JP2002280072A - 無機/有機複合高分子固体電解質を組み込んだ電池 - Google Patents
無機/有機複合高分子固体電解質を組み込んだ電池Info
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Abstract
膜とした際の物理的な強度が大きく、かつ耐熱性に優れ
た無機/有機複合高分子固体電解質を組み込んだ電池を
提供する。 【解決手段】 (1)少なくとも一種の主鎖に酸素原子を
含有する有機高分子化合物、(2)少なくとも一種の無機
酸化物、及び(3)リチウム電解質塩を含む無機/有機複
合高分子固体電解質膜を組み込んだリチウム二次電池で
あって、(2)無機酸化物の平均粒径が100nm以下であっ
て、(1)高分子化合物と(2)無機酸化物の和を100%とした
ときに、(2)無機酸化物を10〜30重量%程度の割合で含
み、及び固体電解質膜の厚みが40μm以下であるリチウ
ム二次電池を提供する。
Description
等に用いることのできる、優れたイオン伝導性と強度を
有する高分子固体電解質に関する。
ピューター、ビデオカメラ等に用いられる二次電池は、
高エネルギー密度で且つ充放電サイクル寿命の長いこと
が求められている。同時に電池の小型化、軽量化、薄型
化(シート化)さらに形状自由度の拡大等が強く要望さ
れている。
ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池などが
広く利用されているが、近年はさらに高エネルギー密度
の二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化さ
れ、急速にそのシェアーを伸ばしている。
には液体が用いられるのが一般的であり、無機酸、アル
カリ等の水溶液、またリチウムイオン電池には非水系の
有機溶媒等が使用されてきたが、これらは漏洩すると危
険な液体であり、その安全の為の配慮が電池設計上の大
きな制約となっていた。
一般的に負極にはリチウムイオンをインターカレート出
来る炭素材料が使用されているが、本来リチウム金属又
はその合金を用いる方がエネルギー密度的により有利で
ある。しかし、リチウム及びリチウム金属を負極として
用いる電解質が溶液型のリチウム電池の場合、使用時に
充放電の繰り返しと共に負極上に針状のリチウム金属
(デンドライト)が析出し、これがセパレーターにダメ
ージを与え電池の短絡を引き起こすという問題がある。
解質を固体状にして液漏れを防止する試みが早くから手
掛けられて来た。さらに、固体化することは前記負極に
リチウム金属等を使用する際のデンドライトの生成を抑
制する効果もあるとされている。
度を兼ね備えた、性能の優れた固体電解質の開発が望ま
れ、精力的な検討が進められて来た。その主流はポリエ
チレンオキサイド系の酸素原子含有有機高分子化合物で
あるが、その室温でのイオン伝導度は液体電解質と比較
すると低く、10-4〜10-5S/cm程度が限界である。
含有させたゲルタイプの電解質の開発も同時に進められ
ており、そのイオン伝導度は含有する溶媒にも依存する
が、多量に含有可能な高分子の場合、10-3S/cm以上の
実用化可能なレベルの報告もある。しかしこれらのゲル
電解質の場合、溶媒の含浸による強度低下、加圧力が作
用すると溶媒の浸出等の問題がある。
方法として、高分子化合物の微多孔膜、不織布、織物等
の強度を有する基布に固体電解質を塗布、含浸する方法
が種々提案されている。これらの案の場合、用いる基布
は主としてポリオレフィン系であるため耐熱、強度的に
も限界があり、また高分子化合物の含浸、塗布にも技術
的困難性がある。
全芳香属ポリアミドであるアラミド繊維を用いる方法が
特開平11−339555号公報に提案されている。し
かし当方法では得られる電解質膜の厚みは40〜50μ
mが限界と思われる。
でに提案されている固体電解質は、室温でのイオン伝導
度は10-4S/cm、その強度から実用に供し得る膜厚は5
0μmがそれぞれ限界と思われる。従って、本発明の目
的は、所望のイオン伝導度を有し、支持体、基布等を用
いること無く所望の強度を有し、それにより厚みを薄く
できることにより電池に応用できる固体電解質を組み込
んだリチウム二次電池を提供することである。
ン導電率、高機械的強度そして電池に応用した際の安定
性を基本的に充足する高分子固体電解質を開発し、それ
を電池に適した内部抵抗が小さい40μm以下の薄膜と
して、高エネルギー密度の金属リチウム電池に適用する
ことである。本発明者らは、純高分子固体電解質のイオ
ン伝導度には限界があると考え、無機酸化物を混合する
ことで検討した。
電解質)の研究の歴史は10年以上前に遡ることができ
るが、代表的な例としてB.SCROSATl等の「ポ
リマーと結晶性イオン導電体混合物の性質」“PHILOSOP
HICAL MAGAZINE”B,1989,Vol.59,No.1,161-168がある
が、その後も現在まで精力的な研究が継続されている。
しかし電池、特にリチウム電池としてのシステマチック
な応用研究は少なく、50μm以下の薄膜としてリチウ
ム金属負極と組み合わせた電池に関する報告は見当たら
ない。
は必要な要因は、まず、高分子固体電解質のイオン伝導
度が高いことである。イオン伝導度を高める代表的な手
段として、分岐、架橋構造を有する酸素を含有する有機
高分子化合物の合成、可塑剤の添加、無機化合物を添加
して無機/有機複合体とする等の方法があるが、可塑剤
の添加以外の方法は、高分子を非晶化してイオンの易動
性を上げることである。本発明者らはイオン伝導性に優
れた無機/有機複合高分子固体電解質の開発に取り組み
本発明を完成するに至った。
リエチレンオキサイド(PEO)及び/またはその誘導
体に、一定粒径以下のシリコン、チタン等の酸化物の微
粉体を、特定量、即ち、ポリマーと微粉体との合計量
中、10〜30重量%混合し、また、リチウム電解質塩
として、例えばLiN(CF3SO2)2(以下、LiTFSIと略すとき
がある)をポリエチレンオキサイド等の高分子中のEO
/Liモル比で1〜30となるように添加して得られた
薄膜状の無機/有機複合高分子電解質が、高イオン導電
率と共に、優れた機械的強度を有することを見出した。
即ち、本発明者らは、電解質膜の平均厚みは40μmで
十分調整可能であり、そのイオン伝導度が60℃に於い
て、2.2〜5.5×10-4S/cmである該薄膜の高分子
固体電解質を用いて負極に金属リチウム又はその合金、
正極に3V系マンガン酸化物を使用した全固体リチウム
ポリマー電池の作成に成功した。
性を上げることは、この他に大きな利点があることが本
発明者らの更なる研究により明らかになった。即ち、複
合体化することで、ポリマーの機械的強度が上がること
はコンポジット材料として知られていたが、ミクロンオ
ーダーの薄膜への応用は、粒径、界面での高分子との濡
れ、分散状態等の条件が複雑であって、十分な検討がな
されていなかった。
有する無機酸化物を均一分散させることで、内部抵抗が
小さく、リチウム二次電池に適した薄膜、具体的には1
0〜40μmの薄膜を再現性よく作製できることを見出
した。
る。
素原子を含有する有機高分子化合物、(2)少なくとも
一種の無機酸化物、及び(3)リチウム電解質塩を含む
無機/有機複合高分子固体電解質膜を組み込んだリチウ
ム二次電池であって、 ・(2)無機酸化物の平均粒径が100nm以下であっ
て、 ・(1)高分子化合物と(2)無機酸化物の和を100
%としたときに、(2)無機酸化物を10〜30重量%
程度の割合で含み、及び ・固体電解質膜の厚みが40μm以下であるリチウム二
次電池。
0万以上のポリエチレンオキサイド及び/またはその誘
導体である項1に記載のリチウム二次電池。
チタニウム、及びジルコニウムからなる群から選ばれる
元素の酸化物である、項1または2に記載のリチウム二
次電池。
酸化物である、項3に記載のリチウム二次電池。
(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiPF6、LiBF4およびLiClO4から
なる群から選ばれる少なくとも1種である項1〜4のい
ずれかに記載のリチウム二次電池。
(CF3SO2)2である項5に記載のリチウム二次電池。
たはその合金を用い、正極として高分子固体電解質と酸
化物からなる複合正極を使用する、項1〜6のいずれか
に記載のリチウム二次電池。
(x=0.1〜0.5)である、項7に記載のリチウム
二次電池。
分子量3000以下のポリエチレンオキサイド及び/ま
たはその誘導体である項7又は8に記載のリチウム二次
電池。
またはその誘導体が、ポリエチレングリコールジメチル
エーテルである項9に記載のリチウム二次電池。
分子固体電解質、それを組み込んだ電池に付いて説明す
る。本発明の固体電解質は、ポリエチレンオキサイド及
び/またはその誘導体等の酸素原子含有有機高分子化合
物に対し、粒径が100nm以下のシリコン、チタン、
ジルコニア等の無機酸化物を該高分子化合物と無機酸化
物の合計量中10〜30重量%添加して、そのイオン伝
導度、機械的強度、耐熱性などを向上させ且つ40μm
以下の薄膜状にすることができる、リチウム電池の有機
電解液に代わる優れた特性を有するものである。
物(酸素原子含有有機高分子化合物) 本発明において、酸素原子含有有機高分子化合物として
は、例えば、ポリエーテル系化合物が挙げられる。ポリ
エーテル系化合物としては、ポリエチレンオキシド、ポ
リプロピレンオキシド、ポリオキシメチレン又はこれら
の誘導体が例示できる。
質として使用できる大きさであれば特に制限されない
が、分子量10万以上、好ましくは、50万以上500
万以下、より好ましくは100万〜400万程度のものであ
る。
て製造することができ、また、本発明においては、一種
又は二種以上混合して使用してもよい。その混合割合も
特に限定されない。
物及びその混合物、二種以上の元素の酸化物及びその混
合物であれば特に限定されないが、例えば、シリコン
(Si)、チタニウム(Ti)、ジルコニウム(Zr)、アル
ミニウム(Al)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)等
が例示できる。好ましくは、シリコン、チタニウム及び
ジルコニウムから選ばれる金属の酸化物である。より具
体的には、SiO2、TiO2、ZrO2が例示できる。より好まし
くは、コストが低い、製造しやすい点でシリコンの酸化
物、具体的にはSiO2である。
例示できる。その大きさとしては、以下の測定方法で図
った場合の平均粒径が100nm以下、具体的には50
nm以下程度、好ましくは、1〜20nm程度である。
上記範囲より大きいと、導電率が下がり、薄膜の作製が
困難であり、また、上記範囲より小さいと強度が低下す
る問題が生じる。
い、平均粒径D50を測定した。
製造することができ、また、本発明においては、一種又
は二種以上混合して使用してもよい。その混合割合も特
に限定されない。
機高分子化合物と無機酸化物の混合量(100重量%)
中、10〜30重量%、好ましくは10〜20重量%添
加する。上記範囲よりも多く配合すると、導電率が下が
り、製膜が困難になる問題があり、また、少なく配合す
ると添加効果が見られず、イオン導電率と強度が向上で
きない問題が生じる。
定し、負極に金属リチウム、正極にはリチウムマンガン
酸化物を使用した電池の電解質として組み込んで性能評
価した。前記したように一般的に負極に金属リチウムを
使用した有機電解液電池は、金属表面に針状のリチウム
金属(デンドライト)が析出し電池の短絡を引き起こす
が、電解質に固体を用いると電解質とリチウムとの反応
が比較的緩やかな為この現象が抑制されるとされてい
た。
添加しないポリマー薄膜を固体電解質としてリチウム/
固体電解質/リチウムマンガン酸化物で電池を組み充放
電テストをすると、比較的短時間で電池が短絡すること
が分かった。この現象は、生成したデンドライトがセパ
レーター膜を破壊する結果であると考えられる。従っ
て、電池の充放電テストでの短絡するまでの時間はデン
ドライトの生成を表す代用特性として利用出来ることが
分かったので、以下の各種無機/有機複合高分子固体電
解質の機械的強度を示す評価に使用した。
械物性(強さ)が固有のイオン伝導率と共に優れた固体
電解質としての重要な要件であることを示している。ポ
リエチレンオキサイド系の高分子のイオン導電性は、そ
の高分子鎖中の極性基のセグメント運動に依るものとさ
れている。従って、セグメント運動を容易にする為には
高分子の結晶化を抑制する必要があり、本発明において
は無機酸化物を添加するものである。
合物に特定の無機酸化物等を添加すると、イオン導電率
の向上と共に負極に金属リチウムを使用した電池とした
場合のデンドライト生成の影響を受け難い現象を見い出
した。これは、特定の無機酸化物の添加が高分子固体電
解質膜の機械的強度を高め、結果としてデンドライト生
成に依る膜破壊寿命を長くしていると考えている。
有するものである。該リチウム電解質塩としては、LiN
(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiPF6、LiBF4、LiClO4などのア
ルカリ金属塩等が挙げられる。好ましくは、LiN(CF3S
O2)2である。これら電解質塩は、公知化合物であり、一
種又は二種以上混合して用いてもよく、その混合割合は
限定されない。
チウム金属塩の配合割合は、該高分子化合物中のエチレ
ンオキシド(EO)/Liモル比で1〜30、好ましく
は5〜25の割合になるように混合する。該原子比が上
記範囲より大きい(即ち、リチウム金属塩の配合割合が
少ない)とイオン伝導率が低下し、また、該原子比が上
記範囲より小さい(即ち、リチウム金属塩の配合割合が
多い)と伝導率も低くなる問題が生じる。
て、製造することができる。即ち、上記記載の酸素原子
含有有機高分子化合物と無機酸化物を上記範囲で混合す
る。無機化合物は水分を除くため、事前に熱処理等をし
ておくことが好ましい。
く、通常用いられる混合(例えば、湿式、乾式の混合)
方法であれば特に制限されないが、例えば、ミル(例え
ば、遊星型ボールミル)等を用いることが好ましい。混
合は回転させながら行うことが好ましい。回転数は特に
限定されない。
遊星型ボールミルを使用した場合、2〜24時間程度、ま
た、混合温度は室温程度であるが、混合時間、混合温度
も特に限定されず、通常使用される範囲で行うことがで
きる。上記混合によって、無機酸化物が該高分子化合物
中に均一分散させる。
解質を加え、混合する。混合方法は特に限定されず、手
作業、機械混合等が挙げられる。尚、水分を避けるため
にドライルーム中で行うのが好ましい。
質セパレーターで使用できるように、薄膜状に成形す
る。成形方法としては特に制限されないが、例えば、離
型フィルムに挟み、60〜100℃程度で、加圧下(1
×102〜5×103 N/cm2)で1〜30分程度ホットプレス
することで膜状の固体電解質が得られる。
ヒドロフラン等の溶媒の中に得られた混合物を溶かし
て、離型フィルムに流し込み、加熱することで溶媒を留
去させて製膜する方法)でも製造してもよい。
も、所望のイオン導電率及び機械的強度が得られ、好ま
しくは15〜30μm程度とするのがよい。
は、イオン導電率が60℃において2.5×10-4 〜 5.5×10
-4 S/cm程度という高い値をとることができる。
子固体電解質を用いるものである。即ち、電解質として
本発明の固体電解質を用いる以外は、公知のリチウム二
次電池(コイン型、ボタン型、円筒型、角形、ラミネー
ト型等)の電池要素をそのまま採用することができる。
O2、LixNiO2、LixMn2O4、VOx、CrOx及びマンガン酸化物
などの酸化物を電極活物質として例示できる。好ましく
は、Li xMn2O4(x=0.1〜0.5)である。正極の作
成に関しては、通常公知の上記電極活物質を用いる他は
公知の電極の作製方法に従って行えばよい。
記酸化物からなる複合正極を使用することが好ましい。
該、高分子固体電解質としては、例えば、分子量300
0以下のポリエチレンオキサイド及び/またはその誘導
体(例えば、ポリエチレングリコールジメチルエーテ
ル、ポリエチレングリコールジエチルエーテル、ポリエ
チレングリコールジアリルエーテル等)が例示できる。
好ましくは、ポリエチレングリコールジメチルエーテル
が挙げられる。
む負極を使用することが可能であるが、例えば、金属リ
チウム、リチウム合金が使用できる。好ましくは、金属
リチウムである。負極の作成も公知の方法に従えばよ
い。
において電流密度0.2mA/cm2で充放電する場合
に、100サイクル後の放電容量が初期放電容量の75
%以上の性能を有するものである。
池に使用されるものを構成要素として使用することがで
き、特に制限はない。
て公知の方法に従って組み立てればよい。この場合電池
形状についても特に制限されることなく、例えば、コイ
ン型、ボタン型、円筒型、角形、ラミネート型等の形
状、サイズを適宜採用することができる。
機酸化物を特定割合で均一分散させることで、10μm
〜40μm範囲の無機/有機複合高分子固体電解質膜を
再現性良く作製できた。また、その導電率は60℃にお
いて2倍以上向上し、さらに、機械的強度が顕著に上が
るため金属リチウム表面にデンドライトの生成が抑制さ
れるという効果を発揮できた。
徴とするところを一層明確にするが、本発明はこれら実
施例に限定されるわけではない。
作製 べースポリマーとして分子量400万のポリエチレンオ
キサイド(PEO)(アドリッチ社製)、無機酸化物と
して平均粒径10nmの酸化ケイ素(SiO2)(日本板
硝子社製)を秤量し、表1に示す重量割合で遊星型ボー
ルミルを使用し室温で、回転数100rpmで12時間
以上混合した。得られた混合物に、ドライルーム中で
[EO]/[Li]=20の割合でリチウム電解質塩と
してリチウムイミド塩(LiTFSI)を加えて、乳鉢中で均
一に混合した。一定量のこの混合物を厚さ50μmのポ
リエステル製離型フィルムに挟み、75℃の温度、2×
10 2〜1×103 N/cm2の圧力下で10分ホットプレスで製
膜し、40μmの無機/有機複合高分子固体電解質膜を
得た。
ック(KB)/分子量2000のポリエチレングリコー
ルジメチルエーテル+LiTFSI=65/5/30(ポリエ
チレングリコールジメチルエーテルとLiTFSIとの配合割
合はEO/Liモル比で20)の重量比で乳鉢中で混合
し、アルミニウム箔集電体上に塗布してマンガン酸リチ
ウムの担持量5mg/cm2の複合正極を作成した。
電率測定用セル、電池テスト用セルおよび電池短絡時間
測定用セルの組立て手順及びそのテスト方法を説明す
る。
に測定用の固体高分子電解質膜(面積1.2cm2,厚
み40μm)を挟みセルを組立てた。このセルを恒温槽
中で温度を変更し、EG&G INSTRUMENT社
製インピーダンス測定器により抵抗を測定し、各温度で
の導電率を求めた。
属リチウム負極(面積1.0cm2、厚み0.5mm)
の間に固体電解質膜を挟み、コイン型セルまたはそのラ
ミネート密閉型セルを組立てた。このセルを用いて
(株)計測器センター製の充放電システムを使用して温
度60℃、電流密度0.2mA/cm2,電圧範囲2.
0V〜3.5Vの間で充放電テストを実施した。
cm2、厚み0.5mm)板で挟みセルを組立てた。こ
のセルを用いて、60℃に於いて電流密度0.5mA/
cm2,電圧範囲1.0V〜−1.0Vの間で充放電を
行い、短絡する時間を測定しデンドライトに起因するも
のとした。
例2と同様にセル、電池を組立て、各特性を評価した。
以外は、実施例1と同様に実施した。結果を以下に示
す。
Claims (10)
- 【請求項1】 (1)少なくとも一種の主鎖に酸素原子
を含有する有機高分子化合物、(2)少なくとも一種の
無機酸化物、及び(3)リチウム電解質塩を含む無機/
有機複合高分子固体電解質膜を組み込んだリチウム二次
電池であって、 ・(2)無機酸化物の平均粒径が100nm以下であっ
て、 ・(1)高分子化合物と(2)無機酸化物の和を100
%としたときに、(2)無機酸化物を10〜30重量%
程度の割合で含み、及び ・固体電解質膜の厚みが40μm以下であるリチウム二
次電池。 - 【請求項2】 (1)高分子化合物が、分子量10万以
上のポリエチレンオキサイド及び/またはその誘導体で
ある請求項1に記載のリチウム二次電池。 - 【請求項3】 (2)無機酸化物が、シリコン、チタニ
ウム、及びジルコニウムからなる群から選ばれる元素の
酸化物である、請求項1または2に記載のリチウム二次
電池。 - 【請求項4】 (2)無機酸化物が、シリコンの酸化物
である、請求項3に記載のリチウム二次電池。 - 【請求項5】 (3)リチウム電解質塩が、LiN(CF3S
O2)2、LiCF3SO3、LiPF 6、LiBF4およびLiClO4からなる群
から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜4のいず
れかに記載のリチウム二次電池。 - 【請求項6】 (3)リチウム電解質塩が、LiN(CF3S
O2)2である請求項5に記載のリチウム二次電池。 - 【請求項7】 電池の負極としてリチウム金属またはそ
の合金を用い、正極として高分子固体電解質と酸化物か
らなる複合正極を使用する、請求項1〜6のいずれかに
記載のリチウム二次電池。 - 【請求項8】 複合正極中の酸化物が、LixMnO2(x=
0.1〜0.5)である、請求項7に記載のリチウム二
次電池。 - 【請求項9】 複合正極中の高分子固体電解質が分子量
3000以下のポリエチレンオキサイド及び/またはそ
の誘導体である請求項7又は8に記載のリチウム二次電
池。 - 【請求項10】 ポリエチレンオキサイド及び/または
その誘導体が、ポリエチレングリコールジメチルエーテ
ルである請求項9に記載のリチウム二次電池。
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