説明

電池用セパレータ及び電池

【課題】電子線照射処理を行ったセパレータを使用することにより、高温保存時にセパレータの収縮による内部短絡を防止するリチウムイオン二次電池用セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】負極集電体に負極活物質が塗布された負極板と、正極集電体に正極活物質が塗布された正極板の間に非水溶剤、リチウム無機塩およびセパレータを設けて成る一対の電池要素を構成する前記セパレータにおいて、前記セパレータが、電子線照射により処理されてなり、前記セパレータの100℃における熱機械分析(TMA)の値が、0%〜−1%であることを特徴とするリチウム二次電池用セパレータの製造方法。

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は二次電池、中でも非水電解液を使用したリチウム二次電池の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、エレクトロニクスの急速な発展に伴い、電子機器、特に携帯電話やノート型パソコンのような携帯型電子機器の軽量、小型化及び高性能化が進み、高エネルギー密度を持つ薄膜型二次電池の開発が急がれている。特にリチウム二次電池は鉛蓄電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池を遥かに凌ぐ放電電圧とエネルギー密度を持っていることから二次電池の主流になっている。このように、エネルギー密度が大で、電池容量が大きく、繰り返し充放電性の良いリチウム二次電池としては、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムのようなリチウム複合酸化物からなる正極と、リチウムやリチウム合金もしくは炭素材料のようなリチウムイオンをドープ及び脱ドープ可能な物質からなる負極の間に多孔性膜のセパレータを、リチウム塩を含む非水性電解液に浸漬して導電性密閉容器に封入して形成されているものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】リチウム二次電池に使用されている多孔成膜のセパレータには、特に延伸法により微多孔化したポリオレフィン系のフィルムが使用されているが、延伸法により製造されたフィルムは、温度上昇と共に収縮することを本発明者らは見出した。また、このようなポリオレフィン微多孔性膜をセパレータとしてリチウムイオン二次電池に使用した場合、電池が高温環境下に置かれることにより、収縮を起こし寸法安定性が悪くなるため、正極と負極とが接触してしまい内部短絡を起こし、電池として機能しなくなることを見出した。
【0004】本発明は、リチウム二次電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。即ち、本発明は、従来のリチウム二次電池用セパレータにくらべ高温での寸法安定性に優れ、100℃での熱収縮が極めて小さいものであり、このセパレータを使用したリチウム二次電池は、高温環境下での電池内部の短絡が生じない。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は下記の態様を含む。
[1] 負極集電体に負極活物質が塗布された(塗布以外の方法で負極活物質層を構成したものも含まれる)負極板と、正極集電体に正極活物質が塗布された(塗布以外の方法で負極活物質層を構成したものも含まれる)正極板の間に非水溶剤、リチウム無機塩およびセパレータを設けて成る一対の電池要素を構成する前記セパレータにおいて、前記セパレータが微多孔を有し、電子線照射により処理されてなり、前記セパレータの100℃における熱機械分析(TMA)の値が、0%〜−1%であることを特徴とするリチウム二次電池用セパレータの製造方法。
[2] セパレータがポリプロピレンまたはポリエチレンテレフタレートを含有するセパレータであることを特徴とする[1]記載のリチウム二次電池用セパレータの製造方法。
[3][1]または[2]記載のセパレータを有するリチウム二次電池。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明のリチウムイオン二次電池の製造法は、負極集電体に負極活物質が塗布(その他の方法で負極活物質層を設ける態様も本発明に含まれる)された負極板と正極集電体に正極活物質が塗布(その他の方法で正極活物質層を設ける態様も本発明に含まれる)された正極板の間に非水溶剤、リチウム無機塩およびセパレータが設けられて成る一対の電池要素において、該セパレータが電池要素を組む前に電子線照射により処理されている。このようにセパレータを電子線照射処理することにより、セパレータ内で分子間の3次元架橋反応を進行させることができ、そのために熱収縮を抑えることができる。
【0007】セパレータとして使用されるシートは、微多孔を有するフィルムシート、微多孔膜、不織布、布等が挙げられ、厚さは1〜100μmが好ましい。微多孔は樹脂に溶剤を混ぜて混練し、有機溶剤を熱で蒸発させる方法、或いは顔料を樹脂に混練し、延伸して微多孔を形成する方法等が例示できる。微多孔は貫通孔を含む。孔径は0.05〜2μmが好ましい。本発明において、リチウムイオン二次電池に使用されている延伸法により製造された微多孔膜セパレータは、特に熱収縮が大きい。そのため、本発明の電子線照射によるセパレータの熱収縮の改善は特にこの延伸微多孔膜を使用する態様で効果が大きい。
【0008】本発明に使用されるセパレータとしては、イオンの透過性に優れ、機械的強度のある絶縁性薄膜を用いる。例えば材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ナイロン、シリコン等が使用できる。特にポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートが好ましく、ポリプロピレンが最も好ましい。
【0009】電子線照射に用いられる電子線照射装置としては、特にその方式に制限はないが、例えばハンデグラーフ型スキャニング方式、ダブルスキャニング方式、ブロードビーム方式、およびカーテンビーム方式等の電子線照射装置を用いることができるが、中でも比較的安価で大出力の得られるカーテンビーム方式のものが本発明に有効に用いられる。
【0010】電子線の加速電圧は50〜500keVであることが好ましい。吸収線量としては、1〜300kGyであることが好ましく、5〜200kGyが特に好ましい。電子線の加速電圧および吸収線量がこの値より低い場合は、電子線照射の効果が少なくセパレータの改質が不十分になる恐れがあり、また値が高い場合は、電子線の効果が強すぎてしまいセパレータの劣化を招いてしまう恐れがある。
【0011】本発明の電子線照射されたセパレータは、熱機械分析(TMA)により100℃におけるTMAの値が、0%〜−1%が好ましく、より好ましくは0%〜−0.7%、最も好ましくは0%〜−0.5%である。
【0012】熱機械分析による収縮率の測定は、一般的に知られている熱機械分析装置により行われる。すなわち、熱機械分析装置では幅4mmの短冊状に切り出したセパレータを両端の長さ(スパン)10mmで固定し、1gの一定荷重で引っ張りながら5℃/minの昇温速度にて加熱し、その伸び若しくは縮みを、30℃の状態でのスパンを100%としてTMAの値を相対測定する。測定温度100℃でのTMAの値が0%〜−1%(マイナス%は収縮した長さ%を示す)であるものが本発明に適したものである。
【0013】本発明の前記電子線照射セパレータを使用するリチウムイオン二次電池は、前記電子線照射セパレータを挟んで正極材料と負極材料を配置することにより構成される。正極材料(例えば層状構造を持つコバルト酸リチウム)、負極材料(例えば黒鉛化炭素材料)、電解液および外装パッケージ(例えばアルミをPPでサンドイッチしたもの等)、電池パック(アルミニウム、ステンレス等の金属管等)を構成する材料は、リチウムイオン二次電池に使用される材料として知られているものをそのまま使用することができる。正極活物質としてはCoO,V,MnOが使用でき、負極活物質としてはLiC,Li等が使用できる。非水溶剤としては有機溶液、及び水を含まない無機溶液が使用できる。有機電解液にはLi塩を含む電解質が使用できる。有機溶液にはエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機カーボネート系溶媒が使用できる。
【0014】本発明は、電子線照射処理することで熱収縮の少ない耐熱性に優れたセパレータを使用することにより、電池が高温での保存時にセパレータの熱収縮により内部短絡によるショートの危険性を小さくしたリチウム二次電池の製造方法である。
【0015】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【0016】[実施例1](電子線の照射)リチウムイオン二次電池用セパレータとして厚さ30μmポリプロピレン微多孔膜フィルム〔ダイセル(株)セルガード〕に、カーテンビーム方式の電子線照射装置により、加速電圧175keV、吸収線量100kGyにて窒素ガス雰囲気下で電子線照射した。
【0017】(TMAの測定)電子線照射したセパレータを幅4mmの短冊状に切り出し、スパン10mmになるようにTMA測定装置〔セイコーインスツルメンツ(株)熱機械的分析装置TMA/SS6000〕を使用して、温度範囲を40℃から140℃、昇温速度5℃/min、引張荷重1g、引張モードにて測定した。100℃におけるTMAの値を読み取り、測定結果を表1に示す。
【0018】(高温保存後の充放電測定)正極材としてコバルト酸リチウム〔日本化学工業(株)セルシードC−10〕を主成分とするペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔に塗工乾燥したものをφ18mmに打ち抜き使用した。負極材としてメソカーボンマイクロビーズ〔大阪ガスケミカル(株)MCMB6−28〕を主成分とするペーストを厚さ18μmの銅箔に塗工乾燥したものをφ18mmに打ち抜き使用した。電子線照射したセパレータをφ18mmに打ち抜き、非水性溶剤としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比1/1で配合したもの1リッターに対して、LiClOを1モル溶解させたもの〔キシダ化学(株)LBG溶媒〕を電解液として使用し、セパレータに染込ませた。これらの材料で、充放電試験用二極セル〔東洋システム(株)二極セル〕を組み、100℃の雰囲気下にて、10時間保持した後、室温に戻した。その後、充放電試験システム〔東洋システム(株)TOSCAT−3000U〕にて、電流密度1mAh/cm、3.0V〜4.2Vまでの充放電を10サイクル行った。10サイクル目の放電容量/充電容量にて充放電効率を算出し、充放電効率が80%以上のものを電池として使用できるものとし、結果を表1に示す。ここまでの操作は全て、アルゴンガス雰囲気下のドライボックス内にて行った。
【0019】実施例2実施例1において、電子線照射条件を加速電圧200keV、吸収線量100kGyに変更した以外は同様に行った。その後、実施例1と同様にTMA測定および高温保存後の充放電測定試験を行い、結果を表1に示す。
【0020】実施例3実施例1において、電子線照射条件を加速電圧250keV、吸収線量100kGyで行った以外は同様に行った。その後、実施例1と同様にTMA測定および高温保持充放電測定試験を行い、結果を表1に示す。
【0021】比較例1実施例1において、電子線照射を行わないセパレータを使用した。その後、実施例1と同様に高温保持充放電測定試験を行い、結果を表1に示す。
【0022】
【表1】


【0023】
【発明の効果】表1から明らかなように、本発明の電子線照射を行ったセパレータを使用することにより、高温保持した際にセパレータの収縮による内部短絡が起こらないリチウムイオン二次電池を作製することができる。尚、本発明の電池用セパレータはリチウムイオン二次電池以外の電池にも使用することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】 負極集電体に負極活物質が塗布された負極板と、正極集電体に正極活物質が塗布された正極板の間に非水溶剤、リチウム無機塩およびセパレータを設けて成る一対の電池要素を構成する前記セパレータにおいて、前記セパレータが、電子線照射により処理されてなり、前記セパレータの100℃における熱機械分析(TMA)の値が、0%〜−1%であることを特徴とするリチウム二次電池用セパレータ。
【請求項2】 セパレータがポリプロピレンまたはポリエチレンテレフタレートを含有するセパレータであることを特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池用セパレータ。
【請求項3】請求項1または請求項2記載のセパレータを有するリチウム二次電池。

【公開番号】特開2003−22793(P2003−22793A)
【公開日】平成15年1月24日(2003.1.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2001−207713(P2001−207713)
【出願日】平成13年7月9日(2001.7.9)
【出願人】(000122298)王子製紙株式会社 (2,055)
【Fターム(参考)】