JP5603543B2 - Battery separator and non-aqueous electrolyte battery - Google Patents
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Description
本発明は、負荷特性と安全性に優れた非水電解液電池を構成し得る電池用セパレータと、該セパレータを有する非水電解液電池に関するものである。 The present invention relates to a battery separator capable of constituting a nonaqueous electrolyte battery excellent in load characteristics and safety, and a nonaqueous electrolyte battery having the separator.
非水電解液電池の一種である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。例えば、リチウム二次電池では、携帯機器の高性能化に伴って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。 A lithium secondary battery, which is a type of non-aqueous electrolyte battery, is widely used as a power source for portable devices such as mobile phones and notebook personal computers because of its high energy density. For example, lithium secondary batteries tend to have higher capacities as mobile devices become more sophisticated, and ensuring safety is important.
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また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構成樹脂の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, in such a stretched film, the degree of crystallinity of the constituent resin has increased, and the shutdown temperature has increased to a temperature close to the thermal runaway temperature of the battery, so there is a sufficient margin for ensuring the safety of the battery. It's hard to say.
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 temperature of the battery easily rises to the shrinkage temperature of the separator, and there is a risk of 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、耐熱性の高い層を備えた多層構造のセパレータが提案されている(例えば、特許文献1〜5)。
As a technique for preventing such a short circuit due to thermal contraction of the separator and enhancing the reliability of the battery, for example, a separator having a multilayer structure including a layer having high heat resistance has been proposed (for example,
ところで、現在の非水電解液電池に対する要求は更なる高まりを見せており、安全性を高めながらも、出力特性を高いレベルに維持することが求められる。前記の特許文献に開示の技術は、非水電解液電池の安全性向上において一定の効果を有するものであるが、このような要請への対応に関して、更なる改良の余地がある。 By the way, the request | requirement with respect to the present non-aqueous electrolyte battery has further increased, and it is calculated | required to maintain an output characteristic at a high level, improving safety | security. The technology disclosed in the above-mentioned patent document has a certain effect in improving the safety of the nonaqueous electrolyte battery, but there is room for further improvement in response to such a request.
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、負荷特性および安全性に優れた非水電解液電池を構成し得るセパレータと、該セパレータを有する非水電解液電池を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said situation, The objective provides the separator which can comprise the nonaqueous electrolyte battery excellent in load characteristics and safety | security, and the nonaqueous electrolyte battery which has this separator. There is.
前記課題を解決し得た本発明の電池用セパレータは、熱可塑性樹脂を主体とする樹脂多孔質層と、耐熱性微粒子を主体として含む耐熱多孔質層とを少なくとも有する多層多孔質膜からなる電池用セパレータであって、前記耐熱性微粒子は、平均粒子径が0.2〜1μmであり、かつ粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合が10体積%以下であることを特徴とするものである。 The battery separator of the present invention that has solved the above problems is a battery comprising a multilayer porous film having at least a resin porous layer mainly composed of a thermoplastic resin and a heat resistant porous layer mainly composed of heat resistant fine particles. The heat-resistant fine particles have an average particle diameter of 0.2 to 1 μm, and a ratio of particles having a particle diameter larger than 2 μm is 10% by volume or less. .
また、本発明の電池は、Li(リチウム)イオンを吸蔵放出可能な活物質を有する正極と、Liイオンを吸蔵放出可能な活物質を有する負極と、有機電解液と、セパレータとを備えており、前記セパレータとして、本発明の電池用セパレータを有することを特徴とするものである。 The battery of the present invention includes a positive electrode having an active material capable of occluding and releasing Li (lithium) ions, a negative electrode having an active material capable of occluding and releasing Li ions, an organic electrolyte, and a separator. The separator for a battery of the present invention is used as the separator.
なお、本明細書でいう樹脂多孔質層(I)における「熱可塑性樹脂を主体とする」とは、樹脂多孔質層内の固形分比率で、熱可塑性樹脂が50体積%以上であることを意味している。更に、本明細書でいう耐熱多孔質層における「耐熱性微粒子を主体として含む」とは、層内の固形分比率で、耐熱性微粒子が50体積%以上であることを意味している。 In addition, in the resin porous layer (I) in the present specification, “mainly composed of a thermoplastic resin” is a solid content ratio in the resin porous layer, and the thermoplastic resin is 50% by volume or more. I mean. Furthermore, “including heat-resistant fine particles as a main component” in the heat-resistant porous layer in the present specification means that the heat-resistant fine particles are 50% by volume or more in terms of the solid content ratio in the layer.
本発明によれば、負荷特性および安全性に優れた非水電解液電池を構成し得るセパレータと、該セパレータを有する非水電解液電池を提供できる。すなわち、本発明の非水電解液電池は、負荷特性および安全性が優れている。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the separator which can comprise the nonaqueous electrolyte battery excellent in the load characteristic and safety | security, and the nonaqueous electrolyte battery which has this separator can be provided. That is, the non-aqueous electrolyte battery of the present invention is excellent in load characteristics and safety.
本発明の電池用セパレータ(以下、単に「セパレータ」という場合がある)は、熱可塑性樹脂を主体とする樹脂多孔質層と、耐熱性微粒子を主体として含む耐熱多孔質層とを少なくとも有する多層多孔質膜からなるものである。樹脂多孔質層は、正極と負極の短絡を防止しつつ、イオンを透過するセパレータ本来の機能を有する層であり、耐熱多孔質層はセパレータに耐熱性を付与する役割を担う層である The battery separator of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “separator”) is a multilayer porous material having at least a resin porous layer mainly composed of a thermoplastic resin and a heat resistant porous layer mainly composed of heat resistant fine particles. It consists of a membrane. The resin porous layer is a layer having an original function of a separator that transmits ions while preventing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, and the heat resistant porous layer is a layer that plays a role of imparting heat resistance to the separator.
耐熱多孔質層において、耐熱性微粒子は、その主体となり、基材となる樹脂多孔質層の熱収縮および破膜を防止する役割を担っている。また、電池内が異常に発熱し、樹脂多孔質層が溶融した際にも、耐熱性微粒子を主体として含む耐熱多孔質層によって、正極と負極とが隔てられ、電池の安全性が確保される。 In the heat-resistant porous layer, the heat-resistant fine particles are the main component and play a role of preventing thermal shrinkage and film breakage of the resin porous layer serving as the base material. In addition, when the inside of the battery generates heat abnormally and the resin porous layer melts, the positive electrode and the negative electrode are separated by the heat-resistant porous layer mainly containing heat-resistant fine particles, and the safety of the battery is ensured. .
しかしながら、耐熱多孔質層は、前記の通り、セパレータの耐熱性を高め得る一方で、セパレータ中を通過するLiイオンの運動の障害となり、電池の負荷特性低下の原因ともなる。そこで、本発明では、耐熱多孔質層の主体となる耐熱性微粒子の形態を調整し、耐熱性の低下を抑えつつ耐熱多孔質層を可及的に薄くできるようにして、耐熱多孔質層によるLiイオンの運動への影響を小さくし、良好な負荷特性を有する電池を構成し得るようにしている。 However, as described above, the heat-resistant porous layer can improve the heat resistance of the separator, but becomes an obstacle to the movement of Li ions that pass through the separator, and also causes a reduction in load characteristics of the battery. Therefore, in the present invention, the shape of the heat-resistant fine particles that are the main component of the heat-resistant porous layer is adjusted so that the heat-resistant porous layer can be made as thin as possible while suppressing the decrease in heat resistance. The influence on the movement of Li ions is reduced, and a battery having good load characteristics can be configured.
耐熱多孔質層の含有する耐熱性微粒子は、その平均粒子径が、1μm以下、好ましくは0.8μm以下である。耐熱性微粒子の平均粒子径が大きすぎると、耐熱多孔質層を薄く形成するのが難しくなる。また、耐熱多孔質層内部の空孔の経路長が長くなって、セパレータ中をLiイオンが通過する際の障害となり、電池の負荷特性が低下しやすくなる。一方、耐熱性微粒子が小さすぎると、その表面積が大きくなるため、耐熱多孔質層中での耐熱性微粒子の分散性が低下したり、耐熱性微粒子の付着水が増加して、電池内の水分量の制御が困難となる。電池内の水分量が多くなると、電池特性が低下する虞がある。よって、こうした問題の発生を抑えて、良好な特性の電池を構成し得るようにする観点から、耐熱性微粒子の平均粒子径は、0.2μm以上とするのがよい。 The heat-resistant fine particles contained in the heat-resistant porous layer have an average particle diameter of 1 μm or less, preferably 0.8 μm or less. If the average particle size of the heat-resistant fine particles is too large, it becomes difficult to form a thin heat-resistant porous layer. In addition, the path length of the pores inside the heat-resistant porous layer becomes long, which becomes an obstacle when Li ions pass through the separator, and the load characteristics of the battery are likely to deteriorate. On the other hand, if the heat-resistant fine particles are too small, the surface area becomes large, so that the dispersibility of the heat-resistant fine particles in the heat-resistant porous layer is reduced or the amount of water adhering to the heat-resistant fine particles is increased. It becomes difficult to control the amount. If the amount of water in the battery increases, the battery characteristics may deteriorate. Therefore, the average particle diameter of the heat-resistant fine particles is preferably set to 0.2 μm or more from the viewpoint of suppressing the occurrence of such problems and configuring a battery with good characteristics.
また、耐熱多孔質層の含有する耐熱性微粒子が、前記の平均粒子径を満足していても、粗大な粒子が多く含まれていると、耐熱多孔質層を薄くし難くなり、また、強度の低下などの問題が生じやすくなる。よって、耐熱多孔質層の含有する全耐熱性微粒子に含まれる粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合は、10体積%以下であり、7体積%以下であることが好ましい。一方、耐熱性微粒子の分散性、付着水分などの適正化の観点から、耐熱性微粒子には、粒子径が0.2μmよりも小さな粒子の割合が一定値以下であることが好ましく、具体的には、耐熱性微粒子に含まれる粒子径が0.2μmよりも小さな粒子の割合は、30体積%以下であることがより好ましく、20体積%以下であることが更に好ましく、10体積%以下であることが特に好ましい。 In addition, even if the heat-resistant fine particles contained in the heat-resistant porous layer satisfy the above average particle diameter, if a large amount of coarse particles are contained, it becomes difficult to make the heat-resistant porous layer thin, Problems such as lowering are likely to occur. Therefore, the ratio of particles having a particle diameter larger than 2 μm contained in all heat-resistant fine particles contained in the heat-resistant porous layer is 10% by volume or less, and preferably 7% by volume or less. On the other hand, from the viewpoint of optimizing the dispersibility of the heat-resistant fine particles and the moisture adhering to the heat-resistant fine particles, it is preferable that the proportion of particles having a particle diameter smaller than 0.2 μm is not more than a certain value. The ratio of the particles having a particle diameter smaller than 0.2 μm contained in the heat-resistant fine particles is more preferably 30% by volume or less, further preferably 20% by volume or less, and 10% by volume or less. It is particularly preferred.
なお、本明細書でいう耐熱性微粒子の平均粒子径は、レーザー散乱粒度分布計(例えば、HORIBA社製「LA−920」)を用い、微粒子を膨潤させたり溶解させたりしない媒体(例えば水)に分散させて測定した体積基準の積算分率における50%での粒径(D50)である。また、耐熱性微粒子中の粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合、および粒子径が0.2μmよりも小さな粒子の割合も、前記の平均粒子径を求める際の粒度分布測定により求めることができる。 In addition, the average particle diameter of the heat-resistant fine particles referred to in this specification is a medium that does not swell or dissolve the fine particles using a laser scattering particle size distribution meter (for example, “LA-920” manufactured by HORIBA) (for example, water). The particle size (D50) at 50% of the volume-based integrated fraction measured by dispersing in a particle size. Further, the ratio of particles having a particle diameter larger than 2 μm and the ratio of particles having a particle diameter smaller than 0.2 μm in the heat-resistant fine particles can also be determined by the particle size distribution measurement when determining the average particle diameter. .
耐熱性微粒子としては、電気絶縁性を有しており、電気化学的に安定で、更に後述する有機電解液や、耐熱多孔質層形成用組成物(溶媒を含む組成物)に用いる溶媒に安定であり、高温状態で有機電解液に溶解しないものであれば、特に制限はない。なお、本明細書でいう「有機電解液に対して安定な耐熱性微粒子」とは、有機電解液(非水電解液電池の電解液として使用される有機電解液)中で変形および化学的組成変化の起こらない耐熱性微粒子を意味している。また、本明細書でいう「高温状態」とは、具体的には150℃以上の温度であり、このような温度の有機電解液中で変形および化学的組成変化の起こらない安定な粒子であればよい。更に、本明細書でいう「電気化学的に安定な」とは、電池の充放電の際に化学変化が生じないことを意味している。 The heat-resistant fine particles have electrical insulation properties, are electrochemically stable, and are stable in a solvent used for an organic electrolyte and a composition for forming a heat-resistant porous layer (a composition containing a solvent) described later. As long as it does not dissolve in the organic electrolyte at high temperature, there is no particular limitation. As used herein, “stable heat-resistant fine particles with respect to an organic electrolyte” refers to deformation and chemical composition in an organic electrolyte (an organic electrolyte used as an electrolyte in a non-aqueous electrolyte battery). It means heat-resistant fine particles that do not change. In addition, the “high temperature state” in the present specification specifically refers to a temperature of 150 ° C. or higher, and may be a stable particle that does not undergo deformation or chemical composition change in an organic electrolyte at such a temperature. That's fine. Further, “electrochemically stable” as used in the present specification means that no chemical change occurs during charging / discharging of the battery.
このような耐熱性微粒子の具体例としては、例えば、酸化鉄、SiO2(シリカ)、Al2O3(アルミナ)、TiO2、BaTiO3、ZrOなどの酸化物微粒子;窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの窒化物微粒子;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微粒子;シリコン、ダイヤモンドなどの共有結合性結晶微粒子;タルク、モンモリロナイトなどの粘土微粒子;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、セリサイト、ベントナイトなどの鉱物資源由来物質またはそれらの人造物;などの無機微粒子が挙げられる。また、金属微粒子;SnO2、スズ−インジウム酸化物(ITO)などの酸化物微粒子;カーボンブラック、グラファイトなどの炭素質微粒子;などの導電性微粒子の表面を、電気絶縁性を有する材料(例えば、前記の電気絶縁性の耐熱性微粒子を構成する材料など)で表面処理することで、電気絶縁性を持たせた微粒子であってもよい。また、更には、架橋ポリメタクリル酸メチル(架橋PMMA)などの高分子微粒子を用いることもできる。耐熱性微粒子には、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Specific examples of such heat-resistant fine particles include, for example, oxide fine particles such as iron oxide, SiO 2 (silica), Al 2 O 3 (alumina), TiO 2 , BaTiO 3 , ZrO; aluminum nitride, silicon nitride, etc. Nitride fine particles: Calcium fluoride, barium fluoride, barium sulfate and other poorly soluble ionic crystal fine particles; silicon, diamond and other covalently bonded crystal fine particles; talc, montmorillonite and other clay fine particles; boehmite, zeolite, apatite, kaolin Inorganic fine particles such as mineral-derived substances such as mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite, or artificial products thereof. Further, the surface of conductive fine particles such as metal fine particles; oxide fine particles such as SnO 2 and tin-indium oxide (ITO); carbon fine particles such as carbon black and graphite; It may be fine particles that have been made electrically insulating by surface treatment with the above-mentioned materials constituting the electrically insulating heat-resistant fine particles. Furthermore, polymer fine particles such as crosslinked polymethyl methacrylate (crosslinked PMMA) can also be used. These heat resistant fine particles may be used alone or in combination of two or more.
耐熱性微粒子の形態としては、球状、粒子状、板状、針状など種々の形態が挙げられるが、セパレータの熱収縮をより良好に抑制する観点からは、アスペクト比が1以上3以下の、多面体形状または略球形状(真球形のものを含む)であることが好ましい。ここでいう「多面体形状の粒子」とは、略多角形(多角形を含む)の面で囲まれた粒子を指し、略菱面体形状(菱面体形状を含む)、略六角柱形状(六角柱形状を含む)、略立方体形状(立方体形状を含む)などの粒子が例示される。 Examples of the shape of the heat-resistant fine particles include various shapes such as a spherical shape, a particle shape, a plate shape, and a needle shape. From the viewpoint of better suppressing the thermal shrinkage of the separator, the aspect ratio is 1 or more and 3 or less. It is preferably a polyhedral shape or a substantially spherical shape (including a true spherical shape). The term “polyhedron-shaped particle” as used herein refers to a particle surrounded by a substantially polygonal surface (including a polygon), and has a substantially rhombohedral shape (including rhombohedral shape), a substantially hexagonal column shape (hexagonal column). And particles having a substantially cubic shape (including a cubic shape).
なお、多面体形状の粒子のアスペクト比とは、粒子の中心(重心)から一番遠い面中心までの距離Lf(μm)を、粒子の中心から一番近い面中心までの距離Ln(μm)で除した値、すなわち、「Lf/Ln」を意味している。また、略球形状の粒子のアスペクト比とは、球の長軸径(最長の径)Ll(μm)を、球の短軸径(最短の径)Ls(μm)で除した値、すなわち、「Ll/Ls」を意味している。なお、これらの定義から、耐熱性微粒子のアスペクト比は、1以上となる。 The aspect ratio of a polyhedral particle is the distance Lf (μm) from the center (center of gravity) of the particle to the center of the farthest surface, and the distance Ln (μm) from the center of the particle to the nearest surface center. It means the value obtained by dividing, ie, “Lf / Ln”. The aspect ratio of the substantially spherical particles is a value obtained by dividing the major axis diameter (longest diameter) Ll (μm) of the sphere by the minor axis diameter (shortest diameter) Ls (μm) of the sphere, that is, It means “Ll / Ls”. From these definitions, the aspect ratio of the heat-resistant fine particles is 1 or more.
耐熱性微粒子が、アスペクト比が1以上3以下の、多面体形状または略球形状の場合には、セパレータが高温に曝され樹脂多孔質層が収縮しようとすることで、耐熱多孔質層に圧縮応力がかかった場合に、応力の集中を制御できることから、前記圧縮応力に対する耐熱多孔質層の耐性をより高めることができ、セパレータの熱収縮をより良好に抑制できるようになる。その理由を、多面体形状の耐熱性微粒子を例に取り、図面を用いて説明する。 When the heat-resistant fine particles have a polyhedral shape or a substantially spherical shape with an aspect ratio of 1 to 3, the separator is exposed to high temperature and the resin porous layer tends to shrink, so that the compressive stress is applied to the heat-resistant porous layer. Since the stress concentration can be controlled when applied, the resistance of the heat-resistant porous layer to the compressive stress can be further increased, and the thermal contraction of the separator can be suppressed more favorably. The reason for this will be described with reference to the drawings, taking polyhedral heat-resistant fine particles as an example.
図1および図2は、本発明のセパレータに係る耐熱多孔質層の要部断面を模式的に示したもの(ただし、断面の背面側は省略している。)であり、図1の耐熱多孔質層は、耐熱性微粒子1として、平均粒子径が0.2μm、アスペクト比が1.0の粒子を含有しており、図2の耐熱多孔質層は、耐熱性微粒子1として、平均粒子径が1.0μm、アスペクト比が5.0の板状粒子を含有している。
1 and 2 schematically show a cross-section of the main part of the heat-resistant porous layer according to the separator of the present invention (however, the back side of the cross-section is omitted), and the heat-resistant porous layer of FIG. The porous layer contains particles having an average particle diameter of 0.2 μm and an aspect ratio of 1.0 as the heat-resistant
図1に示す耐熱多孔質層においては、耐熱性微粒子1の方向性は存在しない。これに対し、図2に示す耐熱多孔質層においては、耐熱性微粒子1は板状粒子であるため、一方向[例えば、図中横方向(樹脂多孔質層に平行な方向)]に配向しやすい傾向を示しつつも、粒子1bのように、樹脂多孔質層に対して平行な方向に向かない粒子も幾つか存在する。このような図1および図2に示す耐熱多孔質層に、樹脂多孔質層の熱収縮に伴って、単位面積あたり同一の圧縮応力F(MPa)がかかった場合、図1の耐熱多孔質層に係る粒子1bに比べて、図2の耐熱多孔質層に係る粒子1bには、より大きな応力が加わる。
In the heat resistant porous layer shown in FIG. 1, the directionality of the heat resistant
ここで、図1の耐熱多孔質層に係る粒子1b、および図2の耐熱多孔質層に係る粒子1bが、それぞれ粒子1a、1cと、ほぼ同じ接着面積で、かつ同一の接着力t(MPa)で接着しているとする。この場合、図1の耐熱多孔質層に係る粒子1bに比べて、図2の耐熱多孔質層に係る粒子1bでは、粒子1a、1cとの接着面において応力がより集中するため、より少ない圧縮応力で、粒子1bと、粒子1aまたは粒子1cとの剥離が生じ得る。つまり、図2に示すようなアスペクト比の大きな耐熱性微粒子1を使用して構成した耐熱多孔質層に比べて、図1に示すようなアスペクト比の小さな耐熱性微粒子1を使用して構成した耐熱多孔質層では、樹脂多孔質層の熱収縮に伴う圧縮応力がより大きくても、耐熱多孔質層の破壊が生じ難いと考えられる。樹脂多孔質層の熱収縮に伴って耐熱多孔質層が破壊してしまうと、セパレータ全体が収縮する。そのため、よりアスペクト比の小さな耐熱性微粒子、具体的には、アスペクト比が1以上3以下の耐熱性微粒子を用いることで、樹脂多孔質層の熱収縮に伴って生じる耐熱多孔質層の破壊をより高度に抑制できるため、セパレータの熱収縮をより良好に抑えることができるようになる。このような効果がより良好となる点で、耐熱性微粒子のアスペクト比は、2以下であることが更に好ましい。
Here, the
なお、前記と同様の理由から、耐熱性微粒子中に粗大な粒子が多量に含まれていると、樹脂多孔質層の熱収縮に伴う圧縮応力によって、耐熱多孔質層の破壊が生じやすくなる。特に、耐熱性微粒子が、粒子径が2μmを超える粒子を10体積%よりも多く含有している場合には、樹脂多孔質層の熱収縮に伴う圧縮応力による耐熱多孔質層の破壊が、より生じやすくなることを、本発明者らは確認している。 For the same reason as described above, when a large amount of coarse particles are contained in the heat-resistant fine particles, the heat-resistant porous layer is likely to be broken due to the compressive stress accompanying the thermal contraction of the resin porous layer. In particular, when the heat-resistant fine particles contain more than 10% by volume of particles having a particle diameter of more than 2 μm, the heat-resistant porous layer is more destroyed by the compressive stress accompanying the thermal contraction of the resin porous layer. The present inventors have confirmed that it tends to occur.
耐熱多孔質層には、耐熱性微粒子同士を接着したり、耐熱性微粒子と樹脂多孔質層とを接着したりする目的で、樹脂バインダを用いることが好ましい。樹脂バインダとしては、耐熱多孔質層の構成成分同士を良好に接着でき、電気化学的に安定で、更に有機電解液に対して安定であれば特に制限はない。具体的には、例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA、酢酸ビニル由来の構造単位が20〜35モル%のもの)、アクリレート共重合体、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、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)、ポリウレタン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの樹脂が挙げられ、また、これらの樹脂の一部に、有機電解液への溶解を防止するために架橋構造を導入したものも用いることができる。これらの樹脂バインダは1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、架橋構造を有するアクリレート共重合体が特に好ましい。 For the heat resistant porous layer, it is preferable to use a resin binder for the purpose of adhering the heat resistant fine particles to each other or adhering the heat resistant fine particles and the resin porous layer. The resin binder is not particularly limited as long as the constituent components of the heat-resistant porous layer can be satisfactorily bonded to each other, are electrochemically stable, and are stable to the organic electrolyte. Specifically, for example, ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA, structural unit derived from vinyl acetate is 20 to 35 mol%), acrylate copolymer, fluorine rubber, styrene butadiene rubber (SBR), polyvinyl Resins such as alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyurethane, and polyvinylidene fluoride (PVDF) are listed. Some of these resins prevent dissolution in organic electrolytes. In order to achieve this, those having a crosslinked structure introduced can also be used. These resin binders may be used alone or in combination of two or more. Among these, an acrylate copolymer having a crosslinked structure is particularly preferable.
また、前記の樹脂バインダ以外にも、公知の樹脂にアミン化合物やポリアクリル酸樹脂などを混合して柔軟性を高めたり、ガラス転移温度(Tg)を下げたり、公知の可塑剤(フタル酸エステル類など)の柔軟性付与添加剤を配合したりするなどして、破断伸びを向上させたものを用いることができる。更に、カルボキシル基を導入することで、樹脂バインダの接着性を高めることもできる。なお、樹脂のTgを下げる方法としては、架橋密度の低い架橋構造の導入、長鎖の側鎖の導入などの公知の各種方法が採用できる。 In addition to the resin binders described above, a known resin may be mixed with an amine compound or polyacrylic acid resin to increase flexibility, reduce the glass transition temperature (Tg), or use a known plasticizer (phthalate ester). Or the like) may be used, for example, to improve the elongation at break. Furthermore, the adhesiveness of the resin binder can be improved by introducing a carboxyl group. As a method for lowering the Tg of the resin, various known methods such as introduction of a crosslinked structure having a low crosslinking density and introduction of a long side chain can be employed.
前記の樹脂バインダを使用する際には、後述する耐熱多孔質層形成用の組成物の媒体(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ることができる。 When the resin binder is used, it can be used in the form of an emulsion dissolved or dispersed in a medium (solvent) of a composition for forming a heat resistant porous layer described later.
耐熱多孔質層における耐熱性微粒子の量は、耐熱多孔質層の構成成分の全体積中、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。耐熱多孔質層において、耐熱性微粒子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、セパレータ全体の熱収縮をより良好に抑制することができる。 The amount of heat-resistant fine particles in the heat-resistant porous layer is preferably 70% by volume or more, more preferably 80% by volume or more, and 90% by volume or more in the total volume of the constituent components of the heat-resistant porous layer. More preferably it is. In the heat-resistant porous layer, the high content of heat-resistant fine particles as described above can better suppress the occurrence of short circuit due to direct contact between the positive electrode and the negative electrode when the battery becomes high temperature. Moreover, the thermal contraction of the whole separator can be suppressed more favorably.
また、耐熱多孔質層には、前記の通り、樹脂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、耐熱多孔質層における耐熱性微粒子量は、例えば、耐熱多孔質層の構成成分の全体積中、99体積%以下であることが好ましい。なお、耐熱多孔質層における耐熱性微粒子の量を70体積%未満とすると、例えば、耐熱多孔質層中の樹脂バインダ量を多くする必要が生じるが、その場合には耐熱多孔質層の空孔が樹脂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、耐熱性微粒子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。 Further, as described above, the heat-resistant porous layer preferably contains a resin binder. From such a viewpoint, the amount of heat-resistant fine particles in the heat-resistant porous layer is, for example, the entire components of the heat-resistant porous layer. In the product, it is preferably 99% by volume or less. If the amount of the heat-resistant fine particles in the heat-resistant porous layer is less than 70% by volume, for example, it is necessary to increase the amount of the resin binder in the heat-resistant porous layer. May be easily filled with a resin binder, and the function as a separator may be reduced. In addition, when porous using a pore-opening agent or the like, the interval between the heat-resistant fine particles becomes too large and heat shrinkage occurs. There is a possibility that the effect of suppressing the decrease.
また、耐熱多孔質層における樹脂バインダの量は、樹脂バインダの使用による効果をより良好に確保し、樹脂多孔質層からの耐熱多孔質層の剥離や耐熱性微粒子の剥離を抑える観点から、耐熱性微粒子100質量部に対して、1質量部以上であることが好ましい。ただし、樹脂バインダ量が多すぎると、耐熱多孔質層の空孔が塞がれて電池の負荷特性向上効果が小さくなる虞があることから、耐熱多孔質層における樹脂バインダの量は、耐熱性微粒子100質量部に対して、30質量部以下であることが好ましい。 In addition, the amount of the resin binder in the heat resistant porous layer ensures a better effect by using the resin binder, and from the viewpoint of suppressing exfoliation of the heat resistant porous layer from the resin porous layer and exfoliation of the heat resistant fine particles. It is preferable that it is 1 mass part or more with respect to 100 mass parts of conductive fine particles. However, if the amount of the resin binder is too large, pores in the heat resistant porous layer may be blocked and the effect of improving the load characteristics of the battery may be reduced. The amount is preferably 30 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the fine particles.
耐熱多孔質層の厚み(セパレータが耐熱多孔質層を複数有する場合には、その合計厚み。耐熱多孔質層の厚みについて、以下同じ。)は、樹脂多孔質層の熱収縮をより良好に抑制する観点から、2μm以上とすることが好ましい。また、耐熱多孔質層の厚みが2.5μm以上であると、樹脂多孔質層の熱収縮率をより一層抑制しやすくなるので、特に好ましい。更に、セパレータの全厚みを小さくして電池の容量や負荷特性をより向上させる観点から、耐熱多孔質層の厚みは4μm以下であることが好ましく、電池の負荷特性を更に高め得ることから、3.6μm以下であることが特に好ましい。 The thickness of the heat-resistant porous layer (when the separator has a plurality of heat-resistant porous layers, the total thickness. The same applies to the thickness of the heat-resistant porous layer hereinafter) more effectively suppresses heat shrinkage of the resin porous layer. In view of the above, the thickness is preferably 2 μm or more. In addition, it is particularly preferable that the heat-resistant porous layer has a thickness of 2.5 μm or more because the thermal contraction rate of the resin porous layer can be further suppressed. Furthermore, from the viewpoint of further improving the capacity and load characteristics of the battery by reducing the total thickness of the separator, the thickness of the heat-resistant porous layer is preferably 4 μm or less, and the load characteristics of the battery can be further enhanced. It is particularly preferable that the thickness is 6 μm or less.
本発明のセパレータを構成する多層多孔質膜に係る樹脂多孔質層は、80〜180℃で軟化して空孔が閉塞され、かつ電池の有する有機電解液に溶解しない熱可塑性樹脂を主体とするものであることが好ましい。なお、80〜180℃で軟化する熱可塑性樹脂としては、例えば、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80〜180℃の熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂の具体例としては、ポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタンなどが挙げられる。また、ポリオレフィンとしては、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンなどのポリエチレン;ポリプロピレン;などが挙げられる。熱可塑性樹脂は、前記例示のものを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 resin porous layer according to the multilayer porous membrane constituting the separator of the present invention is mainly composed of a thermoplastic resin that is softened at 80 to 180 ° C. to close the pores and does not dissolve in the organic electrolyte solution of the battery. It is preferable. The thermoplastic resin softening at 80 to 180 ° C. is, for example, a thermoplastic resin having a melting temperature of 80 to 180 ° C. measured using a differential scanning calorimeter (DSC) according to JIS K 7121. Is mentioned. Specific examples of the thermoplastic resin include polyolefin and thermoplastic polyurethane. Examples of the polyolefin include polyethylene such as low density polyethylene, high density polyethylene, and ultrahigh molecular weight polyethylene; polypropylene; As the thermoplastic resin, those exemplified above may be used alone or in combination of two or more.
樹脂多孔質層の形態としては、必要な電池特性が得られるだけのイオン伝導度を有していればどのような形態でもよいが、多孔質層、より具体的には、微粒子が集合した形態の多孔質層や、従来から知られている溶剤抽出法、乾式または湿式延伸法などにより形成された孔を多数有するイオン透過性の微多孔膜(電池のセパレータとして汎用されている微多孔フィルム)で構成された層などが例示できる。 The form of the resin porous layer may be any form as long as it has an ionic conductivity sufficient to obtain necessary battery characteristics, but more specifically, the porous layer, more specifically, a form in which fine particles are aggregated. Ion-permeable microporous film having a large number of pores formed by a conventional solvent extraction method, dry or wet stretching method, etc. (a microporous film widely used as a battery separator) The layer etc. which were comprised by can be illustrated.
なお、樹脂多孔質層が、例えば熱可塑性樹脂の微粒子を集合して形成したものである場合には、必要に応じて、微粒子同士を結着したり、樹脂多孔質層と耐熱多孔質層や電極とを一体化するために、樹脂多孔質層に樹脂バインダを含有させてもよい。樹脂バインダとしては、耐熱多孔質層に含有させ得るものとして例示した各種樹脂バインダと同じものが使用でき、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、樹脂バインダを使用する際には、耐熱多孔質層の場合と同様に、後記する樹脂多孔質層形成用の組成物の媒体(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ることができる。 When the resin porous layer is formed, for example, by gathering thermoplastic resin fine particles, if necessary, the fine particles can be bound together, the resin porous layer and the heat resistant porous layer, In order to integrate the electrode, the resin porous layer may contain a resin binder. As a resin binder, the same thing as the various resin binder illustrated as what can be contained in a heat resistant porous layer can be used, These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together. When using a resin binder, as in the case of the heat resistant porous layer, it is dissolved or dispersed in a medium (solvent) of a composition for forming a resin porous layer described later. Can be used.
樹脂多孔質層における熱可塑性樹脂の含有量は、電池内が高温になった際に樹脂多孔質層を構成する熱可塑性樹脂が溶融してセパレータの空孔を塞ぐ、いわゆる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熱可塑性樹脂の体積は、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、熱可塑性樹脂の体積が、樹脂多孔質層の全構成成分中、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[熱可塑性樹脂が100体積%であってもよい。]。更に、後記の方法により求められる耐熱多孔質層の空孔率が20〜60%であり、かつ熱可塑性樹脂の体積が、耐熱多孔質層の空孔体積の50%以上であることが好ましい。 The content of the thermoplastic resin in the resin porous layer is more effective in shutting down the thermoplastic resin constituting the resin porous layer when the inside of the battery becomes hot and plugging the pores of the separator. In order to facilitate, for example, the following is preferable. The volume of the thermoplastic resin 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 thermoplastic resin is preferably 50% by volume or more, more preferably 70% by volume or more, and more preferably 80% by volume or more in all the constituent components of the resin porous layer. [The thermoplastic resin may be 100% by volume. ]. Furthermore, it is preferable that the porosity of the heat resistant porous layer calculated | required by the postscript method is 20 to 60%, and the volume of a thermoplastic resin is 50% or more of the void | hole volume of a heat resistant porous layer.
樹脂多孔質層の厚み(セパレータが樹脂多孔質層を複数有する場合には、その合計厚み。樹脂多孔質層の厚みについて、以下同じ。)は、シャットダウン特性を良好に確保する観点から、8μm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。また、セパレータの全厚みを小さくして、電池の容量や負荷特性をより向上させる観点から、樹脂多孔質層の厚みは、40μm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く、16μm以下であることが更に好ましく、12μm以下であることが特に好ましい。 The thickness of the resin porous layer (when the separator has a plurality of resin porous layers, the total thickness. The same applies to the thickness of the resin porous layer) is 8 μm or more from the viewpoint of ensuring good shutdown characteristics. Preferably, it is 10 μm or more. In addition, from the viewpoint of reducing the total thickness of the separator and further improving the capacity and load characteristics of the battery, the thickness of the resin porous layer is preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less, and 16 μm. More preferably, it is more preferably 12 μm or less.
更に、樹脂多孔質層は、その孔径が3μm以下であることが好ましい。孔径が前記のように小さな樹脂多孔質層であれば、正極や負極から小片が脱離しても、これによる短絡の発生を良好に抑制することができる。 Furthermore, the resin porous layer preferably has a pore size of 3 μm or less. If the resin porous layer has a small pore diameter as described above, even if small pieces are detached from the positive electrode or the negative electrode, it is possible to satisfactorily suppress the occurrence of a short circuit.
セパレータは、樹脂多孔質層と耐熱多孔質層とを、それぞれ1層ずつ有していてもよいが、例えば、樹脂多孔質層の両面に耐熱多孔質層を有するなど耐熱多孔質層を複数有していたり、また、樹脂多孔質層を複数有したりしていてもよい。ただし、層数を増やすことでセパレータの厚みが増え、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、セパレータを構成する層(樹脂多孔質層および耐熱多孔質層)の総数は5層以下であることが好ましく、2層であることがより好ましい。 The separator may have one resin porous layer and one heat resistant porous layer. For example, the separator has a plurality of heat resistant porous layers such as a heat resistant porous layer on both sides of the resin porous layer. Or a plurality of porous resin layers may be provided. However, increasing the number of layers may increase the thickness of the separator, leading to an increase in internal resistance and a decrease in energy density. Therefore, it is not preferable to increase the number of layers, and the layers constituting the separator (resin porous material) The total number of layers and heat-resistant porous layer) is preferably 5 layers or less, and more preferably 2 layers.
セパレータの全厚みは、正極と負極とをより確実に隔離する観点から、10μm以上であることが好ましく、電池の容量や負荷特性をより向上させる観点から、50μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、15μm以下であることが更に好ましい。 The total thickness of the separator is preferably 10 μm or more from the viewpoint of more reliably separating the positive electrode and the negative electrode, and from the viewpoint of further improving the capacity and load characteristics of the battery, it is preferably 50 μm or less, and 20 μm or less. It is more preferable that it is 15 μm or less.
また、樹脂多孔質層と耐熱多孔質層とは一体化してセパレータを構成していてもよく、樹脂多孔質層と耐熱多孔質層とが一体化しておらず、それぞれ独立の膜として存在していたり、樹脂多孔質層または耐熱多孔質層が個別に電極と一体化しているなどしていてもよい。樹脂多孔質層と耐熱多孔質層とが一体化していないセパレータの場合には、非水電解液電池内で樹脂多孔質層と耐熱多孔質層とが重ね合わせされることで、セパレータを構成する。 In addition, the resin porous layer and the heat resistant porous layer may be integrated to form a separator, and the resin porous layer and the heat resistant porous layer are not integrated and exist as independent films. Alternatively, the resin porous layer or the heat resistant porous layer may be individually integrated with the electrode. In the case of a separator in which the resin porous layer and the heat resistant porous layer are not integrated, the separator is configured by superposing the resin porous layer and the heat resistant porous layer in the nonaqueous electrolyte battery. .
セパレータ全体の空孔率としては、非水電解液の保持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。
The porosity of the separator as a whole is preferably 30% or more in a dry state in order to ensure the amount of nonaqueous electrolyte retained and to improve 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(1)式において、mを樹脂多孔質層の単位面積あたりの質量(g/cm2)とし、tを樹脂多孔質層の厚み(cm)とすることで、前記(1)式を用いて樹脂多孔質層の空孔率:P(%)を求めることもできる。この方法により求められる樹脂多孔質層の空孔率は、非水電解液の保持量を高める観点から、好ましくは30%以上、より好ましくは40%以上であり、また、樹脂多孔質層の物理的強度を高めたり、シャットダウン特性をより良好に確保したりする観点から、好ましくは80%以下、より好ましくは70%以下である。 Further, in the above formula (1), m is the mass per unit area (g / cm 2 ) of the resin porous layer, and t is the thickness (cm) of the resin porous layer, thereby formula (1) Can also be used to determine the porosity of the resin porous layer: P (%). The porosity of the resin porous layer determined by this method is preferably 30% or more, more preferably 40% or more from the viewpoint of increasing the amount of nonaqueous electrolyte retained, and the physical properties of the resin porous layer From the viewpoint of increasing the mechanical strength and ensuring better shutdown characteristics, it is preferably 80% or less, more preferably 70% or less.
更に、前記(1)式において、mを耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量(g/cm2)とし、tを耐熱多孔質層の厚み(cm)とすることで、前記(1)式を用いて耐熱多孔質層の空孔率:P(%)を求めることもできる。この方法により求められる耐熱多孔質層の空孔率は、20〜60%であることが好ましい。 Furthermore, in the above formula (1), m is the mass per unit area (g / cm 2 ) of the heat resistant porous layer, and t is the thickness (cm) of the heat resistant porous layer. Can also be used to determine the porosity of the heat-resistant porous layer: P (%). It is preferable that the porosity of the heat resistant porous layer calculated | required by this method is 20 to 60%.
また、本発明のセパレータは、150℃の雰囲気下に静置した際の熱収縮率が、例えばMD方向(セパレータを構成する多層多孔質膜の製造時の引き取り方向)およびTD方向(MD方向に直交する方向)のいずれにおいても収縮し難いことが好ましく、具体的には、その熱収縮率が0〜10%であることが好ましい。このような特性のセパレータであれば、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、高温での電池の安全性をより高めることができる。セパレータを前記の構成とすることで、前記の熱収縮率を確保することができる。 Further, the separator of the present invention has a thermal shrinkage rate when left in an atmosphere of 150 ° C., for example, in the MD direction (take-up direction during the production of the multilayer porous film constituting the separator) and the TD direction (MD direction). In any of the directions (perpendicular to each other), it is preferable that the resin does not easily shrink. Specifically, the thermal shrinkage rate is preferably 0 to 10%. If the separator has such characteristics, even when the inside of the 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 prevented more reliably, and the battery at high temperature The safety of the can be further increased. By making a separator into the above-mentioned composition, the above-mentioned heat shrinkage rate can be secured.
ここでいう熱収縮率は、樹脂多孔質層と耐熱多孔質層とが一体化している場合は、その一体化したセパレータ(多層多孔質膜)全体の収縮率を指し、樹脂多孔質層と耐熱多孔質層とが、それぞれ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、樹脂多孔質層および/または耐熱多孔質層は、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 resin porous layer and the heat-resistant porous layer are integrated, the heat shrinkage here refers to the overall shrinkage of the integrated separator (multilayer porous membrane). When the porous layers are independent of each other, the value of the smaller shrinkage rate is indicated. In addition, the resin porous layer and / or the heat resistant porous layer may be configured to be integrated with the electrode. In this case, the heat shrinkage rate measured in the state integrated with the electrode is indicated.
なお、前記の「150℃の雰囲気下に静置した際の熱収縮率」とは、後記の実施例において採用する測定法により得られる値である。 In addition, the above-mentioned “thermal shrinkage rate when left in an atmosphere of 150 ° C.” is a value obtained by a measurement method employed in Examples described later.
本発明のセパレータ(セパレータを構成するための多層多孔質膜)は、例えば、耐熱多孔質層を構成する耐熱性微粒子および樹脂バインダなどを、水や有機溶媒といった媒体に分散させてスラリー状やペースト状の耐熱多孔質層形成用組成物(樹脂バインダは、媒体に溶解していてもよい)を調製し、これを樹脂多孔質層表面に塗布し、乾燥する方法により製造することができる。 The separator (multilayer porous membrane for constituting the separator) of the present invention is, for example, a slurry or paste in which heat-resistant fine particles and resin binder constituting the heat-resistant porous layer are dispersed in a medium such as water or an organic solvent. A heat-resistant porous layer-forming composition (resin binder may be dissolved in a medium) is prepared, applied to the surface of the resin porous layer, and dried.
なお、樹脂多孔質層が熱可塑性樹脂製の微多孔膜から構成されるものである場合には、前記微多孔膜の表面に耐熱多孔質層形成用組成物を公知の塗工装置により塗布したり、前記微多孔膜を耐熱多孔質層形成用組成物中に含浸させたりして、樹脂多孔質層の表面に耐熱多孔質層形成用組成物を塗布することができる。 In the case where the resin porous layer is composed of a microporous film made of a thermoplastic resin, a heat-resistant porous layer forming composition is applied to the surface of the microporous film with a known coating apparatus. Alternatively, the heat-resistant porous layer-forming composition can be applied to the surface of the resin porous layer by impregnating the microporous membrane into the heat-resistant porous layer-forming composition.
他方、樹脂多孔質層が熱可塑性樹脂微粒子を集合させて構成したものである場合には、樹脂多孔質層を構成する熱可塑性樹脂微粒子や、必要に応じて使用される樹脂バインダなどを、水や有機溶媒といった媒体に分散させてスラリー状やペースト状の樹脂多孔質層層形成用組成物(樹脂バインダは、媒体に溶解していてもよい)を調製し、これを基材に塗布し、乾燥させて樹脂多孔質層を一旦形成した後に、微多孔膜の場合と同様の方法によって樹脂多孔質層の表面に耐熱多孔質層形成用組成物を塗布し、乾燥してセパレータ(多層多孔質膜)を製造することができる。また、反対に、耐熱多孔質層形成用組成物を基材に塗布し、乾燥させて耐熱多孔質層を一旦形成し、この耐熱多孔質層の表面に樹脂多孔質層形成用組成物を塗布し、乾燥してセパレータ(多層多孔質膜)を製造してもよい。 On the other hand, when the resin porous layer is composed of aggregated thermoplastic resin fine particles, the thermoplastic resin fine particles constituting the resin porous layer, the resin binder used as necessary, etc. And a slurry-like or paste-like resin porous layer forming composition (resin binder may be dissolved in the medium) by dispersing in a medium such as organic solvent, and applying this to the substrate, After the resin porous layer is formed by drying, the heat-resistant porous layer forming composition is applied to the surface of the resin porous layer by the same method as in the case of the microporous membrane, and dried to form a separator (multilayer porous layer). Membrane) can be produced. On the other hand, the heat-resistant porous layer forming composition is applied to the substrate, dried to once form a heat-resistant porous layer, and the resin porous layer-forming composition is applied to the surface of the heat-resistant porous layer. And may be dried to produce a separator (multilayer porous membrane).
更に、前記の耐熱多孔質層形成用組成物および樹脂多孔質層形成用組成物のいずれか一方を基材に塗布し、これらの組成物が完全に乾燥する前に、他方の組成物を塗布して、樹脂多孔質層と耐熱多孔質層とを同時に形成することもできる。 Further, either one of the heat-resistant porous layer forming composition or the resin porous layer forming composition is applied to a base material, and the other composition is applied before these compositions are completely dried. Thus, the resin porous layer and the heat resistant porous layer can be formed simultaneously.
樹脂多孔質層形成用組成物や耐熱多孔質層形成用組成物に用いられる媒体は、熱可塑性樹脂微粒子や耐熱性微粒子などを均一に分散でき、また、樹脂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、一般的な有機溶媒が好適に用いられる。なお、これらの媒体に、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、樹脂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、前記の通り水を媒体としてもよく、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。 The medium used for the resin porous layer forming composition and the heat resistant porous layer forming composition can uniformly disperse the thermoplastic resin fine particles and heat resistant fine particles, and can dissolve or disperse the resin binder uniformly. However, general organic solvents such as aromatic hydrocarbons such as toluene, 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, alcohol (ethylene glycol, propylene glycol, etc.) or various propylene oxide glycol ethers such as monomethyl acetate may be appropriately added to these media. Further, when the resin binder is water-soluble, when used as an emulsion, water may be used as described above, and alcohols (methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, ethylene glycol, etc.) may be used in this case as well. The interfacial tension can also be controlled by adding as appropriate.
樹脂多孔質層形成用組成物および耐熱多孔質層形成用組成物は、その固形分含量を、例えば10〜80質量%とすることが好ましい。 The resin porous layer forming composition and the heat resistant porous layer forming composition preferably have a solid content of, for example, 10 to 80% by mass.
なお、樹脂多孔質層には、耐熱多孔質層との接着性を高めるために、表面改質を行うことができる。特にポリオレフィンで構成された樹脂多孔質層の場合、その表面の接着性は一般に高くないため、表面改質が有効であることが多い。 The resin porous layer can be subjected to surface modification in order to enhance the adhesiveness with the heat resistant porous layer. In particular, in the case of a porous resin layer made of polyolefin, surface adhesion is generally not high, so surface modification is often effective.
樹脂多孔質層の表面改質方法としては、例えば、コロナ放電処理、プラズマ放電処理、紫外線照射処理などが挙げられる。なお、環境問題への対応の観点から、例えば耐熱多孔質層形成用組成物の媒体には水を用いることがより望ましく、このことからも、表面改質によって、樹脂多孔質層表面の親水性を高めておくことは非常に好ましい。 Examples of the method for modifying the surface of the resin porous layer include corona discharge treatment, plasma discharge treatment, and ultraviolet irradiation treatment. From the viewpoint of dealing with environmental problems, for example, it is more desirable to use water as the medium of the heat-resistant porous layer forming composition. From this, the hydrophilicity of the resin porous layer surface can be improved by surface modification. It is very preferable to increase the value.
本発明の非水電解液電池は、本発明のセパレータを有していれば特に制限はなく、従来から知られている非水電解液電池で採用されている構成、構造が適用できる。なお、本発明の非水電解液電池には、一次電池と二次電池が含まれるが、以下には、特に主要な用途である二次電池の構成を例示する。 The non-aqueous electrolyte battery of the present invention is not particularly limited as long as it has the separator of the present invention, and the configuration and structure adopted in conventionally known non-aqueous electrolyte batteries can be applied. The nonaqueous electrolyte battery of the present invention includes a primary battery and a secondary battery, and the configuration of a secondary battery, which is a main application, will be exemplified below.
非水電解液電池の形態としては、スチール缶やアルミニウム缶などを外装缶として使用した筒形(角筒形や円筒形など)などが挙げられる。また、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とすることもできる。 Examples of the form of the non-aqueous electrolyte battery include a cylindrical shape (such as a rectangular tube shape or a cylindrical shape) using a steel can or an aluminum can as an outer can. Moreover, it can also be set as the soft package battery which used the laminated film which vapor-deposited the metal as an exterior body.
正極としては、従来から知られている非水電解液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、Zr、Ti、Snなど)の一般式で代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。前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、LiNi3/5Mn1/5Co1/5O2など)などを例示することができる。 The positive electrode is not particularly limited as long as it is a positive electrode used in a conventionally known non-aqueous electrolyte 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 layered structure represented by a general formula of Li 1 + x MO 2 (−0.1 <x <0.1, M: Co, Ni, Mn, Al, Mg, Zr, Ti, Sn, etc.) A lithium-containing transition metal oxide, LiMn 2 O 4 and a spinel-type lithium manganese oxide in which a part of the element is substituted with another element, LiMPO 4 (M: Co, Ni, Mn, Fe, etc.) An olivine type compound or the like can be used. 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 , LiNi 3 / 5 Mn 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、PVDFなどの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。 As the conductive aid, a carbon material such as carbon black is used, and as the binder, a fluorine resin such as PVDF is used, and the positive electrode mixture layer is formed by a positive electrode mixture in which these materials and an active material are mixed. For example, it is formed on the current collector surface.
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.
正極側のリード部は、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。 The lead portion on the positive electrode side is normally provided by leaving the exposed portion of the current collector without forming the positive electrode mixture layer on a part of the current collector and forming the lead portion at the time of producing the positive electrode. 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.
負極としては、従来から知られている非水電解液二次電池に用いられている負極、すなわち、Liイオンを吸蔵放出可能な活物質を含有する負極であれば特に制限はない。例えば、活物質として、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素繊維などの、リチウムを吸蔵、放出可能な炭素系材料の1種または2種以上の混合物が用いられる。また、Si,Sn、Ge,Bi,Sb、Inなどの元素およびその合金、リチウム含有窒化物、またはLi4Ti5O12などの酸化物などの、リチウム金属に近い低電圧で充放電できる化合物、もしくはリチウム金属やリチウム/アルミニウム合金も負極活物質として用いることができる。これらの負極活物質に導電助剤(カーボンブラックなどの炭素材料など)やPVDFなどのバインダなどを適宜添加した負極合剤を、集電体を芯材として成形体(負極合剤層)に仕上げたもの、または前記の各種合金やリチウム金属の箔を単独もしくは集電体表面に積層したものなどが用いられる。 The negative electrode is not particularly limited as long as it is a negative electrode used in a conventionally known non-aqueous electrolyte secondary battery, that is, a negative electrode containing an active material capable of occluding and releasing Li ions. For example, carbon that can occlude and release lithium, such as graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, fired organic polymer compounds, mesocarbon microbeads (MCMB), and carbon fibers as active materials One type or a mixture of two or more types of system materials is used. In addition, compounds that can be charged and discharged at a low voltage close to lithium metal, such as elements such as Si, Sn, Ge, Bi, Sb, and In and alloys thereof, lithium-containing nitrides, or oxides such as Li 4 Ti 5 O 12 Alternatively, lithium metal or a lithium / aluminum alloy can also be used as the negative electrode active material. A negative electrode mixture in which a conductive additive (carbon material such as carbon black) or a binder such as PVDF is appropriately added to these negative electrode active materials is finished into a molded body (negative electrode mixture layer) using the current collector as a core material. Or those obtained by laminating the above-mentioned various alloys or lithium metal foils alone or on the surface of the current collector.
負極に集電体を用いる場合には、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。また、負極側のリード部は、正極側のリード部と同様にして形成すればよい。 When a current collector is used for the negative electrode, a copper or nickel foil, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like can be used as the current collector, 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. Further, the lead portion on the negative electrode side may be formed in the same manner as the lead portion on the positive electrode side.
電極は、前記の正極と前記の負極とを、本発明のセパレータを介して積層した積層電極体や、更にこれを巻回した巻回電極体の形態で用いることができる。 The electrode can be used in the form of a laminated electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are laminated via the separator of the present invention, or a wound electrode body in which this is wound.
有機電解液としては、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 organic electrolytic solution, 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. .
有機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 in the organic electrolyte is not particularly limited as long as it dissolves the lithium salt and does not cause a side reaction such as decomposition in the 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 Sulfites such as ethylene glycol sulfite; etc., and these should be used as a mixture of two or more. It can be. 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, cyclohexyl benzene, biphenyl, fluorobenzene, t are used for the purpose of improving safety, charge / discharge cycleability, and high-temperature storage properties of these electrolytes. -Additives such as butylbenzene can be added as appropriate.
このリチウム塩の有機電解液中の濃度としては、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 organic electrolyte is preferably 0.5 to 1.5 mol / l, and more preferably 0.9 to 1.25 mol / l.
また、前記の有機溶媒の代わりに、エチル−メチルイミダゾリウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、へプチル−トリメチルアンモニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、ピリジニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、グアジニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミドといった常温溶融塩を用いることもできる。 Also, instead of the organic solvent, melting at room temperature such as ethyl-methylimidazolium trifluoromethylsulfonium imide, heptyl-trimethylammonium trifluoromethylsulfonium imide, pyridinium trifluoromethylsulfonium imide, guanidinium trifluoromethylsulfonium imide A salt can also be used.
更に、前記の有機電解液に、PVDF、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFP)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、エチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体、主鎖あるいは側鎖にエチレンオキシド鎖を含む架橋ポリマー、架橋したポリ(メタ)アクリル酸エステルといった公知のゲル電解質形成可能なホストポリマーを用いてゲル化した電解質を用いることもできる。 Further, PVDF, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide, polypropylene oxide, ethylene oxide-propylene oxide copolymer, main chain or An electrolyte gelled using a known host polymer capable of forming a gel electrolyte such as a crosslinked polymer containing an ethylene oxide chain in the side chain or a crosslinked poly (meth) acrylate ester can also be used.
本発明の非水電解液電池は、各種電子機器の電源用途など、従来から知られている非水電解液電池が用いられている各種用途と同じ用途に適用することができる。 The non-aqueous electrolyte battery of the present invention can be applied to the same applications as those in which conventionally known non-aqueous electrolyte batteries are used, such as power supply applications for various electronic devices.
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。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.
実施例1
(セパレータの作成)
水:1000g中に、耐熱性微粒子である多面体形状のベーマイト合成品(アスペクト比1.4、平均粒子径:D50=0.63μm、D10=0.31μm、D90=0.92μm、粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合:0.5体積%):1000gと、樹脂バインダであるアクリレート共重合体(モノマー成分としてブチルアクリレートを主成分とする市販のアクリレート共重合体;耐熱性微粒子100質量部に対して3質量部)、とを、スリーワンモーターを用いて1時間攪拌させて分散させ、均一なスラリー(耐熱多孔質層形成用組成物)を調製した。
Example 1
(Create separator)
Water: 1000 g of polyhedral boehmite synthesized as heat-resistant fine particles (aspect ratio 1.4, average particle size: D50 = 0.63 μm, D10 = 0.31 μm, D90 = 0.92 μm,
樹脂多孔質層を構成するための微多孔膜として、片面にコロナ処理を施したポリエチレン製微多孔膜(厚み16μm、空孔率40%)を用意した。前記微多孔膜のコロナ処理を施した表面に、ダイコーターを用いて前記のスラリーを均一塗布し、乾燥して、厚みが2.5μmの耐熱多孔質層を樹脂多孔質層の片面に有する多層多孔質膜を得た。この多層多孔質膜における耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量は、0.34mg/cm2であった。また、前記の多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層について、ベーマイトの比重を3g/cm3、樹脂バインダの比重を1g/cm3として算出した耐熱性微粒子の体積比率は、91.7体積%であった。前記の多層多孔質膜を幅:47mmにスリットして、セパレータを得た。
As a microporous film for constituting the resin porous layer, a polyethylene microporous film (
(負極の作製)
負極活物質である黒鉛:95質量部とバインダであるPVDF:5質量部とを、NMPを溶剤として均一になるように混合して負極合剤含有ペーストを調製した。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:320mm、裏面:260mmになるように間欠塗布し、乾燥した後、カレンダー処理を行って全厚が142μmになるように負極合剤層の厚みを調整し、幅:45mmになるように切断して、長さ:330mm、幅:45mmの負極を作製した。更にこの負極の銅箔の露出部にタブを溶接してリード部を形成した。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode active material-containing paste was prepared by mixing 95 parts by mass of graphite as a negative electrode active material and 5 parts by mass of PVDF as a binder so as to be uniform using NMP as a solvent. This negative electrode mixture-containing paste is intermittently applied on both sides of a current collector made of copper foil with a thickness of 10 μm so that the coating length is 320 mm on the front side and 260 mm on the back side, dried, and then subjected to a calendar treatment. Then, the thickness of the negative electrode mixture layer was adjusted so that the total thickness was 142 μm, and the negative electrode mixture layer was cut to have a width of 45 mm to produce a negative electrode having a length of 330 mm and a width of 45 mm. Further, a tab was welded to the exposed portion of the copper foil of the negative electrode to form a lead portion.
(正極の作製)
正極活物質であるLiCoO2:85質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック:10質量部と、バインダであるPVDF:5質量部とを、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。この正極合剤含有ペーストを、アルミニウム箔からなる厚さ:15μmの集電体の両面に、塗布長が表面:320mm、裏面:260mmになるように間欠塗布し、乾燥した後、カレンダー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:330mm、幅:43mmの正極を作製した。更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)
85 parts by mass of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 10 parts by mass of acetylene black as a conductive auxiliary agent, and 5 parts by mass of PVDF as a binder are mixed so as to be uniform using NMP as a solvent. A mixture-containing paste was prepared. This positive electrode mixture-containing paste is intermittently applied on both sides of a current collector made of aluminum foil with a thickness of 15 μm so that the coating length is 320 mm on the front side and 260 mm on the back side, dried, and then subjected to calendar treatment. Then, the thickness of the positive electrode mixture layer was adjusted so that the total thickness was 150 μm, and the positive electrode mixture layer was cut to have a width of 43 mm to produce a positive electrode having a length of 330 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.
(電池の組み立て)
前記のようにして得られた正極と負極とを、前記のセパレータを介して渦巻状に巻回して巻回電極体とした。この巻回電極体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、有機電解液(エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを1:2の体積比で混合した溶媒に、LiPF6を濃度1mol/lで溶解させた溶液)を2.4ml注入した後に封止を行って、図3に示す構造で、図4に示す外観の非水電解液電池を作製した。
(Battery assembly)
The positive electrode and the negative electrode obtained as described above were spirally wound through the separator to obtain a wound electrode body. The wound electrode body is crushed into a flat shape, placed in an aluminum outer can having a thickness of 6 mm, a height of 50 mm, and a width of 34 mm, and an organic electrolyte (ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate mixed at a volume ratio of 1: 2). After injecting 2.4 ml of a solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / l in a solvent, sealing was performed to produce a nonaqueous electrolyte battery having the structure shown in FIG. 3 and the appearance shown in FIG. .
ここで図3および図4に示す電池について説明すると、図1の(a)は平面図、(b)はその部分断面図であって、図1(b)に示すように、正極2と負極3は前記のようにセパレータ4を介して渦巻状に巻回した後、扁平状になるように加圧して扁平状の巻回体電極群6として、角筒形の外装缶5に電解液と共に収容されている。ただし、図1では、煩雑化を避けるため、正極2や負極3の作製にあたって使用した集電体としての金属箔や電解液などは図示していない。また、セパレータ4についても、樹脂多孔質層と耐熱多孔質層とを区別していない。
Here, the battery shown in FIGS. 3 and 4 will be described. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a partial cross-sectional view thereof. As shown in FIG. 3 is spirally wound through the
外装缶5はアルミニウム合金製で電池の外装体を構成するものであり、この外装缶5は正極端子を兼ねている。そして、外装缶5の底部にはポリエチレンシートからなる絶縁体16が配置され、正極2、負極3およびセパレータ4からなる扁平状巻回体電極群6からは、正極2および負極3のそれぞれ一端に接続された正極リード体7と負極リード体8が引き出されている。また、外装缶5の開口部を封口するアルミニウム合金製の封口用蓋板9にはポリプロピレン製の絶縁パッキング10を介してステンレス鋼製の端子11が取り付けられ、この端子11には絶縁体12を介してステンレス鋼製のリード板13が取り付けられている。
The
そして、この蓋板9は外装缶5の開口部に挿入され、両者の接合部を溶接することによって、外装缶5の開口部が封口され、電池内部が密閉されている。また、図3の電池では、蓋板9に非水電解液注入口14が設けられており、この非水電解液注入口14には、封止部材が挿入された状態で、例えばレーザー溶接などにより溶接封止されて、電池の密閉性が確保されている(従って、図3および図4の電池では、実際には、非水電解液注入口14は、非水電解液注入口と封止部材であるが、説明を容易にするために、非水電解液注入口14として示している)。更に、蓋板9には、電池の温度が上昇した際に内部のガスを外部に排出する機構として、開裂ベント15が設けられている。
And this
この実施例1の電池では、正極リード体7を蓋板9に直接溶接することによって外装缶5と蓋板9とが正極端子として機能し、負極リード体8をリード板13に溶接し、そのリード板13を介して負極リード体8と端子11とを導通させることによって端子11が負極端子として機能するようになっているが、外装缶5の材質などによっては、その正負が逆になる場合もある。
In the battery of this Example 1, the
図4は前記図3に示す電池の外観を模式的に示す斜視図であり、この図4は前記電池が角形電池であることを示すことを目的として図示されたものであって、この図4では電池を概略的に示しており、電池の構成部材のうち特定のものしか図示していない。また、図3においても、電極体の内周側の部分は断面にしていない。 FIG. 4 is a perspective view schematically showing the external appearance of the battery shown in FIG. 3. FIG. 4 is shown for the purpose of showing that the battery is a square battery. FIG. 1 schematically shows a battery, and only specific members of the battery are shown. Also in FIG. 3, the inner peripheral portion of the electrode body is not cross-sectional.
実施例2
多層多孔質膜の形成に使用する耐熱性微粒子を、アスペクト比1.4、平均粒子径:D50=0.86μm、D10=0.47μm、D90=1.18μm、粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合:1.2体積%の、多面体形状のベーマイト合成品に変更し、また、耐熱多孔質層の厚みが3.5μmとなるようにした以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製し、このセパレータを用いた以外は実施例1と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、セパレータを構成する多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量は、0.47mg/cm2であった。
Example 2
The heat-resistant fine particles used for forming the multilayer porous film are particles having an aspect ratio of 1.4, an average particle size: D50 = 0.86 μm, D10 = 0.47 μm, D90 = 1.18 μm, and a particle size larger than 2 μm. Ratio: 1.2% by volume, a polyhedron-shaped boehmite synthetic product was used, and a separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heat-resistant porous layer had a thickness of 3.5 μm. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this separator was used. In addition, the mass per unit area of the heat resistant porous layer which concerns on the multilayer porous film which comprises a separator was 0.47 mg / cm < 2 >.
実施例3
多層多孔質膜の形成に使用する耐熱性微粒子を、アスペクト比2.5、平均粒子径:D50=0.40μm、D10=0.28μm、D90=0.79μm、粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合:1体積%の、多面体形状のベーマイト合成品に変更し、また、耐熱多孔質層の厚みが3.5μmとなるようにした以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製し、このセパレータを用いた以外は実施例1と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、セパレータを構成する多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量は、0.47mg/cm2であった。
Example 3
The heat-resistant fine particles used for the formation of the multilayer porous film are particles having an aspect ratio of 2.5, an average particle size: D50 = 0.40 μm, D10 = 0.28 μm, D90 = 0.79 μm, and a particle size larger than 2 μm. Proportion of: 1% by volume, changed to a polyhedron-shaped boehmite synthetic product, except that the thickness of the heat-resistant porous layer is 3.5 μm, to produce a separator in the same manner as in Example 1, A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this separator was used. In addition, the mass per unit area of the heat resistant porous layer which concerns on the multilayer porous film which comprises a separator was 0.47 mg / cm < 2 >.
実施例4
多層多孔質膜の形成に使用する耐熱性微粒子を、アスペクト比1.0、平均粒子径:D50=0.66μm、D10=0.49μm、D90=0.87μm、粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合:2.5体積%の、球状アルミナ合成品に変更し、また、耐熱多孔質層の厚みが3.5μmとなるようにした以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製し、このセパレータを用いた以外は実施例1と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、セパレータを構成する多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層について、アルミナの比重を4g/cm3、樹脂バインダの比重を1g/cm3として算出した耐熱性微粒子の体積比率は、89.3体積%であり、耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量は、0.62mg/cm2であった。
Example 4
The heat-resistant fine particles used for the formation of the multilayer porous film are particles having an aspect ratio of 1.0, an average particle size: D50 = 0.66 μm, D10 = 0.49 μm, D90 = 0.87 μm, and a particle size larger than 2 μm. Proportion of: 2.5 volume%, changed to a spherical alumina synthetic product, and produced a separator in the same manner as in Example 1 except that the heat-resistant porous layer had a thickness of 3.5 μm. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 except that this separator was used. For the heat-resistant porous layer related to the multilayer porous membrane constituting the separator, the volume ratio of the heat-resistant fine particles calculated with the specific gravity of alumina being 4 g / cm 3 and the specific gravity of the resin binder being 1 g / cm 3 was 89.3. The mass per unit area of the heat-resistant porous layer was 0.62 mg / cm 2 .
実施例5
多層多孔質膜の形成に使用する耐熱性微粒子を、アスペクト比1.0、平均粒子径:D50=0.99μm、D10=0.64μm、D90=1.55μm、粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合:7.3体積%の、球状アルミナ合成品に変更し、また、耐熱多孔質層の厚みが4μmとなるようにした以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製し、このセパレータを用いた以外は実施例1と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、セパレータを構成する多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量は、0.74mg/cm2であった。
Example 5
The heat-resistant fine particles used for forming the multilayer porous film are particles having an aspect ratio of 1.0, an average particle size: D50 = 0.99 μm, D10 = 0.64 μm, D90 = 1.55 μm, and a particle size larger than 2 μm. The separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition was changed to a spherical alumina synthetic product having a volume of 7.3% by volume and the thickness of the heat-resistant porous layer was 4 μm. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 except that was used. In addition, the mass per unit area of the heat resistant porous layer which concerns on the multilayer porous film which comprises a separator was 0.74 mg / cm < 2 >.
実施例6
多層多孔質膜の形成に使用する耐熱性微粒子を、アスペクト比10、平均粒子径:D50=0.95μm、D10=0.43μm、D90=1.78μm、粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合:5.5体積%の、板状ベーマイトに変更し、また、耐熱多孔質層の厚みが2.8μmとなるようにした以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製し、このセパレータを用いた以外は実施例1と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、セパレータを構成する多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量は、0.36mg/cm2であった。
Example 6
The proportion of particles having an aspect ratio of 10, an average particle size: D50 = 0.95 μm, D10 = 0.43 μm, D90 = 1.78 μm, and a particle size larger than 2 μm is used for forming a multilayer porous membrane. : A separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that the plate boehmite was changed to 5.5% by volume, and the thickness of the heat-resistant porous layer was 2.8 μm. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 except that it was used. In addition, the mass per unit area of the heat resistant porous layer which concerns on the multilayer porous film which comprises a separator was 0.36 mg / cm < 2 >.
比較例1
多層多孔質膜の形成に使用する耐熱性微粒子を、アスペクト比2.0、平均粒子径:D50=1.26μm、D10=0.78μm、D90=1.95μm、粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合:3.5体積%の、粒状ベーマイトに変更し、また、耐熱多孔質層の厚みが3.5μmとなるようにした以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製し、このセパレータを用いた以外は実施例1と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、セパレータを構成する多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量は、0.45mg/cm2であった。
Comparative Example 1
The heat-resistant fine particles used for forming the multilayer porous film are particles having an aspect ratio of 2.0, an average particle size: D50 = 1.26 μm, D10 = 0.78 μm, D90 = 1.95 μm, and a particle size larger than 2 μm. The separator was produced in the same manner as in Example 1 except that the boehmite was changed to 3.5 vol% and the thickness of the heat-resistant porous layer was 3.5 μm. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 except that was used. In addition, the mass per unit area of the heat resistant porous layer which concerns on the multilayer porous film which comprises a separator was 0.45 mg / cm < 2 >.
比較例2
多層多孔質膜の形成に使用する耐熱性微粒子を、アスペクト比2.0、平均粒子径:D50=1.00μm、D10=0.45μm、D90=2.10μm、粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合:18.6体積%の、粒状ベーマイトに変更し、また、耐熱多孔質層の厚みが3.5μmとなるようにした以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製し、このセパレータを用いた以外は実施例1と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、セパレータを構成する多層多孔質膜に係る耐熱多孔質層の単位面積あたりの質量は、0.45mg/cm2であった。
Comparative Example 2
The heat-resistant fine particles used for the formation of the multilayer porous membrane are particles having an aspect ratio of 2.0, an average particle size: D50 = 1.00 μm, D10 = 0.45 μm, D90 = 2.10 μm, and a particle size larger than 2 μm. The separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that the boehmite was changed to 18.6% by volume and the thickness of the heat-resistant porous layer was 3.5 μm. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 except that was used. In addition, the mass per unit area of the heat resistant porous layer which concerns on the multilayer porous film which comprises a separator was 0.45 mg / cm < 2 >.
比較例3
実施例1で多層多孔質膜に係る樹脂多孔質層に用いたものと同じポリエチレン製微多孔膜を、耐熱多孔質層を設けることなくセパレータに用いた以外は、実施例1と同様にして非水電解液電池を作製した。
Comparative Example 3
In the same manner as in Example 1, except that the same polyethylene microporous film as that used for the resin porous layer related to the multilayer porous film in Example 1 was used for the separator without providing the heat-resistant porous layer. A water electrolyte battery was produced.
実施例1〜6および比較例1〜3の非水電解液電池の組み立てに用いたものと同じセパレータ(実施例1〜6および比較例1〜3のセパレータ)、並びに実施例1〜6および比較例1〜3の非水電解液電池について、下記の各評価を行った。セパレータの評価結果を表1に、非水電解液電池の評価結果を表2に示す。 The same separators as those used for assembling the nonaqueous electrolyte batteries of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 (Separators of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3), and Examples 1 to 6 and Comparison The following evaluation was performed about the nonaqueous electrolyte battery of Examples 1-3. The evaluation results of the separator are shown in Table 1, and the evaluation results of the nonaqueous electrolyte battery are shown in Table 2.
<セパレータの熱収縮率>
各セパレータ(多層多孔質膜)から、10cm×5cmの短冊状のサンプル片を切り出した。これらのサンプル片に、長辺方向の中心と短辺方向の中心とで交差するように、長辺方向および短辺方向に平行に、それぞれ3cmの長さの直線を、油性ペンでマークした。なお、前記の2つの直線の中点は、両直線の交点となるようにした。
<Heat shrinkage of separator>
A 10 cm × 5 cm strip-shaped sample piece was cut out from each separator (multilayer porous membrane). A straight line having a length of 3 cm was marked with an oil pen in parallel to the long side direction and the short side direction so that these sample pieces intersected the center in the long side direction and the center in the short side direction. The midpoint of the two straight lines was the intersection of both straight lines.
前記の各サンプル片を恒温槽中に吊るし、槽内温度を5℃/分の速度で上昇させ、150℃に到達後、この温度で保った。槽内温度が150℃に到達してから3時間後における各サンプルの長辺方向および短辺方向の直線の長さを測定して恒温槽中に吊るす前の直線の長さ(3cm)からの変化量を求め、これらの変化量の、恒温槽中に吊るす前の直線の長さに対する比率を百分率で表して、より比率の大きい方の値をサンプルの熱収縮率とした。前記の熱収縮率は、各実施例、比較例とも3回測定し、その平均値を求めた。
Each said sample piece was suspended in the thermostat, the temperature in a tank was raised at the speed | rate of 5 degree-C / min, and after reaching | attaining 150 degreeC, it maintained at this temperature. From the length (3 cm) of the straight line before measuring the length of the straight line in the long side direction and the short side direction of each
<非水電解液電池の負荷特性評価>
各電池について、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−定電圧充電を行った。充電終了までの総充電時間は15時間とした。充電後の各電池を、0.2Cの放電電流で、電池電圧が3.0Vになるまで放電させて放電容量を測定した(この放電容量を「0.2C放電容量」という。)。次に、各電池について、前記と同じ条件で充電を行った後、2Cの放電電流で、電池電圧が3.0Vになるまで放電させて放電容量を測定した(この放電容量を「2C放電容量」という。)。各電池の0.2C放電容量に対する2C放電容量の割合を百分率で表して、負荷特性を評価した。なお、前記の充電および放電は、全て温度が20℃に制御された試験室内で行った。
<Evaluation of load characteristics of non-aqueous electrolyte battery>
About each battery, the constant current charge was performed until the battery voltage became 4.2 V at a current value of 0.2 C, and then the constant current-constant voltage charge for performing the constant voltage charge at 4.2 V was performed. The total charging time until the end of charging was 15 hours. Each battery after charging was discharged at a discharge current of 0.2 C until the battery voltage reached 3.0 V, and the discharge capacity was measured (this discharge capacity is referred to as “0.2 C discharge capacity”). Next, after each battery was charged under the same conditions as described above, the battery was discharged at a discharge current of 2C until the battery voltage reached 3.0 V, and the discharge capacity was measured (this discharge capacity was determined as “2C discharge capacity”). "). The ratio of the 2C discharge capacity to the 0.2C discharge capacity of each battery was expressed as a percentage to evaluate the load characteristics. The above charging and discharging were all performed in a test chamber in which the temperature was controlled at 20 ° C.
<電池加熱試験>
20.0〜25℃の大気雰囲気下で、表面温度が大気雰囲気温度と同じである各電池について、0.5Cの電流値で電池電圧が4.35Vになるまで定電流充電を行った。充電後の各電池を恒温槽に入れ、槽内温度を5℃/分の速度で上昇させ、150℃に到達後、この温度で3時間保った。150℃で3時間保持する間の各電池の表面温度を、電池表面に接続した熱電対により測定し、その最高温度を求めた。前記の最高温度は、各実施例、比較例とも3回測定し、その平均値を求めた。
<Battery heating test>
For each battery having a surface temperature equal to the atmospheric temperature at 20.0 to 25 ° C., constant current charging was performed until the battery voltage reached 4.35 V at a current value of 0.5 C. Each battery after charging was placed in a constant temperature bath, the temperature in the bath was increased at a rate of 5 ° C./min, and after reaching 150 ° C., this temperature was maintained for 3 hours. The surface temperature of each battery while being held at 150 ° C. for 3 hours was measured with a thermocouple connected to the battery surface, and the maximum temperature was determined. The maximum temperature was measured three times for each example and comparative example, and the average value was determined.
1、1a、1b、1c 耐熱性微粒子
2 正極
3 負極
4 セパレータ
1, 1a, 1b, 1c Heat-resistant
Claims (7)
前記樹脂多孔質層は、150℃で熱収縮するポリオレフィン製の微多孔膜で構成されており、
前記樹脂多孔質層と前記耐熱多孔質層とは一体化しており、
前記耐熱性微粒子は、平均粒子径が0.40〜1μmであり、かつ粒子径が2μmよりも大きな粒子の割合が10体積%以下であって、アスペクト比が1〜3の、多面体形状または略球形状であり、
前記耐熱多孔質層は、厚みが2〜4μmであり、空孔率が49.7〜60%であり、かつ耐熱性微粒子100質量部に対して1〜10質量部の樹脂バインダを含有しており、
150℃の雰囲気下に静置した際の熱収縮率が0〜10%であることを特徴とする電池用セパレータ。 A battery separator comprising a multilayer porous membrane having at least a resin porous layer mainly comprising a thermoplastic resin and a heat resistant porous layer mainly comprising heat-resistant fine particles and containing a resin binder,
The resin porous layer is composed of a polyolefin microporous film that thermally shrinks at 150 ° C.,
The resin porous layer and the heat resistant porous layer are integrated,
The heat-resistant fine particles have an average particle size of 0.40 to 1 μm, a proportion of particles having a particle size larger than 2 μm is 10% by volume or less, and an aspect ratio of 1 to 3 in a polyhedral shape or substantially A spherical shape,
The heat-resistant porous layer has a thickness of 2 to 4 μm, a porosity of 49.7 to 60%, and contains 1 to 10 parts by mass of a resin binder with respect to 100 parts by mass of the heat-resistant fine particles. And
A battery separator having a thermal shrinkage of 0 to 10% when left in an atmosphere of 150 ° C.
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