JP2000357533A - ポリカーボネート電解質及びそれを含む高分子リチウム電池 - Google Patents
ポリカーボネート電解質及びそれを含む高分子リチウム電池Info
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Abstract
を有し、安価で安全且つ環境に優しい高分子電解質とし
てのポリカーボネート電解質及びそれを含む高分子リチ
ウム電池を提供する。 【解決手段】 (a)一般式 【化1】 (式中、Rは水素又は炭素数1〜10のアルキル基、n
は50〜1000の整数を表わす)で示されるポリカー
ボネートと充填剤とを含むポリカーボネート膜マトリッ
クスと、(b)このポリカーボネート膜マトリックスに
含浸したリチウム塩含有電解液と、からなるポリカーボ
ネート電解質。
Description
ト電解質、ポリカーボネート膜マトリックスの製造方
法、及びポリカーボネート電解質を含む高分子リチウム
電池に関する。
寿命の両面において優れた性能を備えているため、ここ
数年来幅広く応用されている。しかし、半導体デバイス
が小型化し、市場における携帯用電子製品の性能が向上
するのに伴い、より軽くて薄いリチウム電池が要求され
ている。
を使用しているため、金属缶に封入する必要がある。こ
の金属缶には生産において一定の厚さが必要であるた
め、液体の有機電解質を備えたリチウム電池は、厚さの
点で制限される。そのため、従来のリチウム電池では、
より軽くて薄いリチウム電池の要求を満たすことができ
ない。
高分子電解質に交換した高分子リチウム電池が開発され
ている。この高分子リチウム電池は、金属缶に封入され
ないため、厚さの制限が余りない。しかし、一般の高分
子は液体の有機電解質と同じ導電率を有していないた
め、液体の有機電解質の導電率(約10−3Ω−1cm
−1)に近い導電率を有する高分子電解質の開発は、高
分子リチウム電池の成功に左右する。
レート、窒化ポリアクリル(polyacrylnitrides)、及
びポリフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン
(polyvinylidene fluoride/hexafluoropropylenes)
等、多数の高分子電解質が次々と発表されている。この
うち、ポリフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレ
ンの高分子電解質が大変注目されている。1994年に
Bellcoreによって発案されたように、コポリマーである
ポリフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレンと可
塑剤とを混合して高分子膜を形成し、次いで溶剤を用い
て可塑剤を抽出すれば、多孔質高分子膜(porous polym
er membrane)が得られる。この多孔質高分子膜は、ス
ポンジのように電解液を含浸又は吸収することができ
る。そのため、電解液が多孔質高分子膜に浸透すること
により、この多孔質高分子膜内の電解液をこぼすことな
く保存することができる。更に、ポリフッ化ビニリデン
/ヘキサフルオロプロピレンは、機械的安定度、耐燃
性、電気化学的安定度において優れている。
ポリフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレンはフ
ッ化物であり、その製造時に、人間に対する強烈な刺激
性と腐食性のある猛毒のフッ化水素を生じるので、製造
設備における安全要求事項のためにコストが高くなると
いう問題点がある。従って、安価で安全且つ環境に優し
い高分子電解質の開発は、高分子リチウム電池の分野に
おける鍵となっている。
なされたものであり、高いイオン伝導率と優れた電気化
学的安定度を有し、安価で安全且つ環境に優しい高分子
電解質としてのポリカーボネート電解質、それに使用さ
れるポリカーボネート膜マトリックスの製造方法、及び
ポリカーボネート電解質を含む高分子リチウム電池を提
供することを目的とする。
め、請求項1のポリカーボネート電解質は、(a)ポリ
カーボネート膜マトリックスと、(b)このポリカーボ
ネート膜マトリックスに含浸したリチウム塩含有電解液
と、からなる。
記ポリカーボネート膜マトリックスが、一般式
は50〜1000の整数を表わす)で示されるポリカー
ボネートと、充填剤とを含む。
ては、前記ポリカーボネートと前記充填剤の重量比が
0.1乃至5:1である。
ては、前記充填剤が無機酸化物である。
ては、前記無機酸化物が二酸化ケイ素又はアルミナであ
る。
ては、前記リチウム塩が、ヘキサフルオロリン酸リチウ
ム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、過塩素酸リチウム、
テトラフルオロホウ酸リチウム、ビス〈トリフルオロメ
チルスルホニル〉イミドリチウム、及びトリス〈トリフ
ルオロメチルスルホニル〉メチドからなる群より選択さ
れる。
ては、前記ポリカーボネート膜マトリックスの厚さが1
0〜200μmである。
ては、前記リチウム塩含有電解液が炭酸プロピルと炭酸
エチルとを含む。
ては、前記ポリカーボネート膜マトリックスがスポンジ
状の多孔質マトリックスである。
トリックスの製造方法は、(a)一般式
は50〜1000の整数を表わす)で示されるポリカー
ボネート、可塑剤、及び充填剤を有機溶液に溶解させて
コロイド溶液を調製する工程と、(b)このコロイド溶
液を基板にコーティングしてコート層を形成する工程
と、(c)このコート層に含まれる前記可塑剤を除去し
てポリカーボネート膜マトリックスを得る工程と、から
なる。
リカーボネート、前記可塑剤、及び前記充填剤の重量比
が0.1乃至5:1乃至5:1である。
塑剤が、フタル酸ジブチル、炭酸プロピル、炭酸エチ
ル、炭酸ジエチレン、及び炭酸ジメチレンからなる群よ
り選択される。
填剤が無機酸化物である。
機酸化物が二酸化ケイ素又はアルミナである。
程(c)が、前記コート層からの前記可塑剤の抽出を含
む。
板がプラスチックシートである。
程(b)が、前記コート層の乾燥を含む。
機溶液が塩化メチレン溶液である。
は、(a)アノードと、(b)カソードと、(c)これ
らアノードとカソードの間に位置する請求項1乃至9の
いずれか記載のポリカーボネート電解質と、からなる。
て説明する。第1実施形態に係るポリカーボネート電解
質は、ポリカーボネート膜マトリックスと、このポリカ
ーボネート膜マトリックスに含浸したリチウム塩含有電
解液とからなる。
〔化1〕等の一般式で示されるポリカーボネートからな
るスポンジ状の多孔質マトリックスであり、充填剤を含
む。
ルキル基であり、特にメチル基、tert−ブチル基、又は
イソブチル基が好適である。nは、50〜1000の整
数である。商業上利用可能なものとしては、例えば、分
子量30000のポリカーボネート(三菱化学工業社
製)等が挙げられる。ポリカーボネートと充填剤の重量
比は、(0.1〜5):1が好適である。製造されるポ
リカーボネート膜マトリックスの厚さは、10〜200
μmが好適である。
リックスの機械的性質の改善、構造の安定化、及びイオ
ン伝導率の増加を目的とする。このような充填剤として
は、無機酸化物、特に二酸化ケイ素又はアルミナが好適
である。
のような工程により製造される。まず、ポリカーボネー
ト、可塑剤、及び充填剤を有機溶液に溶解させてコロイ
ド溶液を調製する。次に、このコロイド溶液を基板にコ
ーティングしてコート層を形成する。次いで、コート層
の可塑剤を抽出等して除去する。
マトリックスにリチウム塩含有電解液を吸収、含浸させ
るための細孔が形成される。このような可塑剤として
は、フタル酸ジブチル、炭酸プロピル、炭酸エチル、炭
酸ジエチレン、又は炭酸ジメチレンが好適である。
を、塩化メチレン等の有機溶液に溶解させてコロイド溶
液を調製し、このコロイド溶液をプラスチックシート等
の基板にコーティングする。可塑剤を抽出する前には、
コート層を約15〜40℃の環境に放置して有機溶液を
蒸発させるのが望ましい。抽出工程は、抽出溶液として
石油エーテルやジエチルエーテル等を用いて行う。
トリックスは、スポンジ状の多孔質膜マトリックスであ
る。このポリカーボネート膜マトリックスにリチウム塩
含有電解液を含浸させれば、ポリカーボネート電解質が
得られる。
炭酸エチル、及びリチウム塩(リチウムイオン)からな
る電解液である。リチウムイオンの濃度は、1〜2Mが
望ましい。
酸リチウム(lithium hexafluorophosphate)、ヘキサ
フルオロヒ酸リチウム(lithium hexafluoroarsenat
e)、過塩素酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウ
ム(lithium tetrafluoroborate)、ビス〈トリフルオ
ロメチルスルホニル〉イミドリチウム(lithium bis(tr
ifluoromethylsulfonyl)imido)、又はトリス〈トリフ
ルオロメチルスルホニル〉メチド(lithium tris(trifl
uoromethylsulfonyl)methide)が好適である。
は、第1実施形態のポリカーボネート電解質を用いたも
のである。この高分子リチウム電池は、アノードと、カ
ソードと、これらアノードとカソードの間に位置するポ
リカーボネート電解質とからなる。
CoO2、LiMn2O4、LiNiO2等をコーティングした網等の金
属基板である。アノードは、金属リチウム、銅箔、黒鉛
をコーティングした網、あるいはメソフェーズ炭素ミク
ロビード(mesophase carbonmicrobeads,MCMB)等
の金属基板である。
ず、可塑剤、導電率促進剤、結合剤、及び塗料を十分に
混合してスラリーを調製する。得られたスラリーをナイ
フコータ等で金属基板に均一にコーティングすれば、ア
ノードとカソードが得られる。次いで、アノード、カソ
ード、及びポリカーボネート電解質となる既述の組成物
を乾燥、圧縮する。次に、可塑剤を抽出した後、ポリカ
ーボネート膜マトリックスにリチウム塩含有電解液を含
浸させれば、高分子リチウム電池が得られる。
が、この発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、各種の変更が可能である。
リックスの製造〕可塑剤としてのフタル酸ジブチル3g
(実施例1)、ポリカーボネート(三菱エンジニアリン
グプラスチック社製、PCZ−300)3g、充填剤と
しての二酸化ケイ素0.6gを塩化メチレン32gに加
えて混合し、コロイド溶液を調製した。フタル酸ジブチ
ルを1.5gにしたもの(実施例2)及びフタル酸ジブ
チルを加えないもの(実施例3)についても、同様にし
てコロイド溶液を調製した。
を用いてコロイド溶液をプラスチックシートにコーティ
ングした後、約15〜40℃の環境に十分な時間放置し
て塩化メチレンを蒸発させ、フタル酸ジブチルを含むポ
リカーボネート膜を得た。次に、プラスチックシートか
らポリカーボネート膜をはがし、ジエチルエーテルに2
0分間浸漬してフタル酸ジブチルを抽出した。
ル酸ジブチルを含まないポリカーボネート膜マトリック
スが得られた。得られたポリカーボネート膜マトリック
スの厚さをマイクロメーターで、導電率をACインピー
ダンスアナライザーでそれぞれ測定した。その結果を表
1に示す。
の製造〕実施例1〜3で得られた多孔質のポリカーボネ
ート膜マトリックスに、炭酸プロピルと炭酸エチル
(1:1〔v/v〕)、並びに1Mのヘキサフルオロリ
ン酸リチウムからなるリチウム塩含有電解液をそれぞれ
含浸させ、ポリカーボネート電解質を得た。得られたポ
リカーボネート電解質の厚さ及び導電率を実施例1〜3
と同様にして測定した。その結果を表2に示す。
の製造〕可塑剤として、フタル酸ジブチルの代わりに炭
酸プロピルを用いた他は、実施例4〜6と同様にしてポ
リカーボネート電解質を得た。得られたポリカーボネー
ト電解質の厚さ及び導電率を実施例4〜6と同様にして
測定した。その結果を表3に示す。
ポリカーボネート電解質の電気化学的安定度を三電極法
(three-electrode method)で測定した。即ち、ポリカ
ーボネート電解質をテストセルにセットし、ポリカーボ
ネート電解質の一面に配置されるリチウム箔を対向電極
として、他面に配置されるアルミニウム箔を作用電極と
して、薄型のリチウム電極を照合電極として用いた。電
圧走査速度は2mV/secで行った。その結果を図1(図
中のPCZ)に示す。
流密度は、電圧が3600mV以下で低く保持されてい
る。これは、酸化還元反応が起こらないことを示してい
る。電圧が3600mV以上では、電流密度が徐々に上
昇する。これは、アルミニウム箔の表面が酸化してパッ
シベーション層が徐々に形成されていることを示してい
る。従って、電圧が走査後退(scan back)する場合、
電流密度はパッシベーション層の高抵抗により小さくな
る。以上のことから、ポリカーボネート電解質は、リチ
ウム電池の標準使用電圧の範囲内では酸化還元反応を起
こすことがなく、優れた電気化学的安定度を有してい
る。
リフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン6g、
炭酸プロピル6g、及び二酸化ケイ素0.3g使用)で
得られたポリフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピ
レン電解質についても、上記と同様にして電気化学的安
定度を測定した。その結果も図1(図中のPvDF)に
示す。
造〕 (a)カソードの製造 LiCoO285g、ポリフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロ
プロピレン結合剤(アメリカ合衆国:Solvay社製、SOLE
F 20810)5g、導電率促進剤(スイス:Timcal社製、
KS−6)10gを、アセトン/フタル酸ジブチル(2
5.5g/2.5g)混合溶液に加え、磁気攪拌機で3
0分間混合してスラリーを得た。次に、スラリーを25
0μmの隙間があるドクターブレードを用いて複数のア
ルミニウム網(福田金属社製)の両面にそれぞれコーテ
ィングした後、室温下に放置し、アセトンを十分に蒸発
させた。次いで、これらの網を2000kg/cm2の圧力
下でカレンダーし、積層カソードを形成した。
リデン/ヘキサフルオロプロピレン結合剤(アメリカ合
衆国:Solvay社製、SOLEF 20810)5g、及び導電率促
進剤(スイス:Timcal社製、KS−6)10gを、アセ
トン/フタル酸ジブチル(25.5g/2.5g)混合
溶液に加え、磁気攪拌機で30分間混合してスラリーを
得た。次に、スラリーを250μmの隙間があるドクタ
ーブレードを用いて複数のアルミニウム網(福田金属社
製)の両面にそれぞれコーティングした後、室温下に放
置し、アセトンを十分に蒸発させた。次いで、これらの
網を2000kg/cm2の圧力下でカレンダーし、積層ア
ノードを形成した。
カーボネート電解質5.5cm×5cm、及び積層カソ
ード5cm×4cmを、加熱プレス(圧力2000PS
I、60℃)により15分間圧縮して薄板にした。
エーテル50mLに20分間浸漬してフタル酸ジブチル
を抽出した後、50℃の温度下で乾燥させた。次いで、
乾燥させた電極集合体を真空オーブン(1torr、80
℃)に24時間放置した。そして、電極集合体に炭酸プ
ロピルと炭酸エチル(1:1〔v/v〕)からなるヘキ
サフルオロリン酸リチウム1Mを含浸させ、ポリカーボ
ネート電解質リチウム電池を得た。
電池について、充電・放電テストを行った。その結果を
図2及び図3に示す。図2から明らかなように、ポリカ
ーボネート電解質リチウム電池は、充電・放電能力を有
している。
ンジ状の多孔質マトリックス等からなるポリカーボネー
ト膜マトリックスを備えているので、これに含浸するリ
チウム塩含有電解液をこぼすことなく保存できると共
に、3×10−3Ω−1cm−1程度までのイオン伝導
率と優れた電気化学的安定度を有しているという利点が
ある。また、フッ化物ではないので、その合成によって
猛毒のフッ化水素を生じることはなく、そのため安価で
安全且つ環境に優しいという利点がある。
気化学的安定度を示すグラフ。
し放電容量を示すグラフ。
放電ポテンシャル曲線を示すグラフ。
9)
む高分子リチウム電池
は50〜1000の整数を表わす)で示されるポリカー
ボネートと充填剤とを含むポリカーボネート膜マトリッ
クスと、 (b)このポリカーボネート膜マトリックスに含浸した
リチウム塩含有電解液と、からなることを特徴とするポ
リカーボネート電解質。
量比が0.1乃至5:1である請求項1記載のポリカー
ボネート電解質。
又は2記載のポリカーボネート電解質。
ミナである請求項3記載のポリカーボネート電解質。
酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、過塩素酸リ
チウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、ビス〈トリフ
ルオロメチルスルホニル〉イミドリチウム、及びトリス
〈トリフルオロメチルスルホニル〉メチドからなる群よ
り選択される請求項1乃至4のいずれか記載のポリカー
ボネート電解質。
厚さが10〜200μmである請求項1乃至5のいずれ
か記載のポリカーボネート電解質。
ルと炭酸エチルとを含む請求項1乃至6のいずれか記載
のポリカーボネート電解質。
スポンジ状の多孔質マトリックスである請求項1乃至7
のいずれか記載のポリカーボネート電解質。
1乃至8のいずれか記載のポリカーボネート電解質と、
からなることを特徴とする高分子リチウム電池。
ト電解質及びそれを含む高分子リチウム電池に関する。
なされたものであり、高いイオン伝導率と優れた電気化
学的安定度を有し、安価で安全且つ環境に優しい高分子
電解質としてのポリカーボネート電解質及びそれを含む
高分子リチウム電池を提供することを目的とする。
め、請求項1のポリカーボネート電解質は、(a)一般
式
は50〜1000の整数を表わす)で示されるポリカー
ボネートと充填剤とを含むポリカーボネート膜マトリッ
クスと、(b)このポリカーボネート膜マトリックスに
含浸したリチウム塩含有電解液と、からなる。
ては、前記ポリカーボネートと前記充填剤の重量比が
0.1乃至5:1である。
ては、前記充填剤が無機酸化物である。
ては、前記無機酸化物が二酸化ケイ素又はアルミナであ
る。
ては、前記リチウム塩が、ヘキサフルオロリン酸リチウ
ム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、過塩素酸リチウム、
テトラフルオロホウ酸リチウム、ビス〈トリフルオロメ
チルスルホニル〉イミドリチウム、及びトリス〈トリフ
ルオロメチルスルホニル〉メチドからなる群より選択さ
れる。
ては、前記ポリカーボネート膜マトリックスの厚さが1
0〜200μmである。
ては、前記リチウム塩含有電解液が炭酸プロピルと炭酸
エチルとを含む。
ては、前記ポリカーボネート膜マトリックスがスポンジ
状の多孔質マトリックスである。
(a)アノードと、(b)カソードと、(c)これらア
ノードとカソードの間に位置する請求項1乃至8のいず
れか記載のポリカーボネート電解質と、からなる。
Claims (19)
- 【請求項1】 (a)ポリカーボネート膜マトリックス
と、 (b)このポリカーボネート膜マトリックスに含浸した
リチウム塩含有電解液と、からなることを特徴とするポ
リカーボネート電解質。 - 【請求項2】 前記ポリカーボネート膜マトリックス
が、一般式 【化1】 (式中、Rは水素又は炭素数1〜10のアルキル基、n
は50〜1000の整数を表わす)で示されるポリカー
ボネートと、充填剤とを含む請求項1記載のポリカーボ
ネート電解質。 - 【請求項3】 前記ポリカーボネートと前記充填剤の重
量比が0.1乃至5:1である請求項2記載のポリカー
ボネート電解質。 - 【請求項4】 前記充填剤が無機酸化物である請求項2
又は3記載のポリカーボネート電解質。 - 【請求項5】 前記無機酸化物が二酸化ケイ素又はアル
ミナである請求項4記載のポリカーボネート電解質。 - 【請求項6】 前記リチウム塩が、ヘキサフルオロリン
酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、過塩素酸リ
チウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、ビス〈トリフ
ルオロメチルスルホニル〉イミドリチウム、及びトリス
〈トリフルオロメチルスルホニル〉メチドからなる群よ
り選択される請求項1乃至5のいずれか記載のポリカー
ボネート電解質。 - 【請求項7】 前記ポリカーボネート膜マトリックスの
厚さが10〜200μmである請求項1乃至6のいずれ
か記載のポリカーボネート電解質。 - 【請求項8】 前記リチウム塩含有電解液が炭酸プロピ
ルと炭酸エチルとを含む請求項1乃至7のいずれか記載
のポリカーボネート電解質。 - 【請求項9】 前記ポリカーボネート膜マトリックスが
スポンジ状の多孔質マトリックスである請求項1乃至8
のいずれか記載のポリカーボネート電解質。 - 【請求項10】 (a)一般式 【化2】 (式中、Rは水素又は炭素数1〜10のアルキル基、n
は50〜1000の整数を表わす)で示されるポリカー
ボネート、可塑剤、及び充填剤を有機溶液に溶解させて
コロイド溶液を調製する工程と、 (b)このコロイド溶液を基板にコーティングしてコー
ト層を形成する工程と、 (c)このコート層に含まれる前記可塑剤を除去してポ
リカーボネート膜マトリックスを得る工程と、からなる
ことを特徴とするポリカーボネート膜マトリックスの製
造方法。 - 【請求項11】 前記ポリカーボネート、前記可塑剤、
及び前記充填剤の重量比が0.1乃至5:1乃至5:1
である請求項10記載のポリカーボネート膜マトリック
スの製造方法。 - 【請求項12】 前記可塑剤が、フタル酸ジブチル、炭
酸プロピル、炭酸エチル、炭酸ジエチレン、及び炭酸ジ
メチレンからなる群より選択される請求項10又は11
記載のポリカーボネート膜マトリックスの製造方法。 - 【請求項13】 前記充填剤が無機酸化物である請求項
10乃至12のいずれか記載のポリカーボネート膜マト
リックスの製造方法。 - 【請求項14】 前記無機酸化物が二酸化ケイ素又はア
ルミナである請求項13記載のポリカーボネート膜マト
リックスの製造方法。 - 【請求項15】 前記工程(c)が、前記コート層から
の前記可塑剤の抽出を含む請求項10乃至14のいずれ
か記載のポリカーボネート膜マトリックスの製造方法。 - 【請求項16】 前記基板がプラスチックシートである
請求項10乃至15のいずれか記載のポリカーボネート
膜マトリックスの製造方法。 - 【請求項17】 前記工程(b)が、前記コート層の乾
燥を含む請求項10乃至16のいずれか記載のポリカー
ボネート膜マトリックスの製造方法。 - 【請求項18】 前記有機溶液が塩化メチレン溶液であ
る請求項10乃至17のいずれか記載のポリカーボネー
ト膜マトリックスの製造方法。 - 【請求項19】 (a)アノードと、 (b)カソードと、 (c)これらアノードとカソードの間に位置する請求項
1乃至9のいずれか記載のポリカーボネート電解質と、
からなることを特徴とする高分子リチウム電池。
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