JP2002042870A - ポリマー電解質を使った二次電池 - Google Patents
ポリマー電解質を使った二次電池Info
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- JP2002042870A JP2002042870A JP2000226312A JP2000226312A JP2002042870A JP 2002042870 A JP2002042870 A JP 2002042870A JP 2000226312 A JP2000226312 A JP 2000226312A JP 2000226312 A JP2000226312 A JP 2000226312A JP 2002042870 A JP2002042870 A JP 2002042870A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ポリマー電解質を使用する二次電池において
ポリマー電解質の機械的強度を増強し、電池の性能を改
善する。 【解決手段】 ゲル状ポリマー電解質にセラミックウィ
スカーを分散することによってその機械的強度を高め
る。不織布等のセパレータは使用しない。
ポリマー電解質の機械的強度を増強し、電池の性能を改
善する。 【解決手段】 ゲル状ポリマー電解質にセラミックウィ
スカーを分散することによってその機械的強度を高め
る。不織布等のセパレータは使用しない。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は、ポリマー電解質を使った二次電
池、特に負極と正極の間にそのようなポリマー電解質層
が配置されているリチウムイオン二次電池に関する。
池、特に負極と正極の間にそのようなポリマー電解質層
が配置されているリチウムイオン二次電池に関する。
【０００２】
【従来技術および課題】携帯用小型電子機器の電源には
ポリマー電解質を使った二次電池、例えばリチウム電
池、リチウムイオン電池が使用されている。ポリマー電
解質は、イオン伝導性高分子のマトリックスに非水電解
液を保持されたゲル状物質である。このものはマクロ的
には固体の状態であるが、ミクロ的には非水電解液がマ
トリックス中で連続相を形成し、非水電解液を含まない
全固体電解質より一般に高いイオン伝導率を持ってい
る。
ポリマー電解質を使った二次電池、例えばリチウム電
池、リチウムイオン電池が使用されている。ポリマー電
解質は、イオン伝導性高分子のマトリックスに非水電解
液を保持されたゲル状物質である。このものはマクロ的
には固体の状態であるが、ミクロ的には非水電解液がマ
トリックス中で連続相を形成し、非水電解液を含まない
全固体電解質より一般に高いイオン伝導率を持ってい
る。
【０００３】ゲル状のポリマー電解質を電池の負極と正
極の間にサンドイッチ状に配置して電池を作成した場
合、このものは見掛け上固体であっても高割合の非水電
解液を含むゲルであるため機械的強度に乏しく、電池の
繰り返される充放電や発熱によって流動化に耐えられな
い現象が見られる。このため通常はポリマー電解質層中
に埋没したセパレータ（不織布など）によって機械的強
度の不足を補っている。
極の間にサンドイッチ状に配置して電池を作成した場
合、このものは見掛け上固体であっても高割合の非水電
解液を含むゲルであるため機械的強度に乏しく、電池の
繰り返される充放電や発熱によって流動化に耐えられな
い現象が見られる。このため通常はポリマー電解質層中
に埋没したセパレータ（不織布など）によって機械的強
度の不足を補っている。
【０００４】しかしながらセパレータの使用はポリマー
電解質の非水電解液の連続相の形成を妨げ、電池の内部
抵抗を高める傾向がある。
電解質の非水電解液の連続相の形成を妨げ、電池の内部
抵抗を高める傾向がある。
【０００５】このためセパレータを使用することなく、
電極間に配置されたゲル状ポリマー電解質層の機械的強
度を高めることが望まれる。
電極間に配置されたゲル状ポリマー電解質層の機械的強
度を高めることが望まれる。
【０００６】
【課題の解決方法】本発明は、負極、正極およびその間
に配置されたイオン伝導性高分子のマトリックス中に非
水電解液を保持させたゲル状ポリマー電解質層を備えた
二次電池において、ゲル状ポリマー電解質がその中に分
散されたセラミックウィスカーを含んでいる二次電池を
提供する。
に配置されたイオン伝導性高分子のマトリックス中に非
水電解液を保持させたゲル状ポリマー電解質層を備えた
二次電池において、ゲル状ポリマー電解質がその中に分
散されたセラミックウィスカーを含んでいる二次電池を
提供する。
【０００７】ウィスカーは針状の単結晶であり、欠陥が
殆どないため極めて高い強度を持っている。そのため金
属、セラミック等をマトリックスとする複合材料の強化
材に用いられている。またセラミックスウィスカーは高
絶縁性であり、化学的にも安定であるためこれをポリマ
ー電解質中に分散しても電池性能に悪影響することなく
機械的強度を強化することができる。
殆どないため極めて高い強度を持っている。そのため金
属、セラミック等をマトリックスとする複合材料の強化
材に用いられている。またセラミックスウィスカーは高
絶縁性であり、化学的にも安定であるためこれをポリマ
ー電解質中に分散しても電池性能に悪影響することなく
機械的強度を強化することができる。
【０００８】本発明では不織布のような連続したウエブ
としてではなく、ウィスカーを個別的に分散させるの
で、高い強度を得るため多量にポリマー電解質中に加え
ても非水電解液がマトリックス中で連続相を形成する妨
げとなることは実質上軽微であり、電池の内部抵抗が増
大することは殆んどない。
としてではなく、ウィスカーを個別的に分散させるの
で、高い強度を得るため多量にポリマー電解質中に加え
ても非水電解液がマトリックス中で連続相を形成する妨
げとなることは実質上軽微であり、電池の内部抵抗が増
大することは殆んどない。
【０００９】
【詳論】ポリマー電解質を使用した典型的な二次電池で
あるリチウムイオン二次電池を例にとって本発明を詳し
く説明する。本発明の電池はポリマー電解質層がウィス
カーによって強化されていることを除いて従来技術によ
る電池と同じとすることができるので、活物質および非
水電解液に含まれる塩の種類を適宜選択することによ
り、この開示を基にして他のタイプの二次電池にも適用
できることは自明であろう。
あるリチウムイオン二次電池を例にとって本発明を詳し
く説明する。本発明の電池はポリマー電解質層がウィス
カーによって強化されていることを除いて従来技術によ
る電池と同じとすることができるので、活物質および非
水電解液に含まれる塩の種類を適宜選択することによ
り、この開示を基にして他のタイプの二次電池にも適用
できることは自明であろう。
【００１０】リチウムイオン二次電池の負極は、集電材
となるアルミ箔、銅箔のような金属箔の上に活物質であ
る炭素材料（黒鉛）および必要ならばアセチレンブラッ
クなどの導電材をバインダーで固めて被覆したものであ
る。
となるアルミ箔、銅箔のような金属箔の上に活物質であ
る炭素材料（黒鉛）および必要ならばアセチレンブラッ
クなどの導電材をバインダーで固めて被覆したものであ
る。
【００１１】正極には一般にリチウムを含むカルコゲナ
イド化合物が活物質として使用される。典型的なリチウ
ムカルコゲナイド化合物は、リチウムとコバルトの複合
酸化物、リチウムとニッケルの複合酸化物などある。正
極活物質もやはり導電材と共に集電材（金属箔）の上に
バインダーを用いて固めて被覆される。
イド化合物が活物質として使用される。典型的なリチウ
ムカルコゲナイド化合物は、リチウムとコバルトの複合
酸化物、リチウムとニッケルの複合酸化物などある。正
極活物質もやはり導電材と共に集電材（金属箔）の上に
バインダーを用いて固めて被覆される。
【００１２】ポリマー電解質層をあらかじめシートに成
形しておき、その両側に活物質層を内側にして負極およ
び正極とサンドイッチ状に張り合わせることもできる
が、好ましい方法は負極および正極の活物質層それぞれ
と一体にポリマー電解質層を形成し、二つの電解質層を
それぞれの電極と共に張り合わせて合体する方法であ
る。
形しておき、その両側に活物質層を内側にして負極およ
び正極とサンドイッチ状に張り合わせることもできる
が、好ましい方法は負極および正極の活物質層それぞれ
と一体にポリマー電解質層を形成し、二つの電解質層を
それぞれの電極と共に張り合わせて合体する方法であ
る。
【００１３】ポリマー電解質は、非水電解液へマトリッ
クスのイオン伝導性高分子のモノマーを添加し、この状
態でモノマーを熱、光、電子線などにより重合して形成
される。前記の好ましい方法により電極と一体のポリマ
ー電解質層を形成する場合には、活物質層の上にモノマ
ー／非水電解液混液をキャスティングし、これを熱重
合、光重合または電子線重合によってゲル状ポリマー電
解質に固める。熱重合および光重合の場合にはモノマー
／非水電解液混液は当業者には良く知られた熱重合剤開
始剤または光重合開始剤を含まなければならない。
クスのイオン伝導性高分子のモノマーを添加し、この状
態でモノマーを熱、光、電子線などにより重合して形成
される。前記の好ましい方法により電極と一体のポリマ
ー電解質層を形成する場合には、活物質層の上にモノマ
ー／非水電解液混液をキャスティングし、これを熱重
合、光重合または電子線重合によってゲル状ポリマー電
解質に固める。熱重合および光重合の場合にはモノマー
／非水電解液混液は当業者には良く知られた熱重合剤開
始剤または光重合開始剤を含まなければならない。
【００１４】ポリマー電解質のマトリックスポリマーを
形成する多種類のモノマーが知られている。基本的には
これらモノマーはポリエーテル鎖を持ち、重合後非水電
解液の連続相を保持する空間を持つ三次元網状構造やＩ
ＰＮ構造を形成するモノマーである。エチレングリコー
ル、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロー
ルプロパンなどの多価アルコールに、エチレンオキシ
ド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシドなどのアル
キレンオキシドを付加重合して得られる多官能ポリエー
テルポリオールのポリ（メタ）アクリレートは三次元網
状構造のイオン伝導性ポリマーをつくる原料モノマーの
典型例である。単官能ポリエーテルの（メタ）アクリレ
ートを多官能モノマーと併用しても良い。
形成する多種類のモノマーが知られている。基本的には
これらモノマーはポリエーテル鎖を持ち、重合後非水電
解液の連続相を保持する空間を持つ三次元網状構造やＩ
ＰＮ構造を形成するモノマーである。エチレングリコー
ル、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロー
ルプロパンなどの多価アルコールに、エチレンオキシ
ド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシドなどのアル
キレンオキシドを付加重合して得られる多官能ポリエー
テルポリオールのポリ（メタ）アクリレートは三次元網
状構造のイオン伝導性ポリマーをつくる原料モノマーの
典型例である。単官能ポリエーテルの（メタ）アクリレ
ートを多官能モノマーと併用しても良い。
【００１５】非水電解液は、エチレンカーボネート、プ
ロピレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジ
メチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチ
ロラクトンのような非プロトン性極性有機溶媒にリチウ
ム塩（リチウムイオン電池の場合）を０．５〜３ｍｏｌ
／ｌの濃度に溶解した溶液である。多数のリチウム塩を
使用することができるが、ＬｉＣｌＯ4 ，ＬｉＢＦ4 ，
ＬｉＰＦ6 ，ＬｉＡｓＦ6 ，トリフルオロメタンスルホ
ン酸リチウムなどが好んで使用される。
ロピレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジ
メチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチ
ロラクトンのような非プロトン性極性有機溶媒にリチウ
ム塩（リチウムイオン電池の場合）を０．５〜３ｍｏｌ
／ｌの濃度に溶解した溶液である。多数のリチウム塩を
使用することができるが、ＬｉＣｌＯ4 ，ＬｉＢＦ4 ，
ＬｉＰＦ6 ，ＬｉＡｓＦ6 ，トリフルオロメタンスルホ
ン酸リチウムなどが好んで使用される。
【００１６】モノマーと非水電解液の比率は、混液中モ
ノマーの占める割合が１〜３０％、好ましくは５〜２０
％となるような割合である。
ノマーの占める割合が１〜３０％、好ましくは５〜２０
％となるような割合である。
【００１７】ウィスカーは炭化ケイ素、酸化アルミニウ
ム、窒化ケイ素などの針状単結晶である。一般にウィス
カーは０．１〜１０μｍの直径を持ち、長さは１０ｍｍ
にも達するものがある。本発明において使用するために
は径および長さにおいて分布の狭いものが好ましい。ウ
ィスカーはモノマー／非水電解液混液中へ分散される。
その添加量は重合後のポリマー電解質に望まれる機械的
強度に応じて１重量％から５０重量％まで変動し得るで
あろう。しかしながら光重合の場合ウィスカーの存在は
深部（活物質層に隣接する部分）への光の透過率を低下
させることがあるので、２０重量％以下であることが好
ましい。
ム、窒化ケイ素などの針状単結晶である。一般にウィス
カーは０．１〜１０μｍの直径を持ち、長さは１０ｍｍ
にも達するものがある。本発明において使用するために
は径および長さにおいて分布の狭いものが好ましい。ウ
ィスカーはモノマー／非水電解液混液中へ分散される。
その添加量は重合後のポリマー電解質に望まれる機械的
強度に応じて１重量％から５０重量％まで変動し得るで
あろう。しかしながら光重合の場合ウィスカーの存在は
深部（活物質層に隣接する部分）への光の透過率を低下
させることがあるので、２０重量％以下であることが好
ましい。
【００１８】ウィスカーを含むモノマー／非水電解液の
混液はウィスカーを含まない場合と同様に負極および正
極それぞれの活物質層の上にキャストし、熱、光、電子
線等によってモノマーを重合し、電極と一体化したポリ
マー電解質層を形成することができる。最後に電極と一
体化したポリマー電解質層を相互に張り合わせ、電池が
組立てられる。
混液はウィスカーを含まない場合と同様に負極および正
極それぞれの活物質層の上にキャストし、熱、光、電子
線等によってモノマーを重合し、電極と一体化したポリ
マー電解質層を形成することができる。最後に電極と一
体化したポリマー電解質層を相互に張り合わせ、電池が
組立てられる。
【００１９】
【実施例】以下の実施例は例証のためであり、限定を意
図しない。実施例中の「部」および「％」は特記しない
限り重量基準による。
図しない。実施例中の「部」および「％」は特記しない
限り重量基準による。
【００２０】実施例１ 銅箔に、黒鉛粉末をポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）
のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液で練合し
て得たペーストを塗布し、乾燥後プレスすることによっ
て活物質層を有する負極を用意した。
のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液で練合し
て得たペーストを塗布し、乾燥後プレスすることによっ
て活物質層を有する負極を用意した。
【００２１】別にアルミ箔に、ＬｉＣｏＯ2 粉末とアセ
チレンブラックとをＰＶＤＦのＮＭＰ溶液で練合して得
たペーストを塗布し、乾燥後プレスすることによって活
物質層を有する正極を用意した。
チレンブラックとをＰＶＤＦのＮＭＰ溶液で練合して得
たペーストを塗布し、乾燥後プレスすることによって活
物質層を有する正極を用意した。
【００２２】次にエチレンカーボネートとプロピレンカ
ーボネートの１：１容積比混合液にＬｉＢＦ4 を１ｍｏ
ｌ／ｌの濃度に溶解し、非水電解液を調製した。
ーボネートの１：１容積比混合液にＬｉＢＦ4 を１ｍｏ
ｌ／ｌの濃度に溶解し、非水電解液を調製した。
【００２３】この非水電解液８０部に、３官能ポリエー
テルポリオールトリアクリレート（グリセリンにエチレ
ンオキシド（ＥＯ）とプロピレンオキシド（ＰＯ）を
４：１のモル比でランダムに付加させた平均分子量約８
０００の３官能ポリエーテルポリオールの末端水酸基を
アクリル酸でアシル化して得られる。）１０部と、平均
直径２μｍ、長さ２ｍｍの炭化ケイ素ウィスカー１０部
を添加し、かきまぜて均一に分散させた後、減圧下で脱
気してウィスカーを分散したモノマー／非水電解液混液
をつくった。
テルポリオールトリアクリレート（グリセリンにエチレ
ンオキシド（ＥＯ）とプロピレンオキシド（ＰＯ）を
４：１のモル比でランダムに付加させた平均分子量約８
０００の３官能ポリエーテルポリオールの末端水酸基を
アクリル酸でアシル化して得られる。）１０部と、平均
直径２μｍ、長さ２ｍｍの炭化ケイ素ウィスカー１０部
を添加し、かきまぜて均一に分散させた後、減圧下で脱
気してウィスカーを分散したモノマー／非水電解液混液
をつくった。
【００２４】この混液に開始剤としてベンジルジメチル
ケタール５００ｐｐｍを添加し、あらかじめ用意した負
極および正極のそれぞれの活物質の上にキャストし、波
長３５０ｎｍの紫外線で３分間照射し、それぞれの電極
と一体のポリマー電解質を形成した。
ケタール５００ｐｐｍを添加し、あらかじめ用意した負
極および正極のそれぞれの活物質の上にキャストし、波
長３５０ｎｍの紫外線で３分間照射し、それぞれの電極
と一体のポリマー電解質を形成した。
【００２５】次にポリマー電解質を内側にして負極およ
び正極を張り合わせ、集電タブを取り付けた後ポリエチ
レンラミネートアルミ箔のバッグに収容し、ヒートシー
ルにより密封してリチウムイオン二次電池を得た。
び正極を張り合わせ、集電タブを取り付けた後ポリエチ
レンラミネートアルミ箔のバッグに収容し、ヒートシー
ルにより密封してリチウムイオン二次電池を得た。
【００２６】比較例１ モノマー／非水電解液混液にウィスカーを添加しなかっ
たことを除き、実施例１と同じ操作によってリチウムイ
オン二次電池を作製した。
たことを除き、実施例１と同じ操作によってリチウムイ
オン二次電池を作製した。
【００２７】実施例および比較例の電池を４．２Ｖまで
充電し、２．７Ｖまで放電する充放電サイクルを繰り返
したところ、実施例の電池は２００サイクルにおいても
１００個中全部に異常が認められなかったが、比較例の
電池はポリマー電解質層の強度不足に起因して変形、液
もれ、短絡等の異常が１００個中およそ２０個に発生し
た。
充電し、２．７Ｖまで放電する充放電サイクルを繰り返
したところ、実施例の電池は２００サイクルにおいても
１００個中全部に異常が認められなかったが、比較例の
電池はポリマー電解質層の強度不足に起因して変形、液
もれ、短絡等の異常が１００個中およそ２０個に発生し
た。
Claims (3)
- 【請求項１】負極、正極およびその間に配置されたイオ
ン伝導性高分子のマトリックス中に非水電解液を保持さ
せたゲル状ポリマー電解質を備えた二次電池において、
ゲル状ポリマー電解質がその中に分散されたセラミック
ウィスカーを含んでいることを特徴とする二次電池。 - 【請求項２】ゲル状ポリマー電解質のセラミックウィス
カーの量は、ポリマー電解質中１〜５０重量％である請
求項１の二次電池。 - 【請求項３】二次電池はリチウムイオン二次電池である
請求項１または２の二次電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000226312A JP4556050B2 (ja) | 2000-07-27 | 2000-07-27 | ポリマー電解質を使った二次電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000226312A JP4556050B2 (ja) | 2000-07-27 | 2000-07-27 | ポリマー電解質を使った二次電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002042870A true JP2002042870A (ja) | 2002-02-08 |
| JP4556050B2 JP4556050B2 (ja) | 2010-10-06 |
Family
ID=18719949
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000226312A Expired - Lifetime JP4556050B2 (ja) | 2000-07-27 | 2000-07-27 | ポリマー電解質を使った二次電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4556050B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010113971A1 (ja) | 2009-03-30 | 2010-10-07 | パイオトレック株式会社 | フッ素系重合体の製法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0375184U (ja) * | 1989-11-24 | 1991-07-29 | ||
| JPH10247417A (ja) * | 1996-11-18 | 1998-09-14 | Samsung Display Devices Co Ltd | 固体高分子電解質 |
| JPH11283674A (ja) * | 1998-03-27 | 1999-10-15 | Japan Storage Battery Co Ltd | 非水電解液電池 |
| JP2000149922A (ja) * | 1998-11-05 | 2000-05-30 | Samsung Sdi Co Ltd | リチウムイオンポリマ―電池用電極活物質組成物、高分子電解質マトリックス組成物及びこれを用いたリチウムイオンポリマ―電池の製造方法 |
-
2000
- 2000-07-27 JP JP2000226312A patent/JP4556050B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0375184U (ja) * | 1989-11-24 | 1991-07-29 | ||
| JPH10247417A (ja) * | 1996-11-18 | 1998-09-14 | Samsung Display Devices Co Ltd | 固体高分子電解質 |
| JPH11283674A (ja) * | 1998-03-27 | 1999-10-15 | Japan Storage Battery Co Ltd | 非水電解液電池 |
| JP2000149922A (ja) * | 1998-11-05 | 2000-05-30 | Samsung Sdi Co Ltd | リチウムイオンポリマ―電池用電極活物質組成物、高分子電解質マトリックス組成物及びこれを用いたリチウムイオンポリマ―電池の製造方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010113971A1 (ja) | 2009-03-30 | 2010-10-07 | パイオトレック株式会社 | フッ素系重合体の製法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4556050B2 (ja) | 2010-10-06 |
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