JP2000057845A - 高分子固体電解質の前駆体 - Google Patents

高分子固体電解質の前駆体

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JP2000057845A
JP2000057845A JP10218722A JP21872298A JP2000057845A JP 2000057845 A JP2000057845 A JP 2000057845A JP 10218722 A JP10218722 A JP 10218722A JP 21872298 A JP21872298 A JP 21872298A JP 2000057845 A JP2000057845 A JP 2000057845A
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electrolyte
carbon dioxide
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polymer
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Takehiro Koga
健裕 古賀
Takashi Namikata
尚 南方
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、電解液保持性が高く、高イオン伝
導度、強度に優れた高分子固体電解質を効率よく提供す
ること。 【解決手段】 二酸化炭素を含有することを特徴とする
高分子固体電解質の前駆体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子固体電解質
とそれを用いた非水系電池に関する。
【0002】
【従来の技術】リチウムイオン二次電池は高いエネルギ
ー密度を持つことから、携帯電話、パソコンなどの携帯
機器の小型化、軽量化に好適であることから工業化さ
れ、改良が進められている。現在リチウムイオン二次電
池に用いられている電解液を多孔質ポリオレフィンセパ
レータの空孔部に充填した形態(例えば、特公昭59−
37292号)では、ポリオレフィンのイオン透過性が
極めて低いため電解液を空孔部に充填した状態ではイオ
ン伝導度が電解液に比較して低くなる。また、充填した
電解液が容易に流出するため、電池構造体を重厚な金属
容器でパッケージする必要があり、電池の薄型化、軽量
化にとって好ましくない。
【0003】これに対し固体高分子電解質は、実質的に
フリーな液を内部に含まないことから液保持性に優れ、
漏液などの危険性が低く、電極との接合体を形成させる
ことにより薄型化、軽量化などが期待され、特に二次電
池の高エネルギー密度化に向けて開発が進められてい
る。高分子固体電解質には、イオン伝導性セラミック材
料と高分子固体電解質が提案されている。このうち、前
者のイオン伝導性セラミック材料はもろい性質を有し電
極との積層体形成が難しい。これに対し、高分子固体電
解質は加工性および柔軟性に優れており、電池などの電
気化学素子に利用した場合、電極との積層構造体形成が
容易であり、イオン吸蔵放出による電極の体積変化に追
随した固体電解質の界面形状の変化が可能であるなど好
ましい性質を有する。
【0004】このような高分子固体電解質の試みとし
て、Wrightによりポリエチレンオキシドのアルカ
リ金属塩複合体がBritish Polymer J
ournal、7巻、319ページ(1975年)に報
告され、以来ポリエチレングリコール、ポリプロピレン
オキシド、などのポリアルキレンエーテル系材料、ポリ
アクリロニトリル、ポリホスファゼン、ポリフッ化ビニ
リデン、ポリシロキサンなどを用いた固体電解質材料が
活発に研究されている。
【0005】これら高分子固体電解質は、通常は高分子
固体中に電解質が固溶した形態をとり、ドライ系高分子
電解質として知られている。これらのドライ系高分子固
体電解質は電解液を含まないため、安全性においては優
れているが、いずれもイオン伝導度は電解液のイオン伝
導度に比べ小さいことが問題であり、これらを用いて構
成した電池は充放電電流密度が低く限定され、電池抵抗
が高いなどの欠点を有する。このため、高いイオン伝導
度を有する高分子固体電解質が要求されている。
【0006】これに対し、電解質解離度を増大させたり
高分子の分子運動を促進してイオン伝導度を向上させる
ために、可塑剤として電解液を含有させたいわゆるゲル
系高分子固体電解質が知られている(例えば、特開昭5
6−143356号)。このようなゲル系高分子固体電
解質はドライ系より高いイオン伝導度を示すが、高いイ
オン伝導度を得るための可塑剤含有量増加に伴って機械
的強度が低下し、また膜厚の制御が困難となるなどの問
題を抱えている。
【0007】これらの問題を解決するため、独立気泡性
ポリマー発泡体に電解液を含浸することで高い強度、イ
オン伝導度を兼ね備えた高分子固体電解質が提案されて
いる。(例えば、国際公開番号、WO97/18596
号)この高分子固体電解質では特に高沸点電解液を含浸
させた場合の含浸速度が遅く、含浸速度の改善が期待さ
れていた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、電解液保持
性が高く、機械的強度に優れ、非水系電解液のイオン伝
導度に近い高イオン伝導度を有する高分子固体電解質を
効率よく提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するために鋭意研究を行った結果、電解液に対する
溶解度の高いガスを含有する高分子固体電解質の前駆体
が電解液含浸する際に電解液の含浸速度を大幅に短縮で
きることを見出し、本発明をなすに至った。即ち、本発
明は 1、二酸化炭素を含有することを特徴とする高分子固体
電解質の前駆体。 2、高分子が発泡体であることを特徴とする1記載の高
分子固体電解質の前駆体。 3、1記載の高分子固体電解質の前駆体に電解液を含浸
することを特徴とする高分子固体電解質の製造方法に関
する。
【0010】以下に、本発明の構成要素について説明す
る。本発明の高分子固体電解質の前駆体に用いる高分子
は、特に限定されるものではないが、例えば、ポリフッ
化ビニリデン系共重合体、ポリアクリロニトリル共重合
体類等である。これらのうち、特にリチウムイオン二次
電池として用いる場合には電解液を含浸したときのイオ
ン伝導度が高いことからポリフッ化ビニリデンが好まし
い。ポリフッ化ビニリデン系重合体とは、ビニリデンフ
ルオライドを主成分とし、ヘキサフルオロプロピレン、
パーフルオロプロピレン、パーフルオロビニルエーテ
ル、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレ
ンオキシド、フルオロエチレン等のコポリマーを含む重
合体およびコポリマーを含有しないいわゆるホモポリマ
ーを指す。また、高分子の形状はバルク状態、多孔体、
発泡体等全ての形状を用いることができるが、電解液の
含浸速度がより遅い発泡体等において本発明の効果はよ
り顕著に現れる。
【0011】本発明の高分子固体電解質の前駆体とは、
前記高分子の膜状のものであり、一般には厚みが5μm
から1000μm程度である。本発明は該前駆体中に二
酸化炭素を含有することを特徴とするものである。二酸
化炭素は、一般にリチウムイオン二次電池の電解液とし
て好適に用いられているプロピレンカーボネート、エチ
レンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの有機溶剤
に対する溶解度が高いため、通常空気を含有する前駆体
を用いた場合に比べ電解液の含浸速度を大きく高めるこ
とができる。また、二酸化炭素は電池内に残存した場合
にも放電量などの電池性能に与える影響が小さいために
好ましい。二酸化炭素の含有量は前駆体の空孔部の体積
の20%以上を占める量であれば良く、より好ましくは
60%以上を占める量である。前駆体の空孔部の体積は
バルクポリマーの比重と、用いる高分子の比重の比較か
ら求められる。膜内のガスの含有量は、例えば、減圧条
件下で高分子固体電解質の前駆体から含有されるガスを
抽出し、回収されたガスをガスクロマトグラフなどの方
法により定量する方法、膜に含まれる炭酸ガスを一定量
のアルカリ水溶液に吸収させ、導電率あるいは中和滴定
により定量する方法などにより求めることができる。
【0012】二酸化炭素を前駆体に含有させる方法は特
に限定しないが、例えば、二酸化炭素ガスに満たされた
密閉容器中に前駆体を置く方法、前駆体を隔壁とし、片
側から二酸化炭素ガスを加圧して前駆体内を透過させる
方法、前駆体を隔壁とし、片側に二酸化炭素ガスを充満
させ、逆側から減圧することにより前駆体内を透過させ
る方法や、二酸化炭素ガスを発泡剤として超臨界状態で
ポリマーに含有させた後、常圧雰囲気下に放出する方法
などにより前駆体を作成する際に含有させる方法などが
あげられる。
【0013】二酸化炭素を前駆体の膜に含有させる時の
温度は、膜中を拡散させる方法においては、下限は含有
二酸化炭素ガスが気体として存在しうる範囲であり、上
限は高分子が熱分解あるいは溶融する温度以下であれば
良い。ポリマーとして独立気泡性のヘキサフルオロプロ
ピレン含有率3重量%のポリフッ化ビニリデン系共重合
体を用いた場合、−78℃以上155℃以下である。ま
た、二酸化炭素ガスを発泡剤として超臨界状態で高分子
に含有させた後、常圧雰囲気下に放出する方法の場合、
含有させる際の圧力は7.38MPa以上、温度は30
4℃以上である。
【0014】本発明の高分子固体電解質の前駆体は電解
液を含浸させることにより高分子固体電解質とすること
ができる。ここで、電解液として用いられる液は電解質
を有機溶剤に溶解したものである。電解質はリチウムイ
オン二次電池用としては、リチウム塩が好ましく具体的
にはLiAsF6、LiBF4、LiPF6、LiCl
4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC
(CF3SO23などが挙げられる。また、有機溶剤の
具体例としてはプロピレンカーボネート、エチレンカー
ボネート、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエ
タン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、蟻
酸メチル、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、2
−メチルテトラヒドロフラン、3−メチル−1,3−オ
キソザイリジン−2−オン、ジメチルカーボネート、メ
チルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジエ
チルエーテル、スルホランなどおよびそれらの混合溶媒
などが挙げられる。
【0015】二酸化炭素含有後の電解液の含浸条件も特
には限定はしないが、ガス含有後、長時間空気中等に前
駆体を放置することは、二酸化炭素と空気の置換が起こ
ると考えられるため好ましくはない。放置時間は例え
ば、室温下では1日以下であることが望ましい。電解液
の含浸方法としては例えば、二酸化炭素を含有した前駆
体を電解液中に浸漬し含浸させる方法等が挙げられる。
電解液の含浸時の温度は該電解液の含浸処理により高分
子の強度低下が起こらない範囲であればよく、例えば高
分子としてASTM−D2856記載のエアピクノメー
タ法による連続気泡率の差分として求められる独立気泡
率が70%のヘキサフルオロプロピレン含有率3重量%
のポリフッ化ビニリデン系共重合体を用い、電解液とし
てLiBF 4を1モル/リットルになるように調製した
プロピレンカーボネートを用いた場合90℃以下であ
る。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例により詳細
に説明する。ここで、電解液を含浸した固体電解質のイ
オン伝導度(IC)は、1cm角のサンプルの両面を1
0μmの厚さのステンレスシート(幅6mm、長さ60
cm)で挟み、これらのステンレスシートを電極として
交流インピーダンスを測定(セイコーEG&G社、39
8型インピーダンス測定装置、測定周波数100kHz
〜1Hz)を行い、ナイキストプロットの複素インピー
ダンス実部切片(Zreal(Ω))から下記式により
算出した。ここで、dは固体電解質の膜厚(μm)であ
る。 IC(S/cm)=d×10-4/(Zreal×1)
【0017】
【実施例1】ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化
ビニリデン)共重合体樹脂(ヘキサフルオロプロピレン
含量3重量%)粉末を押し出しダイ温度230℃の押出
成形機を用いた加熱押し出し成形により厚さ35μmの
シート状膜に成形した。得られたシートに10Mrad
で電子線照射を行った後、80℃で真空乾燥して生成し
たHFガスを除去した。ついで密閉容器内でフロンHF
C134aを含浸(液含有率7重量%)させた後180
℃で10秒間加熱して厚さ70μmの白色発泡体である
前駆体の膜を得た。930型空気比較式比重計により測
定した独立気泡の膜全体に対する体積分率は73容量%
であった。この膜を10cm×10cmに切り、ポリエ
チレン製のグローブバッグに入れ、グローブバッグ内の
空気を二酸化炭素ガスで置換し、80℃条件下で10分
間放置したのち、室温まで冷却した。容器中で膜をチャ
ック式の袋に入れ、取り出した後、窒素気流下で、0.
005MのNaOH水溶液20ml中に膜を浸漬し、膜
内の二酸化炭素を吸収させた。この液を0.001Mの
硫酸により、フェノールフタレインを指示薬として滴定
することにより、膜内の二酸化炭素ガス量を定量したと
ころ、室温での体積として、0.68cm3であった。
これは、膜内の空孔の体積の97%に相当する。
【0018】上記の方法で作成した二酸化炭素を含有す
る高分子固体電解質の前駆体を1mol/lに調製した
LiBF4プロピレンカーボネート溶液に入れ、60℃
の温度で30分間電解液を含浸した。得られた高分子固
体電解質の電解液含有率は72重量%であった。また、
イオン伝導度は0.7mS/cmであった。
【0019】
【実施例2】実施例1に記載した同様の方法で、ポリ
(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン)共重
合体樹脂の厚さ70μmの白色発泡体の前駆体の膜を得
た。この膜を30℃で5分間二酸化炭素中に置き、膜内
に二酸化炭素を拡散させた。実施例1に記載した方法で
膜内の二酸化炭素量を測定したところ、室温の体積にし
て、膜の空孔部の約20%であった。この膜を1mol
/lに調製したLiBF 4プロピレンカーボネート溶液
に入れ、60℃の温度で30分間電解液を含浸した。得
られた高分子固体電解質の電解液含有率は50重量%で
あった。また、イオン伝導度は0.4mS/cmであっ
た。
【0020】
【比較例1】実施例1に記載した同様の方法で、ポリ
(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン)共重
合体樹脂の膜厚70μmの白色発泡体の前駆体の膜を得
た。この膜を1mol/lに調製したLiBF4プロピ
レンカーボネート溶液に入れ、60℃の温度で1時間電
解液を含浸した。得られた含浸体の電解液含有率は30
重量%であった。また、イオン伝導度は0.1mS/c
mであった。
【0021】
【発明の効果】本発明の二酸化炭素を含有する高分子固
体電解質の前駆体は、高い電解液の含有率を達成できる
ため、高イオン伝導度、高強度の高分子固体電解質を短
時間で製造することができる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二酸化炭素を含有することを特徴とする
    高分子固体電解質の前駆体。
  2. 【請求項2】 高分子が発泡体であることを特徴とする
    請求項1記載の高分子固体電解質の前駆体。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の高分子固体電解質の前駆
    体に電解液を含浸することを特徴とする高分子固体電解
    質の製造方法。
JP10218722A 1998-08-03 1998-08-03 高分子固体電解質の前駆体 Withdrawn JP2000057845A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012011642A1 (ko) * 2010-07-23 2012-01-26 고려대학교 산학협력단 염료감응 태양전지용 준고체 고분자 전해질, 그에 포함되는 정공수송물질, 및 그 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012011642A1 (ko) * 2010-07-23 2012-01-26 고려대학교 산학협력단 염료감응 태양전지용 준고체 고분자 전해질, 그에 포함되는 정공수송물질, 및 그 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지

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