JP2001332301A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池

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JP2001332301A
JP2001332301A JP2000147887A JP2000147887A JP2001332301A JP 2001332301 A JP2001332301 A JP 2001332301A JP 2000147887 A JP2000147887 A JP 2000147887A JP 2000147887 A JP2000147887 A JP 2000147887A JP 2001332301 A JP2001332301 A JP 2001332301A
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JP
Japan
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electrolyte
polymer
phosphoryl chloride
gel polymer
polymer electrolyte
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JP2000147887A
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Masahiro Tagawa
昌宏 田川
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Japan Storage Battery Co Ltd
Original Assignee
Japan Storage Battery Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン伝導度が高く、特に高率放電特性に優
れるポリマー電解質を使用した非水電解質二次電池。 【解決手段】 正極または負極の少なくともいずれか一
方にゲル状ポリマー電解質を保持させた非水電解質二次
電池において、ゲル状ポリマー電解質内に塩化ホスホリ
ルが含まれている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電
池に関し、特に安全性の高いポリマー電解質を使用しな
がらもイオン伝導度が高く、高率放電特性に優れる非水
電解質二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に二次電池は、負極および正極、こ
れらの短絡を防止するためのセパレータおよびイオン伝
導性を有する電解質とから構成されている。従来、市販
されている多くの二次電池には、電解質として電解質塩
を非水溶媒に溶解させた液状の電解液が使用されている
が、このような電池においては、電解液の漏液、あるい
は有機溶媒を使用することによる可燃性や着火性等の危
険性が問題となっている。
【0003】そこで、これらの危険性を低減して電池の
安全性を向上させる目的により、従来の電解質(電解
液)に替わって、ポリマー電解質を使用した非水電解質
二次電池が注目されつつある。このポリマー電解質は、
固体あるいはゲル状の網目構造を有するポリマーに、イ
オン伝導性を有する電解質塩あるいは電解液を相溶・保
持させた構成のものである。
【0004】上記ポリマー電解質を構成するポリマーと
しては、その電気化学的な安定性、充放電サイクル性、
電解液の保持性、接着性等の様々な観点から新しいもの
が開発されつつある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリマ
ー電解質は固体構造を有するため、従来の液状の電解質
(電解液)を単独で使用する場合と比較して、電解質中
でのイオン伝導度が低くなってしまうという問題があ
る。例えば、ポリマー電解質を構成するポリマーとし
て、重合時に高結晶性を示すフッ化ビニリデン(Vd
F)と、結晶性を抑制するヘキサフルオロプロピレン
(HFP)との共重合体(P(VdF−HFP))が提
案されているが(USP5296318号)、この共重
合体に電解液を保持させたときの室温におけるイオン伝
導度は、0.8〜0.9ms/cmと小さい。このた
め、この共重合体を電池に使用した場合、特に高率放電
特性に劣るという問題があった。
【0006】本願発明は上記事情に鑑みてなされたもの
であって、ポリマー電解質を使用しながらも、イオン伝
導度が高く、特に高率放電特性に優れる非水電解質二次
電池を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
になされた請求項1の発明は、正極または負極の少なく
ともいずれか一方にゲル状ポリマー電解質を保持させて
なる非水電解質二次電池であって、ゲル状ポリマー電解
質内に塩化ホスホリル(POCl)を含むところに特
徴を有する。
【0008】また請求項2の発明は、上記請求項1の発
明において、上記塩化ホスホリルは、ゲル状ポリマー電
解質中のポリマー成分に対して0.2〜10体積%の割
合で含まれているところに特徴を有する。
【0009】さらに請求項3の発明は、上記請求項1ま
たは請求項2の発明において、ゲル状ポリマー電解質中
のポリマーは、フッ化ビニリデン(VdF)とヘキサフ
ルオロプロピレン(HFP)との共重合体(P(VdF
−HFP))であるところに特徴を有する。
【0010】
【発明の作用および効果】上記請求項1の発明によれ
ば、塩化ホスホリル(POCl)をゲル状ポリマーに
混合することにより、網目構造のゲル状ポリマー中にリ
ンが何等かの形で取り込まれ、室温におけるイオン伝導
度が向上する。特に、電池の高率放電特性が大きく向上
するという優れた効果を奏する。
【0011】また、上記塩化ホスホリルは、ゲル状ポリ
マー電解質中のポリマー成分に対して0.2〜10体積
%の割合で混合することが好ましい(請求項2の発
明)。塩化ホスホリルの混合量が0.2体積%よりも少
ないと、ゲル状ポリマー中のリン成分が不足して非水電
解質二次電池の高率放電特性を改善させる効果が期待で
きない。また、混合量が10体積%よりも多くなると、
放電容量自体が低下するとともに、高率放電特性も低下
する傾向にある。
【0012】さらに、ゲル状ポリマー電解質としては、
電気化学的安定性、溶媒保持性、機械的強度等の観点か
ら、フッ化ビニリデン(VdF)とヘキサフルオロプロ
ピレン(HFP)との共重合体(P(VdF−HF
P))であることが好ましい(請求項3の発明)。
【0013】
【発明の実施の形態】塩化ホスホリル(POCl)を
ゲル状ポリマー電解質中に分散させる方法は、以下の通
りである。まず、予め製造しておいたポリマー成分を溶
媒に溶解し、その溶液中に塩化ホスホリルを所定量混合
して溶解させる。そして、溶液中に電池の正極および負
極を浸漬して溶液を充分に含浸させ、その後、両電極を
加熱して溶媒を揮発させるか、あるいは水中に浸漬して
溶媒成分を抽出し、置換された水分を乾燥させることに
より、両電極中にゲル状ポリマーの網目構造を形成す
る。この状態では、ゲル状ポリマーの網目構造中にリン
が何等かの形で取り込まれている。なお、ゲル状ポリマ
ーの網目構造中に塩化ホスホリルのままで存在している
のか、ポリマー成分と反応して存在しているかは現在の
ところ究明されていない。そしてその後、両電極に従来
と同様にして電解液を含浸させると、ゲル状ポリマーの
網目構造内に電解液が保持された状態となる。
【0014】本発明で使用するゲル状ポリマー電解質の
ポリマー成分としては、フッ化ビニリデン(VdF)と
ヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体が好
ましいが、これに限らず、例えばポリアクリロニトリル
(PAN)やポリメチルメタクリレート(PMMA)
等、またはこれらの混合物や共重合体等、他のものを使
用してもよい。
【0015】また、これらポリマーの重量平均分子量
は、20万〜100万が好ましい。分子量が100万以
上であると、溶媒に溶かしたときに電解液の粘度が高く
なり、電極に含浸し難く、20万以下であると、溶媒に
溶解してポリマーの網目構造自体が崩れてしまうため、
いずれも好ましくない。
【0016】上記ポリマーを溶解または分散させる有機
溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、
ジメチルホルムアルデヒド、メチルエチルケトン、メチ
ルイソブチルケトン、トルエン、キシレン、テトラヒド
ロフラン、N−メチルピロリドン、アセトン、アセトニ
トリル、ジメチルカーボネイト、酢酸エチル、酢酸ブチ
ル等が使用できる。溶媒に対するポリマーの濃度は、1
〜10重量%が好ましい。
【0017】本発明で使用する電解液の電解質塩として
は、この種の電池の電解質の調整にあたって使用可能な
ものをいずれも使用することができる。例えば、LiC
lO 、LiPF、LiCF,LiAsF、Li
SO、LiBF、LiSbF、LiCF
、LiCFSO、LiCSO、Li
(SO、Li(CFSON、L
iC(CFSO、LiI等が用いられる。これ
らは2種類以上を混合して使用してもよい。特に、Li
PFあるいはLiBFは、難燃性のゲル状ポリマー
電解質を提供するので、安全性を高める上で好ましい。
【0018】上記電解質塩溶液の溶媒としては、例え
ば、エチレンカーボネイト、プロピレンカーボネイト、
ブチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、ジエチ
ルカーボネイト、メチルエチルカーボネイト、ジプロピ
ルカーボネイト、γ−ブチロラクトン、ジメトキシエタ
ン、ジエトキシエタン、メトキシエトキシエタン、エチ
ルジグライム、プロピオン酸メチル、エチレングリコー
ルサルファイト、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテ
ル等の非水溶媒が使用される。これらは2種類以上を混
合して使用してもよい。さらに、アミン系またはイミド
系非水溶媒や、含イオウ系または含フッ素系非水溶媒も
使用することができる。
【0019】また、本発明における電解質塩の溶液(電
解液)濃度は、前記溶媒に対し、好ましくは0.8〜
1.5mol/lである。この範囲を逸脱すると、イオ
ン伝導度が低下する。
【0020】さらに、電解液のゲル状ポリマーに対する
含有量は、10〜90重量%が好ましい。電解液濃度が
低いと、ゲル状ポリマー電解質の電気伝導度が低下し、
高すぎるとゲル状態を保つことができなくなるので好ま
しくない。
【0021】負極活物質としては、炭素系材料、リチウ
ム金属、リチウム合金、あるいは酸化物材料等が使用さ
れる。炭素系材料としては、例えば人造あるいは天然黒
鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機
高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、
活性炭、グラファイト、炭素繊維等が使用される。また
酸化物としては、酸化スズを主体とする化合物が使用さ
れる。これらは、粉末の状態で用いられる。
【0022】また、正極活物質としては、リチウムイオ
ンが吸蔵・放出可能な酸化物等を使用することが好まし
い。このような酸化物としては、例えばLiCoO
のリチムコバルト酸化物、LiMn等のリチウム
マンガン酸化物、LiNiO 等のリチウムニッケル酸
化物、LiV等のリチウムバナジウム酸化物、こ
れらの複合酸化物、混合物等がある。
【0023】また、セパレータとしては、例えば不織
布、多孔質フィルム等を使用することができる。本発明
の非水電解質電池は、円筒型、角型、シート状、積層
型、コイン型、ピン型等、いずれのものにも使用可能で
あり、形状には特に制約はない。
【0024】
【実験例】以下、本発明を具体化した実施例について説
明する。フッ化ビニリデン(VdF)とヘキサフルオロ
プロピレン(HFP)とを96:4の重合比で懸濁重合
法にて共重合させたP(VdF−HFP)共重合体を、
溶媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に
10%濃度となるように溶解して、P(VdF−HF
P)−NMP溶液を作製した。このP(VdF−HF
P)−NMP溶液全体に対して、P(VdF−HFP)
共重合体に対する体積割合がそれぞれ0.5、2、5、
10、15vol%となるように、塩化ホスホリル(P
OCl)をゆっくりと滴下して溶解させた溶液を作製
した。また、塩化ホスホリルを混合しない溶液(ブラン
ク)も併せて準備した。
【0025】次に、これら塩化ホスホリルを溶解させた
P(VdF−HFP)−NMP溶液およびブランクのそ
れぞれに非水電解質二次電池の正極および負極を浸漬し
て、溶液を充分に含浸させた。その後さらにこれら両電
極を水中に浸漬して、電極中のNMP溶媒を抽出し、N
MP溶媒と置換された両電極中の水分を乾燥させ、ゲル
状ポリマーの網目構造を有する正極および負極を作製し
た。そして最後に、上記両電極に電解液を含浸させ、ラ
ミネート型リチウムイオン電池を作製した。
【0026】なお、正極活物質としてはLiCoO
負極活物質としてはグラファイトを使用した。また、電
解液としては、EC/DEC=5/5vol%の溶媒に
LiPFを1.0M/lの割合で溶解したものを使用
した。これらの各非水電解質二次電池を用いて、0.2
C容量、1C容量、2C容量における放電試験を行っ
た。試験結果を表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】表1に示すように、本発明の範囲内で塩化
ホスホリルを混合したゲル状ポリマー電解質を使用した
非水電解質二次電池(実施例1〜4)においては、塩化
ホスホリルを混合しなかったもの(比較例1)と比較し
て、高率における放電特性(2C容量)が大きく向上し
た。ただし、塩化ホスホリルの混合量が本発明の範囲よ
りも多くなると、放電容量自体が低下し、高率での放電
特性も劣化する傾向にある(比較例2)。なお、本発明
の範囲内で塩化ホスホリルを混合する分には、いずれの
実施例においても、低率(0.2C容量)における放電
特性にはほとんど変化はなかった。
【0029】また、高率と低率の容量比(2C/0.2
C)を比較してみると、塩化ホスホリルを混合しなかっ
た比較例1では63.5%と低い値であるのに対し、本
発明の範囲内で塩化ホスホリルを混合した実施例1〜4
の非水電解質二次電池では、いずれも80%以上と高い
値を示している。一般に、放電電流が大きく(高率放電
に)なるほど放電容量は小さくなる傾向にあるので、こ
の容量比の数値が大きいほど、高率放電でも放電容量を
高く得られることになる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H029 AJ06 AK03 AL02 AL06 AL07 AL08 AL12 AM02 AM03 AM04 AM05 AM07 AM16 BJ04 EJ14 HJ01 5H050 AA02 AA12 BA18 CA08 CB08 DA13 FA02 FA05 HA07

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極または負極の少なくともいずれか一
    方にゲル状ポリマー電解質を保持させてなる非水電解質
    二次電池において、前記ゲル状ポリマー電解質内に塩化
    ホスホリルを含むことを特徴とする非水電解質二次電
    池。
  2. 【請求項2】 前記塩化ホスホリルは、前記ゲル状ポリ
    マー電解質中のポリマー成分に対して0.2〜10体積
    %の割合で含まれていることを特徴とする請求項1に記
    載の非水電解質二次電池。
  3. 【請求項3】 前記ゲル状ポリマー電解質中のポリマー
    は、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの
    共重合体であることを特徴とする請求項1または請求項
    2に記載の非水電解質二次電池。
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WO2002027853A1 (en) * 2000-09-29 2002-04-04 Sharp Corporation Lithium secondary cell

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