JP2009527090A - 有機/無機複合電解質及びこれを用いた電気化学素子 - Google Patents
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Abstract
本発明により電極上に形成される有機/無機複合多孔性コーティング層は、多孔性無機物粒子自体に存在する多数の気孔構造によりリチウムイオンの移動 経路が追加されることで、従来の高分子系分離膜の代りに使用する場合、優れた電池性能を発揮でき、重量減少の効果による単位重量当たりのエネルギー密度の上昇効果が得られる。
Description
本発明で用いられる多孔性無機物粒子は、直径が電解液分子と溶媒化したリチウムイオンが充分に通過できる気孔サイズであれば、これらの成分、気孔率、形態などは、特別な制限がない。
本発明より電極表面上に形成される有機/無機複合層の構成成分の一つは、当業界において通常的に用いられるバインダー高分子である。
<実施例1>
1−1 アルミナ多孔性無機物粒子の製造
アルミナの前駆体化合物として窒酸アルミニウムを溶媒である蒸留水に0.2Mとなるように溶解した。窒酸アルミニウムが蒸留水に完全に溶解された後、既製の100nmの直径を有するポリスチレンビーズを、製造されるアルミナに対する重量比が3重量部となるように添加した後、十分に攪拌した。このとき、使用されたポリスチレンビーズのSEM写真は図8に示すようである。このように製造された前駆体溶液を噴霧熱分解装置に投入して、多孔性アルミナ無機物粒子を製造した。なお、製造された多孔性アルミナ粒子のSEM写真は図2及び図8に示すようである。
負極活物質として炭素粉末、結合剤としてPVdF3、導電剤としてカーボンブラックを、それぞれ96重量%、3重量%、1重量%として、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に添加して負極混合物スラリーを製造した。負極混合物スラリーを厚さが10μmの負極集電体である銅(Cu)薄膜に塗布及び乾燥して負極を製造した後、ロールプレスを施した。
溶解度指数が20〜25MPa1/2であるPVdF−CTFE(フッ化ポリビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体.)高分子をアセトンに約5重量%添加した後、50℃で約12時間以上溶解させ、高分子溶液を製造した。このように製造された高分子溶液に、前記実施例1−1で製造された平均気孔サイズが100nmであり、気孔率が50%である多孔性Al2O3粉末(図2参照)を固形分20重量%の濃度で添加した後、12時間以上ボールミル法を用いて多孔性Al2O3粉末を破砕及び分散して、スラリーを製造した。製造されたスラリーの多孔性Al2O3の粒径は、ボールミルに使用されるビーズのサイズ(粒径)及びボールミル時間により制御できるが、本実施例1では、約1μmに粉砕してスラリーを製造した。次に、スラリーを、ディップコーティング法を用いて両電極の表面に約15μm厚さでコーティングした後、乾燥して、有機/無機複合多孔性コーティング層が形成された電極を製造した。
前記実施例1−2で製造された負極及び正極をスタッキング方式により組み立てた後、組み立てられた電池に電解液(EC/PC/DEC)=30/20/50重量%、 六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)1モルを注入して電池を製造した。
PVdF−CTFEの代りに、溶解度指数が22〜30MPa1/2のPVdF−HFPを用いた以外は、前記実施例1と同様に実施して、有機/無機複合多孔性コーティング層(PVdF−HFP/多孔性Al2O3)が形成された電極及びこれを備えるリチウム二次電池を製造した。気孔率測定装置で測定した結果、電極上に形成された有機/無機複合多孔性コーティング層内の気孔サイズ及び気孔率は、それぞれ0.51μm及び62%であった。
多孔性Al2O3粉末の代りに、同一の気孔サイズ及び気孔率を有する多孔性TiO2粉末を用いた以外は、前記実施例1と同様に実施して、有機/無機複合多孔性コーティング層(PVdF−CTFE/TiO2)が形成された電極及びこれを備えるリチウム二次電池を製造した。気孔率測定装置で測定した結果、電極上に形成された有機/無機複合多孔性コーティング層内の気孔サイズ及び気孔率は、それぞれ0.37μm及び65%であった。
<比較例1>
多孔性粒子の代りに、同成分の非多孔性粒子(図3参照)を用いた以外は、前記実施例1と同様な条件で電極及びリチウム二次電池を製造した。気孔率測定装置で測定した結果、電極上に形成された有機/無機複合多孔性コーティング層内の気孔サイズ及び気孔率は、それぞれ0.43μm及び53%であった。
有機/無機複合多孔性コーティング層の代りに、通常の方法により製造された電極及びPP/PE/PP分離膜を用いた以外は、前記実施例1と同様に実施して、リチウム二次電池を製造した。
多孔性無機物粒子(Al2O3)の代りに、気孔サイズが1nmであり、気孔率が33%であるゼオライトを用いた以外は、前記実施例1と同様に実施して、有機/無機複合多孔性コーティング層が形成された電極及びこれを備えるリチウム二次電池を製造した。このとき、気孔サイズが1nmであるゼオライトのSEM写真は、図4のようである。
実施例1及び実施例2で用いられた多孔性無機物粒子(Al2O3)の特性を分析するために、下記のような実験を行った。
本発明の電極上に形成された有機/無機複合多孔性コーティング層の表面を分析するために、下記のような実験を行った。
実施例1において、多孔性Al2O3/PVdF−CTFEコーティング層が形成された複合電極に対して表面分析を行った。
試料としては、実施例1において、多孔性Al2O3/PVdF−CTFEコーティング層が形成された複合電極を使用し、対照群としては、比較例1のPVdF−CTFE/非多孔性Al2O3コーティング層が形成された複合電極、比較例2の通常のポリエチレン分離膜、1nm程度のマイクロ孔を有するゼオライトで製造された比較例3の有機/無機複合多孔性コーティング層が形成された電極を使用した。
実施例1において、多孔性Al2O3/PVdF−CTFEコーティング層が形成された複合電極を使用した。
高温における収縮率を平価するために、実施例1で製造された電極を使用し、対照群として、比較例1の電極及び比較例2のPP/PE/PP分離膜を使用した。
実施例1及び比較例1、2のリチウム二次電池の性能を平価するために、各電池の容量及びC−rateを測定した。
実施例1及び比較例1、2のリチウム二次電池の安全性を評価するために、各電池を150℃及び160℃の高温でそれぞれ1時間保存した後、電池の状態を下記の表4に記載した。
Claims (20)
- 電極表面上に多孔性無機物粒子及びバインダー高分子を含む有機/無機複合多孔性コーティング層が形成された電極であって、
前記多孔性無機物粒子は、電解液の溶媒に溶媒化したリチウムイオン(Li+)が通過可能なサイズの気孔が存在することを特徴とする、電極。 - 前記多孔性無機物粒子の気孔サイズが、平均直径が2nm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記多孔性無機物粒子の気孔サイズが、平均直径が50nm〜1μmであることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記多孔性無機物粒子内の気孔が、互いに連結している状態で存在することを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記多孔性無機物粒子の気孔率が、30〜95%であることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記多孔性無機物粒子の密度が1〜4g/ccであり、表面積が10〜50m2/gであることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記多孔性無機物粒子が、分散媒に無機物の前駆体及び前記無機物の溶融温度より低い温度で熱分解される熱分解性化合物が分散された無機物の前駆体分散液を液滴化した後、熱分解及び結晶化して気孔構造が形成されることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記有機/無機複合多孔性コーティング層が、集電体上に電極活物質粒子が気孔構造を形成しながら結着された電極の表面上に、多孔性無機物粒子とバインダー高分子との混合物をコートして形成されたコーティング層であり、バインダー高分子により多孔性無機物粒子間が連結及び固定され、多孔性無機物粒子間の空いた空間により気孔構造が形成されることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記有機/無機複合多孔性コーティング層が、正極及び負極の直接接触を遮断しながら、リチウムイオン(Li+)を通過させる分離膜の機能を行うことを 特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記多孔性無機物粒子が、(a)誘電率の定数が5以上である無機物粒子と、及び、(b)リチウムイオン伝達能を有する無機物粒子からなる群より選ばれた1種以上であることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記多孔性無機物粒子のサイズが、0.01〜10μmであることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記バインダー高分子が、溶解度指数が15〜45MPa1/2であることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記多孔性無機物粒子:バインダー高分子の造成比が、10:90〜99:1重量比であることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 前記有機/無機複合多孔性コーティング層の厚さが、1〜100μmであることを特徴とする、請求項1に記載の電極。
- 正極、負極及び電解質を含む電気化学素子であって、
前記正極、前記負極又は両電極が、請求項1〜14の何れか一項に記載の電極であることを特徴とする、電気化学素子。 - 前記電気化学素子が、微細気孔分離膜をさらに含むことを特徴とする、請求項15に記載の電気化学素子。
- 前記電気化学素子が、リチウム二次電池であることを特徴とする、請求項15に記載の電気化学素子。
- 請求項1〜14の何れか一項に記載の有機/無機複合多孔性コーティング層が形成された電極の製造方法であって、
(a)分散媒に無機物の前駆体及び熱分解性化合物が分散された無機物の前駆体分散液を液滴化した後、熱分解及び結晶化して多孔性無機物粒子を製造する段階と、
(b)前記多孔性無機物粒子をバインダー高分子が溶解された高分子溶液に添加及び混合する段階と、及び、
(c)既製造された電極上に前記段階(b)の混合物をコーティング及び乾燥する段階とを含んでなる、製造方法。 - 前記熱分解性化合物が、無機物の溶融温度より低い温度で熱分解される高分子又は発泡剤であることを特徴とする、請求項18に記載の製造方法。
- 前記段階(a)における熱分解温度が、無機物の溶融温度より低く、熱分解性化合物の分解温度より高いことを特徴とする、請求項18に記載の製造方法。
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