JP2006120577A - ポリマー電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体電解質層7と正極活物質層3または負極活物質層5との間に熱可塑性ポリマー電解質層4a、4bを設けた固体電解質電池であり、該電池は正極活物質層または負極活物質層の少なくとも一方の上部に熱可塑性ポリマー電解質層を形成し、該ポリマー電解質層の双方または該ポリマー電解質層と活物質層によって固体電解質層を挟み込んで素電池を形成し、外装ケースで覆ったあと初充電でガスを発生させ、該外装ケースを加熱しながらプレスして該ポリマー電解質層と該固体電解質層の乾麺部の空隙を埋めることによって製造される。
【選択図】図1
Description
図1は本発明の固体電解質電池の一つの素電池部の断面図である。図1において、素電池は、負極用集電体2、固体電解質を含む負極活物質層5、熱可塑性ポリマー電解質4b、固体電解質層7、熱可塑性ポリマー電解質層4a、固体電解質を含む正極活物質層3、正極用集電体2が順に積層されている。
ゲル電解質とは、ポリマーマトリックス中に電解液を保持させたものをいう。上記ポリマーマトリックスとしては、PEO、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリふっ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)およびそれらの共重合体が望ましく、中でもリチウムイオン伝導性のあるPEO、PPOおよびそれらの共重合体を用いることが望ましい。電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものであり、電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種が、溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)およびそれらの混合物が望ましい。
全固体高分子電解質としては、例えば、PEO、PPO、これらの共重合体などの公知の固体高分子電解質が挙げられる。固体高分子電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、またはこれらの混合物などが使用できる。
セパレータに含浸させることのできる電解質としては、既に説明した(a)および(b)と同様のものを用いることができる。
本発明の固体電解質電池の第1の製造方法には次の工程が含まれる。各工程(i)〜(v)を順次説明する。なお、材料は上記固体電解質電池で説明した材料を用いることができる。
固体電解質層の片面または両面に熱可塑性ポリマー電解質層を積層することができるが、代表例として、固体電解質層の両面に熱可塑性ポリマー電解質を設けたものについて説明する。
絶縁層は、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止する目的で、各電極の周囲に形成される。必要に応じて、電極の周囲に絶縁層を設ける。該絶縁層としては、例えば、エポキシ樹脂、ゴム、PE、PP、ポリイミドが使用でき、耐蝕性、耐薬品性、製膜性、経済性などの観点からは、エポキシ樹脂が好ましい。
正極および負極端子板は、必要に応じて使用する。例えば、最外部の集電体から電極端子を直接取り出す場合には、正極および負極端子板は用いない(図4参照のこと)。
正極および負極リードに関しては、公知のリチウムイオン電池で用いられるリードを用いることができる。なお、電池外装材から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。
本発明では、上記リチウムイオン二次電池を複数個、並列接続または直列接続または並列−直列接続または直列−並列接続の少なくとも一つを用いて組電池(車両用サブモジュール)とすることができる。
図8は、電気自動車の車体中央部の座席下に複合組電池または電池が搭載された一例を示す図面である。電気自動車80の座席下に複合組電池70を搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができる。なお、かかる電池を搭載する場所は、座席下に限らず、車両の床下、シートバック裏、後部トランクルームの下部または、車両前方のエンジンルームでもよい。
○正極
以下の材料を所定比率で混合して正極スラリーを作製する。
・正極活物質として、LiMn2O4: 22wt(質量)%
・導電助剤として、アセチレンブラック: 6wt%
・ポリマーとして、イオン伝導性高分子マトリックスの前駆体である平均分子量(Mw)7500〜9000のモノマー溶液(PEOとPPOの共重合体): 18wt%
・支持塩として、Li(C2F5SO2)2N: 9wt%
・スラリー粘度調整溶媒として、N−メチルピロリドン(NMP): 45wt%
・重合開始剤として、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN): 微量
20μmのSUS316Lの片面に正極スラリーを塗布し、110℃4時間、熱重合により硬化させて正極を作製する。
以下の材料を所定比率で混合して負極スラリーを作製する。
・負極活物質として、Li4Ti5O12: 14wt%
・導電助剤として、アセチレンブラック: 4wt%
・ポリマーとして、イオン伝導性高分子マトリックスの前駆体である平均分子量(Mw)7500〜9000のモノマー溶液(PEOとPPOの共重合体): 20wt%
・支持塩として、Li(C2F5SO2)2N: 11wt%
・スラリー粘度調整溶媒として、NMP: 51wt%
・重合開始剤として、AIBN: 微量
20μmのSUS316Lの片面に、負極スラリーを塗布し、110℃4時間、熱重合により硬化させて負極を形成する。
イオン伝導性高分子マトリックスの前駆体である平均分子量(Mw)7500〜9000のモノマー溶液(PEOとPPOの共重合体)と1000ppmの重合開始剤(BDK)からなるモノマー溶液を、80μmのPPフィルムをギャップとして石英ガラス基板に挟み込み、紫外線を15分照射して前駆体を架橋させ、50μmの固体電解質層を得る。
まず、電解液成分としてECを40質量部、PCを50質量部と、電解質塩としてLiPF6を10質量部とを混合してなる可塑剤を調製する。
ダイコータにより、上記プレポリマー電解質溶液を上記正極活物質層および負極活物質層の上に均一に塗布して含浸させた後、常温で8時間放置し、電解質溶液中のDECを気化して除去した。これにより、活物質層上に熱可塑性ポリマー電解質が形成された正極および負極を得た。
ダイコータにより、上記プレポリマー電解質溶液を上記正極活物質層の上に均一に塗布して含浸させた後、常温で8時間放置し、電解質溶液中のDECを気化して除去した。これにより、活物質層上に熱可塑性ポリマー電解質が形成された正極を得た。
ダイコータにより、上記プレポリマー電解質溶液を上記負極活物質層の上に均一に塗布して含浸させた後、常温で8時間放置し、電解質溶液中のDECを気化して除去した。これにより、活物質層上に熱可塑性のポリマー電解質が形成された負極を得た。
ダイコータにより、上記プレポリマー電解質溶液を上記固体電解質の両面に均一に塗布して含浸させた後、常温で8時間放置し、電解質溶液中のDECを気化して除去した。これにより、固体電解質上に熱可塑性のポリマー電解質が形成された固体電解質を得た。
スクリーン印刷機により、上記プレポリマー電解質溶液を上記正極活物質層および負極活物質層の上に均一に塗布して含浸させた後、常温で8時間放置し、電解質溶液中のDECを気化して除去した。これにより、活物質層上に熱可塑性ポリマー電解質が形成された正極および負極を得た。
スプレーコータにより、上記プレポリマー電解質溶液を上記正極活物質層および負極活物質層の上に均一に塗布して含浸させた後、常温で8時間放置し、電解質溶液中の炭酸ジエチルを気化して除去した。これにより、活物質層上に熱可塑性ポリマー電解質が形成された正極および負極を得た。
インクジェットにより、上記プレポリマー電解質溶液を上記正極活物質層および負極活物質層の上に均一に塗布して含浸させた後、常温で8時間放置し、電解質溶液中の炭酸ジエチルを気化して除去した。これにより、活物質層上に熱可塑性ポリマー電解質が形成された正極および負極を得た。
<バイポーラ電極の形成>
○正極
以下の材料を所定比率で混合して正極スラリーを作製する。
・正極活物質として、LiMn2O4: 22wt%
・導電助剤として、アセチレンブラック: 6wt%
・ポリマーとして、イオン伝導性高分子マトリックスの前駆体である平均分子量(Mw)7500〜9000のモノマー溶液(PEOとPPOの共重合体): 18wt%
・支持塩として、Li(C2F5SO2)2N: 9wt%
・スラリー粘度調整溶媒として、NMP: 45wt%
・重合開始剤として、AIBN: 微量
20μmのSUS316Lの片面に正極スラリーを塗布し、110℃4時間、熱重合により硬化させて正極を作製する。
以下の材料を所定比率で混合して負極スラリーを作製する。
・負極活物質として、Li4Ti5O12: 14wt%
・導電助剤として、アセチレンブラック: 4wt%
・ポリマーとして、イオン伝導性高分子マトリックスの前駆体である平均分子量(Mw)7500〜9000のモノマー溶液(PEOとPPOの共重合体): 20wt%
・支持塩として、Li(C2F5SO2)2N: 11wt%
・スラリー粘度調整溶媒として、NMP: 51wt%
・重合開始剤として、AIBN: 微量
上記正極の裏面に、負極スラリーを塗布し、110℃4時間、熱重合により硬化させて負極を形成する。これにより両面に、それぞれ正極活物質層、負極活物質層の塗布されたバイポーラ電極を得た。
上記バイポーラ電池を作成するときに熱可塑性ポリマー電解質のポリマーであるPVdF−HFPコポリマーのHFPの割合を変化させ熱可塑温度を変化させた。このときの熱可塑温度を図2に示す。上記熱可塑ポリマーの熱可塑温度は70℃であった。加熱時間は電極厚さ等に依存するが概ね1〜120分程度。本実施例では10分とした。
正極と、負極を、上記固体電解質を介して貼り合わせ、一体化して素電池を作製した。なお、得られた素電池において、正極活物質層の厚みは40μm、負極活物質層の厚みは40μmであった。なお、この素電池の外寸としては、縦幅5cm、横幅4cm、厚み0.2cmとした。
熱可塑性ポリマーを塗布していないバイポーラ電極において正極活物質層と負極活物質層が固体電解質を挟んで対向するように積層して、5層積層のバイポーラ電池を形成した。電池面積はすべて60mm×80mmとした。なお、形成された正極活物質層の厚みは40μm、負極活物質層の厚みは40μmであった。
実施例1〜12、比較例1、2それぞれの電池で充放電試験を行った。
3 正極活物質層、
4 熱可塑性ポリマー電解質層、
5 負極活物質層、
7 固体電解質層。
Claims (13)
- 集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、別の集電体が順に積層された固体電解質電池において、
該固体電解質層と該正極活物質層あるいは該負極活物質層の少なくともどちらか一方との間に、熱可塑性ポリマー電解質層を有することを特徴とする電池。 - 上記熱可塑性ポリマーは、PVdF,PAN,PEOまたはこれらのいずれか1つを主成分とするコポリマーであることを特徴とする請求項1記載の電池。
- 上記熱可塑性ポリマーの可塑化温度が60℃〜100℃の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の電池。
- 集電体上に正極活物質層を形成し、かつ、別の集電体上に負極活物質層を形成する工程と、
該正極活物質層または該負極活物質層の少なくとも一方の上部に熱可塑性ポリマー電解質層を形成し、該ポリマー電解質層の双方または該ポリマー電解質層と該活物質層によって固体電解質層を挟み込むことにより素電池を形成する工程と、
該素電池を外装ケースによって覆う工程と、
該外装ケース内の素電池について初充電を行ってガスを発生させる工程と、
該外装ケースに熱をかけながらプレスを行って該ポリマー電解質層と該固体電解質層との界面部の空隙を埋める工程とを含むことを特徴とする固体電解質電池の製造方法。 - 集電体上に正極活物質層を形成し、かつ、別の集電体上に負極活物質層を形成する工程と、
固体電解質層の少なくとも一方の面に熱可塑性ポリマー電解質層を形成し、これを該正極活物質層及び負極活物質層で挟み込むことにより素電池を形成する工程と、
該素電池を外装ケースによって覆う工程と、
該外装ケース内の素電池について初充電を行ってガスを発生させる工程と、
該外装ケースに熱をかけながらプレスを行って該ポリマー電解質層と該固体電解質層との界面部の空隙を埋める工程とを含むことを特徴とする固体電解質電池の製造方法。 - 前記熱可塑性ポリマー電解質層をダイコータにより形成することを特徴とする請求項4または請求項5に記載に方法。
- 前記熱可塑性ポリマー電解質層をスクリーン印刷により形成することを特徴とする請求項4または請求項5に記載に方法。
- 前記熱可塑性ポリマー電解質層をスプレーコータにより形成することを特徴とする請求項4または請求項5に記載に方法。
- 前記熱可塑性ポリマー電解質層をインクジェットにより形成することを特徴とする請求項4または請求項5に記載に方法。
- 集電体の一方の面に正極活物質層および熱可塑性ポリマー電解質層が順次積層され他方の面に負極活物質層および熱可塑性ポリマー電解質層が順次積層されてなる複数のバイポーラ電極と、
該正極活物質層を被覆する熱可塑性ポリマー電解質層と該負極活物質層を被覆する熱可塑性ポリマー電解質層との間に挟まれる固体電解質層を積層してなることを特徴とする積層型電池。 - 前記正極活物質はリチウム−遷移金属複合酸化物を、前記負極活物質はカーボンまたはリチウム−遷移金属複合酸化物であることを特徴とする請求項10記載の電池。
- 請求項1〜3のいずれか1項、請求項10または請求項11に記載の電池を複数個接続して構成してなることを特徴とする組電池。
- 請求項10〜12のいずれか1項に記載の電池を駆動用電源として搭載したことを特徴とする電気自動車。
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