JP2009272153A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高容量で、高温環境下においても安全なリチウム二次電池に関するものである。 The present invention relates to a lithium secondary battery that has a high capacity and is safe even in a high temperature environment.
リチウム二次電池は、エネルギー密度が高いという特徴から、携帯電話やノート型パーソナルコンピューターなどの携帯機器の電源として広く用いられている。携帯機器の高性能化に伴ってリチウム二次電池の高容量化が更に進む傾向にあり、安全性の確保が重要となっている。 Lithium secondary batteries are widely used as power sources for portable devices such as mobile phones and notebook personal computers because of their high energy density. As the performance of portable devices increases, the capacity of lithium secondary batteries tends to increase further, and it is important to ensure safety.
現行のリチウム二次電池では、正極と負極の間に介在させるセパレータとして、例えば厚みが20〜30μm程度のポリオレフィン系の微多孔膜が使用されている。また、セパレータの素材としては、電池の熱暴走温度以下でセパレータの構成樹脂を溶融させて空孔を閉塞させ、これにより電池の内部抵抗を上昇させて短絡の際などに電池の安全性を向上させる所謂シャットダウン効果を確保するため、融点の低いポリエチレンが適用されることがある。 In current lithium secondary batteries, a polyolefin microporous film having a thickness of about 20 to 30 μm is used as a separator interposed between a positive electrode and a negative electrode. In addition, as separator material, the constituent resin of the separator is melted below the thermal runaway temperature of the battery to close the pores, thereby increasing the internal resistance of the battery and improving the safety of the battery in the event of a short circuit. In order to ensure the so-called shutdown effect, polyethylene having a low melting point may be applied.
ところで、こうしたセパレータとしては、例えば、多孔化と強度向上のために一軸延伸あるいは二軸延伸したフィルムが用いられている。このようなセパレータは、単独で存在する膜として供給されるため、作業性などの点で一定の強度が要求され、これを前記延伸によって確保している。しかし、このような延伸フィルムでは結晶化度が増大しており、シャットダウン温度も、電池の熱暴走温度に近い温度にまで高まっているため、電池の安全性確保のためのマージンが十分とは言い難い。 By the way, as such a separator, for example, a uniaxially stretched film or a biaxially stretched film is used for increasing the porosity and improving the strength. Since such a separator is supplied as a single film, a certain strength is required in terms of workability and the like, and this is secured by the stretching. However, with such a stretched film, the degree of crystallinity has increased, and the shutdown temperature has increased to a temperature close to the thermal runaway temperature of the battery. Therefore, it can be said that the margin for ensuring the safety of the battery is sufficient. hard.
また、前記延伸によってフィルムにはひずみが生じており、これが高温に曝されると、残留応力によって収縮が起こるという問題がある。収縮温度は、融点、すなわちシャットダウン温度と非常に近いところに存在する。このため、ポリオレフィン系の微多孔膜セパレータを使用するときには、充電異常時などに電池の温度がシャットダウン温度に達すると、電流を直ちに減少させて電池の温度上昇を防止しなければならない。空孔が十分に閉塞せず電流を直ちに減少できなかった場合には、電池の温度は容易にセパレータの収縮温度にまで上昇するため、内部短絡による発火の危険性があるからである。 In addition, the film is distorted by the stretching, and there is a problem that when it is exposed to a high temperature, shrinkage occurs due to residual stress. The shrinkage temperature is very close to the melting point, ie the shutdown temperature. For this reason, when using a polyolefin-based microporous membrane separator, if the battery temperature reaches the shutdown temperature in the event of abnormal charging, the current must be immediately reduced to prevent the battery temperature from rising. This is because if the pores are not sufficiently closed and the current cannot be reduced immediately, the battery temperature easily rises to the contraction temperature of the separator, and there is a risk of ignition due to an internal short circuit.
このようなセパレータの熱収縮による短絡を防止し、電池の信頼性を高める技術として、例えば、シャットダウン機能を確保するための樹脂を主体として含む第1セパレータ層と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む第2セパレータ層とを有する多孔質のセパレータにより電気化学素子を構成することが提案されている(特許文献1)。 As a technique for preventing such a short circuit due to thermal contraction of the separator and improving the reliability of the battery, for example, a first separator layer mainly including a resin for ensuring a shutdown function, and a filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or more It has been proposed that an electrochemical element is constituted by a porous separator having a second separator layer containing mainly as a main component (Patent Document 1).
特許文献1の技術によれば、異常過熱した際にも熱暴走が生じ難いリチウム二次電池などの電気化学素子を提供することができる。
According to the technique of
ところで、リチウム二次電池の負極材料(負極活物質)には、Li(リチウム)やLi合金の他、Liイオンを挿入および脱離可能な、天然または人造の黒鉛系炭素材料などが適用されているが、最近では、小型化および多機能化した携帯機器用のリチウム二次電池について更なる高容量化が望まれており、これを受けて、低結晶性炭素、Si(シリコン)、Sn(錫)などのように、より多くのLiを収容可能な材料が負極材料(以下、「高容量負極材料」ともいう)として注目を集めている。 By the way, as a negative electrode material (negative electrode active material) of a lithium secondary battery, a natural or artificial graphite-based carbon material capable of inserting and removing Li ions in addition to Li (lithium) and a Li alloy is applied. Recently, however, there has been a demand for a further increase in capacity of a lithium secondary battery for portable devices that has been reduced in size and multifunction, and as a result, low crystalline carbon, Si (silicon), Sn ( Materials that can accommodate more Li, such as tin, are attracting attention as negative electrode materials (hereinafter also referred to as “high-capacity negative electrode materials”).
こうしたリチウム二次電池用の高容量負極材料の一つとして、Siの超微粒子がSiO2中に分散した構造を持つSiOxが注目されている(例えば、特許文献2〜4)。この材料を負極活物質として用いると、Liと反応するSiが超微粒子であるために充放電がスムーズに行われる一方で、前記構造を有するSiOx粒子自体は表面積が小さいため、負極合剤層を形成するための塗料とした際の塗料性や負極合剤層の集電体に対する接着性も良好である。
As one of such high-capacity negative electrode materials for lithium secondary batteries, SiO x having a structure in which Si ultrafine particles are dispersed in SiO 2 has attracted attention (for example,
ところが、このような高容量負極材料を使用したリチウム二次電池では、高エネルギー密度化されることになり、信頼性や安全性の確保が従来のリチウム二次電池に比べて困難になる可能性がある。また、前記の高容量負極材料は、充放電による膨張・収縮が大きいため、これを使用したリチウム二次電池では、充電時における高容量負極材料の膨張によって負極と正極との短絡を生じやすい。このようなことから、前記の高容量負極材料を使用した高容量のリチウム二次電池において、その信頼性や安全性を更に高め得る技術開発の要請もある。 However, lithium secondary batteries using such high-capacity negative electrode materials will have high energy density, and it may be difficult to ensure reliability and safety compared to conventional lithium secondary batteries. There is. In addition, since the high capacity negative electrode material has a large expansion / contraction due to charging / discharging, a short circuit between the negative electrode and the positive electrode tends to occur in a lithium secondary battery using the high capacity negative electrode material due to expansion of the high capacity negative electrode material during charging. For this reason, there is a demand for technical development that can further improve the reliability and safety of the high-capacity lithium secondary battery using the high-capacity negative electrode material.
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高容量で、異常過熱した際の安全性と、短絡に対する信頼性とが良好なリチウム二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery that has a high capacity, safety when abnormally overheated, and good reliability against a short circuit.
前記目的を達成し得た本発明のリチウム二次電池は、正極、負極およびセパレータを有するリチウム二次電池であって、前記セパレータは、熱可塑性樹脂を主体とする多孔質層(I)と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む多孔質層(II)とを有しており、前記負極は、SiとOを構成元素に含む化合物(ただし、Siに対するOの原子比xは、0.5≦x≦1.5である。以下、当該化合物を「SiOx」と略記する場合がある。)と、導電性材料とを含有する負極合剤層を有していることを特徴とするものである。 The lithium secondary battery of the present invention that has achieved the above object is a lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a separator, the separator comprising a porous layer (I) mainly composed of a thermoplastic resin, A porous layer (II) mainly containing a filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher, and the negative electrode is a compound containing Si and O as constituent elements (however, the atomic ratio x of O to Si is: 0.5 ≦ x ≦ 1.5 (hereinafter, the compound may be abbreviated as “SiO x ”) and a negative electrode mixture layer containing a conductive material. It is what.
なお、後記の多孔質基体を除き、本明細書でいう「耐熱温度が150℃以上」とは、少なくとも150℃において軟化などの変形が見られないことを意味している。 Except for the porous substrate described later, “heat-resistant temperature is 150 ° C. or higher” in this specification means that deformation such as softening is not observed at least at 150 ° C.
また、本明細書でいうセパレータに係る多孔質層(I)における「熱可塑性樹脂を主体とする」とは、多孔質層(I)内の固形分比率で、熱可塑性樹脂[以下、樹脂(A)と略記する]が50体積%以上であることを意味している。更に、本明細書でいうセパレータに係る多孔質層(II)における「耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む」とは、層内の固形分比率(ただし、後記の多孔質基体を有する場合においては、多孔質基体を除いた固形分比率)で、耐熱温度が150℃以上のフィラーが50体積%以上であることを意味している。 Further, in the porous layer (I) relating to the separator in the present specification, “mainly comprising a thermoplastic resin” means a solid content ratio in the porous layer (I), which is a thermoplastic resin [hereinafter, resin ( Abbreviated as A)] means 50% by volume or more. Further, in the porous layer (II) relating to the separator in the present specification, “mainly including a filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher” means a solid content ratio in the layer (however, it has a porous substrate described later) In this case, it means that the filler having a heat-resistant temperature of 150 ° C. or higher is 50% by volume or higher in terms of the solid content ratio excluding the porous substrate.
本発明によれば、高容量で、異常過熱した際の安全性と、短絡に対する信頼性とが良好なリチウム二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a lithium secondary battery that has a high capacity, safety when abnormally overheated, and good reliability against short circuit.
本発明のリチウム二次電池は、SiとOを構成元素に含む化合物(SiOx)と導電性材料とを少なくとも含有する負極と、熱可塑性樹脂である樹脂(A)を主体とする多孔質層(I)と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む多孔質の多孔質層(II)とを有するセパレータとを備えている。 The lithium secondary battery of the present invention includes a porous layer mainly composed of a negative electrode containing at least a compound (SiO x ) containing Si and O as constituent elements and a conductive material, and a resin (A) that is a thermoplastic resin. A separator having (I) and a porous layer (II) having a porous layer mainly containing a filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher.
本発明のリチウム二次電池に用いられるセパレータに係る多孔質層(I)は、シャットダウン機能を確保するためのものである。リチウム二次電池の温度が樹脂(A)の融点以上に達したときには、樹脂(A)が溶融してセパレータの空孔を塞ぎ、電気化学反応の進行を抑制するシャットダウンを生じる。 The porous layer (I) relating to the separator used in the lithium secondary battery of the present invention is for ensuring a shutdown function. When the temperature of the lithium secondary battery reaches or exceeds the melting point of the resin (A), the resin (A) melts and closes the pores of the separator, thereby shutting down the progress of the electrochemical reaction.
また、本発明のリチウム二次電池に用いられるセパレータに係る多孔質層(II)は、セパレータ本来の機能、主に正極と負極との直接の接触による短絡を防止する機能を備えたものであり、耐熱温度が150℃以上のフィラーによって、その機能を確保している。すなわち、多孔質層(II)により、電池が通常使用される温度域では、セパレータを介して正極と負極とを押し付けて電極体を構成する場合などにおいて、正極活物質がセパレータを突き抜けて負極と接触することによる短絡の発生を防止することができる。また、電池が高温となった場合には、多孔質層(II)によってセパレータの熱収縮を抑えて、その形状を維持できるため、セパレータが熱収縮した場合に発生し得る正負極の直接の接触による短絡を防止することもできる。 In addition, the porous layer (II) relating to the separator used in the lithium secondary battery of the present invention has the original function of the separator, mainly the function of preventing a short circuit due to direct contact between the positive electrode and the negative electrode. The function is secured by a filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher. That is, in the temperature range where the battery is normally used by the porous layer (II), when the positive electrode and the negative electrode are pressed through the separator to form an electrode body, the positive electrode active material penetrates the separator and the negative electrode. Generation | occurrence | production of the short circuit by contact can be prevented. In addition, when the battery becomes hot, the porous layer (II) can suppress the thermal contraction of the separator and maintain its shape. Therefore, direct contact between the positive and negative electrodes that can occur when the separator is thermally contracted It is also possible to prevent a short circuit due to.
すなわち、本発明のリチウム二次電池では、SiOxを負極活物質として使用することで、その容量を高め、高エネルギー密度の電池としているが、これに伴って生じる虞のある信頼性や安全性の低下を、多孔質層(I)と多孔質層(II)とを有する前記のセパレータを使用することで抑制し、その信頼性、安全性を高めている。また、前記の通り、SiOxは充放電による膨張・収縮が大きいため、充電時のSiOxの膨張によって負極が膨張して、正極と接することによる短絡が生じやすいが、本発明に係るセパレータは、多孔質層(II)によって、高温域のみならず電池が通常使用される温度域においても、その形状安定性が高いため、前記の短絡も防止することができる。 That is, in the lithium secondary battery of the present invention, the capacity is increased by using SiO x as the negative electrode active material, and the battery has a high energy density. Is suppressed by using the separator having the porous layer (I) and the porous layer (II), and the reliability and safety are improved. Further, as described above, since SiO x is greatly expanded and contracted by charging and discharging, the negative electrode expands due to the expansion of SiO x during charging, and a short circuit is likely to occur due to contact with the positive electrode. Since the porous layer (II) has high shape stability not only in the high temperature range but also in the temperature range where the battery is normally used, the short circuit can be prevented.
多孔質層(I)における樹脂(A)としては、電気絶縁性を有しており、電池の有する非水電解液に対して安定であり、更に、電池の作動電圧範囲において酸化還元されにくい電気化学的に安定な材料が好ましい。具体的には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、共重合ポリオレフィン、ポリオレフィン誘導体(塩素化ポリエチレンなど)、ポリオレフィンワックスなどのポリオレフィン;ポリエチレンテレフタレートや共重合ポリエステルなどのポリエステル;石油ワックス;カルナバワックス;などが挙げられる。前記共重合ポリオレフィンとしては、エチレン−ビニルモノマー共重合体、より具体的には、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA);エチレン−メチルアクリレート共重合体やエチレン−エチルアクリレート共重合体などの、エチレン−アクリル酸共重合体;エチレン−プロピレン共重合体;などが例示できる。前記共重合ポリオレフィンにおけるエチレン由来の構造単位は、85モル%以上であることが望ましい。また、ポリシクロオレフィンなどを用いることもできる。樹脂(A)には、前記例示の樹脂を1種単独で用いてもよく、2種以上を用いても構わない。また、樹脂(A)は、必要に応じて、樹脂に添加される公知の各種添加剤(例えば、酸化防止剤など)を含有していても構わない。 The resin (A) in the porous layer (I) has electrical insulation, is stable with respect to the non-aqueous electrolyte of the battery, and is not easily oxidized or reduced in the battery operating voltage range. A chemically stable material is preferred. Specifically, polyethylene (PE), polypropylene (PP), copolymerized polyolefin, polyolefin derivatives (such as chlorinated polyethylene), polyolefin such as polyolefin wax; polyester such as polyethylene terephthalate and copolymerized polyester; petroleum wax; carnauba wax; Etc. Examples of the copolymer polyolefin include an ethylene-vinyl monomer copolymer, more specifically, an ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA); an ethylene-methyl acrylate copolymer, an ethylene-ethyl acrylate copolymer, Examples thereof include an ethylene-acrylic acid copolymer; an ethylene-propylene copolymer; The structural unit derived from ethylene in the copolymerized polyolefin is desirably 85 mol% or more. Moreover, polycycloolefin etc. can also be used. As the resin (A), the above exemplified resins may be used alone or in combination of two or more. Moreover, the resin (A) may contain various known additives (for example, antioxidants) added to the resin as necessary.
なお、本発明のセパレータは、80℃以上140℃以下(より好ましくは100℃以上)において、その孔が閉塞する性質(すなわちシャットダウン機能)を有していることが好ましい。そのため、樹脂(A)としては、前記例示の各樹脂の中でも、融点、すなわち、JIS K 7121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が、80℃以上140℃(更に好ましくは100℃以上)の熱可塑性樹脂がより好ましい。 In addition, it is preferable that the separator of this invention has the property (namely, shutdown function) which the hole obstruct | occludes in 80 degreeC or more and 140 degrees C or less (more preferably 100 degreeC or more). Therefore, as the resin (A), among the resins exemplified above, the melting point, that is, the melting temperature measured using a differential scanning calorimeter (DSC) in accordance with the provisions of JIS K 7121 is 80 ° C. or higher. A thermoplastic resin at 140 ° C. (more preferably 100 ° C. or higher) is more preferable.
樹脂(A)の形状については特に制限はなく、例えば、微粒子状の他、例えば、後記の多孔質基体を構成する繊維状物を芯材として、その表面に付着させたり、その表面を被覆させたりして、多孔質層(I)に含有させてもよい。また、後記の多孔質層(II)における「耐熱温度が150℃以上のフィラー」などをコアとし、樹脂(A)または樹脂(B)をシェルとするコアシェル構造の形態で、多孔質層(I)に含有させてもよい。更に、樹脂(A)を主体とする微多孔膜(多孔質膜)を、多孔質層(I)としてもよい。 The shape of the resin (A) is not particularly limited. For example, in addition to fine particles, for example, a fibrous material constituting the porous substrate described later is used as a core material, and the surface is adhered or covered. Alternatively, it may be contained in the porous layer (I). Further, the porous layer (I) is in the form of a core-shell structure in which the “filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher” in the porous layer (II), which will be described later, is the core and the resin (A) or the resin (B) is the shell. ). Furthermore, a microporous film (porous film) mainly composed of the resin (A) may be used as the porous layer (I).
樹脂(A)を主体とする微多孔膜によって多孔質層(I)を構成する場合、前記微多孔膜としては、PEを主成分とする単層の微多孔膜であるか、PEとPPとを2〜5層積層した積層微多孔膜などであることが好ましい。 When the porous layer (I) is composed of a microporous film mainly composed of the resin (A), the microporous film is a single-layer microporous film mainly composed of PE, or PE and PP. A laminated microporous film in which 2 to 5 layers are laminated is preferable.
前記の微多孔膜としては、例えば、従来公知のリチウム二次電池などで使用されている前記例示の熱可塑性樹脂で構成された微多孔膜、すなわち、溶剤抽出法、乾式または湿式延伸法などにより作製されたイオン透過性の微多孔膜を用いることができる。 As the microporous membrane, for example, a microporous membrane composed of the exemplified thermoplastic resin used in a conventionally known lithium secondary battery or the like, that is, by a solvent extraction method, a dry or wet stretching method, etc. The produced ion-permeable microporous membrane can be used.
また、樹脂(A)を前記の微多孔膜以外の形態で使用して多孔質層(I)を構成する場合、樹脂(A)としては、前記例示の材料の中でも、PE、ポリオレフィンワックス、またはエチレン由来の構造単位が85モル%以上のEVAがより好ましい。 When the porous layer (I) is formed by using the resin (A) in a form other than the microporous film, the resin (A) includes PE, polyolefin wax, or among the materials exemplified above. EVA having a structural unit derived from ethylene of 85 mol% or more is more preferable.
なお、PEのように融点が80℃以上140℃以下の熱可塑性樹脂と、PPなどのように、融点が140℃を超える熱可塑性樹脂とを併用して多孔質層(I)を構成する場合、例えば、PEと、PPなどのPEよりも高融点の樹脂とを混合して構成された微多孔膜を多孔質層(I)としたり、PE微粒子とPP微粒子とを含む多孔質層(I)としたり、PE層と、PP層などのPEよりも高融点の樹脂で構成された層とを積層して構成された積層微多孔膜を多孔質層(I)としたりする場合には、多孔質層(I)を構成する樹脂(A)中、融点が80℃以上140℃以下の樹脂(例えばPE)が、30質量%以上であることが好ましく、50質量%以上であることがより好ましい。 When the porous layer (I) is composed of a thermoplastic resin having a melting point of 80 ° C. or more and 140 ° C. or less such as PE and a thermoplastic resin having a melting point exceeding 140 ° C. such as PP. For example, a microporous film formed by mixing PE and a resin having a higher melting point than PE such as PP is used as a porous layer (I), or a porous layer (I) containing PE fine particles and PP fine particles (I ) Or a laminated microporous membrane formed by laminating a PE layer and a layer made of a resin having a higher melting point than PE, such as a PP layer, as the porous layer (I), In the resin (A) constituting the porous layer (I), the resin (for example, PE) having a melting point of 80 ° C. or more and 140 ° C. or less is preferably 30% by mass or more, and more preferably 50% by mass or more. preferable.
樹脂(A)が微粒子状の場合には、その粒径が多孔質層(I)の厚みより小さければよいが、多孔質層(I)の厚みの1/100〜1/3の平均粒径を有することが好ましい。具体的には、樹脂(A)の平均粒径が0.1〜20μmであることが好ましい。樹脂(A)の粒径が小さすぎる場合は、粒子同士の隙間が小さくなり、イオンの伝導パスが長くなって電池特性が低下することがある。また、粒径が大きすぎると、多孔質層(I)の厚みが大きくなり、電池のエネルギー密度の低下を招くために好ましくない。なお、本明細書でいう微粒子[樹脂(A)、後記のフィラー、後記の板状粒子、後記の二次粒子構造の微粒子]の平均粒径は、例えば、レーザー散乱粒度分布計(例えば、HORIBA社製「LA−920」)を用い、樹脂(A)や樹脂(B)の場合には、これらの樹脂を膨潤させない媒体(例えば水)に、後記のフィラーや板状粒子、二次粒子構造の微粒子の場合には、これらを溶解しない媒体に、これら微粒子を分散させて測定した数平均粒子径として規定することができる。 When the resin (A) is in the form of fine particles, the particle diameter may be smaller than the thickness of the porous layer (I), but the average particle diameter is 1/100 to 1/3 of the thickness of the porous layer (I). It is preferable to have. Specifically, the average particle size of the resin (A) is preferably 0.1 to 20 μm. When the particle size of the resin (A) is too small, the gap between the particles becomes small, the ion conduction path becomes long, and the battery characteristics may deteriorate. On the other hand, if the particle size is too large, the thickness of the porous layer (I) increases, which is not preferable because the energy density of the battery is reduced. In addition, the average particle diameter of the fine particles [resin (A), filler described later, plate-like particles described later, fine particles of secondary particle structure described later] referred to in this specification is, for example, a laser scattering particle size distribution meter (for example, HORIBA In the case of a resin (A) or resin (B), a filler, plate-like particle, or secondary particle structure described later is added to a medium that does not swell these resins (for example, water). In the case of these fine particles, it can be defined as the number average particle diameter measured by dispersing these fine particles in a medium in which they are not dissolved.
また、多孔質層(I)には、セパレータにシャットダウン機能を付与する作用を損なわない範囲で、その強度などを向上するためにフィラーなどを含有させることもできる。多孔質層(I)に使用可能なフィラーとしては、後述する多孔質層(II)に使用可能なフィラー(耐熱温度が150℃以上のフィラー)と同じものが挙げられる。 Further, the porous layer (I) may contain a filler or the like in order to improve the strength and the like within a range that does not impair the action of imparting the shutdown function to the separator. Examples of the filler that can be used for the porous layer (I) include the same fillers that can be used for the porous layer (II) described later (a filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher).
フィラーの粒径は、平均粒径で、例えば、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.1μm以上であって、好ましくは10μm以下、より好ましくは1μm以下である。 The particle size of the filler is an average particle size, for example, preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, preferably 10 μm or less, more preferably 1 μm or less.
セパレータにおける樹脂(A)の含有量は、シャットダウンの効果をより得やすくするために、例えば、下記のようであることが好ましい。セパレータの全構成成分中における樹脂(A)の体積は、10体積%以上であることが好ましく、20体積%以上であることがより好ましい。また、樹脂(A)の体積が、多孔質層(I)の全構成成分中(後記の多孔質基体を用いる場合には、該多孔質基体を除く全構成成分中)、50体積%以上であることが好ましく、70体積%以上であることがより好ましく、80体積%以上であることがより好ましい。更に、後記の方法により求められる多孔質層(II)の空孔率が20〜60%であり、且つ樹脂(A)の体積が、多孔質層(II)の空孔体積の50%以上であることが好ましい。 The content of the resin (A) in the separator is preferably as follows, for example, in order to more easily obtain the shutdown effect. The volume of the resin (A) in all the constituent components of the separator is preferably 10% by volume or more, and more preferably 20% by volume or more. Further, the volume of the resin (A) is 50% by volume or more in all the constituents of the porous layer (I) (in the case of using the porous base described later, in all the constituents excluding the porous base). Preferably, it is 70% by volume or more, more preferably 80% by volume or more. Furthermore, the porosity of the porous layer (II) obtained by the method described later is 20 to 60%, and the volume of the resin (A) is 50% or more of the pore volume of the porous layer (II). Preferably there is.
一方、セパレータの高温時における形状安定性確保の点から、セパレータの全構成成分中における樹脂(A)の体積は、80体積%以下であることが好ましく、40体積%以下であることがより好ましい。 On the other hand, the volume of the resin (A) in all the constituent components of the separator is preferably 80% by volume or less, more preferably 40% by volume or less, from the viewpoint of securing the shape stability at high temperatures of the separator. .
多孔質層(II)に係るフィラーは、耐熱温度が150℃以上で、電池の有する非水電解液に対して安定であり、更に電池の作動電圧範囲において酸化還元されにくい電気化学的に安定なものであれば、有機粒子でも無機粒子でもよいが、分散などの点から微粒子であることが好ましく、安定性などの点から無機微粒子がより好ましく用いられる。 The filler related to the porous layer (II) has a heat-resistant temperature of 150 ° C. or higher, is stable with respect to the non-aqueous electrolyte of the battery, and is electrochemically stable that is not easily oxidized or reduced in the battery operating voltage range. Any organic particles or inorganic particles may be used as long as they are fine, but fine particles are preferable from the viewpoint of dispersion, and inorganic fine particles are more preferably used from the viewpoint of stability.
無機粒子の構成材料の具体例としては、例えば、酸化鉄、Al2O3(アルミナ)、SiO2(シリカ)、TiO2、BaTiO2、ZrO2などの無機酸化物;窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの無機窒化物;フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウムなどの難溶性のイオン結晶;シリコン、ダイヤモンドなどの共有結合性結晶;モンモリロナイトなどの粘土;などが挙げられる。ここで、前記無機酸化物は、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、マイカなどの鉱物資源由来物質またはこれらの人造物などであってもよい。また、金属、SnO2、スズ−インジウム酸化物(ITO)などの導電性酸化物、カーボンブラック、グラファイトなどの炭素質材料などで例示される導電性材料の表面を、電気絶縁性を有する材料(例えば、前記の無機酸化物など)で被覆することにより電気絶縁性を持たせた粒子であってもよい。無機粒子としては、多孔質層(II)が正極に面するように電池を構成した場合に、その高温での貯蔵性や充放電サイクル特性を高め得る(詳しくは後述する)ことから、前記の無機酸化物の粒子(微粒子)が好ましく、中でも、アルミナ、シリカおよびベーマイトが特に好ましく用いられる。 Specific examples of the constituent material of the inorganic particles include inorganic oxides such as iron oxide, Al 2 O 3 (alumina), SiO 2 (silica), TiO 2 , BaTiO 2 , ZrO 2 ; aluminum nitride, silicon nitride, etc. Inorganic nitrides of the above; poorly soluble ionic crystals such as calcium fluoride, barium fluoride and barium sulfate; covalent bonds such as silicon and diamond; clays such as montmorillonite; Here, the inorganic oxide may be boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, mica, or other mineral resource-derived substances or artificial products thereof. In addition, the surface of a conductive material exemplified by metal, SnO 2 , conductive oxide such as tin-indium oxide (ITO), carbonaceous material such as carbon black, graphite, etc., is a material having electrical insulation ( For example, the particle | grains which gave the electrical insulation property by coat | covering with the said inorganic oxide etc. may be sufficient. As the inorganic particles, when the battery is configured so that the porous layer (II) faces the positive electrode, its high-temperature storability and charge / discharge cycle characteristics can be improved (details will be described later). Inorganic oxide particles (fine particles) are preferable, and alumina, silica and boehmite are particularly preferably used.
また、有機粒子(有機粉末)としては、架橋ポリメタクリル酸メチル、架橋ポリスチレン、架橋ポリジビニルベンゼン、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体架橋物、ポリイミド、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ベンゾグアナミン−ホルムアルデヒド縮合物などの各種架橋高分子粒子や、ポリスルフォン、ポリアクリロニトリル、ポリアラミド、ポリアセタール、熱可塑性ポリイミドなどの耐熱性高分子粒子などが例示できる。また、これらの有機粒子を構成する有機樹脂(高分子)は、前記例示の材料の混合物、変性体、誘導体、共重合体(ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体)、架橋体(前記の耐熱性高分子の場合)であってもよい。 Organic particles (organic powder) include crosslinked polymethyl methacrylate, crosslinked polystyrene, crosslinked polydivinylbenzene, crosslinked styrene-divinylbenzene copolymer, polyimide, melamine resin, phenol resin, benzoguanamine-formaldehyde condensate, etc. Examples thereof include various crosslinked polymer particles and heat-resistant polymer particles such as polysulfone, polyacrylonitrile, polyaramid, polyacetal, and thermoplastic polyimide. The organic resin (polymer) constituting these organic particles is a mixture, modified body, derivative, or copolymer (random copolymer, alternating copolymer, block copolymer, graft copolymer) of the materials exemplified above. Polymer) or a crosslinked product (in the case of the above-mentioned heat-resistant polymer).
多孔質層(II)に係る前記フィラーの平均粒径は、例えば、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.1μm以上であって、好ましくは15μm以下、より好ましくは5μm以下である。 The average particle diameter of the filler relating to the porous layer (II) is, for example, preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, preferably 15 μm or less, more preferably 5 μm or less.
多孔質層(II)における耐熱温度が150℃以上のフィラーの量は、多孔質層(II)の構成成分の全体積中[ただし、後記の多孔質基体を使用する場合には、多孔質基体を除く構成成分の全体積中。多孔質層(II)の各構成成分の含有量について、以下同じ。]、70体積%以上であることが好ましく、80体積%以上であることがより好ましく、90体積%以上であることが更に好ましい。多孔質層(II)中のフィラーを前記のように高含有量とすることで、電池が高温となった際の正極と負極との直接の接触による短絡の発生をより良好に抑制することができ、また、特に多孔質層(I)と多孔質層(II)とを一体化した構成のセパレータの場合には、セパレータ全体の熱収縮を良好に抑制することができる。 The amount of filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher in the porous layer (II) is the total volume of the constituent components of the porous layer (II) [However, when using the porous substrate described later, the porous substrate During the entire volume of components excluding. The same applies to the content of each component of the porous layer (II). ], Preferably 70% by volume or more, more preferably 80% by volume or more, and still more preferably 90% by volume or more. By making the filler in the porous layer (II) high as described above, it is possible to better suppress the occurrence of a short circuit due to direct contact between the positive electrode and the negative electrode when the battery becomes high temperature. In particular, in the case of a separator having a configuration in which the porous layer (I) and the porous layer (II) are integrated, the thermal contraction of the entire separator can be satisfactorily suppressed.
また、多孔質層(II)には、耐熱温度が150℃以上のフィラー同士を結着したり、必要に応じて多孔質層(I)と多孔質層(II)とを結着したりするために有機バインダを含有させることが好ましく、このような観点から、多孔質層(II)における耐熱温度が150℃以上のフィラー量の好適上限値は、例えば、多孔質層(II)の構成成分の全体積中、99体積%である。なお、多孔質層(II)における耐熱温度が150℃以上のフィラーの量を70体積%未満とすると、例えば、多孔質層(II)中の有機バインダ量を多くする必要が生じるが、その場合には多孔質層(II)の空孔が有機バインダによって埋められやすく、セパレータとしての機能が低下する虞があり、また、開孔剤などを用いて多孔質化した場合には、前記フィラー同士の間隔が大きくなりすぎて、熱収縮を抑制する効果が低下する虞がある。 Moreover, the porous layer (II) binds fillers having a heat resistant temperature of 150 ° C. or more, or binds the porous layer (I) and the porous layer (II) as necessary. Therefore, it is preferable to contain an organic binder. From such a viewpoint, the preferred upper limit of the filler amount having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher in the porous layer (II) is, for example, a constituent component of the porous layer (II) Is 99% by volume. If the amount of the filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher in the porous layer (II) is less than 70% by volume, for example, it is necessary to increase the amount of the organic binder in the porous layer (II). The pores of the porous layer (II) are easily filled with an organic binder, and the function as a separator may be reduced. There is a possibility that the effect of suppressing the heat shrinkage may be reduced due to the excessively large interval.
本発明のセパレータでは、多孔質層(I)および多孔質層(II)の少なくとも一方に、板状粒子を含有させることが好ましい。なお、多孔質層(II)が板状粒子を含有する場合には、板状粒子が、耐熱温度が150℃以上のフィラーを兼ねることができる。 In the separator of the present invention, it is preferable that at least one of the porous layer (I) and the porous layer (II) contains plate-like particles. When the porous layer (II) contains plate-like particles, the plate-like particles can also serve as a filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher.
多孔質層(I)および多孔質層(II)の少なくとも一方が板状粒子を含有することで、セパレータにおける正極負極間の経路、すなわち所謂曲路率が大きくなる。そのため、多孔質層(I)および多孔質層(II)の少なくとも一方が板状粒子を含有するセパレータを用いて構成した電池では、デンドライトが生成した場合でも、該デンドライトが負極から正極に到達し難くなり、デンドライトショートに対する信頼性をより高めることができる。また、多孔質層(II)に板状粒子を含有させた場合には、多孔質層(I)と多孔質層(II)とを一体化したセパレータであっても、板状粒子の同士の衝突によって多孔質層(I)が収縮する力をより良好に抑制することができる。 When at least one of the porous layer (I) and the porous layer (II) contains plate-like particles, a path between the positive electrode and the negative electrode in the separator, that is, a so-called curvature is increased. Therefore, in a battery in which at least one of the porous layer (I) and the porous layer (II) is configured using a separator containing plate-like particles, even when dendrite is generated, the dendrite reaches the positive electrode from the negative electrode. It becomes difficult and the reliability with respect to a dendrite short can be improved more. In addition, when plate-like particles are contained in the porous layer (II), the separator between the plate-like particles can be used even in a separator in which the porous layer (I) and the porous layer (II) are integrated. The force that the porous layer (I) contracts due to the collision can be more effectively suppressed.
板状粒子としては、各種市販品が挙げられ、例えば、旭硝子エスアイテック社製「サンラブリー(商品名)」(SiO2)、石原産業社製「NST−B1(商品名)」の粉砕品(TiO2)、堺化学工業社製の板状硫酸バリウム「Hシリーズ(商品名)」、「HLシリーズ(商品名)」、林化成社製「ミクロンホワイト(商品名)」(タルク)、林化成社製「ベンゲル(商品名)」(ベントナイト)、河合石灰社製「BMM(商品名)」や「BMT(商品名)」(ベーマイト)、河合石灰社製「セラシュールBMT−B(商品名)」[アルミナ(Al2O3)]、キンセイマテック社製「セラフ(商品名)」(アルミナ)、斐川鉱業社製「斐川マイカ Z−20(商品名)」(セリサイト)などが入手可能である。この他、SiO2、Al2O3、ZrO、CeO2については、特開2003−206475号公報に開示の方法により作製することができる。 Examples of the plate-like particles include various commercially available products, such as “Sun Lovely (trade name)” (SiO 2 ) manufactured by Asahi Glass S Tech Co., Ltd., and pulverized products of “NST-B1 (trade name)” manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd. TiO 2 ), Sakai Chemical Industry's plate-like barium sulfate “H series (trade name)”, “HL series (trade name)”, Hayashi Kasei Co., Ltd. “micron white (trade name)” (talc), Hayashi Kasei "Bengel (trade name)" (bentonite), Kawai Lime "BMM (trade name)" and "BMT (trade name)" (Boehmite), Kawai Lime "Cerasur BMT-B (trade name)" [Alumina (Al 2 O 3 )], “Seraph (trade name)” (alumina) manufactured by Kinsei Matec Co., Ltd., “Yodogawa Mica Z-20 (trade name)” (sericite) manufactured by Yodogawa Mining Co., Ltd., etc. are available. is there. In addition, SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO, and CeO 2 can be produced by the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-206475.
板状粒子の形態としては、アスペクト比(板状粒子中の最大長さと板状粒子の厚みとの比)が、好ましくは5以上、より好ましくは10以上であって、好ましくは100以下、より好ましくは50以下である。板状粒子におけるアスペクト比は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影した画像を画像解析することにより求めることができる。 As the form of the plate-like particles, the aspect ratio (ratio between the maximum length of the plate-like particles and the thickness of the plate-like particles) is preferably 5 or more, more preferably 10 or more, and preferably 100 or less. Preferably it is 50 or less. The aspect ratio of the plate-like particles can be obtained, for example, by analyzing an image taken with a scanning electron microscope (SEM).
板状粒子の平均粒径としては、板状粒子を含有する多孔質層(I)または多孔質層(II)の厚みより小さければよく、一方、板状粒子を含有する多孔質層(I)または多孔質層(II)の厚みの1/100以上とするのが好ましい。より具体的には、前述の測定法で測定される数平均粒子径で、例えば、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.1μm以上であって、好ましくは15μm以下、より好ましくは5μm以下である。 The average particle size of the plate-like particles may be smaller than the thickness of the porous layer (I) or the porous layer (II) containing the plate-like particles, while the porous layer (I) containing the plate-like particles Or it is preferable to set it as 1/100 or more of the thickness of porous layer (II). More specifically, the number average particle diameter measured by the above-described measurement method is, for example, preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, preferably 15 μm or less, more preferably 5 μm or less. It is.
多孔質層(I)または多孔質層(II)中での板状粒子の存在形態は、平板面がセパレータの面に対して略平行であることが好ましく、より具体的には、セパレータの表面近傍における板状粒子について、その平板面とセパレータ面との平均角度が30°以下であることが好ましい[最も好ましくは、当該平均角度が0°、すなわち、セパレータの表面近傍における板状の平板面が、セパレータの面に対して平行である]。ここでいう「表面近傍」とは、セパレータの表面から全体厚みに対しておよそ10%の範囲を指す。板状粒子の存在形態が前記のような状態となるように板状粒子の配向性を高めることで、板状粒子による前記作用をより強く発揮させることが可能となる。 The presence form of the plate-like particles in the porous layer (I) or the porous layer (II) is preferably such that the flat plate surface is substantially parallel to the surface of the separator, more specifically, the surface of the separator. Regarding the plate-like particles in the vicinity, the average angle between the flat plate surface and the separator surface is preferably 30 ° or less [most preferably, the average angle is 0 °, that is, the plate-like flat plate surface in the vicinity of the separator surface. Is parallel to the surface of the separator]. Here, “near the surface” refers to a range of about 10% from the surface of the separator to the entire thickness. By increasing the orientation of the plate-like particles so that the presence form of the plate-like particles is in the state as described above, it is possible to exert the above action by the plate-like particles more strongly.
また、多孔質層(I)および多孔質層(II)の少なくとも一方が、一次粒子が凝集した二次粒子構造の微粒子を含有していることも好ましい。多孔質層(I)または多孔質層(II)が前記二次粒子構造の微粒子を含有することで、前述した板状粒子を用いた場合と同様の効果を得ることができる。前記二次粒子構造の微粒子の例としては、大明化学社製「ベーマイト C06(商品名)」、「ベーマイト C20(商品名)」(ベーマイト)、米庄石灰工業社製「ED−1(商品名)」(CaCO3)、J.M.Huber社製「Zeolex 94HP(商品名)」(クレイ)などが挙げられる。 It is also preferable that at least one of the porous layer (I) and the porous layer (II) contains fine particles having a secondary particle structure in which primary particles are aggregated. When the porous layer (I) or the porous layer (II) contains the fine particles having the secondary particle structure, the same effects as those obtained when the plate-like particles are used can be obtained. Examples of the fine particles having the secondary particle structure include “Boehmite C06 (trade name)”, “Boehmite C20 (trade name)” (boehmite) manufactured by Daimei Chemical Co., Ltd., “ED-1 (trade name) manufactured by Yonesho Lime Industry Co., Ltd. ) ”(CaCO 3 ), J. et al. M.M. Examples include “Zeolex 94HP (trade name)” (clay) manufactured by Huber.
前記二次粒子構造の微粒子の平均粒径は、前述の方法により測定される数平均粒子径で、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.1μm以上であって、好ましくは15μm以下、より好ましくは5μm以下である。 The average particle diameter of the fine particles having the secondary particle structure is a number average particle diameter measured by the above-described method, and is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and preferably 15 μm or less. Preferably it is 5 micrometers or less.
多孔質層(I)および多孔質層(II)の少なくとも一方に、板状粒子または前記二次粒子構造の微粒子を含有させることによる効果をより有効に発揮させるためには、板状粒子または前記二次粒子構造の微粒子の含有量は、セパレータの全構成成分の全体積中(ただし、後記の多孔質基体を用いる場合には、多孔質基体を除いた全構成成分の全体積中)、25%以上であることが好ましく、40%以上であることがより好ましく、70%以上であることが更に好ましい。 In order to more effectively exert the effect of containing at least one of the porous layer (I) and the porous layer (II) with plate-like particles or fine particles having the secondary particle structure, The content of the fine particles having the secondary particle structure is 25% in the total volume of all the constituent components of the separator (however, when using the porous substrate described later, in the total volume of all the constituent components excluding the porous substrate), 25 % Or more, preferably 40% or more, and more preferably 70% or more.
なお、板状粒子や前記二次粒子構造の微粒子は、多孔質層(II)に含有させることがより好ましく、多孔質層(II)において、耐熱温度が150℃以上のフィラーを板状粒子または前記二次粒子構造の微粒子とすることが更に好ましい。 The plate-like particles and the fine particles having the secondary particle structure are more preferably contained in the porous layer (II). In the porous layer (II), a filler having a heat-resistant temperature of 150 ° C. or more is added to the plate-like particles or More preferably, the fine particles have a secondary particle structure.
本発明のセパレータに係る多孔質層(I)および多孔質層(II)には、セパレータの形状安定性の確保などのために有機バインダを含有させることが好ましく、一方のみでもよいが、それぞれの層に含有させることが好ましい[ただし、多孔質層(I)が樹脂(A)を主体とする微多孔膜により構成されている場合には、多孔質層(I)には有機バインダを含有させなくてもよい。]。有機バインダとしては、EVA(酢酸ビニル由来の構造単位が20〜35モル%のもの)、エチレン−エチルアクリレート共重合体などのエチレン−アクリル酸共重合体、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリビニルピロリドン(PVP)、架橋アクリル樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂などが挙げられるが、特に、150℃以上の耐熱温度を有する耐熱性のバインダが好ましく用いられる。有機バインダは、前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 The porous layer (I) and the porous layer (II) according to the separator of the present invention preferably contain an organic binder for ensuring the shape stability of the separator. [In the case where the porous layer (I) is composed of a microporous film mainly composed of the resin (A), the porous layer (I) contains an organic binder.) It does not have to be. ]. Examples of the organic binder include EVA (with a structural unit derived from vinyl acetate of 20 to 35 mol%), ethylene-acrylic acid copolymer such as ethylene-ethyl acrylate copolymer, fluorine-based rubber, and styrene-butadiene rubber (SBR). , Carboxymethyl cellulose (CMC), hydroxyethyl cellulose (HEC), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl pyrrolidone (PVP), crosslinked acrylic resin, polyurethane, epoxy resin, etc. A heat-resistant binder having a heat-resistant temperature of 5 mm is preferably used. As the organic binder, those exemplified above may be used singly or in combination of two or more.
前記例示の有機バインダの中でも、EVA、エチレン−アクリル酸共重合体、フッ素系ゴム、SBRなどの柔軟性の高いバインダが好ましい。このような柔軟性の高い有機バインダの具体例としては、三井デュポンポリケミカル社の「エバフレックスシリーズ(EVA)」、日本ユニカー社のEVA、三井デュポンポリケミカル社の「エバフレックス−EEAシリーズ(エチレン−アクリル酸共重合体)」、日本ユニカー社のEEA、ダイキン工業社の「ダイエルラテックスシリーズ(フッ素ゴム)」、JSR社の「TRD−2001(SBR)」、日本ゼオン社の「EM−400B(SBR)」などがある。 Among the organic binders exemplified above, highly flexible binders such as EVA, ethylene-acrylic acid copolymer, fluorine-based rubber, and SBR are preferable. Specific examples of such highly flexible organic binders include Mitsui DuPont Polychemical's “Evaflex Series (EVA)”, Nihon Unicar's EVA, Mitsui DuPont Polychemical's “Evaflex-EAA Series (Ethylene). -Acrylic acid copolymer) ", Nippon Unicar's EEA, Daikin Industries'" Daiel Latex Series (Fluororubber) ", JSR's" TRD-2001 (SBR) ", Nippon Zeon's" EM-400B " (SBR) ".
なお、前記の有機バインダを多孔質層(I)や多孔質層(II)に使用する場合には、後述するこれらの多孔質層を形成するための組成物の溶媒に溶解させるか、または分散させたエマルジョンの形態で用いればよい。 When the organic binder is used for the porous layer (I) or the porous layer (II), it is dissolved or dispersed in a solvent of a composition for forming these porous layers described later. What is necessary is just to use with the form of the made emulsion.
また、セパレータの形状安定性や柔軟性を確保するために、繊維状物などを前記フィラーや樹脂(A)と混在させてもよい。繊維状物としては、耐熱温度が150℃以上であって、電気絶縁性を有しており、電気化学的に安定で、更に下記に詳述する非水電解液や、セパレータ製造の際に使用する溶媒に安定であれば、特に材質に制限はない。なお、本明細書でいう「繊維状物」とは、アスペクト比[長尺方向の長さ/長尺方向に直交する方向の幅(直径)]が4以上のものを意味しており、アスペクト比は10以上であることが好ましい。 Moreover, in order to ensure the shape stability and flexibility of the separator, a fibrous material or the like may be mixed with the filler or the resin (A). As a fibrous material, the heat-resistant temperature is 150 ° C. or more, it has electrical insulation, is electrochemically stable, and is used in the manufacture of non-aqueous electrolytes and separators described in detail below. As long as the solvent to be used is stable, the material is not particularly limited. The “fibrous material” in the present specification means an aspect ratio [length in the longitudinal direction / width in the direction perpendicular to the longitudinal direction (diameter)] of 4 or more. The ratio is preferably 10 or more.
繊維状物の具体的な構成材料としては、例えば、セルロースおよびその変成体[CMC、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)など]、ポリオレフィン[PP、プロピレンの共重合体など]、ポリエステル[ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)など]、ポリアクリロニトリル(PAN)、アラミド、ポリアミドイミド、ポリイミドなどの樹脂;ガラス、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの無機酸化物;などを挙げることができ、これらの構成材料を2種以上併用して繊維状物を構成してもよい。また、繊維状物は、必要に応じて、公知の各種添加剤(例えば、樹脂である場合には酸化防止剤など)を含有していても構わない。 Specific constituent materials of the fibrous material include, for example, cellulose and its modified products [CMC, hydroxypropyl cellulose (HPC), etc.], polyolefin [PP, propylene copolymer, etc.], polyester [polyethylene terephthalate (PET), etc. , Polyethylene naphthalate (PEN), polybutylene terephthalate (PBT), etc.], polyacrylonitrile (PAN), aramid, polyamideimide, polyimide and other resins; glass, alumina, zirconia, silica and other inorganic oxides; A fibrous material may be formed by using two or more of these constituent materials in combination. The fibrous material may contain various known additives (for example, an antioxidant in the case of a resin) as necessary.
また、本発明の電池に用いるセパレータは、セパレータ全体を独立膜として用いる場合や、多孔質層(I)(微多孔膜以外)および多孔質層(II)を独立膜として用いる場合において、その取り扱い性を高めるなどために多孔質基体を用いることができる。多孔質基体は、前記の繊維状物が織布、不織布(紙を含む)などのシート状物を形成してなる耐熱温度が150℃以上のものであり、市販の不織布などを基体として用いることができる。この態様のセパレータでは、多孔質基体の空隙内に前記フィラーや樹脂(A)の微粒子を含有させることが好ましいが、多孔質基体と前記フィラーや樹脂(A)の微粒子を結着させるために、前記の有機バインダを用いることもできる。 The separator used in the battery of the present invention is handled when the entire separator is used as an independent membrane, or when the porous layer (I) (other than the microporous membrane) and the porous layer (II) are used as an independent membrane. A porous substrate can be used in order to enhance the properties. The porous substrate has a heat resistant temperature of 150 ° C. or more formed by forming a sheet-like material such as a woven fabric or a nonwoven fabric (including paper), and a commercially available nonwoven fabric or the like is used as the substrate. Can do. In the separator of this aspect, it is preferable to contain fine particles of the filler and resin (A) in the voids of the porous substrate, but in order to bind the porous substrate and fine particles of the filler and resin (A), The organic binder can also be used.
なお、多孔質基体の「耐熱性」は、軟化などによる実質的な寸法変化が生じないことを意味し、対象物の長さの変化、すなわち、多孔質基体においては、室温での長さに対する収縮の割合(収縮率)が5%以下を維持することのできる上限温度(耐熱温度)が、セパレータのシャットダウン温度よりも十分に高いか否かで耐熱性を評価する。シャットダウン後のリチウム二次電池の安全性を高めるために、多孔質基体は、シャットダウン温度よりも20℃以上高い耐熱温度を有することが望ましく、より具体的には、多孔質基体の耐熱温度は、150℃以上であることが好ましく、180℃以上であることがより好ましい。 The “heat resistance” of the porous substrate means that a substantial dimensional change due to softening or the like does not occur, and the change in the length of the object, that is, the porous substrate with respect to the length at room temperature. The heat resistance is evaluated based on whether or not the upper limit temperature (heat resistance temperature) at which the shrinkage ratio (shrinkage ratio) can be maintained at 5% or less is sufficiently higher than the shutdown temperature of the separator. In order to increase the safety of the lithium secondary battery after shutdown, the porous substrate preferably has a heat resistance temperature that is 20 ° C. or more higher than the shutdown temperature, and more specifically, the heat resistance temperature of the porous substrate is It is preferable that it is 150 degreeC or more, and it is more preferable that it is 180 degreeC or more.
多孔質基体は、樹脂(A)を主体とする多孔質層(I)に用いることもできるし、フィラーを主体として含む多孔質層(II)に用いることもできる。また、多孔質層(I)と多孔質層(II)の両者に多孔質基体を用いることもできる。その場合、多孔質層(I)と多孔質層(II)とが、1つの多孔質基体を共有して一体化していてもよく、多孔質層(I)、多孔質層(II)ごとに別の多孔質基体を有していてもよい。 The porous substrate can be used for the porous layer (I) mainly composed of the resin (A), or can be used for the porous layer (II) mainly including the filler. A porous substrate can also be used for both the porous layer (I) and the porous layer (II). In that case, the porous layer (I) and the porous layer (II) may be integrated by sharing a single porous substrate. For each of the porous layer (I) and the porous layer (II), It may have another porous substrate.
なお、多孔質基体を用いてセパレータを構成する場合には、樹脂(A)(微粒子状の場合)および前記フィラー、更には好ましく使用される板状粒子、前記二次粒子構造の微粒子などの全部または一部が、多孔質基体の空隙内に存在する形態とすることが好ましい。このような形態とすることで、樹脂(A)、前記フィラー、板状粒子および前記二次粒子構造の微粒子などの作用をより有効に発揮させることができる。 When the separator is formed using a porous substrate, all of the resin (A) (in the case of fine particles) and the filler, further preferably used plate-like particles, fine particles of the secondary particle structure, etc. Alternatively, it is preferable that a part is present in the voids of the porous substrate. By setting it as such a form, effects, such as resin (A), the said filler, a plate-shaped particle, the fine particle of the said secondary particle structure, can be exhibited more effectively.
繊維状物(多孔質基体を構成する繊維状物、その他の繊維状物を含む)の直径は、多孔質層(I)または多孔質層(II)の厚み以下であればよいが、例えば、0.01〜5μmであることが好ましい。繊維状物の径が大きすぎると、繊維状物同士の絡み合いが不足するため、例えばシート状物を形成して多孔質基体を構成する場合に、その強度が小さくなって取り扱いが困難となることがある。また、繊維状物の径が小さすぎると、セパレータの空孔が小さくなりすぎてイオン透過性が低下する傾向にあり、リチウム二次電池の負荷特性を低下させてしまうことがある。 The diameter of the fibrous material (including the fibrous material constituting the porous substrate and other fibrous materials) may be equal to or less than the thickness of the porous layer (I) or the porous layer (II). It is preferable that it is 0.01-5 micrometers. If the diameter of the fibrous material is too large, the entanglement between the fibrous materials is insufficient. For example, when a porous substrate is formed by forming a sheet-like material, the strength becomes small and handling becomes difficult. There is. On the other hand, when the diameter of the fibrous material is too small, the pores of the separator become too small and the ion permeability tends to be lowered, and the load characteristics of the lithium secondary battery may be lowered.
本発明のセパレータにおける繊維状物の含有量は、全構成成分中、例えば、10体積%以上、より好ましくは20体積%以上であって、90体積%以下、より好ましくは80体積%以下であることが望ましい。セパレータ中での繊維状物の存在状態は、例えば、長軸(長尺方向の軸)の、セパレータ面に対する角度が平均で30°以下であることが好ましく、20°以下であることがより好ましい The content of the fibrous material in the separator of the present invention is, for example, 10% by volume or more, more preferably 20% by volume or more, and 90% by volume or less, more preferably 80% by volume or less in all the constituent components. It is desirable. The state of the presence of the fibrous material in the separator is, for example, that the angle of the long axis (long axis) with respect to the separator surface is preferably 30 ° or less on average, and more preferably 20 ° or less.
また、繊維状物を多孔質基体として用いる場合には、多孔質基体の占める割合が、セパレータの全構成成分中、10体積%以上90体積%以下となるように、他の成分の含有量を調整するのが望ましい。 When the fibrous material is used as the porous substrate, the content of other components is adjusted so that the proportion of the porous substrate is 10% by volume or more and 90% by volume or less in all the constituent components of the separator. It is desirable to adjust.
本発明のリチウム二次電池におけるセパレータの厚みは、正極と負極とをより確実に隔離する観点から、6μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましい。他方、セパレータの厚みが大きすぎると、リチウム二次電池のエネルギー密度が低下してしまうことがあるため、その厚みは、50μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましい。 The thickness of the separator in the lithium secondary battery of the present invention is preferably 6 μm or more, and more preferably 10 μm or more, from the viewpoint of more reliably separating the positive electrode and the negative electrode. On the other hand, if the thickness of the separator is too large, the energy density of the lithium secondary battery may be lowered. Therefore, the thickness is preferably 50 μm or less, and more preferably 30 μm or less.
また、セパレータを構成する多孔質層(I)の厚みをA(μm)、多孔質層(II)の厚みをB(μm)としたとき、AとBとの比率A/Bは、10以下であることが好ましく、5以下であることがより好ましく、また、1/8以上であることが好ましく、1/5以上であることがより好ましい。本発明のリチウム二次電池に係るセパレータでは、多孔質層(I)の厚み比率を大きくし多孔質層(II)を薄くしても、良好なシャットダウン機能を確保しつつ、セパレータの熱収縮による短絡の発生を高度に抑制することができる。なお、セパレータにおいて、多孔質層(I)が複数存在する場合には、厚みAはその総厚みであり、多孔質層(II)が複数存在する場合には、厚みBはその総厚みである。 When the thickness of the porous layer (I) constituting the separator is A (μm) and the thickness of the porous layer (II) is B (μm), the ratio A / B between A and B is 10 or less. Preferably, it is 5 or less, more preferably 1/8 or more, and even more preferably 1/5 or more. In the separator according to the lithium secondary battery of the present invention, even if the thickness ratio of the porous layer (I) is increased and the porous layer (II) is thinned, the separator is thermally contracted while ensuring a good shutdown function. Generation | occurrence | production of a short circuit can be suppressed highly. In the separator, when there are a plurality of porous layers (I), the thickness A is the total thickness, and when there are a plurality of porous layers (II), the thickness B is the total thickness. .
なお、具体的な値で表現すると、多孔質層(I)の厚み[セパレータが多孔質層(I)を複数有する場合には、その総厚み]は、5μm以上であることが好ましく、また、30μm以下であることが好ましい。そして、多孔質層(II)の厚み[セパレータが多孔質層(II)を複数有する場合には、その総厚み]は、1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、4μm以上であることが更に好ましく、また、20μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましく、6μm以下であることがより好ましい。多孔質層(I)が薄すぎると、シャットダウン機能が弱くなる虞があり、厚すぎると、後述する負極材料の使用による電池のエネルギー密度の向上効果が小さくなる虞があることに加えて、熱収縮しようとする力が大きくなり、例えば、多孔質層(I)と多孔質層(II)が一体化した構成では、セパレータ全体の熱収縮を抑える作用が小さくなる虞がある。また、多孔質層(II)が薄すぎると、セパレータの熱収縮に起因する短絡の発生を抑制する効果が小さくなる虞があり、厚すぎると、セパレータ全体の厚みの増大を引き起こしてしまう。 In terms of specific values, the thickness of the porous layer (I) [when the separator has a plurality of porous layers (I), the total thickness] is preferably 5 μm or more, It is preferable that it is 30 micrometers or less. The thickness of the porous layer (II) [when the separator has a plurality of porous layers (II), the total thickness] is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and 4 μm. More preferably, it is 20 μm or less, more preferably 10 μm or less, and even more preferably 6 μm or less. If the porous layer (I) is too thin, the shutdown function may be weakened. If it is too thick, the effect of improving the energy density of the battery due to the use of a negative electrode material described later may be reduced. For example, in the configuration in which the porous layer (I) and the porous layer (II) are integrated, the action of suppressing the thermal contraction of the entire separator may be reduced. Further, if the porous layer (II) is too thin, the effect of suppressing the occurrence of a short circuit due to thermal contraction of the separator may be reduced, and if it is too thick, the thickness of the entire separator is increased.
また、セパレータの空孔率としては、非水電解液の保液量を確保してイオン透過性を良好にするために、乾燥した状態で、30%以上であることが好ましい。一方、セパレータ強度の確保と内部短絡の防止の観点から、セパレータの空孔率は、乾燥した状態で、70%以下であることが好ましい。なお、セパレータの空孔率:P(%)は、セパレータの厚み、面積あたりの質量、構成成分の密度から、下記(1)式を用いて各成分iについての総和を求めることにより計算できる。
P = 100−(Σai/ρi)×(m/t) (1)
ここで、前記式中、ai:質量%で表した成分iの比率、ρi:成分iの密度(g/cm3)、m:セパレータの単位面積あたりの質量(g/cm2)、t:セパレータの厚み(cm)である。
Further, the porosity of the separator is preferably 30% or more in a dried state in order to secure the amount of the nonaqueous electrolyte solution and to improve the ion permeability. On the other hand, from the viewpoint of securing separator strength and preventing internal short circuit, the separator porosity is preferably 70% or less in a dry state. The porosity of the separator: P (%) can be calculated by obtaining the sum of each component i from the thickness of the separator, the mass per area, and the density of the constituent components using the following equation (1).
P = 100− (Σa i / ρ i ) × (m / t) (1)
Here, in the above formula, a i : ratio of component i expressed by mass%, ρ i : density of component i (g / cm 3 ), m: mass per unit area of separator (g / cm 2 ), t: The thickness (cm) of the separator.
また、前記(10)式において、mを多孔質層(I)の単位面積あたりの質量(g/cm2)とし、tを多孔質層(I)の厚み(cm)とすることで、前記(1)式を用いて多孔質層(I)の空孔率:P(%)を求めることもできる。この方法により求められる多孔質層(I)の空孔率は、30〜70%であることが好ましい。 In the formula (10), m is the mass per unit area (g / cm 2 ) of the porous layer (I), and t is the thickness (cm) of the porous layer (I). The porosity: P (%) of the porous layer (I) can also be obtained using the equation (1). The porosity of the porous layer (I) determined by this method is preferably 30 to 70%.
更に、前記(1)式において、mを多孔質層(II)の単位面積あたりの質量(g/cm2)とし、tを多孔質層(II)の厚み(cm)とすることで、前記(1)式を用いて多孔質層(II)の空孔率:P(%)を求めることもできる。この方法により求められる多孔質層(II)の空孔率は、20〜60%であることが好ましい。 Furthermore, in the formula (1), m is the mass per unit area (g / cm 2 ) of the porous layer (II), and t is the thickness (cm) of the porous layer (II), The porosity: P (%) of the porous layer (II) can also be obtained using the formula (1). The porosity of the porous layer (II) obtained by this method is preferably 20 to 60%.
また、本発明のリチウム二次電池に係るセパレータは、JIS P 8117に準拠した方法で測定され、0.879g/mm2の圧力下で100mlの空気が膜を透過する秒数で示されるガーレー値が、10〜300secであることが望ましい。透気度が大きすぎると、イオン透過性が小さくなり、他方、小さすぎると、セパレータの強度が小さくなることがある。さらに、セパレータの強度としては、直径1mmのニードルを用いた突き刺し強度で50g以上であることが望ましい。かかる突き刺し強度が小さすぎると、リチウムのデンドライト結晶が発生した場合に、セパレータの突き破れによる短絡が発生する場合がある。前記の構成を採用することにより、前記の透気度や突き刺し強度を有するセパレータとすることができる。 Further, the separator according to the lithium secondary battery of the present invention is measured by a method according to JIS P 8117, and the Gurley value is indicated by the number of seconds that 100 ml of air permeates through the membrane under a pressure of 0.879 g / mm 2. However, it is desirable that it is 10 to 300 sec. If the air permeability is too high, the ion permeability is reduced, whereas if it is too low, the strength of the separator may be reduced. Further, the strength of the separator is desirably 50 g or more in terms of piercing strength using a needle having a diameter of 1 mm. If the piercing strength is too small, a short circuit may occur due to the piercing of the separator when lithium dendrite crystals are generated. By employ | adopting the said structure, it can be set as the separator which has the said air permeability and piercing strength.
セパレータの平均孔径は、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.05μm以上であって、好ましくは1μm以下、より好ましくは0.5μm以下である。また、多孔質層(I)の平均孔径は、0.01〜0.5μmであることが好ましく、多孔質層(II)の平均孔径は、0.05〜1μmであることが好ましい。セパレータ、多孔質層(I)、多孔質層(II)の平均孔径は、水銀ポロシメーターによる細孔分布測定から求めることができる。 The average pore size of the separator is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more, preferably 1 μm or less, more preferably 0.5 μm or less. The average pore size of the porous layer (I) is preferably 0.01 to 0.5 μm, and the average pore size of the porous layer (II) is preferably 0.05 to 1 μm. The average pore diameter of the separator, the porous layer (I), and the porous layer (II) can be determined from pore distribution measurement using a mercury porosimeter.
前記の構成を有するセパレータを有する本発明のリチウム二次電池のシャットダウン特性は、例えば、電池の内部抵抗の温度変化により求めることができる。具体的には、リチウム二次電池を恒温槽中に設置し、温度を室温から毎分1℃の割合で上昇させ、リチウム二次電池の内部抵抗が上昇する温度を求めることで測定することが可能である。この場合、150℃におけるリチウム二次電池の内部抵抗は、室温の5倍以上であることが好ましく、10倍以上であることがより好ましく、前記構成のセパレータを使用することで、このような特性を確保することができる。 The shutdown characteristic of the lithium secondary battery of the present invention having the separator having the above-described configuration can be obtained, for example, by the temperature change of the internal resistance of the battery. Specifically, it can be measured by installing a lithium secondary battery in a thermostat, increasing the temperature from room temperature at a rate of 1 ° C. per minute, and determining the temperature at which the internal resistance of the lithium secondary battery increases. Is possible. In this case, the internal resistance of the lithium secondary battery at 150 ° C. is preferably 5 times or more of room temperature, more preferably 10 times or more. By using the separator having the above-described configuration, such characteristics are obtained. Can be secured.
また、本発明のリチウム二次電池に用いるセパレータは、150℃での熱収縮率を5%以下とすることが好ましい。このような特性のセパレータであれば、リチウム二次電池内部が150℃程度になっても、セパレータの収縮が殆ど生じないため、正負極の接触による短絡をより確実に防止することができ、高温でのリチウム二次電池の安全性をより高めることができる。前記の構成を採用することで、前記のような熱収縮率を有するセパレータとすることができる。 The separator used in the lithium secondary battery of the present invention preferably has a thermal shrinkage rate at 150 ° C. of 5% or less. With the separator having such characteristics, even when the inside of the lithium secondary battery reaches about 150 ° C., the separator hardly contracts, so that a short circuit due to contact between the positive and negative electrodes can be more reliably prevented, The safety of the lithium secondary battery can be further increased. By employ | adopting the said structure, it can be set as the separator which has the above thermal contraction rates.
ここでいう熱収縮率は、多孔質層(I)と多孔質層(II)が一体化している場合は、その一体化したセパレータ全体の収縮率を指し、多孔質層(I)と多孔質層(II)が独立している場合には、それぞれの収縮率の小さい方の値を指す。また、後述するように、多孔質層(I)および/または多孔質層(II)は、電極と一体化する構成とすることもできるが、その場合は、電極と一体化した状態で測定した熱収縮率を指す。 When the porous layer (I) and the porous layer (II) are integrated, the heat shrinkage here refers to the shrinkage rate of the integrated separator as a whole, and the porous layer (I) and the porous layer (I) When the layer (II) is independent, the value of the smaller shrinkage rate is indicated. As will be described later, the porous layer (I) and / or the porous layer (II) can be integrated with the electrode. In that case, the measurement was performed in an integrated state with the electrode. Refers to heat shrinkage.
なお、前記の「150℃の熱収縮率」とは、セパレータまたは多孔質層(I)および多孔質層(II)(電極と一体化した場合には電極と一体化した状態で)を恒温槽に入れ、温度を150℃まで上昇させて3時間放置した後に取り出して、恒温槽に入れる前のセパレータまたは多孔質層(I)および多孔質層(II)の寸法と比較することで求められる寸法の減少割合を百分率で表したものである。 The “150 ° C. heat shrinkage rate” means that the separator or the porous layer (I) and the porous layer (II) (when integrated with the electrode, in an integrated state with the electrode) , The temperature is raised to 150 ° C. and left for 3 hours, then taken out, and the dimensions required by comparing with the dimensions of the separator or porous layer (I) and porous layer (II) before being put in the thermostatic bath The percentage of decrease is expressed as a percentage.
本発明のセパレータの製造方法としては、例えば、下記の(a)〜(f)の方法を採用できる。製造方法(a)は、多孔質基体に、樹脂(A)を含有する多孔質層(I)形成用組成物(スラリーなどの液状組成物など)、または前記フィラーを含有する多孔質層(II)形成用組成物(スラリーなどの液状組成物など)を塗布した後、所定の温度で乾燥し、その後他方の組成物を塗布してから所定の温度で乾燥する製造方法である。この場合の多孔質基体としては、具体的には、前記例示の各材料を構成成分に含む繊維状物の少なくとも1種で構成される織布や、これら繊維状物同士が絡み合った構造を有する不織布などの多孔質シートなどが挙げられる。より具体的には、紙、PP不織布、ポリエステル不織布(PET不織布、PEN不織布、PBT不織布など)、PAN不織布などの不織布が例示できる。 As a manufacturing method of the separator of the present invention, for example, the following methods (a) to (f) can be employed. In the production method (a), a porous layer (I) -forming composition containing a resin (A) (such as a liquid composition such as a slurry) or a porous layer containing a filler (II) ) A manufacturing method in which a composition for formation (a liquid composition such as a slurry) is applied, dried at a predetermined temperature, and then the other composition is applied and then dried at a predetermined temperature. Specifically, the porous substrate in this case has a woven fabric composed of at least one kind of fibrous material containing each of the exemplified materials as a constituent component, or a structure in which these fibrous materials are entangled with each other. Examples thereof include a porous sheet such as a nonwoven fabric. More specifically, non-woven fabrics such as paper, PP non-woven fabric, polyester non-woven fabric (PET non-woven fabric, PEN non-woven fabric, PBT non-woven fabric, etc.) and PAN non-woven fabric can be exemplified.
多孔質層(I)形成用組成物は、樹脂(A)(例えば微粒子状のもの)の他、必要に応じて、フィラー(板状粒子や前記二次粒子構造の微粒子とすることもできる)、有機バインダなどを含有し、これらを溶媒(分散媒を含む、以下同じ)に分散させたものである。なお、有機バインダについては溶媒に溶解させることもできる。多孔質層(I)形成用組成物に用いられる溶媒は、樹脂(A)、フィラーなどを均一に分散でき、また、有機バインダを均一に溶解または分散できるものであればよいが、例えば、トルエンなどの芳香族炭化水素、テトラヒドロフランなどのフラン類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン類など、一般に有機溶媒が好適に用いられる。なお、これらの溶媒に、界面張力を制御する目的で、アルコール(エチレングリコール、プロピレングリコールなど)、または、モノメチルアセテートなどの各種プロピレンオキサイド系グリコールエーテルなどを適宜添加してもよい。また、有機バインダが水溶性である場合、エマルジョンとして使用する場合などでは、水を溶媒としてもよく、この際にもアルコール類(メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチレングリコールなど)を適宜加えて界面張力を制御することもできる。 In addition to the resin (A) (for example, fine particles), the composition for forming the porous layer (I) may be a filler (plate-like particles or fine particles having the secondary particle structure) as necessary. And an organic binder, and these are dispersed in a solvent (including a dispersion medium, the same applies hereinafter). The organic binder can be dissolved in a solvent. The solvent used in the composition for forming the porous layer (I) is not particularly limited as long as it can uniformly disperse the resin (A), the filler, and the like, and can uniformly dissolve or disperse the organic binder. In general, organic solvents such as aromatic hydrocarbons such as tetrahydrofuran, furans such as tetrahydrofuran, and ketones such as methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone are preferably used. In addition, for the purpose of controlling the interfacial tension, alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, etc.) or various propylene oxide glycol ethers such as monomethyl acetate may be appropriately added to these solvents. In addition, when the organic binder is water-soluble or used as an emulsion, water may be used as a solvent. In this case, alcohols (methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, ethylene glycol, etc.) are appropriately added. It is also possible to control the interfacial tension.
多孔質層(II)形成用組成物は、前記フィラー(板状粒子や前記二次粒子構造の微粒子とすることもできる)の他、必要に応じて樹脂(A)(例えば微粒子状のもの)、有機バインダなどを含有し、これらを溶媒に分散させたものである。溶媒には、多孔質層(I)形成用組成物用のものとして例示した各種溶媒と同じものを用いることができ、また、適宜界面張力を制御する成分として多孔質層(I)形成用組成物に関して例示した前記の各種成分を加えてもよい。 The composition for forming the porous layer (II) includes the filler (which may be plate-like particles or fine particles having the secondary particle structure), and if necessary, the resin (A) (for example, fine particles) In addition, an organic binder or the like is contained, and these are dispersed in a solvent. As the solvent, the same solvents as those exemplified for the composition for forming the porous layer (I) can be used, and the composition for forming the porous layer (I) is appropriately used as a component for controlling the interfacial tension. You may add the said various components illustrated regarding the thing.
多孔質層(I)形成用組成物および多孔質層(II)形成用組成物は、樹脂(A)、前記フィラーおよび有機バインダを含む固形分含量を、例えば10〜80質量%とすることが好ましい。 In the composition for forming the porous layer (I) and the composition for forming the porous layer (II), the solid content containing the resin (A), the filler and the organic binder may be, for example, 10 to 80% by mass. preferable.
前記多孔質基体の空孔の開口径が比較的大きい場合、例えば、5μm以上の場合には、これが電池の短絡の要因となりやすい。よって、この場合には、樹脂(A)や前記フィラー、更には板状粒子や前記二次粒子構造の微粒子などの全部または一部が、多孔質基体の空隙内に存在する構造とすることが好ましい。多孔質基体の空隙内に樹脂(A)やフィラー、板状粒子、前記二次粒子構造の微粒子などを存在させるには、例えば、これらを含有する多孔質層形成用組成物を多孔質基体に塗布した後に一定のギャップを通し、余分の組成物を除去した後、乾燥するなどの工程を用いればよい。 When the pore diameter of the porous substrate is relatively large, for example, when it is 5 μm or more, this tends to cause a short circuit of the battery. Therefore, in this case, the resin (A), the filler, and further, all or part of the plate-like particles and the fine particles having the secondary particle structure may be present in the voids of the porous substrate. preferable. In order to allow the resin (A), filler, plate-like particles, fine particles having the secondary particle structure, etc. to be present in the voids of the porous substrate, for example, a porous layer forming composition containing them is added to the porous substrate. After coating, a process such as passing through a certain gap, removing excess composition, and drying may be used.
なお、セパレータに含有させる板状粒子の配向性を高めてその機能をより有効に作用させるためには、板状粒子を含有する多孔質層形成用組成物を多孔質基体に塗布し含浸させた後、前記組成物にシェアや磁場をかけるといった方法を用いればよい。例えば、前記のように、板状粒子を含有する多孔質層形成用組成物を多孔質基体に塗布した後、一定のギャップを通すことで、前記組成物にシェアをかけることができる。 In addition, in order to increase the orientation of the plate-like particles contained in the separator and to make the function work more effectively, the porous substrate-forming composition containing the plate-like particles was applied to and impregnated on the porous substrate. Thereafter, a method of applying a shear or a magnetic field to the composition may be used. For example, as described above, after applying the porous layer forming composition containing plate-like particles to the porous substrate, the composition can be shared by passing through a certain gap.
また、樹脂(A)やフィラー、更には板状粒子や前記二次粒子構造の微粒子など、それぞれの構成物の持つ作用をより有効に発揮させるために、前記構成物を偏在させて、セパレータの膜面と平行または略平行に、前記構成物が層状に集まった形態としてもよい。このような形態とするには、例えば、ダイコーターやリバースロールコーターのヘッドやロールを2つ用いて、多孔質基体の裏表両方向から別々の組成物、例えば、多孔質層(I)形成用組成物と多孔質層(II)形成用組成物を別々に塗布し、乾燥する方法が採用できる。 Further, in order to more effectively exert the functions of the respective constituents such as the resin (A), the filler, and further the plate-like particles and the fine particles having the secondary particle structure, the constituents are unevenly distributed, It is good also as a form which the said structure gathered in the layer form in parallel or substantially parallel to the film surface. In order to achieve such a form, for example, using two heads and rolls of a die coater or reverse roll coater, separate compositions from both the front and back sides of the porous substrate, for example, a composition for forming a porous layer (I) The method of apply | coating an object and the composition for porous layer (II) separately, and drying can be employ | adopted.
セパレータの製造方法(b)は、多孔質基体に多孔質層(I)形成用組成物または多孔質層(II)形成用組成物を塗布し、塗布した組成物が乾燥する前に他方の組成物を塗布し、乾燥させる方法である。 In the separator production method (b), the porous layer (I) forming composition or the porous layer (II) forming composition is applied to a porous substrate, and the other composition is dried before the applied composition is dried. It is a method of applying an object and drying it.
セパレータの製造方法(c)は、多孔質層(I)形成用組成物を多孔質基体に塗布し、乾燥して、樹脂(A)を主体とする多孔質層(I)を形成し、別の多孔質基体に多孔質層(II)形成用組成物を塗布し、乾燥して、フィラーを主体として含む多孔質層(II)を形成し、これら2つの多孔質層を重ね合わせて1つのセパレータとする方法である。この場合、多孔質層(I)と多孔質層(II)とは一体化されていてもよいし、それぞれ独立した構成であって、電池の組み立てにより、電池内で重ね合わされた状態で一体のセパレータとして機能するものであってもよい。 In the separator production method (c), a porous layer (I) -forming composition is applied to a porous substrate and dried to form a porous layer (I) mainly composed of a resin (A). A porous layer (II) -forming composition is applied to the porous substrate and dried to form a porous layer (II) containing a filler as a main component. This is a method of using a separator. In this case, the porous layer (I) and the porous layer (II) may be integrated with each other, and each of them is an independent structure, and is integrated in a state of being overlapped in the battery by assembling the battery. It may function as a separator.
セパレータの製造方法(d)は、多孔質層(I)形成用組成物および多孔質層(II)形成用組成物に、更に必要に応じて繊維状物を含有させ、これをフィルムや金属箔などの基板上に塗布し、所定の温度で乾燥した後に、該基板から剥離する方法である。(d)の方法でも、(c)の方法と同様に、樹脂(A)を主体とする多孔質層(I)とフィラーを主体として含む多孔質層(II)とは、それぞれ独立した構成としてもよいし、一体化された構成としてもよい。多孔質層(I)と多孔質層(II)とが一体化された構成とする場合は、(a)の方法と同様に一方の多孔質層を形成し乾燥した後に他方の多孔質層を形成してもよいし、一方の多孔質層形成用組成物を塗布し、乾燥する前に他方の多孔質層形成用組成物を塗布してもよいし、両者の多孔質層形成用組成物を同時に塗布する所謂同時重層塗布方式を用いてもよい。 In the separator production method (d), the porous layer (I) -forming composition and the porous layer (II) -forming composition further contain a fibrous material as necessary, and this is used as a film or metal foil. It is a method of coating on a substrate, etc., drying at a predetermined temperature, and then peeling from the substrate. Also in the method (d), as in the method (c), the porous layer (I) mainly composed of the resin (A) and the porous layer (II) mainly composed of a filler are configured as independent from each other. Or it is good also as an integrated structure. When the porous layer (I) and the porous layer (II) are integrated, the same porous layer is formed and dried as in the method (a). It may be formed, or one porous layer forming composition may be applied, and the other porous layer forming composition may be applied before drying, or both porous layer forming compositions may be applied. A so-called simultaneous multi-layer coating method in which the two are simultaneously applied may be used.
また、(d)の方法によって、電池を構成する正極および負極の少なくとも一方の電極の表面に、多孔質層(I)または多孔質層(II)を形成して、セパレータと電極を一体化した構造としてもよい。この場合、両方の多孔質層を正極および負極の少なくとも一方の電極に形成することもできるし、多孔質層(I)を正極または負極の一方に形成し、多孔質層(II)を他方の電極に形成することも可能である。 Moreover, the separator and the electrode were integrated by forming the porous layer (I) or the porous layer (II) on the surface of at least one of the positive electrode and the negative electrode constituting the battery by the method (d). It is good also as a structure. In this case, both the porous layers can be formed on at least one of the positive electrode and the negative electrode, the porous layer (I) is formed on one of the positive electrode and the negative electrode, and the porous layer (II) is formed on the other electrode. It is also possible to form the electrode.
なお、製造方法(a)〜(d)のいずれかの製法によりセパレータを製造する場合、多孔質層(I)と多孔質層(II)とを一体化するには、前記のように、一方の多孔質層形成用組成物の塗膜、または該塗膜を乾燥して形成された多孔質層の表面に、他方の多孔質層形成用組成物を塗布し乾燥などする方法の他にも、それぞれ独立に形成した多孔質層(I)と多孔質層(II)とを重ね合わせ、ロールプレスなどにより両者を貼り合わせる方法も採用できる。 In addition, when manufacturing a separator by any one of manufacturing methods (a) to (d), in order to integrate the porous layer (I) and the porous layer (II), as described above, In addition to the method of applying the other porous layer forming composition to the surface of the porous layer formed by drying the coated film, or drying the coated layer, etc. Alternatively, a method in which the porous layer (I) and the porous layer (II) formed independently of each other are superposed and bonded together by a roll press or the like can be employed.
また、製造方法(a)〜(d)のいずれかの製法によりセパレータを製造する場合、セパレータに係る多孔質層(I)または多孔質層(II)と電極(正極または負極)とを一体化するには、前記のように、電極の表面に多孔質層形成用組成物を塗布し乾燥して電極表面に直接多孔質層(I)または多孔質層(II)を形成する方法の他にも、独立に形成した多孔質膜(I)もしくは多孔質膜(II)、または多孔質層(I)と多孔質層(II)とを有するセパレータと、電極とを重ね合わせ、ロールプレスなどにより両者を貼り合わせる方法も採用できる。 Moreover, when manufacturing a separator by any one of manufacturing methods (a) to (d), the porous layer (I) or the porous layer (II) according to the separator and the electrode (positive electrode or negative electrode) are integrated. In addition to the method for forming the porous layer (I) or the porous layer (II) directly on the electrode surface, as described above, the porous layer forming composition is applied to the electrode surface and dried. Alternatively, the porous film (I) or the porous film (II) formed independently, or the separator having the porous layer (I) and the porous layer (II), and the electrode are overlapped with each other by a roll press or the like. A method of bonding the two can also be employed.
セパレータの製造方法(e)は、製造方法(a)の箇所で説明したものと同様の多孔質基体に、多孔質層(II)形成用組成物を塗布した後、所定の温度で乾燥して多孔質層(II)を形成し、これを、前記の方法で作製された多孔質層(I)を構成するための微多孔膜と重ね合わせて、1つのセパレータとする方法である。この場合も、多孔質層(I)と多孔質層(II)とは一体化されていてもよいし、それぞれ独立した膜であって、リチウム二次電池の組み立てにより、電池内で重ね合わされた状態で一体のセパレータとして機能するものであってもよい。 In the separator production method (e), the porous layer (II) -forming composition is applied to the same porous substrate as described in the production method (a), and then dried at a predetermined temperature. In this method, the porous layer (II) is formed, and this is overlapped with the microporous film for forming the porous layer (I) produced by the above-described method to form one separator. In this case as well, the porous layer (I) and the porous layer (II) may be integrated, or they are independent films, and are stacked in the battery by assembling the lithium secondary battery. It may function as an integrated separator in the state.
また、この場合にも、多孔質層(II)においては、例えば、前記と同様の手法によって、前記フィラーなどの微粒子が、多孔質基体の全部または一部が、多孔質基体の空隙内に存在する構造とすることが好ましい。 Also in this case, in the porous layer (II), for example, by the same method as described above, the fine particles such as the filler are present, or all or part of the porous substrate is present in the voids of the porous substrate. It is preferable that the structure be
多孔質層(I)と多孔質層(II)を一体化するには、例えば、前記の場合と同様に、多孔質層(I)と多孔質層(II)とを重ね合わせ、ロールプレスなどにより両者を貼り合わせる方法などが採用できる。 In order to integrate the porous layer (I) and the porous layer (II), for example, as in the case described above, the porous layer (I) and the porous layer (II) are overlapped, and a roll press, etc. The method of sticking both together can be adopted.
セパレータの製造方法(f)は、多孔質層(II)形成用組成物に、更に必要に応じて繊維状物を含有させ、これをフィルムや金属箔などの基板上に塗布し、所定の温度で乾燥した後に、該基板から剥離して多孔質層(II)となる多孔質膜を形成し、この多孔質膜と、多孔質層(I)を構成する微多孔膜と重ね合わせて、1つのセパレータとする方法である。 In the separator production method (f), the porous layer (II) -forming composition further contains a fibrous material as necessary, and this is applied onto a substrate such as a film or a metal foil, and is subjected to a predetermined temperature. After drying with the above method, a porous film that peels from the substrate to form a porous layer (II) is formed, and this porous film is superposed on the microporous film that constitutes the porous layer (I). This is a method of using two separators.
製造方法(f)でも、製造方法(e)と同様に、樹脂(A)を主体とする微多孔膜からなる多孔質層(I)と、フィラーを主体として含む多孔質層(II)とは、それぞれ独立した構成としてもよいし、一体化した構成としてもよい。多孔質層(I)と多孔質層(II)を一体化するには、個別に形成した多孔質層(II)と多孔質層(I)とをロールプレスなどにより貼り合わせる方法の他、前記の基板を使用する代わりに、多孔質層(I)の表面に多孔質層(II)形成用組成物を塗布し、乾燥して、多孔質層(I)の表面に直接多孔質層(II)を形成する方法を採用することもできる。 In the production method (f), as in the production method (e), the porous layer (I) composed of a microporous film mainly composed of the resin (A) and the porous layer (II) mainly composed of a filler Each may be an independent configuration or may be an integrated configuration. In order to integrate the porous layer (I) and the porous layer (II), in addition to the method of laminating the individually formed porous layer (II) and porous layer (I) by a roll press or the like, Instead of using the substrate, the composition for forming the porous layer (II) is applied to the surface of the porous layer (I), dried, and the porous layer (II) is directly applied to the surface of the porous layer (I). ) May be employed.
(e)、(f)いずれの製造方法を採用する場合においても、多孔質層(I)を正極および負極の少なくとも一方の電極と一体化してもよい。 In the case of employing any of the manufacturing methods (e) and (f), the porous layer (I) may be integrated with at least one of the positive electrode and the negative electrode.
なお、多孔質層(I)と多孔質層(II)とは、それぞれ1層ずつである必要はなく、複数の層がセパレータ中にあってもよい。例えば、多孔質層(II)の両面に多孔質層(I)を配置した構成としたり、多孔質層(I)の両面に多孔質層(II)を配置した構成としてもよい。ただし、層数を増やすことで、セパレータの厚みを増やして電池の内部抵抗の増加やエネルギー密度の低下を招く虞があるので、層数を多くしすぎるのは好ましくなく、セパレータ中の多孔質層(I)と多孔質層(II)との合計層数は5層以下であることが好ましい。 Note that the porous layer (I) and the porous layer (II) do not have to be one each, and a plurality of layers may be present in the separator. For example, a configuration in which the porous layer (I) is disposed on both sides of the porous layer (II) or a configuration in which the porous layer (II) is disposed on both sides of the porous layer (I) may be employed. However, increasing the number of layers may increase the thickness of the separator and increase the internal resistance of the battery or decrease the energy density. Therefore, it is not preferable to increase the number of layers, and the porous layer in the separator is not preferable. The total number of layers (I) and porous layer (II) is preferably 5 or less.
また、前記の通り、多孔質層(I)と多孔質層(II)とは、一体化して独立膜としてセパレータを構成する以外に、それぞれ独立した構成要素とし、リチウム二次電池が組み立てられた段階で、リチウム二次電池内で重ね合わされた状態となり、正極と負極の間に介在するセパレータとして機能するようにすることもできる。更に、多孔質層(I)と多孔質層(II)とは接している必要はなく、それらの間に別の層、例えば、多孔質基体を構成する繊維状物の層などが介在していてもよい。 In addition, as described above, the porous layer (I) and the porous layer (II) are integrated as independent components in addition to constituting a separator as an independent film, and lithium secondary batteries are assembled. At the stage, the battery is superposed in the lithium secondary battery, and can function as a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. Furthermore, the porous layer (I) and the porous layer (II) do not need to be in contact with each other, and another layer, for example, a fibrous material layer constituting the porous substrate is interposed therebetween. May be.
本発明のリチウム二次電池に係る負極には、負極材料であるSiOxと、導電性材料とを少なくとも含有する負極合剤層を有する負極を用いる。 For the negative electrode according to the lithium secondary battery of the present invention, a negative electrode having a negative electrode mixture layer containing at least SiO x as a negative electrode material and a conductive material is used.
負極材料に使用するSi(シリコン)とO(酸素)を構成元素に含む化合物(ただし、Siに対するOの原子比xは、0.5≦x≦1.5である)は、Siの微結晶または非晶質相を含んでいてもよく、この場合、SiとOの原子比は、Siの微結晶または非晶質相のSiを含めた比率となる。 A compound containing Si (silicon) and O (oxygen) as constituent elements used for the negative electrode material (however, the atomic ratio x of O to Si is 0.5 ≦ x ≦ 1.5) is a microcrystal of Si. Alternatively, an amorphous phase may be included, and in this case, the atomic ratio between Si and O is a ratio including Si microcrystals or amorphous phase Si.
すなわち、前記の化合物には、非晶質のSiO2マトリックス中に、Si(例えば、微結晶Si)が分散した構造のものが含まれ、この非晶質のSiO2と、その中に分散しているSiを合わせて、前記の原子比xが0.5≦x≦1.5を満足していればよい。例えば、非晶質のSiO2マトリックス中に、Siが分散した構造で、SiO2とSiのモル比が1:1の化合物の場合、x=1であるので、構造式としてはSiOで表記される。このような構造の化合物の場合、例えば、X線回折分析では、Si(微結晶Si)の存在に起因するピークが観察されない場合もあるが、透過型電子顕微鏡で観察すると、微細なSiの存在が確認できる。 That is, the compounds are in the SiO 2 matrix of amorphous Si (e.g., microcrystalline Si) is include the dispersed structure, the SiO 2 of the amorphous, dispersed therein It is sufficient that the atomic ratio x satisfies 0.5 ≦ x ≦ 1.5 in combination with Si. For example, in the case of a compound in which Si is dispersed in an amorphous SiO 2 matrix and the molar ratio of SiO 2 to Si is 1: 1, x = 1, so that the structural formula is represented by SiO. The In the case of a compound having such a structure, for example, in X-ray diffraction analysis, a peak due to the presence of Si (microcrystalline Si) may not be observed, but when observed with a transmission electron microscope, the presence of fine Si Can be confirmed.
前記化合物SiOxは、炭素材料などの導電性材料と複合化した複合体であることが好ましく、例えば、SiOxの表面が導電性材料(炭素材料など)で被覆されていることが望ましい。前記の通り、SiOxは導電性が乏しいため、これを負極活物質として用いる際には、良好な電池特性確保の観点から、導電性材料(導電助剤)を使用し、負極内におけるSiOxと導電性材料との混合・分散を良好にして、優れた導電ネットワークを形成する必要がある。SiOxを導電性材料と複合化した複合体であれば、例えば、単にSiOxと導電性材料とを混合して得られた材料を用いた場合よりも、負極における導電ネットワークが良好に形成される。 The compound SiO x is preferably a composite that is combined with a conductive material such as a carbon material. For example, the surface of the SiO x is preferably covered with a conductive material (such as a carbon material). As described above, since SiO x has poor conductivity, when using it as a negative electrode active material, from the viewpoint of securing good battery characteristics, a conductive material (conductive aid) is used, and SiO x in the negative electrode is used. It is necessary to form an excellent conductive network by mixing and dispersing the material and the conductive material well. In the case of a composite in which SiO x is combined with a conductive material, for example, a conductive network in the negative electrode is formed better than when a material obtained by simply mixing SiO x and a conductive material is used. The
SiOxと導電性材料との複合体としては、前記のように、SiOxの表面を導電性材料(好ましくは炭素材料)で被覆したものの他、SiOxと導電性材料(好ましくは炭素材料)との造粒体などが挙げられる。 As a composite of SiO x and a conductive material, as described above, the surface of SiO x is covered with a conductive material (preferably a carbon material), and SiO x and a conductive material (preferably a carbon material). And the like.
また、前記の、SiOxの表面を導電性材料(好ましくは炭素材料)で被覆した複合体を、更に導電性材料(炭素材料など)と複合化して用いることで、負極において更に良好な導電ネットワークの形成が可能となるため、より高容量で、電池特性(例えば、充放電サイクル特性)に優れたリチウム二次電池の実現が可能となる。導電性材料で被覆されたSiOxと導電性材料との複合体としては、例えば、導電性材料で被覆されたSiOxと導電性材料との混合物を更に造粒した造粒体などが挙げられる。 Further, by using the composite in which the surface of SiO x is coated with a conductive material (preferably a carbon material) in combination with a conductive material (such as a carbon material), an even better conductive network can be obtained in the negative electrode. Therefore, it is possible to realize a lithium secondary battery with higher capacity and excellent battery characteristics (for example, charge / discharge cycle characteristics). The complex of the SiO x and a conductive material coated with a conductive material, for example, like granules the mixture was further granulated with SiO x and a conductive material coated with a conductive material .
また、表面が導電性材料で被覆されたSiOxとしては、SiOxとそれよりも比抵抗値が小さい導電性材料との複合体(例えば造粒体)、好ましくはSiOxと炭素材料との複合体の表面が、更に炭素材料で被覆されてなるものも、好ましく用いることができる。前記造粒体内部でSiOxと導電性材料が分散した状態であると、より良好な導電ネットワークを形成できるため、これを負極材料として含有する負極を有するリチウム二次電池において、重負荷放電特性などの電池特性を更に向上させることができる。 As the SiO x whose surface is coated with a conductive material, a complex with SiO x and a conductive material resistivity value is less than (e.g. granulate), preferably between SiO x and the carbon material Those in which the surface of the composite is further coated with a carbon material can be preferably used. In a state where SiO x and the conductive material are dispersed in the granulated body, a better conductive network can be formed. Therefore, in a lithium secondary battery having a negative electrode containing this as a negative electrode material, heavy load discharge characteristics The battery characteristics such as can be further improved.
SiOxとの複合体の形成に用い得る前記導電性材料としては、例えば、黒鉛、低結晶性炭素、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維などの炭素材料が好ましいものとして挙げられる。 Preferred examples of the conductive material that can be used for forming a composite with SiO x include carbon materials such as graphite, low crystalline carbon, carbon nanotube, and vapor grown carbon fiber.
前記導電性材料の詳細としては、繊維状またはコイル状の炭素材料、繊維状またはコイル状の金属、カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラックを含む)、人造黒鉛、易黒鉛化炭素および難黒鉛化炭素よりなる群から選ばれる少なくとも1種の材料が好ましい。繊維状またはコイル状の炭素材料や、繊維状またコイル状の金属は、導電ネットワークを形成し易く、かつ表面積の大きい点において好ましい。カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラックを含む)、人造黒鉛、易黒鉛化炭素および難黒鉛化炭素は、高い電気伝導性、高い保液性を有しており、さらに、電池の充放電によりSiOx粒子が膨張収縮しても、その粒子との接触を保持し易い性質を有している点において好ましい。 Details of the conductive material include a fibrous or coiled carbon material, a fibrous or coiled metal, carbon black (including acetylene black and ketjen black), artificial graphite, graphitizable carbon and non-graphitizable. At least one material selected from the group consisting of carbon is preferred. A fibrous or coiled carbon material or a fibrous or coiled metal is preferable in that it easily forms a conductive network and has a large surface area. Carbon black (including acetylene black and ketjen black), artificial graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon have high electrical conductivity and high liquid retention. Even if the x particles expand and contract, it is preferable in that it has a property of easily maintaining contact with the particles.
前記例示の導電性材料の中でも、SiOxとの複合体が造粒体である場合に用いるものとしては、繊維状の炭素材料が特に好ましい。繊維状の炭素材料は、その形状が細い糸状であり柔軟性が高いために電池の充放電に伴うSiOxの膨張収縮に追従でき、また、嵩密度が大きいために、SiOx粒子と多くの接合点を持つことができるからである。繊維状の炭素としては、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブなどが挙げられ、これらの何れを用いてもよい。 Among the conductive materials exemplified above, a fibrous carbon material is particularly preferable as a material used when the composite with SiO x is a granulated body. Fibrous carbon material can follow the expansion and contraction of SiO x with the charging and discharging of the battery due to the high shape is thin threadlike flexibility, also because bulk density is large, many and SiO x particles It is because it can have a junction. Examples of the fibrous carbon include polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, and carbon nanotube, and any of these may be used.
なお、繊維状の炭素材料や繊維状の金属は、例えば、気相法にてSiOx粒子の表面に形成することもできる。 In addition, a fibrous carbon material and a fibrous metal can also be formed on the surface of SiO x particles by, for example, a vapor phase method.
SiOxの比抵抗値が、通常、103〜107kΩcmであるのに対して、前記例示の導電性材料の比抵抗値は、通常、10−5〜10kΩcmである。 The specific resistance value of SiO x is usually 10 3 to 10 7 kΩcm, whereas the specific resistance value of the exemplified conductive material is usually 10 −5 to 10 kΩcm.
また、本発明に係る前記負極材料は、粒子表面の炭素材料被覆層を覆う材料層(難黒鉛化炭素を含む材料層)を更に有していてもよい。 The negative electrode material according to the present invention may further include a material layer (a material layer containing non-graphitizable carbon) that covers the carbon material coating layer on the particle surface.
本発明に係る前記負極材料が、SiOxと導電性材料との複合体の場合、SiOxと導電性材料との比率は、導電性材料との複合化による作用を良好に発揮させる観点から、SiOx:100質量部に対して、導電性材料が、5質量部以上であることが好ましく、10質量部以上であることがより好ましい。また、前記負極材料において、SiOxと複合化する導電性材料の比率が多すぎると、負極合剤層中のSiOx量の低下に繋がり、高容量化の効果が小さくなる虞があることから、SiOx:100質量部に対して、導電性材料は、50質量部以下であることが好ましく、40質量部以下であることがより好ましい。 The negative electrode material according to the present invention, when the complex of the SiO x and a conductive material, the ratio between the SiO x and a conductive material, from the viewpoint of satisfactorily exhibiting the effect by compounding the conductive material, SiO x: relative to 100 parts by weight, the conductive material is preferably at least 5 parts by weight, and more preferably 10 parts by mass or more. Moreover, in the negative electrode material, if the ratio of the conductive material to be combined with SiO x is too large, the amount of SiO x in the negative electrode mixture layer may be reduced, and the effect of increasing the capacity may be reduced. , SiO x : The conductive material is preferably 50 parts by mass or less and more preferably 40 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of SiO x .
本発明に係る前記負極材料は、例えば下記の方法によって得ることができる。 The negative electrode material according to the present invention can be obtained, for example, by the following method.
まず、SiOxを複合化する場合の作製方法について説明する。SiOxが分散媒に分散した分散液を用意し、それを噴霧し乾燥して、複数の粒子を含む複合粒子を作製する。分散媒としては、例えば、エタノールなどを用いることができる。分散液の噴霧は、通常、50〜300℃の雰囲気内で行うことが適当である。前記の方法以外にも、振動型や遊星型のボールミルやロッドミルなどを用いた機械的な方法による造粒方法においても、同様の複合粒子を作製することができる。 First, a manufacturing method in the case of combining SiO x will be described. A dispersion liquid in which SiO x is dispersed in a dispersion medium is prepared, and sprayed and dried to produce composite particles including a plurality of particles. For example, ethanol or the like can be used as the dispersion medium. It is appropriate to spray the dispersion in an atmosphere of 50 to 300 ° C. In addition to the above method, similar composite particles can be produced also by a granulation method by a mechanical method using a vibration type or planetary type ball mill or rod mill.
なお、SiOxと、SiOxよりも比抵抗値の小さい導電性材料との造粒体を作製する場合には、SiOxが分散媒に分散した分散液中に前記導電性材料を添加し、この分散液を用いて、SiOxを複合化する場合と同様の手法によって複合粒子(造粒体)とすればよい。また、前記と同様の機械的な方法による造粒方法によっても、SiOxと導電性材料との造粒体を作製することができる。 Incidentally, the SiO x, in the case of manufacturing a granulated body with small conductive material resistivity value than SiO x is adding the conductive material into the dispersions SiO x are dispersed in a dispersion medium, Using this dispersion, composite particles (granulated body) may be formed by the same technique as that for combining SiO x . Further, by granulation process according to the similar mechanical method, it is possible to produce a granular material of SiO x and a conductive material.
次に、SiOx粒子(SiOx複合粒子、またはSiOxと導電性材料との造粒体)の表面を炭素材料で被覆して複合体とする場合には、例えば、SiOx粒子と炭化水素系ガスとを気相中にて加熱して、炭化水素系ガスの熱分解により生じた炭素を、粒子の表面上に堆積させる。このように、気相成長(CVD)法によれば、炭化水素系ガスが複合粒子の隅々にまで行き渡り、粒子の表面や表面の空孔内に、導電性を有する炭素材料を含む薄くて均一な皮膜(炭素材料被覆層)を形成できることから、少量の炭素材料によってSiOx粒子に均一性よく導電性を付与できる。 Next, when the surface of SiO x particles (SiO x composite particles or a granulated body of SiO x and a conductive material) is coated with a carbon material to form a composite, for example, SiO x particles and hydrocarbons are used. The system gas is heated in the gas phase, and carbon generated by thermal decomposition of the hydrocarbon system gas is deposited on the surface of the particles. As described above, according to the vapor deposition (CVD) method, the hydrocarbon-based gas spreads to every corner of the composite particle, and the surface of the particle and the pores in the surface are thin and contain a conductive carbon material. Since a uniform film (carbon material coating layer) can be formed, the SiO x particles can be imparted with good conductivity with a small amount of carbon material.
炭素材料で被覆されたSiOxの製造において、気相成長(CVD)法の処理温度(雰囲気温度)については、炭化水素系ガスの種類によっても異なるが、通常、600〜1200℃が適当であり、中でも、700℃以上であることが好ましく、800℃以上であることが更に好ましい。処理温度が高い方が不純物の残存が少なく、かつ導電性の高い炭素を含む被覆層を形成できるからである。 In the production of SiO x coated with a carbon material, the processing temperature (atmosphere temperature) of the vapor deposition (CVD) method varies depending on the type of hydrocarbon gas, but usually 600 to 1200 ° C. is appropriate. Among these, the temperature is preferably 700 ° C. or higher, and more preferably 800 ° C. or higher. This is because the higher the treatment temperature, the less the remaining impurities, and the formation of a coating layer containing carbon having high conductivity.
炭化水素系ガスの液体ソースとしては、トルエン、ベンゼン、キシレン、メシチレンなどを用いることができるが、取り扱い易いトルエンが特に好ましい。これらを気化させる(例えば、窒素ガスでバブリングする)ことにより炭化水素系ガスを得ることができる。また、メタンガスやアセチレンガスなどを用いることもできる。 As the liquid source of the hydrocarbon-based gas, toluene, benzene, xylene, mesitylene and the like can be used, but toluene that is easy to handle is particularly preferable. A hydrocarbon-based gas can be obtained by vaporizing them (for example, bubbling with nitrogen gas). Moreover, methane gas, acetylene gas, etc. can also be used.
また、気相成長(CVD)法にてSiOx粒子(SiOx複合粒子、またはSiOxと導電性材料との造粒体)の表面を炭素材料で覆った後に、石油系ピッチ、石炭系のピッチ、熱硬化製樹脂、およびナフタレンスルホン酸塩とアルデヒド類との縮合物よりなる群から選択される少なくとも1種の有機化合物を、炭素材料を含む被覆層に付着させた後、前記有機化合物が付着した粒子を焼成してもよい。 In addition, after covering the surface of SiO x particles (SiO x composite particles, or a granulated body of SiO x and a conductive material) with a carbon material by a vapor deposition (CVD) method, petroleum pitch, coal-based After attaching at least one organic compound selected from the group consisting of pitch, thermosetting resin, and a condensate of naphthalene sulfonate and aldehydes to a coating layer containing a carbon material, the organic compound is The adhered particles may be fired.
具体的には、炭素材料で被覆されたSiOx粒子(SiOx複合粒子、またはSiOxと導電性材料との造粒体)と、前記有機化合物とが分散媒に分散した分散液を用意し、この分散液を噴霧し乾燥して、有機化合物によって被覆された粒子を形成し、その有機化合物によって被覆された粒子を焼成する。 Specifically, a dispersion liquid in which a SiO x particle (SiO x composite particle or a granulated body of SiO x and a conductive material) coated with a carbon material and the organic compound are dispersed in a dispersion medium is prepared. The dispersion is sprayed and dried to form particles coated with the organic compound, and the particles coated with the organic compound are fired.
前記ピッチとしては等方性ピッチを、熱硬化製樹脂としてはフェノール樹脂、フラン樹脂、フルフラール樹脂などを用いることができる。ナフタレンスルホン酸塩とアルデヒド類との縮合物としては、ナフタレンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物を用いることができる。 An isotropic pitch can be used as the pitch, and a phenol resin, a furan resin, a furfural resin, or the like can be used as the thermosetting resin. As the condensate of naphthalene sulfonate and aldehydes, naphthalene sulfonic acid formaldehyde condensate can be used.
炭素材料で被覆されたSiOx粒子と前記有機化合物を分散させるための分散媒としては、例えば、水、アルコール類(エタノールなど)を用いることができる。分散液の噴霧は、通常、50〜300℃の雰囲気内で行うことが適当である。焼成温度は、通常、600〜1200℃が適当であるが、中でも700℃以上が好ましく、800℃以上であることが更に好ましい。処理温度が高い方が不純物の残存が少なく、かつ導電性の高い良質な炭素材料を含む被覆層を形成できるからである。ただし、処理温度はSiOxの融点以下であることを要する。 As a dispersion medium for dispersing the SiO x particles coated with the carbon material and the organic compound, for example, water or alcohols (ethanol or the like) can be used. It is appropriate to spray the dispersion in an atmosphere of 50 to 300 ° C. The firing temperature is usually 600 to 1200 ° C., preferably 700 ° C. or higher, and more preferably 800 ° C. or higher. This is because the higher the processing temperature, the less the remaining impurities, and the formation of a coating layer containing a high-quality carbon material with high conductivity. However, the processing temperature needs to be lower than the melting point of SiO x .
本発明に係る負極は、前記の負極材料(SiOxまたはSiOxと導電性材料との複合体)と、バインダ(結着剤)などとを含む混合物(負極合剤)に,適当な溶媒(分散媒)を加えて十分に混練して得たペースト状やスラリー状の負極合剤含有組成物を、集電体に塗布し、乾燥などにより溶媒(分散媒)を除去して、所定の厚みおよび密度を有する負極合剤層を形成することによって得ることができる。なお、本発明に係る負極は、前記の製法により得られたものに限られず、他の製法で製造したものであってもよい。 The negative electrode according to the present invention includes a suitable solvent (a negative electrode mixture) containing a mixture of the negative electrode material (SiO x or a composite of SiO x and a conductive material) and a binder (binder). A paste-like or slurry-like negative electrode mixture-containing composition obtained by adding and dispersing the dispersion medium) is applied to a current collector, and the solvent (dispersion medium) is removed by drying or the like to obtain a predetermined thickness. And a negative electrode mixture layer having a density can be obtained. In addition, the negative electrode which concerns on this invention is not restricted to what was obtained by the said manufacturing method, The thing manufactured by the other manufacturing method may be used.
負極合剤層に使用するバインダとしては、ポリイミド、ポリアミドイミドおよびポリアミドのうちの少なくとも1種が好ましい。これらのバインダは、負極合剤層中の負極材料同士や、負極材料(SiOx粒子またはSiOxと導電性材料との複合体)と、SiOxと導電性材料との複合体とは別に負極合剤層に導電助剤として単独で含有される導電性材料とを結着する力が強いため、電池の充放電の繰り返しによってSiOxの膨張収縮が生じても、これらの接触を維持して、負極合剤層内の導電ネットワークを良好に保持することができる。 The binder used for the negative electrode mixture layer is preferably at least one of polyimide, polyamideimide and polyamide. These binders are separated from negative electrode materials in the negative electrode mixture layer, negative electrode material (a composite of SiO x particles or SiO x and a conductive material), and a composite of SiO x and a conductive material. Since the power to bind the conductive material contained alone as a conductive aid to the mixture layer is strong, even if expansion and contraction of SiO x occurs due to repeated charging and discharging of the battery, these contacts are maintained. The conductive network in the negative electrode mixture layer can be favorably retained.
ポリイミドとしては、公知の各種ポリイミドが挙げられ、熱可塑性ポリイミド、熱硬化性ポリイミドの何れも使用することができる。また、熱硬化性ポリイミドの場合には、縮合型のポリイミド、付加型のポリイミドの何れであってもよい。より具体的には、例えば、東レ社製「セミコファイン(商品名)」、日立化成デュポンマイクロシステムズ社製「PIXシリーズ(商品名)」、日立化成社製「HCIシリーズ(商品名)」、宇部興産社製「U−ワニス(商品名)」などの市販品を使用することができる。なお、電子の移動性が良好であるなどの理由から、分子鎖中に芳香環を有するもの、すなわち芳香族ポリイミドがより好ましい。ポリイミドは、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the polyimide include various known polyimides, and any of thermoplastic polyimide and thermosetting polyimide can be used. In the case of a thermosetting polyimide, either a condensation type polyimide or an addition type polyimide may be used. More specifically, for example, “Semicofine (trade name)” manufactured by Toray Industries, “PIX series (trade name)” manufactured by Hitachi Chemical DuPont Microsystems, “HCI series (trade name)” manufactured by Hitachi Chemical, Ube Commercial products such as “U-Varnish (trade name)” manufactured by Kosan Co., Ltd. can be used. For reasons such as good electron mobility, those having an aromatic ring in the molecular chain, that is, aromatic polyimide are more preferred. Only one type of polyimide may be used, or two or more types may be used in combination.
ポリアミドイミドとしては、公知の各種ポリアミドイミドが挙げられる。より具体的には、例えば、日立化成社製「HPCシリーズ(商品名)」、東洋紡績社製「バイロマックス(商品名)」などの市販品を使用することができる。なお、ポリアミドイミドにおいても、ポリイミドと同じ理由から、分子鎖中に芳香環を有するもの、すなわち芳香族ポリアミドイミドがより好ましい。ポリアミドイミドは、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the polyamideimide include various known polyamideimides. More specifically, for example, commercially available products such as “HPC series (trade name)” manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd. and “Viromax (trade name)” manufactured by Toyobo Co., Ltd. can be used. In addition, also in a polyamideimide, for the same reason as a polyimide, what has an aromatic ring in a molecular chain, ie, an aromatic polyamideimide, is more preferable. Polyamideimide may use only 1 type and may use 2 or more types together.
ポリアミドとしては、例えば、ナイロン66、ナイロン6、芳香族ポリアミド(ナイロンMXD6など)などの各種ポリアミドが使用できる。なお、ポリアミドにおいても、ポリイミドなどと同じ理由から、分子鎖中に芳香環を有するもの、すなわち芳香族ポリアミドがより好ましい。ポリアミドは、1種のみを使用してもよく、2種以上のポリアミドを併用してもよい。 As polyamide, various polyamides, such as nylon 66, nylon 6, aromatic polyamide (nylon MXD6 etc.), can be used, for example. In addition, also in a polyamide, the thing which has an aromatic ring in a molecular chain, ie, an aromatic polyamide, is more preferable for the same reason as a polyimide etc. Only one type of polyamide may be used, or two or more types of polyamide may be used in combination.
また、前記以外にも、でんぷん、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチルセルロースなどの多糖類やそれらの変成体;ポリビニルクロリド、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ弗化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂やそれらの変成体;エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、ポリブタジエン、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシドなどのゴム状弾性を有するポリマーやそれらの変成体;などをバインダとしてもよい。 In addition to the above, polysaccharides such as starch, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, diacetyl cellulose and their modified products; polyvinyl chloride, polyvinyl pyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, Thermoplastic resins such as polyethylene and polypropylene, and modified products thereof; ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, butadiene rubber, polybutadiene, fluorine rubber, polyethylene oxide, etc. A polymer or a modified product thereof may be used as a binder.
前記の各種バインダは1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 The various binders described above may be used alone or in combination of two or more.
前記負極合剤には、さらに導電助剤として導電性材料を添加してもよい。このような導電性材料としては、電池内において化学変化を起こさないものであれば特に限定されない。通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、金属粉(銅、ニッケル、アルミニウム、銀など)、金属繊維、ポリフェニレン誘導体(特開昭59−20971号公報に記載のもの)などの材料を、1種または2種以上用いることができる。 A conductive material may be further added to the negative electrode mixture as a conductive auxiliary. Such a conductive material is not particularly limited as long as it does not cause a chemical change in the battery. Usually, natural graphite (such as scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite), artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, metal powder (copper, nickel, aluminum, silver, etc.), metal fiber, One or more materials such as polyphenylene derivatives (described in JP-A-59-20971) can be used.
負極に係る負極合剤層においては、電池の容量を高める観点から、前記負極材料(SiOxまたはSiOxと導電性材料との複合体)の含有量が、60質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましい。ただし、負極合剤層中における前記負極材料の量が多すぎると、例えばバインダの量が少なくなって、バインダによる作用(例えば、SiOxの体積変化による負極内の導電ネットワークの破壊を抑制する作用)が小さくなる虞があることから、前記負極材料の含有量は、99質量%以下であることが好ましく、98質量%以下であることがより好ましい。 In the negative electrode mixture layer related to the negative electrode, from the viewpoint of increasing the capacity of the battery, the content of the negative electrode material (SiO x or a composite of SiO x and a conductive material) is preferably 60% by mass or more. 70% by mass or more is more preferable. However, if the amount of the negative electrode material in the negative electrode mixture layer is too large, for example, the amount of the binder decreases, and the action of the binder (for example, the action of suppressing the destruction of the conductive network in the negative electrode due to the volume change of SiO x ) ) May be small, the content of the negative electrode material is preferably 99% by mass or less, and more preferably 98% by mass or less.
また、負極合剤層中におけるバインダの含有量は、バインダの使用による作用をより有効に発揮させる観点から、1質量%以上であることが好ましく、2質量%以上であることがより好ましい。ただし、負極合剤層中におけるバインダの量が多すぎると、例えば前記負極材料の量が少なくなって、高容量化の効果が小さくなる虞があることから、バインダの含有量は、30質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましい。 In addition, the content of the binder in the negative electrode mixture layer is preferably 1% by mass or more, and more preferably 2% by mass or more, from the viewpoint of more effectively exerting the action due to the use of the binder. However, if the amount of the binder in the negative electrode mixture layer is too large, for example, the amount of the negative electrode material decreases and the effect of increasing the capacity may be reduced. Therefore, the binder content is 30% by mass. Or less, more preferably 20% by mass or less.
なお、負極合剤層のバインダとして、ポリイミド、ポリアミドイミドまたはポリアミドと、これら以外のバインダを併用する場合には、負極合剤層中のポリイミド、ポリアミドイミドまたはポリアミドの含有量を、好ましくは1質量%以上、より好ましくは2質量%以上としつつ、前記の好適なバインダ量を満足するように調整することが望ましい。負極合剤層中におけるポリイミド、ポリアミドイミドまたはポリアミドの量を前記のようにすることで、これらの使用による作用をより有効に発揮させることができるようになる。 In addition, when using polyimide, polyamideimide, or polyamide and a binder other than these as a binder of a negative mix layer, content of the polyimide, polyamideimide, or polyamide in a negative mix layer is preferably 1 mass. % Or more, more preferably 2% by mass or more, and it is desirable to adjust so as to satisfy the preferable binder amount. By making the amount of polyimide, polyamideimide or polyamide in the negative electrode mixture layer as described above, the effect of using these can be more effectively exhibited.
更に、負極合剤層においては、電池をより高容量化する観点から、導電性材料(SiOxとの複合体に含まれている導電性材料、および必要に応じてSiOxとの複合体としてではなく、単独で使用される導電性材料)の合計量が、50質量%以下であることが好ましく、40質量%以下であることがより好ましい。また、負極合剤層において導電ネットワークを良好に形成する観点からは、負極合剤層中における導電性材料の合計量が、5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましい。 Further, in the negative electrode mixture layer, from the viewpoint of a higher capacity batteries, a conductive material (conductive material contained in the complex with SiO x, and as a complex with SiO x as required However, the total amount of the conductive material used alone is preferably 50% by mass or less, and more preferably 40% by mass or less. Further, from the viewpoint of satisfactorily forming a conductive network in the negative electrode mixture layer, the total amount of the conductive material in the negative electrode mixture layer is preferably 5% by mass or more, and preferably 10% by mass or more. More preferred.
負極合剤層の厚みは、例えば、10〜100μmであることが好ましい。 The thickness of the negative electrode mixture layer is preferably 10 to 100 μm, for example.
また、本発明のリチウム二次電池に係る負極には、負極合剤層表面に、Liと反応しない絶縁性の材料を含有する多孔質層(以下、「コート層」という場合がある)を有するものを使用することもできる。図1に、コート層を有する負極の一例の断面模式図を示している。負極1は、SiOxを含む負極材料を含有する負極合剤層3表面に、負極1の強度を向上させるためのコート層2を積層した形で構成されている。なお、4は集電体である。
Further, the negative electrode according to the lithium secondary battery of the present invention has a porous layer (hereinafter sometimes referred to as “coat layer”) containing an insulating material that does not react with Li on the surface of the negative electrode mixture layer. Things can also be used. In FIG. 1, the cross-sectional schematic diagram of an example of the negative electrode which has a coating layer is shown. The
前記のように負極合剤層表面にコート層を有する負極を使用し、更に、負極合剤層のバインダとしてポリイミド、ポリアミドイミドおよびポリアミドのうちの少なくとも1種を使用した場合には、充放電時におけるSiOxの体積変化に伴う負極の湾曲や、負極を含む電極体(負極、正極およびセパレータにより構成される巻回構造の電極体や積層構造の電極体など)の厚み方向の膨れを抑制できる。そのため、負極の湾曲や負極を含む電極体の膨れに起因する電池膨れの発生を防止することができる。 When a negative electrode having a coating layer on the surface of the negative electrode mixture layer as described above is used, and when at least one of polyimide, polyamideimide and polyamide is used as the binder of the negative electrode mixture layer, Can suppress the bending of the negative electrode accompanying the volume change of SiO x and the swelling in the thickness direction of the electrode body including the negative electrode (such as a wound structure electrode body constituted by a negative electrode, a positive electrode and a separator, or an electrode body having a laminated structure). . Therefore, it is possible to prevent the occurrence of battery swelling due to the bending of the negative electrode and the swelling of the electrode body including the negative electrode.
負極に係るコート層は、Liと反応しない絶縁性の材料を含有し、非水電解液が通過可能な程度の細孔を備えた層(多孔質層)である。 The coat layer according to the negative electrode is a layer (porous layer) that contains an insulating material that does not react with Li and has pores that allow a non-aqueous electrolyte to pass through.
コート層を構成するためのLiと反応しない絶縁性の材料としては、各種の無機微粒子や有機微粒子が挙げられる。無機微粒子としては、金属元素または非金属元素のカルコゲナイト(酸化物、硫化物など)、窒化物、炭化物、ケイ化物などが好ましい。 Examples of the insulating material that does not react with Li for constituting the coat layer include various inorganic fine particles and organic fine particles. As the inorganic fine particles, chalcogenites (oxides, sulfides, etc.), nitrides, carbides, silicides, etc. of metal elements or nonmetal elements are preferable.
前記の金属元素または非金属元素のカルコゲナイトとしては、酸化物が好ましく、還元され難い酸化物がより好ましい。このような酸化物としては、例えば、MgO、CaO、SrO、BaO、ZrO2、ZnO、B2O3、Al2O3、AlOOHに代表されるベーマイト、Ga2O3、In2O3、SiO2、As4O6、Sb2O5などが挙げられる。これらの中でも、ZnO、Al2O3、AlOOHに代表されるベーマイト、Ga2O3、SiO2、ZrO2が特に好ましい。また、これらの酸化物は、単独のものであっても、複合酸化物であっても構わない。 The metal element or non-metal element chalcogenite is preferably an oxide, and more preferably an oxide that is not easily reduced. Examples of such oxides include, for example, MgO, CaO, SrO, BaO, ZrO 2 , ZnO, B 2 O 3 , Al 2 O 3 , boehmite typified by AlOOH, Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , Examples thereof include SiO 2 , As 4 O 6 , and Sb 2 O 5 . Among these, boehmite typified by ZnO, Al 2 O 3 , and AlOOH, Ga 2 O 3 , SiO 2 , and ZrO 2 are particularly preferable. These oxides may be single or complex oxides.
前記の金属元素または非金属元素の窒化物としては、窒化アルミニウム(AlN)やBNが、金属元素または非金属元素の炭化物やケイ化物としては、SiCが挙げられ、これらは絶縁性が高く且つ化学的に安定である点で好ましい。 Examples of the nitride of the metal element or nonmetal element include aluminum nitride (AlN) and BN, and examples of the carbide and silicide of the metal element or nonmetal element include SiC, which have high insulation and chemical properties. It is preferable in that it is stable.
コート層を構成するためのLiと反応しない絶縁性の材料のうち、有機微粒子としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂の微粒子や、ラテックスの架橋体など、例えば、300℃以下の温度で流動するなどして膜状となったり、分解したりしないものが好ましい。 Among the insulating materials that do not react with Li for constituting the coat layer, the organic fine particles include, for example, fine particles of fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), crosslinked latex, etc. Those which do not form a film or decompose by flowing at a temperature are preferred.
Liと反応しない絶縁性の材料の粒径は、例えば、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.2μm以上であって、好ましくは10μm以下、より好ましくは5μm以下である。 The particle size of the insulating material that does not react with Li is, for example, preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.2 μm or more, preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less.
コート層には電子伝導性の材料を含んでもよい。電子伝導性の材料はコート層の必須成分ではないが、後述するように、負極に係るSiOxに予めLiを導入する場合には、電子伝導性の材料をコート層に含有させる。 The coat layer may include an electron conductive material. The electron conductive material is not an essential component of the coat layer. However, as will be described later, when Li is introduced in advance into SiO x of the negative electrode, the electron conductive material is contained in the coat layer.
コート層に使用可能な電子伝導性の材料としては、例えば、炭素粒子、炭素繊維などの炭素材料;金属粒子、金属繊維などの金属材料;金属酸化物;などが挙げられる。これらの中でも、Liとの反応性が低い炭素粒子や金属粒子が好ましい。 Examples of the electron conductive material that can be used for the coating layer include carbon materials such as carbon particles and carbon fibers; metal materials such as metal particles and metal fibers; and metal oxides. Among these, carbon particles and metal particles having low reactivity with Li are preferable.
炭素材料としては、例えば、電池を構成する電極において、導電助剤として用いられている公知の炭素材料を用いることができる。具体的には、カーボンブラック(サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなど)、黒鉛(燐片状黒鉛、土状黒鉛などの天然黒鉛や人造黒鉛)などの炭素粒子や、炭素繊維が挙げられる。 As the carbon material, for example, a known carbon material that is used as a conductive additive in an electrode constituting a battery can be used. Specifically, carbon such as carbon black (thermal black, furnace black, channel black, lamp black, ketjen black, acetylene black, etc.), graphite (natural graphite such as flake graphite, earth graphite, and artificial graphite) Examples include particles and carbon fibers.
前記の炭素材料の中でも、カーボンブラックと黒鉛を併用することが、後記のバインダとの分散性の観点から特に好ましい。また、カーボンブラックとしては、ケッチェンブラックやアセチレンブラックが特に好ましい。 Among the carbon materials described above, the combined use of carbon black and graphite is particularly preferable from the viewpoint of dispersibility with a binder described later. Further, as the carbon black, ketjen black and acetylene black are particularly preferable.
炭素粒子の粒径は、例えば、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.02μm以上であって、好ましくは10μm以下、より好ましくは5μm以下である。 The particle size of the carbon particles is, for example, preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.02 μm or more, preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less.
コート層を構成する電子伝導性の材料のうち、金属粒子や金属繊維としては、Liとの反応性が低く合金を形成し難い金属元素で構成されているものが好ましい。金属粒子や金属繊維を構成する具体的な金属元素としては、例えば、Ti、Fe、Ni、Cu、Mo、Ta、Wなどが挙げられる。 Among the electron conductive materials constituting the coat layer, the metal particles and the metal fibers are preferably composed of a metal element that has low reactivity with Li and is difficult to form an alloy. Specific metal elements constituting the metal particles and metal fibers include, for example, Ti, Fe, Ni, Cu, Mo, Ta, and W.
金属粒子の場合には、その形状に特に制限はなく、塊状、針状、柱状、板状など、いずれの形状であってもよい。また、金属粒子や金属繊維は、その表面があまり酸化されていないものが好ましく、過度に酸化されているものについては、予め還元雰囲気中で熱処理するなどした後に、コート層形成に供することが望ましい。 In the case of metal particles, the shape is not particularly limited, and may be any shape such as a lump shape, a needle shape, a column shape, or a plate shape. Further, the metal particles and the metal fibers are preferably those whose surfaces are not oxidized so much, and those that are excessively oxidized are preferably subjected to heat treatment in a reducing atmosphere in advance and then subjected to coating layer formation. .
金属粒子の粒径としては、例えば、好ましくは0.02μm以上、より好ましくは0.1μm以上であって、好ましくは10μm以下、より好ましくは5μm以下である。 The particle size of the metal particles is, for example, preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less.
Liと反応しない絶縁性の材料としては、酸化アルミニウム(Al2O3、AlOOHに代表されるベーマイト)が特に好ましい。 As an insulating material that does not react with Li, aluminum oxide (Al 2 O 3 , boehmite typified by AlOOH) is particularly preferable.
なお、コート層を形成するにあたっては、前記のLiと反応しない絶縁性の材料を結着する目的で、バインダを用いることが好ましい。バインダとしては、例えば、負極合剤層用のバインダとして例示した各種材料を用いることができる。なお、コート層のバインダと負極合剤層のバインダとを同じ種類のものにすると(例えば、コート層のバインダ、負極合剤層のバインダのいずれにも、ポリイミド、ポリアミドイミドおよびポリアミドのうちの少なくとも1種を使用すると)、負極合剤層とコート層との接着性が向上することから好ましい。 In forming the coat layer, it is preferable to use a binder for the purpose of binding the insulating material that does not react with Li. As the binder, for example, various materials exemplified as the binder for the negative electrode mixture layer can be used. When the binder of the coating layer and the binder of the negative electrode mixture layer are of the same type (for example, both the binder of the coating layer and the binder of the negative electrode mixture layer include at least one of polyimide, polyamideimide, and polyamide). Use of one type) is preferable because adhesion between the negative electrode mixture layer and the coating layer is improved.
コート層の形成にバインダを用いる場合、コート層中のバインダの含有量は、好ましくは2質量%以上、より好ましくは4質量%以上であって、好ましくは60質量%以下、より好ましくは50質量%以下である。 When a binder is used for forming the coat layer, the content of the binder in the coat layer is preferably 2% by mass or more, more preferably 4% by mass or more, and preferably 60% by mass or less, more preferably 50% by mass. % Or less.
また、コート層に電子伝導性の材料を含有させる場合には、Liと反応しない絶縁性の材料と、電子伝導性を有する材料との合計を100質量%としたとき、電子伝導性を有する材料の比率は、例えば、好ましくは2.5質量%以上、より好ましくは5質量%以上であって、96質量%以下、より好ましくは95質量%であり、言い換えれば、Liと反応しない絶縁性の材料の比率は、例えば、好ましくは4質量%以上、より好ましくは5質量%以上であって、97.5質量%以下、より好ましくは95質量%以下である。 When the coating layer contains an electron conductive material, when the total of the insulating material that does not react with Li and the material having electron conductivity is 100% by mass, the material having electron conductivity. The ratio of, for example, is preferably 2.5% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, and 96% by mass or less, more preferably 95% by mass. In other words, the insulating property that does not react with Li The ratio of the material is, for example, preferably 4% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, and 97.5% by mass or less, more preferably 95% by mass or less.
コート層の厚みは、例えば、好ましくは2μm以上、より好ましくは3μm以上であって、好ましくは10μm以下、より好ましくは8μm以下である。コート層がこのような厚みであれば、負極合剤層の膨張や湾曲をより効率的に抑制でき、電池の高容量化と電池特性の向上をより良好に達成することができる。すなわち、コート層の厚みが、例えば、負極合剤層の表面粗さに対して薄くなりすぎると、ピンホールなしに負極合剤層の全面を覆うことが困難となり、コート層を形成することによる効果が小さくなる虞があり、一方、コート層が厚すぎると、電池の容量低下に繋がるので、できる限り薄く形成することが好ましい。 The thickness of the coat layer is, for example, preferably 2 μm or more, more preferably 3 μm or more, preferably 10 μm or less, more preferably 8 μm or less. If the coating layer has such a thickness, expansion and bending of the negative electrode mixture layer can be more efficiently suppressed, and higher battery capacity and improved battery characteristics can be achieved better. That is, for example, if the thickness of the coating layer becomes too thin relative to the surface roughness of the negative electrode mixture layer, it becomes difficult to cover the entire surface of the negative electrode mixture layer without pinholes, and the coating layer is formed. On the other hand, if the coat layer is too thick, it may lead to a reduction in battery capacity.
なお、コート層を設けることで、負極と非水電解液との親和性が向上するため、非水電解液の電池への導入が容易となる効果もある。 In addition, since the affinity between the negative electrode and the non-aqueous electrolyte is improved by providing the coat layer, there is an effect that the non-aqueous electrolyte can be easily introduced into the battery.
コート層は、例えば、前記のLiと反応しない絶縁性の材料や、必要に応じて使用される電子伝導性を有する材料およびバインダなどを含む混合物に、適当な溶媒(分散媒)を加えて十分に混練して得たペースト状やスラリー状の組成物(塗料)を、負極合剤層表面に塗布し、乾燥などにより溶媒(分散媒)を除去して、所定の厚みで形成することができる。なお、コート層は、前記以外の方法で形成しても構わない。例えば、負極合剤層形成用の組成物を集電体表面に塗布した後、この塗膜が完全に乾燥する前に、コート層形成用の組成物を塗布し、乾燥して、負極合剤層とコート層を同時に形成してもよい。更に、前記のような負極合剤層形成用の組成物と、コート層形成用の組成物を、順次塗布する逐次方式の他、負極合剤層形成用の組成物の塗布と、コート層形成用の組成物の塗布を同時に行う同時塗布方式によって、負極合剤層とコート層とを同時に形成してもよい。 For the coating layer, for example, an appropriate solvent (dispersion medium) is sufficiently added to a mixture containing an insulating material that does not react with Li, a material having electronic conductivity used as necessary, and a binder. A paste-like or slurry-like composition (coating material) obtained by kneading can be applied to the surface of the negative electrode mixture layer, and the solvent (dispersion medium) can be removed by drying or the like to form a predetermined thickness. . In addition, you may form a coat layer by methods other than the above. For example, after the composition for forming the negative electrode mixture layer is applied to the surface of the current collector, the composition for forming the coat layer is applied and dried before the coating film is completely dried. The layer and the coat layer may be formed simultaneously. Furthermore, in addition to the sequential method of sequentially applying the composition for forming the negative electrode mixture layer and the composition for forming the coat layer as described above, the application of the composition for forming the negative electrode mixture layer and the formation of the coat layer The negative electrode mixture layer and the coat layer may be formed simultaneously by a simultaneous application method in which the composition for coating is simultaneously applied.
なお、負極材料に係るSiOxは不可逆容量が比較的大きいため、本発明に係る負極においては、予めLiを導入しておくことも好ましく、この場合には更なる高容量化が可能となる。 Since SiO x is irreversible capacity is relatively large in accordance with the anode material, in the negative electrode according to the present invention, it is also preferable to keep introducing advance Li, further higher capacity in this case is possible.
負極へのLiの導入方法としては、例えば、負極のコート層(電子伝導性を有する材料も含有するコート層)の負極合剤層側とは反対側の表面にLi含有層を形成しておき、このLi含有層から負極合剤層内のSiOxへLiを導入する方法が好ましい。 As a method for introducing Li into the negative electrode, for example, a Li-containing layer is formed on the surface opposite to the negative electrode mixture layer side of the negative electrode coating layer (a coating layer containing a material having electronic conductivity). A method of introducing Li from this Li-containing layer to SiO x in the negative electrode mixture layer is preferable.
SiOxにLiを導入するとSiOxの体積変化によって負極の湾曲が生じる虞がある。しかし、負極にコート層を形成すれば、電池の有する非水電解液が存在する環境下(例えば電池内部)では、負極合剤層中のSiOxにLi含有層中のLiが電気化学的に導入されるが、非水電解液の存在しない環境下では、SiOx中へのLiの導入反応は殆ど生じない。このように、前記のLi導入法を採用する場合、負極に係るコート層は、非水電解液を介してLi含有層中のLiを負極合剤層へ供給する機能も有しており、これにより、SiOxとLiとの反応性を制御して、Liの導入に伴う負極の湾曲などを抑制することができる。 The introduction of Li to SiO x there is a risk that the bending of the negative electrode caused by the volume change of the SiO x. However, if a coating layer is formed on the negative electrode, in an environment where the non-aqueous electrolyte of the battery is present (for example, inside the battery), Li in the Li-containing layer is electrochemically added to SiO x in the negative electrode mixture layer. Although introduced, under the environment where the non-aqueous electrolyte does not exist, the reaction of introducing Li into SiO x hardly occurs. Thus, when employing the above-described Li introduction method, the coating layer related to the negative electrode also has a function of supplying Li in the Li-containing layer to the negative electrode mixture layer via the non-aqueous electrolyte. Thus, the reactivity of SiO x and Li can be controlled to suppress the bending of the negative electrode accompanying the introduction of Li.
負極にLiを導入するためのLi含有層は、抵抗加熱やスパッタリングなどの一般的な気相法(気相堆積法)で形成したもの(すなわち、蒸着膜)であることが好ましい。気相法により、蒸着膜としてコート層上に直接Li含有層を形成する方法であれば、コート層の全面にわたって均一な層を、所望の厚み形成することが容易であるため、Liを、SiOxの不可逆容量分に対して過不足なく導入することができる。 The Li-containing layer for introducing Li into the negative electrode is preferably formed by a general vapor phase method (vapor phase deposition method) such as resistance heating or sputtering (that is, a vapor deposition film). If the Li-containing layer is directly formed on the coating layer as a vapor deposition film by the vapor phase method, it is easy to form a uniform layer over the entire surface of the coating layer in a desired thickness. It can be introduced without excess or deficiency with respect to the irreversible capacity of x .
気相法によってLi含有層を形成する場合には、真空チャンバ内で蒸着源と、負極に係るコート層とを対向させ、所定の厚みの層になるまで蒸着すればよい。 When the Li-containing layer is formed by a vapor phase method, the vapor deposition source and the coat layer related to the negative electrode may be opposed to each other in a vacuum chamber, and vapor deposition may be performed until the layer has a predetermined thickness.
Li含有層は、Liのみで構成されていてもよく、例えば、Li−Al、Li−Al−Mn、Li−Al−Mg、Li−Al−Sn、Li−Al−In、Li−Al−CdなどのLi合金により構成されていてもよい。Li含有層がLi合金で構成されている場合には、Li含有層中におけるLiの含有比率は、例えば、50〜90mol%であることが好ましい。 The Li-containing layer may be composed only of Li, for example, Li-Al, Li-Al-Mn, Li-Al-Mg, Li-Al-Sn, Li-Al-In, Li-Al-Cd. Or a Li alloy such as When the Li-containing layer is composed of a Li alloy, the content ratio of Li in the Li-containing layer is preferably, for example, 50 to 90 mol%.
Li含有層の厚みは、例えば、好ましくは2μm以上、より好ましくは4μm以上であって、好ましくは10μm以下、より好ましくは8μm以下である。Li含有層をこのような厚みで形成することで、Liを、SiOxの不可逆容量分に対して、より過不足なく導入することができる。すなわち、Li含有層が薄すぎると、負極合剤層に存在するSiOx量に対するLi量が少なくなって、予め負極にLiを導入することによる容量向上効果が小さくなることがある。また、Li含有層が厚すぎると、Li量が過剰となる虞があり、また、蒸着量が多くなるため生産性も低下する。 The thickness of the Li-containing layer is, for example, preferably 2 μm or more, more preferably 4 μm or more, preferably 10 μm or less, more preferably 8 μm or less. By forming the Li-containing layer with such a thickness, Li can be introduced more or less with respect to the irreversible capacity of SiO x . That is, if the Li-containing layer is too thin, the amount of Li with respect to the amount of SiO x present in the negative electrode mixture layer decreases, and the capacity improvement effect by introducing Li into the negative electrode in advance may be reduced. On the other hand, if the Li-containing layer is too thick, the amount of Li may be excessive, and the amount of vapor deposition increases, resulting in a decrease in productivity.
負極の集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、銅箔が用いられる。この負極集電体は、高エネルギー密度の電池を得るために負極全体の厚みを薄くする場合、厚みの上限は30μmであることが好ましく、下限は5μmであることが望ましい。 As the current collector for the negative electrode, a foil made of copper or nickel, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like can be used, but a copper foil is usually used. In the negative electrode current collector, when the thickness of the entire negative electrode is reduced in order to obtain a battery having a high energy density, the upper limit of the thickness is preferably 30 μm, and the lower limit is preferably 5 μm.
負極側のリード部は、通常、負極作製時に、集電体の一部に負極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残し、そこをリード部とすることによって設けられる。ただし、リード部は必ずしも当初から集電体と一体化されたものであることは要求されず、集電体に銅製の箔などを後から接続することによって設けてもよい。 The lead portion on the negative electrode side is usually provided by leaving the exposed portion of the current collector without forming the negative electrode mixture layer on a part of the current collector and forming the lead portion at the time of preparing the negative electrode. However, the lead portion is not necessarily integrated with the current collector from the beginning, and may be provided by connecting a copper foil or the like to the current collector later.
本発明のリチウム二次電池に係る正極には、従来公知のリチウム二次電池に用いられている正極、すなわち、Liイオンを吸蔵放出可能な活物質を含有する正極であれば特に制限はない。例えば、活物質として、Li1+xMO2(−0.1<x<0.1、M:Co、Ni、Mn、Al、Mgなど)で表される層状構造のリチウム含有遷移金属酸化物、LiMn2O4やその元素の一部を他元素で置換したスピネル構造のリチウムマンガン酸化物、LiMPO4(M:Co、Ni、Mn、Feなど)で表されるオリビン型化合物などを用いることが可能である。上記層状構造のリチウム含有遷移金属酸化物の具体例としては、LiCoO2やLiNi1−xCox−yAlyO2(0.1≦x≦0.3、0.01≦y≦0.2)などのほか、少なくともCo、NiおよびMnを含む酸化物(LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2、LiMn5/12Ni5/12Co1/6O2、LiMn3/5Ni1/5Co1/5O2など)などを例示することができる。 The positive electrode according to the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it is a positive electrode used in a conventionally known lithium secondary battery, that is, a positive electrode containing an active material capable of occluding and releasing Li ions. For example, as an active material, a lithium-containing transition metal oxide having a layered structure represented by Li 1 + x MO 2 (−0.1 <x <0.1, M: Co, Ni, Mn, Al, Mg, etc.), LiMn It is possible to use spinel lithium manganese oxide in which 2 O 4 or a part of the element is substituted with another element, or an olivine type compound represented by LiMPO 4 (M: Co, Ni, Mn, Fe, etc.) It is. Specific examples of the lithium-containing transition metal oxide having a layered structure include LiCoO 2 and LiNi 1-x Co xy Al y O 2 (0.1 ≦ x ≦ 0.3, 0.01 ≦ y ≦ 0. 2) and other oxides containing at least Co, Ni and Mn (LiMn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 O 2 , LiMn 5/12 Ni 5/12 Co 1/6 O 2 , LiMn 3 / 5 Ni 1/5 Co 1/5 O 2 etc.).
導電助剤としては、カーボンブラックなどの炭素材料が用いられ、バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などフッ素樹脂が用いられ、これらの材料と活物質とが混合された正極合剤により正極合剤層が、例えば集電体表面に形成される。正極合剤層の厚みは、例えば、50〜200μmであることが好ましい。 A carbon material such as carbon black is used as the conductive aid, and a fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVDF) is used as the binder. The positive electrode mixture is a mixture of these materials and an active material. The agent layer is formed on the surface of the current collector, for example. The thickness of the positive electrode mixture layer is preferably 50 to 200 μm, for example.
また、正極の集電体としては、アルミニウムなどの金属の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、厚みが10〜30μmのアルミニウム箔が好適に用いられる。 Further, as the positive electrode current collector, a metal foil such as aluminum, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like can be used, but usually an aluminum foil having a thickness of 10 to 30 μm is preferably used.
正極側のリード部も負極側のリード部と同様に、通常、正極作製時に、集電体の一部に正極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残し、そこをリード部とすることによって設けられる。ただし、リード部は必ずしも当初から集電体と一体化されたものであることは要求されず、集電体にアルミニウム製の箔などを後から接続することによって設けてもよい。 Similarly to the lead portion on the negative electrode side, the lead portion on the positive electrode side usually leaves an exposed portion of the current collector without forming a positive electrode mixture layer on a part of the current collector during the preparation of the positive electrode, and the lead portion Is provided. However, the lead portion is not necessarily integrated with the current collector from the beginning, and may be provided by connecting an aluminum foil or the like to the current collector later.
電極は、前記の正極と前記の負極とを、前記のセパレータを介して積層した積層体電極群や、更にこれを巻回した巻回体電極群の形態で用いることができる。なお、本発明の電池では、セパレータに係る多孔質層(I)が少なくとも負極に面していることが好ましく、前記のような電極群は、セパレータの多孔質層(I)が負極に面するように形成することが推奨される。 The electrode can be used in the form of a laminate electrode group in which the positive electrode and the negative electrode are laminated via the separator, or a wound electrode group in which the electrode is wound. In the battery of the present invention, it is preferable that the porous layer (I) of the separator faces at least the negative electrode, and the electrode group as described above has the porous layer (I) of the separator facing the negative electrode. It is recommended to form as follows.
詳細な理由は不明であるが、樹脂(A)を主体とする多孔質層(I)が少なくとも負極に面するようにセパレータを配置した場合には、正極側に配置した場合よりも、シャットダウンを生じた場合に、多孔質層(I)から溶融した樹脂(A)のうち、電極合剤層に吸収される割合が少なくなり、溶融した樹脂(A)がセパレータの孔を閉塞するのに、より有効に利用されるため、シャットダウンによる効果がより良好となる。 Although the detailed reason is unknown, when the separator is arranged so that the porous layer (I) mainly composed of the resin (A) faces at least the negative electrode, the shutdown is performed more than when the separator is arranged on the positive electrode side. When it occurs, the ratio of the resin (A) melted from the porous layer (I) to be absorbed by the electrode mixture layer decreases, and the melted resin (A) closes the pores of the separator. Since it is used more effectively, the effect of shutdown is better.
また、例えばリチウム二次電池が、温度上昇により電池の内圧が上昇した際に、電池内部のガスを外部に排出して電池の内圧を下げる機構を有する場合には、この機構が作動した際に、内部の非水電解液が揮発して、電極が直接空気に曝される状態となる虞がある。電池が充電状態にある場合に、前記のような状態となり、負極と空気(酸素や水分)が接触すると、負極に吸蔵されたLiイオンや負極表面に析出したリチウムと空気とが反応して発熱し、時には発火することもある。また、この発熱により電池の温度が上昇して正極活物質の熱暴走反応を引き起こし、その結果、電池が発火に至ることもある。 In addition, for example, when a lithium secondary battery has a mechanism that lowers the internal pressure of the battery by discharging the gas inside the battery to the outside when the internal pressure of the battery increases due to temperature rise, There is a possibility that the internal non-aqueous electrolyte volatilizes and the electrode is directly exposed to air. When the battery is in a charged state, when the negative electrode and air (oxygen or moisture) come into contact, Li ions occluded in the negative electrode, lithium deposited on the negative electrode surface, and air react to generate heat. And sometimes it catches fire. Moreover, the temperature of the battery rises due to this heat generation, causing a thermal runaway reaction of the positive electrode active material, and as a result, the battery may ignite.
しかしながら、樹脂(A)を主体とする多孔質層(I)が負極に面するように構成した電池の場合には、高温時には多孔質層(I)の主体である樹脂(A)が溶融して負極表面を覆うことから、前記の電池内部のガスを外部に排出する機構の作動に伴う負極と空気との反応を抑制することができる。そのため、前記の電池内部のガスを外部に排出する機構が作動することによる発熱の虞をなくし、電池をより安全に保つことができる。 However, in the case of a battery configured such that the porous layer (I) mainly composed of the resin (A) faces the negative electrode, the resin (A) that is the main body of the porous layer (I) melts at a high temperature. Since the negative electrode surface is covered, the reaction between the negative electrode and air accompanying the operation of the mechanism for discharging the gas inside the battery to the outside can be suppressed. Therefore, there is no fear of heat generation due to the operation of the mechanism for discharging the gas inside the battery to the outside, and the battery can be kept safer.
また、多孔質層(II)に用いる耐熱温度が150℃以上のフィラーとして、耐酸化性に優れた材料(例えば、無機酸化物)を用いた場合、多孔質層(II)を正極側に向けることによって、正極によるセパレータの酸化を抑制することが可能となり、高温時の保存特性や充放電サイクル特性に優れた電池とすることができるため、多孔質層(II)を正極側に向ける構成とすることがより好ましい。例えば、樹脂(A)を主体とする多孔質層(I)や、多孔質層(II)を複数有するセパレータの場合、負極側が多孔質層(I)となり、かつ正極側が多孔質層(II)となるようにセパレータを構成することがより好ましい。 Moreover, when a material excellent in oxidation resistance (for example, an inorganic oxide) is used as a filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher used for the porous layer (II), the porous layer (II) is directed to the positive electrode side. Therefore, it is possible to suppress the oxidation of the separator by the positive electrode, and the battery can be excellent in storage characteristics at high temperature and charge / discharge cycle characteristics. Therefore, the porous layer (II) is directed to the positive electrode side. More preferably. For example, in the case of a separator having a porous layer (I) mainly composed of a resin (A) or a plurality of porous layers (II), the negative electrode side is the porous layer (I) and the positive electrode side is the porous layer (II). More preferably, the separator is configured so that
なお、前記のような正極合剤層を有する正極や、負極合剤層を有する負極は、例えば、正極合剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)などの溶媒に分散させてなる正極合剤層形成用組成物(スラリーなど)や、負極合剤をNMPなどの溶媒に分散させてなる負極剤層形成用組成物(スラリーなど)を集電体表面に塗布し、乾燥することにより作製される。この場合、例えば、これら電極の合剤層形成用組成物を集電体表面に塗布し、該組成物が乾燥する前に、多孔質層形成用の組成物を塗布して作製した電極とセパレータ[多孔質層(I)または多孔質層(II)]との一体化物を用いて、リチウム二次電池を構成することもできる。 The positive electrode having the positive electrode mixture layer and the negative electrode having the negative electrode mixture layer as described above are, for example, a positive electrode mixture obtained by dispersing the positive electrode mixture in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). Prepared by applying a composition for forming an agent layer (slurry, etc.) or a composition for forming a negative electrode layer (slurry, etc.) in which a negative electrode mixture is dispersed in a solvent such as NMP to the surface of the current collector and drying it. Is done. In this case, for example, an electrode and a separator prepared by applying a composition for forming a mixture layer of these electrodes to the surface of a current collector and applying the composition for forming a porous layer before the composition is dried A lithium secondary battery can also be constituted by using an integrated product with [porous layer (I) or porous layer (II)].
本発明のリチウム二次電池は、例えば前記の電極群と、非水電解液とを、常法に従い外装体内に封入して構成される。電池の形態としては、従来公知のリチウム二次電池と同様に、筒形(円筒形や角筒形)の外装缶を使用した筒形電池や、扁平形(平面視で円形や角形の扁平形)の外装缶を使用した扁平形電池、金属を蒸着したラミネートフィルムを外装体としたソフトパッケージ電池などとすることができる。また、外装缶には、スチール製やアルミニウム製のものが使用できる。 The lithium secondary battery of the present invention is configured, for example, by enclosing the above electrode group and a non-aqueous electrolyte in an outer package according to a conventional method. As the form of the battery, similarly to the conventionally known lithium secondary battery, a cylindrical battery using a cylindrical (cylindrical or rectangular) outer can, or a flat (round or rectangular flat in plan view) ) And a soft package battery using a laminated film on which a metal is deposited as an exterior body. The outer can can be made of steel or aluminum.
本発明のリチウム二次電池は、温度が上昇した際に電池内部のガスを外部に排出する機構を有していることが好ましい。かかる機構としては、従来公知の機構を用いることができる。すなわち、スチール缶やアルミニウム缶などの金属缶を外装缶とする電池では、一定の圧力で亀裂が生じる金属製の開裂ベント、一定の圧力で破れる樹脂製のベント、一定の圧力で蓋の開くゴム製のベントなどを用いることができるが、中でも金属製の開裂ベントを用いるのが好ましい。 The lithium secondary battery of the present invention preferably has a mechanism for discharging the gas inside the battery to the outside when the temperature rises. As such a mechanism, a conventionally known mechanism can be used. In other words, in batteries that use metal cans such as steel cans and aluminum cans as outer cans, metal cleavage vents that crack at constant pressure, resin vents that break at constant pressure, rubber that opens the lid at constant pressure A vent made of metal or the like can be used, and among them, a metal cleavage vent is preferably used.
一方、ソフトパッケージ電池では、封止部分が樹脂の熱融着により封止されているため、そもそも温度と内圧が上昇した場合に、こうした高温、高圧に耐えられる構造とすることが難しく、特別な機構を設けなくても温度が上昇した場合に電池内部のガスを外部に排出する構成とすることが可能である。すなわち、ソフトパッケージ電池においては、外装体の封止部(熱融着部)が、前記の電池内部のガスを外部に排出する機構として作用する。また、ソフトパッケージ電池の場合、封止部分の幅を特定の場所だけ狭くするなどの方法によっても、温度が上昇した場合に電池内部のガスを外部に排出する構成とすることができる(すなわち、前記特定の場所が、前記の電池内部のガスを外部に排出する機構として作用する)。 On the other hand, in a soft package battery, since the sealing portion is sealed by heat sealing of resin, it is difficult to make a structure that can withstand such high temperature and high pressure when the temperature and internal pressure rise in the first place. Even if a mechanism is not provided, the gas inside the battery can be discharged to the outside when the temperature rises. That is, in the soft package battery, the sealing portion (heat fusion portion) of the outer package acts as a mechanism for discharging the gas inside the battery to the outside. In the case of a soft package battery, the gas inside the battery can be discharged to the outside when the temperature rises even by a method such as narrowing the width of the sealing portion only at a specific location (that is, The specific place acts as a mechanism for discharging the gas inside the battery to the outside).
非水電解液としては、例えば、リチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液が用いられる。リチウム塩としては、溶媒中で解離してLi+イオンを形成し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こしにくいものであれば特に制限は無い。例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6 などの無機リチウム塩、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≧2)、LiN(RfOSO2)2〔ここでRfはフルオロアルキル基〕などの有機リチウム塩などを用いることができる。 As the non-aqueous electrolyte, for example, a solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent is used. The lithium salt is not particularly limited as long as it dissociates in a solvent to form Li + ions and hardly causes side reactions such as decomposition in a voltage range used as a battery. For example, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 and other inorganic lithium salts, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li 2 C 2 F 4 (SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC n F 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2), LiN (RfOSO 2 ) 2 [where Rf is a fluoroalkyl group] and the like can be used. .
非水電解液に用いる有機溶媒としては、前記のリチウム塩を溶解し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こさないものであれば特に限定されない。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、プロピオン酸メチルなどの鎖状エステル、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル、ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、1,3−ジオキソラン、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどの鎖状エーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリルなどのニトリル類、エチレングリコールサルファイトなどの亜硫酸エステル類などが挙げられ、これらは2種以上混合して用いることもできる。なお、より良好な特性の電池とするためには、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒など、高い導電率を得ることができる組み合わせで用いることが望ましい。また、これらの非水電解液に安全性や充放電サイクル性、高温貯蔵性といった特性を向上させる目的で、ビニレンカーボネート類、1,3−プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、フルオロベンゼン、t−ブチルベンゼンなどの添加剤を適宜加えることもできる。 The organic solvent used for the non-aqueous electrolyte is not particularly limited as long as it dissolves the lithium salt and does not cause a side reaction such as decomposition in a voltage range used as a battery. For example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate, chain esters such as methyl propionate, cyclic esters such as γ-butyrolactone, Chain ethers such as dimethoxyethane, diethyl ether, 1,3-dioxolane, diglyme, triglyme and tetraglyme, cyclic ethers such as dioxane, tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, nitriles such as acetonitrile, propionitrile and methoxypropionitrile And sulfites such as ethylene glycol sulfite. These may be used as a mixture of two or more. Kill. In order to obtain a battery with better characteristics, it is desirable to use a combination that can obtain high conductivity, such as a mixed solvent of ethylene carbonate and chain carbonate. In addition, vinylene carbonates, 1,3-propane sultone, diphenyl disulfide, cyclohexylbenzene, biphenyl, and fluorobenzene are used for the purpose of improving safety, charge / discharge cycleability, and high-temperature storage properties of these non-aqueous electrolytes. An additive such as t-butylbenzene may be added as appropriate.
非水電解液中のリチウム塩の濃度としては、0.5〜1.5mol/lとすることが好ましく、0.9〜1.25mol/lとすることがより好ましい。 The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.5 to 1.5 mol / l, and more preferably 0.9 to 1.25 mol / l.
本発明のリチウム二次電池は、高容量で、信頼性および安全性に優れていることから、こうした特性を生かして、小型で多機能な携帯機器の電源を始めとして、従来公知のリチウム二次電池が用いられている各種用途と同じ用途に好ましく用いることができる。 Since the lithium secondary battery of the present invention has a high capacity and is excellent in reliability and safety, taking advantage of these characteristics, a power source for a small and multi-functional portable device is used, as well as a conventionally known lithium secondary battery. It can be preferably used in the same applications as those in which batteries are used.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。また、各実施例で示す多孔質層(I)および多孔質層(II)における各成分の体積含有率は、多孔質基体(不織布)を使用している場合には、この多孔質基体を除く全構成成分中の体積含有率である。更に、各実施例で示す樹脂(A)の融点(融解温度)は、JIS K 7121の規定に準じて、DSCを用いて測定した値である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention. Further, the volume content of each component in the porous layer (I) and the porous layer (II) shown in each example excludes the porous substrate when a porous substrate (nonwoven fabric) is used. Volume content in all components. Furthermore, melting | fusing point (melting temperature) of resin (A) shown in each Example is the value measured using DSC according to the prescription | regulation of JISK7121.
実施例1
(負極の作製)
SiO(平均粒径5.0μm)を沸騰床反応器中で約1000℃に加熱し、加熱された粒子にメタンと窒素ガスからなる25℃の混合ガスを接触させ、1000℃で60分間CVD処理を行った。このようにして前記混合ガスが熱分解して生じた炭素(以下「CVD炭素」ともいう)をSiOの表面に堆積させて被覆層を形成し、負極材料を得た。被覆層形成前後の質量変化から前記負極材料の組成を算出したところ、SiO:CVD炭素=85:15(質量比)であった。前記負極材料:80質量部(固形分全量中の含有量、以下同じ)と、黒鉛:10質量部と、導電助剤としてケッチェンブラック(平均粒径0.05μm):2質量部と、バインダとしてポリアミドイミド:8質量部と、脱水N−メチルピロリドン(NMP)とを混合して負極合剤含有スラリーを調製した。この負極合剤含有ペーストを、銅箔からなる厚さ10μmの集電体の両面に、塗布長が表面500mm、裏面440mmになるように間欠塗布し、100℃で乾燥した後、カレンダ処理を行って全厚が60μmになるように負極合剤層の厚みを調整し、さらに、遠赤外線ヒーターを用いて160℃で15時間熱処理を施し、幅45mmになるように切断して、長さ510mm、幅45mmの負極を作製した。作製した負極の銅箔の露出部には、タブを溶接してリード部を形成した。
Example 1
(Preparation of negative electrode)
SiO (average particle size 5.0 μm) is heated to about 1000 ° C. in a boiling bed reactor, and a mixed gas of 25 ° C. composed of methane and nitrogen gas is brought into contact with the heated particles, and CVD processing is performed at 1000 ° C. for 60 minutes. Went. Thus, carbon (hereinafter also referred to as “CVD carbon”) generated by thermal decomposition of the mixed gas was deposited on the surface of SiO to form a coating layer, thereby obtaining a negative electrode material. When the composition of the negative electrode material was calculated from the mass change before and after the coating layer was formed, it was SiO: CVD carbon = 85: 15 (mass ratio). Negative electrode material: 80 parts by mass (content in the total solid content, the same shall apply hereinafter), graphite: 10 parts by mass, ketjen black (average particle size 0.05 μm) as a conductive additive: 2 parts by mass, binder As a polyamideimide: 8 parts by mass and dehydrated N-methylpyrrolidone (NMP) were mixed to prepare a negative electrode mixture-containing slurry. This negative electrode mixture-containing paste was intermittently applied on both sides of a 10 μm thick current collector made of copper foil so that the coating length was 500 mm on the front surface and 440 mm on the back surface, dried at 100 ° C., and then subjected to calendar treatment. The thickness of the negative electrode mixture layer is adjusted so that the total thickness becomes 60 μm, and further heat-treated at 160 ° C. for 15 hours using a far-infrared heater, cut to a width of 45 mm, a length of 510 mm, A negative electrode having a width of 45 mm was produced. A tab was welded to the exposed portion of the copper foil of the produced negative electrode to form a lead portion.
(正極の作製)
正極活物質であるLiCoO2:95質量部、導電助剤であるケッチェンブラック:2.5質量部、およびバインダであるPVDF:2.5質量部を、NMPを溶剤として均一になるように混合して、正極合剤含有ペーストを調製した。このペーストを、集電体となる厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に、塗布長が表面500mm、裏面425mmになるように間欠塗布し、乾燥した後、カレンダ処理を行って、全厚が150μmになるように正極合剤層の厚みを調整し、幅43mmになるように切断して、長さ520mm、幅43mmの正極を作製した。さらにこの正極のアルミニウム箔の露出部にタブを溶接してリード部を形成した。
(Preparation of positive electrode)
95 parts by mass of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 2.5 parts by mass of Ketjen black as a conductive auxiliary agent, and 2.5 parts by mass of PVDF as a binder are mixed so as to be uniform using NMP as a solvent. Thus, a positive electrode mixture-containing paste was prepared. This paste is intermittently applied to both sides of an aluminum foil having a thickness of 15 μm as a current collector so that the coating length is 500 mm on the front surface and 425 mm on the back surface, dried, and then calendered to a total thickness of 150 μm. Thus, the thickness of the positive electrode mixture layer was adjusted, and the positive electrode mixture layer was cut to have a width of 43 mm to produce a positive electrode having a length of 520 mm and a width of 43 mm. Further, a tab was welded to the exposed portion of the aluminum foil of the positive electrode to form a lead portion.
(セパレータの作製)
有機バインダであるSBRのエマルジョン(固形分比率40質量%):100gと、水:4000gとを容器に入れ、均一に分散するまで室温で攪拌した。この分散液に耐熱温度が150℃以上のフィラーである板状ベーマイト粉末(板状、平均粒径1μm、アスペクト比10):4000gを4回に分けて加え、ディスパーにより2800rpmで5時間攪拌して均一なスラリー[多孔質層(II)形成用スラリー]を調製した。ポリエチレン製多孔質膜[多孔質層(I):厚み16μm、空孔率40%、平均孔径0.02μm、融点135℃]上に、前記のスラリーをマイクログラビアコーターによって塗布し、乾燥して多孔質層(II)を形成することで、厚みが22μmのセパレータを得た。このセパレータの多孔質層(II)における耐熱温度が150℃以上のフィラーの体積比率は97体積%、多孔質層(II)の空孔率は48%であった。
(Preparation of separator)
An organic binder SBR emulsion (solid content ratio 40 mass%): 100 g and water: 4000 g were placed in a container and stirred at room temperature until evenly dispersed. To this dispersion, plate boehmite powder (plate shape,
(電池の組み立て)
前記のようにして得た正極と負極とセパレータを樹脂多孔質膜[多孔質層(I)]が負極側に向くように介在させつつ重ね、渦巻状に巻回して巻回体電極群を作製した。得られた巻回体電極群を押しつぶして扁平状にし、厚み6mm、高さ50mm、幅34mmでのアルミニウム製外装缶に入れ、電解液(エチレンカーボネートとジエチレンカーボネートを体積比で1対2に混合した溶媒にLiPF6を濃度1.0mol/lで溶解したもの)を注入した後に封止を行って、リチウム二次電池を作製した。なお、この電池は、缶の上部に内圧が上昇した場合に電池内部のガスを外部に排出するための開裂ベントを備えている。
(Battery assembly)
The positive electrode, the negative electrode, and the separator obtained as described above are stacked with the resin porous membrane [porous layer (I)] facing toward the negative electrode, and wound in a spiral shape to produce a wound electrode group. did. The obtained wound body electrode group is crushed into a flat shape, put into an aluminum outer can with a thickness of 6 mm, a height of 50 mm, and a width of 34 mm, and an electrolytic solution (ethylene carbonate and diethylene carbonate are mixed in a volume ratio of 1: 2). After injecting LiPF 6 dissolved in the solvent at a concentration of 1.0 mol / l), sealing was performed to prepare a lithium secondary battery. In addition, this battery is provided with the cleavage vent for discharging | emitting the gas inside a battery outside when an internal pressure rises to the upper part of a can.
実施例2
セパレータ作製に用いた耐熱温度が150℃以上のフィラーを、一次粒子が凝集した二次粒子形状のベーマイト(平均粒径0.6μm)に替えた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池に用いたセパレータの総厚みは22μmで、セパレータの多孔質層(II)における前記フィラーの体積比率は97体積%、多孔質層(II)の空孔率は44%であった。
Example 2
Lithium secondary in the same manner as in Example 1 except that the filler having a heat-resistant temperature of 150 ° C. or higher used for the production of the separator was replaced with boehmite in the form of secondary particles in which primary particles were aggregated (average particle size 0.6 μm). A battery was produced. The total thickness of the separator used in this lithium secondary battery was 22 μm, the volume ratio of the filler in the porous layer (II) of the separator was 97% by volume, and the porosity of the porous layer (II) was 44%. It was.
実施例3
セパレータ作製に用いた耐熱温度が150℃以上のフィラーを、粒状のアルミナ(平均粒径0.4μm)に替えた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池に用いたセパレータの総厚みは20μmで、セパレータの多孔質層(II)における前記フィラーの体積含有率は96体積%であり、多孔質層(II)の空孔率は55%であった。
Example 3
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the filler having a heat-resistant temperature of 150 ° C. or higher used for the production of the separator was changed to granular alumina (average particle diameter 0.4 μm). The total thickness of the separator used in this lithium secondary battery was 20 μm, the volume content of the filler in the porous layer (II) of the separator was 96% by volume, and the porosity of the porous layer (II) was 55 %Met.
実施例4
セパレータ作製に用いた多孔質膜(I)を、PE/PP/PEの三層構造の微多孔膜(厚さ16μm、空孔率43%、平均孔径0.008μm、融点135℃)に替えた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池に用いたセパレータの総厚みは22μmで、セパレータの多孔質層(II)における前記フィラーの体積含有率は97体積%であり、多孔質層(II)の空孔率は48%であった。
Example 4
The porous membrane (I) used for the separator preparation was replaced with a microporous membrane having a three-layer structure of PE / PP / PE (thickness 16 μm, porosity 43%, average pore diameter 0.008 μm, melting point 135 ° C.). A lithium secondary battery was produced in the same manner as Example 1 except for the above. The total thickness of the separator used in this lithium secondary battery was 22 μm, the volume content of the filler in the porous layer (II) of the separator was 97% by volume, and the porosity of the porous layer (II) was 48 %Met.
実施例5
PET製不織布(厚み12μm、目付け8g/m2)を基材とし、これを実施例1で調製したものと同じ多孔質層(II)形成用のスラリー中に通して引き上げ塗布を行い、乾燥することで、多孔質層(II)を作製した。多孔質層(II)における前記フィラーの体積含有率は97体積%であり、多孔質層(II)の空孔率は33%であった。また、多孔質層(I)として、実施例1で用いたものと同じPE製微多孔膜を用い、この多孔質層(I)と前記の多孔質層(II)を一体化せずに重ね合わせてセパレータとして用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
Example 5
A non-woven fabric made of PET (thickness 12 μm, basis weight 8 g / m 2 ) is used as a base material, and this is passed through the same slurry for forming the porous layer (II) as prepared in Example 1 and dried. Thus, a porous layer (II) was produced. The volume content of the filler in the porous layer (II) was 97% by volume, and the porosity of the porous layer (II) was 33%. Further, the same PE microporous film as used in Example 1 was used as the porous layer (I), and the porous layer (I) and the porous layer (II) were stacked without being integrated. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the separators were used together.
実施例6
α−アルミナ(平均粒径1μm)94質量%(固形分全量中の含有量、以下同じ)と、PVDF6質量%と、脱水NMPとを混合してコート層形成用スラリーを調製した。
Example 6
A slurry for forming a coating layer was prepared by mixing 94% by mass of α-alumina (
ブレードコーターを用いて、実施例1で調製したものと同じ負極合剤含有スラリーを下層、コート層形成用スラリーを上層として、銅箔からなる厚さ10μmの集電体の両面に、実施例1における負極合剤含有スラリーの塗布長と同じ塗布長で塗布した以外は、実施例1と同様にして、負極合剤層とコート層とを両面に有する負極を作製した。前記負極は、集電体の片面あたりの負極合剤層の厚みが25μmであり、コート層の厚みが5μmである。また、前記負極は、負極合剤層と集電体との接着性、および負極合剤層とコート層との接着性は強固であり、裁断や折り曲げによっても、負極合剤層が集電体から剥離することはなく、またコート層が負極合剤層から剥離することもなかった。 Using a blade coater, the same negative electrode mixture-containing slurry as that prepared in Example 1 was used as the lower layer, and the slurry for forming the coating layer as the upper layer. A negative electrode having a negative electrode mixture layer and a coating layer on both sides was prepared in the same manner as in Example 1, except that the coating length was the same as the coating length of the negative electrode mixture-containing slurry. In the negative electrode, the thickness of the negative electrode mixture layer per side of the current collector is 25 μm, and the thickness of the coat layer is 5 μm. Further, the negative electrode has strong adhesion between the negative electrode mixture layer and the current collector, and adhesion between the negative electrode mixture layer and the coat layer, and the negative electrode mixture layer becomes a current collector even by cutting or bending. The coating layer was not peeled from the negative electrode mixture layer.
前記負極を用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。 A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was used.
比較例1
セパレータとして、PE製微多孔膜(厚み22μm、空孔率49%、平均孔径0.09μm、融点135℃)を用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
Comparative Example 1
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a PE microporous membrane (thickness 22 μm, porosity 49%, average pore diameter 0.09 μm, melting point 135 ° C.) was used as the separator.
比較例2
PET製不織布(厚み15μm、目付け12g/m2)を基材とし、これを実施例1で調製したものと同じ多孔質層(II)形成用のスラリー中に通して引き上げ塗布を行い、乾燥することで、多孔質層(II)を作製した。この多孔質膜(II)のみをセパレータとして用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
Comparative Example 2
A non-woven fabric made of PET (thickness 15 μm, basis weight 12 g / m 2 ) is used as a base material, and this is passed through the same slurry for forming a porous layer (II) as prepared in Example 1, and then applied and dried. Thus, a porous layer (II) was produced. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that only this porous membrane (II) was used as a separator.
比較例3
負極活物質として黒鉛を用い、正極と負極の容量比が実施例1と同じになるよう正極および負極の合剤層の厚みを調整した以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
Comparative Example 3
A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that graphite was used as the negative electrode active material, and the thickness of the mixture layer of the positive electrode and the negative electrode was adjusted so that the capacity ratio between the positive electrode and the negative electrode was the same as in Example 1. Produced.
実施例1〜6および比較例1〜3のリチウム二次電池に使用したセパレータについて、150℃の恒温槽内に3時間放置して熱収縮率を測定した。熱収縮率の測定は、次のようにして行った。 About the separator used for the lithium secondary battery of Examples 1-6 and Comparative Examples 1-3, it was left to stand in a 150 degreeC thermostat for 3 hours, and the thermal contraction rate was measured. The measurement of the heat shrinkage rate was performed as follows.
4cm×4cmに切り出したセパレータの試験片を、クリップで固定した2枚の厚さ5mmのガラス板で挟みこみ、150℃の恒温槽内に3時間放置した後に取り出し、各試験片の長さを測定し、試験前の長さと比較して長さの減少割合を収縮率とした。また、実施例5のセパレータについては、より熱収縮の少ない多孔質層(II)の熱収縮率をセパレータの熱収縮率とした。これらの測定結果を表1に示す。 A separator test piece cut out to 4 cm × 4 cm was sandwiched between two glass plates with a thickness of 5 mm fixed with clips, left in a thermostatic bath at 150 ° C. for 3 hours, taken out, and the length of each test piece was measured. Measured, and the rate of decrease in length compared to the length before the test was taken as the shrinkage rate. For the separator of Example 5, the heat shrinkage rate of the porous layer (II) with less heat shrinkage was taken as the heat shrinkage rate of the separator. These measurement results are shown in Table 1.
表1に示す通り、実施例1〜6のリチウム二次電池に用いたセパレータの150℃での熱収縮率は、いずれも1%以下である。 As shown in Table 1, the thermal shrinkage rate at 150 ° C. of the separators used in the lithium secondary batteries of Examples 1 to 6 is 1% or less.
次に、実施例1〜6および比較例1〜3のリチウム二次電池について、以下の条件で充放電を行い、放電容量を求めた。充電は、0.2Cの電流値で電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電を行い、次いで、4.2Vでの定電圧充電を行う定電流−定電圧充電とした。充電終了までの総充電時間は15時間とした。充電後の電池を、0.2Cの放電電流で、電池電圧が2.5Vになるまで放電を行ったところ、実施例1〜6の電池、比較例1〜3の電池ともに、充電時のリチウムデンドライトの生成が抑止され電池として良好に作動することが確認できた。 Next, about the lithium secondary battery of Examples 1-6 and Comparative Examples 1-3, charging / discharging was performed on the following conditions and the discharge capacity was calculated | required. The charging was constant current-constant voltage charging in which constant current charging was performed until the battery voltage reached 4.2 V at a current value of 0.2 C, and then constant voltage charging at 4.2 V was performed. The total charging time until the end of charging was 15 hours. When the battery after charging was discharged at a discharge current of 0.2 C until the battery voltage became 2.5 V, both the batteries of Examples 1 to 6 and the batteries of Comparative Examples 1 to 3 were charged during charging. It was confirmed that the generation of dendrite was suppressed and the battery operated well.
また、実施例1〜6および比較例1〜3のリチウム二次電池について、下記の評価を行った。まず、以下の方法により、それぞれの電池に用いたセパレータのシャットダウン温度を求めた。放電状態の電池を恒温槽に入れ、30℃から150℃まで毎分5℃の割合で温度上昇させて加熱し、電池の内部抵抗の温度変化を求めた。そして、抵抗値が30℃での値の5倍以上に上昇したときの温度を、シャットダウン温度とした。 Moreover, the following evaluation was performed about the lithium secondary battery of Examples 1-6 and Comparative Examples 1-3. First, the shutdown temperature of the separator used for each battery was determined by the following method. The discharged battery was placed in a thermostatic bath, heated from 30 ° C. to 150 ° C. at a rate of 5 ° C. per minute, and heated, and the temperature change of the internal resistance of the battery was determined. The temperature at which the resistance value increased to 5 times or more the value at 30 ° C. was taken as the shutdown temperature.
また、前記のシャットダウン温度測定を行ったものとは別の電池について、0.2Cの電流値で電池電圧が4.25Vになるまで定電流充電を行い、次いで、4.25Vでの定電圧充電を行う定電流−定電圧充電とした。充電終了までの総充電時間は15時間とした。前記条件で充電した電池を、30℃から150℃まで、毎分5℃の割合で昇温し、その後引き続き150℃で3時間放置し、電池の表面温度および電池電圧を測定した。 In addition, with respect to a battery different from the one for which the shutdown temperature was measured, constant current charging was performed until the battery voltage reached 4.25 V at a current value of 0.2 C, and then constant voltage charging at 4.25 V. The constant current-constant voltage charging is performed. The total charging time until the end of charging was 15 hours. The battery charged under the above conditions was heated from 30 ° C. to 150 ° C. at a rate of 5 ° C. per minute and then allowed to stand at 150 ° C. for 3 hours to measure the surface temperature of the battery and the battery voltage.
更に、前記の各試験を行ったものとは別の電池に、100mΩの抵抗を介して正負極を短絡させる外部短絡試験を行い、電池表面の最高温度を測定した。前記の各評価結果を表2に示す。
表2に示すように、実施例1〜6の電池では、電池の高温での安全性を確保するのに適切な温度範囲でシャットダウンを生じることが明らかとなった。また、実施例1〜6の電池では、150℃で3時間保持しても、電池の表面温度が上昇したりするといった異常は見られなかった。 As shown in Table 2, it was clarified that the batteries of Examples 1 to 6 were shut down in a temperature range appropriate for ensuring the safety of the battery at a high temperature. Further, in the batteries of Examples 1 to 6, no abnormality such as an increase in the surface temperature of the battery was observed even when held at 150 ° C. for 3 hours.
これに対し、比較例1の電池は、150℃の保持で、50分後に表面温度が上昇した。また、比較例2の電池は、150℃での保持では異常がなかったが、外部短絡試験においては、電池の表面温度が異常に上昇することが確認された。これは、シャットダウン特性がセパレータに付与されていないためと考えられる。一方、比較例3の電池は150℃の保持、ならびに外部短絡試験において問題はみられなかったが、容量が他の電池と比べて30%以上低下した。 In contrast, the battery of Comparative Example 1 was maintained at 150 ° C., and the surface temperature increased after 50 minutes. Moreover, although the battery of Comparative Example 2 was not abnormal when held at 150 ° C., it was confirmed that the surface temperature of the battery increased abnormally in the external short circuit test. This is considered because the shutdown characteristic is not given to the separator. On the other hand, the battery of Comparative Example 3 had no problem in holding at 150 ° C. and in the external short-circuit test, but the capacity decreased by 30% or more compared to other batteries.
1 負極
2 Liと反応しない絶縁性の材料を含有する多孔質層(コート層)
3 負極合剤層
4 集電体
DESCRIPTION OF
3 Negative
Claims (9)
前記セパレータは、熱可塑性樹脂を主体とする多孔質層(I)と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む多孔質層(II)とを有しており、
前記負極は、SiとOを構成元素に含む化合物(ただし、Siに対するOの原子比xは、0.5≦x≦1.5である)と、導電性材料とを含有する負極合剤層を有していることを特徴とするリチウム二次電池。 A lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode and a separator,
The separator has a porous layer (I) mainly composed of a thermoplastic resin, and a porous layer (II) mainly composed of a filler having a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher.
The negative electrode is a negative electrode mixture layer containing a compound containing Si and O as constituent elements (provided that the atomic ratio x of O to Si is 0.5 ≦ x ≦ 1.5) and a conductive material. A lithium secondary battery comprising:
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