JP5070659B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過充電時の高温環境下での安全性の高い非水電解質二次電池であって、詳しくは過充電時の安全性を向上させる添加剤及びセパレータを用いた非水電解液二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
非水電解質二次電池が、過充電時の高温環境下で安全性を保つ方法としては、大きく分けて組み込まれている安全装置を用いる方法と発電要素自体に耐過充電特性を付与する方法がある。さらに後者の発電要素自体に耐過充電特性を持たせる具体的な例として、セパレータの特性を改良する方法、電解液に耐過充電添加剤を添加する方法等が提案されている。
【0003】
従来、過充電時における安全性を向上させる構成として、非水電解質二次電池のセパレータに特有の機能であるセパレータのシャットダウン機能を利用した構成が広く用いられている。通常時、セパレータは正極、負極間の短絡防止の役割を担っているが、多孔質ポリオレフィン等を用いたセパレータは、外部短絡による過剰電流等により電池温度が著しく上昇した場合に多孔質セパレータが軟化することによって、実質的に無孔質となり電流を流させなくする、いわゆるシャットダウン機能を有している。
【0004】
シャットダウンが機能した後も電池温度が上昇した場合には、セパレータが溶融して大きく穴が開き、正極、負極間の短絡が生じる虞がある(以下、この現象をメルトダウンと称す)。このメルトダウンが生じる温度が高いほど、電池の安全性は高いと言える。しかし、シャットダウン機能を強化するために、熱溶融性を高めるとメルトダウン温度が低くなり、安全性は逆に下がるという相反する特性を有しており、これらを両立するセパレータが要望されている。
【0005】
一方、電解液に耐過充電添加剤を加える構成では、過充電時の安全性を向上させる様々な方法が提案されている。例えば、過充電時に添加剤が重合することにより電池の内部抵抗を高め、電池を過充電から保護する方法、過充電時にガスを発生し、所定内圧で作動する内部電気切断装置を確実に作動させる方法、あるいは過充電酷使時に導電性ポリマーを生成し、電池内部に短絡を発生、放電する方法がある。
【0006】
近年の開発競争により、非水電解質二次電池には高容量化が強く要望されている。高容量化は、電極の活物質の改良により高性能化している面もあるが、起電反応に寄与しない部材の容積を減少させ、限られた電池容器内に充填される実質的な活物質の量を多くすることで、高容量化がなされている。このため、正負極の集電体やセパレータの厚みは薄くなる傾向にある。セパレータが薄くなると、短絡などに対する安全性は悪くなる方向であるが、実質的な活物質の量が多くなるため、安全性に対する要求は逆に大きくなる。
【0007】
したがって、厚みの薄いセパレータを使用した電池が過充電状態に陥り、発熱により高温状態になった場合には、過充電状態を電気的に回避させる方法を採用するよりも、過充電状態を解消する方法を採用するのが効果的である。具体的には、前述した方法の中で、セパレータのシャットダウンや添加剤の過充電時に添加剤が重合することにより電池の内部抵抗を高くし、電池を過充電から保護する方法、及び過充電時にガスを発生し、所定内圧で作動する内部電気切断装置を確実に作動させる方法は、電池に印可される電流を制限、或いは遮断することで過充電状態が継続するのを回避している。これに対して、電池内部に短絡を発生させ自動放電する方法は電池内部で強制的に放電を行っており、電池内部の発電要素を過充電状態から脱却させる点から過充電状態を停止させる前述の方法に比べて好ましい。特に、角型電池などで所定内圧で作動する内部電気切断装置が設けられていない構成に過充電時にガス発生を生ずる添加剤を添加した場合には、電池容器の内圧上昇を招いてしまい、安全性の面で好ましくない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
前記各方法に基づく過充電保護において添加剤として芳香族添加剤を使用した場合、同一の添加剤であっても添加剤の添加量、電解質塩、非水溶媒及び他の構成要素との関係、さらにはこれらの劣化状態等といった種々の要因による影響を受け、過充電保護の作用は異なってしまう。例えば、過充電時に添加剤が重合することにより電池の内部抵抗を高くし、電池を過充電から保護する方法(特許第3061756号公報)、過充電時にガスを発生し、所定内圧で作動する内部電気切断装置を作動させる方法(特許第3061759号公報)、あるいは過充電酷使時に導電性ポリマーを生成し、強制的に放電させる方法(特開平10−321258号公報)が提案されている。したがって、芳香族添加剤を添加することにより、過充電時に導電性ポリマーが生じ、内部短絡で安全性を確保する作用に優先して、ガス発生もしくは電池の内部抵抗を高める作用が生じる虞があり、導電性ポリマーによる強制的な放電による過充電保護が確実に生ずるという信頼性の面で問題を有している。
【0009】
一方、セパレータの特性を利用した過充電保護の面では、セパレータの機械的な延伸方向の収縮率を小さくした積層多孔フィルムを用いる方法(特開平11−123799号公報)、高分子量ポリオレフィンを用い、105℃での熱処理後における面積収縮率が30%以下にあるセパレータを用いる方法(特開平12−239426号公報)が提案されている。これらの方法では、機械延伸された幅手方向の収縮率に関しては何ら触れられておらず、過充電に伴う高温環境下に電池が曝された場合、セパレータが前記幅手方向に大きく収縮し、極板の端辺が露出する虞があり、収縮率が過剰な場合には短絡の発生につながってしまう。そこで上述した延伸による開孔法に代えて相分離開孔法により作成されたセパレータでは、シャットダウン機能が生ずる温度以下において機械延伸された幅手方向の収縮率を25%以下としたセパレータを用いる方法(特開平11−322989号公報)が提案されているが、セパレータ孔径が大きいために膜厚が薄いセパレータでは常温での電池特性において電圧不良等が発生しやすい。
【0010】
本発明は前述した従来の問題点を解決し、好適な添加剤とセパレータを組み合わせて使用することにより、高温環境下での安全性に優れた高容量非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明の非水電解質二次電池は、非水電解質に芳香族添加剤を含有してなり、更に過充電時にセパレータに曝されると想定される高温及び応力を付加した直後において、機械延伸された幅方向の収縮率が12%から20%の範囲にあるセパレータを用いる、あるいは機械延伸された幅方向の収縮率が28%から35%の範囲にあり、且つ極板群を構成した状態で前記幅手方向をセパレータに比べて耐熱性を有する絶縁部材にて保持することを特徴とする。
【0012】
この構成によれば、セパレータは高温下で極板露出による電池内部ショートを防止し、芳香族添加剤と前述した特性パラメータを持つセパレータを組み合わせており、過充電時には重合した導電性ポリマーによってセパレータを貫通して内部短絡が起こり、過充電状態を解消するものであり、高容量で且つ信頼性に優れた非水電解質二次電池を提供することが可能になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本願の第1の発明に係る非水電解質二次電池は、正極と負極と非水溶媒に電解質塩を溶解した非水電解質とセパレータを備えた非水電解質二次電池であって、非水電解質は芳香族添加剤を混合してなり、前記セパレータとして機械延伸された長手方向(以下、この方向をMDとする)に25kg/cm2の引っ張り荷重を与えた状態において大気中120℃の温度で15分間保持した直後における機械延伸された幅手方向(以下、この方向をTDとする)における収縮率が12%から20%にあるセパレータを用いることを特徴とする。
【0014】
本発明に係るセパレータとしては大きなイオン透過度を持ち、適度な機械的強度がある電子絶縁性の微多孔性薄膜が用いられる。材質としては耐有機用材性と疎水性の観点とシャットダウン機能を持つ点から、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂の単独またはこれらを積層したものや混合・複合したものなどの多孔質ポリオレフィンを用いることが好ましい。
【0015】
また、本発明に係る添加剤としては芳香族化合物からなる添加剤であり、好ましいものとしてビフェニル、フラン、チオフェン及びこれらの誘導体がある。具体的には、ビフェニル、ピロール、N−メチルピロール、チオフェン、フラン、インドール、3−クロロチオフェン、3−ブロモチオフェン、3−フルオロチオフェン、1,2ジメトキシべンゼンや1−メチル−3−ピリジニウムテトラフルオロボーレートなどがある。これらのうちでも、電池の最大動作充電電圧以上で、電池が危険になる過充電電圧未満の電圧で重合する化合物が適当であり、この重合電位と電池作動下での安定性の点から、ビフェニル、フラン、インドール及び3−クロロチオフェンが、特に好ましい。
【0016】
本発明における正極は従来公知の構成であるが、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガンスピネルなどのリチウム含有複合酸化物を活物質とし、導電剤と結着剤を混合した合剤が集電体に塗工されて作製されている。
【0017】
本発明における負極には、主な活物質には天然黒鉛や人造黒鉛などの炭素が使われるが、その他にアルミニウムやアルミニウムを主体とする種々の合金や、酸化スズなどを初めとする種々の金属酸化物、金属窒化物など従来公知のものがあり、正極と同様に導電剤と結着剤を混合した合剤が集電体に塗工されて作製されている。
【0018】
非水電解質(以下電解液という)には、非水溶媒としてエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)等の環状カーボネート類やジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)などの鎖状カーボネート類の2種以上を混合したものが好ましい。また、電解質塩はLiPF6やLiBF4など従来公知のリチウム塩が使える。
【0019】
本発明の電池は、過充電時の高温環境下において芳香族添加剤及びセパレータによって内部短絡を生じせしめるものであり、この内部短絡のメカニズムは以下の通りである。
【0020】
過充電時に電池の電圧が最大動作電圧以上になると、芳香族添加剤が正極の表面で重合・成長し、抵抗値の高いポリマー層を形成する。さらに電圧が上昇すると前記ポリマー層は導電性高分子となる。過充電状態が継続すると、この導電性高分子はセパレータ細孔内部で生長し、ついには、貫通して負極に達し、内部短絡が起こる。この結果、本発明に係るセパレータ及び芳香族添加剤を用いた電池では、過充電過程の比較的早い段階から導電性高分子が形成され、正極と負極の充電深度が必要以上に過度な状態に到達しないことから、過充電時の危険性を抑制できる。
【0021】
尚、上述したメカニズムにおいて、芳香族添加剤が添加されていないか、添加量が0.1重量%未満の場合は、導電性高分子が十分成長しないうちに過充電状態が深刻な状態にまで進行してしまう。また、芳香族添加剤添加量が多い場合、例えば10重量%より大きい場合は、過充電状態の抑制効果は、発揮できるが、通常の電池特性、特に高温保存時の特性が劣化するため不適合である。
【0022】
さらに本発明者らが鋭意検討の結果、セパレータのTD収縮率に関しても好適な値が存在することを見出した。従来、TD収縮率に関しては常温域におけるセパレータ特性について検討がなされてきた。しかし、電池が過充電状態に陥った場合には電池自身の発熱により各構成要素は高温環境下に曝されるために常温域とは違った特性がセパレータに要求される。このような背景のもと、本発明者らは、高温環境下に想定される熱的及び物理的な付加した状態での評価が必要であるとの知見を得、予め定められた条件に保持した直後において以下の特性を有するセパレータが本発明の電池に好適であるとの結論に至った。
【0023】
そこで、セパレータに予め施す処理条件について説明する。電池の過充電状態における昇温機構は複雑であり、極板群内のセパレータにかかる応力の状態を正確にシミュレーションするのは困難である。特に、セパレータは同じ高温環境温度でもその時のセパレータにかかる応力により熱収縮の状況が変化する点も考慮することが肝要である。そこで、本発明者らは、再現性の高い処理条件としてセパレータの状態として、セパレータをMDに25kg/cm2の引っ張り荷重を与えた状態が好ましいことを見出した。通常、渦巻き状に捲回された極板群を作製する場合に、セパレータはある程度の張力を加えられて巻き取られている。つまり、MDに引っ張り荷重がかけられた状態で、捲回された極板群内に配置されている。
【0024】
一方、温度条件に関しては過充電時における電池の到達温度及び過充電状態に陥ってから導電性高分子によって過充電状態が解消するまでに要する時間を考慮する必要があり、本実施の形態では大気中120℃の温度で15分間保持するのが好適であるとの知見を得た。ここで、15分という時間は、セパレータがその温度でのTD収縮の変化が無くなる、つまり飽和に達するのに十分な時間という意味であり、これ以上の時間でもかまわないし、TD収縮が飽和に達していればこれ以下の時間でも良いが、再現性の高い保持時間としては15分が好適である。
【0025】
このように本発明におけるセパレータは、セパレータをMDに25kg/cm2の引っ張り荷重を与えた状態において大気中120℃の温度で15分間保持した直後(以下、この処理を熱処理とする)にTD収縮率を測定する事が好ましく、芳香族添加剤が、ビフェニル、フラン、インドール及び3−クロロチオフェンからなる群から選択される場合は、前記TD収縮率が12%から20%であることが非常に優れた効果を示す。
【0026】
熱処理後のTD収縮率が12%未満である場合はセパレータの製造上、突き刺し強度が弱くなり電池の絶縁不良が多くなる。また前途熱処理後のTD収縮率が25%を超えると過充電高温下で極板露出による内部ショートが起こり短絡電流が多くなり危険な状況になる。したがって、熱処理後のTD収縮率が12%から25%であることが好ましい。
【0027】
次に、本願の第2の発明に係る非水電解質二次電池は、正極と負極と非水溶媒に電解質塩を溶解した非水電解質とセパレータを備えた非水電解質二次電池であって、非水電解質は芳香族添加剤を混合してなり、前記セパレータとしてMDに25kg/cm2の引っ張り荷重を与えた状態において大気中120℃の温度で15分間保持した直後におけるTDと収縮率が28%から35%にあるセパレータを用い、さらにこのセパレータを正極、負極の間に配した極板群において、セパレータのTDをセパレータに比べて高い耐熱強度を有する絶縁部材にて保持されたことを特徴とする。
【0028】
この構成によれば、過充電に伴う高温環境に曝された際に本願の第1の発明と同様に芳香族添加剤とセパレータによる内部短絡が生じる。
【0029】
第2の発明に係るセパレータは、上述した第1の発明に係る電池に比べてTD収縮率が大きく設定されており、セパレータのMDに25kg/cm2に引っ張り荷重を与えた状態で大気中120℃の温度で15分間熱処理した後のTD収縮率26%から40%である。このため、電池が過充電状態に陥った際にセパレータの収縮度合いが第1の発明に係る電池に比べて大きくなる。しかしながら、セパレータを介して積層または捲回されてなる極板群のセパレータのTDをセパレータより耐熱強度の高い絶縁性膜で固定していることから、過充電時の高温下でセパレータの収縮による極板露出、及びこれに起因する電池内部ショートの発生を確実に防止できる。このように第2の発明に係る芳香族添加剤とセパレータを組み合わせることにより、過充電時には、重合した導電性ポリマーによってセパレータを貫通して内部短絡が起こり過充電状態を解消する。そのため高容量で信頼性に優れた非水電解質二次電池を提供することが可能になる。芳香族添加剤はビフェニル、フラン、インドール及び3−クロロチオフェンからなる群から選択されるものである場合、熱処理後のTD収縮率が28%から35%であることが、特に優れた効果を示す。
【0030】
熱処理後の収縮率が26%未満である場合は極板群のセパレータのTDを固定する必要はなく、熱処理後TD収縮率が40%超えると過充電高温下でセパレータが破損し局所的に内部短絡が起こり、短絡電流が多くなり危険な状況になる。したがって、熱処理後TD収縮率が26%から40%であることが好ましい。
【0031】
以上述べた電池においてセパレータの厚みは、21μm以上では電池の高容量化や高率放電などの電池特性の点で不利になるだけでなく、内部短絡が起こりにくくなるため20μm以下が好ましい。また、厚みが7μm以下になると過充電時の高温環境下で内部短絡が確実に発生しても、薄さのため電池が危険な状況になる。したがって、セパレータの厚さが8から20μmであることが好ましい。
【0032】
【実施例】
次に、実施例を用いて本発明の具体例について説明する。
【0033】
まず、セパレータは条件を変えて以下に述べる各種の特性を持つセパレータを製造した。
【0034】
<セパレータの作製>
本実施例ではセパレータとしてポリエチレン(PE)膜であるものを作製した。
【0035】
まず、以下に述べる方法でPE膜を製造した。高密度ポリエチレン(平均分子量32万)40重量部と流動パラフィン60重部とを二軸押出機内で溶融混練した。コートハンガーダイから冷却ロール上に押出キャストすることにより高分子ゲルシートを作製した。厚みはこの時点で、1.8mmであった。この高分子ゲルシートを同時二軸延伸機を用いて122℃で7×7倍に抽出前延伸をした。その後、塩化メチレン中に浸漬して流動パラフィンを抽出除去した。さらに、テンターを用いて、125℃でTDに2倍に延伸した後、TDの延伸を17%緩和させつつ熱処理した。以上述べた工程で、厚さ16%のPE膜を作製し、セパレータAとした。
【0036】
セパレータAを、MDに120mm、TDに50mmの長方形に切り取り、大気中120℃の温度にセットされた恒温層内に、MDに200gの錘で、25kg/cm2の引っ張り荷重を与えた状態でセットし、15分間保持した。(以下、MD熱処理という。) MD熱処理した後は、23℃に調温された実験室内でTD寸法を測定し、収縮率を算出した。収縮率は14%であった。
【0037】
TD収縮率(%)={(熱処理熱前のTD長さ−熱処理後のTD長さ)/熱処理前のTD長さ}×100
次に、セパレータAと同じ厚さで、違う全細孔容積を持つセパレータBを製造した。
【0038】
高密度ポリエチレン(平均分子量40万)40重量部と流動パラフィン60重部とを二軸押出機内で溶融混練した。コートハンガーダイから冷却ロール上に押出キャストすることにより高分子ゲルシートを作製した。厚みはこの時点で、1.8mmであった。この高分子ゲルシートを同時二軸延伸機を用いて130℃で7×4倍に抽出前延伸をした。その後、塩化メチレン中に浸漬して流動パラフィンを抽出除去した。さらに、テンターを用いて、130℃でTDに3倍に延伸した後、TDの延伸を17%緩和させつつ熱処理した。以上述べた工程で、厚さ16%のPE膜を作製し、セパレータBとした。
【0039】
セパレータBを、MDに120mm、TDに50mmの長方形に切り取り、MD熱処理した。MD熱処理した後、23℃に調温された実験室内でTD寸法を測定し収縮率を算出した。収縮率は、12%であった。
【0040】
以下、セパレータAまたはセパレータBと同様の方法で、ポリエチレンの分子量や延伸条件を変えることにより、(表1)に示すような熱処理後のTD収縮率及び厚さからなるセパレータAからYの24種のセパレータを作製した。
【0041】
【表1】
【0042】
<電池の作製>
本発明の電池の過充電時の温度変化を評価するため、以下に説明する角型電池を作製した。
【0043】
図1に本発明の実施例1から34の角型電池の構造図(一部断面図)を示す。
【0044】
図1において、非水電解質二次電池1は正極2と負極3とセパレータ4が捲回されて、ケース5内に非水溶媒に電解質塩を溶解した電解液(図示せず)とともに内蔵されており、封口板6で密閉されている。
【0045】
封口板には一般の円筒電池においては、安全弁やPTC素子などの安全素子が組み込まれているが、実施例の電池においては角型のため封口板6には一切の安全機構は組み込まれていない。
【0046】
正極2はコバルト酸リチウム粉末85重量%に対し、導電剤の炭素粉末10重量%と結着剤のポリ弗化ビニリデン樹脂(PVdF樹脂)5重量%を混合し、これらを脱水NMPに分散させてスラリーを作製し、アルミ箔からなる正極集電体状に塗布し、乾燥後、圧延して作製した。
【0047】
負極3は負極活物質として人造黒鉛粉末を用い、これの95重量%に対して、結着剤のPVdF樹脂を5重量%を混合し、これらを脱水NMPに分散させてスラリーを作製し、銅箔からなる正極集電体状に塗布し、乾燥後、圧延して作製した。
【0048】
セパレータ4には前述の(表1)に示すセパレータAからMの13種のセパレータを使用した。
【0049】
また、電解液にはエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の体積比1:1の混合溶媒にLiPF6を1モル/リットル溶解したものを使用した。電解液量は、約2.5mlである。
【0050】
なお、この作製した角型電池は幅30mm、高さ48mm、厚み5mmである。本サイズで通常市販されているものの設計容量は700mAhであり、セパレータ4の厚みも、25から27μmのものが一般的である。本実施例の電池は、それよりも高容量の750mAhを設計容量とした。このためセパレータ4の厚みは25μmより大きくなると、捲回した極板群が、ケースに確実に挿入できなかった。
【0051】
図2に本発明の実施例35から68の角型電池の構造図(一部断面図)を示す。
【0052】
図2において、非水電解質二次電池1は正極2と負極3とセパレータ4が捲回されて、ケース5内に非水溶媒に電解質塩を溶解した電解液(図示せず)とともに内蔵されており、封口板6で密閉されている。図1に示す封口板6とは形状が異なるが機能は同様である。セパレータ4がTDをポリプロピレン(PP)製の粘着テープ7で固定されている以外は、実施例1から34の電池作製と同様である。
【0053】
セパレータ4には前述の(表1)に示すセパレータNからYの12種のセパレータを使用した。
【0054】
<実施例>
セパレータAを5重量%のビフェニルを添加した電解液3.8mlとともに電池に組み立てた。この電池を実施例1の電池とする。以下、(表1)に示したセパレータAからMの13種のセパレータと、芳香族添加剤及びその添加量を(表2)及び(表3)に示すよう組み合わせ、実施例2から実施例33の電池を組み立てた。また、セパレータNを介して正・負極板を捲回した。セパレータのTDをPP製テープで固定し、ビフェニルを5重量%添加した電解液2.5mlとともに電池に組み立てた。この電池を実施例34の電池とする。さらに、(表1)に示したセパレータNからYまでの12種のセパレータと、芳香添加剤及びその添加量を(表2)及び(表3)に示すよう組み合わせ、実施例35から実施例67の電池を組み立てた。
【0055】
<比較例>
実施例1と同様の方法でセパレータAを用い、芳香族添加剤を一切添加していない電解液とともに電池に組み立てた。これを比較例1とする。さらに(表1)に示したセパレータAからMの13種のセパレータと、芳香族添加剤及びその添加量を(表2)及び(表3)に示す組み合せにて、比較例2から比較例7の電池を組み立てた。また、実施例34の同様の方法でセパレータNを用い、芳香族添加剤を一切添加していない電解液とともに電池に組み立てた。これを比較例8とする。さらに、(表1)に示すセパレータNからYまでの12種のセパレータと、芳香添加剤及びその添加量を(表2)及び(表3)に示す組み合わせにて、比較例9から比較例14の電池を組みたてた。
【0056】
<電池の評価>
これら作製した電池、計83個を以下に述べる方法で評価した。
【0057】
電池の設計容量は750mAである。まず、380mAの定電流で4.2Vになるまで充電した後、380mAの定電流で3.0Vになるまで放電する充放電サイクルを10サイクル繰り返した。この10サイクル目の放電容量を各電池の初期容量とした。83個の全ての電池で初期容量が設計容量を満足していた。また、充放電は20℃の恒温槽の中で行った。その後、各電池を4.2Vまで380mAの定電流で充電し、さらに750mAの定電流で3時間の過充電試験を行い、この過程での電池の表面温度の測定を行い、電池の最高到達温度を評価した。これらの結果も(表2)及び(表3)に示す。
【0058】
【表2】
【0059】
【表3】
【0060】
(表2)から明らかな通り、実施例1から実施例33の電池ではセパレータが薄くなっているのもかかわらず、異常昇温が抑えられた。すべての実施例の電池で、電圧がかかった状態で電流が流れており、セパレータ内で微小な内部短絡が起こっていた。それに対し比較例の電池は全て異常昇温が起こった。
【0061】
使用した全ての極板寸法、セパレータの常温の寸法は同じであるのに、実施例と比較例の電池のように異常昇温の起こる電池と起こらない電池があったのは、前述のとおりTD収縮率が違うためである。
【0062】
実施例1から33全ての添加剤(ビフェニル、フラン、インドール、3−クロロ−チオフェン)で、添加量が2.5重量%のものと5重量%のものはで、効果に違いが無かった。
【0065】
実施例34から66の電池ではセパレータが薄くなっているのもかかわらず、異常昇温が抑えられた。すべての実施例の電池で電圧がかかった状態で電流が流れており、セパレータ内で微小な内部短絡が起こっていた。それに対し、比較例の電池は、全て異常昇温が起こった。
【0066】
使用した全ての極板寸法、セパレータで常温の寸法は同じであるのに、実施例と比較例の電池のように異常昇温の起こる電池と起こらない電池があったのは、前述のとおり、セパレータのTDを固定しているためである。
【0067】
実施例34から66全ての添加剤(ビフェニル、フラン、インドール、3−クロロ−チオフェン)で、添加量が2.5重量%のものと5重量%のもので、効果に違いが無かった。
【0068】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明によれば、薄いセパレータを用いたにもかかわらず非水電解質二次電池の高温状況下での安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例で用いた角型電池の概略図(断面図)
【図2】本発明の実施例で用いた角型電池の概念図(一部断面図)
【符号の説明】
1 非水電解質二次電池
2 正極
3 負極
4 セパレータ
5 ケース
6 封口板
7 TD固定部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery that is highly safe in a high-temperature environment during overcharge, and more specifically, a non-aqueous electrolyte solution using an additive and a separator that improve safety during overcharge. Next battery.
[0002]
[Prior art]
As a method for maintaining the safety of the non-aqueous electrolyte secondary battery in a high temperature environment at the time of overcharging, there are a method using a safety device incorporated roughly and a method for imparting an overcharge resistance property to the power generation element itself. is there. Further, as specific examples of imparting overcharge resistance to the latter power generation element itself, a method for improving the characteristics of the separator, a method for adding an overcharge additive to the electrolyte, and the like have been proposed.
[0003]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a configuration for improving safety during overcharging, a configuration using a shutdown function of a separator, which is a function specific to a separator of a nonaqueous electrolyte secondary battery, has been widely used. Normally, the separator plays a role in preventing short circuit between the positive and negative electrodes, but separators using porous polyolefin etc. soften the porous separator when the battery temperature rises significantly due to excess current due to external short circuit etc. By doing so, it has a so-called shutdown function that becomes substantially non-porous and prevents current from flowing.
[0004]
If the battery temperature rises even after the shutdown function, the separator melts and opens a large hole, which may cause a short circuit between the positive electrode and the negative electrode (hereinafter, this phenomenon is referred to as meltdown). It can be said that the higher the temperature at which this meltdown occurs, the higher the safety of the battery. However, in order to reinforce the shutdown function, when the heat melting property is increased, the meltdown temperature is lowered, and the safety is lowered. On the contrary, a separator that satisfies both of these properties is desired.
[0005]
On the other hand, in a configuration in which an overcharge additive is added to the electrolytic solution, various methods for improving safety during overcharge have been proposed. For example, a method of increasing the internal resistance of the battery by polymerizing the additive during overcharge and protecting the battery from overcharge, generating gas during overcharge, and reliably operating an internal electrical cutting device that operates at a predetermined internal pressure There is a method, or a method in which a conductive polymer is generated at the time of overcharge abuse, and a short circuit is generated and discharged inside the battery.
[0006]
Due to recent development competition, non-aqueous electrolyte secondary batteries are strongly demanded to have a higher capacity. Higher capacity has improved performance by improving the active material of the electrode, but the volume of members that do not contribute to the electromotive reaction is reduced, and the substantial active material filled in the limited battery container The capacity is increased by increasing the amount of. For this reason, the positive and negative electrode current collectors and separators tend to be thin. As the separator becomes thinner, the safety against short circuits and the like tends to deteriorate, but since the amount of the active material increases, the demand for safety increases.
[0007]
Therefore, when a battery using a thin separator falls into an overcharged state and becomes hot due to heat generation, the overcharged state is eliminated rather than adopting a method of electrically avoiding the overcharged state. It is effective to adopt the method. Specifically, among the methods described above, the method of protecting the battery from overcharging by increasing the internal resistance of the battery by polymerizing the additive during shutdown of the separator or overcharging of the additive, and overcharging A method of reliably operating an internal electrical cutting device that generates gas and operates at a predetermined internal pressure prevents the overcharge state from continuing by limiting or cutting off the current applied to the battery. On the other hand, the method of automatically discharging by generating a short circuit inside the battery is forcibly discharging inside the battery, and the overcharge state is stopped from the point of releasing the power generation element inside the battery from the overcharge state. It is preferable compared to the above method. In particular, when an additive that generates gas during overcharge is added to a configuration that does not have an internal electrical cutting device that operates at a predetermined internal pressure, such as a prismatic battery, the internal pressure of the battery container increases, which is a safety concern. It is not preferable in terms of sex.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
When an aromatic additive is used as an additive in overcharge protection based on each of the above methods, even if the same additive is used, the amount of additive added, relationship with electrolyte salt, non-aqueous solvent and other components, Furthermore, the effect of overcharge protection differs due to the influence of various factors such as the deterioration state. For example, a method of protecting the battery from overcharging by increasing the internal resistance of the battery by polymerizing the additive during overcharging (Japanese Patent No. 3061756), generating gas during overcharging, and operating at a predetermined internal pressure A method of operating an electric cutting device (Japanese Patent No. 3061759) or a method of forcibly discharging a conductive polymer during overcharge abuse (Japanese Patent Laid-Open No. 10-32258) has been proposed. Therefore, by adding an aromatic additive, a conductive polymer is generated at the time of overcharge, and there is a possibility that an action of generating gas or increasing the internal resistance of the battery may occur in preference to the action of ensuring safety by an internal short circuit. In addition, there is a problem in terms of reliability that overcharge protection by forced discharge by the conductive polymer is surely generated.
[0009]
On the other hand, in terms of overcharge protection utilizing the characteristics of the separator, a method using a laminated porous film having a reduced shrinkage rate in the mechanical stretching direction of the separator (Japanese Patent Laid-Open No. 11-123799), using a high molecular weight polyolefin, A method using a separator having an area shrinkage ratio of 30% or less after heat treatment at 105 ° C. (Japanese Patent Laid-Open No. 12-239426) has been proposed. In these methods, nothing is mentioned about the shrinkage rate in the width direction that has been mechanically stretched, and when the battery is exposed to a high temperature environment associated with overcharging, the separator greatly shrinks in the width direction, There is a possibility that the edge of the electrode plate is exposed, and if the shrinkage rate is excessive, a short circuit will occur. Therefore, in the separator prepared by the phase separation opening method instead of the above-described opening method by stretching, a method of using a separator having a shrinkage ratio in the width direction of 25% or less that has been mechanically stretched at a temperature lower than the temperature at which the shutdown function occurs. (Japanese Patent Laid-Open No. 11-322989) has been proposed, but a separator having a small film thickness due to a large separator hole diameter is likely to cause a voltage failure or the like in battery characteristics at room temperature.
[0010]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a high-capacity non-aqueous electrolyte secondary battery excellent in safety under a high temperature environment by using a combination of a suitable additive and a separator. Objective.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention contains an aromatic additive in the non-aqueous electrolyte, and further applies high temperature and stress assumed to be exposed to the separator during overcharge. Immediately after the shrinkage in the width direction of the machine stretch was 12% 20 % Using a separator in the range of% 28% to 35% And the width direction is held by an insulating member having heat resistance as compared with the separator in a state where the electrode plate group is configured.
[0012]
According to this configuration, the separator prevents the battery internal short circuit due to exposure of the electrode plate at a high temperature, and combines the aromatic additive and the separator having the characteristic parameters described above. An internal short circuit occurs and the overcharged state is eliminated, and it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with high capacity and excellent reliability.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A non-aqueous electrolyte secondary battery according to a first invention of the present application is a non-aqueous electrolyte secondary battery including a non-aqueous electrolyte in which an electrolyte salt is dissolved in a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous solvent, and a non-aqueous electrolyte. Is mixed with an aromatic additive and is 25 kg / cm in the longitudinal direction (hereinafter referred to as MD) mechanically stretched as the separator. 2 The contraction rate in the machine-stretched width direction (hereinafter, this direction is referred to as TD) immediately after holding for 15 minutes at a temperature of 120 ° C. in the atmosphere with a tensile load of 12% 20 % Separator is used.
[0014]
As the separator according to the present invention, an electronic insulating microporous thin film having a large ion permeability and an appropriate mechanical strength is used. As the material, it is preferable to use a porous polyolefin such as polypropylene resin, polyethylene resin alone or a laminate or a mixture / combination thereof, from the viewpoint of organic resistance and hydrophobicity and a shutdown function.
[0015]
Further, the additive according to the present invention is an additive made of an aromatic compound, and preferable ones include biphenyl, furan, thiophene and derivatives thereof. Specifically, biphenyl, pyrrole, N-methylpyrrole, thiophene, furan, indole, 3-chlorothiophene, 3-bromothiophene, 3-fluorothiophene, 1,2 dimethoxybenzene, 1-methyl-3-pyridinium tetra There is a fluorobaud rate. Among these, a compound that polymerizes at a voltage that is higher than the maximum operating charging voltage of the battery and less than the overcharge voltage at which the battery becomes dangerous is suitable. From the viewpoint of the polymerization potential and stability under battery operation, biphenyl is suitable. , Furan, indole and 3-chlorothiophene are particularly preferred.
[0016]
The positive electrode in the present invention has a conventionally known structure, but a mixture comprising a lithium-containing composite oxide such as lithium cobaltate, lithium nickelate, and manganese spinel as an active material and a mixture of a conductive agent and a binder is a current collector. It is made by coating.
[0017]
In the negative electrode of the present invention, carbon such as natural graphite and artificial graphite is used as a main active material, but in addition, various metals such as aluminum, various alloys mainly composed of aluminum, tin oxide and the like are used. There are conventionally known materials such as oxides and metal nitrides, and a mixture obtained by mixing a conductive agent and a binder is applied to a current collector in the same manner as the positive electrode.
[0018]
Nonaqueous electrolytes (hereinafter referred to as electrolyte solutions) include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC) as nonaqueous solvents. A mixture of two or more chain carbonates such as The electrolyte salt is LiPF 6 And LiBF Four Conventionally known lithium salts can be used.
[0019]
The battery of the present invention causes an internal short circuit due to the aromatic additive and the separator in a high temperature environment at the time of overcharging, and the mechanism of this internal short circuit is as follows.
[0020]
When the battery voltage exceeds the maximum operating voltage during overcharging, the aromatic additive polymerizes and grows on the surface of the positive electrode to form a polymer layer having a high resistance value. When the voltage further increases, the polymer layer becomes a conductive polymer. When the overcharge state continues, the conductive polymer grows inside the separator pores, and finally penetrates to reach the negative electrode, causing an internal short circuit. As a result, in the battery using the separator and aromatic additive according to the present invention, the conductive polymer is formed from a relatively early stage of the overcharge process, and the charge depth of the positive electrode and the negative electrode is excessively more than necessary. Since it does not reach, the danger at the time of overcharge can be suppressed.
[0021]
In the above-described mechanism, when the aromatic additive is not added or the addition amount is less than 0.1% by weight, the overcharged state becomes serious before the conductive polymer is sufficiently grown. It will progress. In addition, when the amount of aromatic additive added is large, for example, when it is larger than 10% by weight, the effect of suppressing the overcharge state can be exhibited. is there.
[0022]
Furthermore, as a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that a suitable value exists for the TD shrinkage rate of the separator. Conventionally, regarding the TD shrinkage, the separator characteristics in the normal temperature range have been studied. However, when the battery falls into an overcharged state, each component is exposed to a high temperature environment due to the heat generated by the battery itself, so that the separator is required to have characteristics different from those in the normal temperature range. Under such a background, the present inventors have obtained knowledge that it is necessary to evaluate in a thermally and physically added state assumed in a high temperature environment, and keep it in a predetermined condition. As a result, it was concluded that a separator having the following characteristics was suitable for the battery of the present invention.
[0023]
Accordingly, processing conditions applied in advance to the separator will be described. The temperature raising mechanism in the overcharged state of the battery is complicated, and it is difficult to accurately simulate the state of stress applied to the separator in the electrode plate group. In particular, it is important to consider that the state of thermal shrinkage of the separator changes due to the stress applied to the separator at the same high temperature environment temperature. Therefore, the present inventors set the separator in the MD as 25 kg / cm as the state of the separator as a highly reproducible processing condition. 2 It has been found that a state in which a tensile load of 1 is applied is preferable. Normally, when producing a spirally wound electrode plate group, the separator is wound with a certain amount of tension. That is, it is arranged in the wound electrode plate group in a state where a tensile load is applied to the MD.
[0024]
On the other hand, regarding the temperature condition, it is necessary to consider the time required for the overcharged state to be eliminated by the conductive polymer after the battery reaches the overcharged state and the overcharged state. It was found that it is preferable to hold at medium temperature of 120 ° C. for 15 minutes. Here, the time of 15 minutes means that the separator has no change in the TD shrinkage at that temperature, that is, a time sufficient for reaching the saturation, and a time longer than this may be sufficient, and the TD shrinkage reaches the saturation. If so, a time shorter than this may be used, but 15 minutes is preferable as the retention time with high reproducibility.
[0025]
Thus, the separator according to the present invention has a separator of 25 kg / cm in MD. 2 It is preferable to measure the TD shrinkage immediately after holding for 15 minutes at a temperature of 120 ° C. in the state of applying a tensile load (hereinafter, this treatment is referred to as heat treatment). Ku, Yoshi When the aromatic additive is selected from the group consisting of biphenyl, furan, indole and 3-chlorothiophene, the TD shrinkage rate is 12% to 20%, which is a very excellent effect.
[0026]
When the TD shrinkage ratio after heat treatment is less than 12%, the puncture strength is weak in manufacturing the separator, and the insulation failure of the battery increases. On the other hand, if the TD shrinkage after the heat treatment exceeds 25%, an internal short circuit occurs due to the electrode plate exposure at a high overcharge temperature, and the short circuit current increases, resulting in a dangerous situation. Accordingly, the TD shrinkage after heat treatment is preferably 12% to 25%.
[0027]
Next, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the second invention of the present application is a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte in which an electrolyte salt is dissolved in a non-aqueous solvent, and a separator, The non-aqueous electrolyte is a mixture of aromatic additives, and 25 kg / cm of MD is used as the separator. 2 TD and shrinkage ratio immediately after holding for 15 minutes at a temperature of 120 ° C. in the state of applying a tensile load of 28% to 35% In the electrode plate group in which the separator is further disposed between the positive electrode and the negative electrode, the TD of the separator is held by an insulating member having higher heat resistance than the separator.
[0028]
According to this configuration, when exposed to a high temperature environment associated with overcharging, an internal short circuit occurs due to the aromatic additive and the separator as in the first invention of the present application.
[0029]
The separator according to the second invention has a larger TD shrinkage rate than the battery according to the first invention described above, and the separator MD is 25 kg / cm. 2 The TD shrinkage ratio is from 26% to 40% after heat treatment at 120 ° C. for 15 minutes in the air with a tensile load applied. For this reason, when a battery falls into an overcharge state, the contraction degree of a separator becomes large compared with the battery which concerns on 1st invention. However, since the TD of the separator of the electrode plate group that is laminated or wound through the separator is fixed with an insulating film having higher heat resistance than the separator, the electrode is caused by the shrinkage of the separator at a high temperature during overcharge. It is possible to reliably prevent the plate exposure and the occurrence of a short circuit inside the battery due to this. In this way, by combining the aromatic additive and the separator according to the second invention, at the time of overcharging, the polymerized conductive polymer penetrates the separator and causes an internal short circuit to eliminate the overcharged state. Therefore, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with high capacity and excellent reliability. In the case where the aromatic additive is selected from the group consisting of biphenyl, furan, indole and 3-chlorothiophene, the TD shrinkage after heat treatment is 28% to 35%, showing particularly excellent effects. .
[0030]
When the shrinkage after heat treatment is less than 26%, it is not necessary to fix the TD of the separator of the electrode plate group. When the TD shrinkage after heat treatment exceeds 40%, the separator is damaged under overcharge and locally inside. A short circuit occurs and the short circuit current increases, resulting in a dangerous situation. Therefore, the TD shrinkage after heat treatment is preferably 26% to 40%.
[0031]
In the battery described above, if the thickness of the separator is 21 μm or more, it is not only disadvantageous in terms of battery characteristics such as high capacity of the battery and high rate discharge, but also an internal short circuit is less likely to occur. On the other hand, when the thickness is 7 μm or less, even if an internal short circuit occurs reliably in a high temperature environment during overcharging, the battery becomes dangerous due to its thinness. Therefore, the thickness of the separator is preferably 8 to 20 μm.
[0032]
【Example】
Next, specific examples of the present invention will be described using examples.
[0033]
First, separators having various characteristics described below were manufactured under different conditions.
[0034]
<Preparation of separator>
In this example, a separator (a polyethylene (PE) film) was produced.
[0035]
First, a PE film was manufactured by the method described below. 40 parts by weight of high density polyethylene (average molecular weight 320,000) and 60 parts by weight of liquid paraffin were melt kneaded in a twin screw extruder. A polymer gel sheet was produced by extrusion casting from a coat hanger die onto a cooling roll. The thickness was 1.8 mm at this point. This polymer gel sheet was stretched before extraction by 7 × 7 times at 122 ° C. using a simultaneous biaxial stretching machine. Thereafter, the liquid paraffin was extracted and removed by dipping in methylene chloride. Further, using a tenter, the film was stretched twice to TD at 125 ° C., and then heat treated while relaxing TD stretching by 17%. A PE film having a thickness of 16% was produced as a separator A by the above-described steps.
[0036]
Separator A is cut into a rectangle of 120 mm for MD and 50 mm for TD, and is placed in a thermostatic layer set at a temperature of 120 ° C. in the atmosphere, with a weight of 200 g on MD, 25 kg / cm 2 Was set under the condition of applying a tensile load of and held for 15 minutes. (Hereinafter, it is called MD heat processing.) After MD heat processing, TD dimension was measured in the laboratory controlled to 23 degreeC, and the shrinkage rate was computed. The shrinkage rate was 14%.
[0037]
TD shrinkage rate (%) = {(TD length before heat treatment−TD length after heat treatment) / TD length before heat treatment} × 100
Next, separator B having the same thickness as separator A and a different total pore volume was manufactured.
[0038]
40 parts by weight of high density polyethylene (average molecular weight 400,000) and 60 parts by weight of liquid paraffin were melt-kneaded in a twin screw extruder. A polymer gel sheet was produced by extrusion casting from a coat hanger die onto a cooling roll. The thickness was 1.8 mm at this point. This polymer gel sheet was stretched before extraction by 7 × 4 times at 130 ° C. using a simultaneous biaxial stretching machine. Thereafter, the liquid paraffin was extracted and removed by dipping in methylene chloride. Furthermore, after extending | stretching 3 times to TD at 130 degreeC using the tenter, it heat-processed, extending | stretching TD 17%. Through the steps described above, a PE film having a thickness of 16% was produced as separator B.
[0039]
Separator B was cut into a rectangle of 120 mm in MD and 50 mm in TD and subjected to MD heat treatment. After the MD heat treatment, the TD dimension was measured in a laboratory adjusted to 23 ° C., and the shrinkage rate was calculated. The shrinkage rate was 12%.
[0040]
Hereinafter, by changing the molecular weight and stretching conditions of polyethylene in the same manner as separator A or separator B, 24 types of separators A to Y consisting of TD shrinkage ratio and thickness after heat treatment as shown in (Table 1) A separator was prepared.
[0041]
[Table 1]
[0042]
<Production of battery>
In order to evaluate the temperature change at the time of overcharging of the battery of the present invention, a square battery described below was produced.
[0043]
FIG. 1 is a structural diagram (partially sectional view) of a prismatic battery according to Examples 1 to 34 of the present invention.
[0044]
In FIG. 1, a nonaqueous electrolyte secondary battery 1 is wound with a positive electrode 2, a negative electrode 3, and a separator 4, and is built in a case 5 together with an electrolyte solution (not shown) in which an electrolyte salt is dissolved in a nonaqueous solvent. And is sealed with a sealing plate 6.
[0045]
In a general cylindrical battery, a safety element such as a safety valve or a PTC element is incorporated in the sealing plate, but in the battery of the embodiment, no safety mechanism is incorporated in the sealing plate 6 because it is square. .
[0046]
In the positive electrode 2, 10% by weight of carbon powder as a conductive agent and 5% by weight of polyvinylidene fluoride resin (PVdF resin) as a binder are mixed with 85% by weight of lithium cobaltate powder, and these are dispersed in dehydrated NMP. A slurry was prepared, applied to a positive electrode current collector made of aluminum foil, dried and rolled.
[0047]
The negative electrode 3 uses artificial graphite powder as a negative electrode active material, and 95% by weight of this is mixed with 5% by weight of a PVdF resin as a binder, and these are dispersed in dehydrated NMP to produce a slurry. A positive electrode current collector made of foil was applied, dried and rolled.
[0048]
As the separator 4, 13 types of separators A to M shown in Table 1 above were used.
[0049]
In addition, the electrolyte includes LiPF in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1: 1. 6 1 mol / liter dissolved was used. The amount of the electrolytic solution is about 2.5 ml.
[0050]
The produced square battery has a width of 30 mm, a height of 48 mm, and a thickness of 5 mm. The design capacity of this size, which is usually marketed, is 700 mAh, and the thickness of the separator 4 is generally 25 to 27 μm. The battery of this example had a design capacity of 750 mAh having a higher capacity. For this reason, when the thickness of the separator 4 is larger than 25 μm, the wound electrode plate group cannot be reliably inserted into the case.
[0051]
FIG. 2 shows a structural diagram (partially sectional view) of a prismatic battery according to Examples 35 to 68 of the present invention.
[0052]
In FIG. 2, a non-aqueous electrolyte secondary battery 1 is wound with a positive electrode 2, a negative electrode 3, and a separator 4, and is built in a case 5 together with an electrolyte solution (not shown) in which an electrolyte salt is dissolved in a non-aqueous solvent. And is sealed with a sealing plate 6. Although the shape is different from the sealing plate 6 shown in FIG. 1, the function is the same. Except that the separator 4 is fixed with TD by an adhesive tape 7 made of polypropylene (PP), it is the same as the battery fabrication of Examples 1 to 34.
[0053]
As the separator 4, 12 kinds of separators N to Y shown in the above-mentioned (Table 1) were used.
[0054]
<Example>
Separator A was assembled into a battery together with 3.8 ml of an electrolyte containing 5% by weight of biphenyl. This battery is referred to as the battery of Example 1. Hereinafter, 13 types of separators A to M shown in (Table 1), aromatic additives and their addition amounts are combined as shown in (Table 2) and (Table 3), and Examples 2 to 33 are combined. Assemble the battery. Further, the positive and negative electrode plates were wound through the separator N. The separator TD was fixed with PP tape, and the battery was assembled together with 2.5 ml of an electrolyte containing 5% by weight of biphenyl. This battery is referred to as battery of Example 34. Furthermore, 12 types of separators N to Y shown in (Table 1), a fragrance additive and the amount of addition thereof are combined as shown in (Table 2) and (Table 3), and Examples 35 to 67 are combined. Assemble the battery.
[0055]
<Comparative example>
The separator A was used in the same manner as in Example 1, and the battery was assembled together with an electrolyte solution to which no aromatic additive was added. This is referred to as Comparative Example 1. Further, Comparative Examples 2 to 7 were prepared by combining 13 types of separators A to M shown in (Table 1), aromatic additives, and addition amounts thereof shown in (Table 2) and (Table 3). Assemble the battery. Further, the separator N was used in the same manner as in Example 34, and a battery was assembled together with an electrolyte solution to which no aromatic additive was added. This is designated as Comparative Example 8. Furthermore, 12 types of separators N to Y shown in (Table 1), aroma additives and their addition amounts in combinations shown in (Table 2) and (Table 3), Comparative Examples 9 to 14 I built a battery.
[0056]
<Battery evaluation>
A total of 83 of these batteries were evaluated by the method described below.
[0057]
The design capacity of the battery is 750 mA. First, after charging to 4.2 V at a constant current of 380 mA, a charge / discharge cycle of discharging to 3.0 V at a constant current of 380 mA was repeated 10 cycles. The discharge capacity at the 10th cycle was defined as the initial capacity of each battery. The initial capacity of all 83 batteries satisfied the design capacity. Moreover, charging / discharging was performed in a 20 degreeC thermostat. After that, each battery was charged up to 4.2V at a constant current of 380 mA, and further an overcharge test was conducted for 3 hours at a constant current of 750 mA. The surface temperature of the battery in this process was measured, Evaluated. These results are also shown in (Table 2) and (Table 3).
[0058]
[Table 2]
[0059]
[Table 3]
[0060]
As apparent from (Table 2), in the batteries of Examples 1 to 33, the abnormal temperature increase was suppressed despite the fact that the separator was thin. In all the batteries of the examples, current was flowing in a state where voltage was applied, and a minute internal short circuit occurred in the separator. On the other hand, all the batteries of the comparative examples had abnormally high temperatures.
[0061]
Although all the electrode plate dimensions used and the room temperature dimensions of the separators were the same, there were some batteries that caused abnormal temperature rise and others that did not occur like the batteries in the examples and comparative examples, as described above. This is because the shrinkage rate is different.
[0062]
Examples 1 to 33 All the additives (biphenyl, furan, indole, 3-chloro-thiophene) were added in 2.5% by weight and in 5% by weight, and there was no difference in effect.
[0065]
From Example 34 66 In this battery, the abnormal temperature rise was suppressed despite the thin separator. In all the batteries of the examples, current was flowing with voltage applied, and a minute internal short circuit occurred in the separator. On the other hand, all of the batteries of the comparative examples had an abnormal temperature increase.
[0066]
Although all the electrode plate dimensions and separators used had the same room temperature dimensions, there were batteries that did not rise abnormally and batteries that did not occur like the batteries of the examples and comparative examples. This is because the TD of the separator is fixed.
[0067]
From Example 34 66 For all the additives (biphenyl, furan, indole, 3-chloro-thiophene), the addition amount was 2.5% by weight and 5% by weight, and there was no difference in effect.
[0068]
【Effect of the invention】
As described above, according to the present invention, it is possible to improve the safety of the nonaqueous electrolyte secondary battery under high temperature conditions despite the use of a thin separator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view (cross-sectional view) of a prismatic battery used in an example of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram (partial cross-sectional view) of a prismatic battery used in an example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Nonaqueous electrolyte secondary battery
2 Positive electrode
3 Negative electrode
4 Separator
5 cases
6 Sealing plate
7 TD fixing member
Claims (2)
前記非水電解質は、ビフェニル、フラン、インドールおよび3−クロロチオフェンから選択される少なくとも1種の芳香族添加剤を混合してなり、前記セパレータは、多孔質ポリオレフィンからなり、さらにその機械延伸された長手方向に25kg/cm2の引っ張り荷重を与えた状態にて大気中120℃の温度で15分間保持した後において、機械延伸された幅手方向の収縮率が12%から20%にあり、前記セパレータの厚さが8から20μmであることを特徴とする非水電解質二次電池。A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a nonaqueous electrolyte in which an electrolyte salt is dissolved in a nonaqueous solvent, and a separator,
The non-aqueous electrolyte is a mixture of at least one aromatic additive selected from biphenyl, furan, indole and 3-chlorothiophene, and the separator is made of a porous polyolefin and further mechanically stretched. in after holding for 15 minutes in air at a temperature of 120 ° C. in a state that gave a longitudinal tensile load of 25 kg / cm 2, mechanical stretched width direction of shrinkage has 12% to 20%, wherein A non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the separator has a thickness of 8 to 20 μm .
前記非水電解質は、ビフェニル、フラン、インドールおよび3−クロロチオフェンから選択される少なくとも1種の芳香族添加剤を混合してなり、前記セパレータは、多孔質ポリオレフィンからなり、さらにその機械延伸された長手方向に25kg/cm2の引っ張り荷重を与えた状態にて大気中120℃の温度で15分間保持した後において、機械延伸された幅手方向の収縮率が28%から35%にあり、さらに前記セパレータは、正極、負極の間に配した極板群において、機械延伸された幅手方向をセパレータに比べて高い耐熱強度を有する絶縁部材にて保持されており、前記セパレータの厚さが8から20μmであることを特徴とする非水電解質二次電池。A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a nonaqueous electrolyte in which an electrolyte salt is dissolved in a nonaqueous solvent, and a separator,
The non-aqueous electrolyte is a mixture of at least one aromatic additive selected from biphenyl, furan, indole and 3-chlorothiophene, and the separator is made of a porous polyolefin and further mechanically stretched. After holding for 15 minutes at a temperature of 120 ° C. in the atmosphere with a tensile load of 25 kg / cm 2 in the longitudinal direction, the contraction rate in the width direction of the machine stretch is 28% to 35 %, and The separator is held in an electrode group arranged between a positive electrode and a negative electrode by a mechanically stretched width direction by an insulating member having a higher heat resistance compared to the separator, and the separator has a thickness of 8 To 20 μm, a non-aqueous electrolyte secondary battery.
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