はメタクリレートを意味し、(メタ)アクリロニトリルはアクリロニトリル又はメタクリロニトリルを意味し、(メタ)アクリル酸はアクリル酸又はメタクリル酸を意味し、(メタ)アクリルアミドはアクリルアミド又はメタクリルアミドを意味し、(メタ)アリルはアリル又はメタリルを意味する。
本開示の技術は、集電体に活物質層(正極活物質層及び負極活物質層)が形成された形態の電極を備える各種の非水二次電池に広く適用され得る。以下、詳細を説明する。
本開示の第一のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、セパレータ及び電解質を備えるリチウムイオン二次電池であって、前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、前記セパレータは、160℃における熱収縮率が30%以下である。
また、本開示の第二のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、セパレータ及び電解質を備えるリチウムイオン二次電池であって、前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、前記セパレータは多孔質基材と無機物粒子とを含み、前記多孔質基材はポリプロピレン樹脂及びポリエチレン樹脂が交互に積層された積層体である。
また、本開示の第三のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、セパレータ及び電解質を備えるリチウムイオン二次電池であって、前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、前記セパレータはポリエチレンテレフタレート樹脂の織布又は不織布及び無機物粒子を含む。
以下、第一のリチウムイオン二次電池、第二のリチウムイオン二次電池及び第三のリチウムイオン二次電池を併せて本開示のリチウムイオン二次電池と称することがある。
(正極)
本開示のリチウムイオン二次電池用正極(正極)は、集電体(正極集電体)及び正極活物質層を有し、この正極活物質層は、正極活物質、導電性粒子、ポリオレフィン粒子、及び結着剤を含有する。
<正極活物質層>
正極活物質層は、正極活物質、導電性粒子、ポリオレフィン粒子及び結着剤を含有し、正極集電体上に形成される。より具体的には、正極活物質層は、正極集電体の厚さ方向における一方又は両方の面に形成される。
その形成方法に制限はないが、例えば次のように形成される。正極活物質、ポリオレフィン粒子、導電性粒子、結着剤及び必要に応じて用いられる他の材料を、分散溶媒を用いることなく乾式で混合してシート状に成形し、これを正極集電体に圧着する方法が挙げられる(乾式法)。または、正極活物質、ポリオレフィン粒子、導電性粒子、結着剤及び必要に応じて用いられる他の材料を分散溶媒に溶解又は分散させて正極合剤ペーストとし、これを正極集電体に塗布し、乾燥する方法が挙げられる(湿式法)。
正極集電体としては、この分野で常用されるものを使用でき、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン等を含有するシート、箔などが挙げられる。
これらの中でも、アルミニウムのシート又は箔であることが好ましい。シート及び箔の厚さは特に限定されないが、集電体として必要な強度及び加工性を確保する観点から、例えば、1μm〜500μmであることが好ましく、1.5μm〜200μmであることがより好ましく、2μm〜80μmであることが更に好ましく、5μm〜50μmであることが特に好ましい。
正極活物質としては、この分野で常用されるものを使用でき、例えば、リチウム含有金属酸化物、オリビン型リチウム塩、カルコゲン化合物、二酸化マンガン等が挙げられる。リチウム含有金属酸化物は、リチウムと遷移金属とを含む金属酸化物又は該金属酸化物中の遷移金属の一部が異種元素によって置換された金属酸化物である。ここで、異種元素としては、例えば、Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、B等が挙げられ、Mn、Al、Co、Ni、Mg等が好ましい。異種元素は1種でもよく、又は2種以上でもよい。
これらの中でも、正極活物質としては、リチウム含有金属複合酸化物が好ましい。リチウム含有金属複合酸化物としては、例えば、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiCoNi1−y、LiCo 1−y(式中、MはNa、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、V、及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)、LiNi1−y (式中、MはNa、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、V、及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)、Li Mn、及びLiMn2−y (式中、MはNa、Mg、Sc、Y、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、V、及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)。ここで、各式中、xは0<x≦1.2であり、yは0〜0.9であり、zは2.0〜2.3である。リチウムのモル比を示すx値は、充放電により増減する。また、オリビン型リチウム塩としては、例えば、LiFePO等が挙げられる。カルコゲン化合物としては、例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン等が挙げられる。正極活物質は1種を単独で使用でき又は2種以上を併用できる。
正極活物質としては、安全性の観点から、LiMn又はLiMn2−y で表されるリチウムマンガン酸化物を含むことが好ましく、リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物を含むことがより好ましい。正極活物質としてリチウムマンガン酸化物を用いる場合におけるリチウムマンガン酸化物の含有率は、正極活物質の総量に対して、30質量%以上であることが好ましく、40質量%以上であることがより好ましい。
正極活物質層に用いるポリオレフィン粒子としては、非導電性であり、かつ熱可塑性樹脂の粒子であれば特に制限されない。このようなポリオレフィン粒子の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン等が挙げられる。また、本開示においては、ポリオレフィン粒子以外のその他の樹脂粒子を併用してもよい。その他の樹脂粒子の材質としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリビニルクロライド、ポリビニリデンクロライド、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド、ポリアミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、熱可塑性エラストマー、ポリエチレンオキサイド、ポリアセタール、熱可塑性変性セルロース、ポリスルホン類、ポリメチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。これらの中でも、電解液に対する耐膨潤性及び電気化学的な安定性に優れる観点から、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン粒子が好ましい。ポリオレフィン粒子は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用できる。
ポリオレフィン粒子及びその他の樹脂粒子の合計に占めるポリオレフィン粒子の質量基準の割合は、70質量%〜100質量%であることが好ましく、80質量%〜100質量%であることがより好ましい。
上記ポリオレフィン粒子の平均粒径は、分散のし易さ及び正極活物質層を均一に集電体上に形成できるとの観点から、0.1μm〜30μmであることが好ましく、0.5μm〜15μmであることがより好ましく、2.5μm〜10μmであることが更に好ましい。ポリオレフィン粒子の平均粒径が大きいほど分散し易く、ポリオレフィン粒子の平均粒径が小さいほど正極活物質層を均一に集電体上に形成できる傾向にある。また、ポリオレフィン粒子の平均粒径が大きい程、電池特性が向上する傾向にある。ポリオレフィン粒子の平均粒径は、例えば、ポリオレフィン粒子を含む正極活物質層を、厚さが約70μmになるように形成した集電体について、その中央部の縦50μm×横50μmの範囲の透過型電子顕微鏡写真の画像内における全てのポリオレフィン粒子の長軸長さの値を算術平均化した数値とすることができる。
ポリオレフィン粒子が正極活物質層内に存在することで、リチウムイオン二次電池の発熱により正極活物質層が所定の温度以上になると正極活物質層の抵抗が高くなり正極活物質層内に流れる電流を抑制できる機能(以下、PTC機能という場合もある)を付与できる。
PTC機能が発現する温度は、ポリオレフィン粒子の融点(Tm)により、調節できる。すなわち、正極活物質層の温度が、ポリオレフィン粒子の融点近傍に達することで、ポリオレフィン粒子が膨張又は溶融することで正極活物質層内の導電路が切断され、PTC機能が発現する。ポリオレフィン粒子の融点(Tm)は、特に制限されないが、リチウムイオン二次電池の取り扱い性、安全性、電池の使用温度範囲及び生産性の観点から、70℃〜160℃であることが好ましく、70℃〜140℃であることがより好ましく、80℃〜150℃であることが更に好ましく、90℃〜120℃であることが特に好ましい。
ポリオレフィン粒子の融点(Tm)が低い程、より低温でPTC機能が発現するため、安全性を向上できる。一方、ポリオレフィン粒子の融点(Tm)が高い程、通常使用時の誤作動を抑制することができ、また、正極の乾燥温度を高く設定できるために生産性を向上できる。ポリオレフィン粒子の融点(Tm)は、例えば、示差走査熱量計を用いて、温度関数として不活性ガス中におけるポリオレフィン粒子の比熱容量を測定後、吸熱ピーク温度から算出できる。
ポリオレフィン粒子を正極活物質層に使用する場合におけるポリオレフィン粒子の含有率は、電池特性とPTC機能とを両立する観点から、正極活物質層の総量中、0.1質量%〜10質量%であることが好ましく、0.5質量%〜8質量%であることがより好ましく、2.5質量%〜6.5質量%であることが更に好ましい。ポリオレフィン粒子の割合が多い程、PTC機能に優れた正極活物質層となる傾向にあり、ポリオレフィン粒子の割合が少ない程、電池特性に優れた正極活物質層となる傾向にある。
ポリオレフィン粒子のシート又はペーストへの添加形態は、ポリオレフィンが粒子状を保っていれば特に制限されず、粉末を乾燥した形態、溶媒中に分散した形態等が適用できる。正極合剤ペースト中に水分を混入させない観点からは、粉末を乾燥させて用いることが好ましく、正極合剤ペースト中でポリオレフィン粒子を良分散させる観点からは、溶媒中に分散させて用いることが好ましい。ポリオレフィン粒子を分散させる溶媒としては、特に制限はないが、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。
正極活物質層に用いる導電性粒子としては、この分野で常用されるものを使用でき、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、金属繊維等を使用できる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等が挙げられる。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛等が挙げられる。導電性粒子は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用できる。
導電性粒子を正極活物質層に使用する場合における導電性粒子の含有量は、電池特性とPTC機能とを両立する観点から、正極活物質層に含まれるポリオレフィン粒子と導電性粒子との質量比(ポリオレフィン粒子/導電性粒子)が、0.15/0.85〜0.85/0.15となる量が好ましく、0.3/0.7〜0.7/0.3となる量がより好ましく、0.4/0.6〜0.6/0.4となる量が更に好ましい。導電性粒子の割合が多い程、電池特性に優れた正極活物質層となる傾向にあり、導電性粒子の割合が少ない程、PTC機能に優れた正極活物質層となる傾向にある。
正極活物質層に用いてもよい結着剤としては、この分野で常用されるものを使用でき、例えば、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ニトロセルロース、フッ素樹脂及びゴムが挙げられる。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等が挙げられる。ゴムとしては、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリルゴム等が挙げられる。これらの中でも特に、電解液への耐膨潤性及び結着性の観点から、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂を用いることが好ましい。
(ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂)
ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂としては、有機溶媒に可溶又は易溶であることが好ましい。結着剤は1種を単独で使用でき、必要に応じて2種以上を組み合わせて使用できる。
ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂としては、例えば、(メタ)アクリロニトリルとその他のエチレン性不飽和結合を有する化合物との共重合体等が挙げられる。可撓性及び結着性をより向上できる観点からは、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂は、ニトリル基含有単量体由来の構造単位と、下記式(I)で表される単量体由来の構造単位及び下記式(II)で表される単量体由来の構造単位からなる群より選択される少なくとも1つの構造単位とを含むことが好ましい。また、結着性を更に向上できる観点から、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂は、カルボキシ基含有単量体由来であってカルボキシ基を含む構造単位を含むことが好ましい。
(式中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rは水素原子又は1価の炭化水素基であり、nは1〜50の整数である。)
(式中、Rは水素原子又はメチル基であり、Rは炭素数4〜100のアルキル基である。)
<ニトリル基含有単量体>
ニトリル基含有単量体としては、特に制限はないが、アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のアクリル系ニトリル基含有単量体、α−シアノアクリレート、ジシアノビニリデン等のシアン系ニトリル基含有単量体、フマロニトリル等のフマル系ニトリル基含有単量体などが挙げられる。これらの中では、電極の柔軟性及び可撓性の観点から、アクリロニトリルが好ましい。これらのニトリル基含有単量体は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
ニトリル基含有単量体としてアクリロニトリル及びメタクリロニトリルの少なくとも一方を使用する場合、アクリロニトリル由来の構造単位及びメタクリロニトリル由来の構造単位の合計含有率は、結着剤であるニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂の全量に対して、40質量%〜98質量%であることが好ましく、50質量%〜96質量%であることがより好ましく、60質量%〜95質量%であることが更に好ましい。
<式(I)で表される単量体>
式(I)で表される単量体としては、特に限定されない。式(I)中、Rは水素原子又はメチル基である。nは1〜50の整数であり、好ましくは2〜30の整数であり、より好ましくは2〜10の整数である。Rは、水素原子又は1価の炭化水素基であり、例えば、炭素数1〜50の炭化水素基であることが好ましく、炭素数1〜25の炭化水素基であることがより好ましく、炭素数1〜12の炭化水素基であることが更に好ましい。炭化水素基の炭素数が50以下であれば、電解液に対する十分な耐膨潤性を得ることができる傾向にある。
ここで、炭化水素基としては、例えば、アルキル基及びフェニル基であることが好ましい。Rは、特に、炭素数1〜12のアルキル基又はフェニル基であることが好ましい。このアルキル基は、直鎖状及び分岐鎖状のいずれであってもよい。
がアルキル基又はフェニル基である場合、アルキル基又はフェニル基が有する水素原子は、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、窒素原子含有基、リン原子含有基、芳香族基、炭素数3〜10のシクロアルキル基などで置換されていてもよい。
式(I)で表される単量体としては、例えば市販の、エトキシジエチレングリコールアクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートEC−A)、メトキシトリエチレングリコールアクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートMTG−A及び新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAM−30G)、メトキシポリ(n=9)エチレングリコールアクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレート130−A及び新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAM−90G)、メトキシポリ(n=13)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:商品名:NKエステルAM−130G)、メトキシポリ(n=23)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAM−230G)、オクトキシポリ(n=18)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルA−OC−18E)、フェノキシジエチレングリコールアクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートP−200A及び新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAMP−20GY)、フェノキシポリ(n=6)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAMP−60G)、ノニルフェノールEO付加物(n=4)アクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートNP−4EA)、ノニルフェノールEO付加物(n=8)アクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートNP−8EA)、メトキシジエチレングリコールメタクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトエステルMC及び新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルM−20G)、メトキシトリエチレングリコールメタクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトエステルMTG)、メトキシポリ(n=9)エチレングリコールメタクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトエステル130MA及び新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルM−90G)、メトキシポリ(n=23)エチレングリコールメタクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルM−230G)並びにメトキシポリ(n=30)エチレングリコールメタクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトエステル041MA)が挙げられる。「EO」はエチレンオキシ基を意味し、「n」はエチレンオキシ基の構造単位数を意味する。これらの中では、ニトリル基含有単量体と共重合させる場合の反応性等の点から、メトキシトリエチレングリコールアクリレート(一般式(I)のRが水素原子で、Rがメチル基で、nが3の化合物)がより好ましい。これらの式(I)で表される単量体は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
<式(II)で表される単量体>
式(II)で表される単量体としては、特に限定されない。式(II)中、Rは水素原子又はメチル基である。
は、水素原子又は炭素数4〜100のアルキル基である。Rは好ましくは炭素数4〜50のアルキル基であり、より好ましくは炭素数6〜30のアルキル基であり、更に好ましくは炭素数8〜15のアルキル基である。アルキル基の炭素数が4以上であれば、電極が十分な可撓性を示す傾向にあり、アルキル基の炭素数が100以下であれば、電解液に対する十分な耐膨潤性を得ることができる傾向にある。
このRを構成するアルキル基は、直鎖状、分岐鎖状及び環状のいずれであってもよい。
また、Rを構成するアルキル基が有する水素原子は、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、窒素原子含有基、リン原子含有基、芳香族基、炭素数3〜10のシクロアルキル基などで置換されていてもよい。Rを構成するアルキル基としては、直鎖状、分岐鎖状又は環状の飽和アルキル基の他に、フルオロアルキル基、クロロアルキル基、ブロモアルキル基、ヨウ化アルキル基等のハロゲン化アルキル基などが挙げられる。
式(II)で表される単量体としては、Rが直鎖状、分岐鎖状又は環状の飽和アルキル基である場合、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、アミル(メタ)アクリレート、イソアミル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、ヘプチル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ノニル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、ヘキサデシル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、イソステアリル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート等の炭素数が4〜100のアルキル基を含む(メタ)アクリル酸エステル類が挙げられる。また、Rがフルオロアルキル基である場合、1,1−ビス(トリフルオロメチル)−2,2,2−トリフルオロエチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチルアクリレート、2,2,3,4,4,4−へキサフルオロブチルアクリレート、ノナフルオロイソブチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロペンチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,5−ノナフルオロペンチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,6−ウンデカフルオロヘキシルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−ペンタデカフルオロオクチルアクリレート、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10−ヘプタデカフルオロデシルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10−ノナデカフルオロデシルアクリレート等のアクリレート化合物、ノナフルオロ−t−ブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロペンチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7−ドデカフルオロヘプチルメタクリレート、ヘプタデカフルオロオクチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−ペンタデカフルオロオクチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9−ヘキサデカフルオロノニルメタクリレート等のメタクリレート化合物などが挙げられる。これらの式(II)で表される単量体は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
式(I)で表される単量体又は式(II)で表される単量体を使用する場合、式(I)で表される単量体由来の構造単位及び式(II)で表される単量体由来の構造単位からなる群より選択される少なくとも1つの構造単位の含有率は、結着剤であるニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂の全量に対して、1質量%〜50質量%であることが好ましく、2質量%〜30質量%であることがより好ましく、3質量%〜20質量%であることが更に好ましい。式(I)で表される単量体由来の構造単位又は式(II)で表される単量体由来の構造単位の含有量が多いほど可撓性及び結着性が高くなりやすく、含有量が少ないほど電解液への耐膨潤性及び正極適用時の電気化学的な安定性が高くなりやすい。
<カルボキシ基含有単量体>
カルボキシ基含有単量体としては、特に制限されない。カルボキシ基含有単量体としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸等のアクリル系カルボキシ基含有単量体、クロトン酸等のクロトン系カルボキシ基含有単量体、マレイン酸及びその無水物等のマレイン系カルボキシ基含有単量体、イタコン酸及びその無水物等のイタコン系カルボキシ基含有単量体、シトラコン酸及びその無水物等のシトラコン系カルボキシ基含有単量体などが挙げられる。これらの中では、電極の柔軟性及び結着性の観点から、アクリル酸が好ましい。これらのカルボキシ基含有単量体は、1種を単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。
カルボキシ基含有単量体を使用する場合、カルボキシ基含有単量体由来の構造単位の含有率は、結着剤であるニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂の全量に対して、0.1質量%〜20質量%であることが好ましく、1質量%〜10質量%であることがより好ましく、2質量%〜6質量%であることが更に好ましい。カルボキシ基含有単量体の含有量が多いほど可撓性及び結着性が高くなりやすく、含有量が少ないほど電解液への耐膨潤性及び正極適用時の電気化学的な安定性が高くなりやすい。
<その他の単量体>
ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂は、ニトリル基含有単量体由来の構造単位と、カルボキシ基含有単量体由来であってカルボキシ基を含む構造単位と、式(I)で表される単量体由来の構造単位及び式(II)で表される単量体由来の構造単位からなる群より選択される少なくとも1つの構造単位と、これらの単量体とは異なる他の単量体の構造単位を適宜組合せることもできる。他の単量体としては、特に限定されないが、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート等の短鎖(メタ)アクリル酸エステル類、塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル化合物、マレイン酸イミド、フェニルマレイミド、(メタ)アクリルアミド、スチレン、α−メチルスチレン、酢酸ビニル、(メタ)アリルスルホン酸ナトリウム、(メタ)アリルオキシベンゼンスルホン酸ナトリウム、スチレンスルホン酸ナトリウム、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸及びその塩などが挙げられる。これらの他の単量体は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
<各単量体由来の構造単位の含有量>
ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂が、ニトリル基含有単量体由来の構造単位と、カルボキシ基含有単量体由来であってカルボキシ基を含む構造単位と、式(I)で表される単量体由来の構造単位及び式(II)で表される単量体由来の構造単位からなる群より選択される少なくとも1つの構造単位とを含む場合、ニトリル基含有単量体由来の構造単位と、カルボキシ基含有単量体由来であってカルボキシ基を含む構造単位と、式(I)で表される単量体由来の構造単位及び式(II)で表される単量体由来の構造単位からなる群より選択される少なくとも1つの構造単位とのモル比は、例えば、ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対して、カルボキシ基含有単量体由来であってカルボキシ基を含む構造単位が好ましくは0.01モル〜0.2モル、より好ましくは0.02モル〜0.1モル、更に好ましくは、0.03モル〜0.06モルであり、式(I)又は式(II)で表される単量体由来の構造単位が好ましくは0.001モル〜0.2モル、より好ましくは0.003モル〜0.05モル、更に好ましくは0.005モル〜0.02モルである。カルボキシ基含有単量体由来であってカルボキシ基を含む構造単位が0.01モル〜0.2モル、式(I)又は式(II)で表される単量体由来の構造単位が0.001モル〜0.2モルであれば、集電体、特にアルミニウム箔を用いた正極集電体との接着性及び電解液に対する耐膨潤性に優れ、電極の柔軟性及び可撓性が良好となる。
また、他の単量体を使用する場合、その含有量は、ニトリル基含有単量体1モルに対して、好ましくは0.005モル〜0.1モル、より好ましくは、0.01モル〜0.06モル、更に好ましくは、0.03モル〜0.05モルの割合である。
尚、ニトリル基含有単量体由来の構造単位は、結着剤であるニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂の全量を基準に、50モル%以上であることが好ましく、70モル%以上であることがより好ましく、80モル%以上であることが更に好ましい。ニトリル基含有単量体由来の構造単位が多い程、電解液への耐膨潤性、及び正極適用時の電気化学的な安定性が高くなりやすい。
(正極の電流遮断温度)
正極の電流遮断温度は、70℃〜160℃に設定することが好ましく、90℃〜120℃に設定することがより好ましい。電流遮断温度を70℃〜160℃に設定すれば、リチウムイオン二次電池自体又はリチウムイオン二次電池が装着された各種機器に異常が発生したときに電流を遮断して発熱を抑制し、更にリチウムイオン二次電池から各種機器への電力の供給等を停止できるので、高い安全性が得られる。また、電流遮断温度を90℃〜120℃に設定すれば、通常使用時の誤作動がなく、過充電等の異常時に電流を確実に遮断できるという利点が得られる。上記のような電流遮断温度は、ポリオレフィン粒子の融点(Tm)に依存する。電流遮断温度を90℃〜120℃に設定する場合は、ポリオレフィン粒子としてポリエチレン粒子を用いることが好ましい。
なお、上記の電流遮断温度は、電池の25℃における直流抵抗に対して、直流抵抗上昇率が110%以上となる温度とする。
正極活物質層は、例えば、正極合剤ペーストを正極集電体上に塗布し、乾燥し、更に必要に応じて圧延することにより形成できる。正極合剤ペーストは、正極活物質を、導電性粒子、ポリオレフィン粒子、結着剤等とともに分散媒に添加して混合することにより調製できる。分散媒には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド等を使用できる。なお、分散媒は、結着剤を溶解又は分散するものであり、且つポリオレフィン粒子を溶解しないものを選択するのが好ましい。
ポリオレフィン粒子が溶解すると、目的とするPTC機能が得られ難くなる。ポリオレフィン粒子の中には、有機溶媒及び水の両方に溶解し難いものがあり、このようなポリオレフィン粒子を用いる場合は、分散媒の種類を選択する必要はない。
また、本開示のリチウムイオン二次電池において、上記のような正極活物質と導電性粒子とポリオレフィン粒子と結着剤とを含む正極活物質層を形成するにあたり、この正極活物質層の充填密度が高くなりすぎると、正極活物質層内に非水電解質が浸透されにくくなり、大電流での充放電時におけるリチウムイオンの拡散が遅くなってサイクル特性が低下する可能性がある。一方、正極活物質層の充填密度が低いと、上記の正極活物質と導電性粒子との接触が十分に確保されなくなって電気抵抗が高くなり、放電レートが低下する可能性がある。このため、上記の正極活物質層の充填密度は、2.2g/cm〜2.8g/cmの範囲にすることが好ましく、2.3g/cm〜2.7g/cmの範囲にすることがより好ましく、2.4g/cm〜2.6g/cmの範囲にすることが更に好ましい。
正極活物質層の充填密度が2.8g/cm以下であれば、正極活物質層内に非水電解質が浸透しやすくなり、大電流での充放電時におけるリチウムイオンの拡散が速くなってサイクル特性が向上する傾向にある。一方、正極活物質層の充填密度が2.2g/cm以上であれば、正極活物質と導電性粒子との接触が十分に確保されることで電気抵抗が低くなり、放電レート特性が向上する傾向にある。
また、本開示のリチウムイオン二次電池において、正極合剤ペーストを正極集電体に塗布して正極活物質層を形成するにあたり、正極合剤ペーストの塗布量が多くなり、正極活物質層が厚くなりすぎると、大電流で充放電させた場合に、厚さ方向に反応の不均一が生じてサイクル特性が低下する傾向にある。一方、正極合剤ペーストの塗布量が少ないために正極活物質層が薄くなりすぎると、十分な電池容量が得られなくなる傾向にある。そのため、正極集電体に対する正極合剤ペーストの塗布量(片面塗布量)は、正極合剤ペーストの固形分として50g/m〜300g/mの範囲にすることが好ましく、80g/m〜250g/mの範囲にすることがより好ましく、100g/m〜220g/m の範囲にすることが更に好ましい。なお、正極合剤ペーストの固形分とは、正極合剤ペーストから分散媒等の揮発分を除いた成分をいう。
また、放電容量と放電レートの観点から、正極活物質層の厚さは、30μm〜200μmであることが好ましく、50μm〜180μmであることがより好ましく、70μm〜150μmであることが更に好ましい。
(負極)
負極は、負極集電体及び負極活物質層を含む。負極集電体としては、リチウムイオン二次電池の分野で常用されるものを使用できる。具体的には、ステンレス鋼、ニッケル、銅等を含むシート、箔などが挙げられる。シート及び箔の厚さは、特に限定されないが、例えば、1μm〜500μmであることが好ましく、1.5μm〜200μmであることがより好ましく、2μm〜100μmであることが更に好ましく、5μm〜50μmであることが特に好ましい。負極活物質層は、負極集電体の厚さ方向における一方又は両方の面に形成され、負極活物質を含有し、さらに必要に応じて、結着剤、導電性粒子、増粘剤等を含有していてもよい。
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料であって、リチウムイオン二次電池の分野で常用されるものを使用できる。例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属間化合物、炭素材料、有機化合物、無機化合物、金属錯体、有機高分子化合物等が挙げられる。負極活物質は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用できる。これらの中でも、炭素材料が好ましい。炭素材料としては、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等の黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、炭素繊維などが挙げられる。炭素材料の体積平均粒子径は、0.1μm〜60μmであることが好ましく、0.5μm〜30μmであることがより好ましい。また、炭素材料のBET比表面積は、1m/g〜10m/gであることが好ましい。炭素材料の中でも特に、電池特性(例えば、放電容量)をより向上できる観点から、X線広角回折法における炭素六角平面の間隔(d002)が3.35Å〜3.40Å(0.335nm〜0.340nm)であり、c軸方向の結晶子(Lc)が100Å(10nm)以上である黒鉛が好ましい。
また、炭素材料の中でも特に、サイクル特性及び安全性をより向上できる観点からは、X線広角回折法における炭素六角平面の間隔(d002)が3.5Å〜3.95Å(0.350nm〜0.395nm)である非晶質炭素が好ましい。非晶質炭素としては、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素等が挙げられる。
本明細書において負極活物質の平均粒子径は、界面活性剤を含んだ精製水に試料を分散させ、レーザー回折式粒度分布測定装置(例えば、株式会社島津製作所製SALD−3000J)で測定される体積基準の粒度分布において、小径側からの積算が50%となるときの値(メジアン径(D50))とする。
BET比表面積は、例えば、JIS Z 8830:2013に準じて窒素吸着能から測定することができる。評価装置としては、例えば、QUANTACHROME社製:AUTOSORB−1(商品名)を用いることができる。BET比表面積の測定を行う際には、試料表面及び構造中に吸着している水分がガス吸着能に影響を及ぼすと考えられることから、まず、加熱による水分除去の前処理を行うことが好ましい。
前処理では、0.05gの測定試料を投入した測定用セルを、真空ポンプで10Pa以下に減圧した後、110℃で加熱し、3時間以上保持した後、減圧した状態を保ったまま常温(25℃)まで自然冷却する。この前処理を行った後、評価温度を77Kとし、評価圧力範囲を相対圧(飽和蒸気圧に対する平衡圧力)にて1未満として測定する。
負極活物質層に用いてもよい導電性粒子としては、正極活物質層で例示したものと同様の導電性粒子が挙げられる。また、負極活物質層に用いてもよい結着剤としては、リチウムイオン二次電池の分野で常用されるものを使用でき、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン−ブタジエンゴム、アクリルゴム等が挙げられる。
負極活物質層には、負極合剤ペーストの安定性及び塗布性の観点から、増粘剤を用いてもよい。用いてもよい増粘剤としては、リチウムイオン二次電池の分野で常用されるものを使用できる。
負極活物質層に用いてもよい増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。負極活物質層は、例えば、負極合剤ペーストを負極集電体表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて圧延することにより形成できる。負極合剤ペーストは、負極活物質を、必要に応じて、結着剤、導電性粒子、増粘剤等とともに分散媒に添加して混合することにより調製できる。分散媒には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水等を使用できる。
また、負極活物質層には、ポリオレフィン粒子を含んでもよく、正極活物質層で例示したものと同様のポリオレフィン粒子が挙げられる。
(電解質)
電解質としては、液状非水電解質(電解液)、ゲル状非水電解質、固体状電解質(例えば高分子固体電解質)等が挙げられる。液状非水電解質は、溶質(支持塩)と非水溶媒とを含み、さらに必要に応じて各種添加剤を含む。溶質は通常非水溶媒中に溶解する。液状非水電解質は、例えば、セパレータに含浸される。
溶質としては、この分野で常用されるものを使用でき、LiClO、LiBF、LiPF、LiAlCl、LiSbF、LiSCN、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、ホウ酸塩類、イミド塩類等が挙げられる。ホウ酸塩類としては、ビス(1,2−ベンゼンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,3−ナフタレンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,2’−ビフェニルジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2−オレート−1−ベンゼンスルホン酸−O,O’)ホウ酸リチウム等が挙げられる。イミド塩類としては、ビストリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウム((CFSONLi)、トリフルオロメタンスルホン酸ノナフルオロブタンスルホン酸イミドリチウム((CFSO)(CSO)NLi)、ビスペンタフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム((CSONLi)等が挙げられる。溶質は1種を単独で用いてもよく、必要に応じて2種以上を組み合わせて用いてもよい。溶質の非水溶媒に対する溶解量は、0.5モル/L〜2モル/Lとすることが好ましい。
非水溶媒としては、この分野で常用されるものを使用でき、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル等が挙げられる。環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)等が挙げられる。鎖状炭酸エステルとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)等が挙げられる。環状カルボン酸エステルとしては、γ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン(GVL)等が挙げられる。非水溶媒は1種を単独で用いてもよく、必要に応じて2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、電池特性をより向上できる観点から、非水溶媒にビニレンカーボネート(VC)を含有することが好ましい。
ビニレンカーボネート(VC)を含有する場合の含有率は、非水溶媒全量に対して、0.1質量%〜2質量%であることが好ましく、0.2質量%〜1.5質量%であることがより好ましい。
(セパレータ)
セパレータは、正極と負極との間に配置される。
本開示で用いられる第一のセパレータは、160℃における熱収縮率が30%以下とされる。
本開示で用いられる第二のセパレータは、多孔質基材と無機物粒子とを含み、前記多孔質基材はポリプロピレン樹脂及びポリエチレン樹脂が交互に積層された積層体とされる。
本開示で用いられる第三のセパレータは、ポリエチレンテレフタレート樹脂の織布又は不織布及び無機物粒子を含む。
以下、第一のセパレータ、第二のセパレータ及び第三のセパレータを併せて本開示のセパレータと称することがある。
第一のセパレータは、160℃における熱収縮率が30%以下であればよく、25%以下であることが好ましく、23%以下であることがより好ましく、20%以下であることが更に好ましい。第一のセパレータの160℃における熱収縮率が30%以下であると、過充電状態において電池温度が上昇し、セパレータが熱収縮した場合にも、形状が維持されるので正極と負極との間の短絡を抑制できる。
なお、第二のセパレータ及び第三のセパレータについての熱収縮率に限定はなく、例えば、30%以下であってもよく、25%以下であることが好ましく、23%以下であることがより好ましく、20%以下であることが更に好ましい。
また、160℃における熱収縮率の下限値は0%であることが好ましいが、実用的な観点からは1%以上である。
本明細書において160℃における熱収縮率は、面積収縮率とも称し、セパレータを50mm(MD:Machine Direction)×50mm(TD:Transverse Direction)に切り出し、ガラス基板上に置いて160℃に調整した恒温槽中で1時間加熱を行い、加熱後のセパレータの面積を算出し、以下のようにして求める。
熱収縮率(面積収縮率)(%)=(加熱前の面積−加熱後の面積)/加熱前の面積×100
本開示のセパレータのガーレー値[秒/100cc]は、1000秒/100cc以下であることが好ましく、800秒/100cc以下であることがより好ましく、600秒/100cc以下であることが更に好ましく、300秒/100cc以下であることが更により好ましく、200秒/100cc以下であることが特に好ましく、100秒/100cc以下であることが極めて好ましい。
また、本開示のセパレータのガーレー値[秒/100cc]は、1秒/100cc〜1000秒/100ccであることが好ましく、1秒/100cc〜800秒/100ccであることがより好ましく、1秒/100cc〜600秒/100ccであることが更に好ましく、1秒/100cc〜300秒/100ccであることが更により好ましく、1秒/100cc〜200秒/100ccであることが特に好ましく、1秒/100cc〜100秒/100ccであることが極めて好ましい。
本開示のセパレータのガーレー値が、1秒/100cc〜1000秒/100ccの範囲内であると、イオン透過性がよく、放電レート特性に優れる傾向にある。また、本開示のセパレータのガーレー値が、1秒/100cc〜300秒/100ccの範囲内であると、イオン透過性がよりよく、放電レート特性にさらに優れる傾向にある。
ガーレー値は、ガーレー試験法により算出される透気抵抗度であり、セパレータの厚さ方向のイオンの通り抜け難さを表す。ガーレー値の数値が小さければ、イオンが通り抜け易く、数値が大きければ、イオンが通り抜け難いことを意味する。
本明細書においてガーレー値は、ガーレー試験法(JIS P8117:2009)に準じて測定される値である。
なお、本開示の第四のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、セパレータ及び電解質を備えるリチウムイオン二次電池であって、前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤を含み、前記セパレータはガーレ値が300秒/100cc以下であり、前記セパレータは多孔質基材と無機物粒子とを含み、前記多孔質基材はポリエステル樹脂を含む。
第四のリチウムイオン二次電池に係るセパレータについての熱収縮率に限定はなく、例えば、30%以下であってもよく、25%以下であることが好ましく、23%以下であることがより好ましく、20%以下であることが更に好ましい。
本開示のセパレータは、多孔質基材と無機物粒子とを含んでいてもよい。
多孔質基材に含まれる樹脂としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等のオレフィン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)等のポリエステル樹脂、アラミド樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。多孔質基材に含まれる樹脂は、1種を単独で用いてもよく、必要に応じて2種以上を組み合わせて用いてもよい。
ある態様では、セパレータは多孔質基材と無機物粒子とを含み、多孔質基材は異なる2種以上の樹脂を含み、樹脂は、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂及びアラミド樹脂からなる群より選択されるものであってもよく、ポリエチレン樹脂とポリプロピレン樹脂とを含むことが好ましい。
また、ある態様では、セパレータは多孔質基材と無機物粒子とを含み、多孔質基材はポリエステル樹脂を含むものであってもよい。多孔質基材に含まれるポリエステル樹脂のうち、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)は、耐熱性及び電気絶縁性に優れていることから多孔質基材として適している。多孔質基材がポリエチレンテレフタレート樹脂を含む場合、多孔質基材としてポリエチレンテレフタレート樹脂の織布又は不織布を用いることが好ましい。本明細書において「不織布」とは、繊維を織らずに絡み合わせて形成されたシート状の物体を意味する。
また、多孔質基材が2種以上の樹脂を含む場合、2種以上の樹脂を交互に積層した積層体としてもよい。本開示において多孔質基材が2種以上の樹脂を積層した積層体である場合、多孔質基材は二層構造又は三層構造であることが好ましい。
多孔質基材の製造方法は、特に制限されず、公知の方法から選択することができる。本開示では、多孔質基材は織布であっても不織布であってもよく、不織布であることが好ましい。
多孔質基材の融点は、120℃以上であることが好ましく、140℃以上であることがより好ましく、160℃以上であることが更に好ましい。融点が120℃以上であると、セパレータがシャットダウン機能を有し、電池内部での短絡も防止することができる。多孔質基材の融点の上限に特に制限はなく、実用的な観点からは、多孔質基材の融点は300℃以下であることが好ましい。
ここで融点とは、JISK7121の規定に準じて示差走査熱量計(DSC)を用いて測定される融解温度を意味している。具体的には、融点は、示差走査熱量測定装置(パーキンエルマ製DSC7)を用い、昇温速度10℃/分、測定温度範囲25℃〜350℃、流量20±5ml/minの窒素雰囲気下の条件で、アルミパンに密閉した3mg〜5mgの試料の示差走査熱量測定を行うことで測定される。示差走査熱量測定から得られた結果より、相転移に伴うエネルギー変化が起こる温度(吸熱反応ピーク)を融点とする。
無機物粒子としては、酸化アルミニウム(Al)、酸化ケイ素(SiO)、酸化チタン(TiO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、ZrO(ジルコニア)、ベーマイト等が挙げられる。無機物粒子は、1種を単独で用いてもよく、又は必要に応じて2種以上を組み合わせて用いてもよい。
電気絶縁性又は電気的安定性の観点から無機物粒子は酸化アルミニウム(以下、アルミナともいう)及び酸化ケイ素(以下、シリカともいう)の少なくとも一方であることが好ましい。
無機物粒子は、電池の異常高温によって溶融する多孔質基材のシャットダウン機能を維持しつつ、多孔質基材が熱変形又は熱収縮しないように多孔質基材を保護する機能を有する。無機物粒子は、多孔質基材表面上に塗布されていてもよく、多孔質基材の空孔に含浸されていてもよい。
セパレータは多孔質基材の一方の面に無機物粒子を含む層を備え、無機物粒子を含む層が正極と対向するようにセパレータを配置してもよい。無機物粒子を含む層は、多孔質基材を熱変形又は熱収縮から保護する耐熱層として機能することができる。
多孔質基材に2種以上の樹脂を用いる場合、種類の異なる2種類の樹脂を交互に積層した態様であってもよく、ポリプロピレン樹脂及びポリエチレン樹脂が交互に積層された積層体であってもよい。
また、セパレータに三層構造の多孔質基材を用いる場合、三層構造の多孔質基材において好ましい組み合わせは、溶融温度の異なる樹脂を含む多孔質膜を積層したものであり、より好ましくはオレフィン系樹脂を含む多孔質基材の組み合わせであり、更に好ましくは、ポリプロピレン樹脂/ポリエチレン樹脂/ポリプロピレン樹脂(以下、「PP/PE/PP」と称することがある。)の順で積層されたものである。多孔質基材を上記組み合わせにすることで、セパレータがシャットダウン機能を有し、かつ電気化学的安定性にも優れているため好ましい。
本開示では、PP/PE/PPの順で積層されたものを多孔質基材とし、PP/PE/PPの多孔質基材に酸化アルミニウム又は酸化ケイ素を付着させる製造方法によって得られたセパレータを用いてもよい。
この3層の構成により、ポリエチレン樹脂を含む層はポリプロピレン樹脂を含む層間に挟持されている為、ポリエチレン樹脂を含む層が溶融した場合でも、多孔質基材表面に存在するか又は空孔に含浸されている無機物粒子が耐熱層としての機能を発揮し、正極と負極の隔離機能を保持する。加えて、ポリエチレン樹脂が溶融しても流れ出さないため、効率よくシャットダウン機能が発揮される。さらに高温にさらされた場合、160℃〜170℃の温度範囲においてポリプロピレン樹脂が溶融して、ポリエチレン樹脂とポリプロピレン樹脂が多孔質基材の空隙を閉塞させる為、より安全なシャットダウン機能が発揮される。
無機物粒子の平均粒子径(D50)は、0.1μm〜10μmであることが好ましく、0.2μm〜9μmであることがより好ましく、0.3μm〜8μmであることが更に好ましい。
無機物粒子の平均粒子径が上記範囲内であれば、無機物粒子と多孔質基材との密着性がよく、電池温度が上昇した場合でも、セパレータの熱収縮率が低くなる。
本明細書における無機物粒子の平均粒子径は、界面活性剤を含んだ精製水に試料を分散させ、レーザー回折式粒度分布測定装置(例えば、株式会社島津製作所製SALD−3000J)で測定される体積基準の粒度分布において、小径側からの積算が50%となるときの値(メジアン径(D50))とする。
また、本開示のセパレータにおける無機物粒子の含有量(α1)とポリエチレンテレフタレート樹脂等の樹脂の含有量(β1)の質量基準の比率(α1:β1)は、セパレータの熱収縮率、柔軟性等の観点から、1:50〜20:1の範囲であることが好ましく、1:25〜10:1の範囲であることがより好ましく、1:5〜4:1の範囲であることが更に好ましい。
また、無機物粒子が多孔質基材に塗布されている場合、無機物粒子の層(以下、無機物粒子層という)の厚さ(α2)と多孔質基材の厚さ(β2)の比率(α2:β2)は、セパレータの熱収縮率、柔軟性等の観点から、1:100〜10:1の範囲であることが好ましく、1:50〜5:1の範囲であることがより好ましく、1:10〜2:1の範囲であることが更に好ましい。
セパレータの厚さは、ある態様では、5μm〜100μmの範囲であることが好ましく、7μm〜50μmであることがより好ましく、15μm〜30μmであることが更に好ましい。また、セパレータの厚さは、その他の態様では、5μm〜100μmの範囲であることが好ましく、13μm〜70μmの範囲であることがより好ましく、15μm〜50μmの範囲であることが更に好ましい。
セパレータの厚さが、5μm〜100μmの範囲であると、イオン透過性を保ちつつ、優れた体積エネルギー密度及び安全性を得ることができる。
(リチウムイオン二次電池)
以下に、本開示をラミネート電池に適用した実施の形態について説明する。
ラミネート型のリチウムイオン二次電池は、例えば、次のようにして作製できる。まず、正極と負極を角形に切断し、それぞれの電極にタブを溶接し正負極端子を作製する。正極と負極との間にセパレータを配置させ積層した電極積層体を作製し、その状態でアルミニウム製のラミネートパック内に収容し、正負極端子をアルミラミネートパックの外に出し密封する。次いで、電解液をアルミラミネートパック内に注液し、アルミラミネートパックの開口部を密封する。これにより、リチウムイオン二次電池が得られる。
次に、図面を参照して、本発明を18650タイプの円柱状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。
図1は、本開示を適用したリチウムイオン二次電池の断面図を示す。
図1に示すように、本開示のリチウムイオン二次電池1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6を有している。電池容器6には、帯状の正極板2及び負極板3がセパレータ4を介して断面渦巻状に捲回された電極群5が収容されている。セパレータ4は、例えば、幅が58mm、厚さが30μmに設定される。電極群5の上端面には、一端部を正極板2に固定されたアルミニウム製でリボン状の正極タブ端子が導出されている。正極タブ端子の他端部は、電極群5の上側に配置され正極外部端子となる円盤状の電池蓋の下面に超音波溶接で接合されている。一方、電極群5の下端面には、一端部を負極板3に固定された銅製でリボン状の負極タブ端子が導出されている。負極タブ端子の他端部は、電池容器6の内底部に抵抗溶接で接合されている。従って、正極タブ端子及び負極タブ端子は、それぞれ電極群5の両端面の互いに反対側に導出されている。なお、電極群5の外周面全周には、図示を省略した絶縁被覆が施されている。電池蓋は、絶縁性の樹脂製ガスケットを介して電池容器6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1の内部は密封されている。また、電池容器6内には、図示しない電解液が注液されている。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。
[ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂の合成]
撹拌機、温度計及び冷却管を装着した0.5リットルのセパラブルフラスコ内に、精製水(和光純薬工業株式会社製)397.2gを加えた後、系内を窒素置換し、72.0℃まで昇温した。系内の水温が72.0℃になっていることを確認後、精製水2.5gに重合開始剤の過硫酸アンモニウム(和光純薬工業株式会社製)347.0mgを溶かし、系内に加えた後、250rpm(回転/分)で撹拌した。次いで、系内にアクリロニトリル(和光純薬工業株式会社製)39.3g(0.74モル)、メトキシトリエチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、NKエステルAM−30G)1.4g(0.006モル)、アクリル酸(和光純薬工業株式会社製)2.1g(0.029モル)を2時間かけて滴下し、1時間かけて反応させた。
次いで、精製水7.8gに重合開始剤の過硫酸アンモニウム(和光純薬工業株式会社製)420mgを溶かし、系内に加えた後、1時間反応させた。次いで、系内の温度を92.0℃まで昇温し、1時間かけて反応させた。次いで、精製水1.5gに重合開始剤の過硫酸アンモニウム(和光純薬工業株式会社製)210mgを溶かし、系内に加えた後、1時間反応させた。上記工程中は、系内を窒素雰囲気で保ち、250rpm(回転/分)で撹拌を続けた。室温(25℃)に冷却後、反応液を吸引ろ過し、析出した樹脂をろ別した。ろ別した樹脂を精製水(和光純薬工業株式会社製)1000gで洗浄した。洗浄した樹脂を60℃、150Paに設定した真空乾燥機で24時間乾燥し、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂を得た。撹拌機、温度計及び冷却管を装着した0.5リットルのセパラブルフラスコ内に、NMP423gを加え、100±5℃に昇温した後、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂27gを加え、300rpm(回転/分)で5時間撹拌し、NMP溶液とした。
(実験例1A)
[正極板の作製]
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(正極活物質、BET比表面積が0.4m/g、平均粒径(d50)が6.5μm)と、導電性粒子としてアセチレンブラック(商品名:HS−100、平均粒径48nm(デンカ株式会社カタログ値)、デンカ株式会社製)と、ポリオレフィン粒子(ポリエチレン粒子、商品名:ケミパール(登録商標)W410、平均粒径9.5μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点110℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)と、合成したニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂(結着剤)とを、固形分の質量比(正極活物質:導電性粒子:ポリオレフィン粒子:結着剤)で88.0:4.5:6.5:1.0となるよう混合し、N−メチル−2−ピロリドン(溶媒、和光純薬工業株式会社製)中に十分に分散させ、正極合剤ペーストを作製した。この正極合剤ペーストを正極用の集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に、実質的に均等かつ均質に塗布した。その後、乾燥処理を施し、所定密度までプレスした。正極合剤密度(正極活物質層の充填密度)は2.60g/cmとし、正極合剤ペーストの片面塗布量は、正極合剤ペーストの固形分として140g/mとした。
[負極板の作製]
易黒鉛化炭素(負極活物質、d002が0.35nm、平均粒径(d50)が18μm)に結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を添加した。これらの固形分の質量比が、負極活物質:結着剤=92:8となるように混合し、これに分散溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)(和光純薬工業株式会社製)を添加し、混練することにより負極合剤ペーストを形成した。この負極合剤ペーストを負極用の集電体である厚さ10μmの圧延銅箔の両面に実質的に均等かつ均質に塗布した。
尚、負極合材密度(負極活物質層の充填密度)は1.15g/cmとし、負極合剤ペーストの片面塗布量は、負極合剤ペーストの固形分として90g/mとした。
[電池の作製]18650型リチウムイオン二次電池の作製
作製した正極板と負極板の間に、厚さ25μm、幅58.5mm、長さ875mmのポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレン三層の多孔質基材にシリカを塗布したセパレータ(以下、コーティング型PP/PE/PPセパレータ又はPP/PE/PPセパともいう)を挟んで捲回し、捲回型電極群を作製した。その際、電池の容量は900mAhとなるよう捲回型電極群を設計した。この捲回型電極群を電池容器に挿入し、予め負極集電体に溶着した負極タブ端子を缶底に溶着した。次に、予め正極集電体に溶着した正極タブ端子を正極外部端子に電気的に接続するように溶着し、正極キャップを缶上部に配置させ、絶縁性のガスケットを挿入した。その後、1.2MのLiPFを含む混合溶液(エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート=2:2:3(体積比))に、混合溶液全量に対してビニレンカーボネートを0.8質量%添加した電解液(宇部興産株式会社製)を使用し、この電解液を電池容器内に6ml注入した。その後、電池容器上部をかしめて電池を密閉し、18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(実験例2A)
正極板に使用するポリオレフィン粒子を、ポリエチレン粒子のNMP分散液(商品名:ケミパール(登録商標)W410、平均粒径9.5μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点110℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)から、ポリエチレン粒子のNMP分散液(商品名:ケミパール(登録商標)W308、平均粒径:6.0μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点132℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)に変更した以外は、実験例1Aと同様にして18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(実験例3A)
正極板に使用するポリオレフィン粒子を、ポリエチレン粒子のNMP分散液(商品名:ケミパール(登録商標)W410、平均粒径9.5μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点110℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)から、ポリエチレン粒子のNMP分散液(商品名:ケミパール(登録商標)WP100、平均粒径:1.0μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点148℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)に変更した以外は、実験例1Aと同様にして18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(実験例4A)
[正極板の作製]
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(正極活物質、BET比表面積が0.4m/g、平均粒径(d50)が6.5μm)と、導電性粒子としてアセチレンブラック(商品名:HS−100、平均粒径48nm(デンカ株式会社カタログ値)、デンカ株式会社製)と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、固形分の質量比(正極活物質:導電性粒子:結着剤)で88.0:4.5:7.5となるよう混合したのち、更に粘度調整のためにNMPを加えて正極合剤ペーストを作製した。この正極合剤ペーストを正極用の集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に実質的に均等かつ均質に塗布した。その後、乾燥処理を施し、所定密度までプレスした。正極合剤密度(正極活物質層の充填密度)は2.60g/cmとし、正極合剤ペーストの片面塗布量は正極合剤ペーストの固形分として140g/mとした。
[負極板の作製]
易黒鉛化炭素(負極活物質、d002が0.35nm、平均粒径(d50)が18μm)に結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、固形分の質量比(負極活物質:結着剤)が92:8になるように混合した。これに分散溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、混練することにより負極合剤ペーストを形成した。この負極合剤ペーストを負極用の集電体である厚さ10μmの圧延銅箔の両面に実質的に均等かつ均質に塗布した。尚、負極合材密度(負極活物質層の充填密度)は1.15g/cmとし、負極合剤ペーストの片面塗布量は、負極合剤ペーストの固形分として90g/mとした。
[電池の作製]18650型リチウムイオン二次電池の作製
作製した正極板と負極板の間に、厚さ25μm、幅58.5mm、長さ875mmのコーティング型PP/PE/PPセパレータを挟んで捲回し、捲回型電極群を作製した。その際、電池の容量は900mAhとなるよう捲回型電極群を設計した。この捲回型電極群を電池容器に挿入し、予め負極集電体に溶着した負極タブ端子を缶底に溶着した。次に、予め正極集電体に溶着した正極タブ端子を正極外部端子に電気的に接続するように溶着し、正極キャップを缶上部に配置させ、絶縁性のガスケットを挿入した。その後、1.2M(モル/L)のLiPFを含む混合溶液(エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート=2:2:3(体積比))に、混合溶液全量に対してビニレンカーボネートを0.8質量%添加した電解液(宇部興産株式会社製)を使用し、この電解液を電池容器内に6ml注入した。その後、電池容器上部をかしめて密閉し、18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(実験例5A)
厚さ25μm、幅58.5mmのコーティング型PP/PE/PPセパレータを、厚さ30μm、幅58.5mmのポリエチレン製セパレータ(以下、PEセパともいう)に変更した以外は、実験例1Aと同様にして18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(実験例6A)
厚さ25μm、幅58.5mmのコーティング型PP/PE/PPセパレータを、厚さ30μm、幅58.5mmのポリエチレン製セパレータ(以下、PEセパともいう)に変更した以外は、実験例4Aと同様にして18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(セパレータの耐熱性)
実験例1A〜6Aで使用したセパレータを50mm×50mmに切り出し、ガラス基板上に置き、160℃に調整した恒温槽中で1時間加熱した。加熱後の試験片サイズを測定し、以下の式を用いて熱収縮率(面積収縮率)を算出した。
熱収縮率(面積収縮率)(%)=(加熱前の面積−加熱後の面積)/加熱前の面積×100
[電池特性(放電容量)]
実験例1A〜6Aで得られた18650型電池の25℃での放電容量を、充放電装置(東洋システム株式会社製、商品名:TOSCAT−3200)を用いて以下の充放電条件で測定し、電池特性とした。電流450mAで4.2Vまで充電した後、4.2Vで電流が9mAになるまで充電(定電流定電圧(CCCV))した。次いで、450mAで2.7Vまで放電(CC放電)した。放電容量を測定し、以下の評価基準で電池特性を評価した。なお、電池特性はAが最も高く、Cが最も低いと判断した。
A:890mAh以上
B:880mAh以上、890mAh未満
C:880mAh未満
[安全性(過充電特性)]
実験例1A〜6Aで得られた18650型電池の表面に熱電対及びリボンヒータを巻きつけ、その上から断熱材を巻きつけた。18650型電池の表面温度を25℃に調整した後、3CA(2.7A)の充電レートにおいて過充電試験を実施した。過充電試験は電圧が18Vになるまで継続した際の18650型電池の挙動を観察し、以下の評価基準で安全性を評価した。なお、安全性はAが最も高く、Cが最も低いと判断した。
A:18650型リチウムイオン二次電池の破裂及び発火なし
B:18650型リチウムイオン二次電池の破裂又は発火あり
C:18650型リチウムイオン二次電池の破裂及び発火あり
実験例1A〜6Aの電池特性はいずれも同等であった。しかしながら、正極活物質層にポリオレフィン粒子を含み、かつコーティング型PP/PE/PPセパレータを有する実験例1A〜3Aは、高い安全性を有するのに対し、正極活物質層にポリオレフィン粒子を含まない実験例4A、実験例6A及びコーティング型PP/PE/PPセパレータを有さない実験例5A、実験例6Aは安全性が低下する結果となった。この結果から、正極、負極、セパレータ及び電解質を備え、前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、前記セパレータは、160℃における熱収縮率が30%以下であるリチウムイオン二次電池は、電池特性と安全性に優れる電池として有用であることが示唆された。また、本開示によれば別途PTC層を設けることなくリチウムイオン二次電池にPTC機能を付与できるため、製造工程も簡便である。
(実験例1B)
[正極板の作製]
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(正極活物質、BET比表面積が0.4m/g、平均粒径(d50)が6.5μm)と、導電性粒子としてアセチレンブラック(商品名:HS−100、平均粒径48nm(デンカ株式会社カタログ値)、デンカ株式会社製)と、ポリオレフィン粒子(ポリエチレン粒子、商品名:ケミパール(登録商標)W410、平均粒径9.5μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点110℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)と、合成したニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂(結着剤)とを、固形分の質量比(正極活物質:導電性粒子:ポリオレフィン粒子:結着剤)で88.0:4.5:6.5:1.0となるよう混合し、N−メチル−2−ピロリドン(溶媒、和光純薬工業株式会社製)中に十分に分散させ、正極合剤ペーストを作製した。この正極合剤ペーストを正極用の集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に、実質的に均等かつ均質に塗布した。その後、乾燥処理を施し、所定密度までプレスした。正極合剤密度(正極活物質層の充填密度)は2.60g/cmとし、正極合剤ペーストの片面塗布量は、正極合剤ペーストの固形分として140g/mとした。
[負極板の作製]
易黒鉛化炭素(負極活物質、d002が0.35nm、平均粒径(d50)が18μm)に結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を添加した。これらの固形分の質量比が、負極活物質:結着剤=92:8となるように混合し、これに分散溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)(和光純薬工業株式会社製)を添加し、混練することにより負極合剤ペーストを形成した。この負極合剤ペーストを負極用の集電体である厚さ10μmの圧延銅箔の両面に実質的に均等かつ均質に塗布した。尚、負極合材密度(負極活物質層の充填密度)は1.15g/cmとし、負極合剤ペーストの片面塗布量は、負極合剤ペーストの固形分として90g/mとした。
[電池の作製]18650型リチウムイオン二次電池の作製
作製した正極板と負極板の間に、厚さ28μm、幅58.5mm、長さ875mmのポリエチレンテレフタレート不織布にアルミナ及びシリカが混合されているセパレータ(以下、ポリエチレンテレフタレート不織布、PET不織布又はPETセパという場合もある)を挟んで捲回し、捲回型電極群を作製した。その際、電池の容量は900mAhとなるよう捲回型電極群を設計した。この捲回型電極群を電池容器に挿入し、予め負極集電体に溶着した負極タブ端子を缶底に溶着した。次に、予め正極集電体に溶着した正極タブ端子を正極外部端子に電気的に接続するように溶着し、正極キャップを缶上部に配置させ、絶縁性のガスケットを挿入した。その後、1.2MのLiPFを含む混合溶液(エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート=2:2:3(体積比))に、混合溶液全量に対してビニレンカーボネートを0.8質量%添加した電解液(宇部興産株式会社製)を使用し、この電解液を電池容器内に6ml注入した。その後、電池容器上部をかしめて電池を密閉した。以上のようにして、18650型リチウムイオン二次電池を作製した
(実験例2B)
正極板に使用するポリオレフィン粒子を、ポリエチレン粒子のNMP分散液(商品名:ケミパール(登録商標)W410、平均粒径9.5μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点110℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)から、ポリエチレン粒子のNMP分散液(商品名:ケミパール(登録商標)W308、平均粒径:6.0μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点132℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)に変更した以外は、実験例1Bと同様にして18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(実験例3B)
正極板に使用するポリオレフィン粒子を、ポリエチレン粒子のNMP分散液(商品名:ケミパール(登録商標)W410、平均粒径9.5μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点110℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)から、ポリエチレン粒子のNMP分散液(商品名:ケミパール(登録商標)WP100、平均粒径:1.0μm(三井化学株式会社カタログ値)、融点148℃(三井化学株式会社カタログ値)、三井化学株式会社製をNMPで分散媒置換したもの)に変更した以外は、実験例1Bと同様にして18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(実験例4B)
[正極板の作製]
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(正極活物質、BET比表面積が0.4m/g、平均粒径(d50)が6.5μm)と、導電性粒子としてアセチレンブラック(商品名:HS−100、平均粒径48nm(デンカ株式会社カタログ値)、デンカ株式会社製)と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、固形分の質量比(正極活物質:導電性粒子:結着剤)で88.0:4.5:7.5となるよう混合したのち、更に粘度調整のためにNMPを加えて正極合剤ペーストを作製した。この正極合剤ペーストを正極用の集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に実質的に均等かつ均質に塗布した。その後、乾燥処理を施し、所定密度までプレスした。正極合剤密度(正極活物質層の充填密度)は2.60g/cmとし、正極合剤ペーストの片面塗布量は、正極合剤ペーストの固形分として140g/mとした。
[負極板の作製]
易黒鉛化炭素(負極活物質、d002が0.35nm、平均粒径(d50)が18μm)に結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、固形分の質量比(負極活物質:結着剤)が92:8になるように混合した。これに分散溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、混練することにより負極合剤ペーストを形成した。この負極合剤ペーストを負極用の集電体である厚さ10μmの圧延銅箔の両面に実質的に均等かつ均質に塗布した。尚、負極合材密度(負極活物質層の充填密度)は1.15g/cmとし、負極合剤ペーストの片面塗布量は、負極合剤ペーストの固形分として90g/mとした。
[電池の作製]18650型リチウムイオン二次電池の作製
作製した正極板と負極板との間にPET不織布を挟んで捲回し、捲回型電極群を作製した。その際、電池の容量は900mAhとなるよう捲回型電極群を設計した。この捲回型電極群を電池容器に挿入し、予め負極集電体に溶着した負極タブ端子を缶底に溶着した。次に、予め正極集電体に溶着した正極タブ端子を正極外部端子に電気的に接続するように溶着し、正極キャップを缶上部に配置させ、絶縁性のガスケットを挿入した。その後、1.2MのLiPFを含む混合溶液(エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート=2:2:3(体積比))に、混合溶液全量に対してビニレンカーボネートを0.8質量%添加した電解液(宇部興産株式会社製)を使用し、この電解液を電池容器内に6ml注入した。その後、電池容器上部をかしめて密閉し、18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(実験例5B)
セパレータとして厚さが30μm、ガーレー値が600秒/100ccのポリエチレン製セパレータ(以下、PEセパレータ、PEセパと記載する場合もある)を用いた以外は、実験例1Bと同様にして、18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(実験例6B)
セパレータとして厚さが30μm、ガーレー値が600秒/100ccのポリエチレン製セパレータを用いた以外は、実験例4Bと同様にして、18650型リチウムイオン二次電池を作製した。
(セパレータの耐熱性)
実験例1B〜6Bで使用したセパレータを50mm(MD)×50mm(TD)に切り出し、ガラス基板上に置き、160℃に調整した恒温槽中で1時間加熱した。加熱後の試験片サイズを測定し、以下の式を用いて熱収縮率(面積収縮率)を算出した。
熱収縮率(面積収縮率)(%)=(加熱前の面積−加熱後の面積)/加熱前の面積×100
[電池特性(放電容量)]
実験例1B〜6Bで得られた18650型電池の25℃での放電容量を、充放電装置(東洋システム株式会社製、商品名:TOSCAT−3200)を用いて以下の充放電条件で測定し、放電容量とした。電流450mAで4.2Vまで充電した後、4.2Vで電流が9mAになるまで充電(定電流定電圧(CCCV))した。次いで、450mAで2.7Vまで放電(CC放電)した。放電容量を測定し、以下の評価基準で放電容量を評価した。なお、放電容量はAが最も高く、Cが最も低いと判断した。
A:890mAh以上
B:880mAh以上、890mAh未満
C:880mAh未満
[電池特性(放電レート特性)]
実験例1B〜6Bで得られた18650型電池の25℃での放電容量を、充放電装置(東洋システム株式会社製、商品名:TOSCAT−3200)を用いて以下の充放電条件で測定し、放電レート特性とした。電流450mAで4.2Vまで充電した後、4.2Vで電流が9mAになるまで充電(定電流定電圧(CCCV))した。次いで、4.5Aで2.7Vまで放電(CC放電)した。放電容量を測定し、以下の式を用いて得られる値を放電レート特性とし、以下の評価基準で評価した。
放電レート特性(%)=(450mAでの放電容量)×100/(4.5Aでの放電容量)
A:90%以上
B:80%以上90%未満
C:80%未満
[安全性(過充電特性)]
実験例1B〜6Bで得られた18650型電池の表面に熱電対及びリボンヒータを巻きつけ、その上から断熱材を巻きつけた。18650型電池の表面温度を25℃に調整した後、3CA(2.7A)の充電レートにおいて過充電試験を実施した。過充電試験は電圧が18Vになるまで継続した際の18650型電池の挙動を観察し、以下の評価基準で安全性を評価した。なお、安全性はAが最も高く、Cが最も低いと判断した。
A:18650型リチウムイオン二次電池の破裂及び発火なし
B:18650型リチウムイオン二次電池の破裂又は発火あり
C:18650型リチウムイオン二次電池の破裂及び発火あり
実験例1B〜6Bの放電容量はいずれも同等であった。
セパレータにPET不織布を用いた実験例1B〜4Bは、セパレータにPEセパを用いた実験例5B及び6Bと比較して、放電レート特性に優れる。この結果は、セパレータのガーレ値の違いに起因する。
正極活物質層にポリオレフィン粒子を含み、セパレータにPET不織布を用いた実験例1B〜3Bは正極活物質層にポリオレフィン粒子を含まない実験例4B及び実験例6B、正極活物質層にポリオレフィン粒子を含むがPEセパを用いている実験例5Bと比較して、電池安全性に優れる。この結果は、リチウムイオン二次電池の発熱に対して正極活物質層が高抵抗化する効果と、電池が発熱した際にセパレータの形状が保たれる効果に起因する。
この結果から、正極、負極、セパレータ及び電解質を備え、前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、前記セパレータは、160℃における熱収縮率が30%以下であるリチウムイオン二次電池は、電池特性と安全性に優れる電池として有用であることが示唆された。また、本開示によれば別途PTC層を設けることなくリチウムイオン二次電池にPTC機能を付与できるため、製造工程も簡便である。
本発明のリチウムイオン二次電池は、高い安全性を有する。特に、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯用情報端末、電子辞書、ゲーム機器等の各種携帯用電子機器類の電源として好適に使用できる。このような用途に利用する場合、充電時に万が一過充電状態になっても、発熱が抑制されるので、電池の高温化、膨れ等が防止される。さらに、リチウムイオン二次電池の破裂、発火等が抑制される。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、たとえば、電力貯蔵用、電気自動車、ハイブリット自動車等の輸送機器用等の用途にも応用可能である。
2016年1月20日に出願された日本国特許出願2016−008470号及び2016−008471号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (12)

  1. 正極、負極、セパレータ及び電解質を備え、
    前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、
    前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、
    前記セパレータは、160℃における熱収縮率が30%以下であるリチウムイオン二次電池。
  2. 前記セパレータは多孔質基材と無機物粒子とを含み、前記多孔質基材は異なる2種以上の樹脂を含み、前記樹脂は、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂及びアラミド樹脂からなる群より選択される請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
  3. 前記多孔質基材は、ポリエチレン樹脂とポリプロピレン樹脂とを含む請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。
  4. 前記セパレータの160℃における熱収縮率が20%以下である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
  5. 前記セパレータのガーレ値が1000秒/100cc以下である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
  6. 前記セパレータは多孔質基材と無機物粒子を含み、前記多孔質基材はポリエステル樹脂を含む請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
  7. 前記ポリエステル樹脂はポリエチレンテレフタレート樹脂を含む請求項6に記載のリチウムイオン二次電池。
  8. 正極、負極、セパレータ及び電解質を備え、
    前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、
    前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、
    前記セパレータは多孔質基材と無機物粒子とを含み、前記多孔質基材はポリプロピレン樹脂及びポリエチレン樹脂が交互に積層された積層体であるリチウムイオン二次電池。
  9. 正極、負極、セパレータ及び電解質を備え、
    前記正極は、集電体と前記集電体上に形成された正極活物質層とを有し、
    前記正極活物質層は、正極活物質とポリオレフィン粒子と導電性粒子と結着剤とを含み、
    前記セパレータはポリエチレンテレフタレート樹脂の織布又は不織布及び無機物粒子を含むリチウムイオン二次電池。
  10. 前記無機物粒子が酸化アルミニウム(Al)及び酸化ケイ素(SiO)の少なくとも一方を含む請求項2、請求項6、請求項8及び請求項9のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
  11. 前記セパレータの厚さが5μm〜100μmである請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
  12. 前記結着剤が、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂を含有する請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
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