JP2005222780A - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】高いリチウムイオン受入れ性を有する負極を用いる場合にも、リチウムイオン二次電池の十分な安全性等を確保する。
【解決手段】複合リチウム酸化物からなる正極、リチウムイオンが出入り可能な負極、セパレータ、非水溶媒からなる電解液、および正極および負極の少なくとも一方の表面に接着された多孔膜を具備し、多孔膜が、無機フィラーおよび膜結着剤からなり、膜結着剤は、非水溶性であるとともに200℃未満の結晶融点を有さず、かつ200℃以上の熱変形開始温度および分解開始温度を有する樹脂材料からなり、樹脂材料は、酸性基を有し、負極が、負極結着剤と増粘剤を含み、負極結着剤は、第1のゴム性状高分子からなり、増粘剤は、水溶性高分子からなるリチウムイオン二次電池。
【選択図】なし[PROBLEMS] To secure sufficient safety of a lithium ion secondary battery even when a negative electrode having high lithium ion acceptability is used.
A positive electrode made of a composite lithium oxide, a negative electrode through which lithium ions can enter and exit, a separator, an electrolyte solution made of a nonaqueous solvent, and a porous film bonded to at least one surface of the positive electrode and the negative electrode. The membrane is composed of an inorganic filler and a membrane binder. The membrane binder is water-insoluble and does not have a crystal melting point of less than 200 ° C, and has a heat deformation start temperature and a decomposition start temperature of 200 ° C or higher. The resin material has an acidic group, the negative electrode includes a negative electrode binder and a thickener, the negative electrode binder is formed of the first rubbery polymer, and the thickener is Lithium ion secondary battery made of water-soluble polymer.
[Selection figure] None
Description
本発明は、安全性に優れたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery excellent in safety.
リチウムイオン二次電池の正極と負極との間には、極板間を電子的に絶縁し、さらに電解液を保持する役目をもつセパレータが介在している。リチウムイオン二次電池のセパレータとしては、現在、主にポリエチレン樹脂からなる微多孔性シートが使われている。 Between the positive electrode and the negative electrode of the lithium ion secondary battery, there is a separator that electronically insulates the electrode plates and further holds the electrolyte. Currently, microporous sheets mainly made of polyethylene resin are used as separators for lithium ion secondary batteries.
しかしながら、微多孔性シートなどのシート状セパレータは、概して150℃以下の温度でも収縮しやすく、短絡を起こしやすい。また、釘のような鋭利な形状の突起物が電池を貫いた時(例えば釘刺し試験時)、瞬時に発生する短絡反応熱により短絡部が拡大する。そして、さらなる反応熱が発生し、電池が異常過熱された状態に至る可能性がある。 However, sheet-like separators such as microporous sheets generally tend to shrink even at temperatures of 150 ° C. or lower, and easily cause short circuits. Further, when a sharply shaped protrusion such as a nail penetrates the battery (for example, during a nail penetration test), the short-circuit portion is expanded by a short-circuit reaction heat that is instantaneously generated. Then, further reaction heat is generated and the battery may be abnormally overheated.
そこで、リチウムイオン二次電池の安全性を向上させるために、シート状セパレータの表面に、無機フィラーを含む多孔膜を形成する技術が提案されている(特許文献1、2参照)。また、ガラス転移点の低い樹脂からなる多孔膜を、電極上に形成する技術が提案されている(特許文献3参照)。さらに、目的は異なるが、アルミナなどの無機フィラーと、水溶性高分子からなる保護層を、電極上に形成する技術が提案されている(特許文献4参照)。
しかしながら、特許文献1、2の提案においては、多孔膜がシート状セパレータの表面に形成されている。そのため、セパレータが収縮すると、これに伴って多孔膜も収縮するという欠点を有する。これらの技術は、そもそもリチウムデンドライトの成長抑制や高率放電特性の向上を目的としたものである。従って、内部短絡や釘刺し時の安全性を保障し得るものではない。 However, in the proposals of Patent Documents 1 and 2, a porous film is formed on the surface of the sheet-like separator. Therefore, when the separator contracts, the porous film also contracts accordingly. These technologies are originally aimed at suppressing the growth of lithium dendrite and improving the high rate discharge characteristics. Therefore, the safety at the time of internal short circuit or nail penetration cannot be guaranteed.
特許文献3の提案は、短絡発熱時にガラス転移点の低い樹脂を軟化させることにより、極板間でのイオンの移動を遮断するシャットダウン効果を発現させることを意図したものである。釘刺し試験では、内部短絡時の発熱温度は、局所的に数百℃を超えることがある。その場合、ガラス転移点の低い樹脂は、軟化が進みすぎたり、焼失したりする。釘が正極と負極を貫くと同時に、このような多孔膜の損傷が起こると、異常過熱が引き起こされる可能性が高くなる。従って、樹脂のシャットダウン機能は、内部短絡に対する絶対的な安全機構とはなり得ない。 The proposal of Patent Document 3 intends to develop a shutdown effect that blocks the movement of ions between electrode plates by softening a resin having a low glass transition point during short-circuit heat generation. In the nail penetration test, the heat generation temperature during an internal short circuit may locally exceed several hundred degrees Celsius. In that case, the resin having a low glass transition point is excessively softened or burned out. When the nail penetrates the positive electrode and the negative electrode and at the same time the porous film is damaged, there is a high possibility that abnormal overheating will be caused. Therefore, the resin shutdown function cannot be an absolute safety mechanism against an internal short circuit.
特許文献4においては、保護層が、耐熱性に優れる無機フィラーと水溶性高分子(ポリアクリル酸誘導体、セルロース誘導体など)を含むため、短絡発熱時における保護層自体の変形抑止は期待できる。しかし、近年、一般的なリチウムイオン二次電池の負極には、スチレン−ブタジエン共重合体(SBR)からなるゴム性状高分子が、負極結着剤として用いられている。ゴム性状高分子は、従来において負極結着剤として用いられてきたポリフッ化ビニリデン(PVDF)などよりも、使用量が少量で済む。そのため、負極のリチウムイオン受入れ性が向上する。 In Patent Document 4, since the protective layer contains an inorganic filler having excellent heat resistance and a water-soluble polymer (polyacrylic acid derivative, cellulose derivative, etc.), it can be expected to suppress deformation of the protective layer itself during short-circuit heat generation. However, in recent years, a rubbery polymer made of a styrene-butadiene copolymer (SBR) has been used as a negative electrode binder for a negative electrode of a general lithium ion secondary battery. The rubbery polymer can be used in a smaller amount than polyvinylidene fluoride (PVDF) that has been conventionally used as a negative electrode binder. Therefore, the lithium ion acceptability of the negative electrode is improved.
ゴム性状高分子を負極結着剤として用いる場合、負極合剤層を電極芯材(銅箔など)に担持させるために、水溶性高分子からなる増粘剤を、ゴム性状高分子と併用する必要がある。水溶性高分子としては、セルロース系樹脂が主流である。このような負極に、特許文献4の水溶性高分子を含む保護層を塗布した場合、負極中の増粘剤が、乾燥前の保護層中に含まれる水により膨潤する。そのため負極が変形するという不具合が生じる。変形を免れた負極は実用に供し得るものの、生産歩留が大幅に低下する。 When a rubber-like polymer is used as a negative electrode binder, a thickener composed of a water-soluble polymer is used in combination with the rubber-like polymer in order to support the negative electrode mixture layer on an electrode core material (such as copper foil). There is a need. As the water-soluble polymer, a cellulose-based resin is mainly used. When the protective layer containing the water-soluble polymer of Patent Document 4 is applied to such a negative electrode, the thickener in the negative electrode swells with water contained in the protective layer before drying. Therefore, the malfunction that a negative electrode deform | transforms arises. Although the negative electrode that is free from deformation can be put to practical use, the production yield is greatly reduced.
また、上述の無機フィラーを含む多孔膜の場合、多孔膜中に含まれる樹脂材料の結着力が乏しいという問題もある。結着力の乏しい樹脂材料の使用量は、必然的に多くなる。樹脂材料の使用量を減らせば、多孔膜の強度を十分に確保できないからである。しかし、樹脂材料の使用量が多いと、多孔膜による内部抵抗が高くなり、電池特性の低下を招く。 Moreover, in the case of the porous film containing the above-mentioned inorganic filler, there is also a problem that the binding force of the resin material contained in the porous film is poor. The amount of resin material with poor binding power is inevitably increased. This is because if the amount of the resin material used is reduced, sufficient strength of the porous film cannot be secured. However, if the amount of the resin material used is large, the internal resistance due to the porous film increases, leading to a decrease in battery characteristics.
本発明は、高いリチウムイオン受入れ性を有する負極を用いる場合にも、負極の変形を防止するとともに、耐熱性に優れた多孔膜とシート状セパレータとを好ましい態様で併用することにより、リチウムイオン二次電池の安全性を高めることを目的とする。また、本発明は、多孔膜による内部抵抗の上昇および生産歩留まりの低下を、可能な限り抑制することも目的とする。 Even when a negative electrode having high lithium ion acceptability is used, the present invention prevents the deformation of the negative electrode and uses a porous film excellent in heat resistance and a sheet-like separator in combination in a preferred embodiment, thereby providing lithium ion secondary. The purpose is to increase the safety of the secondary battery. Another object of the present invention is to suppress an increase in internal resistance and a decrease in production yield due to the porous film as much as possible.
すなわち、本発明は、
(a)複合リチウム酸化物からなる正極、
(b)リチウムイオンが出入り可能な負極、
(c)セパレータ、
(d)非水溶媒からなる電解液、および
(e)前記正極および前記負極の少なくとも一方の表面に接着された多孔膜
を具備するリチウムイオン二次電池であって、
前記多孔膜が、無機フィラーおよび膜結着剤からなり、前記膜結着剤は、非水溶性であるとともに200℃未満の結晶融点を有さず、かつ200℃以上の熱変形開始温度および分解開始温度を有する樹脂材料からなり、前記膜結着剤は、酸性基を有し、
前記負極が、負極結着剤と増粘剤を含み、前記負極結着剤は、第1のゴム性状高分子からなり、前記増粘剤は、水溶性高分子からなるリチウムイオン二次電池に関する。
That is, the present invention
(A) a positive electrode comprising a composite lithium oxide;
(B) a negative electrode through which lithium ions can enter and exit;
(C) separator,
(D) a lithium ion secondary battery comprising an electrolyte solution made of a non-aqueous solvent, and (e) a porous film adhered to at least one surface of the positive electrode and the negative electrode,
The porous membrane is composed of an inorganic filler and a membrane binder, and the membrane binder is water-insoluble and does not have a crystal melting point of less than 200 ° C., and has a thermal deformation initiation temperature and decomposition of 200 ° C. or more. Consisting of a resin material having an onset temperature, the membrane binder has an acidic group,
The negative electrode includes a negative electrode binder and a thickener, the negative electrode binder is made of a first rubber-like polymer, and the thickener is a lithium ion secondary battery made of a water-soluble polymer. .
多孔膜が、正極および負極の少なくとも一方の表面に接着されることにより、発熱が起こった場合でも、シート状セパレータとともに多孔膜が収縮するのを防止できる。また、膜結着剤が、非水溶性の樹脂材料からなるため、水溶性高分子を含む負極を変形させることがなく、歩留が低下しない。また、膜結着剤が、200℃未満の結晶融点を有さず、かつ200℃以上の熱変形開始温度および分解開始温度を有する樹脂材料からなるため、多孔膜の熱分解や熱変形に対する耐性が向上する。従って、膜結着剤の軟化による多孔膜の変形や多孔膜の焼失は生じにくい。さらに、膜結着剤が、酸性基を有するため、膜結着剤の使用量が少量でも、多孔膜と電極表面との接着力や、無機フィラー同士の接着力を、十分に確保できる。従って、膜結着剤の使用量を低減でき、多孔膜による内部抵抗の上昇を抑制することができる。 By adhering the porous film to at least one surface of the positive electrode and the negative electrode, it is possible to prevent the porous film from shrinking together with the sheet-like separator even when heat is generated. Moreover, since the membrane binder is made of a water-insoluble resin material, the negative electrode containing the water-soluble polymer is not deformed, and the yield is not lowered. Further, since the membrane binder is made of a resin material that does not have a crystalline melting point of less than 200 ° C. and has a thermal deformation start temperature and a decomposition start temperature of 200 ° C. or higher, resistance to thermal decomposition and thermal deformation of the porous membrane Will improve. Therefore, deformation of the porous film and burnout of the porous film due to softening of the film binder are unlikely to occur. Furthermore, since the membrane binder has an acidic group, the adhesive force between the porous membrane and the electrode surface and the adhesive force between the inorganic fillers can be sufficiently ensured even if the amount of the membrane binder used is small. Therefore, the usage-amount of a film | membrane binder can be reduced and the raise of the internal resistance by a porous film can be suppressed.
本発明に係る多孔膜は、以下に詳述する正極および負極の少なくとも一方の表面に形成され、その表面に接着していなければならない。多孔膜をセパレータ上に形成した場合、先述のように、多孔膜自身の耐熱性にかかわらず、内部短絡部に起因する多量の発熱によって、セパレータとともに多孔膜が収縮してしまうからである。 The porous film according to the present invention must be formed on the surface of at least one of the positive electrode and the negative electrode described in detail below and adhered to the surface. This is because when the porous film is formed on the separator, as described above, the porous film shrinks together with the separator due to a large amount of heat generated due to the internal short-circuit portion regardless of the heat resistance of the porous film itself.
また、多孔膜を電極表面に接着しないで、多孔膜単独をシート状に成形しようとすれば、シート形状を保持する観点から、多孔膜の厚みを相当に大きくする必要がある上、多量の結着剤を必要とする。従って、電池特性および設計容量の観点から、多孔膜単独からなるシートは実用性に乏しい。 In addition, if the porous film alone is formed into a sheet shape without adhering the porous film to the electrode surface, the thickness of the porous film needs to be considerably increased from the viewpoint of maintaining the sheet shape, and a large amount of bonding is required. Need a dressing. Therefore, from the viewpoint of battery characteristics and design capacity, a sheet made of a porous film alone is not practical.
本発明に係る多孔膜は、無機フィラーおよび膜結着剤からなり、膜結着剤は、非水溶性であるとともに200℃未満の結晶融点を有さず、かつ200℃以上の熱変形開始温度および分解開始温度を有する樹脂材料からなる。 The porous membrane according to the present invention comprises an inorganic filler and a membrane binder, and the membrane binder is water-insoluble and does not have a crystal melting point of less than 200 ° C., and a thermal deformation start temperature of 200 ° C. or more. And a resin material having a decomposition start temperature.
非水溶性の樹脂材料を用いる理由は、先述のように、リチウム受け入れ性に優れた高性能負極の殆どがセルロース系樹脂などの水溶性高分子を増粘剤として含む点にある。仮に、多孔膜に水溶性の樹脂材料を用いるとすれば、多孔膜の原料を水に溶解または分散させる必要がある。そのため、製造過程で、負極中の増粘剤が、乾燥前の多孔膜中に含まれる水により膨潤し、負極が変形し、歩留が大幅に低下する。 The reason for using the water-insoluble resin material is that, as described above, most of the high-performance negative electrodes excellent in lithium acceptability contain a water-soluble polymer such as a cellulose resin as a thickener. If a water-soluble resin material is used for the porous membrane, it is necessary to dissolve or disperse the raw material for the porous membrane in water. Therefore, in the production process, the thickener in the negative electrode is swollen by water contained in the porous film before drying, the negative electrode is deformed, and the yield is significantly reduced.
ここで「樹脂材料が非水溶性である」とは、樹脂材料を水と混合しても、実質的に均一な溶液が得られないことを意味する。逆に、樹脂材料は、有機溶媒に均一に溶解するものであることが望ましい。 Here, “the resin material is water-insoluble” means that a substantially uniform solution cannot be obtained even when the resin material is mixed with water. On the contrary, it is desirable that the resin material is one that can be uniformly dissolved in an organic solvent.
200℃未満の結晶融点を有さず、かつ200℃以上の熱変形開始温度および分解開始温度を有する樹脂材料を用いる理由は、先述のように、内部短絡の代用評価である釘刺し試験において、条件によっては内部短絡時の発熱温度が局所的に数百℃を超える点にある。このような高温においては、200℃未満の結晶融点を有する樹脂材料や、200℃未満の熱変形開始温度および分解開始温度を有する樹脂材料は、過度の軟化や焼失を起こし、多孔膜を変形させることになる。 The reason for using a resin material that does not have a crystalline melting point of less than 200 ° C. and that has a thermal deformation start temperature and a decomposition start temperature of 200 ° C. or higher is, as described above, in the nail penetration test, which is a substitute evaluation of internal short circuit, Depending on the conditions, the heat generation temperature at the time of internal short circuit is locally over several hundred degrees Celsius. At such a high temperature, a resin material having a crystal melting point of less than 200 ° C. or a resin material having a thermal deformation start temperature and a decomposition start temperature of less than 200 ° C. causes excessive softening and burning, and deforms the porous film. It will be.
膜結着剤は、複数種の樹脂材料の組み合わせからなるものでもよい。ただし、少なくとも1種の樹脂材料は、200℃未満の結晶融点を有さず、200℃以上の熱変形開始温度および分解開始温度を有することが必須となる。膜結着剤を構成する樹脂材料は、結晶融点を有さない非結晶性のものであることが特に好ましい。 The membrane binder may be a combination of a plurality of types of resin materials. However, it is essential that the at least one resin material does not have a crystal melting point of less than 200 ° C. and has a heat deformation start temperature and a decomposition start temperature of 200 ° C. or more. The resin material constituting the membrane binder is particularly preferably an amorphous material having no crystalline melting point.
酸性基を有する膜結着剤を用いる理由は、多孔膜と電極表面との接着力や、無機フィラー同士の接着力を、十分に確保するためである。ここで、酸性基は、水酸基からなることが好ましい。水酸基は、分子内の極性バランスを保持しやすく、かつ樹脂材料に導入することが容易だからである。水酸基よりも大きな酸性基を樹脂材料に導入してもよいが、立体障害が大きくなる。そのため、大きな酸性基の導入数は、水酸基を導入する場合に比べて、一般に減少する。 The reason for using the membrane binder having an acidic group is to sufficiently secure the adhesive strength between the porous membrane and the electrode surface and the adhesive strength between the inorganic fillers. Here, the acidic group is preferably composed of a hydroxyl group. This is because the hydroxyl group is easy to maintain the polar balance in the molecule and can be easily introduced into the resin material. An acidic group larger than the hydroxyl group may be introduced into the resin material, but the steric hindrance increases. Therefore, the number of large acidic groups introduced is generally reduced as compared to the case of introducing hydroxyl groups.
膜結着剤は、pH3以上7未満の酸性を呈することが好ましく、pH3以上6未満の酸性を呈することがさらに好ましい。pHが中性に近すぎると、膜結着剤の使用量が少量の場合に、多孔膜と電極表面との接着力や、無機フィラー同士の接着力を、十分に確保することが困難となる。膜結着剤のpHを過度に小さくする必要はない。例えばpH3以上であれば接着力を確保するのに十分である。なお、膜結着剤のpHは、多孔膜の原料ペーストを調製する際に用いる溶媒(分散媒)に溶解もしくは分散させた状態で、測定することが好ましい。 The membrane binder preferably exhibits an acidity of pH 3 or more and less than 7, more preferably an acidity of pH 3 or more and less than 6. If the pH is too close to neutrality, it will be difficult to ensure sufficient adhesion between the porous membrane and the electrode surface and between the inorganic fillers when the amount of the membrane binder used is small. . It is not necessary to make the pH of the membrane binder too small. For example, a pH of 3 or higher is sufficient to ensure adhesive strength. The pH of the membrane binder is preferably measured in a state where it is dissolved or dispersed in a solvent (dispersion medium) used when preparing the raw material paste for the porous membrane.
膜結着剤は、少なくともゴム弾性を有するゴム性状高分子を含むことが好ましい。そのような膜結着剤を含む多孔膜は、耐衝撃性に優れるためである。ゴム性状高分子を含む膜結着剤を用いると、特に、正極と負極とをセパレータを介して捲回する際に、ひび割れなどが生じにくいため、捲回型極板群を具備する電池の生産歩留を高く維持することができる。 The membrane binder preferably contains at least a rubbery polymer having rubber elasticity. This is because a porous film containing such a film binder is excellent in impact resistance. Production of batteries equipped with a wound-type electrode plate group, especially when a membrane binder containing a rubbery polymer is used, so that cracking and the like are unlikely to occur when the positive electrode and the negative electrode are wound through a separator. Yield can be kept high.
膜結着剤を構成するゴム性状高分子としては、アクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子が、非結晶性で耐熱性が高い点で、特に優れている。アクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子の好ましい一例として、アクリロニトリルゴムもしくはその変性体を挙げることができる。また、商業入手可能なアクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子としては、例えば日本ゼオン(株)製のBM−720Hなどを挙げることができる。 As the rubbery polymer constituting the membrane binder, a rubbery polymer containing an acrylonitrile unit is particularly excellent in that it is amorphous and has high heat resistance. A preferred example of the rubbery polymer containing acrylonitrile units is acrylonitrile rubber or a modified product thereof. Examples of commercially available rubbery polymers containing acrylonitrile units include BM-720H manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.
膜結着剤に酸性基を導入する方法としては、以下が挙げられる。
まず、アクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子と、水酸基を含む樹脂材料とを、混合する方法が挙げられる。他に、ゴム性状高分子と、有機酸とを混合する方法も挙げられる。有機酸としては、例えば安息香酸、蟻酸などを用いることができる。
Examples of the method for introducing an acidic group into the membrane binder include the following.
First, there is a method of mixing a rubbery polymer containing an acrylonitrile unit and a resin material containing a hydroxyl group. In addition, a method in which a rubbery polymer and an organic acid are mixed is also exemplified. Examples of organic acids that can be used include benzoic acid and formic acid.
ゴム性状高分子の耐電位性および耐電解液性を高める観点からは、ゴム性状高分子が会合点を有することが好ましい。会合点を有する高分子は、分子鎖が折り重なったブロック状態を形成できるため、電圧印加や電解液によって分子構造が破壊されにくい。従って、ゴム弾性も維持されやすい。ゴム性状高分子は、一般に電気化学的に不安定である。しかしながら、分子内会合によりブロック状態を形成しているゴム性状高分子は、分子鎖が電荷にアタックされる機会が少ないため、分子鎖の破損を防御できる。また、そのようなゴム性状高分子は、電解液による膨潤も起こしにくい。 From the viewpoint of increasing the potential resistance and the electrolyte solution resistance of the rubber-like polymer, it is preferable that the rubber-like polymer has an association point. Since a polymer having an association point can form a block state in which molecular chains are folded, the molecular structure is not easily destroyed by voltage application or an electrolytic solution. Therefore, rubber elasticity is easily maintained. Rubbery polymers are generally electrochemically unstable. However, a rubber-like polymer that forms a blocked state by intramolecular association can prevent the molecular chain from being damaged because the molecular chain is less likely to be attacked by electric charges. Further, such a rubbery polymer is unlikely to swell due to the electrolyte.
ゴム性状高分子の会合点は、水素結合が可能な官能基からなることが多い。水素結合が可能な官能基としては、水酸基が最も一般的であるが、これに限定されない。膜結着剤として用いるゴム性状高分子が水酸基を有する場合、水酸基が会合点として有効に機能し得るように、ゴム性状高分子の分子鎖の長さを制御することが好ましい。分子鎖の長さは、ゴム性状高分子の合成条件により制御可能である。例えばモノマーの分子量を変化させたり、重合時に用いるモノマー溶液のモノマー濃度を変化させることにより、分子鎖の長さを制御可能である。また、グラフト重合を行う場合には、側鎖の大きさを変化させることにより、会合点を増減することが可能である。 The association point of the rubbery polymer often consists of a functional group capable of hydrogen bonding. The functional group capable of hydrogen bonding is most commonly a hydroxyl group, but is not limited thereto. When the rubbery polymer used as the membrane binder has a hydroxyl group, it is preferable to control the length of the molecular chain of the rubbery polymer so that the hydroxyl group can function effectively as an association point. The length of the molecular chain can be controlled by the synthesis conditions of the rubbery polymer. For example, the length of the molecular chain can be controlled by changing the molecular weight of the monomer or changing the monomer concentration of the monomer solution used during polymerization. When graft polymerization is performed, the number of association points can be increased or decreased by changing the size of the side chain.
多孔膜に用いられる無機フィラーは、膜結着剤と同程度の耐熱性を有することが好ましく、200℃以上でも熱的に安定であることが望まれる。また、無機フィラーは、リチウムイオン二次電池の使用環境下で、電気化学的にも安定であることが望まれる。また、無機フィラーは、多孔膜の原料のペースト化(塗料化)に適した材料であることが好ましい。 The inorganic filler used for the porous membrane preferably has the same degree of heat resistance as the membrane binder, and is desirably thermally stable even at 200 ° C. or higher. In addition, the inorganic filler is desired to be electrochemically stable under the usage environment of the lithium ion secondary battery. The inorganic filler is preferably a material suitable for pasting (painting) the raw material of the porous film.
無機フィラーのBET比表面積は、極板群への電解液の注液を容易にするとともに、電池性能および寿命を向上させる観点から、0.9m2/g以上、さらには1.5m2/g以上であることが好ましい。BET比表面積が0.9m2/g未満になると、膜結着剤による無機フィラー同士の結合力を高める効果が小さくなる。また、無機フィラーの凝集を抑制し、多孔膜の原料のペースト(塗料)の流動性を好適化する観点から、BET比表面積は大き過ぎず、例えば150m2/g以下であることが好ましい。 The BET specific surface area of the inorganic filler is 0.9 m 2 / g or more, more preferably 1.5 m 2 / g, from the viewpoint of facilitating the injection of the electrolyte into the electrode plate group and improving the battery performance and life. The above is preferable. When the BET specific surface area is less than 0.9 m 2 / g, the effect of increasing the bonding force between the inorganic fillers by the film binder is reduced. Further, from the viewpoint of suppressing the aggregation of the inorganic filler and optimizing the fluidity of the raw material paste (paint) of the porous membrane, the BET specific surface area is not too large, and is preferably 150 m 2 / g or less, for example.
無機フィラーの平均粒径(個数基準のメディアン径)は、0.1〜5μmであることが好ましい。複数種の無機フィラーを混合して用いてもよい。その場合、平均粒径の異なる無機フィラーを混合して用いることにより、緻密な多孔膜を得ることも可能である。 The average particle diameter (number-based median diameter) of the inorganic filler is preferably 0.1 to 5 μm. A plurality of kinds of inorganic fillers may be mixed and used. In that case, it is also possible to obtain a dense porous film by mixing and using inorganic fillers having different average particle diameters.
無機フィラーのなかには、表面に塩基性サイトを有するものがある。無機フィラーが、表面に塩基性を示すサイトを有する場合、酸性基を有する膜結着剤と、無機フィラーの表面との結合力が、高められる。従って、無機フィラーの表面のpHは、7より大きく、12以下であることが好ましい。 Some inorganic fillers have basic sites on the surface. When the inorganic filler has a site showing basicity on the surface, the binding force between the membrane binder having an acidic group and the surface of the inorganic filler is enhanced. Therefore, the pH of the surface of the inorganic filler is preferably greater than 7 and 12 or less.
無機フィラーの塩基性サイトは、一般にカチオンに由来する。例えば、無機フィラーがアルミニウムを含む場合、アルミニウムイオンに由来する塩基性サイトが形成される可能性が高い。以上のような観点から、無機フィラーとしては、アルミナ、酸化チタン等を好ましく用いることができる。また、特に、α−アルミナを用いることが好ましい。α−アルミナの表面には、塩基性サイトが存在する。無機フィラーとしてα−アルミナを用いる場合には、膜結着剤の酸性基と、無機フィラーの塩基性サイトとの間に、酸塩基反応に基づく結合力が生じる。そのため、無機フィラー同士の接着が維持されやすい。 The basic site of the inorganic filler is generally derived from a cation. For example, when the inorganic filler contains aluminum, there is a high possibility that basic sites derived from aluminum ions are formed. From the above viewpoint, alumina, titanium oxide, or the like can be preferably used as the inorganic filler. In particular, α-alumina is preferably used. Basic sites exist on the surface of α-alumina. When α-alumina is used as the inorganic filler, a bonding force based on an acid-base reaction is generated between the acidic group of the membrane binder and the basic site of the inorganic filler. Therefore, adhesion between inorganic fillers is easily maintained.
無機フィラーと膜結着剤との合計に占める無機フィラーの含有率は、50重量%以上99重量%以下であることが好ましい。無機フィラーの含有率が、50重量%未満では、膜結着剤の量が過多となり、無機フィラー粒子間の隙間により構成される細孔構造の制御が困難になる。また、無機フィラーの含有率が、99重量%をこえると、膜結着剤の量が過少となり、多孔膜の極板表面に対する密着性が低下する。 The content of the inorganic filler in the total of the inorganic filler and the membrane binder is preferably 50% by weight or more and 99% by weight or less. When the content of the inorganic filler is less than 50% by weight, the amount of the membrane binder becomes excessive, and it becomes difficult to control the pore structure constituted by the gaps between the inorganic filler particles. Moreover, when the content rate of an inorganic filler exceeds 99 weight%, the quantity of a film | membrane binder will become small and the adhesiveness with respect to the electrode-plate surface of a porous film will fall.
本発明においては、酸性基を有する膜結着剤を用いることから、無機フィラーと膜結着剤との結合力は高いものとなっている。従って、無機フィラーと膜結着剤との合計に占める無機フィラーの含有率が、例えば97重量%以上と高い場合であっても、十分な強度を有する多孔膜を得ることができる。すなわち、本発明は、多孔膜における膜結着剤の含有率を小さくして、多孔膜に起因する電池内部抵抗を低減することが強く望まれる場合に、特に好適である。 In the present invention, since the membrane binder having an acidic group is used, the bonding strength between the inorganic filler and the membrane binder is high. Therefore, even when the content of the inorganic filler in the total of the inorganic filler and the membrane binder is as high as 97% by weight or more, for example, a porous film having sufficient strength can be obtained. That is, the present invention is particularly suitable when it is strongly desired to reduce the content of the membrane binder in the porous membrane and reduce the battery internal resistance due to the porous membrane.
多孔膜の厚みは、特に限定されないが、多孔膜による安全性向上の機能を十分に発揮させるとともに、電池の設計容量を維持する観点から、0.5〜20μmであることが好ましい。この場合、現在、一般的に用いられているセパレータの厚さと多孔膜の厚さとの総和を、15〜30μmに制御することが可能である。 The thickness of the porous film is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 20 μm from the viewpoint of sufficiently exerting the function of improving the safety by the porous film and maintaining the design capacity of the battery. In this case, it is possible to control the sum of the thickness of the separator and the thickness of the porous film that are currently used generally to 15 to 30 μm.
負極は、少なくとも負極活物質と、負極結着剤と、増粘剤とを含む。
負極活物質としては、各種天然黒鉛、各種人造黒鉛、シリサイドなどのシリコン含有複合材料、各種合金材料を用いることができる。
The negative electrode includes at least a negative electrode active material, a negative electrode binder, and a thickener.
As the negative electrode active material, various natural graphites, various artificial graphites, silicon-containing composite materials such as silicide, and various alloy materials can be used.
負極結着剤としては、前述のようにリチウムイオン受入れ性を向上させる観点から、ゴム性状高分子が用いられる。このようなゴム性状高分子としては、スチレン単位およびブタジエン単位含むものが好ましく用いられる。例えばスチレン−ブタジエン共重合体(SBR)、SBRの変性体などを用いることができるが、これらに限定されない。ただし、負極結着剤は、水に溶解または分散させることが可能である必要がある。多孔膜の膜結着剤として用いる非水溶性のゴム性状高分子と同じものであっても、水に分散可能なものであれば、負極結着剤として用いることもできる。 As the negative electrode binder, a rubbery polymer is used from the viewpoint of improving the lithium ion acceptability as described above. As such a rubbery polymer, those containing styrene units and butadiene units are preferably used. For example, a styrene-butadiene copolymer (SBR), a modified SBR, or the like can be used, but it is not limited thereto. However, the negative electrode binder needs to be able to be dissolved or dispersed in water. Even if it is the same as the water-insoluble rubbery polymer used as the membrane binder of the porous membrane, it can be used as the negative electrode binder as long as it can be dispersed in water.
負極結着剤を構成するゴム性状高分子は、水溶性高分子からなる増粘剤と併用する必要がある。ここで、水溶性高分子としては、セルロース系樹脂が好ましく、特にカルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。 The rubbery polymer constituting the negative electrode binder needs to be used in combination with a thickener made of a water-soluble polymer. Here, as the water-soluble polymer, a cellulose-based resin is preferable, and carboxymethyl cellulose (CMC) is particularly preferable.
負極に含まれるゴム性状高分子からなる負極結着剤および水溶性高分子からなる増粘剤の量は、負極活物質100重量部あたり、それぞれ0.1〜5重量部および0.1〜5重量部であることが好ましい。 The amount of the negative electrode binder composed of a rubber-like polymer and the thickener composed of a water-soluble polymer contained in the negative electrode is 0.1 to 5 parts by weight and 0.1 to 5 parts per 100 parts by weight of the negative electrode active material, respectively. It is preferable that it is a weight part.
正極は、少なくとも正極活物質と、正極結着剤と、導電剤とを含む。
正極活物質としては、複合酸化物を挙げることができる。複合酸化物としては、コバルト酸リチウム、コバルト酸リチウムの変性体、ニッケル酸リチウム、ニッケル酸リチウムの変性体、マンガン酸リチウム、マンガン酸リチウムの変性体などが好ましい。各変性体には、アルミニウム、マグネシウムなどの元素を含むものがある。また、コバルト、ニッケルおよびマンガンの少なくとも2種を含むものもある。
The positive electrode includes at least a positive electrode active material, a positive electrode binder, and a conductive agent.
An example of the positive electrode active material is a composite oxide. As the composite oxide, lithium cobaltate, modified lithium cobaltate, lithium nickelate, modified lithium nickelate, lithium manganate, modified lithium manganate, and the like are preferable. Some modified bodies contain elements such as aluminum and magnesium. There are also those containing at least two of cobalt, nickel and manganese.
正極結着剤は、特に限定されず、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、変性アクリロニトリルゴム粒子(日本ゼオン(株)製のBM−500Bなど)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などを用いることができる。PTFEやBM−500Bは、正極合剤層の原料ペーストの増粘剤となるCMC、ポリエチレンオキシド(PEO)、変性アクリロニトリルゴム(日本ゼオン(株)製BM−720Hなど)などと組み合わせて用いることが好ましい。PVDFは、単一で、正極結着剤としての機能と、増粘剤としての機能とを有する。 The positive electrode binder is not particularly limited, and polytetrafluoroethylene (PTFE), modified acrylonitrile rubber particles (such as BM-500B manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.), polyvinylidene fluoride (PVDF), and the like can be used. PTFE and BM-500B may be used in combination with CMC, polyethylene oxide (PEO), modified acrylonitrile rubber (such as BM-720H manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.), which is a thickener for the raw material paste of the positive electrode mixture layer. preferable. PVDF is single and has a function as a positive electrode binder and a function as a thickener.
導電剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、各種黒鉛などを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 As the conductive agent, acetylene black, ketjen black, various graphites and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.
非水溶媒からなる電解液には、LiPF6、LiBF4などの各種リチウム塩を溶質として用いることができる。また、非水溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)などを用いることが好ましいが、これらに限定されない。非水溶媒は、1種を単独で用いることもできるが、2種以上を組み合わせて用いることが好ましい。 Various lithium salts such as LiPF 6 and LiBF 4 can be used as solutes in the electrolyte solution composed of a non-aqueous solvent. As the non-aqueous solvent, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), and the like are preferably used, but are not limited thereto. . Although a nonaqueous solvent can also be used individually by 1 type, it is preferable to use 2 or more types in combination.
正極および/または負極上に、良好な皮膜を形成させ、過充電時の安定性等を確保するために、ビニレンカーボネート(VC)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)、VCやCHBの変性体などを用いることもできる。 Use vinylene carbonate (VC), cyclohexylbenzene (CHB), modified products of VC and CHB, etc. to form a good film on the positive electrode and / or negative electrode and to ensure stability during overcharge. You can also.
セパレータは、リチウムイオン電池の使用環境に耐え得る材料からなるものであれば、特に限定されないが、ポリオレフィン樹脂からなる微多孔性シートを用いることが一般的である。また、ポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが用いられる。微多孔性シートは、1種のポリオレフィン樹脂からなる単層膜であってもよく、2種以上のポリオレフィン樹脂からなる多層膜であってもよい。セパレータの厚みは、特に限定されないが、電池の設計容量を維持する観点から、8〜30μmであることが好ましい。
次に、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
The separator is not particularly limited as long as it is made of a material that can withstand the usage environment of the lithium ion battery, but a microporous sheet made of a polyolefin resin is generally used. In addition, as the polyolefin resin, polyethylene, polypropylene, or the like is used. The microporous sheet may be a single layer film made of one kind of polyolefin resin or a multilayer film made of two or more kinds of polyolefin resins. Although the thickness of a separator is not specifically limited, From a viewpoint of maintaining the design capacity of a battery, it is preferable that it is 8-30 micrometers.
Next, the present invention will be described more specifically based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
《比較例1》
(a)正極の作製
コバルト酸リチウム3kgと、正極結着剤としての呉羽化学(株)製のPVDF#1320(PVDFを12重量%含むN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液)1kgと、アセチレンブラック90gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、正極合剤ペーストを調製した。このペーストを15μm厚のアルミニウム箔に塗布し、乾燥後圧延して、正極合剤層を形成した。この際、アルミニウム箔および合剤層からなる極板の厚みを160μmに制御した。その後、円筒型電池(品番18650)の缶状電池ケースに挿入可能な幅に極板をスリットし、正極フープを得た。
<< Comparative Example 1 >>
(A) Production of positive electrode 3 kg of lithium cobaltate, 1 kg of PVDF # 1320 (N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution containing 12% by weight of PVDF) manufactured by Kureha Chemical Co., Ltd. as a positive electrode binder, 90 g of acetylene black and an appropriate amount of NMP were stirred with a double-arm kneader to prepare a positive electrode mixture paste. This paste was applied to a 15 μm thick aluminum foil, dried and then rolled to form a positive electrode mixture layer. Under the present circumstances, the thickness of the electrode plate which consists of aluminum foil and a mixture layer was controlled to 160 micrometers. Thereafter, the electrode plate was slit to a width that could be inserted into a can battery case of a cylindrical battery (Part No. 18650) to obtain a positive electrode hoop.
(b)負極の作製
人造黒鉛3kgと、負極結着剤としての日本ゼオン(株)製のBM−400B(スチレン−ブタジエン共重合体(ゴム粒子)を40重量%含む水性分散液)75gと、増粘剤としてのCMC30gと、適量の水とを、双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤ペーストを調製した。このペーストを10μm厚の銅箔に塗布し、乾燥後圧延して、負極合剤層を形成した。この際、銅箔および合剤層からなる極板の厚みを180μmに制御した。その後、円筒型電池(品番18650)の缶状電池ケースに挿入可能な幅に極板をスリットし、負極フープを得た。
(B) Production of negative electrode 3 kg of artificial graphite, 75 g of BM-400B (an aqueous dispersion containing 40% by weight of a styrene-butadiene copolymer (rubber particles)) manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd. as a negative electrode binder, 30 g of CMC as a thickener and an appropriate amount of water were stirred with a double-arm kneader to prepare a negative electrode mixture paste. The paste was applied to a 10 μm thick copper foil, dried and rolled to form a negative electrode mixture layer. Under the present circumstances, the thickness of the electrode plate which consists of copper foil and a mixture layer was controlled to 180 micrometers. Thereafter, the electrode plate was slit to a width that could be inserted into a can battery case of a cylindrical battery (Part No. 18650) to obtain a negative electrode hoop.
(c)電解液の調製
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とを体積比2:3:3で含む混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解し、さらにビニレンカーボネート(VC)を3重量%添加して、電解液を調製した。
(C) Preparation of electrolyte solution LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate (MEC) at a volume ratio of 2: 3: 3. Further, 3% by weight of vinylene carbonate (VC) was added to prepare an electrolytic solution.
(d)電池の組み立て
上述の正極と負極とを、それぞれ所定の長さで切断し、ポリエチレン樹脂からなる厚さ20μmの微多孔性シートをセパレータとして介して捲回し、電池ケース内に挿入した。次いで、上記の電解液を5.5g秤量して、電池ケース内に注液し、ケースの開口部を封口した。こうして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(D) Battery assembly The above-described positive electrode and negative electrode were each cut to a predetermined length, wound with a microporous sheet made of polyethylene resin having a thickness of 20 μm as a separator, and inserted into the battery case. Next, 5.5 g of the above electrolyte was weighed and poured into the battery case, and the opening of the case was sealed. Thus, a cylindrical lithium ion secondary battery was produced.
《比較例2》
(a)多孔膜の原料ペーストの調製
無機フィラーとしての住友化学工業(株)製のAKP50(メディアン径0.3μmのα−アルミナ)を970gと、膜結着剤としての日本ゼオン(株)製のBM−720H(アクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子を8重量%含むNMP溶液)375gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、多孔膜の原料ペーストを調製した。
<< Comparative Example 2 >>
(A) Preparation of porous membrane raw material paste 970 g of AKP50 (α-alumina with a median diameter of 0.3 μm) manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. as an inorganic filler, and manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd. as a membrane binder BM-720H (NMP solution containing 8% by weight of a rubbery polymer containing an acrylonitrile unit) and an appropriate amount of NMP were stirred with a double-arm kneader to prepare a porous film raw material paste.
なお、多孔膜の原料ペーストに含まれるα−アルミナを890g、BM−720Hを110gとしたところ、多孔膜の一部がセパレータから剥がれ落ちることがあった。このことから、多孔膜に占める膜結着剤の含有率が1重量%に満たない場合には、多孔膜の強度が低下することがわかった。 When α-alumina contained in the raw material paste for the porous film was 890 g and BM-720H was 110 g, a part of the porous film might peel off from the separator. From this, it was found that when the content of the membrane binder in the porous membrane is less than 1% by weight, the strength of the porous membrane is lowered.
(b)電池の組み立て
多孔膜の原料ペーストを、微多孔性シートからなるセパレータの両面に塗布し、乾燥して、セパレータの表面に接着された片面あたりの厚さ5μmの多孔膜を形成した。こうして得られた多孔膜を有するセパレータを用いたこと以外、比較例1と同様にして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(B) Battery assembly The raw material paste for the porous film was applied to both sides of the separator made of a microporous sheet and dried to form a porous film having a thickness of 5 μm per side adhered to the surface of the separator. A cylindrical lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the separator having the porous film thus obtained was used.
以下に、AKP50(α−アルミナ)の物性を示す。
〈1〉表面の塩基性:pH=9
〈2〉BET比表面積:約10m2/g
〈3〉耐熱性:250℃以上
以上のように、AKP50に付いてはpH=9であったことから、AKP50が表面に塩基性サイトを有していることが確認された。また、α−アルミナの耐熱性は250℃以上であることが知られている。
The physical properties of AKP50 (α-alumina) are shown below.
<1> Surface basicity: pH = 9
<2> BET specific surface area: about 10 m 2 / g
<3> Heat resistance: 250 ° C. or higher As described above, since AKP50 had pH = 9, it was confirmed that AKP50 has a basic site on the surface. Moreover, it is known that the heat resistance of α-alumina is 250 ° C. or higher.
以下に、BM−720H(アクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子)の物性を示す。
〈1〉結晶融点:なし(非結晶性)
〈2〉分解開始温度:320℃
〈3〉熱変形開始温度:320℃
〈4〉水との親和性:非水溶性
〈5〉pH:6
The physical properties of BM-720H (rubbery polymer containing acrylonitrile units) are shown below.
<1> Crystal melting point: None (non-crystalline)
<2> Decomposition start temperature: 320 ° C
<3> Thermal deformation start temperature: 320 ° C
<4> Affinity with water: water-insoluble <5> pH: 6
《比較例3》
比較例2で調製したのと同じ多孔膜の原料ペーストを、正極フープの両面に塗布し、乾燥して、正極の表面に接着された片面あたりの厚さが5μmの多孔膜を形成した。こうして得られた多孔膜を有する正極を用いたこと以外、比較例1と同様にして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
<< Comparative Example 3 >>
The same raw material paste having the same porous film as that prepared in Comparative Example 2 was applied to both sides of the positive electrode hoop and dried to form a porous film having a thickness of 5 μm per side adhered to the surface of the positive electrode. A cylindrical lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the positive electrode having the porous film thus obtained was used.
《実施例1》
(a)アクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子からなり、酸性基を有する膜結着剤の調製
日本ゼオン(株)製のBM−720Hに、水酸基を多く含むポリエーテルサルホン(PES)を添加し、十分に混合した。PESは耐熱性を有する直線高分子であり、結晶融点は225℃、熱分解開始温度は270℃、熱変形開始温度は265℃である。ここでは、PESとして住友化学工業(株)製のスミカエクセル5003Pを用いた。BM−720H中のアクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子と、PESとの重量比は、15:5とした。得られた複合物(PES/BM−720H)からなる膜結着剤のpHは5.7であった。
Example 1
(A) Preparation of a membrane binder comprising an acrylonitrile unit and containing an acidic group Polyethersulfone (PES) rich in hydroxyl groups is added to BM-720H manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd. , Well mixed. PES is a linear polymer having heat resistance, a crystal melting point is 225 ° C., a thermal decomposition start temperature is 270 ° C., and a thermal deformation start temperature is 265 ° C. Here, Sumika Excel 5003P manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. was used as PES. The weight ratio of the rubbery polymer containing acrylonitrile units in BM-720H and PES was 15: 5. The pH of the membrane binder consisting of the obtained composite (PES / BM-720H) was 5.7.
(b)多孔膜の原料ペーストの調製
無機フィラーとしての住友化学工業(株)製のAKP50(メディアン径0.3μmのα−アルミナ)を980gと、酸性基を有する上記の膜結着剤(PES/BM−720H)を樹脂重量で20gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、多孔膜の原料ペーストを調製した。
(B) Preparation of raw material paste for porous membrane 980 g of AKP50 (α-alumina having a median diameter of 0.3 μm) manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. as an inorganic filler and the above-mentioned membrane binder (PES) having an acidic group / BM-720H) with a resin weight of 20 g and an appropriate amount of NMP were stirred in a double-arm kneader to prepare a raw material paste for a porous film.
(c)電池の組み立て
上記の多孔膜の原料ペーストを、正極フープの両面に塗布し、乾燥して、正極の表面に接着された片面あたりの厚さが5μmの多孔膜を形成した。こうして得られた多孔膜を有する正極を用いたこと以外、比較例1と同様にして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(C) Battery assembly The raw material paste for the porous film was applied to both sides of the positive electrode hoop and dried to form a porous film having a thickness of 5 μm per side adhered to the surface of the positive electrode. A cylindrical lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the positive electrode having the porous film thus obtained was used.
なお、本実施例では、α−アルミナ980gを、膜結着剤20gと混合しており、α−アルミナに対する膜結着剤の割合は、かなり小さくなっている。しかしながら、多孔膜の強度が低下することはなく、十分な強度を有していた。従って、極板の捲回工程において、多孔膜の一部に剥がれが生じることも無かった。このことからも、酸性基を有する膜結着剤を用いることにより、極めて高性能な多孔膜が得られることが理解できる。 In this example, 980 g of α-alumina is mixed with 20 g of the membrane binder, and the ratio of the membrane binder to α-alumina is considerably small. However, the strength of the porous membrane did not decrease, and it had sufficient strength. Therefore, no peeling occurred in a part of the porous film in the winding step of the electrode plate. Also from this, it can be understood that an extremely high performance porous membrane can be obtained by using a membrane binder having an acidic group.
《実施例2》
(a)会合点を有するアクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子からなり、酸性基を有する膜結着剤の調製
多孔膜ペースト中の結着剤において、ポリアクリロニトリル変性ゴムのモノマー部分子長を当該ゴムの単位長さ当たりの15%程度になるように調整した材料として会合点を有し、さらに水酸基を付与したゴム材料としてペースト作製を行った。
Example 2
(A) Preparation of a film binder having an acidic group and comprising an acrylonitrile unit having an association point and having an acidic group In the binder in the porous film paste, the molecular length of the monomer part of the polyacrylonitrile-modified rubber A paste was prepared as a rubber material having an association point as a material adjusted so as to be about 15% per unit length, and further provided with a hydroxyl group.
ここでは、会合点を有するゴム性状高分子に、水酸基を多く含むポリエーテルサルホン(PES)を添加し、十分に混合した。用いたPESは、耐熱性を有する直線高分子であり、結晶融点は225℃、熱分解開始温度は270℃、熱変形開始温度は265℃である。ここではPESとして住友化学工業(株)製のスミカエクセル5003Pを用いた。会合点を有するゴム性状高分子と、PESとの重量比は、15:5とした。
得られた複合物(PES/AN*)からなる膜結着剤のpHは5.8であり、結晶融点はなく、分解開始温度は340℃であり、熱変形開始温度は334℃であった。
Here, polyethersulfone (PES) containing a large amount of hydroxyl groups was added to the rubber-like polymer having an association point and sufficiently mixed. The PES used is a linear polymer having heat resistance, the crystal melting point is 225 ° C., the thermal decomposition start temperature is 270 ° C., and the thermal deformation start temperature is 265 ° C. Here, Sumika Excel 5003P manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. was used as PES. The weight ratio of the rubbery polymer having an association point to PES was 15: 5.
The obtained membrane binder made of the composite (PES / AN *) had a pH of 5.8, no crystal melting point, a decomposition start temperature of 340 ° C., and a thermal deformation start temperature of 334 ° C. .
(b)多孔膜の原料ペーストの調製
無機フィラーとしての住友化学工業(株)製のAKP50(メディアン径0.3μmのα−アルミナ)を970gと、酸性基と会合点を有する上記の膜結着剤(PES/AN*)を樹脂重量で30gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、多孔膜の原料ペーストを調製した。
(B) Preparation of porous membrane raw material paste 970 g of AKP50 (α-alumina having a median diameter of 0.3 μm) manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. as an inorganic filler, and the above-described membrane binding having an acidic group and an association point An agent (PES / AN *) 30 g by weight of resin and an appropriate amount of NMP were stirred with a double-arm kneader to prepare a raw material paste for a porous film.
(c)電池の組み立て
上記の多孔膜の原料ペーストを、正極フープの両面に塗布し、乾燥して、正極の表面に接着された片面あたりの厚さが5μmの多孔膜を形成した。こうして得られた多孔膜を有する正極を用いたこと以外、比較例1と同様にして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(C) Battery assembly The raw material paste for the porous film was applied to both sides of the positive electrode hoop and dried to form a porous film having a thickness of 5 μm per side adhered to the surface of the positive electrode. A cylindrical lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the positive electrode having the porous film thus obtained was used.
《実施例3〜9》
実施例2で調製したのと同じ多孔膜の原料ペーストを、負極フープ上に塗布し、乾燥して、片面あたり0.5μm(実施例3)、1μm(実施例4)、5μm(実施例5)、10μm(実施例6)、15μm(実施例7)、20μm(実施例8)または30μm(実施例9)の厚さの多孔膜を負極の表面に接着された状態で形成した。こうして得られた多孔膜を有する負極を用いたこと以外、比較例1と同様にして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
<< Examples 3 to 9 >>
The raw material paste of the same porous film as prepared in Example 2 was applied on the negative electrode hoop and dried, and 0.5 μm (Example 3), 1 μm (Example 4), and 5 μm (Example 5) per side. ) A porous film having a thickness of 10 μm (Example 6), 15 μm (Example 7), 20 μm (Example 8) or 30 μm (Example 9) was formed in a state of being adhered to the surface of the negative electrode. A cylindrical lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the negative electrode having the porous film thus obtained was used.
《実施例10〜15》
微多孔性シートからなるセパレータの厚さを、8μm(実施例10)、10μm(実施例11)、15μm(実施例12)、25μm(実施例13)、30μm(実施例14)または40μm(実施例15)としたこと以外、実施例5と同様にして、負極の表面に接着された多孔膜の厚みが片面あたり5μmである円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
<< Examples 10 to 15 >>
The thickness of the separator made of the microporous sheet is 8 μm (Example 10), 10 μm (Example 11), 15 μm (Example 12), 25 μm (Example 13), 30 μm (Example 14) or 40 μm (implemented). A cylindrical lithium ion secondary battery in which the thickness of the porous film adhered to the negative electrode surface was 5 μm per side was produced in the same manner as in Example 5 except that Example 15) was used.
《実施例16〜21》
(a)多孔膜の原料ペーストの調製
無機フィラーと膜結着剤との合計に占める無機フィラーの含有率を、30重量%(実施例16)、50重量%(実施例17)、70重量%(実施例18)、90重量%(実施例19)、95重量%(実施例20)または99重量%(実施例21)としたこと以外、実施例2と同様にして、多孔膜の原料ペーストを調製した。
<< Examples 16 to 21 >>
(A) Preparation of raw material paste for porous film The content of the inorganic filler in the total of the inorganic filler and the film binder was 30% by weight (Example 16), 50% by weight (Example 17), 70% by weight. (Example 18), 90 wt% (Example 19), 95 wt% (Example 20) or 99 wt% (Example 21) Was prepared.
(b)電池の組み立て
上記の多孔膜の原料ペーストを、負極フープの両面に塗布し、乾燥して、負極の表面に接着された片面あたりの厚さが5μmの多孔膜を形成した。こうして得られた多孔膜を有する負極を用いたこと以外、比較例1と同様にして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(B) Battery assembly The raw material paste for the porous film was applied to both sides of the negative electrode hoop and dried to form a porous film having a thickness of 5 μm per side adhered to the surface of the negative electrode. A cylindrical lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the negative electrode having the porous film thus obtained was used.
《比較例4》
(a)多孔膜の原料ペーストの調製
無機フィラーとしての住友化学工業(株)製のAKP50(メディアン径0.3μmのα−アルミナ)を970gと、水溶性のCMCを30gと、適量の水とを、双腕式練合機にて攪拌し、多孔膜の原料ペーストを調製した。
CMCは、結晶融点を有さず、非結晶性であり、分解開始温度は245℃であり、変形開始温度は198℃であった。
<< Comparative Example 4 >>
(A) Preparation of raw material paste for porous film 970 g of AKP50 (α-alumina having a median diameter of 0.3 μm) manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. as an inorganic filler, 30 g of water-soluble CMC, and an appropriate amount of water Was stirred with a double-arm kneader to prepare a raw material paste for a porous film.
CMC had no crystalline melting point, was amorphous, had a decomposition start temperature of 245 ° C., and a deformation start temperature of 198 ° C.
(b)電池の組み立て
上記の多孔膜の原料ペーストを、負極フープの両面に塗布し、乾燥して、負極の表面に接着された片面あたりの厚さが5μmの多孔膜を形成した。こうして得られた多孔膜を有する負極を用いたこと以外、比較例1と同様にして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(B) Battery assembly The raw material paste for the porous film was applied to both sides of the negative electrode hoop and dried to form a porous film having a thickness of 5 μm per side adhered to the surface of the negative electrode. A cylindrical lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the negative electrode having the porous film thus obtained was used.
《比較例5》
(a)多孔膜の原料ペーストの調製
無機フィラーとしての住友化学工業(株)製のAKP50(メディアン径0.3μmのα−アルミナ)を970gと、非水溶性のPVDFを30gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、多孔膜の原料ペーストを調製した。
PVDFの結晶融点は174℃であり、分解開始温度は360℃であり、熱変形開始温度は153℃であった。
<< Comparative Example 5 >>
(A) Preparation of raw material paste of porous film 970 g of AKP50 (α-alumina having a median diameter of 0.3 μm) manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. as an inorganic filler, 30 g of water-insoluble PVDF, and an appropriate amount of NMP And a two-arm kneader to prepare a raw material paste for a porous film.
The crystal melting point of PVDF was 174 ° C., the decomposition start temperature was 360 ° C., and the thermal deformation start temperature was 153 ° C.
(b)電池の組み立て
上記の多孔膜の原料ペーストを、負極フープの両面に塗布し、乾燥して、負極の表面に接着された片面あたりの厚さが5μmの多孔膜を形成した。こうして得られた多孔膜を有する負極を用いたこと以外、比較例1と同様にして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(B) Battery assembly The raw material paste for the porous film was applied to both sides of the negative electrode hoop and dried to form a porous film having a thickness of 5 μm per side adhered to the surface of the negative electrode. A cylindrical lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the negative electrode having the porous film thus obtained was used.
《実施例22》
(a)多孔膜の原料ペーストの調製
AKP50(α−アルミナ)の代わりに、同様のメディアン径を有するチタニア(酸化チタン)を用いたこと以外、実施例2と同様にして、多孔膜の原料ペーストを調製した。すなわち、無機フィラーとしてのチタニアを970gと、実施例2で調製したのと同じ膜結着剤を樹脂重量で30gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、多孔膜の原料ペーストを調製した。
チタニアには、富士チタン工業(株)製のTA300(アナターゼ型)を用いた。チタニアのBET比表面積は8m2/g、チタニア表面のpH=8であった。
Example 22
(A) Preparation of Porous Film Raw Material Paste Porous film raw material paste in the same manner as in Example 2 except that titania (titanium oxide) having the same median diameter was used instead of AKP50 (α-alumina). Was prepared. That is, 970 g of titania as an inorganic filler, 30 g of the same membrane binder prepared in Example 2 as a resin weight, and an appropriate amount of NMP were stirred with a double-arm kneader to obtain a porous membrane. A raw material paste was prepared.
As titania, TA300 (anatase type) manufactured by Fuji Titanium Industry Co., Ltd. was used. The titania BET specific surface area was 8 m 2 / g, and the titania surface had pH = 8.
(b)電池の組み立て
上記の多孔膜の原料ペーストを、負極フープの両面に塗布し、乾燥して、負極の表面に接着された片面あたりの厚さが5μmの多孔膜を形成した。こうして得られた多孔膜を有する負極を用いたこと以外、比較例1と同様にして、円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(B) Battery assembly The raw material paste for the porous film was applied to both sides of the negative electrode hoop and dried to form a porous film having a thickness of 5 μm per side adhered to the surface of the negative electrode. A cylindrical lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the negative electrode having the porous film thus obtained was used.
《比較例6》
(a)負極の作製
負極結着剤としてのBM400Bと増粘剤としてのCMCの代わりに、PVDFを用いたこと以外、比較例1と同様にして、負極を作製した。すなわち、人造黒鉛3kgと、負極結着剤としてのPVDFを240g(人造黒鉛に対して8重量%)と、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤ペーストを調製した。このペーストを用いたこと以外、比較例1と同様にして、負極を作製した。ここで、PVDFには、正極結着剤として用いたPVDF#1320を用いた。以上の他は、実施例5と同様にして、負極の表面に接着された多孔膜の厚みが片面あたり5μmである円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
<< Comparative Example 6 >>
(A) Production of negative electrode A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that PVDF was used instead of BM400B as a negative electrode binder and CMC as a thickener. That is, 3 kg of artificial graphite, 240 g of PVDF as a negative electrode binder (8% by weight with respect to artificial graphite), and an appropriate amount of NMP were stirred with a double-arm kneader to prepare a negative electrode mixture paste. Prepared. A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that this paste was used. Here, PVDF # 1320 used as a positive electrode binder was used for PVDF. Other than the above, a cylindrical lithium ion secondary battery in which the thickness of the porous film adhered to the negative electrode surface was 5 μm per side was produced in the same manner as in Example 5.
ここで、無機フィラーの物性評価方法について説明する。
[1]無機フィラーのpH
pH測定には、煮沸抽出ガラス電極測定法を用い、JIS R6129−1976およびJIS28802−1984に基づいて測定を実施した。また、大塚電子(株)のELS−8000(pHタイトレーション装置)によるpH測定も実施した。
Here, the physical property evaluation method of an inorganic filler is demonstrated.
[1] pH of inorganic filler
For the pH measurement, a boiling extraction glass electrode measurement method was used, and the measurement was performed based on JIS R6129-1976 and JIS28802-1984. Moreover, pH measurement by ELS-8000 (pH titration apparatus) of Otsuka Electronics Co., Ltd. was also implemented.
[2]無機フィラーのBET比表面積
BET比表面積の測定は、直読式比表面積測定装置を用いて、BET一点法に基づいて実施した。まず、0.5〜1gの無機フィラーの試料をガラスセルに入れ、窒素とヘリウムの混合キャリアガス(体積比N2:He=30:70)流通下で、250℃で20〜30分間クリーニングを実施した。次いで、液体窒素で無機フィラーの試料を冷却しながら、キャリアガス中のN2を吸着させた。その後、無機フィラーの試料を室温まで昇温させ、N2の脱着量を熱伝導型検出器で検出し、脱着量に対応する表面積と測定後の試料質量とから、比表面積を算出した。算出には、ユアサアイオニクス(株)製のNOVA2000を用いた。
[2] BET specific surface area of inorganic filler The BET specific surface area was measured based on the BET one-point method using a direct reading specific surface area measuring device. First, a sample of 0.5 to 1 g of an inorganic filler is placed in a glass cell, and cleaning is performed at 250 ° C. for 20 to 30 minutes under the flow of a mixed carrier gas of nitrogen and helium (volume ratio N 2 : He = 30: 70). Carried out. Next, N 2 in the carrier gas was adsorbed while cooling the inorganic filler sample with liquid nitrogen. Thereafter, the temperature of the inorganic filler sample was raised to room temperature, the desorption amount of N 2 was detected with a heat conduction detector, and the specific surface area was calculated from the surface area corresponding to the desorption amount and the measured sample mass. For the calculation, NOVA2000 manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd. was used.
[3]無機フィラーの耐熱性
無機フィラーの試料の示差走査熱量測定(DSC:differential scanning calorimetry)および熱重量測定−示差熱分析(TG−DTA:thermogravimetry-differential thermal analysis)を行い、DSC測定における変曲点の温度もしくはTG−DTA測定における重量変化の始点の温度により耐熱性を評価した。
[3] Heat resistance of inorganic filler Perform differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetry-differential thermal analysis (TG-DTA) of a sample of inorganic filler, and change in DSC measurement. The heat resistance was evaluated by the temperature of the bending point or the temperature of the starting point of the weight change in the TG-DTA measurement.
ここで、膜結着剤の物性評価方法について説明する。
[4]膜結着剤の結晶融点もしくは分解開始温度
樹脂材料の試料のDSC測定およびTG−DTA測定を行い、DSC測定における変曲点の温度もしくはTG−DTA測定における重量変化の始点の温度を、結晶融点もしくは分解開始温度とした。
Here, a method for evaluating physical properties of the membrane binder will be described.
[4] Crystal melting point or decomposition start temperature of membrane binder Perform DSC measurement and TG-DTA measurement of a sample of resin material, and determine the temperature at the inflection point in DSC measurement or the temperature at the start of weight change in TG-DTA measurement. Crystal melting point or decomposition start temperature.
[5]膜結着剤の熱変形開始温度
熱膨張測定装置(理学電機(株)製の8141H)により、膜結着剤の試料の熱膨張測定を行い、寸法変化が初期の10%になった温度を熱変形開始温度とした。
[5] Thermal deformation start temperature of the membrane binder The thermal expansion of the membrane binder sample was measured by a thermal expansion measuring device (8141H manufactured by Rigaku Corporation), and the dimensional change became 10% of the initial value. This temperature was taken as the thermal deformation start temperature.
[6]膜結着剤と水との親和性
常温常圧下で、水に対する膜結着剤の溶解度を測定し、溶解度が1重量%以下の場合を、「非水溶性」であると判断した。
[6] Affinity between membrane binder and water The solubility of the membrane binder in water was measured at normal temperature and pressure, and when the solubility was 1% by weight or less, it was judged to be “water-insoluble”. .
[6]膜結着剤のpH
NMPに膜結着剤の試料を溶解もしくは分散させ、得られた試料液のpHをpH測定装置により測定した。
[6] pH of membrane binder
A sample of the membrane binder was dissolved or dispersed in NMP, and the pH of the obtained sample solution was measured with a pH measuring device.
多孔膜の構成を表1にまとめて示す。また、セパレータの厚みと負極結着剤の種類を表2にまとめて示す。 The structure of the porous membrane is summarized in Table 1. Table 2 summarizes the thickness of the separator and the type of the negative electrode binder.
次に、作製した電池を以下に示す方法で評価した。
[多孔膜の密着性]
正極、負極またはセパレータ上に塗布後、乾燥して、得られた直後の多孔膜の状態を目視観察した。欠け、クラックもしくは脱落の痕跡が見られず、状態が良好なものを「OK」として表2中に示す。
Next, the produced battery was evaluated by the following method.
[Porosity adhesion]
After coating on the positive electrode, negative electrode or separator, it was dried, and the state of the porous film immediately after obtained was visually observed. Table 2 shows that “OK” indicates that there is no trace of chipping, cracking, or dropout, and the state is good.
[負極外観]
負極上に多孔膜の原料ペーストを塗布後、乾燥して、多孔膜が形成された直後の負極の状態を目視観察した。寸法変化などの不具合が見られたものを「変化あり」、その他を「変化なし」として表2中に示す。
[Negative electrode appearance]
After applying the raw material paste for the porous film on the negative electrode, it was dried and the state of the negative electrode immediately after the porous film was formed was visually observed. Table 2 shows a case where a defect such as a dimensional change is observed as “changed” and the other as “no change”.
[多孔膜の柔軟性]
正極と負極とを、微多孔性シートからなるセパレータを介して捲回する際、正極、負極およびセパレータのいずれかに形成された多孔膜の主に巻芯近くの状態を目視観察した。各電池に付き、10個ずつ捲回極板群を作製し、捲回によって欠け、クラックもしくは脱落が生じた極板群の数量を表2中に示す。
[Porosity of porous membrane]
When the positive electrode and the negative electrode were wound through a separator made of a microporous sheet, the state of the porous film formed on any one of the positive electrode, the negative electrode, and the separator was mainly visually observed. Table 2 shows the number of wound electrode plates each having 10 pieces attached to each battery, and the number of electrode plates that were chipped, cracked or dropped out by winding.
[電池設計容量]
電池ケースの直径18mmに対し、捲回極板群の直径は、挿入性を重視して16.5mmとした。この場合において、正極活物質1gあたりの容量を142mAhとして、正極重量から電池設計容量を求め、表3中に示す。
[Battery design capacity]
The diameter of the wound electrode plate group was set to 16.5 mm with emphasis on the insertability with respect to the battery case diameter of 18 mm. In this case, assuming that the capacity per 1 g of the positive electrode active material is 142 mAh, the battery design capacity is obtained from the weight of the positive electrode and is shown in Table 3.
[電池の充放電特性]
捲回による欠け、クラックもしくは脱落のない極板群を具備する完成した電池に対し、2度の予備充放電を行い、45℃環境下で7日間保存した。その後、20℃環境下で、以下の2パターンの充放電を行った。
[Battery charge / discharge characteristics]
The completed battery having the electrode plate group free from chipping, cracking, or falling off by winding was subjected to pre-charging / discharging twice and stored at 45 ° C. for 7 days. Thereafter, the following two patterns of charging and discharging were performed in a 20 ° C. environment.
(1)第1パターン
定電流充電:1400mA(終止電圧4.2V)
定電圧充電:4.2V(終止電流100mA)
定電流放電:400mA(終止電圧3V)
(2)第2パターン
定電流充電:1400mA(終止電圧4.2V)
定電圧充電:4.2V(終止電流100mA)
定電流放電:4000mA(終止電圧3V)
このときの充放電容量を表3中に示す。
(1) First pattern constant current charge: 1400 mA (end voltage 4.2 V)
Constant voltage charge: 4.2V (end current 100mA)
Constant current discharge: 400mA (end voltage 3V)
(2) Second pattern constant current charge: 1400 mA (end voltage 4.2 V)
Constant voltage charge: 4.2V (end current 100mA)
Constant current discharge: 4000 mA (final voltage 3 V)
The charge / discharge capacity at this time is shown in Table 3.
[釘刺し安全性]
充放電特性を評価後の電池について、以下の充電を行った。
定電流充電:1400mA(終止電圧4.25V)
定電圧充電:4.25V(終止電流100mA)
充電後の電池に対して、その側面から、2.7mm径の鉄製丸釘を、20℃環境下で、5mm/秒または180mm/秒の速度で貫通させ、そのときの発熱状態を観測した。電池の貫通箇所における1秒後および90秒後の到達温度を表3中に示す。
[Nail penetration safety]
The battery after evaluation of charge / discharge characteristics was charged as follows.
Constant current charging: 1400mA (end voltage 4.25V)
Constant voltage charge: 4.25V (end current 100mA)
From the side of the battery after charging, an iron round nail having a diameter of 2.7 mm was penetrated at a speed of 5 mm / second or 180 mm / second in a 20 ° C. environment, and the heat generation state at that time was observed. Table 3 shows the temperatures reached after 1 second and 90 seconds after the battery penetration.
[保存特性]
比較例3、実施例1および実施例2の電池について、保存特性を評価した。すなわち、各電池に対して、2度の予備充放電を行った後、60℃環境下で、電池を20日間保存した。その後、20℃環境下で、以下の2パターンの充放電を行った。
[Storage characteristics]
The storage characteristics of the batteries of Comparative Example 3, Example 1, and Example 2 were evaluated. That is, after performing preliminary charging / discharging twice for each battery, the battery was stored in a 60 ° C. environment for 20 days. Thereafter, the following two patterns of charging and discharging were performed in a 20 ° C. environment.
(1)第1パターン
定電流充電:1400mA(終止電圧4.2V)
定電圧充電:4.2V(終止電流100mA)
定電流放電:400mA(終止電圧3V)
(2)第2パターン
定電流充電:1400mA(終止電圧4.2V)
定電圧充電:4.2V(終止電流100mA)
定電流放電:4000mA(終止電圧3V)
このときの充放電容量を表4中に示す。
(1) First pattern constant current charge: 1400 mA (end voltage 4.2 V)
Constant voltage charge: 4.2V (end current 100mA)
Constant current discharge: 400mA (end voltage 3V)
(2) Second pattern constant current charge: 1400 mA (end voltage 4.2 V)
Constant voltage charge: 4.2V (end current 100mA)
Constant current discharge: 4000 mA (final voltage 3 V)
The charge / discharge capacity at this time is shown in Table 4.
以下、評価結果について説明する。
(1)多孔膜の接着箇所について
多孔膜が存在しない比較例1では、釘刺し速度の如何に関わらず、1秒後の発熱が顕著である。これに対し、多孔膜を正極または負極上に形成した比較例3および各実施例では、釘刺し後の発熱が大幅に抑制されている。
Hereinafter, the evaluation results will be described.
(1) About the adhesion | attachment location of a porous film In the comparative example 1 without a porous film, the heat_generation | fever after 1 second is remarkable regardless of the nail penetration speed. On the other hand, in Comparative Example 3 and each example in which the porous film was formed on the positive electrode or the negative electrode, heat generation after nail penetration was significantly suppressed.
全ての釘刺し試験後の電池を分解して調べたところ、全ての電池においてセパレータが広範囲に及んで溶融していた。ただし、各実施例については、多孔膜がその原形を留めていた。このことから、多孔膜の耐熱性が十分である場合、釘刺し後に起こる短絡による発熱に対して膜構造は破壊されず、短絡箇所の拡大を抑止でき、過剰な発熱を防げるものと考えられる。 When all the batteries after the nail penetration test were disassembled and examined, the separators were melted over a wide range in all the batteries. However, for each example, the porous membrane retained its original shape. From this, it is considered that when the heat resistance of the porous film is sufficient, the film structure is not destroyed with respect to the heat generated by the short circuit that occurs after nail penetration, the expansion of the short-circuited portion can be suppressed, and the excessive heat generation can be prevented.
一方、多孔膜をセパレータ上に形成した比較例2では、釘刺し速度が遅い場合に発熱が促進されていることがわかる。比較例2の電池を分解して調べたところ、前述したセパレータの溶融に伴い、多孔膜も変形していることが確認できた。如何に多孔膜自身に耐熱性があっても、多孔膜と接着したセパレータが収縮もしくは溶融を起こすとき、セパレータの形状変化に多孔膜が追従し、多孔膜が破損するものと考えられる。 On the other hand, in Comparative Example 2 in which the porous film is formed on the separator, it can be seen that heat generation is promoted when the nail penetration speed is low. When the battery of Comparative Example 2 was disassembled and examined, it was confirmed that the porous film was also deformed as the separator was melted. Regardless of the heat resistance of the porous film itself, it is considered that when the separator adhered to the porous film contracts or melts, the porous film follows the change in shape of the separator, and the porous film is damaged.
(2)釘刺し試験について
釘刺しによる発熱の原因については、過去の実験結果から、以下のように説明できる。
釘刺しにより、正極と負極とが接触(短絡)すると、ジュール熱が発生する。そして、ジュール熱によって耐熱性の低い材料(セパレータ)が溶融し、強固な短絡部を形成する。その結果、ジュール熱の発生が継続し、正極が熱的に不安定となる温度領域(160℃以上)にまで昇温される。こうして熱暴走が引き起こされる。
(2) About the nail penetration test The cause of the heat generated by the nail penetration can be explained as follows from the past experimental results.
When the positive electrode and the negative electrode come into contact (short circuit) by nail penetration, Joule heat is generated. Then, the low heat resistance material (separator) is melted by Joule heat to form a strong short-circuit portion. As a result, generation of Joule heat continues and the temperature is raised to a temperature range (160 ° C. or higher) where the positive electrode becomes thermally unstable. This causes a thermal runaway.
釘刺し速度を減じた場合には、局部的な発熱の促進が観察できた。釘刺し速度を減じて、単位時間当りの短絡面積を限定した場合、相当の熱量が限定箇所に集中することになる。そのため、正極が熱的に不安定になる温度領域に到達するのが早まるものと考えられる。
一方、釘刺し速度を増して、単位時間当りの短絡面積を拡大した場合、熱が大面積に分散されることになる。そのため、正極が熱的に不安定になる温度領域に達しにくくなると考えられる。
When the nail penetration speed was reduced, local enhancement of fever could be observed. When the nail penetration speed is reduced and the short-circuit area per unit time is limited, a considerable amount of heat is concentrated in the limited part. For this reason, it is considered that the positive electrode reaches a temperature range where it becomes thermally unstable.
On the other hand, when the nail penetration speed is increased and the short-circuit area per unit time is expanded, heat is dispersed over a large area. Therefore, it is thought that it becomes difficult to reach the temperature region where the positive electrode becomes thermally unstable.
(3)多孔膜の厚みについて
多孔膜層の厚みが大きすぎる実施例9では、極板群を構成する極板の長さが短くなることから、設計容量が低下しており、高率放電での容量も低下している。従って、本発明の効果を十分に得るためには、多孔膜の厚みを0.5〜20μmとすることが望ましい。
(3) Thickness of porous membrane In Example 9 where the thickness of the porous membrane layer is too large, the design capacity is reduced because the length of the electrode plate constituting the electrode plate group is shortened, and high rate discharge is performed. The capacity has also declined. Therefore, in order to sufficiently obtain the effects of the present invention, it is desirable that the thickness of the porous film is 0.5 to 20 μm.
(4)セパレータの厚みについて
セパレータの厚みが大きすぎる実施例15では、極板群を構成する極板の長さが短くなることから、設計容量が大幅に低下しており、高率放電での容量も低下している。従って、本発明の効果を十分に得るには、セパレータの厚みを8〜30μmとすることが望ましい。
(4) About the thickness of the separator In Example 15 where the thickness of the separator is too large, the design capacity is greatly reduced because the length of the electrode plate constituting the electrode plate group is shortened. The capacity is also decreasing. Therefore, in order to sufficiently obtain the effects of the present invention, it is desirable that the thickness of the separator is 8 to 30 μm.
(5)多孔膜における無機フィラーの含有率について
無機フィラーと膜結着剤との合計に占める無機フィラーの含有率が少ない(膜結着剤が多い)実施例16では、高率放電での容量の低下が見られる。これは、膜結着剤が過剰なため、フィラー粒子の隙間が十分に確保できなくなり、多孔膜のイオン導電性が低下したためと考えられる。従って、本発明の効果を十分に得るするには、無機フィラーの含有率を50〜99重量%とすることが望ましい。
(5) About the content of the inorganic filler in the porous film In Example 16, the content of the inorganic filler in the total of the inorganic filler and the film binder is small (the film binder is large). Decrease is observed. This is presumably because the gap between filler particles cannot be secured sufficiently because the membrane binder is excessive, and the ionic conductivity of the porous membrane is reduced. Therefore, in order to sufficiently obtain the effects of the present invention, the content of the inorganic filler is desirably 50 to 99% by weight.
(6)多孔膜中の膜結着剤の種類について
膜結着剤として、CMCを用いた比較例4およびPVDFを用いた比較例5では、釘刺し速度を減じたときに、発熱を抑止することができていない。これらの電池を分解して調べたところ、セパレータのみならず、多孔膜も変形していることが確認できた。
(6) Types of membrane binder in the porous membrane In Comparative Example 4 using CMC and Comparative Example 5 using PVDF as the membrane binder, heat generation is suppressed when the nail penetration speed is reduced. I can't. When these batteries were disassembled and examined, it was confirmed that not only the separator but also the porous film was deformed.
比較例4では、短絡によるジュール熱により、CMC(変形開始温度198℃)が変形して、多孔膜の変形が起こったものと考えられる。また、比較例5では、PVDF(結晶融点174℃)の溶融により、多孔膜の変形が起こったものと考えられる。さらに、比較例4および5では、釘の貫通により、強固な短絡箇所が形成され、発熱を抑止できなかったものと考えられる。 In Comparative Example 4, it is considered that deformation of the porous film occurred due to deformation of CMC (deformation start temperature 198 ° C.) due to Joule heat due to short circuit. In Comparative Example 5, it is considered that the porous film was deformed by melting PVDF (crystal melting point 174 ° C.). Further, in Comparative Examples 4 and 5, it is considered that a strong short-circuit portion was formed by the penetration of the nail, and heat generation could not be suppressed.
従って、多孔膜には、それ自身の焼失や溶融もしくは変形が起こりにくい膜結着剤、具体的には200℃未満の結晶融点を有さず、200℃以上の熱変形開始温度および分解開始温度を有する膜結着剤を、少なくとも1種用いることが必須となる。表1の結果からは、非結晶性で耐熱性が高いアクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子(熱分解開始温度320〜340℃、熱変形開始温度320〜334℃)を好ましく用い得ることが理解できる。 Therefore, the porous membrane does not have its own film binder that hardly burns down or melts or deforms. Specifically, it does not have a crystal melting point of less than 200 ° C., and has a thermal deformation start temperature and a decomposition start temperature of 200 ° C. or higher. It is essential to use at least one membrane binder having From the results of Table 1, it can be understood that a rubbery polymer (thermal decomposition start temperature 320 to 340 ° C., heat deformation start temperature 320 to 334 ° C.) containing an acrylonitrile unit that is amorphous and has high heat resistance can be preferably used. .
アクリロニトリル単位を含むゴム性状高分子は、ゴム弾性を有する。この性質は、捲回極板群の構成おいて非常に有利に働くことになる。例えば、膜結着剤がゴム弾性を有する実施例では、捲回後の多孔膜は形状を十分に保持しており、不良無しとなっている。一方、比較例4および5では、多孔膜の柔軟性の評価において、多くの不良が発生している。 The rubbery polymer containing acrylonitrile units has rubber elasticity. This property is very advantageous in the configuration of the wound electrode group. For example, in an embodiment in which the membrane binder has rubber elasticity, the wound porous membrane has a sufficient shape and has no defects. On the other hand, in Comparative Examples 4 and 5, many defects occurred in the evaluation of the flexibility of the porous film.
(7)膜結着剤中の酸性基の有無について
比較例2〜3で述べたように、膜結着剤が酸性基を有さない場合、多孔膜における無機フィラーの含有率が97重量%をこえると、多孔膜の生産歩留まりが低下した。一方、酸性基を有する膜結着剤を用いた各実施例によれば、実施例1で述べたように、多孔膜における無機フィラーの含有率が97重量%をこえた場合でも、生産歩留まりが良く、電池特性も良好である。さらに、膜結着剤が会合点を有する樹脂材料からなり、かつ酸性基を有する実施例2においては、保存特性が向上している(表4参照)。従って、電池の寿命を延ばすことができると考えられる。
(7) Presence or absence of acidic groups in membrane binder As described in Comparative Examples 2-3, when the membrane binder has no acidic groups, the content of the inorganic filler in the porous membrane is 97% by weight. Above this, the production yield of the porous membrane decreased. On the other hand, according to each example using the membrane binder having an acidic group, as described in Example 1, even when the content of the inorganic filler in the porous membrane exceeds 97% by weight, the production yield is increased. Good and battery characteristics are also good. Furthermore, in Example 2 where the membrane binder is made of a resin material having an association point and has an acidic group, the storage characteristics are improved (see Table 4). Therefore, it is considered that the life of the battery can be extended.
また、実施例1では、多孔膜における膜結着剤の含有率が2重量%と少ないため、リチウムイオンの移動に対する抵抗が小さいと考えられる。従って、高率(ハイレート)での放電特性は、良好な値を示している。さらに、実施例1では多孔膜の空隙が多く確保されていると考えられ、電解液の浸透性が良いことが明らかとなった。例えば、実施例1と比較例1とで、電解液の注液時間を比較すると、比較例1に比べて実施例1では時間が約1/5となった。 Moreover, in Example 1, since the content rate of the film | membrane binder in a porous membrane is as small as 2 weight%, it is thought that the resistance with respect to a movement of lithium ion is small. Therefore, the discharge characteristic at a high rate (high rate) shows a good value. Furthermore, in Example 1, it is thought that many voids of the porous film are secured, and it was revealed that the permeability of the electrolytic solution is good. For example, when the injection time of the electrolytic solution was compared between Example 1 and Comparative Example 1, the time was about 1/5 in Example 1 compared to Comparative Example 1.
(8)負極外観について
比較例4では、多孔膜の形成後に、負極の変形による外観不良が見られた。これは前述のように、負極中の増粘剤が、乾燥前の多孔膜中に含まれる水により、膨潤した結果であると考えられる。このような歩留の低い生産を回避するためには、多孔膜には非水溶性の膜結着剤を用い、多孔膜の原料ペーストの分散媒として水を用いないことが必須となる。より一般的には、負極活物質層の原料ペースト(負極ペースト)で用いる分散媒とは異なる分散媒を用いて、多孔膜を形成することが必須であるといえる。
(8) Negative electrode appearance In Comparative Example 4, a poor appearance due to deformation of the negative electrode was observed after the formation of the porous film. As described above, this is considered to be a result of the thickener in the negative electrode being swollen by water contained in the porous film before drying. In order to avoid such a low yield production, it is essential to use a water-insoluble film binder for the porous film and not use water as a dispersion medium for the raw material paste of the porous film. More generally, it can be said that it is essential to form a porous film using a dispersion medium different from the dispersion medium used in the raw material paste (negative electrode paste) of the negative electrode active material layer.
(9)無機フィラーの種類について
無機フィラーとして、α−アルミナの代わりに、チタニアを用いた実施例22では、チタニアがα−アルミナとほぼ同様の諸機能を果たすことが確認できた。
(9) Types of inorganic filler In Example 22 in which titania was used instead of α-alumina as the inorganic filler, it was confirmed that titania performed almost the same functions as α-alumina.
(10)負極の構成について
比較例6に示すように、負極結着剤としてPVDFを用いると、負極結着剤の含有量が多くならざるを得ず、負極のリチウムイオン受入れ性が低下し、充電容量が漸減する。また、PVDFの性質に由来して、負極板が硬くなり、多孔膜の柔軟性を活かすことができない。従って、SBRのようにゴム弾性を有し、少量でも十分な粘着性を負極活物質層に与え得る負極結着剤を、水溶性の増粘剤(CMCなど)と併用することが望ましい。
(10) About the configuration of the negative electrode As shown in Comparative Example 6, when PVDF is used as the negative electrode binder, the content of the negative electrode binder must be increased, and the lithium ion acceptability of the negative electrode is reduced. Charge capacity gradually decreases. In addition, the negative electrode plate becomes hard due to the properties of PVDF, and the flexibility of the porous film cannot be utilized. Therefore, it is desirable to use in combination with a water-soluble thickener (such as CMC) a negative electrode binder that has rubber elasticity, such as SBR, and can provide sufficient adhesion to the negative electrode active material layer even in a small amount.
以上のように、本発明によれば、高いリチウムイオン受入れ性を有する負極を用いる場合にも、負極の変形を防止することができる。また、本発明は、耐熱性に優れた多孔膜とシート状セパレータとを好ましい態様で併用することから、リチウムイオン二次電池の安全性を高めることが可能となる。また、本発明は、電池の内部抵抗の上昇や生産歩留まりの低下に対する改善策として有効である。さらに、本発明によれば、リチウムイオン二次電池の保存特性を高めることが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to prevent deformation of the negative electrode even when a negative electrode having high lithium ion acceptability is used. Moreover, since this invention uses together the porous film excellent in heat resistance, and a sheet-like separator in a preferable aspect, it becomes possible to improve the safety | security of a lithium ion secondary battery. In addition, the present invention is effective as an improvement measure against an increase in internal resistance of a battery and a decrease in production yield. Furthermore, according to the present invention, it is possible to improve the storage characteristics of the lithium ion secondary battery.
現在、各種用途において、リチウムイオン二次電池の安全性規格が厳しくなりつつある。そのような中で、釘刺し速度(短絡状態)の如何に関わらず、熱暴走を抑止することが可能である本発明は、極めて実用性が高いといえる。 Currently, in various applications, safety standards for lithium ion secondary batteries are becoming stricter. Under such circumstances, it can be said that the present invention capable of suppressing thermal runaway regardless of the nail penetration speed (short circuit state) is extremely practical.
Claims (10)
(b)リチウムイオンが出入り可能な負極、
(c)セパレータ、
(d)非水電解液、および
(e)前記正極および前記負極の少なくとも一方の表面に接着された多孔膜
を具備するリチウムイオン二次電池であって、
前記多孔膜が、無機フィラーおよび膜結着剤からなり、前記膜結着剤は、非水溶性であるとともに200℃未満の結晶融点を有さず、かつ200℃以上の熱変形開始温度および分解開始温度を有する樹脂材料からなり、前記膜結着剤は、酸性基を有し、
前記負極が、負極結着剤と増粘剤を含み、前記負極結着剤は、第1のゴム性状高分子からなり、前記増粘剤は、水溶性高分子からなるリチウムイオン二次電池。 (A) a positive electrode comprising a composite lithium oxide;
(B) a negative electrode through which lithium ions can enter and exit;
(C) separator,
(D) a non-aqueous electrolyte, and (e) a lithium ion secondary battery comprising a porous film adhered to at least one surface of the positive electrode and the negative electrode,
The porous membrane is composed of an inorganic filler and a membrane binder, and the membrane binder is water-insoluble and does not have a crystal melting point of less than 200 ° C., and has a thermal deformation start temperature and decomposition of 200 ° C. or more. Consisting of a resin material having an onset temperature, the membrane binder has an acidic group,
The lithium ion secondary battery, wherein the negative electrode includes a negative electrode binder and a thickener, the negative electrode binder is made of a first rubbery polymer, and the thickener is a water-soluble polymer.
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