JP2016201327A - 非水電解質二次電池用セパレータおよびその製造方法 - Google Patents

非水電解質二次電池用セパレータおよびその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2016201327A
JP2016201327A JP2015082403A JP2015082403A JP2016201327A JP 2016201327 A JP2016201327 A JP 2016201327A JP 2015082403 A JP2015082403 A JP 2015082403A JP 2015082403 A JP2015082403 A JP 2015082403A JP 2016201327 A JP2016201327 A JP 2016201327A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
heat
resistant layer
separator
material layer
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2015082403A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6493747B2 (ja
Inventor
親平 近藤
Shinpei Kondo
親平 近藤
小山 裕
Yutaka Koyama
裕 小山
章浩 落合
Akihiro Ochiai
章浩 落合
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2015082403A priority Critical patent/JP6493747B2/ja
Priority to DE102016106550.1A priority patent/DE102016106550B4/de
Priority to KR1020160044086A priority patent/KR101888740B1/ko
Priority to US15/095,592 priority patent/US10128482B2/en
Priority to CN201610223731.1A priority patent/CN106058122B/zh
Publication of JP2016201327A publication Critical patent/JP2016201327A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6493747B2 publication Critical patent/JP6493747B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/403Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/443Particulate material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/463Separators, membranes or diaphragms characterised by their shape
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

【課題】高温環境下における熱収縮が抑制されたセパレータを提供すること。
【解決手段】本発明のセパレータ70は、樹脂製の基材層90と、該基材90の一方の面に形成された耐熱層80とを備えた長尺なシート状であり、上記耐熱層80は耐熱性微粒子とバインダとを含んでおり、上記セパレータ70の長尺方向に直交する幅方向における端部70aに位置する耐熱層82に含まれる単位体積当たりのバインダ量は、前記セパレータ70の前記幅方向における少なくとも中心を含む中央部分70bに位置する耐熱層84に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多く、且つ、前記端部の前記耐熱層82において、相対的に前記基材層90に近接する領域86に含まれる単位体積あたりのバインダ量が、前記耐熱層82の表面を含む相対的に表面に近い表面領域88に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多いことを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は非水電解質二次電池用のセパレータおよびその製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池(リチウム二次電池)等の非水電解質二次電池は、既存の電池に比べて軽量且つエネルギー密度が高いことから、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両の駆動用高出力電源として好ましく用いられている。この種の二次電池は、典型的には、正極と負極とをセパレータを介して積層させてなる電極体を電解質とともにケースに収容して構築されている。
ここで、セパレータとしては、典型的に樹脂製の多孔質膜(フィルム)が用いられる。かかるセパレータは、正極と負極を電気的に絶縁する機能、非水電解質を保持する機能、およびシャットダウン機能(すなわち、電池内が過熱されて一定の温度域(典型的にはセパレータの軟化点)に達すると軟化し、電荷担体の伝導パスを遮断する機能)を兼ね備える。
さらに、セパレータには、上記の機能に加えて、電池およびこの電池が搭載された機器の安全性を確保する目的から、正極および負極の接触による短絡を防止する役割(短絡防止機能)が要求される。例えば、セパレータを構成する樹脂の軟化点以上に電池内が過熱されてセパレータが熱収縮すると、セパレータによる電極の被覆範囲の不足やセパレータの破断(破膜)等により短絡が生じてしまう虞がある。このため、セパレータには、高温環境下であってもセパレータの収縮を抑制して内部短絡を防止する性能、即ち、所定レベルの耐熱性(耐久性)が要求される。かかる要求に応える手段として、樹脂製のセパレータの表面に多孔質の耐熱層(Heat Resistance Layer:HRL)を備えた構成が提案されている。例えば特許文献1には、樹脂製の基材層に無機フィラーを主体とする耐熱層を有し、基材層と耐熱層との剥離強度が所定の強度以上に設定されたセパレータ、および該セパレータを備えた電池について記載されている。
国際公開第WO2010/104127号 特開2011−134564号公報
しかしながら、例えば、電池がより過酷な条件(例えば、より高温な環境への暴露、あるいは高温環境下への長時間の暴露等)に晒された場合に、基材層が収縮しようとするエネルギーが過大となり、基材層から耐熱層が剥離する場合があった。すなわち、基材層の表面に耐熱層を形成することでセパレータの耐熱性を向上し得るものの、基材層から耐熱層が剥離してしまうと、該耐熱層が剥離した箇所におけるセパレータの収縮(熱収縮)を抑制することが困難となり、十分な短絡防止機能が発揮できない場合があった。
本発明は、上述した従来の課題を解決すべく創出されたものであり、その目的は、基材層と耐熱層とを有するセパレータであって、高温環境下における熱収縮が抑制されたセパレータを提供することである。
上記基材層からの耐熱層の剥離を防ぐ一つの手段として、基材層に対する耐熱層の剥離強度を増大することが考えられる。本発明者らは、長尺状のセパレータについて、特に長尺方向に直交する幅方向の端部において基材層と耐熱層との剥離強度を増大することがセパレータの熱収縮の抑制に効果的であることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明により、樹脂製の基材層と、該基材の一方の面に形成された耐熱層とを備えた長尺なシート状の非水電解質二次電池用セパレータが提供される。ここで、上記耐熱層は耐熱性微粒子とバインダとを含んでおり、上記セパレータの長尺方向に直交する幅方向における端部に位置する耐熱層に含まれる単位体積当たりのバインダ量は、上記セパレータの上記幅方向における少なくとも中心を含む中央部分上記中央部分に位置する耐熱層に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多く、且つ、上記端部の上記耐熱層において、相対的に上記基材層に近接する領域に含まれる単位体積あたりのバインダ量が、前記耐熱層の表面を含む相対的に表面に近い領域に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多いことを特徴とする。
耐熱層中のバインダ量を増大することで、基材層と耐熱層との剥離強度を増大することができる。特に、耐熱層のうちの基材層に近接する領域のバインダ量を増大することは、上記剥離強度の増大に効果的である。即ち、上記の構成とすることで、セパレータの長尺方向に直交する幅方向の端部における基材層と耐熱層との剥離強度を増大することができる。これにより、セパレータの熱収縮を抑制することができる。
一方で、耐熱層のうちの単位体積当たりのバインダ量が多い部分は、電荷担体(典型的にはリチウムイオン)が移動(拡散)しにくい傾向にある。非水電解質二次電池は、典型的に、正極活物質層と負極活物質層との間を電荷担体(例えばリチウムイオン)が移動することで充電および放電が行われる。上記セパレータの幅方向の中央部分は、典型的に正極活物質層と負極活物質層との間に挟まれて位置するため、当該耐熱層の中央部分の電荷担体の透過性が低下すると、セパレータを用いて構築した電池の電池抵抗が増大する虞がある。そこで、上記構成のとおり、セパレータの幅方向の中央部分に位置する耐熱層に含まれるバインダ量を、上記セパレータの幅方向の端部に位置する耐熱層に含まれるバインダ量よりも少なくすることで、耐熱層全体のバインダ量を増大することで基材層に対する耐熱層全体の剥離強度を増大させる場合と比較して、上記セパレータの幅方向の中央部分における電荷担体の透過性を確保することができる。これにより、かかるセパレータを用いて構築した電池の電池抵抗を低減し得る。
ここで、本明細書における耐熱層中のバインダ濃度、すなわち、耐熱層の単位体積当たりに含まれるバインダ量(体積%)は、以下のようにして把握するものとする。まず、測定対象であるセパレータについてクロスセクションポリッシャ加工等で断面出しを行う。そして、例えば、SBRのような炭素‐炭素二重結合を有するバインダを用いた場合には、耐熱層中のバインダを臭素(Br)もしくはオスミウム(Os)染色して炭素‐炭素二重結合を有する部分を染色した後、一般的な走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)−エネルギー分散型X線分光法(EnergyDispersive X-ray Spectroscopy:EDX)や電子線マイクロアナライザ(Electron Probe Micro Analyzer:EPMA)によってBr原子もしくはOs原子の位置と量を確認し、これによって耐熱層中のバインダの量と位置を調べるとよい。また、PVDFのようなフッ素原子を含むバインダを用いた場合には、上記SEM−EDXによる分析やEPMAを用いた分析、もしくはX線光電子分光(XPS)測定によってフッ素のKα線を測定し、これによって耐熱層中のバインダの量と位置を直接定量するとよい。このようにして、耐熱層中でバインダがどのように分布しているか、その量と位置を特定することができる。
ここで開示されるセパレータの好適な他の一態様では、上記端部における上記基材層と上記耐熱層との剥離強度が20N/m以上50N/m以下である。上記端部における基材層と耐熱層との剥離強度を上記範囲とすることで、基材層からの耐熱層の剥離を高度に抑制することができる。
なお、本明細書でいうところの剥離強度とは、JIS C6481(1996)に準拠して測定された90度剥離強度のことである。典型的な剥離強度(90度剥離強度)の測定試験方法を以下に示す。
具体的には、セパレータを所定の大きさに切り出し、矩形状の試験片を準備する。そして、かかる試験片の長辺方向の一方の端部の基材層を引張治具(例えばクランプ)に固定するために、該試験片の長辺方向の一方の端部の耐熱層を基材層から剥がしておく。かかる試験片の耐熱層面を、両面テープ等の接着剤を用いて引張試験機の架台上に固定し、該試験片の上記耐熱層剥離部分(基材層)を引張治具に固定する。そして、引張治具を架台(即ち架台に貼りつけた耐熱層)の面に対して鉛直方向上側(剥離角度が90±5°)となる方向に所定の速度(例えば毎秒0.5mm)で引っ張り上げて、耐熱層と基材層とを剥離する。このとき、基材層が耐熱層から剥がれる間の荷重の平均値を測定し、単位幅当たりの該荷重の平均値を剥離強度(N/mm)とする。
ここで開示されるセパレータの好適な他の一態様では、上記端部の幅方向の長さが、該幅方向の一方の端部あたり、上記セパレータの幅方向の全長の1.5%以上10%以下である。
上記セパレータの長尺方向に直交する幅方向の端部について、当該端部の長尺方向に直交する幅方向の長さを上記範囲とすることで、セパレータの熱収縮を高度に抑制することができる。上記端部の幅方向の長さが小さすぎると、基材層が収縮するエネルギーを抑制しきれずに、上記端部において基材層から耐熱層が剥離する虞がある。一方で、上記端部の幅方向の長さが大きすぎると耐熱層のイオン透過性が低下する虞があり、当該セパレータを用いて構築した電池の電池抵抗が増大する場合がある。
また、本発明の他の側面として、ここで開示するいずれかの態様のセパレータを介して正極と負極とを積層した電極体と、非水電解質とを備えた非水電解質二次電池が提供される。
ここで開示されるセパレータは、熱収縮が抑制されたセパレータである。このため、かかるセパレータを用いて構築することで、内部短絡の発生が低減された安全性の高い非水電解質二次電池を作製することができる。また、抵抗の増大が低減された非水電解質二次電池を作製することができる。
なお、本明細書において「非水電解質二次電池」とは、非水電解質(典型的には、非水溶媒(有機溶媒)中に支持塩(支持電解質)を含む非水電解液)を備えた二次電池をいう。ここで「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な電池一般をいい、リチウムイオン二次電池等のいわゆる化学電池ならびに電気二重層キャパシタ等の物理電池を包含する用語である。
また、本発明の他の側面として、樹脂製の基材層と、該基材層の表面に形成された耐熱層とを備えた長尺なシート状の非水電解質二次電池用セパレータを製造する方法が提供される。かかるセパレータの製造方法は、以下の工程を包含する。
(i)上記基材層上に、耐熱性微粒子とバインダと溶媒とを含む耐熱層形成用組成物を付与する工程;および、
(ii)上記基材層上に付与した耐熱層形成用組成物について、上記基材層の長尺方向に直交する幅方向の端部に付与された耐熱層形成用組成物を基材層側から加熱することで、上記耐熱層の幅方向の端部において、相対的に基材層に近い領域に含まれる単位体積当たりのバインダ量が、上記耐熱層の表面を含む相対的に表面に近い領域に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多いことを特徴とする耐熱層を形成する工程;
を包含する。
基材層に付与した耐熱層形成用組成物を局所的に加熱することで非加熱部分との温度差が生じると、当該温度差に起因して、耐熱層形成用組成物中では相対的に温度が低い部分から相対的に温度の高い部分へ向かう方向の対流が生じる。耐熱層形成用組成物中のバインダは、かかる対流に乗じて耐熱層形成用組成物中を移動(マイグレーション)するため、上記相対的に温度が高い部分のバインダ濃度が上昇する。また、上記耐熱層形成用組成物中の溶媒は、上記相対的に温度の高い部分から優先して蒸発する。このため、基材層上に付与した耐熱層形成用組成物を局所的に加熱することで、当該加熱により温度が高くなった部分における単位体積当たりのバインダ量が多いセパレータを作製することができる。
基材層上に付与した耐熱層形成用組成物のうち、当該基材層の長尺方向に直交する幅方向の端部上の耐熱層形成用組成物を加熱することで、セパレータの長尺方向に直交する幅方向の端部に位置する耐熱層中のバインダ量を増大することができる。特に、上記耐熱層形成用組成物の局所的な加熱を基材層側から行うことで、上記セパレータの幅方向の端部に位置する耐熱層(即ち耐熱層の長尺方向に直交する端部)のうちの基材層に近接する領域のバインダ量を増大することができる。これにより、上記耐熱層の幅方向の端部における基材層と耐熱層との剥離強度を増大することができる。
ここで開示されるセパレータの製造方法の好適な他の一態様では、上記加熱工程において、上記耐熱層の幅方向の端部を、少なくとも80℃以上の温度で加熱する。
上記耐熱層の幅方向の端部の加熱温度を少なくとも80℃以上とすることで、耐熱層形成用組成物層中において、上記加熱部分と非加熱部分での温度差に起因した対流を好適に生じさせることができる。これにより、上記温度差に起因して、耐熱層形成用組成物中でバインダがスムーズに移動し得る。
本発明の一実施形態に係るセパレータの構成を示す斜視図である。 図1中のII−II線に沿う断面構造を示す図である。 ここで開示されるセパレータの製造方法を説明するためのフローチャートである。 ここで開示されるセパレータの製造方法について、基材層の幅方向の端部に付与された耐熱層形成用組成物を局所的に加熱する工程の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。 図5中のVI−VI線に沿う断面構造を模式的に示す縦断面図である。 一実施形態に係る捲回電極体の構成を示す模式図である。 図7中のVIII−VIII線に沿う断面構造を模式的に示す縦断面図であって、一実施形態に係る捲回電極体の正負極間の一部を拡大して模式的に示す部分断面図である。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本発明において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事項は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位に同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態にかかるセパレータについて説明する。本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではなく、例えばセパレータの形状(外形やサイズ)には特に制限はない。
ここで開示される非水電解質二次電池用のセパレータは、本発明を特徴づける耐熱層(HRL)を備える他は従来と同様の構成をとり得る。図1および図2に示すように、かかるセパレータ70は、多孔性のセパレータ基材からなる基材層90と、該基材層90の一方の表面(片面)に形成された耐熱層80とを備える長尺なシート状のセパレータである。典型的には、耐熱層80は基材層90の表面全体に、即ち基材層90の長尺方向DLおよび幅方向DWの全体に亘って形成されたものであり得る。
かかる構成のセパレータ70は、正極(正極活物質層)と負極(負極活物質層)とを絶縁する機能とともに、電解質の保持機能およびシャットダウン機能を兼ね備える。以下、基材層(セパレータ基材)90および耐熱層80について、詳細に説明する。
基材層90を構成するセパレータ基材としては、従来の非水電解質二次電池用のものと同様の長尺シート状の樹脂基材を用いることができる。好適例として、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の熱可塑性樹脂を主体に構成された多孔質樹脂シート(フィルム)が挙げられる。なかでも、ポリオレフィン系樹脂を主体に構成された多孔質樹脂シート(例えばPEやPP)は、シャットダウン温度が80℃〜140℃(典型的には110℃〜140℃、例えば120℃〜135℃)と、電池の耐熱温度(典型的には凡そ200℃以上)よりも充分に低いため適切なタイミングでシャットダウン機能を発揮することができる。したがって、より信頼性の高い電池を実現することができる。
基材層90は、単層構造であってもよく、あるいは材質や性状(厚みや空孔率等)の異なる2種以上の多孔質樹脂シートが積層された構造であってもよい。例えば、PE単層のシート、PP単層のシート、多層構造のものとしては、例えば、PE層とPP層とが積層された二層構造(PE/PP構造)のシート、PE層の両側にPP層が積層された三層構造(PP/PE/PP構造)のシート等を好適に使用し得る。
基材層90の厚み(平均厚み)は特に限定されないが、通常、5μm以上(典型的には10μm以上、例えば12μm以上)であって、40μm以下(典型的には30μm以下、例えば25μm以下)であることが好ましい。基材層90の厚みが上記範囲内にあることで、上述の絶縁機能や電解質の保持機能を好適に発揮し得、且つ、イオン透過性をより良好に保つことができる。このため、より一層優れた電池性能を実現し得る。なお、基材層90の厚みは、マイクロメータや厚み計等を用いた計測や、断面SEM画像の解析等によって求めることができる。
耐熱層80は、例えば内部短絡等によって電池内が高温(例えば150℃以上、典型的には200℃以上)になった場合でも軟化や溶融をせず、形状を保持し得る性質(若干の変形は許容され得る)を有するものである。ここで開示される耐熱層80は、耐熱性微粒子とバインダとを含んでいる。
耐熱層80に含まれる耐熱性微粒子は、典型的には非水電解質二次電池用セパレータの耐熱層中でフィラーとして用いられるものであり得る。かかるフィラーは、有機フィラー、無機フィラー、有機フィラーと無機フィラーの併用のいずれであってもよいが、耐熱性や耐久性、分散性、安定性等を考慮すると、無機フィラーを用いることが好ましい。
無機フィラーとしては、特に限定されないが、例えば金属酸化物、金属水酸化物等が挙げられる。具体的には、アルミナ(酸化アルミニウム:Al)、ベーマイト(Al・HO)、シリカ(酸化ケイ素:SiO)、チタニア(酸化チタン:TiO)、ジルコニア(二酸化ジルコニウム:ZrO)、カルシア(酸化カルシウム:CaO)、マグネシア(酸化マグネシウム:MgO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、酸化鉄等の無機酸化物;シリコンナイトライド(窒化ケイ素:Si)、アルミナイトライド(窒化アルミニウム:AlN)等の無機窒化物;ケイ素、アルミニウム、鉄等の元素系材料;タルク、クレー、マイカ、ベントナイト、モンモリロナイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、セリサイト等の鉱物系材料;のうち、1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。なかでも、アルミナ、ベーマイト、シリカ、チタニア、ジルコニア、カルシア、マグネシアが好ましく、アルミナ、ベーマイト、チタニア、シリカ、マグネシアが特に好ましい。これらの化合物は融点が高く、耐熱性に優れる。また、モース硬度が比較的高く、耐久性(機械的強度)にも優れる。さらには比較的安価なため、原料コストを抑えることができる。特に、アルミニウムは金属のなかでは比重が比較的小さいため、電池の軽量化を実現することがでる。
有機フィラーとしては、例えば、アラミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド等の高耐熱性樹脂粒子を用いることができる。
また、無機フィラーと有機フィラーとを併用する場合、その配合比(無機フィラー:有機フィラー)は特に限定されないが、質量基準で10:90〜90:10(典型的には20:80〜70:30、例えば30:70〜60:40)とすることが好ましい。
フィラーの形態は特に限定されず、例えば粒子状、繊維状、板状(フレーク状)等であり得る。また、フィラーの平均粒径は特に限定されないが、分散性等を考慮して0.01μm以上(例えば0.05μm以上、典型的には0.1μm)であって、5μm以下(例えば3μm以下、典型的には2μm以下)とするのが適当である。フィラーの粒子径を上記範囲とすることで、基材層90に対する耐熱層80の剥離強度を好適範囲に調整し得る。
本明細書において、フィラーの平均粒径とは、一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定に基づいて測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50体積%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう。)をいう。無機フィラーの粒径は、例えば粉砕や篩分け等の手法により調整することができる。
フィラーの比表面積は特に限定されないが、凡そ1m/g以上(例えば1.5m/g以上、典型的には5m/g以上)であって、100m/g以下(例えば50m/g以下、典型的には20m/g以下)が好ましい。フィラーの比表面積を上記範囲とすることで、基材層90に対する耐熱層80の剥離強度を好適範囲に調整し得る。なお、ここで「比表面積」とは、一般的なBET比表面積を採用するものとする。
耐熱層80に含まれるバインダとしては、例えば、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ブチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等のアルキル(メタ)アクリレート(好ましくはアルキル基の炭素原子数が1〜14(典型的には2〜10)のアルキル(メタ)アクリレート)を主成分とするモノマー成分を重合したアクリル系樹脂;ポリエチレン(PE)等のポリオレフィン系樹脂;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂;ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のハロゲン化ビニル樹脂;カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)等のセルロース系樹脂;アクリロニトリル−ブタジエン共重合体ゴム(NBR)、アクリロニトリル−イソプレン共重合体ゴム(NIR)、アクリロニトリル−ブタジエン−イソプレン共重合体ゴム(NBIR)等の共重合成分としてアクリロニトリルを含むゴム類;ポリビニルピロリドン(PVP)系樹脂;ポリビニルアセトアミド(PNVA)系樹脂;エポキシ樹脂;スタジエンブタジエンゴム(SBR);等から1種を単独で、または2種以上を適宜選択して使用することができる。なかでも、アクリル系樹脂は強い接着性(典型的には初期タック、接着強度)を有するとともに電気化学的にも安定であるため、高い形状保持性を発揮することができ、好適である。耐熱層80の形成に用いるバインダの種類およびその組み合わせを適宜選択することにより、基材層90に対する耐熱層80の剥離強度を所望の範囲に調節することができる。
アクリル系樹脂の重合に用いられるモノマー成分には、アクリル酸、メタクリル酸等のカルボキシル基含有ビニルモノマー;アクリルアミド、メタクリルアミド等のアミド基含有ビニルモノマー;2‐ヒドロキシエチルアクリレート、2‐ヒドロキシエチルメタクリレート等の水酸基含有ビニルモノマー;等、公知のモノマーが含まれていてもよい。それらモノマーの配合割合は特に限定されないが、全モノマー成分の50質量%未満(例えば30質量%以下、典型的には10質量%以下)であり得る。アクリル系樹脂は、1種類のモノマーが重合した単独重合体、2種以上のモノマーが重合した共重合体、上記単独重合体および共重合体の2種類以上を混合したもののいずれであってもよい。また、アクリル系樹脂は、その一部が変性された変性アクリル系樹脂であってもよい。
なお、耐熱層80は、上述したフィラーおよびバインダに加えて一般的な二次電池において耐熱層の構成成分として使用され得る1種または2種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例としては、増粘剤、分散剤等の各種添加剤が挙げられる。
耐熱層80全体に含まれるフィラーの割合は、凡そ50質量%以上とすることが適当である。通常は80質量%以上(例えば85質量%以上)であって、99.8質量%以下(例えば99質量%以下)とすることが好ましい。耐熱層80全体に含まれるバインダの割合は、例えば凡そ0.2質量%〜15質量%とすることができ、通常は凡そ0.5質量%〜8質量%とすることが好ましい。各種添加剤を使用する場合には、耐熱層80全体に占める添加剤の割合を、例えば凡そ0.2質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ0.5質量%〜5質量%とすることが好ましい。
耐熱層80中に含まれるフィラーとバインダの質量比(NV基準、即ち固形分換算)は、フィラー:バインダが例えば90:10〜99.8:0.2であり、93:7〜99.5:0.5が好ましく、93:7〜99:1が更に好ましい。フィラーとバインダとの質量比を上記範囲とすることで、基材層90に対する耐熱層80の剥離強度を所望の範囲に調節することができる。フィラーに対するバインダの割合が少なすぎると、耐熱層80の投錨性や耐熱層自体の強度(保形性)が低下して、ヒビや剥落等の不具合が生じることがある。フィラーに対するバインダの割合が多すぎると、耐熱層80の多孔性が低下したり、セパレータ70のイオン透過性が低下する場合がある。好ましい一態様では、耐熱層80の全体の質量に占めるフィラーおよびバインダの合計量が凡そ90質量%以上(例えば95質量%以上)である。実質的にフィラーおよびバインダのみから構成される耐熱層であってもよい。
ここで開示されるセパレータ70は、図2に示すように、当該セパレータ70の長尺方向DLに直交する幅方向DWにおける端部70aに位置する耐熱層82(以下、「耐熱層端部82」ともいう)に含まれる単位体積当たりのバインダ量が、当該セパレータ70の上記幅方向DWにおける少なくとも中心を含む中央部分70bに位置する耐熱層84(以下、「耐熱層中央部分84」ともいう)に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多い。また、上記耐熱層端部82のうちの基材層90に近接する領域86(以下、「基材層近接領域86」ともいう)に含まれる単位体積当たりのバインダ量は、上記耐熱層端部82のうちの耐熱層の表面を含む表面領域88(上記基材層近接領域86に対して相対的に表面に近い領域)に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多い。換言すると、上記基材層近接領域86における単位体積当たりのバインダ量は、当該基材層近接領域86を除く耐熱層80の他の領域(即ち、上記耐熱層中央部分84および上記表面領域88)における単位体積当たりのバインダ量よりも大きい。
なお、バインダ量が局所的に多い領域は電荷担体(例えばリチウムイオン)の透過性が低下する傾向にあるため、上記耐熱層中央部分84は、当該耐熱層84の厚み方向においてバインダ量が局所的に多い部分が存在しないことが好ましい。具体的には、上記耐熱層中央部分84では、表面を含む相対的に表面に近い領域に含まれるバインダ量と相対的に基材層90に近接する領域に含まれるバインダ量との差が小さいことが好ましく、当該バインダ量の差が無いことがより好ましい。
ここで、上記セパレータの幅方向DWの端部70aについて、当該端部70aの幅方向DWの長さを、幅方向の一方の端部あたり、上記セパレータ70(即ち耐熱層80)の幅方向の全長の1.5%以上(好ましくは1.6%以上)であって、10%以下(好ましくは8.4%以下)の範囲として規定するとよい。なお、本明細書において「幅方向の長さ」とは、特に言及する場合を除いて、長尺方向DLに直交する幅方向DWの長さを意味するものとする。
例えば、長尺方向DLに直交する幅方向DWの長さが120mmであるセパレータ70であれば、当該セパレータ70の幅方向DWの端部70aについて、当該端部70aの幅方向の長さを、幅方向の一方の端部70a当たり、2mm以上(好ましくは3mm以上、より好ましくは5mm以上)であって、11mm以下(好ましくは10mm以下)の範囲として規定するとよい。なかでも、電池を構築した際の電池抵抗の増大を抑制する観点からは、正極活物質層と負極活物質層とが対向する対向領域と上記セパレータの幅方向の端部70aとが重ならないように上記端70aの幅方向の長さを規定することが好ましい。
ここで開示されるセパレータ70は、当該セパレータ70の長尺方向DLに直交する幅方向DWの端部70aにおける基材層90と耐熱層80(82)との剥離強度(90度剥離強度)が、当該セパレータの幅方向DWの中心を含む中央部分70bにおける基材層90と耐熱層80(84)との剥離強度よりも大きいことを特徴とする。
上記端部70aにおける基材層90と耐熱層80(82)との剥離強度は、15N/m以上が好ましく、20N/m以上がより好ましい。上記端部70aにおける基材層90と耐熱層80(82)との剥離強度の上限は特に限定されないが、例えば50N/m以下とすることができる。上記端部70aにおける基材層90と耐熱層80(82)との剥離強度を上記範囲とすることで、当該端部70aにおける基材層90からの耐熱層80(82)の剥離を低減することができる。特に、基材層90が熱収縮し得る高温下において、基材層90からの耐熱層80の剥離を高レベルで抑制することができる。このため、上記セパレータ70の幅方向DWの端部70aにおける基材層90と耐熱層80(82)との剥離強度を上記範囲とすることで、セパレータの熱収縮を抑制することができる。
また、上記セパレータ70の幅方向DWの中心を含む中央部分70bの剥離強度は特に限定されないが、例えば1.5N/m以上15N/m以下とすることができる。上記中央部分70bにおける基材層90と耐熱層80(84)との剥離強度を上記範囲とすることで、当該中央部分70bにおける基材層90からの耐熱層80(84)の剥離を抑制することができる。
耐熱層80の厚み(平均厚み)は特に限定されないが、通常、乾燥状態で1μm以上であって、例えば1.5μm以上(典型的には2μm以上、好ましくは5μm以上)であることが好ましい。耐熱層80の厚みが小さすぎると、十分な耐熱効果を発揮することができずに短絡防止効果が低減する場合がある。一方で、耐熱層80の厚みが大きすぎるセパレータを用いて電池を構築すると、電池内でセパレータ(耐熱層)が占める体積が過大となり電池容量が低下する場合がある。このため、耐熱層80の厚みの上限値は特に限定されないが、通常、乾燥状態で20μm以下であって、例えば10μm以下(典型的には8μm以下)であることが好ましい。なお、耐熱層80の厚みは、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影した画像を画像解析することによって求めることができる。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明に係るセパレータの製造方法に関し、上述した構成のセパレータを製造する好適な実施態様を例にして説明する。なお、本発明のセパレータの製造方法を以下の実施形態に限定することを意図するものではない。
ここで開示されるセパレータの製造方法は、図3に示すように、耐熱層形成用組成物付与工程(S10)、加熱工程(S20)を包含する。以下、各工程について詳細に説明する。
先ず、耐熱層形成用組成物付与工程(S10)について説明する。かかる工程は、耐熱性微粒子と、バインダと、溶媒とを含む耐熱層形成用組成物を調製し、該耐熱層形成用組成物をセパレータ基材(基材層)90上に付与することを含む。
上記耐熱層形成用組成物は、典型的には、スラリー状(ペースト状、インク状)の組成物であり得る。かかる耐熱層形成用組成物は、耐熱性微粒子と、バインダと、必要に応じて用いられる材料(例えば増粘剤としてのCMC等)とを溶媒中に分散させることで調製し得る。ここで、上記分散方法は、従来公知の混合装置(分散装置)を用いて混合するなど、従来公知の方法を特に制限なく採用することが可能である。かかる分散方法は本発明を特徴づけるものではないため、詳細な説明は省略する。
上記耐熱性微粒子、バインダ、およびセパレータ基材は、従来の非水電解質二次電池用のセパレータに用いられるものを制限なく採用可能であり、例えば既に上述したものを用いればよい。
ここで、バインダの形態は特に制限されず、粒子状(粉末状)のものをそのまま用いてもよく、溶液状あるいはエマルション状に調製したものを用いてもよい。二種以上のバインダを、それぞれ異なる形態で用いてもよい。粒子状のバインダを用いる場合、平均粒径が50nm以上(好ましくは100nm以上、より好ましくは200nm以上)であって500nm以下(好ましくは400nm以下)のものを好適に用いることができる。かかる平均粒径のバインダは、耐熱層形成用組成物中を移動(マイグレーション)しやすく、後述の加熱工程において基材層90の長尺方向DLに直交する幅方向DWの端部に位置する耐熱層形成用組成物(図4の82a)中のバインダ量を増大させやすいため好ましい。
また、上記溶媒についても、特に制限はなく、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ピロリドン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクサヘキサノン、トルエン、メチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、等の有機溶剤またはこれらの2種以上の組み合わせが挙げられる。あるいは、水または水を主体とする混合溶媒であってもよい。かかる混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。なかでも、使用するバインダの分散性に優れたバインダ或いは当該バインダを溶解し得る溶媒は、後述の加熱工程において、基材層90上に付与した耐熱層形成用組成物(図4の80a)中でバインダが移動(マイグレーション)しやすいため好ましい。
耐熱層形成用組成物に占める固形分の割合(固形分濃度)は特に限定されないが、概ね30質量%以上(好ましくは40質量%以上)であって70質量%以下(好ましくは60質量%以下)とすることができる。例えば、凡そ50質量%程度に調整すればよい。耐熱層形成用組成物に占める固形分の割合(固形分濃度)が上記の範囲となるように調整することで、後述の加熱工程において、基材層90に付与した耐熱層形成用組成物(図4の80a)中でバインダが移動(マイグレーション)し易いため好ましい。また、耐熱層形成用組成物中に占める固形分の割合が上記範囲内にある耐熱層形成用組成物は、当該耐熱層形成用組成物を基材層90上へ付与する際の操作性に優れるため好ましい。
そして、上述のとおりに調製した耐熱層形成用組成物の適量を、セパレータ基材(基材層)90の表面(片面)に付与する。基材層90に耐熱層形成用組成物を塗布する方法は特に限定されず、例えば、ダイコーター、グラビアロールコーター、リバースロールコーター、キスロールコーター、ディップロールコーター、バーコーター、エアナイフコーター、スプレーコーター、ブラッシュコーター、スクリーンコーター等の適当な装置を用いて基材層90上に耐熱層形成用組成物(図4の82a)を付与することができる。
次に、加熱工程(S20)について説明する。かかる工程は、図4に示すように、上記耐熱層形成用組成物付与工程(S10)において基材層90に付与した耐熱層形成用組成物80aについて、当該基材層90の長尺方向DLに直交する幅方向DWの端部92(以下、「基材層端部92ともいう」)上に付与された耐熱層形成用組成物(以下「端部組成物82a」ともいう)を基材層側から加熱することを含む。かかる加熱により、上記基材層端部92上の耐熱層形成用組成物(端部組成物)82aの温度を、上記基材層90の幅方向DWの中央部分94(以下、「基材層中央部分94」ともいう)上の耐熱層形成用組成物(以下、「中央部分組成物84a」ともいう)の温度よりも高くすることができる。また、上記加熱を基材層側から行うことで、上記端部組成物82aのうちの相対的に基材層90に近接する領域の温度を、耐熱層形成用組成物の表面を含む相対的に表面に近い表面領域の温度よりも高くすることができる。
上記基材層90上に付与した耐熱層形成用組成物80a中に温度差が生じると、かかる温度差に起因して、相対的に温度が低い領域から相対的に温度が高い領域に向かう方向の対流が引き起こされる。耐熱層形成用組成物82a中のバインダはかかる対流に乗じて移動するため、上記相対的に温度の高い部分のバインダ量が相対的に温度の低い部分のバインダ量よりも増大する。また、上記耐熱層形成用組成物80a中の溶媒は、相対的に温度が高い上記端部組成物82aのうちの基材層に近接する領域の耐熱層形成用組成物中に含まれる溶媒から優先して蒸発する。この結果、上記基材層端部92に付与した耐熱層形成用組成物(端部組成物)82a中のバインダ濃度が上記基材層中央部分94に付与した耐熱層形成用組成物(中央部分組成物)84aバインダ濃度よりも多くなり、且つ、上記端部組成物82aのうちの相対的に基材層に近接する領域に含まれるバインダ濃度が耐熱層形成用組成物の表面を含む相対的に表面に近い表面領域に含まれるバインダ濃度よりも高くなる。
これにより、耐熱層80の長尺方向DLに直交する幅方向DWの端部(耐熱層端部)82において、相対的に基材層に近い領域(即ち基材層近接領域86)に含まれる単位体積当たりのバインダ量が、相対的に表面に近い領域(即ち表面領域88)に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多いことを特徴とする耐熱層80を形成することができる。
ここで、上記基材層端部92の幅方向の長さ(即ち、上記端部組成物82aの幅方向の長さ)は、上述したセパレータ70(即ち耐熱層80)の長尺方向に直交する幅方向の端部72(即ち耐熱層端部82)の幅方向の長さに相当する長さとして規定すればよい。即ち、基材層90上に付与された耐熱層形成用組成物80aのうち上記加熱工程(S20)において局所的に加熱される領域は、上記セパレータ70の長尺方向DLに直交する幅方向DWにおける端部70aに位置する耐熱層(端部耐熱層)82に相当する。例えば、上記基材層端部92の幅方向の長さは、幅方向の一方の端部あたり、上記基材層90の幅方向の全長の1.5%以上(好ましくは1.6%以上)であって、10%以下(好ましくは8.4%以下)の範囲として規定すればよい。
ここで、上記記基材層端部92上の耐熱層形成用組成物(端部組成物)82aを加熱する加熱温度および加熱時間は、耐熱層80の幅方向DWの端部(耐熱層端部)82において、基材層近接領域86に含まれる単位体積当たりのバインダ量を、表面領域88に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多くすることを実現可能であれば特に限定されない。
例えば、上記加熱温度は、上記端部組成物82aのうちの基材層に近接する領域の耐熱層形成用組成物が70℃以上(より好ましくは80℃以上、さらに好ましくは90℃以上、より好ましくは110℃以上)となるように設定することが好ましい。上記加熱温度を高く設定するほど、上記温度差に起因した対流に乗じた上記バインダの移動(マイグレーション)を促進し得る。一方で、上記加熱温度が高すぎると、基材層90が軟化或いは溶融して基材層90の細孔が潰れてしまい、非水電解質の透過が困難になる(即ち電荷担体の伝導パスが遮断される)虞があるため好ましくない。このため、上記加熱時における基材層90の温度が、当該基材層90の軟化点よりも低い温度(例えば140℃以下、好ましくは130℃)となるように加熱温度を設定することが好ましい。
また、上記加熱時間は、例えば数十秒以上(典型的には40秒以上)であって数分以下(典型的には5分以下、好ましくは3分以下)とすることができる。一般的には凡そ1分程度加熱すればよい。典型的に、上記加熱時間を延長することで、耐熱層形成用組成物80a中での上記温度差に起因したバインダの移動を促進し得る。
上記端部組成物82aを加熱する手段は、当該耐熱層形成用組成物の加熱領域を局所的に加熱し得る手法であれば特に限定されない。例えば、図4に示すようにヒーター(典型的には棒状或いは帯状のヒーター)200を用いて加熱し得る。具体的には、基材層端部92であって耐熱層形成用組成物を付与していない面に対向するように上記ヒーター200を配置して加熱すればよい。かかるヒーター200は、遠赤外線ヒーターであり得、例えばセラミックス材料により構成されるヒーターであり得る。
また、ここで開示のセパレータの作製方法では、上記端部組成物82aを局所的に加熱することと同時に或いは当該局所的な加熱の後で、耐熱層形成用組成物80a中に残存する溶媒を除去する乾燥をさらに行ってもよい。かかる乾燥は、従来公知のセパレータの乾燥方法(例えば加熱乾燥、減圧乾燥等)により行うことができる。例えば、所定の温度の熱風を耐熱層形成用組成物80aに吹き付けて乾燥させる熱風乾燥により行えばよい。
上記乾燥を上記端部組成物82aの局所的な加熱と同時に行う場合は、当該端部組成物82aの加熱温度よりも低い温度で当該乾燥を行う。また、上記乾燥を上記端部組成物82aの局所的な加熱を行った後で行う場合であっても、当該端部組成物82aの加熱温度よりも低い温度で当該乾燥を行うことが好ましい。上記乾燥を行う温度が高すぎると、耐熱層形成用組成物80a中のバインダがマイグレーションにより移動する虞がある。上記乾燥温度は、例えば70℃よりも低い温度が好ましく、60℃以下がより好ましい。一方で、耐熱層形成用組成物80a中の溶媒の除去効率の観点からは、例えば40℃以上、典型的には50℃以上の温度で乾燥を行うことが好ましい。
また、上記乾燥は、セパレータ70の耐熱層形成用組成物80a側或いは基材層90側のどちらか一方から行ってもよいし、両面から行ってもよい。一般的に、基材層90よりも耐熱層80の方が多孔質であるため、少なくとも耐熱層形成用組成物80a側から乾燥を行うことで耐熱層形成用組成物80a中の溶媒を効率よく除去し得る。
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態にかかる非水電解質二次電池をリチウムイオン二次電池を例にして説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。非水電解質二次電池の形状(外形やサイズ)には特に制限はない。以下の実施形態では、捲回電極体および電解液を角型形状の電池ケースに収容した構成の非水電解質二次電池(リチウムイオン二次電池)を例にして説明する。
なお、リチウムイオン二次電池は一例であり、本発明の技術思想は、その他の電荷担体(例えばマグネシウムイオン)を備える他の非水電解質二次電池(例えばマグネシウム二次電池)にも適用される。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池は、本発明を特徴づけるセパレータ、即ち、本発明を特徴づける耐熱層を有するセパレータを備える以外は従来と同様の構成をとり得る。かかるセパレータとしては、上述したとおりのものを使用することができる。
図5および図6に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20と非水電解質(図示せず)とが電池ケース(即ち外装容器)30に収容された電池である。電池ケース30は、一端(電池の通常の使用状態における上端部に相当する。)に開口部を有する箱形(すなわち有底直方体状)のケース本体32と、該ケース本体32の開口部を封止する蓋体34とから構成される。電池ケース30の材質としては、軽量で熱伝導性の良い金属材料(例えばアルミニウム)が好ましく用いられ得る。また、図5および図6に示すように、蓋体34には外部接続用の正極端子42および負極端子44が設けられている。また、蓋体34には、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された安全弁36と、非水電解質(典型的には非水電解液)を電池ケース30内に注入するための注入口(図示せず)が設けられている。
捲回電極体20は、図6〜図8に示すように、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された正極シート50と、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成された負極シート60とを、2枚の長尺状のセパレータシート70を介して積層して(重ね合わせて)長手方向に捲回されている。かかる扁平形状の捲回電極体20は、例えば正極50、負極60およびセパレータ70を積層して捲回した後で、当該捲回体を捲回軸に対して直交する一の方向に(典型的には側面方向から)押しつぶして(プレスして)拉げさせることによって成形することができる。
ここで、セパレータ70の積層方向(セパレータ70の耐熱層80が対向する方向)は特に限定されない。セパレータ70の片面に形成された耐熱層80が負極活物質層64および正極活物質層54のいずれに対向してもよい。本実施形態では、図8に示すように、耐熱層80は負極活物質層64に対向している。
耐熱層80が負極活物質層64に対向するようにセパレータ70と正負極(50、60)とを積層することで、例えば、過充電等により負極活物質層64(負極60)が発熱した場合において、該発熱からセパレータの基材層90を保護することができる。一方で、耐熱層80が正極活物質層54に対向するようにセパレータ70と正負極(50、60)とを積層することで、正極50とセパレータ70の基材層90とが直接接触することを防ぐため、正極50によるセパレータ基材90の酸化を防止することができる。
特に限定するものではないが、図6〜図8に示すように、上記捲回電極体20としては、正極活物質層非形成部分52a(即ち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)と負極活物質層非形成部分62a(即ち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)とが捲回軸方向の両端から外方にはみ出すように重ねあわされて捲回されたものであり得る。その結果、捲回電極体20の捲回軸方向の中央部には、正極シート50と負極シート60とセパレータシート70とが積層されて捲回された捲回コアが形成される。また、図6に示すように、正極50と負極60とは、正極活物質非形成部分52aと正極端子42(例えばアルミニウム製)が正極集電板42aを介して電気的に接続され、また、負極活物質層非形成部分62aと負極端子44(例えばニッケル製)が負極集電板44aを介して電気的に接続され得る。なお、正負極集電体42a,44aと正負極活物質層非形成部分52a,62a(典型的には正負極集電体52,62)とは、例えば、超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合することができる。
ここで開示するセパレータ70は、当該セパレータ70の長尺方向DLに直交する幅方向DWの端部70aに位置する耐熱層80(即ち耐熱層端部82)における単位体積当たりのバインダ量が、当該セパレータ70の幅方向DWの中央部分70bに位置する耐熱層80(即ち耐熱層中央部分84)における単位体積当たりのバインダ量よりも多いことを特徴とする。なかでも、上記耐熱層端部82のうち、相対的に基材層90に近接する領域(即ち基材層近接領域86)の単位体積当たりのバインダ量が多い。かかるバインダ量が多い部分はリチウムイオンが移動(拡散)しにくい傾向にある。このため、電池抵抗の増大を低減する観点からは、正極活物質層54と負極活物質層64とが積層(対向)する部分と上記耐熱層端部82(即ちセパレータの端部70a)との重複が少ないことが好ましく、正極活物質層54と負極活物質層64とが積層(対向)する部分と上記耐熱層端部82(即ちセパレータの端部70a)とが重ならないことがより好ましい。
ここで、正極50および負極60は、従来の非水電解質二次電池(リチウムイオン二次電池)に用いられるものと同様のものを制限なく使用可能である。典型的な一態様を以下に示す。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池の正極50は、正極集電体52と、該正極集電体52上に形成された正極活物質層54とを有している。正極集電体52としては、導電性の良好な金属(例えばアルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)からなる導電性材料を好適に採用し得る。正極活物質層54は、少なくとも正極活物質を含む。かかる正極活物質としては、例えば、層状構造やスピネル構造等のリチウム複合金属酸化物(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNiO、LiCoO、LiFeO、LiMn、LiNi0.5Mn1.5、LiFePO等)を好適に使用し得る。また、正極活物質層54は、活物質以外の成分、例えば導電材やバインダ等を含み得る。導電材としては、アセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、PVdF等を使用し得る。
このような正極50は、例えば以下のように作製することができる。まず、正極活物質と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン)に分散させ、ペースト状(スラリー状)の組成物を調製し、次に、該組成物の適当量を正極集電体52の表面に付与した後、乾燥によって溶媒を除去することによって形成することができる。また、必要に応じて適当なプレス処理を施すことによって正極活物質層54の性状(例えば、平均厚み、活物質密度、空孔率等)を調整し得る。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池の負極60は、負極集電体62と、該負極集電体62上に形成された負極活物質層64とを有している。負極集電体62としては、導電性の良好な金属(例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)からなる導電性材料を好適に採用し得る。負極活物質層64は、少なくとも負極活物質を含む。かかる負極活物質としては、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、カーボンナノチューブ、これらを組み合わせた構造を有するもの等、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む炭素材料を好適に使用し得る。なかでも、高いエネルギー密度が得られることから、天然黒鉛(石墨)や人造黒鉛を好ましく用いることができる。また、負極活物質層64は、活物質以外の成分、例えば結着剤や増粘剤等を含み得る。結着剤としては、スチレンブタジエンゴム(SBR)等の各種ポリマー材料を使用し得る。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の各種のポリマー材料を使用し得る。
このような負極60は、例えば上述の正極の場合と同様にして作製することができる。即ち、負極活物質と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒(例えばイオン交換水)に分散させ、ペースト状(スラリー状)の組成物を調製し、次に、該組成物の適当量を負極集電体62の表面に付与した後、乾燥によって溶媒を除去することによって形成することができる。また、必要に応じて適当なプレス処理を施すことによって負極活物質層64の性状(例えば、平均厚み、活物質密度、空孔率等)を調整し得る。
ここで開示される非水電解質としては、典型的には適当な非水系の溶媒(典型的には有機溶媒)中に支持塩を含有させたものを用いることができる。例えば、常温で液状の非水電解質(即ち非水電解液)を好ましく使用し得る。
上記非水系の溶媒としては、一般的な非水電解質二次電池に用いられる各種の有機溶媒を特に制限なく使用し得る。例えば、カーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒を、特に限定なく用いることができる。なかでも、カーボネート類、例えば、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピレンカーボネート(PC)等を好適に採用し得る。
支持塩としては、例えばLiPF、LiClO、LiAsF、Li(CFSON、LiBF、LiCFSO等のリチウム塩を好適に採用し得る。かかる支持塩は、一種のみを単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。特にLiPFが好ましい。支持塩の濃度は特に制限されないが、およそ1.1mol/Lとすることができる。
ここで開示されるセパレータは、高温環境下における熱収縮が抑制されたセパレータである。また、かかるセパレータを用いた電池は、セパレータの収縮に起因する内部短絡が抑制され、電池性能に優れた(例えば電池抵抗が低い)電池である。したがって、ここで開示される非水電解質二次電池は、その特徴を活かして、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)等の車両に搭載される駆動用電源として好適に利用し得る。また、本発明によれば、ここに開示される非水電解質二次電池を、好ましくは動力源(典型的には複数個の二次電池が相互に電気的に接続されてなる組電池)として備えた車両が提供される。
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
以下の材料、プロセスによって、表1に示す例1〜12に係るリチウムイオン二次電池(非水電解質二次電池)の構築に用いるセパレータ(即ち、例1〜例12に係るセパレータ)を作製した。
まず、セパレータ基材(基材層)として、平均厚みが25μmの長尺状のポリエチレン(PE)の微多孔質膜(長尺方向に直交する幅方向DWの長さ:120mm)を準備した。また、無機フィラーとして平均粒径平均粒径(D50)が2μmのアルミナと、バインダとして平均粒径がおよそ300nmのアクリル系樹脂とを準備した。
<例1>
例1に係るセパレータは、以下の通りに作製した。まず、無機フィラーとしてのアルミナと、バインダとしてのアクリル系樹脂とを、無機フィラー:バインダ=96:4の質量比でイオン交換水と混合することにより、スラリー状(ペースト状)の耐熱層形成用組成物を調製した。耐熱層形成用組成物中の全固形分に占めるバインダの濃度(NV基準、即ち固形分換算)を、表1の「バインダ濃度(質量%)」の欄に示す。次いで、かかる耐熱層形成用組成物を上記セパレータ基材の片面のみに付与した。ここで、上記耐熱層形成用組成物の付与は、上記セパレータ基材(片面)の全面に上記耐熱層形成用組成物が付与されるように、グラビアコータを用いて塗布した。
次いで、セパレータ基材の長尺方向に直交する幅方向の両端部分(一方の端部あたりそれぞれの縁部から2mmの幅領域)に付与した耐熱層形成用組成物について、基材層側(即ち基材層のうちの耐熱層形成用組成物を付与しなかった面)から90℃の温度条件で1分間加熱した。かかる加熱にはヒーターを用いた。なお、上記両端部分の幅方向の長さについて、幅方向の一方の端部の長さを表1中の「端部幅(mm)」の欄に示し、セパレータの長尺方向に直交する幅方向の全長に対する当該幅方向の一方の端部の長さの割合を「端部幅(%)」の欄に示す。また、当該両端部分の耐熱層形成用組成物の加熱温度を、表1中の「端部加熱温度(℃)」の欄に示す。
その後、上記基材層上に付与した耐熱層形成用組成物の表面全体を、当該耐熱層側(即ちセパレータのうち耐熱層形成用組成物を付与した面側)から50℃の温度条件で1分間加熱して、耐熱層形成用組成物中の溶媒(ここではイオン交換水)を除去した。かかる加熱(乾燥)は、50℃の熱風を耐熱層形成用組成物の表面に吹き付ける熱風乾燥により行った。
以上のプロセスおよび材料により、基材層の片面に耐熱層を有する例1に係るセパレータを作製した。
<例2、例3、例7、例8、例9>
上記両端部分(セパレータの長尺方向に直交する幅方向の両端部分)を、一方の端部あたり、それぞれの端部から5mm、10mm、1mm、11mm、15mmのいずれかの幅領域とした以外は例1と同様のプロセスおよび材料により、例2、例3、例7、例8および例9に係るセパレータを作製した。
<例4、例5、例10、例11>
上記セパレータの幅方向の両端部分をセパレータ基材層側から加熱する際の加熱温度を80℃、110℃、50℃、70℃のいずれかとした以外は上記例2と同様のプロセスおよび材料により、例4、例5、例10および例11に係るセパレータを作製した。
<例6>
上記基材層の幅方向の両端部分に付与した耐熱層形成用組成物の局所的な加熱を行わない(即ち上記両端部分をそれぞれの縁部から0mmの幅領域とした)以外は例1と同様のプロセスおよび材料により、例6に係るセパレータを作製した。
<例12>
上記耐熱層形成用組成物中の無機フィラーとバインダとの質量比を、無機フィラー:バインダ=90:10とした以外は上記例6と同様のプロセスおよび材料により、例12に係るセパレータを作製した。
なお、上記例1〜12に係るセパレータの作製に用いた無機フィラーの平均粒径(D50)はレーザー散乱式粒度測定装置(日機装株式会社製、マイクロトラックHRA)で測定した。また、上記例1〜12に係る耐熱層形成用組成物の調製には、超音波分散機(Mテクニック社製、クレアミックス)を用い、予備分散として15000rpmで5分間、本分散として20000rpmで15分間の条件で混合、混練を行った。
各例にかかるセパレータの耐熱層のバインダの分布は、当該耐熱層中のアクリル系バインダを臭素(Br)で染色した後、SEM−EDX分析によって調べた。その結果、例1〜例5、例7〜例9および例11に係るセパレータは、セパレータの長尺方向に直交する幅方向の両端部分(即ち、基材層側からの加熱を行った部分)の耐熱層における単位体積当たりのバインダ量が、当該セパレータの中央部分(即ち、基材層側からの加熱を行わなかった部分)の耐熱層における単位体積当たりのバインダ量よりも多いことを確認した。また、これら例1〜例5、例7〜例9および例11に係るセパレータは、上記端部の耐熱層において、基材層に近接する領域における単位体積当たりのバインダ量が、表面を含む表面領域における単位体積当たりのバインダ量よりも多いことを確認した。このことは、基材層の長尺方向に直交する幅方向の端部に位置する耐熱層形成用組成物を基材層側から局所的に加熱することで、基材層上に付与した耐熱層形成用組成物中で温度差が生じ、当該温度差に起因してバインダが移動(マイグレーション)したためと考えられる。
一方で、例6、例10および例12に係るセパレータは、上記セパレータの幅方向の端部に位置する耐熱層中でのバインダ量の増大および当該端部の耐熱層のうちの基材層に近接する領域でのバインダ量の増大を確認しなかった。このことは上記セパレータの幅方向の端部について基材層側からの加熱が不十分であった或いは当該加熱を行わなかったため、上記耐熱層形成用組成物中でバインダが移動しなかったと考えられる。
Figure 2016201327
[90°剥離強度の測定]
上述のとおり作製した各例に係るセパレータについて、セパレータの長尺方向に直交する幅方向の端部における基材層と耐熱層との剥離強度を、引張試験機を用いた90°剥離試験を行うことで評価した。かかる90°剥離試験は、JIS C6481(1996)に準じて行った。また、上記引張試験機としては、MINEBEA社製のTG−2kNを用いた。具体的には以下のとおりである。
まず、各セパレータの幅方向の縁(ここでは右端)から2mmまでの部分から、セパレータの長尺方向と試験片の長尺方向が一致するように、120mm×2mmの長方形状の試験片を切り出した。かかる試験片の長辺方向の一方の端部のセパレータ基材(基材層)を引張治具(例えばクランプ)に固定するために、該試験片の長辺方向の一方の端部の耐熱層をセパレータ基材(基材層)から剥がした。そして、両面テープを用いて上記試験片の耐熱層面を引張試験機の架台に貼り付けて、試験片(セパレータ)を引張試験機の架台上に固定した。また、かかる試験片の上記耐熱層剥離部分(基材層)を引張治具に固定した。そして、引張治具を架台(即ち架台に貼りつけた耐熱層)の面に対して鉛直方向上側(剥離角度が90±5°)となる方向に毎秒0.5mmの速度で引っ張り上げて(即ち、基材層を引っ張って)、耐熱層と基材層とを剥離した。このとき、耐熱層から基材層が剥がれる間の荷重の平均値を測定し、単位幅(ここでは幅1m)当たりの該荷重の平均値を剥離強度(N/m)とした。結果を表1の「剥離強度(N/m)」の欄に示す。
[熱収縮率の測定]
上述のとおりに作製した各例に係るセパレータについて、180℃の温度環境下における幅方向の熱収縮率(%)を測定した。
まず、各例に係るセパレータから、短辺が該セパレータシートの長尺方向に直交する幅方向に沿い且つセパレータの幅サイズと短辺方向の長さ(La)とが一致する大きさの長方形状の評価用試験片を切り出した。そして、上記評価用試験片の両短辺部(即ち長辺方向の両端)を、板状部材(ここでガラス板)上に、該評価用試験片の何れの方向に対しても張力がかからないように固定した。ここで、上記評価用試験片の固定には、耐熱性のテープ(ここではカプトンテープ)を用い、固定された両短辺部間に位置する非固定部分が正方形状となるように行った。
そして、上記固定した評価用試験片を180℃の恒温槽中でおよそ2時間保持した後、該試験片を室温まで放冷した。放冷した評価用試験片(上記正方形の測定部分)の短辺方向の長さ、即ち上記セパレータの幅方向に該当する長さのうち、最も短い部分の長さ(Lb)を測定し、熱収縮率(%)を以下の式:熱収縮率(%)=(La−Lb)÷La×100(%);より算出した。結果を表1の「熱収縮率(%)」の欄に示す。
表1に示すように、セパレータの幅方向の端部の耐熱層中のバインダ量がセパレータの幅方向の中央部分の耐熱層中のバインダ量より多く、且つ上記端部の耐熱層のうちの基材層に近接する領域のバインダ量が表面を含む表面領域のバインダ量よりも高い例1〜例5、例7〜9および例11に係るセパレータは、例6に係るセパレータと比較して、幅方向の端部における基材層と耐熱層との剥離強度が高いことを確認した。なかでも、例2、例4、例5、例10および例11の比較から、基材層の幅方向の端部に付与した耐熱層形成用組成物を高温で加熱するほど、端部の剥離強度を増大し得ることを確認した。なお、例12に係るセパレータは、例6に係るセパレータと比較して、耐熱層形成用組成物中に含有させるバインダ量を増やしたため、耐熱層全体において基材層に対する剥離強度が大きかった。
また、表1に示すように、例1〜例5、例7〜9および例11に係るセパレータは、例6に係るセパレータと比較して、熱収縮率が小さかった。このことから、セパレータの幅方向の端部における基材層に対する剥離強度を増大することで、セパレータの熱収縮を抑制し得ることを確認した。なお、例12に係るセパレータは、耐熱層全体において基材層に対する剥離強度が大きいため、当該セパレータの熱収縮が低減された。
例1に係るセパレータと例7に係るセパレータとの比較から、セパレータ(基材層、耐熱層)の長尺方向に直交する幅方向の端部の幅方向の長さを2mm以上とすることで、セパレータの熱収縮を好適に抑制し得ることを確認した。また、例4に係るセパレータと例11に係るセパレータとの比較から、セパレータの幅方向の端部における基材層に対する耐熱層の剥離強度を20N/m以上とすることで、セパレータの熱収縮を好適に抑制し得ることを確認した。
[非水電解質二次電池の構築]
次いで、以下の材料、プロセスによって、例1〜12に係るリチウムイオン二次電池(非水電解質二次電池)を構築した。
正極の作製は以下の手順で行った。正極活物質粉末としてのLiNi0.33Co0.33Mn0.33(LNCM)と、導電材としてのABと、バインダとしてのPVdFとを、LNCM:AB:PVdF=90:8:2の質量比でNMPと混合し、スラリー状の正極活物質層形成用組成物を調製した。そして、この組成物を、平均厚み20μmの長尺状のアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布した。このとき、正極集電体の幅方向の一端に沿って帯状に正極活物質層非形成部分を残しつつ、正極活物質層形成用組成物の付与面が、長尺方向に対向する幅方向の長さが110mmの帯状となるように均一に塗布した。正極活物質層形成用組成物の塗工重量(付与量)は、正極集電体の単位面積当たりに形成された正極活物質層の質量(目付量)が、正極集電体の両面に形成された正極活物質層の質量(乾燥状態の正極活物質層の質量)の合計として、15mg/cmとなるように設定した。そして、上述のとおりに正極活物質形成用組成物を付与した正極集電体を、乾燥、プレスすることにより、正極集電体上に正極活物質層を有する正極を作製した。
負極の作製は以下の手順で行った。負極活物質としての黒鉛(C)と、バインダとしてのスタジエンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのCMCとを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比でイオン交換水と混合して、スラリー状の負極活物質層形成用組成物を調製した。そして、この組成物を、平均厚み10μmの長尺状の銅箔(負極集電体)の両面に塗布した。このとき、負極集電体の幅方向の一端に沿って帯状に負極活物質層非形成部分を残しつつ、負極活物質層形成用組成物の付与面が、長尺方向に対向する幅方向の長さが115mmの帯状となるように均一に塗布した。負極活物質層形成用組成物の塗工重量(付与量)は、負極集電体の単位面積当たりに形成された負極活物質層の質量(目付量)が、負極集電体の両面に形成された負極活物質層の質量(乾燥状態の負極活物質層の質量)の合計として、15mg/cmとなるように設定した。そして、上述のとおりに負極活物質層形成用組成物を付与した負極集電体を、乾燥、プレスすることにより、負極集電体上に負極活物質層を有する負極を作製した。
上記のとおり作製した正極および負極それぞれ1枚と、上記のとおり作製したセパレータ(例1〜例12に係るセパレータ)2枚を用いて例1〜12に係る捲回電極体を作製した。
まず、上記正負極を、上記各例に係るセパレータを間に介して、長尺方向に重ねあわせた。このとき、上記2枚のセパレータはいずれも耐熱層が負極(負極活物質層)に対向する方向で積層した。また、正極に設けた正極活物質層非形成部分の一部と負極に設けた負極活物質層非形成部分の一部とが幅方向(捲回電極体の捲回軸方向)で異なる方向に突出するように、正極および負極を互いにずらして重ねあわせた。そして、かかる積層した正極、負極、セパレータを、長尺方向に巻き取った(捲回した)後に押しつぶして拉げることで扁平形状の捲回電極体を作製した。なお、上記電極体の構築には、各例に係るセパレータどうし(即ち、例1に係る電極体の構築には例1に係るセパレータ2枚)を組み合わせて用いた。
また、非水電解質として、ECとEMCとDMCとをEC:EMC:DMC=3:5:2の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPFを1mol/Lの濃度で溶解させたもの(即ち非水電解液)を調製した。また、上記電極体および非水電解液を収容する外装体(電池ケース)として、壁厚が1mmのアルミ製であって、一端(通常の使用状態における上端)に開口を有する薄い角型の電池ケース本体と、当該電池ケース本体の開口を封止する蓋体とからなるものを用意した。なお、上記電池ケース本体のサイズは、上記開口を上方にして置いたときに高さ75mm×幅150mm×厚み15mmであった。
次いで、上記各例にかかる捲回電極体を上記アルミニウム製の角型電池容器(角型電池ケース)の内部に収容し、電池ケースの開口部から上記非水電解液を注入し、当該開口部を気密に封止して、理論容量が5Ahである各例(例1〜12)に係るリチウムイオン二次電池(非水電解質二次電池)を作製した。
[充電処理(コンディショニング処理)]
上記のとおりに構築した各例にかかる電池について、充電処理(初期充電)を行った。具体的には、25℃の温度条件下において、1C(5A)の充電レート(電流値)で正負極端子間の電圧が4.2Vになるまで定電流充電(CC充電)を行い、5分間休止した後、1C(5A)の放電レート(電流値)で正負極端子間の電圧が3.0Vになるまで定電流放電(CC充電)を行い、5分間休止した。
なお、「1C」とは理論容量より予測した電池容量(Ah)を1時間で充電できる電流値を意味し、例えば電池容量が3.8Ahの場合は1C=3.8Aである。
[定格容量(初期容量)の測定]
上記初期充電後の各例に係る電池について、温度25℃、3.0Vから4.1Vの電圧範囲で定格容量(初期容量)を測定した。
具体的には、まず、25℃の温度条件下において、1Cの充電レート(電流値)で電池電圧が4.1Vまで定電流(CC)充電を行った後、電流値が0.01Cとなるまで定電圧(CV)充電を行った。その後、1Cの放電レート(電流値)で電池電圧が3.0Vとなるまで定電流(CC)放電を行った後、電流値が0.01Cとなるまで定電圧(CV)放電を行った。このときの放電容量(CCCV放電容量)を初期容量(Ah)とした。例1〜12の電池は、全て理論容量(5Ah)が得られていることを確認した。
[初期抵抗(IV抵抗)測定]
次に、上記初期容量を測定した後の各例に係る電池について、初期抵抗(IV抵抗)を測定した。
具体的には、まず、上記初期容量を測定した後の各電池について、25℃の温度条件下でSOC60%の充電状態に調整した。そして、同温度において各電池に対し5C、10C、20Cの電流値でそれぞれ10秒間ずつ放電と充電を交互に行って、放電開始から10秒後の電圧を測定した。このときの電流値(X軸)および電圧値(Y軸)を直線回帰し、その傾きから各電池の電池抵抗(IV抵抗)(mΩ)を求めた。結果を表1の「電池抵抗」の欄に示す。
ここで、「SOC」(State of Charge)は、上記初期容量をSOC100%としたときの充電状態をいうこととする。
表1に示すように、耐熱層全体に含まれるバインダ量を増やして基材層に対する耐熱層の剥離強度を増大した例12に係るセパレータを用いて構築した電池(即ち例12に係る電池)は、電池抵抗が高かった。このことは、セパレータの耐熱層中のバインダ量を増やしたことで、電荷担体(リチウムイオン)の透過性が低下したためと考える。
例6および例12に係るセパレータ(および該セパレータを用いた電池)と、例1〜5、例7〜9および例11に係るセパレータ(および該セパレータを用いた電池)とを比較することで、セパレータの長尺方向に直交する幅方向における端部に位置する耐熱層に含まれる単位体積当たりのバインダ量が、上記セパレータの上記幅方向における少なくとも中心を含む中央部分に位置する耐熱層に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多く、且つ、上記端部の上記耐熱層において、相対的に上記基材層に近接する領域に含まれる単位体積あたりのバインダ量が、上記耐熱層の表面を含む相対的に表面に近い表面領域に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多いセパレータは、熱収縮が低減され且つ当該セパレータを用いた電池の電池抵抗を低減し得ることを確認した。
また、例1〜3、例8および例9に係るセパレータを用いて構築した電池における電池抵抗の比較から、上記セパレータの幅方向の端部の幅方向の長さを2mm以上11mm以下(例えば、幅方向の一方の端部あたり、セパレータの幅方向の全長の1.5%以上10%以下)とすることで、当該セパレータを用いて構築した電池の電池抵抗を好適に低減し得ることを確認した。
20 捲回電極体
30 電池ケース
32 電池ケース本体
34 蓋体
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極(正極シート)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極(負極シート)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータ(セパレータシート)
70a 端部
70b 中央部分
80 耐熱層
80a 耐熱層形成用組成物
82 耐熱層端部
82a 端部組成物
84 耐熱層中央部分
84a 中央部分組成物
86 基材層近接領域
88 表面領域
90 基材層(セパレータ基材)
92 基材層端部
94 基材層中央部分
100 非水電解質二次電池
200 ヒーター
DL 長尺方向
DW 幅方向

Claims (7)

  1. 樹脂製の基材層と、該基材層の表面に形成された耐熱層とを備えた長尺なシート状の非水電解質二次電池用セパレータの製造方法であって、
    前記基材層上に、耐熱性微粒子とバインダと溶媒とを含む耐熱層形成用組成物を付与する工程;および、
    前記基材層上に付与した耐熱層形成用組成物について、前記基材層の長尺方向に直交する幅方向の端部に付与された耐熱層形成用組成物を基材層側から加熱することで、前記耐熱層の幅方向の端部において、相対的に基材層に近い領域に含まれる単位体積当たりのバインダ量が、前記耐熱層の表面を含む相対的に表面に近い領域に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多いことを特徴とする耐熱層を形成する工程;
    を含む、セパレータの製造方法。
  2. 前記耐熱層の幅方向の端部を、少なくとも80℃以上の温度で加熱する、請求項1に記載のセパレータの製造方法。
  3. 前記端部の幅方向の長さが、該幅方向の一方の端部あたり、前記基材層の幅方向の長さの1.5%以上10%以下である、請求項1または2に記載のセパレータの製造方法。
  4. 樹脂製の基材層と、該基材の一方の面に形成された耐熱層とを備えた長尺なシート状の非水電解質二次電池用セパレータであって、
    前記耐熱層は耐熱性微粒子とバインダとを含んでおり、
    前記セパレータの長尺方向に直交する幅方向における端部に位置する耐熱層に含まれる単位体積当たりのバインダ量は、前記セパレータの前記幅方向における少なくとも中心を含む中央部分に位置する耐熱層に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多く、且つ、
    前記端部の前記耐熱層において、相対的に前記基材層に近接する領域に含まれる単位体積あたりのバインダ量が、前記耐熱層の表面を含む相対的に表面に近い表面領域に含まれる単位体積当たりのバインダ量よりも多い、セパレータ。
  5. 前記端部における前記基材層と前記耐熱層との剥離強度が20N/m以上50N/m以下である、請求項4に記載のセパレータ。
  6. 前記端部の幅方向の長さは、該幅方向の一方の端部あたり、前記セパレータの幅方向の全長の1.5%以上10%以下である、請求項4または5に記載のセパレータ。
  7. 請求項4〜6のいずれか一項に記載のセパレータを介して正極と負極とを積層した電極体と、非水電解質とを備えた非水電解質二次質池。
JP2015082403A 2015-04-14 2015-04-14 非水電解質二次電池用セパレータおよびその製造方法 Active JP6493747B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015082403A JP6493747B2 (ja) 2015-04-14 2015-04-14 非水電解質二次電池用セパレータおよびその製造方法
DE102016106550.1A DE102016106550B4 (de) 2015-04-14 2016-04-11 Separator für eine nichtwässrige Elektrolyt-Sekundärbatterie und Herstellungsverfahren dafür
KR1020160044086A KR101888740B1 (ko) 2015-04-14 2016-04-11 비수전해질 이차 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법
US15/095,592 US10128482B2 (en) 2015-04-14 2016-04-11 Separator for non-aqueous electrolyte secondary battery and manufacturing method thereof
CN201610223731.1A CN106058122B (zh) 2015-04-14 2016-04-12 非水电解质二次电池的隔膜及其制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015082403A JP6493747B2 (ja) 2015-04-14 2015-04-14 非水電解質二次電池用セパレータおよびその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016201327A true JP2016201327A (ja) 2016-12-01
JP6493747B2 JP6493747B2 (ja) 2019-04-03

Family

ID=57043282

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015082403A Active JP6493747B2 (ja) 2015-04-14 2015-04-14 非水電解質二次電池用セパレータおよびその製造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10128482B2 (ja)
JP (1) JP6493747B2 (ja)
KR (1) KR101888740B1 (ja)
CN (1) CN106058122B (ja)
DE (1) DE102016106550B4 (ja)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019079807A (ja) * 2017-10-24 2019-05-23 住友化学株式会社 非水電解液二次電池用多孔質層
JPWO2021131914A1 (ja) * 2019-12-27 2021-07-01
JPWO2022004396A1 (ja) * 2020-06-29 2022-01-06
WO2022114238A1 (ja) * 2020-11-30 2022-06-02 日本ゼオン株式会社 リチウムイオン二次電池用セパレータの検査方法及び製造方法
WO2022215430A1 (ja) 2021-04-09 2022-10-13 パナソニックIpマネジメント株式会社 セパレータおよびそれを用いた円筒形二次電池
JP2024017913A (ja) * 2022-07-28 2024-02-08 プライムプラネットエナジー&ソリューションズ株式会社 電池
JP2025502228A (ja) * 2022-09-22 2025-01-24 エルジー・ケム・リミテッド 分離膜の熱収縮率評価装置および評価方法

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190045872A (ko) * 2017-10-24 2019-05-03 스미또모 가가꾸 가부시키가이샤 비수 전해액 이차 전지용 다공질층
JP6621512B2 (ja) * 2017-10-24 2019-12-18 住友化学株式会社 非水電解液二次電池用多孔質層
JP6626177B2 (ja) * 2017-10-24 2019-12-25 住友化学株式会社 組成物
JP2019079805A (ja) * 2017-10-24 2019-05-23 住友化学株式会社 非水電解液二次電池用多孔質層
JP7409762B2 (ja) * 2018-01-09 2024-01-09 トヨタ自動車株式会社 非水電解液二次電池および非水電解液二次電池の製造方法
CN116169431A (zh) * 2018-01-24 2023-05-26 帝人株式会社 非水系二次电池用隔膜及非水系二次电池
US12288899B2 (en) * 2018-09-25 2025-04-29 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Separator and nonaqueous electrolyte secondary battery
DE102018218556A1 (de) * 2018-10-30 2020-04-30 Robert Bosch Gmbh Kompositfolie, deren Herstellung und deren Verwendung in einer elektrochemischen Festkörperzelle
KR102419160B1 (ko) * 2019-05-09 2022-07-08 주식회사 엘지에너지솔루션 분산제를 포함하는 이차전지용 분리막 및 이의 제조방법
CN112086621B (zh) * 2020-09-29 2021-07-06 珠海冠宇电池股份有限公司 一种负极片及包括该负极片的叠片式锂离子电池
CN115722424B (zh) * 2021-08-31 2024-03-19 宁德时代新能源科技股份有限公司 加热装置及加热方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003208890A (ja) * 2002-01-15 2003-07-25 Japan Storage Battery Co Ltd 非水系二次電池の電極板およびその製造方法
WO2006061936A1 (ja) * 2004-12-07 2006-06-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. セパレータおよびそれを用いた非水電解液二次電池
JP2012028006A (ja) * 2010-07-20 2012-02-09 Panasonic Corp 非水電解質二次電池用電極板および非水電解質二次電池
JP2012190547A (ja) * 2011-03-08 2012-10-04 Gs Yuasa Corp 二次電池用のセパレータ、及び二次電池、並びに二次電池用のセパレータの製造方法
WO2013031012A1 (ja) * 2011-09-01 2013-03-07 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池
JP2013206743A (ja) * 2012-03-28 2013-10-07 Gs Yuasa Corp 蓄電素子
JP2013206605A (ja) * 2012-03-27 2013-10-07 Gs Yuasa Corp セパレータ及び蓄電素子
JP2013218898A (ja) * 2012-04-09 2013-10-24 Toyota Motor Corp 非水電解質二次電池

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BRPI0620590B1 (pt) * 2005-12-06 2019-07-09 Lg Chem, Ltd. Separador compósito orgânico/inorgânico, método para fabricar um separador compósito orgânico/inorgânico e dispositivo eletroquímico
JP5259721B2 (ja) * 2009-03-13 2013-08-07 日立マクセル株式会社 電池用セパレータおよびそれを用いた非水電解液電池
JP5392063B2 (ja) 2009-12-24 2014-01-22 トヨタ自動車株式会社 リチウムイオン二次電池、車両及び電池搭載機器
WO2013069697A1 (ja) * 2011-11-08 2013-05-16 東レ株式会社 多孔性フィルム積層体の製造方法、多孔性フィルム積層体および蓄電デバイス
US10096810B2 (en) * 2012-05-10 2018-10-09 Samsung Sdi Co., Ltd. Separator and method of manufacturing the same and rechargeable lithium battery including the same
KR101949479B1 (ko) 2012-08-06 2019-02-19 스미또모 가가꾸 가부시키가이샤 롤 부재, 도포 장치, 세퍼레이터 제조 장치 및 이차 전지 제조 장치
JP2015022893A (ja) * 2013-07-19 2015-02-02 積水化学工業株式会社 耐熱性微多孔フィルム及びその製造方法
JP6672594B2 (ja) * 2015-03-12 2020-03-25 Jnc株式会社 有機・無機複合膜及びこれを用いた多層耐熱セパレータ材

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003208890A (ja) * 2002-01-15 2003-07-25 Japan Storage Battery Co Ltd 非水系二次電池の電極板およびその製造方法
WO2006061936A1 (ja) * 2004-12-07 2006-06-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. セパレータおよびそれを用いた非水電解液二次電池
JP2012028006A (ja) * 2010-07-20 2012-02-09 Panasonic Corp 非水電解質二次電池用電極板および非水電解質二次電池
JP2012190547A (ja) * 2011-03-08 2012-10-04 Gs Yuasa Corp 二次電池用のセパレータ、及び二次電池、並びに二次電池用のセパレータの製造方法
WO2013031012A1 (ja) * 2011-09-01 2013-03-07 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池
JP2013206605A (ja) * 2012-03-27 2013-10-07 Gs Yuasa Corp セパレータ及び蓄電素子
JP2013206743A (ja) * 2012-03-28 2013-10-07 Gs Yuasa Corp 蓄電素子
JP2013218898A (ja) * 2012-04-09 2013-10-24 Toyota Motor Corp 非水電解質二次電池

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019079807A (ja) * 2017-10-24 2019-05-23 住友化学株式会社 非水電解液二次電池用多孔質層
JP7652083B2 (ja) 2019-12-27 2025-03-27 日本ゼオン株式会社 二次電池およびその製造方法
JPWO2021131914A1 (ja) * 2019-12-27 2021-07-01
WO2021131914A1 (ja) * 2019-12-27 2021-07-01 日本ゼオン株式会社 二次電池およびその製造方法
JPWO2022004396A1 (ja) * 2020-06-29 2022-01-06
WO2022004396A1 (ja) * 2020-06-29 2022-01-06 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池用セパレータ及び非水電解質二次電池
JP7721526B2 (ja) 2020-06-29 2025-08-12 パナソニックエナジー株式会社 非水電解質二次電池用セパレータ及び非水電解質二次電池
WO2022114238A1 (ja) * 2020-11-30 2022-06-02 日本ゼオン株式会社 リチウムイオン二次電池用セパレータの検査方法及び製造方法
WO2022215430A1 (ja) 2021-04-09 2022-10-13 パナソニックIpマネジメント株式会社 セパレータおよびそれを用いた円筒形二次電池
JP2024017913A (ja) * 2022-07-28 2024-02-08 プライムプラネットエナジー&ソリューションズ株式会社 電池
JP7699563B2 (ja) 2022-07-28 2025-06-27 プライムプラネットエナジー&ソリューションズ株式会社 電池
JP2025502228A (ja) * 2022-09-22 2025-01-24 エルジー・ケム・リミテッド 分離膜の熱収縮率評価装置および評価方法
JP7776210B2 (ja) 2022-09-22 2025-11-26 エルジー・ケム・リミテッド 分離膜の熱収縮率評価装置および評価方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102016106550A1 (de) 2016-10-20
US20160308185A1 (en) 2016-10-20
DE102016106550B4 (de) 2022-05-19
CN106058122B (zh) 2019-09-27
US10128482B2 (en) 2018-11-13
CN106058122A (zh) 2016-10-26
JP6493747B2 (ja) 2019-04-03
KR20160122646A (ko) 2016-10-24
KR101888740B1 (ko) 2018-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6493747B2 (ja) 非水電解質二次電池用セパレータおよびその製造方法
JP5652683B2 (ja) 非水電解質二次電池および車両
JP5101569B2 (ja) 電池用セパレータとその製造方法、およびリチウム二次電池
JP5681703B2 (ja) 電気化学素子用セパレータおよびそれを用いた電気化学素子、並びにその電気化学素子用セパレータの製造方法
JP5650738B2 (ja) 電池用セパレータおよび電池
JP5937776B2 (ja) 電池用セパレータおよび電池
KR102743149B1 (ko) 비수계 이차전지용 세퍼레이터 및 비수계 이차전지
JP5843116B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP2016100135A (ja) 非水電解質二次電池
JP5327540B2 (ja) リチウムイオン二次電池用セパレータおよびその製造方法
KR101471795B1 (ko) 비수 전해액 리튬 2차 전지
JP2021044162A (ja) 非水電解質二次電池
JP5247657B2 (ja) 非水電解液電池
WO2015115513A1 (ja) 非水系二次電池用セパレータおよび非水系二次電池
JP5451426B2 (ja) 電池用セパレータおよびそれを用いたリチウムイオン二次電池
JP6371905B2 (ja) 非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池
JP2006049114A (ja) 非水電解液二次電池
JP7205717B2 (ja) 正極
WO2015046126A1 (ja) 非水電池用多孔質層、非水電池用セパレータ、非水電池用電極および非水電池
JP2012182084A (ja) 非水電解質二次電池
WO2012005152A1 (ja) 非水電池用セパレータおよび非水電池
KR20230007474A (ko) 비수계 이차전지용 세퍼레이터 및 비수계 이차전지
JP2020077614A (ja) 電極及び電極の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160824

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170623

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170706

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170823

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180125

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180322

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20180830

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181122

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20181203

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190207

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190220

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6493747

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250