JP2003526183A - ポリマー電界質セル - Google Patents

ポリマー電界質セル

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Abstract

(57)【要約】 アノード層及びカソード層を組み立てることにより製造される電気化学セルであって、これらの層はＰＶｄＦ−型ポリマー鎖、及びエチレンカーボネート（可塑化剤）から成るがリチウム塩を含まないポリマー物質の可塑化膜により分離されており、前記膜は３０μｍ未満の厚さで揮発性溶媒からキャストされたものである。得られたセル前駆体は電解質溶液に浸漬してセルを形成する。膜は電解質溶液を吸収して、ゲル化またはポリマー電解質を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明はポリマー電解質を入れる電気化学セル、及びそのような電気化学セル
を製造する方法に関する。 従前からリチウム金属アノード及びリチウムイオンをインターカレートまたは
挿入できる物質のカソードを含む再充電可能なセルの作製が知られている。その
ようなセルは、電解質としてプロピレンカーボネートのような有機溶液中にリチ
ウム塩を含む溶液で飽和したフィルター紙またはポリプロピレンをセパレーター
として使用し得る。または、ポリマーベースの固体電解質を使用してもよい。酸
化リチウムコバルトのような様々なインターカレーション物質がカソード物質と
して既知であり、そのような物質を固体電解質物質と混合して複合体カソードを
形成しても良い。また金属リチウムの代わりにアノード物質としてグラファイト
のようなインターカレーション物質を使用すること、及びこれを固体電解質物質
と混合し得ることも知られている。
【０００２】 有機溶媒中のリチウム塩溶液で可塑化したポリマーマトリックスを含むポリマ
ー電解質も提案された。例えば、Gozdzら（ＵＳ５２９６３１８）は、７５〜９
２質量％のフッ化ビニリデン及び８〜２５質量％のヘキサフルオロプロピレンの
コポリマーを含む組成物について報告した。このコポリマーはリチウム塩とエチ
レンカーボネート／プロピレンカーボネートのような可塑化溶媒と混合して、揮
発性溶媒からキャストすることができ、適当な電気伝導率を有する安定なフィル
ムを与える。ＧＢ２３０９７０３（ＡＥＡテクノロジー）には、フッ化ポリビニ
リデンホモポリマー（ＰＶｄＦ）を含む電解質が記載されている。このポリマー
は、塩及び可塑化溶媒と混合して、適当な溶媒からキャストすることができ、良
質な電界質フィルムを与える。（このホモポリマーは、例外的に低いメルトフロ
ーインデックスを有する点に特徴を有する；メルトフローインデックスはプラス
チック物質の特定に通常使用されるパラメーターであり、標準ＡＳＴＭ Ｄ １２
３８に記載される方法により測定される。）
【０００３】 電解質シートを製造する他の方法は、例えば、Benzingerら（ＵＳ４３８４０
４７）の方法を使用して、そのようなポリマー物質の多孔性膜を形成し、次にそ
の多孔性膜を可塑化溶媒、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネー
ト、及びリチウム塩を含む電解質溶液中に浸漬することである。この方法はＷＯ
９８／３８６８７（Elf Atochem）に記載されている。このプロセスは、最初に
製造された膜中の吸湿性のリチウム塩の存在から生じる問題を回避することがで
きるが、均一な多孔度を有するポリマーフィルムを達成するのは容易ではない。
さらに他の方法が、Gozdzら（ＷＯ９５／１５５８９）により報告されており、
その方法においてポリマーフィルムは最初に可塑化溶媒を含んでキャストされる
。この可塑化溶媒は、プロピレンカーボネートまたはエチレンカーボネートでも
よいが、ジブチルフタレートのようなより高い沸点の可塑化剤が特に適すること
が記載されている。Gozdzらは、可塑化剤は好ましくはポリマーフィルムから抽
出し、次にフィルムをエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、及びリ
チウム塩のような電解質溶液中に浸漬して電解質フィルムを製造することを述べ
ている。Gozdzらにより記載されるそのようなフィルムの最も薄いものは５０μ
ｍの厚さである。
【０００４】 本発明により、ａ）集電装置上に、リチウムイオンが可逆的にインターカレー
トしてもよいカソード物質を有する層を形成する工程； （ｂ）集電装置上に、リチウム金属、リチウム含有合金またはリチウムイオンが
可逆的にインターカレートしてもよい物質を含むアノード物質を含む層を形成す
る工程； （ｃ）フッ化ビニリデンの重量比率が少なくとも８５％であるポリマー鎖からな
るポリマー物質、及び可塑化剤としてエチレンカーボネートを含むが、リチウム
塩は含まない、３０μｍ未満の厚さの、揮発性溶媒からキャストした可塑化膜を
形成する工程； （ｄ）該カソード層と該アノード層を少なくとも一つの前記可塑化膜で分離する
ように組み立てて、セル前駆体を形成する工程；及び （ｅ）相溶性可塑化溶媒中に溶解したリチウム塩を含む電解液中にセル前駆体を
浸漬して、セルを形成する工程、 を含む、電気化学セルを製造する方法、が提供される。
【０００５】 本発明はまた、上記方法により製造される電気化学セルを提供する。 セル前駆体が、アノード及びカソード層を可塑化膜にラミネートすることによ
り製造されてもよく、前記層及び膜が螺旋状に巻かれていてもよく、またはジグ
ザグ構造に折り畳まれていてもよく、または単に積み重ねられていてもよい。い
ずれにしても、セル前駆体は、通常剛直なハウジングまたは柔軟な容器中に包含
される。電解質溶液は次に、そのハウジングまたは容器中に導入され、ポリマー
物質により吸収されて、固体電解質またはゲル化電解質と称される電解質を形成
し、ハウジングまたは容器は次に密封される。
【０００６】 好ましくは、カソード層及びアノード層（もしグラファイトのようなインター
カレーション物質から成る場合には）は、バインダーとして作用する膜中におけ
るものと同じポリマー物質を有する。しかし、そのポリマー鎖は可塑化膜におけ
るものとは異なっていてもよく、例えば、異なる分子量のホモポリマー又はグラ
フトコポリマーであってもよい。一つの形態において、カソード及びアノードの
両層は、可塑化剤としてエチレンカーボネートを含まないポリマー物質を含んで
いても良く、その結果多孔性電極構造を与える。または、カソード層及びアノー
ド層は、可塑化剤としてエチレンカーボネートを含むがリチウム塩を含まないポ
リマー物質を含んでいてもよい。エチレンカーボネートは十分な可塑剤であるの
みではなく、そのようなリチウムセル中で電解質溶媒として使用される可塑化溶
媒と相溶性であることが見出された。得られた固体電解質膜は高い電気（すなわ
ちイオン性）伝導率を有する。
【０００７】 また、より厚い層をキャストして得られる膜はより不十分であり、最も良い電
気的性質は、２０μｍ未満、より好ましくは１０μｍ未満、例えば６μｍ、の厚
さの層により得られる。より厚い層における低下した電気的性質は、膜内のエチ
レンカーボネート可塑化剤の分配における非均一性、及び実質的に可塑化剤を含
まない表面層が存在する可能性から生じると考えられる。もしより厚い電解質が
電解槽中に必要な場合には、２または３の膜を積み重ねるかラミネートしてもよ
い。 ポリマー鎖は、フッ化ポリビニリデン（ＰＶｄＦ）のホモポリマーまたは例え
ばヘキサフルオロプロピレンとのコポリマーであってもよい。ポリマーは機械的
に強靱なポリマーフィルムを形成するように十分に高い分子量を有する必要があ
り、好ましくは、低いメルトフローインデックスを有する必要がある。メルトフ
ローインデックスは２３０℃、１０ｋｇにおいて好ましくは、５．０ｇ／１０分
未満であり、より好ましくは１．０ｇ／１０分である。
【０００８】 揮発性溶媒はポリマー鎖の性質により選択するべきことが認められるであろう
。もし揮発性溶媒が電解質溶媒と相溶性である場合（例、ジメチルカーボネート
、ＤＭＣ）には、可塑化膜はアノードまたはカソード層上に直接キャストしても
よいが、もし揮発性溶媒が相溶性ではない場合（例、ジメチルアセトアミド、Ｄ
ＭＡ）には、可塑化膜は第一に分離層として製造し、完全に乾燥して全ての痕跡
量の揮発性溶媒を除去しなければならない。もしＤＭＡが残存する場合には、こ
の残存ＤＭＡが４Ｖより高い電圧で分解し、酸化リチウムコバルト複合体カソー
ドを含むセルにおいてサイクル容量低下を引き起こす因子となり得る。 本発明をさらにより詳細に以下の実施例と図面を参照して述べる。図面は、本
発明のセルにおいて、異なる電流における放電中のセル容量に対する電圧変化を
線図で表したものである。
【０００９】 実施例１ 可塑化膜の製造−ＤＭＣキャストフィルム 以下の成分を混合し、温めた。ポリマーは、６％ＨＦＰを含む、フッ化ビニリ
デン（ＶｄＦ）及びヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）とのコポリマーであり
、メルトフローインデックスは、２３０℃、２１．６ｋｇにおいて２．８ｇ／１
０分であった。量（部）は質量部である。 ＰＶｄＦ／６％ＨＦＰ ７．５部 エチレンカーボネート ３０部 ジメチルカーボネート（ＤＭＣ） ３９部 得られた溶液を、キャリアホイル上に、ドクターブレードを用いてローラー上
にブレードの隙間を０．０６ｍｍにして、２．０ｍ／分のウェブ速度でコートし
、５５℃及び７０℃における連続乾燥ゾーンを通して気流下乾燥し、ＤＭＣの蒸
発を確実に行った。ホイルからはずして得られた可塑化膜は８μｍの厚さであっ
た。
【００１０】 実施例２ 可塑化膜の製造−ＤＭＣキャストフィルム 以下の成分を混合し、温めた。ポリマーは、６％ＨＦＰを含む、フッ化ビニリ
デン（ＶｄＦ）及びヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）とのコポリマーであり
、メルトフローインデックスは、２３０℃、２１．６ｋｇにおいて２．８ｇ／１
０分であった。量（部）は質量部である。 ＰＶｄＦ／６％ＨＦＰ ５部 エチレンカーボネート ５部 ジメチルカーボネート（ＤＭＣ） ４２部 得られた溶液を、キャリアホイル上に、ドクターブレードを用いてローラー上
にブレードの隙間を０．１ｍｍにして、２．０ｍ／分のウェブ速度でコートし、
７０℃及び１００℃における連続乾燥ゾーンを通して気流下乾燥した。得られた
フィルムを７０℃で１６時間真空乾燥した。得られたホイルからはずして得られ
た可塑化膜は４μｍの厚さであった。
【００１１】 実施例３ 可塑化膜の製造−ＤＭＡキャスト 以下の成分を混合し、温めた。ポリマーは、Ｓｏｌｅｆ １０１５型（Ｓｏｌ
ｅｆはSolvay Chemicals Ltd.の商品名である）のフッ化ビニリデンホモポリマ
ー（ＰＶｄＦ）であり、メルトフローインデックスは、２３０℃、１０ｋｇにお
いて０．７ｇ／１０分であり、５ｋｇで０．２ｇ／１０分であった。量（部）は
質量部である。 ＰＶｄＦ １０部 エチレンカーボネート １０部 ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ） ７０部 得られた溶液を、キャリアホイル上に、ドクターブレードを用いてローラー上
にブレードの隙間を０．１ｍｍにして、１．０ｍ／分のウェブ速度でコートし、
７０℃及び１００℃における連続乾燥ゾーンを通して気流下乾燥した。得られた
フィルムを６０℃で１６時間真空乾燥して全てのＤＭＡの蒸発を確実に行った。
得られたホイルからはずして得られた可塑化膜は６μｍの厚さであった。
【００１２】 電極の製造 酸化リチウムコバルト、カーボン、ホモポリマーＰＶｄＦ（バインダーとして
）及びＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）（溶媒として）を混合し、アルミニウム
ホイル集電装置上にキャストし、ＮＭＰを蒸発させてカソードを作製した。アノ
ードを同様のプロセスで、グラファイトパウダーを含む、粒子サイズ１０μｍの
メソカーボンミクロビーズ（mesocarbon microbeads）（２８００℃で処理され
たもの）と、ホモポリマーＰＶｄＦ（バインダーとして）及びＮＭＰ（溶媒とし
て）を混合し、混合物を銅ホイル集電装置上にキャストし、ＮＭＰを蒸発して作
製した。両ケースにおいて、得られたキャスト物質は若干の多孔度を有する。
【００１３】 セルの組み立て セル前駆体を、カソード及びアノードを二つの上述した可塑化膜により分離し
て、フラットスパイラルに巻いた。このスパイラル状のアッセンブリを柔軟な容
器内に挿入した。このアッセンブリに、可塑化液体電解質：エチレンカーボネー
ト及びエチルメチルカーボネート混合物中の１．２モルＬｉＰＦ6を真空充填し
た。電解質が全てのセル成分に吸収されることを確実にするために１６時間置い
た後、容器を真空密封した。 セルは、上述したのとは異なる本発明の観点に包含される様々な方法で作製さ
れても良いことが理解され得る。例えば、上述したカソード、アノード及び可塑
化膜のスパイラルアッセンブリは、ステンレス−スチールケーシング中に包含さ
れてもよく、及び可塑化液体電解質と共に真空充填してもよい。充填後、ケーシ
ングは密封される。
【００１４】 さらに、セル前駆体を、上述したカソード及びアノードを、上述した二つの可
塑化膜により分離して、熱ローラーを通してラミネートしてもよい。 他の可塑化膜を、例えば、９４質量部のフッ化ビニリデンと６質量部のヘキサ
フルオロプロピレン（ＰＶｄＦ／６ＨＦＰ）を含むコポリマーを使用して作製し
てもよい。このポリマーの溶液を、例えば４倍のエチレンカーボネートと共に、
ジメチルカーボネートのような溶媒からキャストしてもよい。これは約８８℃で
沸騰するので乾燥機中で容易に蒸発させることができる。さらに、可塑化液体電
解質と相溶性であるため、可塑化膜を直接アノード層および／またはカソード層
にキャストしてもよい。
【００１５】 セルの試験 各セルを、再充電及び再放電サイクルにかけた。１２０ｍＡの電流で充電及び
放電を２、３回行うことによって各セルの定格容量（rated capacit）を初めに
測定した。（すなわち、Ｃ／５レートでは容量は０．６Ａｈとした。）異なる放
電電流における放電挙動を次に観察した。図１に示されるように、これは異なる
放電電流における一つのセルのその後の放電グラフを示し、各グラフは、放電中
におけるそのセルからの全充電低下（total charge withdrawn）に対するセル電
圧の変化を示す。このケースでは、セルは実施例３におけるようにＤＭＡからキ
ャストされた二つの膜を含む。放電電流がより少ないと、セルからより多量の充
電が得られることが観察されるであろう。定格セル容量の５分の１（すなわｃ／
５）に数値的に等しい放電電流において、セルから得られる容量は０．６３５Ａ
ｈであるが、定格セル容量（すなわち、Ｃ）に数値的に等しい放電電流では、得
られる容量は０．６０Ａｈである。さらに、放電電流がより大きいと、セル電圧
はより低い。
【００１６】 実施例３におけるようにＤＭＡからキャストされた二つの膜を含むようなセル
を、９５回の連続充電及び放電サイクルにＣ／５レートでかけた。容量は、この
サイクルを通じて、約０．６６Ａｈから約０．６１Ａｈへと、非常にわずかに低
下したのみであった。このセルは、３００サイクル程度でも同様にサイクル出来
ると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 放電中におけるセルからの全充電低下に対するセル電圧の変化を
示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ジャーヴィス クリスティン ルス イギリス オックスフォードシャー オー エックス11 ９キューエル ディドコット ブルーバリー ミルブルック クローズ ３ Ｆターム(参考） 5H021 AA06 BB12 BB13 EE01 EE10 HH01 HH03 5H029 AK03 AL06 AL07 AL12 AM16 BJ04 CJ12 CJ22 DJ02 DJ04 DJ07 DJ09 HJ01 HJ04

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）集電装置上に、リチウムイオンが可逆的にインターカ
    レートしてもよいカソード物質を有する層を形成する工程； （ｂ）集電装置上に、リチウム金属、リチウム含有合金またはリチウムイオンが
    可逆的にインターカレートしてもよい物質を含むアノード物質を含む層を形成す
    る工程； （ｃ）フッ化ビニリデンの重量比率が少なくとも８５％であるポリマー鎖からな
    るポリマー物質、及び可塑化剤としてエチレンカーボネートを含むが、リチウム
    塩は含まない、３０μｍ未満の厚さの、揮発性溶媒からキャストした可塑化膜を
    形成する工程； （ｄ）該カソード層と該アノード層を少なくとも一つの前記可塑化膜で分離する
    ように組み立てて、セル前駆体を形成する工程；及び （ｅ）相溶性可塑化溶媒中に溶解したリチウム塩を含む電解液中にセル前駆体を
    浸漬して、セルを形成する工程、 を含む、電気化学セルを製造する方法。
  2. 【請求項２】 該セルが電解液に浸漬される前に剛直なハウジングまたは柔
    軟な容器中に包含されており、電解液を前記ハウジングまたは前記容器中に導入
    した後、前記ハウジングまたは前記容器を密封する、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 該膜が１０μｍ未満の厚さである、請求項１または２に記載
    の方法。
  4. 【請求項４】 該可塑化膜中のエチレンカーボネートの比率が少なくとも３
    ０質量％である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法により製造される
    セル。
  6. 【請求項６】 該カソード層及び該アノード層の両方が可塑化剤としてエチ
    レンカーボネートを含まないポリマー物質を含む、請求項５に記載のセル。
  7. 【請求項７】 該カソード層及び該アノード層の両方が可塑化剤としてエチ
    レンカーボネートを含むがリチウム塩を含まないポリマー物質を含む、請求項５
    に記載のセル。
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