JP2011048990A - Nonaqueous electrolyte battery - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば非水電解質電池に関し、特にラミネートフィルムによって外装され、封止性の良い非水電解質電池に関する。 The present invention relates to, for example, a non-aqueous electrolyte battery, and more particularly to a non-aqueous electrolyte battery that is packaged with a laminate film and has good sealing properties.
近年、カメラ一体型VTR(video tape recorder)、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、ポータブル電子機器の電源として、電池、特に軽量で高エネルギー密度および高出力密度が得られる二次電池の開発が進められている。 In recent years, portable electronic devices such as a camera-integrated VTR (video tape recorder), a mobile phone, or a laptop computer have been widely used, and there is a strong demand for miniaturization, weight reduction, and long life. Accordingly, as a power source for portable electronic devices, development of a battery, in particular, a secondary battery that is lightweight and can obtain a high energy density and a high output density is in progress.
このような二次電池として、例えば下記特許文献1乃至6に記載されるようなリチウムイオン二次電池が広く用いられている。リチウムイオン二次電池は、正極および負極を、隔膜である樹脂薄膜セパレータを介して積層または巻回した構造となっており、内部に電解質塩と非水溶媒からなる電解質を含んでいる。 As such secondary batteries, for example, lithium ion secondary batteries as described in Patent Documents 1 to 6 below are widely used. A lithium ion secondary battery has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are stacked or wound via a resin thin film separator as a diaphragm, and contains an electrolyte composed of an electrolyte salt and a nonaqueous solvent.
正極は、例えばアルミニウム(Al)箔からなる正極集電体の表面に正極活物質を含む活物質層が形成されてなる。正極活物質層には、例えば正極活物質としてのコバルト酸リチウム(LiCoO2)の他に、導電剤である黒鉛や、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの結着剤が含まれている。 The positive electrode is formed by forming an active material layer containing a positive electrode active material on the surface of a positive electrode current collector made of, for example, aluminum (Al) foil. For the positive electrode active material layer, for example, in addition to lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material, graphite as a conductive agent, polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder, polytetrafluoroethylene (PTFE) Contains binders.
負極は、例えば銅(Cu)箔からなる負極集電体の表面に負極活物質を含む活物質層が形成されてなる。負極活物質層には、例えば負極活物質としての非結晶性カーボン、コークス、黒鉛などの他に、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル、スチレンブタジエンゴム(SBR)などの結着剤が含まれている。 The negative electrode is formed by forming an active material layer containing a negative electrode active material on the surface of a negative electrode current collector made of, for example, copper (Cu) foil. In the negative electrode active material layer, for example, non-crystalline carbon, coke, graphite, etc. as a negative electrode active material, binders such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder are used. Contains a dressing.
また、電解質としては、液体の電解質が広く使用されている。この種の電解質は、一般に「電解液」と呼ばれており、溶媒および電解質塩を含んでいる。この電解液としては、鉛電池の硫酸水溶液や乾電池の水酸化カリウム水溶液などの無機電解質の他、炭酸プロピレン溶液などの有機電解質などが知られている。電解液は、高塩濃度のイオン性液体であり、電池の仕様や用途に応じて強酸性や強アルカリ性を示す場合もあれば、非水溶液である場合もある。このため、電解液を備えた電池では、その電解液が漏洩すると、電気回路などが腐食したり、樹脂部品が溶解するおそれがある。よって、電池を安定に使用するためには、電解液の漏洩を防止することが重要である。 As the electrolyte, a liquid electrolyte is widely used. This type of electrolyte is generally called an “electrolytic solution” and includes a solvent and an electrolyte salt. As this electrolytic solution, an organic electrolyte such as a propylene carbonate solution is known in addition to an inorganic electrolyte such as a sulfuric acid aqueous solution of a lead battery or a potassium hydroxide aqueous solution of a dry battery. The electrolytic solution is an ionic liquid having a high salt concentration, and may exhibit strong acidity or strong alkalinity depending on the specification or use of the battery, or may be a non-aqueous solution. For this reason, in a battery including an electrolytic solution, if the electrolytic solution leaks, there is a possibility that an electric circuit or the like is corroded or a resin component is dissolved. Therefore, in order to use the battery stably, it is important to prevent leakage of the electrolytic solution.
また、下記特許文献7に記載されるように、電解液を高分子(マトリクスポリマ)でゲル化したゲル電解質を用いたポリマーリチウムイオン二次電池も実用化されている。マトリクスポリマとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等が用いられる。ゲル電解質を用いることにより、電極内部、および電極−セパレータ間においてゲル電解質が固定化され、電池部材の位置を固定する作用もある。ポリマーリチウムイオン二次電池は、電解液の漏液がなく信頼性が高い。また、外装材としてアルミラミネートフィルムを用いることができるため軽量であり、金属缶外装では加工が難しい薄型大面積の電池を作ることもできる。 Further, as described in Patent Document 7 below, a polymer lithium ion secondary battery using a gel electrolyte obtained by gelling an electrolytic solution with a polymer (matrix polymer) has been put into practical use. As the matrix polymer, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide (PEO) or the like is used. By using the gel electrolyte, the gel electrolyte is fixed inside the electrode and between the electrode and the separator, and also has an effect of fixing the position of the battery member. The polymer lithium ion secondary battery is highly reliable with no electrolyte leakage. Moreover, since an aluminum laminate film can be used as an exterior material, it is lightweight, and a thin large-area battery that is difficult to process with a metal can exterior can also be made.
ゲル電解質を電池内部に形成するには、高分子溶液状態であるゾルを塗布、もしくは注液して、冷却したり希釈剤を蒸発させたりしてゲル化させる方法と、モノマーと重合開始剤を電解液に溶解させて、電池内部で重合しゲル化させる方法がある。その他、適当な溶媒を含むゲルをいったん作成後に溶媒を抜き取ってキセロゲルを作り、電解液を注入してゲル化させる方法がある。中でも、ゾルを電極上に塗布して塗膜を形成する方法は、電極上に一定厚さの電解質層を形成できるので、優れた方法である。 In order to form a gel electrolyte inside the battery, a sol that is in a polymer solution state is applied or injected, and the gel is cooled or evaporated to form a gel, and a monomer and a polymerization initiator are mixed. There exists the method of making it melt | dissolve in electrolyte solution and superposing | polymerizing inside a battery and gelatinizing. In addition, there is a method in which a gel containing an appropriate solvent is once prepared, and then the solvent is extracted to form a xerogel and the electrolyte is injected to form a gel. Among them, the method of applying a sol on an electrode to form a coating film is an excellent method because an electrolyte layer having a certain thickness can be formed on the electrode.
電池の電気化学エネルギーを貯めるのは、活物質と呼ばれる材料であり、上述のように負極活物質としては黒鉛などの炭素材料が、正極活物質としてはコバルト酸リチウム(LiCoO2)やニッケル酸リチウム(LiNiO2)等のリチウム遷移金属酸化物が用いられる。電極を構成する際に、活物質層を金属集電体の上に厚く形成すれば、電池容量に直接関係しない金属集電体やセパレータ等の体積を相対的に少なくできる。つまり、活物質層を厚くした電極を用いることにより、エネルギー密度が高く長時間持続する電池を提供することができる。 The electrochemical energy of the battery is stored in a material called an active material. As described above, a carbon material such as graphite is used as the negative electrode active material, and lithium cobaltate (LiCoO 2 ) or lithium nickelate is used as the positive electrode active material. A lithium transition metal oxide such as (LiNiO 2 ) is used. When forming the electrode, if the active material layer is formed thick on the metal current collector, the volume of the metal current collector, separator, or the like that is not directly related to the battery capacity can be relatively reduced. That is, by using an electrode having a thick active material layer, a battery having a high energy density and a long duration can be provided.
上述のようなゲル電解質は塗布によって活物質層表面に形成されるが、電解質は活物質粒子近傍に存在する必要がある。非水電解質電池の電極は、5〜30μmの活物質粒子を結着剤で集電体に塗布しているため、活物質層は多孔質構造となっている。良好な電池反応を得るためには、多孔質構造の活物質層に電解質が十分に染み込む必要がある。ところが、電解質がゲル化する前のゾルは高分子溶液であるため粘度が高く、多孔質構造の活物質層に塗布しても内部に含浸しにくいという問題があった。電解液が活物質層に含浸しなければ電池反応が進行しない。 The gel electrolyte as described above is formed on the surface of the active material layer by coating, but the electrolyte needs to be present in the vicinity of the active material particles. Since the electrode of the non-aqueous electrolyte battery has active material particles of 5 to 30 μm applied to the current collector with a binder, the active material layer has a porous structure. In order to obtain a good battery reaction, the electrolyte needs to sufficiently permeate into the active material layer having a porous structure. However, since the sol before gelation of the electrolyte is a polymer solution, the viscosity is high, and there is a problem that even if it is applied to the active material layer having a porous structure, it is difficult to impregnate the inside. If the electrolytic solution does not impregnate the active material layer, the battery reaction does not proceed.
特に、負極においては、負極活物質層に対する電解質の含浸が不十分であると充電時に金属リチウムが析出してしまう。析出した金属リチウムは充放電反応には寄与しないため、充放電が進むほど析出する金属リチウムが増加し、析出した金属リチウムの分だけ電池容量が損なわれていく。 In particular, in the negative electrode, if the electrolyte impregnation into the negative electrode active material layer is insufficient, metallic lithium is deposited during charging. Since the deposited metal lithium does not contribute to the charge / discharge reaction, the deposited metal lithium increases as the charge / discharge progresses, and the battery capacity is impaired by the amount of the deposited metal lithium.
特許4163295号では、電解質のポリフッ化ビニリデン(PVdF)、活物質層の結着剤のポリフッ化ビニリデンを他のポリマーとの共重合体にして相互の親和性を高める提案がなされている。例えば、マトリクスポリマとしてポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体を用いる。ところが、この場合ヘキサフルオロプロピレンの共重合比が大きくなりすぎると、マトリクスポリマが電解液に溶解するだけとなり、半固体状のゲル電解質とはならない。また、活物質層の結着剤において、ヘキサフルオロプレピレン等の共重合体の共重合比が大きくなりすぎると、結着剤が電解液で膨潤するために負極活物質層が集電体から剥落してしまう。 In Japanese Patent No. 4163295, a proposal has been made to increase the affinity between polyvinylidene fluoride (PVdF) as an electrolyte and polyvinylidene fluoride as a binder for an active material layer as a copolymer with another polymer. For example, a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (HFP) is used as the matrix polymer. However, in this case, if the copolymerization ratio of hexafluoropropylene becomes too large, the matrix polymer is only dissolved in the electrolytic solution and does not become a semi-solid gel electrolyte. In addition, in the binder of the active material layer, if the copolymerization ratio of the copolymer such as hexafluoroprepylene becomes too large, the binder swells with the electrolytic solution, so that the negative electrode active material layer is separated from the current collector. It will come off.
したがって、この発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、活物質層に対するゲル電解質の含浸性、保液性および密着性を向上させることにより優れた電池性能を得ることが可能な電池を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of such problems, and the object thereof is to improve the battery performance by improving the impregnation property, liquid retention property and adhesion property of the gel electrolyte to the active material layer. Is to provide a simple battery.
課題を解決するために、この発明は、正極と、
負極活物質と、フッ化ビニリデンおよびモノメチルマレイン酸エステルを成分とする二成分系共重合体を含有する負極結着剤とを含み、
二成分系共重合体におけるモノメチルマレイン酸エステルの共重合量が0.3重量%以上2重量%以下の範囲内である負極と、
電解液と、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびモノメチルマレイン酸エステルを成分とする三成分系共重合体を含有する高分子化合物とを含み、
三成分系共重合体におけるヘキサフルオロプロピレンおよびモノメチルマレイン酸エステルの共重合量がそれぞれ8重量%以上15重量%以下の範囲内および0.3重量%以上2重量%以下の範囲内であるとともに、三成分系共重合体の重量平均分子量が60万以上150万以下の範囲内である電解質と
を備える非水電解質電池である。
In order to solve the problem, the present invention comprises a positive electrode,
A negative electrode active material, and a negative electrode binder containing a two-component copolymer composed of vinylidene fluoride and monomethylmaleate as components,
A negative electrode in which the copolymerization amount of monomethylmaleic acid ester in the two-component copolymer is in the range of 0.3 wt% to 2 wt%
An electrolytic solution and a polymer compound containing a ternary copolymer containing vinylidene fluoride, hexafluoropropylene and monomethylmaleic acid ester as components,
The copolymerization amount of hexafluoropropylene and monomethylmaleic acid ester in the ternary copolymer is in the range of 8% by weight to 15% by weight and in the range of 0.3% by weight to 2% by weight, respectively. A non-aqueous electrolyte battery comprising an electrolyte in which the weight average molecular weight of the ternary copolymer is in the range of 600,000 to 1,500,000.
この発明は、溶媒が、例えば炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルおよび炭酸ジエチルからなる群のうちの2種以上を含み、電解質塩が、例えば六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウムおよびビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウムからなる群のうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。 In the present invention, the solvent includes, for example, two or more members selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and diethyl carbonate, and the electrolyte salt includes, for example, lithium hexafluorophosphate, tetrafluoride It preferably contains at least one member selected from the group consisting of lithium borate, bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium and bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide lithium.
この発明では、安定した電解質層を形成し、負極活物質層と電解質層および負極集電体と負極活物質層とのそれぞれの密着性を向上させる。 In the present invention, a stable electrolyte layer is formed, and the adhesion between the negative electrode active material layer and the electrolyte layer, and the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer is improved.
この発明によれば、ゲル電解質層および負極活物質層を良好に形成し、高いサイクル特性を得ることができる。 According to this invention, the gel electrolyte layer and the negative electrode active material layer can be formed satisfactorily and high cycle characteristics can be obtained.
以下、発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態とする)について説明する。なお、説明は以下のように行う。
1.第1の実施の形態(電極端子導出部の封止を、2段階で行う例)
Hereinafter, the best mode for carrying out the invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described. The description will be made as follows.
1. 1st Embodiment (example which seals electrode terminal derivation | leading-out part in two steps)
<1.第1の実施の形態>
以下、この発明の第1の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
<1. First Embodiment>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1−1)非水電解質電池の構成
まず、この発明の一実施の形態に係る非水電解質電池の構成について説明する。図1は非水電解質電池20の構成を示す分解斜視図、図2は図1に示した非水電解質電池20の主要部のI−I線に沿った断面の構成を示す断面図である。なお、ここで説明する非水電解質電池20は、例えば、負極の容量が軽金属(例えばリチウム)の吸蔵および放出に伴う容量成分により表されるものであり、いわゆるリチウムイオン二次電池である。
(1-1) Configuration of Nonaqueous Electrolyte Battery First, the configuration of a nonaqueous electrolyte battery according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of the nonaqueous electrolyte battery 20, and FIG. 2 is a cross sectional view showing the configuration of a cross section taken along the line II of the main part of the nonaqueous electrolyte battery 20 shown in FIG. The nonaqueous electrolyte battery 20 described here is, for example, a so-called lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component associated with insertion and extraction of light metal (for example, lithium).
この非水電解質電池20は、図1に示したように、正極端子15Aおよび負極端子15Bが取り付けられた電池素子10がフィルム状のラミネートフィルム17の内部に収納された薄型の電池構造を有している。非水電解質電池20は、電池素子10がラミネートフィルム17に形成された凹部である電池素子収容部17Aに収容されて外装され、電池素子10の周辺部が封止されることにより作製されている。ラミネートフィルム17は、電池素子10に対向する面に樹脂材料からなる熱融着層を有している。そして、熱融着層同士を対向させた2層のラミネートフィルム17を金属等からなるヒータブロックで挟み込むことにより、熱融着層同士を溶融させてラミネートフィルム17が接着される。ラミネートフィルム17の詳細な構成については後述する。
As shown in FIG. 1, the nonaqueous electrolyte battery 20 has a thin battery structure in which a
[電池素子の構成]
以下、電池素子10の構成について説明する。
[Configuration of battery element]
Hereinafter, the configuration of the
この発明の電池素子10は、図2に断面を示すように、帯状の正極11と、セパレータ13と、帯状の負極12と、セパレータ13とを順に積層し、長手方向に巻回されている。電池素子10からは、正極11と接続された正極端子15Aおよび負極12と接続された負極端子15B(以下、特定の端子を指さない場合は電極端子15とする)が導出されている。正極端子15Aおよび負極端子15Bと、外装部材として電池素子10を外装するラミネートフィルム17との間には、接着性を向上させるための封止部材であるシーラント16が配置される。シーラント16は、例えばポリプロピレン(PP)等からなる樹脂フィルムを用いることができる。また、金属からなる電極端子との接着性の高い、変性された樹脂材料からなる樹脂フィルムを用いてもよい。また、正極11および負極12には、必要に応じて絶縁部材19を設けるようにしてもよい。
As shown in the cross section of FIG. 2, the
正極端子15Aおよび負極端子15Bは、例えば、いずれもラミネートフィルム17の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極端子15Aは、例えば、アルミニウム(Al)などの金属材料により構成されており、薄板状あるいは網目状の構造を有している。アルミニウム(Al)は、不動態化して溶解せず、また電気伝導性が良いため好ましい。負極端子15Bは、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)あるいはステンレスなどの金属材料により構成されており、薄板状あるいは網目状の構造を有している。銅(Cu)、ニッケル(Ni)あるいはステンレスなどは、リチウムと合金化しないため好ましい。中でも、銅は高い電気伝導性を有するため特に好ましい。
For example, both the positive electrode terminal 15 </ b> A and the negative electrode terminal 15 </ b> B are led out in the same direction from the inside of the
[正極]
正極11は、例えば、正極集電体11Aの両面に正極活物質層11Bが設けられたものである。正極集電体11Aは、例えば、アルミニウム(Al)などの金属材料により構成されている。正極活物質層11Bは、正極活物質と、結着剤とを含んでおり、必要に応じてさらに導電剤などを含んでいてもよい。
[Positive electrode]
In the positive electrode 11, for example, a positive electrode
正極活物質は、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能であり、その反応電位が対リチウムで例えば3〜4.5Vにある正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでいる。このような正極材料としては、例えば、リチウムを含む複合酸化物が挙げられる。具体的には、リチウムと遷移金属との複合酸化物として、層状構造を有するコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)あるいはこれらを含む固溶体(LiNixCoyMnzO2;式中、x、yおよびzの値はそれぞれ0<x<1,0<y<1,0<z<1,x+y+z=1である。)を用いることができる。 The positive electrode active material can occlude and release lithium, which is an electrode reactant, and includes any one or more of positive electrode materials having a reaction potential of, for example, 3 to 4.5 V with respect to lithium. It is out. Examples of such a positive electrode material include a composite oxide containing lithium. Specifically, as a complex oxide of lithium and a transition metal, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) having a layered structure, lithium nickelate (LiNiO 2 ), or a solid solution containing these (LiNi x Co y Mn z O 2 ; In the formula, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x + y + z = 1 can be used for the values of x, y, and z, respectively.
そして、正極材料として、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2O4)あるいはその固溶体(Li(Mn2-vNiv)O4;式中、vの値はv<2である。)などを用いることもできる。さらに、正極材料として、例えば、オリビン構造を有するリン酸鉄リチウム(LiFePO4)などのリン酸化合物を用いることもできる。高いエネルギー密度が得られるからである。なお、正極材料は、上述の材料の他、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物や、二硫化鉄、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物や、硫黄や、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子であってもよい。 As a positive electrode material, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure or a solid solution thereof (Li (Mn 2 -v Ni v ) O 4 ; in the formula, the value of v is v <2). Can also be used. Further, as the positive electrode material, for example, a phosphate compound such as lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) having an olivine structure can be used. This is because a high energy density can be obtained. In addition to the above-described materials, the positive electrode material may be, for example, an oxide such as titanium oxide, vanadium oxide or manganese dioxide, a disulfide such as iron disulfide, titanium disulfide or molybdenum sulfide, sulfur, polyaniline or It may be a conductive polymer such as polythiophene.
正極結着剤としては、フッ化ビニリデン(VdF)を成分とする重合体を含有している。電解質層14と同様にフッ化ビニリデンを一成分として含有することにより、正極11に対する電解質層14の密着性が向上するからである。この重合体は、ホモ重合体(ポリフッ化ビニリデン)であってもよいし、フッ化ビニリデンを一成分とする共重合体であってもよい。正極活物質層11Bにおける正極結着剤の含有量は、特に限定されないが、例えば、1重量%以上10重量%以下の範囲内である。この含有量は、正極結着剤を構成する重合体の重量平均分子量が大きい場合には小さいことが好ましく、一方、重量平均分子量が小さい場合には大きいことが好ましい。なお、結着剤は、例えば、上述したフッ化ビニリデンを成分とする重合体と共に、他の1種または2種以上の重合体や共重合体を含んでいてもよい。導電剤としては、例えば、黒鉛やアセチレンブラックなどの炭素材料が挙げられる。
As the positive electrode binder, a polymer containing vinylidene fluoride (VdF) as a component is contained. This is because the adhesiveness of the electrolyte layer 14 to the positive electrode 11 is improved by containing vinylidene fluoride as one component as in the electrolyte layer 14. This polymer may be a homopolymer (polyvinylidene fluoride) or a copolymer containing vinylidene fluoride as one component. The content of the positive electrode binder in the positive electrode
[負極]
負極12は、例えば、負極集電体12Aの両面に負極活物質層12Bが設けられたものである。負極集電体12Aは、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料により構成されている。負極活物質層12Bは、負極活物質と、負極結着剤とを含んでおり、必要に応じてさらに導電剤(例えば炭素材料)などを併せて含んでいてもよい。
[Negative electrode]
In the negative electrode 12, for example, a negative electrode active material layer 12B is provided on both surfaces of a negative electrode
負極活物質は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んでいる。この負極材料としては、例えば、炭素材料、金属や金属酸化物、珪素、あるいは高分子材料などが挙げられる。炭素材料としては、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、黒鉛類、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維および活性炭などの炭素材料のいずれか1種または2種以上を用いることができる。特に、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛類は、化学的安定性に富みリチウムイオンの脱挿入反応も繰り返し安定して起こすことができ、また工業的にも容易に入手出来るため、リチウムイオン電池に広く使われている。なお、黒鉛の種類としては、例えば、メソフェーズカーボンマイクロビーズ、カーボンファイバーあるいはコークスなどの人造黒鉛や天然黒鉛などが挙げられる。炭素材料は、リチウムの吸蔵および放出に伴う結晶構造の変化が非常に少なく、しかも導電剤としても機能するので好ましい。 The negative electrode active material contains any one or more of negative electrode materials capable of inserting and extracting lithium. Examples of the negative electrode material include carbon materials, metals, metal oxides, silicon, and polymer materials. The carbon material is any one of carbon materials such as non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, graphites, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, organic polymer compound fired bodies, carbon fibers and activated carbon. Species or two or more can be used. In particular, natural graphite, artificial graphite, and other graphites are rich in chemical stability, can repeatedly and stably undergo lithium ion deinsertion reactions, and are easily available industrially. Widely used. In addition, as a kind of graphite, artificial graphite, natural graphite, etc., such as a mesophase carbon micro bead, carbon fiber, or coke, are mentioned, for example. A carbon material is preferable because the crystal structure changes very little with insertion and extraction of lithium, and also functions as a conductive agent.
また、負極材料としては、例えば、リチウムと合金を形成することが可能な金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料が挙げられる。この種の材料は、高いエネルギー密度が得られるので好ましい。この負極材料は、金属元素あるいは半金属元素の単体、合金あるいは化合物のいずれでもよく、これらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するものでもよい。なお、この発明における合金には、2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素および1種以上の半金属元素を含むものも含まれる。もちろん、合金は非金属元素を含んでいてもよい。この組織には、固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらの2種以上が共存するものがある。 Moreover, as a negative electrode material, the material which contains at least 1 sort (s) of the metallic element and metalloid element which can form an alloy with lithium as a constituent element is mentioned, for example. This type of material is preferable because a high energy density can be obtained. This negative electrode material may be any of a simple substance, an alloy or a compound of a metal element or a metalloid element, and may have one or more of these phases at least in part. The alloys in the present invention include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Of course, the alloy may contain non-metallic elements. This structure includes a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or one in which two or more of them coexist.
金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料としては、例えば、ケイ素あるいはスズを含む材料が挙げられる。リチウムを吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。 Examples of the material containing at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element include a material containing silicon or tin. This is because a high energy density can be obtained because the ability to occlude and release lithium is large. These may be used alone or in combination of two or more.
この材料の具体例としては、スズを第1の構成元素とし、それに加えて第2および第3の構成元素を含むものが好ましく、中でも、スズ、コバルトおよび炭素を構成元素として含むもの(CoSnC材料)が好ましい。より高いエネルギー密度が得られると共に、優れたサイクル特性が得られるからである。このCoSnC含有材料は、必要に応じてさらに他の構成元素を含んでいてもよい。電池容量およびサイクル特性がより向上するからである。 As a specific example of this material, a material containing tin as the first constituent element and, in addition thereto, a second constituent element and a third constituent element are preferable. Among them, a substance containing tin, cobalt and carbon as constituent elements (CoSnC material) ) Is preferred. This is because a higher energy density can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained. This CoSnC-containing material may further contain other constituent elements as necessary. This is because the battery capacity and cycle characteristics are further improved.
また、上述した材料の具体例としては、スズの単体、合金あるいは化合物、またはケイ素の単体、合金あるいは化合物が挙げられる。この場合には、例えば、負極活物質層12Bが気相法、液相法、溶射法、焼成法あるいはそれらの2種以上の方法を用いて形成されたものであり、その負極活物質層12Bと負極集電体12Aとが界面の少なくとも一部において合金化していることが好ましい。充放電に伴う膨張や収縮に起因して負極活物質層12Bが破壊されにくくなると共に、負極集電体12Aと負極活物質層12Bとの間において電子伝導性が向上するからである。なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法、より具体的には真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、熱化学気相成長(CVD;Chemical Vapor Deposition )法あるいはプラズマ化学気相成長法などが挙げられる。液相法としては、電気鍍金あるいは無電解鍍金などの公知の手法を用いることが可能である。焼成法とは、例えば、粒子状の負極活物質と結着材などとを混合して溶剤に分散させることにより塗布したのち、負極結着剤などの融点よりも高い温度で熱処理する方法である。焼成法に関しても公知の手法が使用可能であり、例えば、雰囲気焼成法、反応焼成法あるいはホットプレス焼成法などが挙げられる。
Specific examples of the above-described materials include a simple substance, an alloy or a compound of tin, or a simple substance, an alloy or a compound of silicon. In this case, for example, the negative electrode active material layer 12B is formed by using a vapor phase method, a liquid phase method, a thermal spraying method, a firing method, or two or more of these methods, and the negative electrode active material layer 12B The anode
負極結着剤は、フッ化ビニリデン(VdF)およびモノメチルマレイン酸エステル(MMM)を成分とする二成分系共重合体を含有している。特に、二成分系共重合体におけるモノメチルマレイン酸エステルの共重合量は、0.3重量%以上2.0重量以下の範囲内、好ましくは0.4重量%以上2.0重量%以下の範囲内が好ましい。モノメチルマレイン酸エステルの共重合比が低いと電解質層14と負極活物質層12Aの親和性に欠け、電解質層14と負極活物質層12Aとの密着性が低下する。一方、モノメチルマレイン酸エステルの共重合比が大きすぎると負極活物質層12Aが膨潤し、負極集電体12Bから剥落してしまう。
The negative electrode binder contains a two-component copolymer containing vinylidene fluoride (VdF) and monomethylmaleic acid ester (MMM) as components. In particular, the copolymerization amount of monomethyl maleate in the two-component copolymer is in the range of 0.3 wt% to 2.0 wt%, preferably in the range of 0.4 wt% to 2.0 wt%. The inside is preferable. When the copolymerization ratio of monomethyl maleate is low, the affinity between the electrolyte layer 14 and the negative electrode
後述するように、この発明の非水電解質電池20の電解質層14にはフッ化ビニリデンが一成分として含有されている。負極活物質層14Aにフッ化ビニリデンが一成分として含有されることにより、負極12に対する電解質層14の密着性が向上する。また、同様に電解質層14にはモノメチルマレイン酸エステルが一成分として含有されている。負極活物質層14Aにモノメチルマレイン酸エステルが一成分として含有されることにより、電解質層14に対する負極12の密着性が安定化すると共に、負極集電体12Aに対する負極活物質層12Bの密着性が向上する。負極活物質層12Bにおける負極結着剤の含有量は、特に限定されないが、例えば、2重量%以上10重量%以下の範囲内である。なお、負極結着剤は、例えば、上述した二成分系共重合体と共に、他の1種または2種以上の重合体や共重合体を含んでいてもよい。
As will be described later, the electrolyte layer 14 of the nonaqueous electrolyte battery 20 of the present invention contains vinylidene fluoride as one component. By including vinylidene fluoride as a component in the negative electrode active material layer 14 </ b> A, the adhesion of the electrolyte layer 14 to the negative electrode 12 is improved. Similarly, the electrolyte layer 14 contains monomethyl maleate as a component. By including monomethyl maleate as a component in the negative electrode active material layer 14A, the adhesion of the negative electrode 12 to the electrolyte layer 14 is stabilized, and the adhesion of the negative electrode active material layer 12B to the negative electrode
この二次電池では、負極活物質の充電容量が正極活物質の充電容量よりも大きくなることにより、完全充電時においても負極12にリチウム金属が析出しないように、正極11と負極12と間において充電容量の大小関係が調整されている。 In this secondary battery, the charge capacity of the negative electrode active material is larger than the charge capacity of the positive electrode active material, so that lithium metal does not deposit on the negative electrode 12 even during full charge, between the positive electrode 11 and the negative electrode 12. The magnitude relationship of the charging capacity has been adjusted.
[セパレータ]
セパレータ13は、正極11と負極12とを隔離し、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながらリチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ13は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリプロピレン(PP)あるいはポリエチレン(PE)などの合成樹脂からなる多孔質膜や、セラミックからなる多孔質膜などにより構成されている。セパレータ13は、これらの2種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。
[Separator]
The
電解質層14は、電解液と、それを保持する高分子化合物であるマトリクスポリマとを含んでいる、いわゆるゲル電解質である。ゲル電解質は、高いイオン伝導率(例えば室温で1mS/cm以上)が得られると共に電解液の漏洩が防止されるので好ましい。この電解質層14は、例えば、正極11とセパレータ13との間および負極12とセパレータ13との間に設けられている。
The electrolyte layer 14 is a so-called gel electrolyte containing an electrolytic solution and a matrix polymer that is a polymer compound that holds the electrolytic solution. The gel electrolyte is preferable because high ion conductivity (for example, 1 mS / cm or more at room temperature) is obtained and leakage of the electrolytic solution is prevented. For example, the electrolyte layer 14 is provided between the positive electrode 11 and the
高分子化合物は、フッ化ビニリデン(VdF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)およびモノメチルマレイン酸エステル(MMM)を成分とする三成分系共重合体を含有している。特に、三成分系共重合体におけるヘキサフルオロプロピレンの共重合量は、8重量%以上15重量以下の範囲内である。また、三成分系共重合体におけるモノメチルマレイン酸エステルの共重合量は、0.3重量%以上2.0重量%以下の範囲内、好ましくは0.4重量%以上1.8重量%以下の範囲内である。この三成分の組み合わせおよび組成により、電解質層14の保液性および密着性が向上するため、優れた電池容量、サイクル特性および負荷特性が得られるからである。 The polymer compound contains a ternary copolymer containing vinylidene fluoride (VdF), hexafluoropropylene (HFP) and monomethylmaleic acid ester (MMM) as components. In particular, the copolymerization amount of hexafluoropropylene in the ternary copolymer is in the range of 8% by weight to 15% by weight. In addition, the copolymerization amount of monomethylmaleic acid ester in the ternary copolymer is within the range of 0.3 wt% to 2.0 wt%, preferably 0.4 wt% to 1.8 wt%. Within range. This is because the liquid retention and adhesion of the electrolyte layer 14 are improved by the combination and composition of the three components, so that excellent battery capacity, cycle characteristics, and load characteristics can be obtained.
詳細には、共重合量が上述した下限よりも小さいと、保液性の低下に起因して電解質層14の状態(ゲル状態)が不安定化する。また、電解質層14自身は安定していても、電解質層14と負極活物質層12Bとの親和性・接着性に欠けてしまう。これにより、電池容量の低下や、充放電時におけるリチウム金属の析出に起因するサイクル特性や負荷特性の低下が生じる。一方、共重合量が上述した上限よりも大きいと、電解質層14がゲル化せずに高粘度の高分子溶液状態になってしまう。これにより、電解質層14の密着性が低下するため、サイクル特性や負荷特性が低下する。なお、三成分系共重合体におけるフッ化ビニリデンの共重合量は、ヘキサフルオロプロピレンおよびモノメチルマレイン酸エステルの共重合量に応じて適宜設定可能である。 Specifically, when the copolymerization amount is smaller than the lower limit described above, the state (gel state) of the electrolyte layer 14 becomes unstable due to a decrease in liquid retention. Moreover, even if the electrolyte layer 14 itself is stable, the affinity / adhesiveness between the electrolyte layer 14 and the negative electrode active material layer 12B is lacking. As a result, the battery capacity is reduced, and the cycle characteristics and load characteristics are reduced due to the deposition of lithium metal during charging and discharging. On the other hand, if the copolymerization amount is larger than the above-described upper limit, the electrolyte layer 14 is not gelled and becomes a high-viscosity polymer solution state. Thereby, since the adhesiveness of the electrolyte layer 14 falls, cycling characteristics and load characteristics fall. The copolymerization amount of vinylidene fluoride in the ternary copolymer can be appropriately set according to the copolymerization amount of hexafluoropropylene and monomethylmaleic acid ester.
この三成分系共重合体の重量平均分子量は、60万以上150万以下の範囲内、好ましくは70万以上140万以下の範囲内である。電解質層14の保液性が向上し、正極11、負極12およびセパレータ13に対する電解質層14の密着性が向上するからである。詳細には、重量平均分子量が60万よりも小さいと、電解質層14がゲル化せずにシャーベット状になるため、その保液性が低下する。一方、重量平均分子量が150万よりも大きいと、電解質層14の粘度が高くなりすぎるため、その密着性が低下する。
The weight average molecular weight of the ternary copolymer is in the range of 600,000 to 1,500,000, preferably 700,000 to 1,400,000. This is because the liquid retention of the electrolyte layer 14 is improved, and the adhesion of the electrolyte layer 14 to the positive electrode 11, the negative electrode 12, and the
電解質層14における高分子化合物の含有量は、例えば、両者の相溶性や高分子化合物の分子量によっても異なるが、6.0重量%以上20重量%以下の範囲内であり、好ましくは8.0重量%以上12重量%以下の範囲内である。含有量が少なすぎると、ゲルとしての電解液の保持性が不十分になる可能性がある。一方、含有量が多すぎると、電解質層14における液体部分の体積が減少するため、イオン伝導性が低下する可能性があるからである。 The content of the polymer compound in the electrolyte layer 14 varies depending on, for example, the compatibility between the two and the molecular weight of the polymer compound, but is in the range of 6.0 wt% to 20 wt%, and preferably 8.0. It is in the range of not less than 12% by weight. When there is too little content, the retainability of the electrolyte solution as a gel may become inadequate. On the other hand, if the content is too large, the volume of the liquid portion in the electrolyte layer 14 is decreased, which may reduce the ionic conductivity.
なお、高分子化合物は、例えば、上述した三成分系の共重合体と共に、他の1種または2種以上の重合体や共重合体を含んでいてもよい。 The polymer compound may contain, for example, one or two or more other polymers and copolymers together with the above-described ternary copolymer.
電解液は、非水溶媒と、電解質塩とを含んでいる。非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、1,3−ジオキソール−2−オン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、炭酸メチルプロピル、繃−ブチロラクトン、繃−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、トリメチル酢酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N'−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホランあるいはジメチルスルホキシド燐酸などが用いられる。優れた電池容量、サイクル特性および負荷特性が得られるからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。 The electrolytic solution contains a nonaqueous solvent and an electrolyte salt. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, 1,3-dioxol-2-one, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, 繃 -butyrolactone, 繃 -valerolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, methyl acetate, ethyl acetate , Methyl propionate, ethyl propionate, methyl butyrate, methyl isobutyrate, methyl trimethyl acetate, ethyl trimethyl acetate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropionitrile, N, N-dimethylformami , N- methylpyrrolidinone, N- methyl-oxazolidinone, N, N'-dimethylimidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane or dimethyl sulfoxide phosphate is used. This is because excellent battery capacity, cycle characteristics and load characteristics can be obtained. These may be used alone or in combination of two or more.
中でも、溶媒は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルおよび炭酸ジエチルからなる群のうちの2種以上であることが好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するため、より高い効果が得られるからである。この場合における溶媒の組み合わせとしては、例えば、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンからなる二成分系混合溶媒、炭酸エチレン、炭酸プロピレンおよび炭酸エチルメチルからなる三成分系混合溶媒、あるいは炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチルおよび炭酸ジエチルからなる五成分系混合溶媒などが挙げられる。なお、溶媒は、フッ素化炭酸エチレンやフッ素化炭酸プロピレンに代表されるフッ素化炭酸エステルを含んでいてもよい。 Especially, it is preferable that a solvent is 2 or more types in the group which consists of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, and diethyl carbonate. This is because the dissociation property of the electrolyte salt and the ion mobility are improved, so that a higher effect can be obtained. Examples of the solvent combination in this case include a binary mixed solvent composed of ethylene carbonate and propylene carbonate, a ternary mixed solvent composed of ethylene carbonate, propylene carbonate and ethyl methyl carbonate, or ethylene carbonate, propylene carbonate and ethyl carbonate. Examples thereof include a ternary mixed solvent composed of methyl, dimethyl carbonate and diethyl carbonate. The solvent may contain a fluorinated carbonate represented by fluorinated ethylene carbonate or fluorinated propylene carbonate.
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩を含んでいる。このリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6H5)4)、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3SO3)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4)、六フッ化ケイ酸リチウム(Li2SiF6)、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(C2F5SO2)2)、1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミドリチウム、1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミドリチウムあるいはトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチドリチウム(LiC(CF3SO2)3)などが挙げられる。優れた電池容量、サイクル特性および負荷特性が得られるからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、電解質塩は、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウムおよびビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウムからなる群のうちの少なくとも1種を含んでいるのが好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。 The electrolyte salt includes, for example, a light metal salt such as a lithium salt. Examples of the lithium salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium tetraphenylborate (LiB (C 6 H 5) 4), methanesulfonic acid lithium (LiCH 3 SO 3), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3), tetrachloroaluminate lithium (LiAlCl 4), six Lithium fluorosilicate (Li 2 SiF 6 ), lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), bis (pentafluoroethanesulfonyl) ) imide (LiN (C 2 F 5 SO 2) 2), 1,2- perfluoro Tanji sulfonyl imide, 1,3-perfluoropropanedisulfonylimide lithium or tris (trifluoromethanesulfonyl) Mechidorichiumu (LiC (CF 3 SO 2) 3) , and the like. This is because excellent battery capacity, cycle characteristics and load characteristics can be obtained. These may be used alone or in combination of two or more. Among them, the electrolyte salt includes at least one selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide and lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide. It is preferable. This is because a higher effect can be obtained because the internal resistance is lowered.
電解液における電解質塩の濃度は、0.8mol/kg以上1.2mol/kg以下の範囲内である。電荷輸送に関わるイオン数が確保されるため、優れた電池容量が得られるからである。詳細には、濃度が0.8mol/kgよりも低いと、電荷輸送に関わるイオンの絶対数が少なくなり、イオン伝導率が低下する。このため、正極活物質層11Bおよび負極活物質層12Bと電解質層14との界面に過電圧がかかることにより、副反応が大きくなる。一方、濃度が1.2mol/kgよりも高いと、電解質塩の解離性が低下するため、実質的に電荷輸送に関わるイオン数が少なくなる。また、電解質塩が多くなって電解液の粘度が高くなるため、イオンの移動度が低下することによりイオン伝導性が低下する。しかも、電解質塩と溶媒との間の相互作用が高分子化合物と溶媒との間の相互作用よりも大きくなるため、ゲル状の電解質層14の保液性が低下する。
The concentration of the electrolyte salt in the electrolytic solution is in the range of 0.8 mol / kg or more and 1.2 mol / kg or less. This is because the number of ions involved in charge transport is ensured, so that an excellent battery capacity can be obtained. Specifically, when the concentration is lower than 0.8 mol / kg, the absolute number of ions involved in charge transport decreases, and the ionic conductivity decreases. For this reason, when the overvoltage is applied to the interface between the positive electrode
なお、電解質塩の濃度が1.2mol/kg以下であることが好ましいのは、以下の理由にもよる。すなわち、電解質塩は水分と反応してフッ化水素(HF)を発生させる。この現象は、水分量、塩濃度および温度などの影響を受ける。フッ化水素が発生すると、ガス発生や酸分による腐食などの弊害を引き起こす。塩濃度が高いとフッ化水素の発生量が多くなることから、そのフッ化水素の発生に起因する電池特性への悪影響を防止するためには、塩濃度の上限が1.2mol/kgであるのが好ましい。 The reason why the concentration of the electrolyte salt is preferably 1.2 mol / kg or less is also due to the following reason. That is, the electrolyte salt reacts with moisture to generate hydrogen fluoride (HF). This phenomenon is affected by moisture content, salt concentration, temperature, and the like. Generation of hydrogen fluoride causes harmful effects such as gas generation and acid corrosion. Since the generation amount of hydrogen fluoride increases when the salt concentration is high, the upper limit of the salt concentration is 1.2 mol / kg in order to prevent adverse effects on the battery characteristics due to the generation of hydrogen fluoride. Is preferred.
[ラミネートフィルム]
ラミネートフィルム17は、金属箔の両面に樹脂層が設けられたものである。ラミネートフィルム17としては、例えば、保護層としてのナイロンフィルム、金属層としてのアルミニウム箔および熱融着層としてのポリエチレンフィルムがこの順に貼り合わされた構成とされる。この非水電解質電池20は、例えば、ポリエチレンフィルムが電池素子10に対向し、2枚の矩形型のアルミラミネートフィルムの外縁部同士が融着あるいは接着剤によって互いに接着された構造を有している。
[Laminate film]
The
なお、ラミネートフィルム17は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の積層構造を有するラミネートフィルムにより構成されていてもよい。例えば、保護層としては、外観の美しさや強靱さ、柔軟性などを要し、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)、ポリブチレンナフタレート(PBN)等を用いることもできる。熱融着層としては、熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であり、熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であり、無軸延伸ポリプロピレン(CPP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)等を用いることができる。なお、これらから複数種類選択して用いることも可能である。そして、ポリエチレンとしては、低密度ポリエチレン(LDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)が使用可能である。
Note that the
ラミネートフィルム17と正極端子15Aおよび負極端子15Bとの間には、外気の侵入を防止するために密着フィルム17が挿入されている。この密着フィルム17は、正極端子15Aおよび負極端子15Bに対して密着性を有する材料により構成されている。この種の材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。
An
[非水電解質電池の製造方法]
この非水電解質電池20は、例えば、以下の手順により製造することができる。
[Method for producing non-aqueous electrolyte battery]
This nonaqueous electrolyte battery 20 can be manufactured, for example, by the following procedure.
[正極の作製]
上述の正極活物質、結着剤、導電剤を均一に混合して正極合剤とし、この正極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。ここで、正極活物質、導電剤、結着剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。次いで、このスラリーをドクターブレード法等により正極集電体11A上に均一に塗布した後、高温のロールプレス機等により圧縮、乾燥させて溶剤を飛ばすことにより正極活物質層11Bが形成される。正極活物質層11Bは、例えば正極集電体11Aの両面に設けられる。電池素子10の構造に応じて、正極集電体11Aの一面に正極活物質層11Bを設けるようにしてもよい。なお、溶剤としては、例えばN−メチルピロリドン等が用いられる。最後に、正極集電体11A上の正極活物質層11Bの未形成部分に、正極端子15Aを取り付ける。
[Production of positive electrode]
The above-described positive electrode active material, binder, and conductive agent are uniformly mixed to form a positive electrode mixture, and this positive electrode mixture is dispersed in a solvent to form a slurry. Here, the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder need only be uniformly dispersed, and the mixing ratio is not limited. Next, the slurry is applied uniformly on the positive electrode
[負極の作製]
負極活物質と、上述の二成分系共重合体からなる結着剤を均一に混合して負極合剤とし、この負極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。ここで、負極活物質および結着剤は均一に分散していればよく、その混合比は問わない。また、必要に応じて導電剤を加えてもよい。次にこのスラリーをドクターブレード法等により負極集電体上に均一に塗布し、高温のロールプレス機等により圧縮、乾燥させて溶剤を飛ばすことにより負極活物質層が形成される。ここで、負極活物質層12Bは、正極11の構成と同様に、負極集電体12Aの少なくとも一方の面に設ければよい。最後に、負極集電体12A上の負極活物質層12Bの未形成部分に、負極端子15Bを取り付ける。
[Production of negative electrode]
The negative electrode active material and the binder composed of the above two-component copolymer are uniformly mixed to form a negative electrode mixture, and the negative electrode mixture is dispersed in a solvent to form a slurry. Here, the negative electrode active material and the binder need only be uniformly dispersed, and the mixing ratio thereof is not limited. Moreover, you may add a electrically conductive agent as needed. Next, the slurry is uniformly applied on the negative electrode current collector by a doctor blade method or the like, and compressed and dried by a high-temperature roll press machine or the like to drive off the solvent, thereby forming a negative electrode active material layer. Here, the negative electrode active material layer 12 </ b> B may be provided on at least one surface of the negative electrode current collector 12 </ b> A, similarly to the configuration of the positive electrode 11. Finally, the negative electrode terminal 15B is attached to an unformed portion of the negative electrode active material layer 12B on the negative electrode
[電池素子の作製]
上述のようにして作製した正極11の正極活物質11Bの表面、および負極12の負極活物質層12Bの表面に、それぞれゲル電解質層14を形成する。まず、電解液、高分子化合物および希釈溶剤を含むゾル状の前駆溶液を調製する。高分子化合物としては、三成分系共重合体からなる材料を用いる。続いて、ゾル状の前駆溶液を正極活物質層11Bおよび負極活物質層12Bのそれぞれの表面に塗布し、その後、前駆溶液中の希釈溶剤を揮発させる。これにより、ゲル状の電解質層14を形成する。
[Production of battery element]
The gel electrolyte layer 14 is formed on the surface of the positive electrode
続いて、電解質層14が設けられた正極11および負極12をセパレータ13を介して積層させたのち、長手方向に巻回する。このとき、保護テープ18によって、巻回された電極等を固定する。これにより、電池素子10を形成する。続いて、例えば、2枚のフィルム状のラミネートフィルム17の間に電池素子10を挟み込んだのち、そのラミネートフィルム17の外縁部同士を熱融着などで接着させることにより電池素子10を封入する。その際、正極端子15Aおよび負極端子15Bとラミネートフィルム17との間に、密着フィルム17を挿入する。これにより、図1および図2に示した非水電解質電池20が完成する。
Subsequently, the positive electrode 11 and the negative electrode 12 provided with the electrolyte layer 14 are laminated via the
この非水電解質電池20では、充電を行うと、例えば、正極11からリチウムイオンが放出され、電解質層14を経由して負極12に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極12からリチウムイオンが放出され、電解質層14を経由して正極11に吸蔵される。 In the nonaqueous electrolyte battery 20, when charged, for example, lithium ions are extracted from the positive electrode 11 and inserted into the negative electrode 12 through the electrolyte layer 14. On the other hand, when discharging is performed, for example, lithium ions are released from the negative electrode 12 and inserted into the positive electrode 11 via the electrolyte layer 14.
この非水電解質電池20では、高分子化合物の種類および組成および負極結着剤の種類および組成に基づいて、以下の作用が得られる。 In the nonaqueous electrolyte battery 20, the following actions are obtained based on the type and composition of the polymer compound and the type and composition of the negative electrode binder.
第1に、電解質層14における高分子化合物がフッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびモノメチルマレイン酸エステルを成分とする三成分系共重合体を含有し、その三成分系共重合体におけるヘキサフルオロプロピレンおよびモノメチルマレイン酸エステルの共重合量がそれぞれ8重量%以上15重量%以下の範囲内および0.3重量%以上2重量%以下の範囲内であるので、それらの共重合量が上述した範囲条件を満たしていない場合と比較して、電解質塩の濃度を高くした場合においても電解質層14の状態(ゲル状態)が安定化する。これにより、電解質層14の保液性が向上するため、正極11、負極12およびセパレータ13に対する電解質層14の密着性も向上する。
First, the polymer compound in the electrolyte layer 14 contains a ternary copolymer having vinylidene fluoride, hexafluoropropylene and monomethylmaleic acid ester as components, and the hexafluoropropylene in the ternary copolymer and Since the copolymerization amount of monomethylmaleic acid ester is in the range of 8% by weight or more and 15% by weight or less and in the range of 0.3% by weight or more and 2% by weight or less, the copolymerization amount satisfies the above range conditions. The state (gel state) of the electrolyte layer 14 is stabilized even when the concentration of the electrolyte salt is increased as compared with the case where it is not satisfied. Thereby, since the liquid retention property of the electrolyte layer 14 improves, the adhesiveness of the electrolyte layer 14 with respect to the positive electrode 11, the negative electrode 12, and the
第2に、上述した三成分系共重合体の重量平均分子量が60万以上150万以下の範囲内であるので、その重量平均分子量が上述した範囲条件を満たしていない場合と比較して、やはり電解質層14の状態(ゲル状態)が安定化する。 Secondly, since the weight average molecular weight of the above-mentioned ternary copolymer is in the range of 600,000 to 1,500,000, compared with the case where the weight average molecular weight does not satisfy the above-mentioned range conditions, The state (gel state) of the electrolyte layer 14 is stabilized.
第3に、電解液における電解質塩の濃度が0.8mol/kg以上1.7mol/kg以下の範囲内であるので、その濃度が上述した範囲条件を満たしていない場合と比較して、電荷輸送に関わるイオン数が確保される。 Third, since the concentration of the electrolyte salt in the electrolytic solution is in the range of 0.8 mol / kg or more and 1.7 mol / kg or less, the charge transport is compared with the case where the concentration does not satisfy the above-described range condition. The number of ions involved in is secured.
第4に、電解質層14における高分子化合物がフッ化ビニリデンを一成分とする三成分系共重合体を含有している場合に、正極11における正極結着剤がフッ化ビニリデンを成分とする重合体を含有しているので、正極結着剤がフッ化ビニリデンを成分とする重合体を含有していない場合と比較して、正極11に対する電解質層14の密着性が向上する。 Fourthly, when the polymer compound in the electrolyte layer 14 contains a ternary copolymer containing vinylidene fluoride as a component, the positive electrode binder in the positive electrode 11 is a resin containing vinylidene fluoride as a component. Since the coalescence is contained, the adhesion of the electrolyte layer 14 to the cathode 11 is improved as compared with the case where the cathode binder does not contain a polymer containing vinylidene fluoride as a component.
この場合には、負極12における負極結着剤が二成分系共重合体を含有し、その二成分系共重合体におけるモノメチルマレイン酸エステルの共重合量が0.3重量%以上2重量%以下の範囲内である。このため、負極結着剤が上述した二成分系共重合体を含有しておらず、あるいは二成分系共重合体を含有していてもモノメチルマレイン酸エステルの共重合量が上述した範囲条件を満たしていない場合と比較して、負極12に対する電解質層14の密着性が向上すると共に、その密着性が安定化する。これにより、ラミネートフィルム17に裂け目などの欠陥があったとしても、電解液が漏洩しにくくなる。したがって、電池容量、サイクル特性および負荷特性などが向上するため、優れた電池性能を得ることができる。
In this case, the negative electrode binder in the negative electrode 12 contains a two-component copolymer, and the copolymerization amount of monomethyl maleate in the two-component copolymer is 0.3 wt% or more and 2 wt% or less. Is within the range. For this reason, even if the negative electrode binder does not contain the above-mentioned two-component copolymer, or even if it contains a two-component copolymer, the copolymerization amount of monomethylmaleic acid ester satisfies the above-mentioned range condition. Compared with the case where it does not satisfy | fill, while the adhesiveness of the electrolyte layer 14 with respect to the negative electrode 12 improves, the adhesiveness is stabilized. Thereby, even if the
以下、実施例によりこの発明を具体的に説明するが、この発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
<サンプル1>
[正極の作製]
正極活物質であるコバルト酸リチウム(LiCoO2)と、導電剤である黒鉛と、結着剤であるポリフッ化ビニリデンとを重量比91:6:3で混合し、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとした。ここで、フッ化ビニリデンはホモポリマーを用いた。続いて、この正極合剤スラリーを厚み20μmのアルミニウム箔集電体上に均一に塗布して乾燥させ、ロールプレスで圧縮成型して正極活物質層を形成した後、必要な大きさに裁断して正極を作製した。最後に、正極集電体の一端にアルミニウム製の正極端子を取り付けた。
<Sample 1>
[Production of positive electrode]
Lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material, graphite as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride as a binder are mixed in a weight ratio of 91: 6: 3, and N-methyl-2 as a solvent. -Dispersed in pyrrolidone to obtain a positive electrode mixture slurry. Here, a homopolymer was used as vinylidene fluoride. Subsequently, this positive electrode mixture slurry was uniformly applied onto an aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm, dried, and compression-molded with a roll press to form a positive electrode active material layer, and then cut into a required size. Thus, a positive electrode was produced. Finally, an aluminum positive electrode terminal was attached to one end of the positive electrode current collector.
[負極の作製]
負極活物質である人造黒鉛と、導電剤である気相成長炭素繊維と、結着剤とを重量比94:1:5で混合し、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとした。結着剤としては、モノメチルマレイン酸エステル(MMM)を1重量%共重合させたポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いた。負極活物質に用いる人造黒鉛としては、平均粒径20μmのメソフェーズカーボンマイクロビーズを使用した。
[Production of negative electrode]
Artificial graphite as a negative electrode active material, vapor-grown carbon fiber as a conductive agent, and a binder are mixed at a weight ratio of 94: 1: 5 and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. A negative electrode mixture slurry was obtained. As the binder, polyvinylidene fluoride (PVdF) obtained by copolymerizing 1% by weight of monomethyl maleate (MMM) was used. As artificial graphite used for the negative electrode active material, mesophase carbon micro beads having an average particle diameter of 20 μm were used.
続いて、この負極合剤スラリーを厚み15μmの銅箔集電体上に均一に塗布して乾燥させ、ロールプレスで圧縮成型して負極活物質層を形成した後、必要な大きさに裁断して負極を作製した。最後に、負極集電体の一端にニッケル製の負極端子を取り付けた。 Subsequently, the negative electrode mixture slurry was uniformly applied onto a 15 μm thick copper foil current collector, dried, and compression-molded with a roll press to form a negative electrode active material layer, which was then cut into a required size. Thus, a negative electrode was produced. Finally, a nickel negative electrode terminal was attached to one end of the negative electrode current collector.
[ゲル電解質]
電解液に用いる混合溶媒として、炭酸エチレン(EC)と炭酸プロピレン(PC)とを重量比でEC:PC=4:6となるように混合したものを用いた。また、電解質塩としては、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を用い、混合溶媒に対して重量モル濃度1.0mol/kgとなるように混合させて電解液とした。
[Gel electrolyte]
As a mixed solvent used for the electrolytic solution, a mixture of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) so as to have a weight ratio of EC: PC = 4: 6 was used. Further, as the electrolyte salt, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was used and mixed with the mixed solvent so that the molar concentration was 1.0 mol / kg to obtain an electrolytic solution.
上述の電解液を分散させるマトリクスポリマとしては、フッ化ビニリデン(VdF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)およびモノメチルマレイン酸エステル(MMM)を成分とする三成分系共重合体を用いる。三成分系共重合体は、フッ化ビニリデン(VdF)に対して1重量%のモノメチルマレイン酸エステル(MMM)と7重量%のヘキサフルオロプロピレン(HFP)とを含み、数平均分子量が70万である。 As the matrix polymer in which the electrolyte solution is dispersed, a ternary copolymer having vinylidene fluoride (VdF), hexafluoropropylene (HFP), and monomethylmaleic acid ester (MMM) as components is used. The ternary copolymer contains 1% by weight of monomethylmaleic acid ester (MMM) and 7% by weight of hexafluoropropylene (HFP) with respect to vinylidene fluoride (VdF), and has a number average molecular weight of 700,000. is there.
上述の三成分共重合体からなるマトリクスポリマと、電解液と、希釈溶剤とを重量比1:10:10で混合しゾル電解質を作製した。希釈溶剤としては、炭酸ジメチル(DMC)を用いた。このゾル電解質を正極活物質層および負極活物質層の上に塗布した後、希釈溶剤を100℃の環境下で揮発させて、電極上に厚さ15μmのゲル電解質層を形成した。 A matrix polymer composed of the above-mentioned ternary copolymer, the electrolytic solution, and the diluent solvent were mixed at a weight ratio of 1:10:10 to prepare a sol electrolyte. Dimethyl carbonate (DMC) was used as a dilution solvent. After applying this sol electrolyte on the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, the diluting solvent was volatilized in an environment of 100 ° C. to form a gel electrolyte layer having a thickness of 15 μm on the electrode.
[非水電解質電池の組み立て]
上述のようにゲル電解質層が形成された正極および負極を、厚さ12μmの多孔質ポリエチレンセパレータを介して積層し、巻回して扁平型の電池素子を作成した。この電池素子をアルミラミネートフィルムを用いた外装に挿入し、電池素子の周辺部を封止した。アルミラミネートフィルムは、アルミニウム箔の両面に外装層として厚さ30μmのナイロンフィルムを、熱融着層として厚さ30μmの結晶性ポリプロピレンフィルムを貼り合わせたものである。電池素子は、アルミラミネートフィルムに形成した凹部に収容されて外装し、真空下で電池素子の周囲の各辺を熱融着で貼り合わせ、真空封止される。アルミラミネートフィルムは大気圧で押され、たるみのない外装となっている。電池の電極端子を取り出す部分には、アイオノマーなどの金属に良く接着する樹脂片を接着し、気密性が高くなるようにして非水電解質電池を作製した。
[Assembly of non-aqueous electrolyte battery]
The positive electrode and the negative electrode on which the gel electrolyte layer was formed as described above were laminated via a porous polyethylene separator having a thickness of 12 μm and wound to produce a flat battery element. This battery element was inserted into an exterior using an aluminum laminate film, and the periphery of the battery element was sealed. The aluminum laminate film is obtained by bonding a nylon film having a thickness of 30 μm as an exterior layer to both surfaces of an aluminum foil and a crystalline polypropylene film having a thickness of 30 μm as a heat sealing layer. The battery element is housed in a recess formed in an aluminum laminate film and packaged, and the sides around the battery element are bonded together by heat sealing under vacuum and vacuum sealed. The aluminum laminate film is pressed at atmospheric pressure and has a slack exterior. A resin piece that adheres well to a metal such as an ionomer was adhered to a portion where the electrode terminal of the battery was taken out, and a non-aqueous electrolyte battery was fabricated so as to increase the airtightness.
<サンプル2>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を8重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 2>
A non-aqueous electrolyte battery was produced in the same manner as Sample 1 except that the content of hexafluoropropylene (HFP), which is a ternary copolymer used in the gel electrolyte layer, was 8% by weight.
<サンプル3>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 3>
A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content of hexafluoropropylene (HFP), which is a ternary copolymer used in the gel electrolyte layer, was 10% by weight.
<サンプル4>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を15重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 4>
A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content of hexafluoropropylene (HFP), which is a ternary copolymer used for the gel electrolyte layer, was 15% by weight.
<サンプル5>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を18重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 5>
A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content of hexafluoropropylene (HFP), which is a ternary copolymer used in the gel electrolyte layer, was 18% by weight.
<サンプル6>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とし、モノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量を0.1重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 6>
Sample 1 except that the content of hexafluoropropylene (HFP) in the ternary copolymer used in the gel electrolyte layer is 10% by weight and the content of monomethylmaleic acid ester (MMM) is 0.1% by weight. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as described above.
<サンプル7>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とし、モノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量を0.3重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 7>
Sample 1 except that the content of hexafluoropropylene (HFP) in the ternary copolymer used in the gel electrolyte layer is 10% by weight and the content of monomethylmaleate (MMM) is 0.3% by weight. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as described above.
<サンプル8>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とし、モノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量を2重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 8>
Same as Sample 1 except that the content of hexafluoropropylene (HFP) of the ternary copolymer used in the gel electrolyte layer is 10 wt% and the content of monomethyl maleate (MMM) is 2 wt%. Thus, a non-aqueous electrolyte battery was produced.
<サンプル9>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とし、モノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量を2.5重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 9>
Sample 1 except that the content of hexafluoropropylene (HFP) of the ternary copolymer used in the gel electrolyte layer is 10% by weight and the content of monomethyl maleate (MMM) is 2.5% by weight. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as described above.
<サンプル10>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とする。また、負極活物質層に用いる二成分系共重合体のモノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量を0.1重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<
The content of hexafluoropropylene (HFP) in the ternary copolymer used for the gel electrolyte layer is 10% by weight. In addition, a nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as Sample 1, except that the content of monomethyl maleate (MMM) of the binary copolymer used for the negative electrode active material layer was 0.1 wt%.
<サンプル11>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とする。また、負極活物質層に用いる二成分系共重合体のモノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量を0.3重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 11>
The content of hexafluoropropylene (HFP) in the ternary copolymer used for the gel electrolyte layer is 10% by weight. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content of monomethyl maleate (MMM) of the binary copolymer used for the negative electrode active material layer was 0.3 wt%.
<サンプル12>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とする。また、負極活物質層に用いる二成分系共重合体のモノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量を2重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 12>
The content of hexafluoropropylene (HFP) in the ternary copolymer used for the gel electrolyte layer is 10% by weight. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content of monomethyl maleate (MMM) of the binary copolymer used for the negative electrode active material layer was 2 wt%.
<サンプル13>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とする。また、負極活物質層に用いる二成分系共重合体のモノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量を2.5重量%とした以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<
The content of hexafluoropropylene (HFP) in the ternary copolymer used for the gel electrolyte layer is 10% by weight. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content of monomethyl maleate (MMM) of the binary copolymer used for the negative electrode active material layer was 2.5 wt%.
<サンプル14>
ゲル電解質層に用いる三成分系共重合体のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量を10重量%とする。また、負極活物質層に用いる二成分系共重合体に、さらに3重量%のヘキサフルオロプロピレン(HFP)を含有させた以外は、サンプル1と同様にして非水電解質電池を作製した。
<Sample 14>
The content of hexafluoropropylene (HFP) in the ternary copolymer used for the gel electrolyte layer is 10% by weight. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the binary copolymer used for the negative electrode active material layer further contained 3% by weight of hexafluoropropylene (HFP).
[非水電解質電池の評価]
(a)電解質層の状態
まず、電解質層の形成時において、電極表面に良好なゲル状の電解質層が形成されるかを確認する。
[Evaluation of non-aqueous electrolyte battery]
(A) State of electrolyte layer First, it is confirmed whether a good gel electrolyte layer is formed on the electrode surface when forming the electrolyte layer.
(b)サイクル特性
上述の各サンプルの非水電解質電池について、電池容量に対する1時間電流率1ItA(電池容量1Ahの電池において、1ItA=1A)での定電流放電を行う。そして、電池電圧が4.2Vに達した時点で低電圧充電に切り替え、充電総時間が2.5時間となった時点で充電を終了した。続いて、1ItAで放電を行い、電池電圧が3Vとなった時点で放電を終了した。このときの放電容量を初期容量とした。
(B) Cycle characteristics About the nonaqueous electrolyte battery of each sample described above, constant current discharge is performed at a current rate of 1 ItA relative to the battery capacity (1 ItA = 1 A in a battery having a battery capacity of 1 Ah). Then, when the battery voltage reached 4.2 V, switching to low voltage charging was performed, and charging was terminated when the total charging time reached 2.5 hours. Subsequently, discharging was performed at 1 ItA, and discharging was terminated when the battery voltage reached 3V. The discharge capacity at this time was defined as the initial capacity.
続いて、上述の充電・放電と同じ条件で充放電を400サイクルとなるまで繰り返し、400サイクル目の放電容量を測定した。続いて、{(400サイクル目の放電容量/初期容量)×100}から、容量維持率を算出した。 Subsequently, charging / discharging was repeated until 400 cycles under the same conditions as the above-described charging / discharging, and the discharge capacity at the 400th cycle was measured. Subsequently, the capacity retention rate was calculated from {(discharge capacity at 400th cycle / initial capacity) × 100}.
(b)負極活物質層の剥離・剥落の状態
上述の各サンプルの非水電解質電池について、組み立て直後の電池を解体して、負極集電体からの負極活物質層の剥離・剥落があるか否かを目視で確認した。
(B) State of peeling / peeling of negative electrode active material layer Regarding the non-aqueous electrolyte battery of each of the above samples, is the battery immediately after assembly disassembled and whether the negative electrode active material layer is peeled off or peeled off from the negative electrode current collector? It was confirmed visually.
以下の表1に、上述の評価の結果を示す。 Table 1 below shows the results of the above evaluation.
各サンプルから分かるように、ゲル電解質層および負極活物質層中の高分子の量を適切に設定することにより、ゲル電解質層および負極活物質層を良好に形成し、高いサイクル特性を得ることができる。 As can be seen from each sample, by appropriately setting the amount of polymer in the gel electrolyte layer and the negative electrode active material layer, the gel electrolyte layer and the negative electrode active material layer can be formed well and high cycle characteristics can be obtained. it can.
一方、サンプル1のように、電解質層中の三成分系共重合体の主成分であるヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量が少ない場合には、電解質層および負極活物質層の状態が良好であっても、サイクル特性が低下してしまった。これは、ゲル電解質層と負極活物質層との密着性が低下してしまったためである。 On the other hand, when the content of hexafluoropropylene (HFP), which is the main component of the ternary copolymer in the electrolyte layer, is small as in Sample 1, the state of the electrolyte layer and the negative electrode active material layer is good. Even in such a case, the cycle characteristics have deteriorated. This is because the adhesion between the gel electrolyte layer and the negative electrode active material layer has decreased.
また、サンプル5および6のように、電解質層中のヘキサフルオロプロピレン(HFP)の含有量が多すぎる場合、すなわち共重合させる高分子の共重合比が不適切である場合には、電解質がゲル化しなかった。また、サイクル特性も低下してしまった。 Further, as in Samples 5 and 6, when the content of hexafluoropropylene (HFP) in the electrolyte layer is too high, that is, when the copolymerization ratio of the polymer to be copolymerized is inappropriate, the electrolyte is gel. It did not turn. In addition, cycle characteristics have also deteriorated.
サンプル3ならびにサンプル6ないし9から分かるように、電解質層中の三成分系共重合体の主成分に共重合させたモノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量が少ない場合には、電解質層および負極活物質層の状態が良好であっても、サイクル特性が低下してしまった。これは、共重合させる高分子の共重合比が不適切であったためである。 As can be seen from Sample 3 and Samples 6 to 9, when the content of monomethyl maleate (MMM) copolymerized with the main component of the ternary copolymer in the electrolyte layer is small, the electrolyte layer and the negative electrode Even if the state of the active material layer was good, the cycle characteristics were deteriorated. This is because the copolymerization ratio of the polymer to be copolymerized was inappropriate.
サンプル9のように、電解質層中のモノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量が多すぎる場合には、電解質がゲル化しなかった。また、サイクル特性も低下してしまった。 As in Sample 9, when the content of monomethyl maleate (MMM) in the electrolyte layer was too much, the electrolyte did not gel. In addition, cycle characteristics have also deteriorated.
サンプル10のように、負極活物質層において二成分系共重合体のモノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量が少なすぎる場合には、負極活物質層が負極集電体から剥離してしまった。また、電池反応に寄与する負極活物質層の減少により、サイクル特性も低下してしまった。これは、負極集電体に対する負極活物質層の接着性が低下してしまうためである。
When the content of monomethylmaleic acid ester (MMM) of the two-component copolymer was too small in the negative electrode active material layer as in
サンプル13のように、負極活物質層におけるモノメチルマレイン酸エステル(MMM)の含有量が多すぎる場合には、負極活物質層が負極集電体から剥落してしまった。また、電池反応に寄与する負極活物質層の減少により、サイクル特性も低下してしまった。これは、負極活物質層が膨潤してしまうためである。
When the content of monomethylmaleic acid ester (MMM) in the negative electrode active material layer was too large as in
サンプル14のように、負極活物質層に用いる結着剤としての高分子に、さらにヘキサフルオロプロピレン(HFP)を混合した場合にも、負極活物質層が負極集電体から剥落してしまった。また、電池反応に寄与する負極活物質層の減少により、サイクル特性も低下してしまった。これは、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)の添加により負極活物質層がさらに膨潤しやすくなったためである。 Even when hexafluoropropylene (HFP) was further mixed with the polymer as the binder used for the negative electrode active material layer as in Sample 14, the negative electrode active material layer was peeled off from the negative electrode current collector. . In addition, the cycle characteristics also deteriorated due to the decrease in the negative electrode active material layer contributing to the battery reaction. This is because the negative electrode active material layer is more easily swollen by the addition of hexafluoropropylene (HFP).
以上、この発明の実施形態について実施の形態および実施例にて具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。この発明は上述した実施の形態および実施例で説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。具体的には、上述した実施の形態および実施例では、この発明の電池として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に伴う容量成分により表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、この発明の電池は、負極活物質の充電容量を正極活物質の充電容量よりも小さくすることにより、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に伴う容量成分とリチウムの析出および溶解に伴う容量成分とを含み、かつそれらの容量成分の和により表される二次電池についても適用可能である。 The embodiments of the present invention have been specifically described in the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention. Is possible. The present invention is not limited to the modes described in the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made. Specifically, in the above-described embodiments and examples, the lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by the capacity component accompanying the insertion and extraction of lithium has been described as the battery of the present invention. It is not limited to. For example, in the battery of the present invention, the negative electrode active material has a charge capacity smaller than that of the positive electrode active material, so that the capacity of the negative electrode is a capacity component associated with insertion and extraction of lithium and a capacity associated with precipitation and dissolution of lithium. The present invention is also applicable to a secondary battery that includes a component and is represented by the sum of the capacity components.
また、上述した実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他の1A族元素や、マグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの2A族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属を用いてもよい。この場合においても、負極活物質として、上述した実施の形態で説明した負極材料を用いることが可能である。 In the above-described embodiments and examples, the case where lithium is used as the electrode reactant has been described. However, other Group 1A elements such as sodium (Na) or potassium (K), magnesium or calcium (Ca), etc. Other light metals such as 2A group elements and aluminum may be used. Also in this case, the negative electrode material described in the above-described embodiment can be used as the negative electrode active material.
また、上述した実施の形態または実施例では、この発明の電池の電池構造としてラミネートフィルム型を例に挙げて説明したが、この発明の電池は、円筒型、コイン型、ボタン型あるいは角型などの他の電池構造を有する二次電池についても適用可能である。また、上述した実施の形態または実施例では、正極および負極を積層してから巻回する巻回型の電極体について説明したが、正極および負極を積層する積層型の電極体や、それらを積層してから巻回させずにつづら折りにするつづら型の電極体であってもよい。もちろん、この発明は、二次電池に限らず、一次電池などの他の電池についても同様に適用可能である。 Further, in the above-described embodiment or example, the laminated film type has been described as an example of the battery structure of the battery of the present invention. However, the battery of the present invention may be a cylindrical type, a coin type, a button type, a square type, or the like. The present invention is also applicable to secondary batteries having other battery structures. In the above-described embodiment or example, the winding type electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are stacked and then wound is described. However, the stacked electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are stacked, and the stacked layers are stacked. Then, a zigzag type electrode body that is zigzag folded without being wound may be used. Of course, the present invention is not limited to the secondary battery but can be similarly applied to other batteries such as a primary battery.
また、上述した実施の形態および実施例では、三成分系共重合体におけるヘキサフルオロプロピレンおよびモノメチルマレイン酸エステルの共重合量について、実施例の結果から導き出された適正範囲を説明しているが、その説明は、各共重合量が上述した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上述した適正範囲は、あくまでこの発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、この発明の効果が得られるのであれば、各共重合量が上述した範囲から多少外れてもよい。このことは、三成分系共重合体の重量平均分子量、電解質塩の濃度および負極の結着剤におけるモノメチルマレイン酸エステルの共重合量の適正範囲についても同様である。 In the above-described embodiments and examples, the appropriate ranges derived from the results of the examples are described for the copolymerization amounts of hexafluoropropylene and monomethyl maleate in the ternary copolymer. The explanation does not completely deny the possibility that the respective copolymerization amounts are outside the above-mentioned range. That is, the appropriate range described above is a particularly preferable range for obtaining the effects of the present invention, and the amount of each copolymerization may deviate somewhat from the range described above as long as the effects of the present invention are obtained. The same applies to the appropriate ranges of the weight average molecular weight of the ternary copolymer, the concentration of the electrolyte salt, and the copolymerization amount of monomethyl maleate in the binder of the negative electrode.
10・・・電池素子
11・・・正極
11A・・・正極集電体
11B・・・正極活物質層
12・・・負極
12A・・・負極集電体
12B・・・負極活物質層
13・・・セパレータ
14・・・電解質層
15A・・・正極端子
15B・・・負極端子
16・・・シーラント
17・・・ラミネートフィルム
18・・・保護テープ
19・・・絶縁部材
DESCRIPTION OF
Claims (6)
負極活物質と、フッ化ビニリデンおよびモノメチルマレイン酸エステルを成分とする二成分系共重合体を含有する負極結着剤とを含み、
上記二成分系共重合体における上記モノメチルマレイン酸エステルの共重合量が0.3重量%以上2重量%以下の範囲内である負極と、
電解液と、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびモノメチルマレイン酸エステルを成分とする三成分系共重合体を含有する高分子化合物とを含み、
上記三成分系共重合体における上記ヘキサフルオロプロピレンおよび上記モノメチルマレイン酸エステルの共重合量がそれぞれ8重量%以上15重量%以下の範囲内および0.3重量%以上2重量%以下の範囲内であるとともに、上記三成分系共重合体の重量平均分子量が60万以上150万以下の範囲内である電解質と
を備える非水電解質電池。 A positive electrode;
A negative electrode active material, and a negative electrode binder containing a two-component copolymer composed of vinylidene fluoride and monomethylmaleate as components,
A negative electrode in which the copolymerization amount of the monomethylmaleic acid ester in the two-component copolymer is in the range of 0.3 wt% to 2 wt%;
An electrolytic solution and a polymer compound containing a ternary copolymer containing vinylidene fluoride, hexafluoropropylene and monomethylmaleic acid ester as components,
The copolymerization amount of the hexafluoropropylene and the monomethylmaleic acid ester in the ternary copolymer is within the range of 8% by weight to 15% by weight and within the range of 0.3% by weight to 2% by weight, respectively. And a non-aqueous electrolyte battery comprising an electrolyte having a weight average molecular weight in the range of 600,000 to 1,500,000 or less.
請求項1記載の非水電解質電池。 The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein the solvent includes two or more members selected from the group consisting of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate.
請求項2記載の非水電解質電池。 The electrolyte salt includes at least one selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide and lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide. 2. The nonaqueous electrolyte battery according to 2.
請求項1ないし3記載の非水電解質電池。 The non-aqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein the positive electrode active material is capable of inserting and extracting lithium and contains a composite oxide containing lithium.
請求項1ないし3記載の非水電解質電池。 The negative electrode active material is capable of inserting and extracting lithium, and has at least one of a carbon material or a metal element and a metalloid element capable of forming an alloy with lithium as a constituent element. The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1, which contains a material to be contained.
請求項1ないし5記載の非水電解質電池。 The non-aqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte are housed inside a film-shaped exterior member.
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