JP2001202996A - Lithium-polymer secondary battery - Google Patents

Lithium-polymer secondary battery

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JP2001202996A JP2000009357A JP2000009357A JP2001202996A JP 2001202996 A JP2001202996 A JP 2001202996A JP 2000009357 A JP2000009357 A JP 2000009357A JP 2000009357 A JP2000009357 A JP 2000009357A JP 2001202996 A JP2001202996 A JP 2001202996A
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修司 堤
Yoji Sakurai
庸司 櫻井
So Arai
創 荒井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium-polymer secondary battery having a superior cycle characteristics, and reliability, and high energy density. SOLUTION: The lithium-polymer secondary battery consists of a lithium- contained complex nitride expressed by general formula, Li(3-x)-yMxN (where M is at least one kind of transition metals selected from among a group of Co, Mn, Ni and Cu, 0.3<=x<=0.6, 0<=y<=3-x), a positive pole comprising conductive and polymer materials, a negative pole comprising conductive and polymer materials and a polymer-gel electrolyte, containing an organic electrolytic solution.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ポリマー電解質を
備えた二次電池、特にその負極材料が改良されたリチウ
ムポリマー二次池に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a secondary battery provided with a polymer electrolyte, and more particularly to a lithium polymer secondary battery having an improved negative electrode material.

【0002】[0002]

【従来の技術】有機電解液を用い、炭素材料を負極材
料、リチウム含有複合酸化物を正極材料とするリチウム
イオン二次電池は、水溶液系の二次電池に比べて電圧お
よびエネルギー密度が高く、かつ低温特性が優れ、さら
にサイクル安定性にも優れているところから、急速に需
要が伸びている。また、有機電解液を含有する高分子
(ポリマー)ゲル状電解質を用いたリチウムポリマー電
池も薄型・軽量の新電池系として開発されつつある。
2. Description of the Related Art A lithium ion secondary battery using an organic electrolyte, a carbon material as a negative electrode material, and a lithium-containing composite oxide as a positive electrode material has a higher voltage and energy density than an aqueous secondary battery. Demand is growing rapidly because of its excellent low-temperature characteristics and excellent cycle stability. Also, a lithium polymer battery using a polymer gel electrolyte containing an organic electrolyte is being developed as a thin and lightweight new battery system.

【0003】ポリマー電解質電池は、ポリエチレンオキ
サイドと電解質塩からなるポリマー電解質を用いた電池
が提案(Second International Meeting on Solid Elec
trolytes, Extended Abstracts, p20-22 (1978),米国
特許第4,303,748号)されて以来、種々の研究が行われ
ている(例えば、「導電性高分子」緒方直哉編 講談社
(1990)や Polymer Electrolyte Reviews, Vols.
1 and 2, Elsevier, London (1987,1989))。しかし、
それら各種ポリマー電解質材料は、室温でのイオン伝導
度が10-4〜10-5S/cmのレベルにとまっている。
イオン伝導度を向上させる別のアプローチとして、有機
電解液の溶媒を可塑剤として含有させることにより、1
-3〜/cmレベルのイオン伝導度を容易に達成できる
タイプの電解質が提案され(J.Electrochem.Soc.,137,
1657(1990)、米国特許第5,085,952号、同第5,223,353
号、同第5,275,750号など)、ポリマーゲル電解質と呼
ばれている。このポリマーゲル電解質を用いたポリマー
電池は、イオン伝導度の向上により、リチウムイオン二
次電池と同程度の特性が期待される。
As a polymer electrolyte battery, a battery using a polymer electrolyte comprising polyethylene oxide and an electrolyte salt has been proposed (Second International Meeting on Solid Elec).
trolytes, Extended Abstracts, p20-22 (1978), U.S. Pat. No. 4,303,748), and various studies have been made (for example, "Conductive Polymers", edited by Naoya Ogata, Kodansha (1990) and Polymer Electrolyte Reviews. , Vols.
1 and 2, Elsevier, London (1987,1989)). But,
These various polymer electrolyte materials have an ionic conductivity at room temperature of 10 −4 to 10 −5 S / cm.
Another approach to improve ionic conductivity is to include a solvent for the organic electrolyte as a plasticizer,
An electrolyte of a type that can easily achieve an ion conductivity of 0 -3 to / cm level has been proposed (J. Electrochem. Soc., 137,
1657 (1990), U.S. Pat.Nos. 5,085,952, 5,223,353
No. 5,275,750), which are called polymer gel electrolytes. A polymer battery using this polymer gel electrolyte is expected to have properties similar to those of a lithium ion secondary battery due to improvement in ionic conductivity.

【0004】しかし、容量面では正・負極合剤中にもポ
リマーを含有することが必要であるため、リチウムを吸
蔵・放出可能な正・負極材料の量(密度)が低下する。
従って、同一の正・負極材料を用いた場合、リチウムポ
リマー二次電池はリチウムイオン二次電池よりもエネル
ギー密度が低下するという問題があった。負極材料とし
て高容量であるリチウム金属を用いると、充電時に負極
にデンドライト状の析出が起こり、充放電を繰り返すと
その析出物がポリマーゲル電解質を突き破って正極側に
達し、内部短絡を起こすおそれがある。また、析出した
リチウムは、比表面積が大きいため反応活性度が高く、
ポリマーゲル電解質の可塑剤(溶媒)と反応して不活性
化し、充放電効率を低下させる。これらの理由で負極材
料としてリチウム金属を用いたリチウム二次電池は、低
い信頼性および短いサイクル寿命に問題があった。現
在、リチウム金属に替わる負極材料として、リチウムイ
オンを吸蔵・放出できる炭素材料を使用した電池が実用
化されている。通常、炭素材料負極には金属リチウムは
析出しないため、デンドライトによる内部短絡の問題は
ない。しかし、炭素材料の代表例である黒鉛の理論容量
は372mAh/gであり、Li金属単体の理論容量の
10分の1程度と少ない。
However, in terms of capacity, since it is necessary to contain a polymer in the positive / negative electrode mixture, the amount (density) of the positive / negative electrode material capable of occluding and releasing lithium decreases.
Therefore, when the same positive and negative electrode materials are used, there is a problem that the energy density of the lithium polymer secondary battery is lower than that of the lithium ion secondary battery. When lithium metal with high capacity is used as the negative electrode material, dendrite-like precipitation occurs on the negative electrode during charging, and when charging and discharging are repeated, the precipitate may break through the polymer gel electrolyte and reach the positive electrode side, causing an internal short circuit. is there. In addition, the deposited lithium has a high specific activity due to its large specific surface area,
It reacts with the plasticizer (solvent) of the polymer gel electrolyte to deactivate it and lower the charge / discharge efficiency. For these reasons, lithium secondary batteries using lithium metal as the negative electrode material have problems of low reliability and short cycle life. At present, a battery using a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions as a negative electrode material instead of lithium metal has been put to practical use. Normally, metallic lithium does not precipitate on the carbon material negative electrode, so there is no problem of internal short circuit due to dendrite. However, the theoretical capacity of graphite, which is a typical example of a carbon material, is 372 mAh / g, which is as small as about 1/10 of the theoretical capacity of Li metal alone.

【0005】また、他の負極材料として、リチウムを含
む窒化物が高容量材料として知られている。このリチウ
ム含有複合窒化物を電池の負極材料として用いる技術は
比較的新しく、電気化学素子の電極材料としてリチウム
ニトリド金属化合物(リチウム含有複合窒化物と同意)
が開示されている(特開平7−78609号公報)。リ
チウムと遷移金属の複合窒化物Li(3-x)-yxN(Mは
Co、Mn、Ni、及びCuからなる群より選ばれた少
なくとも一種の遷移金属)は、電位的に金属リチウムを
通常析出しないため、デンドライトによる内部短絡の問
題はなく、中でも、上述のx値が0.1〜0.6あたり
の化合物はその可逆容量が500〜800mAh/gで
あり、いずれも黒鉛の理論容量よりも大きい有望な負極
材料である。
As another negative electrode material, a nitride containing lithium is known as a high capacity material. The technology of using this lithium-containing composite nitride as a negative electrode material of a battery is relatively new, and a lithium nitride metal compound (same as lithium-containing composite nitride) is used as an electrode material of an electrochemical device.
(Japanese Patent Laid-Open No. 7-78609). A composite nitride of lithium and a transition metal Li (3-x) -y M x N (M is at least one transition metal selected from the group consisting of Co, Mn, Ni, and Cu) is a metal lithium Is usually not precipitated, so there is no problem of internal short circuit due to dendrite. Among them, the above-mentioned compound having an x value of about 0.1 to 0.6 has a reversible capacity of 500 to 800 mAh / g. It is a promising negative electrode material larger than the capacity.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような炭素材料よりも高容量のこのリチウム含有複合窒
化物をポリマーゲル電解質を有する電池に用いるには、
以下に示すような課題があった。それは、リチウム含有
複合窒化物は、炭素負極材料にくらべて充放電サイクル
特性が不十分なことである。その理由は、充放電可逆容
量が大きい分、充放電における膨張・収縮による体積変
化が大きくなるためである。このように充電時と放電時
の体積差が大きい場合、大きなひずみが生じ、亀裂が発
生して窒化物粒子そのものが微細化したり、膨張・収縮
で極板内の導電剤との絡みを含めた電子伝導ネットワー
クが緩んだり分断されたりして、電気化学的な反応に関
与できない部分が増加し、充放電容量が低下する。特
に、ポリマーゲル電解質を用いた電池では、溶液系と比
べて電解質の形態の自由度が低いこともあり、集電ネッ
トワークの低下が顕著に現れ、サイクル特性の低下が著
しい。
However, in order to use a lithium-containing composite nitride having a higher capacity than the above-mentioned carbon material in a battery having a polymer gel electrolyte,
There were the following issues. That is, the lithium-containing composite nitride has insufficient charge / discharge cycle characteristics as compared with the carbon anode material. The reason is that the larger the reversible charge / discharge capacity, the larger the volume change due to expansion / contraction in charge / discharge. When the volume difference between charging and discharging is large, large strain is generated, cracks are generated and the nitride particles themselves are fined, and expansion and contraction include entanglement with the conductive agent in the electrode plate. As the electron conduction network is loosened or cut off, the portion that cannot participate in the electrochemical reaction increases, and the charge / discharge capacity decreases. In particular, in a battery using a polymer gel electrolyte, the degree of freedom of the form of the electrolyte is lower than in a solution system, so that the current collection network is significantly reduced and the cycle characteristics are significantly reduced.

【0007】本発明は、上記従来の課題を解決し、リチ
ウム含有複合窒化物を負極材料に用いた、サイクル特性
および信頼性に優れ、高エネルギー密度のリチウムポリ
マー二次電池を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to provide a lithium polymer secondary battery having excellent cycle characteristics and reliability and high energy density using a lithium-containing composite nitride as a negative electrode material. And

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のリチウムポリマー二次電池は、リチウム含有
複合酸化物である主材料、導電剤およびポリマー材料か
らなる正極と、リチウム含有複合窒化物である主材料、
導電材およびポリマー材料からなる負極と、有機電解液
を含有するポリマーゲル電解質とを備え、リチウム含有
複合窒化物として、一般式Li(3-x)-yxN(MはC
o、Mn、Ni及びCuからなる群より選ばれた少なく
とも一種の遷移金属、xは遷移金属の含有量、yは充放
電に伴い変化するLi含量の変化を示す変数である。)
で表され、式中の遷移金属の含有量を表すx値が0.3
≦x≦0.6であるものを用いる。y値は、Liをすべ
て放出したときの(3−x)−y=0、すなわちy=3
−xを上限とし、0≦y≦3−xの範囲にある。なお、
充電によりy値が3−xを超える量を蓄積することは可
能であるが、Liの析出という形態となる。
In order to solve the above problems, a lithium polymer secondary battery of the present invention comprises a positive electrode comprising a main material, a conductive agent and a polymer material, which is a lithium-containing composite oxide, and a lithium-containing composite nitride. The main material,
A negative electrode composed of a conductive material and a polymer material, and a polymer gel electrolyte containing an organic electrolyte are provided. As a lithium-containing composite nitride, a general formula Li (3-x) -y M x N (M is C
At least one transition metal selected from the group consisting of o, Mn, Ni and Cu, x is a content of the transition metal, and y is a variable indicating a change in Li content that changes with charging and discharging. )
And the x value representing the content of the transition metal in the formula is 0.3
≦ x ≦ 0.6 is used. The y value is (3-x) -y = 0 when all Li is released, that is, y = 3
−x is the upper limit, and is in the range of 0 ≦ y ≦ 3-x. In addition,
It is possible to accumulate an amount of the y value exceeding 3-x by charging, but it is in the form of Li deposition.

【0009】本発明は、高容量のリチウム含有複合窒化
物の充放電に伴う体積変化に注目し、その遷移金属の含
有量を制御することによって体積変化を抑制し、サイク
ル特性を改善するものである。特に、適切な組成のリチ
ウム含有複合窒化物を負極材料として用い、その体積変
化を最小限にとどめ、ポリマーゲル電解質電池の従来の
課題を解決するものである。
The present invention focuses on the change in volume of a high-capacity lithium-containing composite nitride due to charge and discharge, and suppresses the change in volume by controlling the content of the transition metal to improve cycle characteristics. is there. In particular, the present invention solves the conventional problems of a polymer gel electrolyte battery by using a lithium-containing composite nitride having an appropriate composition as a negative electrode material, minimizing a change in volume thereof.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明は、負極材料として一般式
Li(3-x)-yxN(MはCo、Mn、Ni及びCuから
なる群より選ばれた少なくとも一種の遷移金属)で表さ
れるリチウム含有複合窒化物を用い、前記式中のx値を
0.3≦x≦0.6とする。このリチウム含有複合窒化
物は、窒化リチウムLi3Nに遷移金属原子を固溶した
化合物である。x値は合成した時点で決定される。実験
的に検討した結果、置換できる量はx≦0.6の範囲
(6<xでは未反応の遷移金属が残存する)であるが、
特に電池の主材料として機能するのは0.1≦x≦0.
6の範囲である。なお、x<0.1ではLi3Nと同様
にほとんど電気伝導性を示さず、電極の主材料となり得
なかった。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention relates to a negative electrode material of the general formula Li (3-x) -y M x N (M is at least one transition metal selected from the group consisting of Co, Mn, Ni and Cu). Using the lithium-containing composite nitride represented by the following formula, the value x in the above formula is set to 0.3 ≦ x ≦ 0.6. This lithium-containing composite nitride is a compound in which a transition metal atom is dissolved in lithium nitride Li 3 N. The x value is determined at the time of synthesis. As a result of an experimental study, the amount that can be replaced is in the range of x ≦ 0.6 (unreacted transition metal remains when 6 <x),
In particular, the function as the main material of the battery is 0.1 ≦ x ≦ 0.
The range is 6. When x <0.1, almost no electrical conductivity was exhibited as in Li 3 N, and it could not be used as the main material of the electrode.

【0011】ポリマーゲル電解質を用いた本発明に係る
電池に最適な材料は、x値が0.3≦x≦0.6のリチ
ウム含有複合窒化物である。x値を限定する具体的な理
由は以下のとおりである。すなわち、溶液系の電解質を
用いた場合、上記リチウム含有複合窒化物は、x値0.
1≦x≦0.6の材料が充放電可能な電極機能を示す
が、実験的にx<0.3の材料はポリマーゲル電解質で
電池を構成すると極めてサイクル特性が悪い結果となっ
た。負極板の厚みを測定したところ、充放電に伴う極板
の厚み変化がx<0.3では著しく大きくなっているこ
とがわかった。これら窒化物は、充放電を経験すると非
晶質化するため格子定数の変化から現象をとらえること
はできないが、少なくとも遷移金属の置換量が少ない領
域、すなわちx<0.3の領域では、遷移金属の価数変
化による結晶の歪みの緩和作用が弱まるため、結晶の膨
張・収縮が促進されるものと推測される。すなわち、本
発明の0.3≦x≦0.6の領域では、遷移金属の価数
変化が結晶歪みを緩和するため、膨張・収縮が抑制され
るものと推測される。従って、ポリマーゲルを電解質と
するリチウムポリマー二次電池で、リチウム含有複合窒
化物を負極に用いる場合は、上述の一般式におけるx値
が0.3≦x≦0.6の範囲の材料を用いることが必要
である。電解質の形態の自由度がさらに低い液成分を含
まないポリマー電池では、このような体積変化の少ない
材料を選択することはさらに重要である。
The most suitable material for the battery according to the present invention using a polymer gel electrolyte is a lithium-containing composite nitride having an x value of 0.3 ≦ x ≦ 0.6. The specific reason for limiting the x value is as follows. That is, when a solution-based electrolyte is used, the lithium-containing composite nitride has an x value of 0.3.
Materials with 1 ≦ x ≦ 0.6 exhibit an electrode function capable of charge / discharge, but experimentally, when a material with x <0.3 constituted a battery with a polymer gel electrolyte, the results showed extremely poor cycle characteristics. When the thickness of the negative electrode plate was measured, it was found that the thickness change of the electrode plate due to charge and discharge was significantly large when x <0.3. Since these nitrides become amorphous when subjected to charge and discharge, the phenomenon cannot be captured from a change in lattice constant. However, at least in a region where the amount of substitution of the transition metal is small, that is, in a region where x <0.3, the transition state is low. It is presumed that the expansion and contraction of the crystal is promoted because the effect of relaxing the strain of the crystal due to the change in the valence of the metal is weakened. That is, in the range of 0.3 ≦ x ≦ 0.6 of the present invention, the valence change of the transition metal alleviates the crystal distortion, so that it is assumed that expansion and contraction are suppressed. Therefore, in a lithium polymer secondary battery using a polymer gel as an electrolyte, when a lithium-containing composite nitride is used for a negative electrode, a material having an x value in the above general formula in the range of 0.3 ≦ x ≦ 0.6 is used. It is necessary. In a polymer battery that does not include a liquid component having a lower degree of freedom in the form of an electrolyte, it is more important to select a material having such a small volume change.

【0012】本発明のさらに好ましい実施の形態を以下
に説明する。本発明の好ましいポリマーゲル電解質のポ
リマーは、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオ
キサイドなどのアルキレンオキサイドまたはその誘導体
を骨格とするポリマーである。アルキレンオキサイド
は、比較的融点の低いポリマー材料であり、リチウム塩
の溶解度が大きく、取り扱いが容易である特徴を有して
いる。イオン伝導度が低いという課題は有機溶媒を可塑
剤として用いることにより解決される。本発明の他の好
ましいポリマーゲル電解質のポリマーは、フッ化ビニリ
デン、6フッ化プロピレン、4フッ化エチレン、および
パーフルオロアルキルビニルエーテルからなる群より選
ばれた2種または3種の共重合体である。特に好ましく
はフッ化ビニリデンと6フッ化プロピレンの共重合体で
ある。この共重合体は、化学的安定性に優れており、ま
た熱溶着することも可能である。さらに、フタル酸エス
テルなどの可塑剤とともにテトラハイドロフランなどの
溶媒に溶解し、キャスト、乾燥してフィルムを作製した
後、エーテルなどの溶媒で可塑剤を溶出することによ
り、多孔質フィルムが得られる。この多孔質フィルムに
電解液を注液するとゲル電解質が得られることから、一
体化した電極構成を作製した後、最後に電解液を注液し
てゲル化することができる。
A further preferred embodiment of the present invention will be described below. A preferred polymer of the polymer gel electrolyte of the present invention is a polymer having a skeleton of an alkylene oxide such as polyethylene oxide or polypropylene oxide or a derivative thereof. Alkylene oxide is a polymer material having a relatively low melting point, has a high solubility of a lithium salt, and has characteristics of being easy to handle. The problem of low ionic conductivity is solved by using an organic solvent as a plasticizer. Other preferred polymers of the polymer gel electrolyte of the present invention are two or three copolymers selected from the group consisting of vinylidene fluoride, propylene hexafluoride, ethylene tetrafluoride, and perfluoroalkyl vinyl ether. . Particularly preferred is a copolymer of vinylidene fluoride and propylene hexafluoride. This copolymer is excellent in chemical stability and can be thermally welded. Furthermore, a porous film is obtained by dissolving in a solvent such as tetrahydrofuran with a plasticizer such as a phthalate ester, casting and drying to produce a film, and then eluting the plasticizer with a solvent such as ether. . When an electrolytic solution is injected into the porous film, a gel electrolyte is obtained. Therefore, after an integrated electrode configuration is manufactured, the electrolytic solution can be finally injected and gelled.

【0013】本発明のさらに他の好ましいポリマーゲル
電解質のポリマーは、ポリアクリロニトリルまたはポリ
アクリロニトリルを主成分とし、アクリル酸メチル、ビ
ニルピロリドン、酢酸ビニルなどとの共重合体を骨格と
するポリアクリロニトリル系ポリマーである。また、フ
ッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエーテル系樹
脂などとのポリマーアロイとして用いることも可能であ
る。ポリアクリロニトリル系ポリマーは、最も汎用性に
富む高分子材料の一つであり、ジメチルホルムアミドな
どの溶媒に溶解あるいは有機電解液と加熱し溶解したも
のをキャストしてフィルム化することも可能であり、不
織布状の多孔質体に有機電解液を含浸し、加熱、冷却す
ることによりゲル状フィルムを得ることができるなど取
り扱いが容易であり、さらに難燃性であるという特徴を
有している。本発明の他の好ましいポリマーゲル電解質
のポリマーは、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またはそれらの誘導体を骨格とし、
メタクリル酸エチル、スチレン、酢酸ビニルなどとの共
重合体であるポリエステル系ポリマーである。また、フ
ッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエーテル系樹
脂などとのポリマーアロイとして用いることも可能であ
る。ポリエステル系ポリマーは、最も汎用性に富む高分
子材料の一つであり、化学的安定性に優れ、フレキシブ
ルで機械的強度が強いフィルムを作製することが可能で
ある。本発明の好ましいポリマーゲル電解質のポリマー
は、メタクリレートとエチレンオキサイドの共重合体で
ある。メタクリル酸エチル、ジメタクリルエチレングリ
コールなどと分子量10000以下のポリエチレンオキ
サイドの混合物の溶液に有機電解液と重合開始剤を加え
た溶液を正・負極上にキャストした後、熱または紫外線
照射などにより、電極上で直接重合し、ゲル電解質層を
形成することが可能である。
Still another preferred polymer gel electrolyte polymer of the present invention is a polyacrylonitrile-based polymer having polyacrylonitrile or polyacrylonitrile as a main component and having a skeleton of a copolymer of methyl acrylate, vinylpyrrolidone, vinyl acetate and the like. It is. Further, it can be used as a polymer alloy with a fluorine resin, a polyolefin resin, a polyether resin, or the like. Polyacrylonitrile-based polymer is one of the most versatile polymer materials, and it is also possible to form a film by dissolving in a solvent such as dimethylformamide or heating and dissolving with an organic electrolyte solution. A nonwoven fabric-like porous body is impregnated with an organic electrolytic solution, heated and cooled to obtain a gel-like film, so that it is easy to handle, and furthermore, has a feature of being flame-retardant. Other preferred polymer gel electrolyte polymer of the present invention, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate or a derivative thereof as a skeleton,
It is a polyester polymer which is a copolymer with ethyl methacrylate, styrene, vinyl acetate and the like. Further, it can be used as a polymer alloy with a fluorine resin, a polyolefin resin, a polyether resin, or the like. A polyester-based polymer is one of the most versatile polymer materials, and is capable of producing a film having excellent chemical stability, flexibility and high mechanical strength. A preferred polymer of the polymer gel electrolyte of the present invention is a copolymer of methacrylate and ethylene oxide. After casting a solution obtained by adding an organic electrolyte and a polymerization initiator to a solution of a mixture of ethyl methacrylate, dimethacrylethylene glycol, and a polyethylene oxide having a molecular weight of 10,000 or less on the positive and negative electrodes, the electrodes are irradiated with heat or ultraviolet rays. It is possible to form a gel electrolyte layer by directly polymerizing the above.

【0014】負極のリチウム含有複合窒化物は、水分と
の反応性が高く、水分で劣化するため、ペースト化等に
用いる溶剤は高度に脱水されたものを用いることが望ま
しい。本発明のポリマーゲル電解質のセパレータ部に
は、微粒子分散剤、フィラー、不織布などの構造補強材
を含むことが好ましい。構造補強材としては、有機電解
液やポリマー材料と化学変化を起こさない微粒子ないし
繊維状材料であれば何でも用いることができるが、表面
を疎水化処理、例えばシランカップリング処理をしたシ
リカ、アルミナなどの粒径1μm程度以下のセラミック
微粒子、あるいはポリプロピレン、ポリエチレンなどの
オレフィン系ポリマーの繊維もしくは不織布を用いるこ
とができる。構造補強材の添加量は、特に限定されない
が、ポリマーゲル電解質セパレータ部の40重量%まで
の範囲が好ましい。
Since the lithium-containing composite nitride of the negative electrode has high reactivity with water and is degraded by water, it is preferable to use a highly dehydrated solvent for forming a paste or the like. The separator portion of the polymer gel electrolyte of the present invention preferably contains a structural reinforcing material such as a fine particle dispersant, a filler, and a nonwoven fabric. As the structural reinforcing material, any fine particles or fibrous materials that do not cause a chemical change with the organic electrolyte solution or the polymer material can be used, but the surface is made hydrophobic, for example, silica or alumina that has been subjected to silane coupling treatment. Can be used, ceramic fine particles having a particle size of about 1 μm or less, or fibers or nonwoven fabrics of olefin-based polymers such as polypropylene and polyethylene. The addition amount of the structural reinforcing material is not particularly limited, but is preferably in a range of up to 40% by weight of the polymer gel electrolyte separator.

【0015】本発明に用いられる正極及び負極は、リチ
ウムイオンを電気化学的かつ可逆的に吸蔵・放出できる
正極材料及び上記負極材料に、それぞれ導電剤、ポリマ
ー材料等を加えた合剤層を集電体の表面に塗着して作製
される。本発明に用いられる負極用導電剤は、電子伝導
性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒鉛(鱗片状
黒鉛など)、人造黒鉛、膨張黒鉛などのグラファイト
類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャン
ネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、
サーマルブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、
金属繊維などの導電性繊維類、銅、ニッケル等の金属粉
末類およびポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料
などを単独またはこれらの混合物として含ませることが
できる。これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、アセチレ
ンブラック、炭素繊維が特に好ましい。導電剤の添加量
は、特に限定されないが、負極材料に対して1〜50重
量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ましい。本発
明の負極材料は、それ自身電子伝導性を有するため、導
電剤を添加しなくても電池として機能させることは可能
である。本発明に用いられる負極用集電体としては、構
成された電池において化学変化を起こさない電子伝導体
であれば何でもよい。例えば、材料としてステンレス
鋼、ニッケル、銅、チタン、炭素、導電性樹脂などの他
に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケルある
いはチタンを処理させたものなどが用いられる。特に、
銅あるいは銅合金が好ましい。また、表面処理により集
電体表面に凹凸を付けることが望ましい。形状は、フォ
イルの他、フィルム、シート、ネット、パンチングされ
たもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体な
どが用いられる。厚みは、特に限定されないが、1〜5
00μmのものが用いられる。
The positive electrode and the negative electrode used in the present invention comprise a positive electrode material capable of electrochemically and reversibly absorbing and releasing lithium ions and a mixture layer in which a conductive agent, a polymer material and the like are added to the above-mentioned negative electrode material, respectively. It is produced by coating on the surface of the electric body. The conductive agent for a negative electrode used in the present invention may be any material as long as it is an electron conductive material. For example, graphite such as natural graphite (flaky graphite, etc.), artificial graphite, expanded graphite, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black,
Carbon blacks such as thermal black, carbon fiber,
Conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as copper and nickel, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives can be included alone or as a mixture thereof. Among these conductive agents, artificial graphite, acetylene black and carbon fiber are particularly preferred. The addition amount of the conductive agent is not particularly limited, but is preferably 1 to 50% by weight, and particularly preferably 1 to 30% by weight based on the negative electrode material. Since the negative electrode material of the present invention itself has electronic conductivity, it is possible to function as a battery without adding a conductive agent. The current collector for the negative electrode used in the present invention may be any electronic conductor that does not cause a chemical change in the configured battery. For example, in addition to stainless steel, nickel, copper, titanium, carbon, conductive resin, and the like, a material obtained by treating the surface of copper or stainless steel with carbon, nickel, or titanium is used. In particular,
Copper or copper alloys are preferred. In addition, it is desirable to make the current collector surface uneven by surface treatment. As the shape, in addition to a foil, a film, a sheet, a net, a punched material, a lath body, a porous body, a foamed body, a molded body of a fiber group, and the like are used. The thickness is not particularly limited, but is 1 to 5
One having a thickness of 00 μm is used.

【0016】本発明の正極材料には、リチウム含有遷移
金属酸化物を用いることができる。例えば、LixCo
2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1-y
2、LixCoy1-yz、LixNi1-yyz、Lix
Mn24、LixMn2-yMyO4(M=Na、Mg、S
c、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、
Cr、Pb、Sb、Bのうち少なくとも一種、x=0〜
1.2、y=0〜0.9、z=2.0〜2.3)があげ
られる。ここで、上記のx値は、充放電開始前の値であ
り、充放電により増減する。なお、リチウム含有遷移金
属化合物のような通常充電から(Liの放出方向から)
開始する正極材料を用いる場合は、本発明の窒化物材料
が通常放電から開始する負極材料なので、状態を一致さ
せるために正・負極のいずれか一方からあらかじめLi
を抜く化成処理が必要である。また、遷移金属カルコゲ
ン化物、バナジウム酸化物のリチウム化合物、ニオブ酸
化物のリチウム化合物、有機導電性物質を用いた共役系
ポリマー、シェブレル相化合物等の他の正極材料を用い
ることも可能である。二酸化マンガン、五酸化バナジウ
ムなどの通常放電から開始する正極材料の場合は、化成
処理を施す必要がなく、製造上は有利である。また、複
数の異なった正極材料を混合して用いることも可能であ
る。正極材料の粒子の平均粒径は、特に限定はされない
が、1〜30μmであることが好ましい。
As the positive electrode material of the present invention, a lithium-containing transition metal oxide can be used. For example, Li x Co
O 2 , Li x NiO 2 , Li x MnO 2 , Li x Co y Ni 1-y
O 2 , Li x Co y M 1-y O z , Li x Ni 1- y My O z , Li x
Mn 2 O 4 , Li x Mn 2-y MyO 4 (M = Na, Mg, S
c, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al,
At least one of Cr, Pb, Sb and B, x = 0
1.2, y = 0 to 0.9, z = 2.0 to 2.3). Here, the above-mentioned x value is a value before the start of charge / discharge, and increases / decreases due to charge / discharge. In addition, from normal charge such as a lithium-containing transition metal compound (from the direction of Li release)
When a positive electrode material is used, the nitride material of the present invention is a negative electrode material that normally starts from discharge.
Chemical conversion treatment is required. It is also possible to use other positive electrode materials such as transition metal chalcogenides, lithium compounds of vanadium oxides, lithium compounds of niobium oxides, conjugated polymers using organic conductive substances, and Chevrel phase compounds. In the case of a positive electrode material such as manganese dioxide or vanadium pentoxide, which starts from a normal discharge, it is not necessary to perform a chemical conversion treatment, which is advantageous in production. It is also possible to use a mixture of a plurality of different positive electrode materials. The average particle size of the particles of the positive electrode material is not particularly limited, but is preferably 1 to 30 μm.

【0017】本発明で使用される正極用導電剤は、用い
る正極材料の充放電電位において、化学変化を起こさな
い電子伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒
鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト
類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャン
ネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、
サーマルブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、
金属繊維などの導電性繊維類、アルミニウム等の金属粉
末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィス
カー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物あるいはポ
リフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独ま
たはこれらの混合物として含ませることができる。これ
らの導電剤のなかで、人造黒鉛、アセチレンブラックが
特に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されない
が、正極材料に対して1〜50重量%が好ましく、特に
1〜30重量%が好ましい。カーボンやグラファイトで
は、2〜15重量%が特に好ましい。本発明に用いられ
る正極用集電体としては、用いる正極材料の充放電電位
において化学変化を起こさない電子伝導体であれば何で
もよい。例えば、材料としてステンレス鋼、アルミニウ
ム、チタン、炭素、導電性樹脂などの他に、アルミニウ
ムやステンレス鋼の表面にカーボンあるいはチタンを処
理させたものが用いられる。特に、アルミニウムあるい
はアルミニウム合金が好ましい。これらの材料の表面を
酸化して用いることもできる。また、表面処理により集
電体表面に凹凸を付けることが望ましい。形状は、フォ
イルの他、フィルム、シート、ネット、パンチされたも
の、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群、不織布体の成
形体などが用いられる。厚みは、特に限定されないが、
1〜500μmのものが用いられる。
The conductive agent for the positive electrode used in the present invention may be any electronic conductive material which does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode material used. For example, graphites such as natural graphite (flaky graphite, etc.), artificial graphite, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black,
Carbon blacks such as thermal black, carbon fiber,
Conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives alone. Alternatively, they can be included as a mixture thereof. Among these conductive agents, artificial graphite and acetylene black are particularly preferred. The addition amount of the conductive agent is not particularly limited, but is preferably 1 to 50% by weight, and particularly preferably 1 to 30% by weight based on the positive electrode material. For carbon and graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferred. The positive electrode current collector used in the present invention may be any electronic conductor that does not cause a chemical change in the charge and discharge potential of the positive electrode material used. For example, in addition to stainless steel, aluminum, titanium, carbon, conductive resin, and the like, a material obtained by treating the surface of aluminum or stainless steel with carbon or titanium is used. Particularly, aluminum or an aluminum alloy is preferable. The surface of these materials can be oxidized and used. In addition, it is desirable to make the current collector surface uneven by surface treatment. As the shape, in addition to a foil, a film, a sheet, a net, a punched material, a lath body, a porous body, a foamed body, a fiber group, a molded body of a nonwoven fabric body, or the like is used. The thickness is not particularly limited,
Those having a thickness of 1 to 500 μm are used.

【0018】正・負極の電極の結着剤には、通常セパレ
ータ部に用いているポリマーと同一のポリマーを結着剤
として用いるが、電極の強度および電極と集電体の接着
強度を向上させるために別の結着剤を併用することも可
能である。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポ
リテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ス
チレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキ
サフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン
−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロ
エチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合
体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重
合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン
共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合
体、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデ
ン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−
テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロト
リフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキ
サフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合
体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエー
テル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−ア
クリル酸共重合体または前記材料の(Na+)イオン架
橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体または前記材料
の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチ
ル共重合体または前記材料の(Na+)イオン架橋体、
エチレン−メタクリル酸メチル共重合体または前記材料
の(Na+)イオン架橋体を挙げる事ができ、これらの
材料を単独または混合物として用いることができる。
As the binder for the positive and negative electrodes, the same polymer as that usually used for the separator portion is used as the binder, but this improves the strength of the electrode and the adhesive strength between the electrode and the current collector. Therefore, it is also possible to use another binder in combination. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer Polymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer Coalesce, propylene-
Tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene- Acrylic acid copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the above material, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the above material, ethylene-methyl acrylate copolymer or (Na + ) + ) Ion cross-linked,
Examples include an ethylene-methyl methacrylate copolymer or a (Na + ) ion cross-linked product of the above-mentioned materials, and these materials can be used alone or as a mixture.

【0019】本発明における負極板と正極板の構成は、
少なくとも正極合剤面の対向面に負極合剤面が存在して
いることが好ましい。本発明のポリマー電解質に用いら
れる非水電解質は、溶媒と、その溶媒に溶解するリチウ
ム塩とから構成される。可塑剤としても作用する非水溶
媒としては、例えば、エチレンカーボネ−ト、プロピレ
ンカ−ボネ−ト、ブチレンカーボネート、ビニレンカー
ボネートなどの環状カーボネート類、ジメチルカーボネ
ート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネー
ト、ジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート
類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プ
ロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル類、
γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−ジメ
トキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、エトキシメ
トキシエタン等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラ
ン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル
類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホ
ルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジ
オキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニト
ロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、
トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラ
ン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダ
ゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロ
ピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導
体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニ
ソール、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリド
ン、などの非プロトン性有機溶媒を挙げることができ、
これらの一種または二種以上を混合して使用する。なか
でも環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合系ま
たは環状カーボネートと鎖状カーボネート及び脂肪族カ
ルボン酸エステルとの混合系が好ましい。
The structure of the negative electrode plate and the positive electrode plate in the present invention is as follows.
It is preferable that the negative electrode mixture surface exists at least on the surface opposite to the positive electrode mixture surface. The non-aqueous electrolyte used for the polymer electrolyte of the present invention comprises a solvent and a lithium salt dissolved in the solvent. Examples of the non-aqueous solvent that also acts as a plasticizer include, for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate. Chain carbonates such as carbonate, methyl formate, methyl acetate, methyl propionate, aliphatic carboxylic acid esters such as ethyl propionate,
γ-lactones such as γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, chain ethers such as ethoxymethoxyethane, tetrahydrofuran, cyclic ethers such as 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolan, formamide, acetamide, dimethylformamide, dioxolan, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester,
Trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ethyl ether, 1,3-propane sultone, Aprotic organic solvents such as anisole, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone, and the like;
These may be used alone or in combination of two or more. Among them, a mixed system of a cyclic carbonate and a chain carbonate or a mixed system of a cyclic carbonate, a chain carbonate and an aliphatic carboxylic acid ester is preferable.

【0020】これらの溶媒に溶解するリチウム塩として
は、例えばLiClO4、LiBF4、LiPF6、Li
AlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCl、Li
CF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO22
LiAsF6、LiN(CF 3SO22、LiB10
10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、Li
Br、LiI、クロロボランリチウム、四フェニルホウ
酸リチウム、イミド類等を挙げることができ、これらを
使用する電解液等に単独または二種以上を組み合わせて
使用することができるが、特にLiPF6を含ませるこ
とがより好ましい。本発明における特に好ましい非水電
解質は、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネ
ートを少なくとも含み、支持塩としてLiPF6を含む
電解液である。これら電解質を電池内に添加する量は、
特に限定されないが、正極材料や負極材料の量や電池の
サイズによって必要量を用いることができる。支持電解
質の非水溶媒に対する溶解量は、特に限定されないが、
0.2〜2mol/lが好ましい。特に、0.5〜1.
5mol/lとすることがより好ましい。
As a lithium salt dissolved in these solvents,
Is, for example, LiClOFour, LiBFFour, LiPF6, Li
AlClFour, LiSbF6, LiSCN, LiCl, Li
CFThreeSOThree, LiCFThreeCOTwo, Li (CFThreeSOTwo)Two,
LiAsF6, LiN (CF ThreeSOTwo)Two, LiBTenC
lTen, Lower aliphatic lithium carboxylate, LiCl, Li
Br, LiI, lithium chloroborane, tetraphenylboron
Lithium acid, imides and the like can be mentioned.
A single or a combination of two or more
Can be used, but especially LiPF6Can contain
Is more preferable. Particularly preferred non-aqueous electrolyte in the present invention
Degradation is based on ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate.
LiPF as a supporting salt6including
Electrolyte. The amount of these electrolytes added in the battery is
Although not particularly limited, the amount of the positive electrode material and the negative electrode material and the
The required amount can be used depending on the size. Supporting electrolysis
The amount of the dissolved non-aqueous solvent is not particularly limited,
0.2 to 2 mol / l is preferred. In particular, 0.5-1.
More preferably, it is 5 mol / l.

【0021】放電や充放電特性を改良する目的で、他の
化合物を電解質に添加することも有効である。例えば、
トリエチルフォスファイト、トリエタノールアミン、環
状エーテル、エチレンジアミン、n−グライム、ピリジ
ン、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、
クラウンエーテル類、第四級アンモニウム塩、エチレン
グリコールジアルキルエーテル等を挙げることができ
る。電池の形状はコイン型、ボタン型、シート型、積層
型、円筒型、偏平型、角型、電気自動車等に用いる大型
のものなどいずれにも適用できる。本発明のリチウムポ
リマー二次電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭
用小型電力貯蔵装置、自動二輪車、電気自動車、ハイブ
リッド電気自動車等に用いることができるが、特にこれ
らに限定されるわけではない。
It is also effective to add another compound to the electrolyte for the purpose of improving the discharge and charge / discharge characteristics. For example,
Triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, pyridine, hexaphosphoric triamide, nitrobenzene derivative,
Crown ethers, quaternary ammonium salts, ethylene glycol dialkyl ether and the like can be mentioned. The shape of the battery can be any of a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, a square type, and a large type used for electric vehicles. The lithium polymer secondary battery of the present invention can be used for a portable information terminal, a portable electronic device, a small household electric power storage device, a motorcycle, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, etc., but is not particularly limited thereto. Absent.

【0022】[0022]

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳しく説
明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではない。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.

【0023】《実施例1》 [負極材料の合成方法]窒化リチウムと遷移金属の粉末
を所定量混合して磁製坩堝に入れ、窒素雰囲気中700
℃で8時間加熱することにより、遷移金属が窒化リチウ
ム中に固溶した目的の化合物リチウム含有複合窒化物が
凝固物として得られた。その凝固物をボールミルで粉砕
し、篩で分級することにより45μm以下の粒子にし
た。本実施例では遷移金属としてCoを用い、比較サン
プルとして上記x値を0.1、0.2、0.3、0.
4、0.5、および0.6とした6種類のリチウム含有
複合窒化物をそれぞれ合成した。
Example 1 [Method of Synthesizing Negative Electrode Material] A predetermined amount of lithium nitride and a transition metal powder were mixed, placed in a porcelain crucible, and placed in a nitrogen atmosphere at 700.degree.
By heating at 8 ° C. for 8 hours, a target compound lithium-containing composite nitride in which a transition metal was dissolved in lithium nitride as a solidified product was obtained. The coagulated product was pulverized by a ball mill and classified by a sieve to obtain particles of 45 μm or less. In this embodiment, Co is used as a transition metal, and the above-mentioned x value is 0.1, 0.2, 0.3, 0.
Six types of lithium-containing composite nitrides of 4, 0.5, and 0.6 were synthesized, respectively.

【0024】[扁平型リチウムポリマー二次電池の製造
方法]図1は扁平型非水電解質電池の断面図を示し、1
は樹脂フィルムとアルミニウムフィルムとのラミネート
フィルムからなる電池ケースを表す。この電池ケース1
内には、銅製の負極リード2を挟んだ負極3、その外側
にポリマー材料と電解液および構造補強材からなるポリ
マーゲル電解質のセパレータ部4を介して配置した正極
5およびアルミニウム製の正極リード6が収容されてい
る。リード2および6の取り出し部にはリード部溶着シ
ール7が設けられている。電池の製造方法をさらに詳し
く説明する。電解質ポリマー材料には分子量80万から
200万のポリエチレンオキサイド(PEO)にポリフ
ッ化ビニリデンを混合しポリマアロイ化したものを用
い、これをエチレンカーボネイトとエチルメチルカーボ
ネイトの混合溶媒に溶解した(以下、この溶液をPEO
溶液という)。そして、負極材料である窒化物粒子と導
電剤のカーボンブラックをPEO溶液に混合分散させた
ペーストを負極集電体である銅製芯材に塗着し、揮発成
分を乾燥除去した後、所定寸法に切断することにより負
極板を作製した。正極板は、正極材料のリチウム含有複
合酸化物と導電剤のカーボンブラックを同様にPEO溶
液に混合分散したペーストを正極集電体であるアルミニ
ウム製芯材に塗着し、同様に加工することにより作製し
た。セパレータ部は、PEOを有機電解液に加熱、溶解
し、これを構造補強材であるポリプロピレン製不織布に
含浸後、冷却してゲル電解質層を形成したものである。
正極板、セパレータ部と負極板を積層、加圧して電極群
とし、電池ケース1内に入れた後、開口部のラミネート
フィルムを熱溶着し、扁平型電池とした。ゲル化あるい
は電極、セパレータ部の接合が不十分な場合は、封口前
に加熱工程を組み込むことも可能である。
[Method of Manufacturing Flat-Type Lithium Polymer Secondary Battery] FIG. 1 is a sectional view of a flat-type nonaqueous electrolyte battery.
Represents a battery case made of a laminate film of a resin film and an aluminum film. This battery case 1
In the inside, a negative electrode 3 sandwiching a copper negative electrode lead 2, a positive electrode 5 and an aluminum positive electrode lead 6 arranged outside a separator portion 4 of a polymer gel electrolyte made of a polymer material, an electrolytic solution and a structural reinforcing material outside the negative electrode 3. Is housed. A lead portion welding seal 7 is provided at a lead-out portion of the leads 2 and 6. The battery manufacturing method will be described in more detail. The electrolyte polymer material was prepared by mixing polyvinylidene fluoride with polyethylene oxide (PEO) having a molecular weight of 800,000 to 2,000,000 to form a polymer alloy, and this was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (hereinafter, this solution). To PEO
Solution). Then, a paste obtained by mixing and dispersing nitride particles as a negative electrode material and carbon black as a conductive agent in a PEO solution is applied to a copper core material as a negative electrode current collector, and after volatile components are removed by drying, a predetermined size is obtained. By cutting, a negative electrode plate was produced. The positive electrode plate is prepared by applying a paste in which a lithium-containing composite oxide of the positive electrode material and carbon black of the conductive agent are similarly mixed and dispersed in a PEO solution to an aluminum core material serving as a positive electrode current collector, and processed similarly. Produced. The separator section is formed by heating and dissolving PEO in an organic electrolyte solution, impregnating the same with a polypropylene nonwoven fabric as a structural reinforcing material, and then cooling to form a gel electrolyte layer.
The positive electrode plate, the separator part, and the negative electrode plate were laminated and pressed to form an electrode group, placed in the battery case 1, and then the laminated film at the opening was heat-welded to obtain a flat battery. If the gelation or bonding of the electrode and the separator is insufficient, a heating step may be incorporated before the sealing.

【0025】有機電解液はエチレンカーボネイトとエチ
ルメチルカーボネイトを体積比1:1で混合した混合溶
媒に、電解質である6フッ化リン酸リチウム(LiPF
6)を1.0モル/dm3の濃度に溶解させたものを用い
た。本実施例では、正極材料としてリチウムコバルト複
合酸化物(LiCoO2)を用いた。負極のリチウム含
有複合窒化物は、合成時には充電状態のいわゆるLiの
吸蔵状態であり、また正極のLiCoO2も初期状態が
放電状態のいわゆるLi吸蔵状態である。このため、こ
のままで電池を構成することはできない。正・負極いず
れかの電極材料からLiを脱離させて、Li放出状態に
して電池を組み合わせる必要がある。そこで、ここでは
正極のLiCoO2からあらかじめLiを酸処理で抜き
取った正極材料、組成式Li0.5CoO2相当品を電池作
製時に用いた。正極材料にはLi0.5CoO2相当品、負
極材料には上述の遷移金属にCoを用いた6種類の組成
の窒化物を用いて、それぞれ図1に示した扁平型リチウ
ムポリマー二次電池を作製し、その電池特性を比較し
た。充放電は100mAの定電流で、その充電および放
電の終止電圧をそれぞれ4.1Vおよび2.0Vとして
50サイクル繰り返した。
The organic electrolytic solution is prepared by mixing a solvent mixture of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate at a volume ratio of 1: 1 with lithium hexafluorophosphate (LiPF) as an electrolyte.
6 ) was dissolved at a concentration of 1.0 mol / dm 3 . In this example, a lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) was used as a positive electrode material. The lithium-containing composite nitride of the negative electrode is in a so-called Li occlusion state in a charged state at the time of synthesis, and the LiCoO 2 of the positive electrode is in a so-called Li occlusion state in an initial state of a discharged state. For this reason, a battery cannot be constituted as it is. It is necessary to desorb Li from either the positive or negative electrode material and combine the batteries in a Li-released state. Therefore, here, a positive electrode material obtained by extracting Li from the LiCoO 2 of the positive electrode by acid treatment in advance, and a product equivalent to the composition formula Li 0.5 CoO 2 were used at the time of manufacturing the battery. The flat lithium polymer secondary battery shown in FIG. 1 was fabricated using a material equivalent to Li 0.5 CoO 2 for the cathode material and a nitride of the six compositions using Co as the transition metal for the anode material. Then, the battery characteristics were compared. Charging and discharging were performed at a constant current of 100 mA, and the charging and discharging were terminated at 4.1 V and 2.0 V, respectively, for 50 cycles.

【0026】図2は6種類のx値を有するリチウム含有
複合窒化物をそれぞれ用いた上述のリチウムポリマー二
次電池のサイクル特性を比較したものである。例えば、
図2中のx=0.4、すなわち組成Li2.6Co0.4Nの
リチウム含有複合窒化物を用いた電池(正極にLiを脱
離したLi0.5CoO2を使用)では、正極材料は約4g
充填してあり、540mAhの初期容量が得られてい
る。また、このときの負極材料であるリチウム含有複合
窒化物の充填量は約0.8gであった。この電池は、5
0サイクル目の容量が499mAhであったので、サイ
クル劣化率は0.152%/サイクルとなる。ここで用
いたサイクル劣化率は、初期容量540mAhから50
サイクル目の容量499mAhを引いた容量低下量を初
期容量の540mAhとサイクル数50で割った値を百
分率で表したもので、いわゆる1サイクル当たりの初期
容量を基準とした容量低下率である。図2から明らかな
ように、0.3≦x≦0.6の範囲でサイクル可逆性が
優れていることがわかる。なお、この時のサイクル劣化
率はx=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5及び
0.6のリチウム含有複合窒化物を用いた電池では、そ
れぞれ0.642%、0.537%、0.181%、
0.152%、0.139%、及び0.147%であっ
た。
FIG. 2 compares the cycle characteristics of the above-mentioned lithium polymer secondary batteries using lithium-containing composite nitrides having six types of x values. For example,
In the battery using x = 0.4 in FIG. 2, that is, a lithium-containing composite nitride having a composition of Li 2.6 Co 0.4 N (using Li 0.5 CoO 2 from which Li was desorbed for the positive electrode), about 4 g of the positive electrode material was used.
Filled and an initial capacity of 540 mAh has been obtained. At this time, the filling amount of the lithium-containing composite nitride as the negative electrode material was about 0.8 g. This battery is 5
Since the capacity at the 0th cycle was 499 mAh, the cycle deterioration rate was 0.152% / cycle. The cycle deterioration rate used here is from the initial capacity of 540 mAh to 50.
A value obtained by dividing the amount of capacity reduction obtained by subtracting the capacity of 499 mAh at the cycle from the initial capacity of 540 mAh and the number of cycles of 50 is expressed as a percentage, and is a so-called capacity reduction rate based on the initial capacity per cycle. As is clear from FIG. 2, the cycle reversibility is excellent in the range of 0.3 ≦ x ≦ 0.6. The cycle deterioration rate at this time was 0.642 for the batteries using lithium-containing composite nitrides of x = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 and 0.6, respectively. %, 0.537%, 0.181%,
0.152%, 0.139%, and 0.147%.

【0027】《実施例2》ポリマー材料としてフッ化ビ
ニリデン−6フッ化プロピレン共重合体を用い、負極用
リチウム含有複合窒化物材料と導電材のカーボンブラッ
クを結着剤兼電解質ポリマーのフッ化ビニリデン−6フ
ッ化プロピレン共重合体と混合し、溶剤のN−メチル−
2−ピロリドンの溶液に混合分散して得られたペースト
を負極集電体である銅製芯材に塗着し、乾燥後、所定寸
法に切断することにより負極板3が得られた。正極5は
正極材料のLi0.5CoO2と導電剤のカーボンブラック
を同様にフッ化ビニリデン−6フッ化プロピレン共重合
体、N−メチル−2−ピロリドン、フタル酸ジブチル溶
液に混合分散したペーストを正極集電体であるアルミニ
ウム製芯材に塗着し、同様に加工することにより作製し
た。セパレータ部4は、フッ化ビニリデン−6フッ化プ
ロピレン共重合体と構造補強材材である疎水性処理をし
酸化珪素微粒子を同様の溶液に分散してペースト化し、
塗着、乾燥して得た。正極板、セパレータ部および負極
板を熱ローラーで溶着した後、ジエチルエーテル中に可
塑剤のフタル酸ジブチルを溶出させることにより、多孔
質ポリマー電極群が得られた。この電極群を電池ケース
内に入れた後、実施例1と同じ有機電解液を注液し、ゲ
ルポリマー電解質を形成した。最後に開口部のラミネー
トフィルムを熱溶着して完成電池とした。本実施例でも
比較検討のため、実施例1と同様に6種類のx値を持つ
リチウム含有複合窒化物を用いて電池を試作した。溶剤
のN−メチル−2−ピロリドンはリチウム含有複合窒化
物の水分による劣化を考慮して、高度に脱水したものを
使用した。
Example 2 A vinylidene fluoride-6-fluoropropylene copolymer was used as a polymer material, and a lithium-containing composite nitride material for a negative electrode and carbon black as a conductive material were combined with vinylidene fluoride as a binder and an electrolyte polymer. -6 mixed with fluorinated propylene copolymer, and the solvent N-methyl-
A paste obtained by mixing and dispersing in a solution of 2-pyrrolidone was applied to a copper core material serving as a negative electrode current collector, dried, and then cut into a predetermined size, whereby a negative electrode plate 3 was obtained. The positive electrode 5 is prepared by mixing and dispersing Li 0.5 CoO 2 as a positive electrode material and carbon black as a conductive agent in a solution of vinylidene fluoride-6-propylene copolymer, N-methyl-2-pyrrolidone, and dibutyl phthalate. It was produced by coating on an aluminum core material as a current collector and processing the same. The separator part 4 is subjected to a hydrophobic treatment as a structural reinforcing material with vinylidene fluoride-6-propylene copolymer, and silicon oxide fine particles are dispersed in a similar solution to form a paste.
Obtained by coating and drying. After welding the positive electrode plate, the separator part, and the negative electrode plate with a heat roller, the plasticizer dibutyl phthalate was eluted in diethyl ether to obtain a porous polymer electrode group. After this electrode group was placed in the battery case, the same organic electrolyte as in Example 1 was injected to form a gel polymer electrolyte. Finally, the laminated film in the opening was heat-welded to obtain a completed battery. Also in this example, for comparative study, as in Example 1, a battery was prototyped using lithium-containing composite nitrides having six types of x values. The solvent N-methyl-2-pyrrolidone used was highly dehydrated in consideration of the deterioration of the lithium-containing composite nitride due to moisture.

【0028】《実施例3》ポリマー材料としてポリアク
リロニトリルを用い、溶剤のジメチルホルムアミドに溶
解させた。このポリアクリロニトリル溶液に、リチウム
含有複合窒化物と導電材のカーボンブラックを混合分散
させたペーストを負極集電体である銅製芯材に塗着して
負極を作製した。また、実施例1のPEO溶液の代わり
に上記ポリアクリロニトリル溶液を用いた他は実施例1
と同様にしてLi0.5CoO2の正極を作製した。次に、
正極板をアセトンまたはエタノールで、負極板は脱水N
−メチル−2−ピロリドンでそれぞれ洗浄してジメチル
ホルムアミドを除去した。セパレータ部にはポリアクリ
ロニトリル製不織布状フィルムを用い、正極板5、セパ
レータ部および負極板を積層して電極群を作製し、実施
例1と同じ有機電解液を注液した後、熱板に挟み込み加
熱、圧縮後、冷却することにより電極群の一体化と電解
液のゲル化を行い、電池ケース1に挿入、封止して完成
電池とした。比較検討のため、実施例1と同様に6種類
のx値を持つリチウム含有複合窒化物を用いて電池を試
作した。溶剤のジメチルホルムアミドはリチウム含有複
合窒化物の水分による劣化を考慮して、高度に脱水した
ものを使用した。
Example 3 Polyacrylonitrile was used as a polymer material and dissolved in dimethylformamide as a solvent. A paste obtained by mixing and dispersing a lithium-containing composite nitride and carbon black as a conductive material in this polyacrylonitrile solution was applied to a copper core material as a negative electrode current collector to produce a negative electrode. Example 1 was repeated except that the above-mentioned polyacrylonitrile solution was used instead of the PEO solution of Example 1.
In the same manner as in the above, a positive electrode of Li 0.5 CoO 2 was produced. next,
The positive plate is acetone or ethanol and the negative plate is dehydrated N
Each was washed with -methyl-2-pyrrolidone to remove dimethylformamide. A positive electrode plate 5, a separator portion, and a negative electrode plate were laminated to form an electrode group using a non-woven film made of polyacrylonitrile for the separator portion, and an electrode group was prepared. The same organic electrolyte solution as in Example 1 was injected, and then sandwiched between hot plates. After heating, compression, and cooling, the electrode group was integrated and the electrolyte was gelled, and inserted into the battery case 1 and sealed to obtain a completed battery. For comparison, a battery was prototyped using lithium-containing composite nitrides having six types of x-values as in Example 1. The solvent dimethylformamide used was highly dehydrated in consideration of the deterioration of the lithium-containing composite nitride due to moisture.

【0029】《実施例4》ポリマー材料としてポリブチ
レンテレフタレートとメタクリル酸エチルとの共重合体
であるポリエステル系ポリマーを用い、酢酸エチルに溶
解した。このポリマー溶液にリチウム含有複合窒化物と
導電剤を加えてペーストを調合し、銅製心材に塗着、乾
燥して負極7を作製した。実施例1のPEO溶液の代わ
りに上記ポリマー溶液を用いた他は実施例1と同様にし
てLi0.5CoO2の正極を作製した。セパレータ部はポ
リエステル系ポリマーを構造補強材であるポリプロピレ
ン製不織布に含浸後、乾燥により溶剤を除去して多孔質
化した。正極板、セパレータ部および負極板を積層して
電極群を作製し、実施例1と同じ有機電解液を注液した
後、熱板に挟み込み加熱圧縮、冷却することにより電極
群の一体化と電解液のゲル化を行い、電池ケースに挿
入、封止して完成電池とした。比較検討のため、実施例
1と同様に6種類のx値を持つリチウム含有複合窒化物
を用いて電池を試作した。溶剤の酢酸エチルはリチウム
含有複合窒化物の水分による劣化を考慮して、高度に脱
水したものを使用した。
Example 4 As a polymer material, a polyester polymer which is a copolymer of polybutylene terephthalate and ethyl methacrylate was used and dissolved in ethyl acetate. A lithium-containing composite nitride and a conductive agent were added to this polymer solution to prepare a paste, which was applied to a copper core material and dried to produce a negative electrode 7. A Li 0.5 CoO 2 positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the above polymer solution was used instead of the PEO solution of Example 1. The separator portion was made porous by impregnating a polyester-based polymer with a nonwoven fabric made of polypropylene as a structural reinforcing material, and then removing the solvent by drying. A positive electrode plate, a separator part, and a negative electrode plate are laminated to form an electrode group. The same organic electrolytic solution as in Example 1 is injected, and then sandwiched between a hot plate, heated, compressed, and cooled to integrate the electrode group and electrolyze. The solution was gelled, inserted into a battery case, and sealed to obtain a completed battery. For comparison, a battery was prototyped using lithium-containing composite nitrides having six types of x-values as in Example 1. Ethyl acetate used as the solvent was highly dehydrated in consideration of deterioration of the lithium-containing composite nitride due to moisture.

【0030】実施例2〜4におけるx値の異なる各種電
池について、実施例1と同じ条件で充放電し、実施例1
と同様に50サイクル目までのサイクル劣化率を求め
た。図3に実施例1〜4のポリマー電池のx値(横軸)
とサイクル劣化率(縦軸)の関係を示す。上記の実施例
で用いたポリマーゲル電解質は、いずれも10-3S/c
mレベルのイオン伝導度を有していた。また、上記実施
例では、置換する遷移金属種としてCoを用いたが、C
oの代わりにMn、Ni、またはCuを用いた場合、お
よびこれらを混合して用いた場合も同様の効果が得られ
た。
The various batteries having different x values in Examples 2 to 4 were charged and discharged under the same conditions as in Example 1.
Similarly, the cycle deterioration rate up to the 50th cycle was determined. FIG. 3 shows x values (horizontal axis) of the polymer batteries of Examples 1 to 4.
And the cycle deterioration rate (vertical axis). Each of the polymer gel electrolytes used in the above examples was 10 −3 S / c.
It had an ionic conductivity of m level. In the above embodiment, Co is used as the transition metal species to be substituted.
Similar effects were obtained when Mn, Ni, or Cu was used instead of o, and when these were used in combination.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、サイクル
特性および信頼性に優れた、高エネルギー密度のリチウ
ムポリマー二次電池が得られる。
As described above, according to the present invention, a high energy density lithium polymer secondary battery having excellent cycle characteristics and reliability can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例におけるリチウムポリマー二次
電池の縦断面略図である。
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a lithium polymer secondary battery according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明のリチウムポリマー二次電池のサイクル
特性を比較した図である。
FIG. 2 is a diagram comparing cycle characteristics of the lithium polymer secondary battery of the present invention.

【図3】本発明のリチウムポリマー二次電池のサイクル
劣化率を比較した図である。
FIG. 3 is a diagram comparing the cycle deterioration rates of the lithium polymer secondary battery of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電池ケース 2 負極リード 3 負極 4 ポリマーゲル電解質セパレータ部 5 正極 6 正極リード 7 リード部溶着シール DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery case 2 Negative electrode lead 3 Negative electrode 4 Polymer gel electrolyte separator part 5 Positive electrode 6 Positive electrode lead 7 Lead welding seal

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 正樹 大阪府守口市松下町1番1号 松下電池工 業株式会社内 (72)発明者 堤 修司 大阪府守口市松下町1番1号 松下電池工 業株式会社内 (72)発明者 櫻井 庸司 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 荒井 創 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 5H003 AA04 BB11 BB32 BB38 BC02 BD00 5H014 AA02 EE03 EE10 HH00 5H029 AJ05 AK01 AK02 AK03 AK05 AK16 AK18 AL01 AM00 AM16 BJ03 BJ12 DJ09 DJ15 EJ08 EJ12 EJ14 HJ00 HJ02  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masaki Hasegawa 1-1, Matsushita-cho, Moriguchi-shi, Osaka Matsushita Battery Industry Co., Ltd. (72) Inventor Shuji Tsutsumi 1-1, Matsushita-cho, Moriguchi-shi, Osaka Matsushita Battery (72) Inventor Yoji Sakurai 2-3-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Sou Arai 2-3-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation F-term (reference)

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一般式Li(3-x)-yxN(MはCo、M
n、Ni及びCuからなる群より選ばれた少なくとも一
種の遷移金属、0.3≦x≦0.6、0≦y≦3−x)
で表されるリチウム含有複合窒化物、導電材およびポリ
マー材料からなる負極と;リチウム含有複合酸化物、導
電材およびポリマー材料からなる正極と;有機電解液を
含有するポリマーゲル電解質とを具備することを特徴と
するリチウムポリマー二次電池。
1. The general formula Li (3-x) -y M x N (M is Co, M
at least one transition metal selected from the group consisting of n, Ni and Cu, 0.3 ≦ x ≦ 0.6, 0 ≦ y ≦ 3-x)
A negative electrode composed of a lithium-containing composite nitride, a conductive material and a polymer material represented by the following; a positive electrode composed of a lithium-containing composite oxide, a conductive material and a polymer material; and a polymer gel electrolyte containing an organic electrolytic solution. A lithium polymer secondary battery characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 正・負極のポリマー材料およびポリマー
ゲル電解質のポリマーが、ポリアルキレンオキサイドま
たはその誘導体を骨格とするポリマーである請求項1に
記載のリチウムポリマー二次電池。
2. The lithium polymer secondary battery according to claim 1, wherein the polymer material of the positive and negative electrodes and the polymer of the polymer gel electrolyte are polymers having a polyalkylene oxide or a derivative thereof as a skeleton.
【請求項3】 正・負極のポリマー材料およびポリマー
ゲル電解質のポリマーが、フッ化ビニリデン、6フッ化
プロピレン、4フッ化エチレン、およびパーフルオロア
ルキルビニルエーテルからなる群より選ばれた2種また
は3種の共重合体である請求項1に記載のリチウムポリ
マー二次電池。
3. The polymer material of the positive and negative electrodes and the polymer of the polymer gel electrolyte are two or three selected from the group consisting of vinylidene fluoride, propylene hexafluoride, ethylene tetrafluoride, and perfluoroalkyl vinyl ether. The lithium polymer secondary battery according to claim 1, which is a copolymer of the following.
【請求項4】 正・負極のポリマー材料およびポリマー
ゲル電解質のポリマーが、ポリアクリロニトリルまたは
その共重合体を骨格とするポリマーである請求項1に記
載のリチウムポリマー二次電池。
4. The lithium polymer secondary battery according to claim 1, wherein the polymer material of the positive and negative electrodes and the polymer of the polymer gel electrolyte are polymers having polyacrylonitrile or a copolymer thereof as a skeleton.
【請求項5】 正・負極のポリマー材料およびポリマー
ゲル電解質のポリマーが、ポリエステルまたはその誘導
体を骨格とするポリエステル系ポリマーである請求項1
に記載のリチウムポリマー二次電池。
5. The polymer material of the positive and negative electrodes and the polymer of the polymer gel electrolyte are polyester polymers having a skeleton of polyester or a derivative thereof.
4. The lithium polymer secondary battery according to 4.
【請求項6】 ポリマーゲル電解質が、疎水性処理され
たセラミック微粒子、ポリオレフィン系樹脂の繊維およ
び不織布からなる群より選ばれた構造補強材が1種また
は2種以上含まれている請求項1〜5のいずれかに記載
のリチウムポリマー二次電池。
6. The polymer gel electrolyte contains one or more structural reinforcing materials selected from the group consisting of hydrophobically treated ceramic fine particles, fibers of a polyolefin resin, and nonwoven fabrics. 6. The lithium polymer secondary battery according to any one of 5.
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