JP2002008723A - ゲル状電解質及び非水電解質電池 - Google Patents
ゲル状電解質及び非水電解質電池Info
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Abstract
性及び負荷特性も向上させる。 【解決手段】 非水溶媒にLiを含む電解質塩を溶解し
てなる非水電解液をフッ化ビニリデンをモノマーユニッ
トとして含む共重合体を主体とするマトリクスポリマに
よってゲル化してなるゲル状電解質である。マトリクス
ポリマとして使用する共重合体は、カルボキシル基、カ
ルボン酸の一部若しくは全部がエステル化された構造、
無水酢酸構造が導入されたカルボン酸変性ポリフッ化ビ
ニリデンである。カルボン酸変性されたポリフッ化ビニ
リデンは、沸点の低い低粘度溶媒を溶解し、保液するこ
とができる。したがって、これをマトリクスポリマとす
ることで、ゲル状電解質の低温でのイオン伝導性が向上
する。
Description
化したゲル状電解質に関するものであり、さらには、こ
のゲル状電解質を用いた非水電解質電池に関する。
池が重要な位置を占めてきている。機器の小型軽量化実
現のために、電池は軽く、かつ機器内の収納スペースを
効率的に使うことが求められている。これにはエネルギ
ー密度、出力密度の大きいリチウム電池が最も適格であ
る。
は薄型大面積のシート型電池、薄型小面積のカード型電
池が望まれているが、従来用いられている金属製の缶を
外装に用いる手法では、薄型大面積の電池を作るのは難
しい。
電解質や、高分子ゲルを用いるゲル状電解質を用いる電
池が検討されている。これらの電池は電解質が固定化さ
れており、電解質の厚みが固定され、また電極と電解質
の間に接着力があり接触を保持できるという特徴を有す
る。このため、金属製外装により電解液を閉じこめた
り、電池素子に圧力をかける必要がない。その結果、フ
ィルム状の外装が使用でき、電池を薄く作ることが可能
となる。
小さく、電池への実用化は未だ難しいために、現状では
ゲル状電解質が有力視されている。
成される多層フィルムを用いることが考えられる。特
に、熱融着樹脂層、金属箔層から構成される防湿性多層
フィルムは、ホットシールによって容易に密閉構造が実
現できることと、多層フィルム自体の強度や気密性が優
れ、金属製外装よりも軽量で薄く、安価であることから
も外装材の候補として有望である。
ル状電解質に用いられるマトリクスポリマとしては、ポ
リエチレンオキサイド等のポリエーテル系化合物、ポリ
アクリルニトリル(PAN)、ポリフッ化ビニリデン
(PVdF)、ポリメチルメタクリレート等が知られて
いる。特に、PVdFは、非水溶媒及び電解質と加熱混
合した後に冷却したり、希釈溶剤に溶かした後に溶媒を
揮発させたりすることで簡単にゲル状電解質を作製する
ことができる上、電気化学的な安定性にも優れているた
め、上記マトリクス高分子として好適である。
ネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)が電
気化学的に安定で誘電率が高く有用である。ただし、E
Cは融点が38℃と非常に高く、また、PCは2.5m
Pasと粘度が大きいため、低温でのイオン伝導性が低
下してしまうという問題がある。
常のリチウムイオン電池では、低粘度の溶媒が併用され
ている。低粘度の溶媒としては、直鎖の炭酸エステル、
例えばジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチル
カーボネート(EMC)、及びジエチルカーボネート
(DEC)等が、やはり電気化学的に安定なため広く使
用されている。低粘度溶媒の粘度は0.6〜0.8mP
asと小さく、また融点は、DMCが3℃、EMCが−
55℃、DECが−43℃であり、ゲル状電解質におい
ても、これらを併用することで低温でのイオン伝導性を
高めることができるものと期待される。
VdFを用いた場合、これらの低粘度溶媒を併用する
と、ゲル化の点で大きな問題が発生する。具体的には、
PVdFは、ECやPC等の高誘電率を有する溶媒とは
ある程度の相溶性を有するものの、DMCやEMC、D
EC等の低粘度溶媒との相溶性が小さく、これらを併用
した場合には安定なゲル状電解質を構成することができ
ない。
として用いたゲル状電解質では、低粘度溶媒の併用が難
しく、結果として、低温でのイオン伝導性が電解液に比
べて劣るという不満を残している。
提案されたものであり、マトリクスポリマとしてPVd
Fを使用したときにも、低温におけるイオン伝導性が良
好であるゲル状電解質を提供することを目的とし、さら
には、低温における電池特性が良好な非水電解質電池を
提供することを目的とする。
り種々の検討を重ねた結果、フッ化ビニリデンに例えば
マレイン酸を共重合させて部分的にカルボン酸変性した
共重合体が、直鎖炭酸エステルとの相溶性に優れ、且つ
化学的安定性、ゲルの強度、保液性にも優れ、ゲル状電
解質のマトリクスポリマとして有用であるとの知見を得
るに至った。
たものである。すなわち、本発明のゲル状電解質は、非
水溶媒にLiを含む電解質塩を溶解してなる非水電解液
がフッ化ビニリデンをモノマーユニットとして含む共重
合体を主体とするマトリクスポリマによってゲル化され
てなり、上記共重合体には、カルボキシル基、カルボン
酸の一部若しくは全部がエステル化された構造、無水酢
酸構造から選ばれる少なくとも1種が導入されているこ
とを特徴とするものである。
び正極と、非水溶媒にLiを含む電解質塩を溶解してな
る非水電解液がフッ化ビニリデンをモノマーユニットと
して含む共重合体を主体とするマトリクスポリマによっ
てゲル化されたゲル状電解質とを備え、上記共重合体に
は、カルボキシル基、カルボン酸の一部若しくは全部が
エステル化された構造、酸水酢酸構造から選ばれる少な
くとも1種が導入されていることを特徴とするものであ
る。
く、そのままでは安定なゲル状電解質の作成は難しい。
これに対し、カルボン酸変性された(カルボキシル基、
カルボン酸の一部若しくは全部がエステル化された構
造、酸水酢酸構造から選ばれる少なくとも1種が導入さ
れた)PVdFは、沸点の低い低粘度溶媒を溶解し、保
液することができる。したがって、これをマトリクスポ
リマとすることで、ゲル状電解質の低温でのイオン伝導
性が向上する。
質電池では、漏液しないこと、外装をラミネートフィル
ムで構成することができるので軽量化、薄型化が可能で
あること、等のポリマー電池の利点をそのままに、電流
特性や低温特性の向上が実現される。
解質、及び非水電解質電池について、図面を参照しなが
ら詳細に説明する。
活物質層と負極活物質層との間のイオン伝導体としての
役割を有するものであり、非水溶媒にLiを含む電解質
塩を溶解してなる非水電解液がマトリクスポリマによっ
てゲル化されてなるものである。
ボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EM
C)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルプロピ
ルカーボネート(EPC)、メチルプロピルカーボネー
ト(MPC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、及
びエチルブチルカーボネート(EBC)のうちの一種類
以上が、低粘度溶媒として全溶媒に対して1重量%以上
含有され、その他にエチレンカーボネート(EC)、プ
ロピレンカーボネート(PC)、ガンマブチロラクトン
(GBL)、ジメトキシエタン(DME)のうちの一種
類以上が主溶媒として含有されているものを使用する。
iBF4、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO
2)2 の等から選ばれるリチウム塩が使用される。な
お、これらの電解質塩は、上記非水溶媒に対してリチウ
ムイオン濃度が0.4mol/kg〜1.7mol/k
gとなるように添加されることが望ましい。
ビニリデン(VdF)をモノマーユニットとして含み、
カルボン酸変性された共重合体をマトリクスポリマとす
る点に大きな特徴を有する。
側鎖に、カルボキシル基、カルボン酸の一部若しくは全
部がエステル化された構造、無水酢酸構造のいずれかを
導入することにより実現される。
化12に示す構造(ただし、RやR1、R2はH、CH
3、C2H5、C3H7、C4H9、C5H11から選ばれるいず
れか1種を表す。)のうち少なくとも一種類が導入され
ている共重合体をマトリクスポリマとして使用する。
EC、EPC、MPC、DPC、EBC等の融点及び粘
度が低い溶媒を保持することが可能となり、結果として
ゲル状電解質に保液される電解液の融点及び粘度を低く
することが可能となる。このため、かかる共重合体をマ
トリクスポリマとするゲル状電解質は、低温におけるイ
オン伝導性が良好なものとなる。
マレイン酸、マレイン酸エステル、無水マレイン酸等を
モノマーユニットとして併用し、上記フッ化ビニリデン
と共重合すればよい。
化ビニリデンに対するモノマーユニット比が、25/1
0000〜30/1000となるように共重合されてい
ることが好ましい。モノマーユニット比が25/100
00未満であると、カルボン酸変性による効果が不足
し、低粘度溶媒に対する相溶性を十分に得ることができ
なくなる虞れがある。逆にモノマーユニット比が30/
1000を越えると、マトリクスポリマとしての性能が
低下する虞れがある。
囲は、共重合するモノマーの種類によっても若干異な
り、使用するモノマーに応じて適宜設定することが望ま
しい。例えば、マレイン酸の片方のカルボキシル基をメ
タノールでエステル化したマレイン酸モノメチルエステ
ル(MMM)を共重合した共重合体の場合、共重合比の
適量としては、モノマー重量比でフッ化ビニリデンに対
して0.01%以上とすることが可能であるが、直鎖炭
酸エステルの溶解及び親和性を考えると、0.1%以上
とするのが効果的である。MMMの割合は多い方が望ま
しいが、MMMの比率が増えると重合が難しくなるとい
う問題が生ずること、リチウム系電池において重大な不
純物となる不純物となる水分を含み易くなること等か
ら、10%以下、望ましくは5%以下が適当である。こ
れをフッ化ビニリデンとMMMのモノマーユニット比で
考えると、1/2500〜1/40の範囲となる。
テル、例えばモノブチルマレイン酸エステルの場合に
は、1.3〜6.7%(モノマー重量比)となる。
ポリマとしての機能を考えると、固有粘度表記で0.8
dl/g〜3.0dl/gであることが望ましい。
ルオロプロピレン(HFP)が重合されていることが望
ましい。このとき、共重合体に重合されるHFPは、フ
ッ化ビニリデンに対するモノマーの重量比で0.01%
〜7.5%であるか、又は30%〜60%であることが
望ましい。
は、沸点の低い低粘度溶媒を溶解し、保液することがで
きる。これにより、ゲル状電解質に含まれる電解液の粘
度を下げ、低温でのイオン伝導性を向上させることがで
きる。
池の非水電解質に用いられる。
ついて説明する。
すように、正極2と、負極3とが、ゲル状電解質4を介
して形成された電池素子5が、外装フィルム6の内部に
収容されてなる。また、正極2は正極リード7と接続さ
れており、負極3は負極リード8と接続されている。正
極リード7及び負極リード8は、樹脂フィルム9を介し
て外装フィルム6と融着され、外部に引き出されてい
る。
を含有する正極合剤を、集電体上に塗布して乾燥するこ
とにより作製される。なお、集電体としては、例えばア
ルミニウム箔等の金属箔が用いられる。
類に応じて、金属酸化物、金属硫化物、又は特定の高分
子を使用することができる。
リチウム電池とする場合、TiS2、MoS2、NbSe
2、V2O5等の金属硫化物あるいは酸化物、さらにはポ
リアセチレン、ポリピロール等の高分子を使用すること
もできる。
したリチウムイオン電池とする場合には、LixMO
2(但し、式中Mは一種以上の遷移金属を表す。xは電
池の充放電状態によって異なり、通常0.05以上、
1.10以下である。)を主体とするリチウム複合酸化
物等を使用することができる。このリチウム複合酸化物
を構成する遷移金属Mとしては、Co、Ni、Mn等が
好ましい。このようなリチウム複合酸化物の具体例とし
てはLiCoO2、LiNiO2、LiNiyCo1-yO 2
(式中、0<y<1である。)、LiMn2O4、及びL
iMPO4(式中MはFe等、一種以上の遷移金属を表
す)等を挙げることができる。
き、エネルギー密度的に優れた正極活物質となる。正極
活物質は、これらの正極活物質の複数種を併せて使用し
てもよい。また、以上のような正極活物質を使用して正
極活物質層を形成するときには、公知の導電剤や結着剤
等を添加することができる。
ム等の正極集電体の片方に塗布、乾燥され、ロールプレ
ス機によって圧縮成型されて正極活物質層となる。
る負極合剤を、集電体上に塗布して乾燥することにより
作製される。なお、集電体には例えば銅箔等の金属箔が
用いられる。
溶解・析出を利用したリチウム電池とする場合、金属リ
チウムや、リチウムを吸蔵・放出することが可能なリチ
ウム合金等を用いることができる。
したリチウムイオン電池とする場合には、難黒鉛化炭素
系や黒鉛系の炭素材料を使用することができる。より具
体的には、黒鉛類、メソフェーズカーボンファイバー等
の炭素繊維、熱分解炭素類、コークス類(ピッチコーク
ス、ニードルコークス、石油コークス)、ガラス状炭素
類、有機高分子化合物焼成体(フェノール樹脂、フラン
樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの)、及び活
性炭等の炭素材料を使用することができる。このような
材料から負極を形成するときには、公知の結着剤等を添
加することができる。
極集電体の片方に塗布されて乾燥させた後に、ロールプ
レス機によって圧縮成型されて負極活物質層となる。
3のそれぞれの片面に、上述したように低温においても
イオン伝導性が良好であるゲル状電解質4を塗布した
後、正極2及び負極3の活物質面を向かい合わせて巻回
することによって形成される。なお、電池素子5の形状
は、巻回形状に限定されることはなく、つづら折りでも
よいし、ゲル状電解質4を塗布した面を向かい合わせて
積み重ねることによって形成される積層型でも良い。
池素子5を収容する。外装フィルム6は、例えば、外装
保護層と、アルミニウム層と、熱溶着層(ラミネート最
内層)とからなるヒートシールタイプのシート状ラミネ
ートフィルムにより形成されている。
しては、プラスチックフィルム等を挙げることができ
る。熱溶着層を形成するプラスチックフィルムには、ポ
リエチレン、ポリプロピレン、ナイロン(商品名)等が
用いられるが、熱可塑性のプラスチック材料であればそ
の原料を問わない。
装フィルム6によって真空包装をしたが、このときの包
装方法や周辺部の封止方法は特に限定されない。また、
外装の周辺部の封止部分は、図4に示すように、電池素
子5の主面に貼り付くような形状としても良く、図5に
示すように、電池素子5の側面に貼り付くような形状と
しても良く、また、折り畳まずにそのままにしても良
い。
れ正極2及び負極3に接合されている。そして、外部の
電子機器と接続する。正極リード7に使用される材料の
例としては、アルミニウム、チタン、或いはこれらの合
金等が挙げられる。負極リード8に使用される材料の例
としては、銅、ニッケル、又はこれらの合金等が挙げら
れる。
極リード7及び負極リード8との接触部分に配されてい
る。樹脂フィルム9を配することで、外装フィルム6の
バリ等によるショートが防止される。また、外装フィル
ム6と、正極リード7及び負極リード8との接触性が向
上する。
リード7及び負極リード8に対して接着性を示すもので
あれば材料は特に限定されないが、ポリエチレン、ポリ
プロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン及
びこれらの共重合体等、ポリオレフィン樹脂からなるも
のを用いることが好ましい。
ば、カルボン酸変性されたフッ化ビニリデン系共重合体
をマトリクスポリマとするゲル状電解質を用いているの
で、漏液しないこと、外装をラミネートフィルムで構成
することができるので軽量化、薄型化が可能であるこ
と、等のポリマー電池の利点をそのままに、電流特性や
低温特性を大幅に向上することが可能である。
比較例について、実験例に基づいて説明する。
ルオロプロピレン(HFP)とをモノマーユニットとし
て含む共重合体を主体とするマトリクスポリマを用いて
非水電解質電池を作製し、この共重合体のカルボン酸変
性の有無による、相溶性、保液性、サイクル特性、低温
特性、及び負荷特性の相違について検討した。また、カ
ルボン酸変性のために導入したモノマーのフッ化ビニリ
デンに対するモノマーユニット比を変化させてゲル状電
解質を作製し、相溶性、保液性、サイクル特性、低温特
性、及び負荷特性について検討した。
量%と、粉状PVdFを3重量%と、粉状黒鉛を5重量
%とを、N−メチルピロリドン(NMP)を溶媒として
分散させた。これを集電体であるアルミニウム箔の両面
に塗布し、100℃にて24時間の減圧乾燥を施した。
更に、ロールプレスによって加圧し、圧縮した。これ
を、50mm×300mmのサイズとなるように切り出
し、正極として使用した。
を91重量%と、粉状PVdFを9重量%とを、NMP
を溶媒として分散させた。これを集電体である銅箔上に
塗布し、120℃にて24時間の減圧を施した。更に、
ロールプレスによって加圧し、圧縮した。これを52m
m×320mmのサイズとなるように切り出し、負極と
して使用した。
に、PVdF共重合体と、溶剤であるジメチルカーボネ
ート(DMC)とを混合した後、加熱・撹拌し、PVd
F共重合体の溶解液を作製した。なお、ここで使用され
るPVdF共重合体は、HFPがフッ化ビニリデンに対
する重量比で7%となるように共重合されていると共
に、モノマレイン酸エステル(MMM)が、フッ化ビニ
リデンに対するモノマーユニット比が25/10000
となるように共重合されている。次に、エチレンカーボ
ネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを
等質量混合して非水溶媒とした。なお、PVdF共重合
体は、固有粘度で2.9dg/lであるものと0.9d
g/lであるものとの2種類を質量比8:2で混合し
た。そして、この非水溶媒に、1.0mol/kgとな
るようにLiPF6を添加し、電解液を作製した。最後
に、PVdF共重合体と、ECとの重量比が1:2とな
るように混合し、ゾル状の電解質を得た。
ル状の電解質をバーコーターを用いて塗布し、恒温層に
おいて溶剤を揮発させることによってゲル状電解質を形
成した後に、正極及び負極それぞれにおける活物質が塗
布された面を向かい合わせ、平らに巻くことによって電
池素子を作製した。この電池素子を、アルミニウム箔を
ポリオレフィンフィルムで挟んだ汎用ラミネートフィル
ムによって真空包装して、非水電解質電池を得た。
対する重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が5/10000とさなるように共重合されている
ものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電
池を作製した。
対する重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が50/10000となるように共重合されている
ものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電
池を作製した。
対する重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が100/10000となるように共重合されてい
るものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質
電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が250/10000となるように共重合されてい
るものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質
電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が1/10000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池
を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が35/1000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池
を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、モノエチルマレイン酸エステル(MEM)がフッ化
ビニリデンに対するモノマーユニット比が5/1000
0となるように共重合されているものを使用した以外
は、実施例1と同様に非水電解質電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MEMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が50/10000となるように共重合されている
ものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MEMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が250/10000となるように共重合されてい
るものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質
電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MEMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が1/10000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池
を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MEMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が35/1000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池
を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、モノプロピルマレイン酸エステル(MPM)がフッ
化ビニリデンに対するモノマーユニット比が5/100
00となるように共重合されているものを使用した以外
は、実施例1と同様に非水電解質電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MPMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が50/10000となるように共重合されている
ものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%とるように共重合されていると共
に、MPMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が250/10000となるように共重合されてい
るものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質
電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MPMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が1/10000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池
を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MPMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が35/1000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池
を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、モノブチルマレイン酸エステル(MBM)がフッ化
ビニリデンに対するモノマーユニット比が5/1000
0となるように共重合されているものを使用した以外
は、実施例1と同様に非水電解質電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MBMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が50/10000となるように共重合されている
ものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MBMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が250/10000となるように共重合されてい
るものを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質
電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MBMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が1/10000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池
を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MBMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が35/1000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池
を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、ジメチルマレイン酸エステル(DMM)がフッ化ビ
ニリデンに対するモノマーユニット比が25/1000
0となるように共重合されているものを使用した以外
は、実施例1と同様に非水電解質電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、ジエチルマレイン酸エステル(DEM)がフッ化ビ
ニリデンに対するモノマーユニット比が25/1000
0となるように共重合されているものを使用した以外
は、実施例1と同様に非水電解質電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されているもの
を使用し、非水溶媒として、ECとPCとを等質量混合
したものを使用した。それ以外は、実施例1と同様にし
て非水電解質電池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されており、M
MMが共重合されていないものを使用した以外は、実施
例1と同様にして非水電解質電池を作製した。
比較例2で作製された非水電解質電池について、以下に
示す方法によって相溶性及び保液性を検討すると共に、
サイクル特性、低温放電特性、及び負荷特性を測定し
た。
が溶解し、透明均一な溶液をつくるか否かを確認した。
透明均一な溶液ができない場合はゲルを構成することが
できずに、電池性能に問題が生じると同時に漏液しやす
くなるために、非水電解質電池として成り立たなくな
る。
分離器にかけ、1600Gで1時間の処理を行い、非水
電解質が漏液するか否かを確認した。マトリクスポリマ
が非水溶媒を十分に保液できない場合にはゲル状電解質
が漏液するため、その形状を維持することが困難とな
る。また、保液性の無いゲル状電解質を用いたときに
は、非水電解質電池が形成されない。
定電圧充電を行った後に、1Cの3Vカットオフ定電流
放電を行い、放電容量の経時変化を測定した。なお、1
Cとは電池の定格容量を1時間で放電させる電流値であ
る。ここでは、5サイクル目の放電容量に対する300
サイクル目の放電容量の割合を評価し、85%以上を良
品とした。なお、上述した値が85%以上であれば、現
在の電子機器の一般的なスペックで必要とされる条件を
満たしていることになる。 (300サイクル目の放電容量)/(5サイクル目の放
電容量)
容量に対する−20℃での0.5C放電容量の割合を評
価し、50%以上を良品とした。なお、0.5Cとは、
電池の定格容量を2時間で放電させる電流値である。な
お、上述した値が50%以上であれば、約−20℃の寒
冷地において、携帯電話等によって緊急救援通話を最低
1回行うのに必要な放電容量が確保されていることにな
る。 (−20℃における0.5C放電容量)/(23℃にお
ける0.5C放電容量)
量に対する3C放電容量の割合を評価し、85%以上を
良品とした。なお、3Cとは、電池の定格容量を20分
で放電させる電流値である。例えば、携帯電話はパルス
電流で電力を消費するため、電流が大量に流れる。な
お、上述した値が85%であれば、携帯電話に対する要
求を満たすことができる。 (3C放電容量)/(0.5C放電容量)
1、及び比較例2について、相溶性や保液性、サイクル
特性、低温特性、及び負荷特性を測定した。結果を表1
に示す。
まない場合、マトリクスポリマであるポリフッ化ビニリ
デンをカルボン酸変性させなくともゲル状電解質は作製
することができる。ただし、低粘度溶媒を含まないた
め、当然のことながら低温特性が不十分である。
していないマトリクスポリマと低粘度溶媒を組み合わせ
ると、これらの相溶性が無いために、ゲルを構成するこ
とができず、漏液が起こる上、電池性能もよくない。
クスポリマと低粘度溶媒を組み合わせた各実施例では、
低温特性に優れ、漏液の問題も発生していない。
性等の電池性能を考えた場合、カルボン酸変性のための
モノマーユニットの比率を適正な値に設定することが好
ましいこともわかる。
重合体においては、実施例1〜実施例5に示するよう
に、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が25/10000〜30/1000となるように
共重合されているときには、相溶性及び保液性が良好で
あり、サイクル特性、低温特性、及び負荷特性も十分で
ある。
MMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニット比が
25/10000未満となるように共重合されていると
き、及び実施例7に示すように、30/1000より大
となるように共重合されているときには、相溶性及び保
液性が悪く、サイクル特性、低温特性、及び負荷特性が
不十分である。
重合体においては、実施例8〜実施例10に示するよう
に、MEMが、フッ化ビニリデンに対するモノマーユニ
ット比が25/10000〜30/1000となるよう
に共重合されているときには、相溶性及び保液性が良好
であり、サイクル特性、低温特性、及び負荷特性も十分
である。
MEMが、フッ化ビニリデンに対するモノマーユニット
比が25/10000未満となるように共重合されてい
るとき、及び実施例12に示すように30/1000よ
り大となるように共重合されているときには、相溶性及
び保液性が悪く、サイクル特性、低温特性、及び負荷特
性が不十分である。
重合体においても、実施例13〜実施例15や実施例1
8〜実施例20に示すように、MPMやMBMが、フッ
化ビニリデンに対するモノマーユニット比が25/10
000〜30/1000となるように共重合されている
ときには、相溶性や保液性が良好であり、サイクル特
性、低温特性、負荷特性も十分である。
示すように、MPMやMBMが、フッ化ビニリデンに対
するモノマーユニット比が25/10000以下となる
ように共重合されているとき、及び実施例17、実施例
22に示すように、30/1000より大となるように
共重合されているときには、相溶性及び保液性が悪く、
サイクル特性、低温特性、及び負荷特性が不十分であ
る。
や非水電解質電池を作製し、カルボン酸変性の効果を確
認した。
製した。
PVdF共重合体と、ECと、PCとを等質量混合し
た。そして、ここに溶剤であるDMCを混合した後、加
熱・撹拌して溶解し、ゾル状態である溶液を作製した。
なお、ここで使用されるPVdF共重合体は実施例1で
使用されたものと同じである。
正極及び負極におけるそれぞれの活物質層上にバーコー
ターで塗布し、恒温槽において溶剤を揮発させることに
よってゲル状の膜を作製した。そして、正極と負極とを
それぞれの活物質面を合わせた後に平らに巻いて、電池
素子を作製した。
溶媒に、LiPF6を1.5mol/kgとなるように
添加した電解液を作製した。そして、この電解液に電池
素子をつけ込み電解液を含浸させた。この電池素子を、
実施例1と同様にアルミニウム箔をポリオレフィンフィ
ルムで挟んだ汎用ラミネートフィルムによって真空包装
して、非水電解質電池を作製した。
対して共重合比が7%となるように共重合されていると
共に、モノエチルマレイン酸エステル(MEM)が、フ
ッ化ビニリデンに対するモノマーユニット比が25/1
0000となるように共重合されているものを使用し
た。それ以外は、実施例25と同様に非水電解質電池を
作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が1/10000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例25と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が35/1000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例25と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MEMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が1/10000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例25と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MEMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が35/1000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例25と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MPMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が1/10000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例25と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MPMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が35/1000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例25と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MBMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が1/10000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例25と同様に非水電解質電
池を作製した。
対して重量比が7%となるように共重合されていると共
に、MBMがフッ化ビニリデンに対するモノマーユニッ
ト比が35/1000となるように共重合されているも
のを使用した以外は、実施例25と同様に非水電解質電
池を作製した。
水電解質電池について、上述した方法によって相溶性及
び保液性を検討すると共に、サイクル特性、低温放電特
性、及び負荷特性を測定した。この結果を表2に示す。
法を変えたときにも、フッ化ビニリデンがカルボン酸変
性されているときには、相溶性及び保液性が良好であ
り、サイクル特性、低温特性、及び負荷特性も十分であ
ることが判明した。
重合させた場合には、実施例25及び実施例26に示す
るように、MMMがフッ化ビニリデンに対するモノマー
ユニット比が25/10000〜30/1000となる
ように共重合されているときには、相溶性及び保液性が
良好であり、サイクル特性、低温特性、及び負荷特性も
十分である。
を含浸させる方法を採用した場合、EC−PCでゲル化
する段階までは実施例27のようにマレイン酸変性が少
なくてもよいが、実施例28のようにマレイン酸変性が
多すぎると、相溶性が下がりサイクル特性等が悪くな
る。そして、これらは、後から含浸する低粘度溶媒を吸
液し難いため、保液性が不足し低温特性が悪くなってい
る。
材料を変えて非水電解質電池を作製し、相溶性、保液
性、サイクル特性、低温特性、及び負荷特性について検
討した。
にLiCoO2の代わりにLi0.7Co0.2O2を使用した
以外は、実施例1と同様に非水電解質電池を作製した。
実施例1と同様に非水電解質電池を作製した。
を使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池を
作製した。
を使用した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池を
作製した。
=35:10:30:25である混合物を使用し、Li
PF6を非水溶媒に対して1.3mol/kgとなるよ
うに添加した以外は、実施例1と同様に非水電解質電池
を作製した。
水電解質電池について、上述した方法によって相溶性及
び保液性を検討すると共に、サイクル特性、低温放電特
性、及び負荷特性を測定した。この結果を表3に示す。
塩、及び非水溶媒の材料を変えて非水電解質電池を作製
したときにも、PVdF共重合体に対して、フッ化ビニ
リデンに対するモノマーユニット比が25/10000
〜30/1000となるようにカルボン酸変性されてい
るときには、相溶性及び保液性が良好であり、サイクル
特性、低温特性、及び負荷特性も十分であることが判明
した。
記)を変化させたゲル状電解質を用いて非水電解質電池
を作製し、相溶性、保液性、サイクル特性、低温特性、
及び負荷特性について検討した。
電解質に使用した共重合体の固有粘度は、2.9dg/
l及び1.0dg/lである。
あり、主鎖にHFPがフッ化ビニリデンに対して重量比
が7%含まれていると共に、MMMがフッ化ビニリデン
に対するモノマーユニット比が25/10000となる
ように共重合されているものを使用した以外は、実施例
1と同様に非水電解質電池を作製した。
あり、主鎖にHFPがフッ化ビニリデンに対して重量比
が7%含まれていると共に、MMMがフッ化ビニリデン
に対するモノマーユニット比が25/10000となる
ように共重合されているされているものを使用した以外
は、実施例1と同様に非水電解質電池を作製した。
水電解質電池について、上述した方法によって相溶性及
び保液性を検討すると共に、サイクル特性、低温放電特
性、及び負荷特性を測定した。この結果を表4に示す。
ポリマとして使用した共重合体の分子量が固有粘度で3
dg/lを越えると、溶解が困難になり、電池性能に支
障が生じている。逆に、マトリクスポリマとして使用し
た共重合体の分子量が固有粘度で0.8dg/lを下回
ると、自己保持性、保液性のあるゲルを作らず、やはり
電池性能に支障が生じている。
明のゲル状電解質においては、カルボン酸変性したポリ
フッ化ビニリデン系共重合体をマトリクスポリマとして
使用しているので、沸点の低い低粘度溶媒を溶解し、保
液することができ、低温でのイオン伝導性を向上するこ
とができる。
水電解質電池では、漏液しないこと、外装をラミネート
フィルムで構成することができるので軽量化、薄型化が
可能であること等のポリマー電池の利点をそのままに、
電流特性や低温特性の向上を実現することができる。
ある。
ある。
略斜視図である。
示す概略斜視図である。
示す概略斜視図である。
電解質、5 電池素子、6 外装フィルム
Claims (16)
- 【請求項1】 非水溶媒にLiを含む電解質塩を溶解し
てなる非水電解液がフッ化ビニリデンをモノマーユニッ
トとして含む共重合体を主体とするマトリクスポリマに
よってゲル化されてなり、上記共重合体には、カルボキ
シル基、カルボン酸の一部若しくは全部がエステル化さ
れた構造、無水酢酸構造から選ばれる少なくとも1種が
導入されていることを特徴とするゲル状電解質。 - 【請求項2】 上記共重合体には、下記化1及び/又は
化2(但し、RはH、CH3、C2H5、C3H7、C
4H9、C5H11から選ばれるいずれか1種を表す。)で
示される構造が導入されていることを特徴とする請求項
1記載のゲル状電解質。 【化1】 【化2】 - 【請求項3】 上記共重合体には、下記化3及び/又は
化4(但し、R1、R2はそれぞれH、CH3、C
2H5、C3H7、C4H9、C5H11から選ばれるいずれか
1種を表す。)で示される構造が導入されていることを
特徴とする請求項1記載のゲル状電解質。 【化3】 【化4】 - 【請求項4】 上記共重合体は、マレイン酸、マレイン
酸エステル、無水マレイン酸から選ばれる少なくとも1
種をモノマーユニットとして含み、上記カルボキシル
基、カルボン酸の一部若しくは全部がエステル化された
構造、無水酢酸構造から選ばれる少なくとも1種が導入
されていることを特徴とする請求項3記載のゲル状電解
質。 - 【請求項5】 上記マレイン酸、マレイン酸エステル、
無水マレイン酸から選ばれる少なくとも1種は、フッ化
ビニリデンに対してモノマーユニット比が25/100
00〜30/1000の範囲となるように共重合されて
いることを特徴とする請求項4記載のゲル状電解質。 - 【請求項6】 上記共重合体は、ヘキサフルオロプロピ
レンをモノマーユニットとして含むことを特徴とする請
求項1記載のゲル状電解質。 - 【請求項7】 上記共重合体の分子量は、固有粘度表記
で0.8dl/g〜3.0dl/gであることを特徴と
する請求項1記載のゲル状電解質。 - 【請求項8】 負極及び正極と、非水溶媒にLiを含む
電解質塩を溶解してなる非水電解液がフッ化ビニリデン
をモノマーユニットとして含む共重合体を主体とするマ
トリクスポリマによってゲル化されたゲル状電解質とを
備え、上記共重合体には、カルボキシル基、カルボン酸
の一部若しくは全部がエステル化された構造、酸水酢酸
構造から選ばれる少なくとも1種が導入されていること
を特徴とする非水電解質電池。 - 【請求項9】 上記負極は、リチウム金属、リチウム合
金、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料から選
ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項8
の非水電解質電池。 - 【請求項10】 上記正極は、リチウムと遷移金属との
複合酸化物を含むことを特徴とする請求項8の非水電解
質電池。 - 【請求項11】 上記共重合体には、下記化5及び/又
は化6(但し、RはH、CH3、C2H5、C3H7、C4H
9、C5H11から選ばれるいずれか1種を表す。)で示さ
れる構造が導入されていることを特徴とする請求項8記
載の非水電解質電池。 【化5】 【化6】 - 【請求項12】 上記共重合体には、下記化3及び/又
は化4(但し、R1、R2はそれぞれH、CH3、C2H
5、C3H7、C4H9、C5H11から選ばれるいずれか1種
を表す。)で示される構造が導入されていることを特徴
とする請求項8記載の非水電解質電池。 【化7】 【化8】 - 【請求項13】 上記共重合体は、マレイン酸、マレイ
ン酸エステル、無水マレイン酸から選ばれる少なくとも
1種をモノマーユニットとして含み、上記カルボキシル
基、カルボン酸の一部若しくは全部がエステル化された
構造、無水酢酸構造から選ばれる少なくとも1種が導入
されていることを特徴とする請求項12記載の非水電解
質電池。 - 【請求項14】 上記マレイン酸、マレイン酸エステ
ル、無水マレイン酸から選ばれる少なくとも1種は、フ
ッ化ビニリデンに対してモノマーユニット比が25/1
0000〜30/1000の範囲となるように共重合さ
れていることを特徴とする請求項13記載の非水電解質
電池。 - 【請求項15】 上記共重合体は、ヘキサフルオロプロ
ピレンをモノマーユニットとして含むことを特徴とする
請求項8記載の非水電解質電池。 - 【請求項16】 上記共重合体の分子量は、固有粘度表
記で0.8dl/g〜3.0dl/gであることを特徴
とする請求項8記載の非水電解質電池。
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