JP2011086558A - Scale-like inorganic solid electrolyte filler, solid electrolyte membrane containing the same, nonaqueous electrolyte secondary battery, and capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鱗片状無機固体電解質フィラー、これを含有する固体電解質膜、並びに、非水電解質二次電池及びキャパシタに関する。 The present invention relates to a scaly inorganic solid electrolyte filler, a solid electrolyte membrane containing the same, a nonaqueous electrolyte secondary battery, and a capacitor.
近年、非水電解質二次電池、特にリチウム二次電池は従来の携帯用端末の用途から、電動工具、電動自転車、スクーターや電気自動車用電池やハイブリットカー等のより大型化された用途への需要が高まっている。
従来の携帯端末用の非水電解質二次電池のセパレータは微多孔を有するポリオレフィン系材料が使われているが、このセパレータには、正極−負極間の短絡等により電解質内に過大な電流が流れ更に反応が加速して爆発事故を生じることを防止するために、セパレータの微多孔が通常の使用温度を超えた場合に、それを越えた温度でできるだけ低温で閉塞し、過剰電流が電解質のなかで流れることを防止するシャットダウン機能を付与することで安全対策を施している。
非水電解質二次電池、特にリチウム二次電池が大型化した場合や、例えばハイブリットカーのように二次電池を内燃機関近くに配置する等の場合には、電解質が高温でもセパレータとして機能することが求められる。このため、過充電時の正極−負極電極間の短絡防止を目的として、正極材料を従来のコバルト酸リチウムからマンガン酸リチウムに変更したり、或いは、燐酸鉄を添加したりする方法がある。
しかしながら、大容量化の二次電池においてもし正極及び負極の短絡が生じた場合の暴発化学反応は急激に生じる為に、固体電解質電池の開発が望まれている。無機固体電解質を用いた二次電池では、安全性は高いもののその界面での特性劣化があるため、長期サイクルに耐える電池を作製することができていない。また高分子固体電解質を用いた二次電池では、リチウムイオンの導電性が低く、それを解決するために厚みを薄くすることが必要である。しかしながら厚みを薄くすると機械的強度が低くなって、高分子固体電解質が破壊され、正極と負極とが短絡するという問題があった。
これらを解決するために、高分子固体電解質中に無機固体電解質を2〜35重量%含有した固体電解質電池(特許文献1)や、シート状高分子材料にリチウムイオン伝導性のガラスセラミックス粉体を含有する媒体中に非水系電解液を含浸してなるガラスセラミックス複合電解質が提案されている(特許文献2〜4)。
In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries, especially lithium secondary batteries, have been demanded from conventional portable terminal applications to larger-sized applications such as electric tools, electric bicycles, scooters, electric vehicle batteries and hybrid cars. Is growing.
Conventional separators for non-aqueous electrolyte secondary batteries for portable terminals use microporous polyolefin materials, but an excessive current flows in the separator due to a short circuit between the positive and negative electrodes. In addition, in order to prevent the reaction from accelerating and causing explosion accidents, when the micropores of the separator exceed the normal operating temperature, they clog as low as possible at the temperature exceeding the normal operating temperature, and excess current is contained in the electrolyte. Safety measures are taken by adding a shutdown function that prevents the flow of the battery.
When a non-aqueous electrolyte secondary battery, particularly a lithium secondary battery is enlarged, or when the secondary battery is disposed near an internal combustion engine such as a hybrid car, the electrolyte functions as a separator even at a high temperature. Is required. For this reason, for the purpose of preventing a short circuit between the positive electrode and the negative electrode during overcharge, there are methods of changing the positive electrode material from conventional lithium cobalt oxide to lithium manganate or adding iron phosphate.
However, in a secondary battery with a large capacity, if a short circuit occurs between the positive electrode and the negative electrode, the sudden chemical reaction occurs abruptly, so the development of a solid electrolyte battery is desired. Although a secondary battery using an inorganic solid electrolyte has high safety, there is a characteristic deterioration at the interface, and thus a battery that can withstand a long-term cycle cannot be manufactured. Further, in a secondary battery using a solid polymer electrolyte, lithium ions have low conductivity, and it is necessary to reduce the thickness in order to solve the problem. However, when the thickness is reduced, the mechanical strength is lowered, the polymer solid electrolyte is destroyed, and the positive electrode and the negative electrode are short-circuited.
In order to solve these problems, a solid electrolyte battery (Patent Document 1) containing 2 to 35% by weight of an inorganic solid electrolyte in a polymer solid electrolyte, or a lithium ion conductive glass ceramic powder in a sheet-like polymer material. There has been proposed a glass-ceramic composite electrolyte obtained by impregnating a non-aqueous electrolyte in a medium to be contained (
しかしながら、これら無機固体電解質が粒子状である場合、電解質膜が薄くなればなるほど強度が低下し、高分子固体電解質が破壊されることで正極と負極とが短絡するという問題が生じる。また電池内温度が上昇し、高分子が溶融又は焼失した場合、無機固体電解質が流動し正極と負極とが短絡するという問題が生じてしまう。さらに粒子形状ではそれ自体に膜形成能がないため、含有量を多くすることができない。また含有量を多くできたとしてもその電解質間の接点が少ないため、高いイオン伝導度が得られないといった問題点があった。
そこで、本発明の目的は、鱗片状無機固体電解質を用いることにより、強度が高く、イオン伝導度の高い固体電解質膜を提供することにある。
However, when these inorganic solid electrolytes are in the form of particles, the thinner the electrolyte membrane, the lower the strength, and there is a problem that the positive electrode and the negative electrode are short-circuited due to destruction of the polymer solid electrolyte. Further, when the temperature in the battery rises and the polymer is melted or burned out, there arises a problem that the inorganic solid electrolyte flows and the positive electrode and the negative electrode are short-circuited. Furthermore, since the particle shape itself does not have a film-forming ability, the content cannot be increased. Moreover, even if the content can be increased, there is a problem that high ionic conductivity cannot be obtained because there are few contacts between the electrolytes.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid electrolyte membrane having high strength and high ion conductivity by using a scaly inorganic solid electrolyte.
本発明の鱗片状無機固体電解質フィラーは、請求項1に記載の通り、リチウムイオン伝導性を有することを特徴とする。
請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の鱗片状無機固体電解質フィラーにおいて、前記鱗片状無機固体電解質フィラーが、平均厚さ0.01〜5.0μm、平均粒径0.1〜100μmであることを特徴とする。
また、本発明の固体電解質膜は、請求項3に記載の通り、請求項1又は請求項2に記載の前記鱗片状無機固体電解質フィラーを含有することを特徴とする。
請求項4に記載の本発明は、請求項3に記載の固体電解質膜において、前記鱗片状無機固体電解質フィラーの幅広面を、前記固体電解質膜の厚さ方向に対して垂直となるように配向させたことを特徴とする。
請求項5に記載の本発明は、請求項3又は4に記載の固体電解質膜において、前記固体電解質膜の総質量に対して、0.1〜80質量%のバインダ高分子を含むことを特徴とする。
また、本発明の非水電解質二次電池は、請求項6に記載の通り、請求項3〜5のいずれか1項に記載の固体電解質膜を備えたことを特徴とする。
また、本発明のキャパシタは、請求項7に記載の通り、請求項3〜5のいずれか1項に記載の固体電解質膜を備えたことを特徴とする。
The scaly inorganic solid electrolyte filler of the present invention is characterized by having lithium ion conductivity as described in claim 1.
According to a second aspect of the present invention, in the flaky inorganic solid electrolyte filler according to the first aspect, the flaky inorganic solid electrolyte filler has an average thickness of 0.01 to 5.0 μm and an average particle diameter of 0.1. It is ˜100 μm.
Moreover, the solid electrolyte membrane of this invention contains the said scaly inorganic solid electrolyte filler of Claim 1 or
According to a fourth aspect of the present invention, in the solid electrolyte membrane according to the third aspect, the wide surface of the scaly inorganic solid electrolyte filler is oriented so as to be perpendicular to the thickness direction of the solid electrolyte membrane. It was made to be characterized.
The present invention described in
Moreover, the nonaqueous electrolyte secondary battery of this invention was equipped with the solid electrolyte membrane of any one of Claims 3-5 as described in Claim 6.
According to a seventh aspect of the present invention, a capacitor includes the solid electrolyte membrane according to any one of the third to fifth aspects.
本発明の電解質フィラー及びそれを用いた電解質膜は、鱗片状無機固体電解質を用いているため、それ自身に膜形成能があり、バインダをほとんど用いることなく電解質膜を形成することができる。そのため、固体電解質含有量を多くでき、イオン伝導度を向上することができる。また鱗片状であるため電解質が膜面に対して平行に配列する。そのため膜に対して垂直方向の強度が向上し、個々の電解質フィラーの接触が面で行われるため、イオン伝導度を向上することができる。これらのことにより鱗片状無機固体電解質を用いることで、強度が高く、イオン伝導度の高い固体電解質膜を提供できる。 Since the electrolyte filler of the present invention and the electrolyte membrane using the same use a scaly inorganic solid electrolyte, the electrolyte filler itself has a film forming ability, and an electrolyte membrane can be formed with almost no binder. Therefore, the solid electrolyte content can be increased and the ionic conductivity can be improved. Moreover, since it is scaly, the electrolyte is arranged in parallel to the film surface. Therefore, the strength in the direction perpendicular to the film is improved, and the contact of each electrolyte filler is performed on the surface, so that the ionic conductivity can be improved. By using scale-like inorganic solid electrolytes for these reasons, a solid electrolyte membrane having high strength and high ionic conductivity can be provided.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本発明の鱗片状無機固体電解質フィラーは、リチウムイオン伝導性を有するものである。
無機固体電解質としては、リチウムイオンが伝導するものであれば特に限定されないが、例えば、Li3N、LiTi2(PO4)3、Li−βAl2O3、LiI、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li2S−B2S3、LiI−Li3N−LiOH、Li2O−B2O3、Li2O−V2O3−SiO2、LiTaO3、Li2S−SiS2−Li3PO4、LiI−Li2S−P2S5、Li−Ge−P−S等の無機固体電解質を選択することができる。これは単独で用いてもよいし、同時に複数用いてもよい。またこれらの電解質はアモルファスでも良く結晶性であっても良い。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The scaly inorganic solid electrolyte filler of the present invention has lithium ion conductivity.
The inorganic solid electrolyte is not particularly limited as long as it can conduct lithium ions. For example, Li 3 N, LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Li-βAl 2 O 3 , LiI, LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , LiI-Li 2 S-B 2 S 3 , LiI-Li 3 N-LiOH, Li 2 O-B 2 O 3 , Li 2 O-V 2 O 3 -SiO 2 , LiTaO 3 , Li 2 S -SiS 2 -Li 3 PO 4, can be selected LiI-Li 2 S-P 2
本発明に使用するフィラーの形状については、表裏の幅広な面を備えた鱗片形状をしているものであればよい。
また、その寸法については特に制限をするものではないが、平均厚さ0.01〜5.0μm、平均粒径0.1〜100μmであることが好ましい。平均厚さが5.0μmを超えると、後述する固体電解質膜に凹凸ができたり、突起状物等ができたりする場合がある。平均粒径も100μmを超えると同様の理由で不具合を生じることがある。また、平均厚さが0.01μm未満である場合、無機固体電解質の生産性が極端に悪くなる場合があり、現実的でない。また平均粒径が0.1μm未満である場合、強度が低下することがあり、また生産性が極端に悪くなり、現実的でない。なお、本明細書において、鱗片状フィラーの平均厚さとは、少なくとも100枚の鱗片状フィラーを抜き取り、それらの鱗片状フィラーについて走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて厚さを測定し、その厚さ合計を測定枚数で割った値のことである。また、本明細書において、鱗片状フィラーの平均粒径とは、レーザー回折散乱法に基づいて測定された粒度分布において、累積質量百分率が50%に相当する粒径(D50)のことである。
About the shape of the filler used for this invention, what is the scale shape provided with the wide surface of the front and back is sufficient.
Moreover, although there is no restriction | limiting in particular about the dimension, It is preferable that it is an average thickness of 0.01-5.0 micrometers and an average particle diameter of 0.1-100 micrometers. If the average thickness exceeds 5.0 μm, the solid electrolyte membrane described later may be uneven, or a protrusion may be formed. If the average particle diameter exceeds 100 μm, a problem may occur for the same reason. On the other hand, when the average thickness is less than 0.01 μm, the productivity of the inorganic solid electrolyte may be extremely deteriorated, which is not practical. On the other hand, when the average particle size is less than 0.1 μm, the strength may be lowered, and the productivity is extremely deteriorated, which is not practical. In the present specification, the average thickness of the flaky filler refers to extracting at least 100 flaky fillers, measuring the thickness of these flaky fillers using a scanning electron microscope (SEM), This is the value obtained by dividing the total by the number of sheets to be measured. In the present specification, the average particle size of the scaly filler is a particle size (D50) corresponding to 50% of the cumulative mass percentage in the particle size distribution measured based on the laser diffraction scattering method.
前記フィラーは、バインダとの親和性を高めるために、カップリング剤によって被覆処理されていてもよい。カップリング剤の代表的な例として、シランカップリング剤を挙げることができる。シランカップリング剤は使用する樹脂によって異なるが、ビニルシラン、エポキシシラン、メタクリロキシシラン及びアミノシランが好ましく、これらシランカップリング剤は単独で用いてもよく、混合して用いてもよい。
ビニルシランとしては、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等が例示できる。エポキシシランとしては、2−(3,4エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等が例示できる。メタクリロキシシランとしては、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン等が例示できる。アミノシランとしては、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1,3−ジメチル−ブチリデン)プロピルアミン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン等が例示できる。
シランカップリング剤の含有率は、全体の質量に対して0.01質量%〜5.0質量%であることが好ましい。0.01質量%より少ない場合、バインダとなる高分子との充分な親和性を得ることが困難となる。一方、5.0質量%を超えると、カップリング剤同士の反応が起こり、それらがフィラーと高分子との親和性を損なわせ、またコストが高くなる。
The filler may be coated with a coupling agent in order to increase the affinity with the binder. A typical example of the coupling agent is a silane coupling agent. The silane coupling agent varies depending on the resin used, but vinyl silane, epoxy silane, methacryloxy silane, and amino silane are preferable. These silane coupling agents may be used alone or in combination.
Examples of vinyl silane include vinyl trichlorosilane, vinyl trimethoxy silane, vinyl triethoxy silane and the like. Examples of the epoxy silane include 2- (3,4 epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, and 3-glycidoxypropyltriethoxysilane. Can be illustrated. Examples of methacryloxysilane include 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, and 3-methacryloxypropyltriethoxysilane. As aminosilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, Examples thereof include 3-triethoxysilyl-N- (1,3-dimethyl-butylidene) propylamine and N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane.
It is preferable that the content rate of a silane coupling agent is 0.01 mass%-5.0 mass% with respect to the whole mass. When the amount is less than 0.01% by mass, it is difficult to obtain sufficient affinity with the polymer as a binder. On the other hand, when the content exceeds 5.0% by mass, a reaction between coupling agents occurs, which impairs the affinity between the filler and the polymer, and increases the cost.
次に、上記鱗片状無機固体電解質フィラーを含有する固体電解質膜について説明する。
固体電解質膜を得るには、溶媒に分散または溶解した樹脂バインダに鱗片状無機固体電解質フィラーを均一になるよう撹拌混合し、この液をキャスティング法や塗布法により成膜した後、または押し出し成形、射出成形等により成形した後、真空乾燥させる。この過程において、鱗片状無機固体電解質フィラーの幅広面が、シートの厚さ方向と垂直に配向される。さらに厚みを調整するためロール成形することもできる。
Next, the solid electrolyte membrane containing the scale-like inorganic solid electrolyte filler will be described.
In order to obtain a solid electrolyte membrane, a scaly inorganic solid electrolyte filler is stirred and mixed uniformly in a resin binder dispersed or dissolved in a solvent, and this liquid is formed into a film by a casting method or a coating method, or extrusion molding, After molding by injection molding or the like, vacuum drying is performed. In this process, the wide surface of the scaly inorganic solid electrolyte filler is oriented perpendicular to the thickness direction of the sheet. Further, roll forming can be performed to adjust the thickness.
固体電解質膜に添加するバインダとして、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド等のフッ素樹脂、ポリアミド類、ポリエステル類ポリアクリレート等の高分子材料を用いることができる。
また、バインダとして高分子固体電解質を用いる場合、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンイミン等の公知の高分子材料に、溶質として例えば、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムLiCF3SO3、ヘキサフルオロリン酸リチウムLiPF6、テトラフルオロホウ酸リチウムLiBF4、過塩素酸リチウムLiClO4、トリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウムLiN(CF3SO2)2等を加えたものを用いることができる。さらに溶質を加えるにあたり、溶質を溶解する溶媒を加え、上記の高分子固体電解質をゲル状にして使用しても良い。このような溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、ブチレンカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等を使用することができる。
前記バインダは、電解質膜全体の質量に対して、0.1〜80質量%であることが好ましい。0.1質量%以下であると無機固体電解質フィラーのバインダとして機能せず、強度が低下するためである。80質量%以上であると無機固体電解質フィラーの接点が少なくなり、イオン伝導度が低下してしまう。より好ましくは、1〜50質量%であり、さらに好ましくは2〜10質量%である。
さらに、固体電解質膜の補強を目的として無機繊維又は無機繊維不織布を添加又は用いても良い。無機繊維又は無機繊維不織布を用いる場合、その質量は電解質膜に対して10質量%以下であることが好ましい。10質量%以上であると無機固体電解質フィラーの接点が少なくなり、イオン伝導度が低下してしまう。尚、無機繊維又は無機繊維不織布は電池又はキャパシタに影響を与えるものでなければ特に制限するものではないが、例えば、シリカ、アルミナ等のセラミックスやガラス等を使用することができる。
また、固体電解質膜において、上記の鱗片状無機固体電解質フィラーの幅広面を、固体電解質膜の厚さ方向に対して垂直となるように配向させることが好ましい。フィラーの幅広面が厚さ方向に一部重複するように配列されることになるので、デンドライトの成長路を蛇行させることができるからである。
固体電解質膜として機能を確保するためには、その厚さは100μmであることが好ましく、より好ましくは20μm以下である。
As the binder to be added to the solid electrolyte membrane, a polyolefin material such as polyethylene or polypropylene, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, or polyvinylidene fluoride, or a polymer material such as polyamide or polyester polyacrylate is used. be able to.
Further, when a polymer solid electrolyte is used as a binder, for example, a known polymer material such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethyleneimine, etc., as a solute, for example, lithium trifluoromethanesulfonate LiCF 3 SO 3 , lithium hexafluorophosphate LiPF 6 , lithium tetrafluoroborate LiBF 4 , lithium perchlorate LiClO 4 , lithium trifluoromethanesulfonate imidolithium LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and the like can be used. Further, when adding a solute, a solvent that dissolves the solute may be added, and the polymer solid electrolyte may be used in the form of a gel. As such a solvent, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, butylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and the like can be used.
The binder is preferably 0.1 to 80% by mass with respect to the mass of the entire electrolyte membrane. This is because if it is 0.1% by mass or less, it does not function as a binder for the inorganic solid electrolyte filler and the strength decreases. If it is 80% by mass or more, the number of contacts of the inorganic solid electrolyte filler is reduced, and the ionic conductivity is lowered. More preferably, it is 1-50 mass%, More preferably, it is 2-10 mass%.
Furthermore, inorganic fibers or inorganic fiber nonwoven fabrics may be added or used for the purpose of reinforcing the solid electrolyte membrane. When inorganic fibers or inorganic fiber nonwoven fabrics are used, the mass thereof is preferably 10% by mass or less with respect to the electrolyte membrane. If it is 10% by mass or more, the number of contacts of the inorganic solid electrolyte filler is reduced, and the ionic conductivity is lowered. The inorganic fiber or the inorganic fiber nonwoven fabric is not particularly limited as long as it does not affect the battery or the capacitor. For example, ceramics such as silica and alumina, glass, and the like can be used.
In the solid electrolyte membrane, it is preferable to orient the wide surface of the scaly inorganic solid electrolyte filler so as to be perpendicular to the thickness direction of the solid electrolyte membrane. This is because the wide surface of the filler is arranged so as to partially overlap in the thickness direction, so that the dendrite growth path can be meandered.
In order to ensure the function as a solid electrolyte membrane, the thickness is preferably 100 μm, more preferably 20 μm or less.
本発明の固体電解質膜は、公知の非水電解質二次電池やキャパシタの電解質膜又はセパレータとして使用することができる。
以下、実施例及び比較例により、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明の要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
The solid electrolyte membrane of the present invention can be used as a known non-aqueous electrolyte secondary battery or capacitor electrolyte membrane or separator.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. In addition, unless it exceeds the gist of the present invention, it is not limited to the following examples.
原料としてNH4H2PO4、Al(PO3)3、Li2CO3、SiO2、TiO2を使用し、これらを酸化物換算のmol%でP2O5を35.0%、Al2O3を7.5%、Li2Oを15.0%、TiO2を38.0%、SiO2を4.5%になるように秤量して均一に混合した後に溶解槽に入れ、1600℃で撹拌しながら2時間加熱熔解した。この溶解槽にノズルを入れ、このノズルから空気を吹き込みながら薄いガラスを作製し、この薄いガラスをローラーで連続的に引き出した。空気の吹き込み量及びローラー回転数を変えて、平均厚さ0.4μmのガラスを得た。その後、粉砕、分級を行って、それぞれ平均粒径10μmの鱗片状ガラスを得た。粉砕には、ジェットミル型粉砕機(製品名「ラボジェットLJ」(日本ニューマチック株式会社製))を用いた。また、粒度の調整は、ふるい分け分級によって行った。ふるい分け分級には、電磁ふるい振とう機(製品名「RETSCHSIEVESHAKER,typeVIBRO」(RETSCH株式会社製)を用い、目的とする粒度分布に応じて適宜ふるいを選択した。平均粒径は、レーザー回折粒度分布測定装置(製品名「マイクロトラック(登録商標)HRA」(日機装株式会社製))によって測定した。
さらにこの鱗片状ガラスを950℃で12時間熱処理を行うことにより、目的のイオン伝導性を付与し、鱗片状無機固体電解質フィラーとした。この鱗片状無機固体電解質フィラーのイオン伝導度は、室温において1×10−3S・cm−1であった。
次に、新日本理化株式会社製ポリイミド樹脂ワニス「リカコート PN−20」(固形分20wt%)を0.8重量%、脱水したN−メチル−2−ピロリドンを99重量%、ポリエチレングリコールを0.2重量%となるように量り取り、60℃でポリイミド樹脂ワニスをN−メチル−2−ピロリドンに溶解させた後、ポリエチレングリコール加え、均一に完全相溶した樹脂溶液を得た。この樹脂溶液100gに鱗片状無機固体電解質フィラー29gを添加し、均一になるよう撹拌混合した。この液をキャスティング法により成膜した後、真空乾燥させて、固体電解質膜である鱗片状ガラス−樹脂複合膜を作製した。得られた固体電解質膜の厚みは約20μmであった。
NH 4 H 2 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 , TiO 2 are used as raw materials, and these are 35.0% P 2 O 5 and Al 2 O in mol% in terms of oxide. Weighed 3 to 7.5%, Li 2 O 15.0%, TiO 2 38.0%, SiO 2 4.5% and mixed uniformly, then placed in the dissolution tank and heated for 2 hours with stirring at 1600 ° C. did. A nozzle was placed in the dissolution tank, and thin glass was produced while air was blown from the nozzle, and the thin glass was continuously drawn out by a roller. Glass having an average thickness of 0.4 μm was obtained by changing the amount of air blown and the number of roller rotations. Thereafter, pulverization and classification were performed to obtain scaly glass having an average particle diameter of 10 μm. For the pulverization, a jet mill type pulverizer (product name “Lab Jet LJ” (manufactured by Nippon Pneumatic Co., Ltd.)) was used. Further, the particle size was adjusted by sieving and classification. For the sifting classification, an electromagnetic sieve shaker (product name “RETSCHSIEVESHAKER, type VIBRO” (manufactured by RETSCH Co., Ltd.) was used, and a sieve was appropriately selected according to the intended particle size distribution. The measurement was performed using a measuring apparatus (product name “Microtrack (registered trademark) HRA” (manufactured by Nikkiso Co., Ltd.)).
Furthermore, this flaky glass was heat-treated at 950 ° C. for 12 hours to give the desired ionic conductivity, thereby obtaining a flaky inorganic solid electrolyte filler. The ionic conductivity of the scaly inorganic solid electrolyte filler was 1 × 10 −3 S · cm −1 at room temperature.
Next, 0.8% by weight of polyimide resin varnish `` Rika Coat PN-20 '' (solid content 20 wt%) manufactured by Shin Nippon Rika Co., Ltd., 99% by weight of dehydrated N-methyl-2-pyrrolidone, 0.2% by weight of polyethylene glycol After the polyimide resin varnish was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at 60 ° C., polyethylene glycol was added to obtain a completely and completely compatible resin solution. To 100 g of this resin solution, 29 g of a scale-like inorganic solid electrolyte filler was added and stirred and mixed so as to be uniform. This liquid was formed into a film by a casting method and then vacuum-dried to prepare a scale-like glass-resin composite film that was a solid electrolyte film. The thickness of the obtained solid electrolyte membrane was about 20 μm.
新日本理化株式会社製ポリイミド樹脂ワニス「リカコート PN−20」(固形分20wt%)を2.5重量%、脱水したN−メチル−2−ピロリドンを97重量%、ポリエチレングリコールを0.5重量%となるように量り取り、60℃でポリイミド樹脂ワニスをN−メチル−2−ピロリドンに溶解させた後、ポリエチレングリコール加え、均一に完全相溶した樹脂溶液を得た。この樹脂溶液100gに実施例1と同じ方法により得られた鱗片状無機固体電解質フィラー27gを添加し、均一になるよう撹拌混合した。この液をキャスティング法により成膜した後、真空乾燥させて固体電解質膜を作製した。得られた固体電解質膜の厚みは約20μmであった。 New Nippon Rika Co., Ltd. polyimide resin varnish “Rika Coat PN-20” (solid content 20 wt%) 2.5 wt%, dehydrated N-methyl-2-pyrrolidone 97 wt%, polyethylene glycol 0.5 wt% After weighing out and dissolving the polyimide resin varnish in N-methyl-2-pyrrolidone at 60 ° C., polyethylene glycol was added to obtain a completely and completely compatible resin solution. To 100 g of this resin solution, 27 g of a scaly inorganic solid electrolyte filler obtained by the same method as in Example 1 was added and stirred and mixed so as to be uniform. This solution was formed into a film by a casting method and then vacuum-dried to produce a solid electrolyte membrane. The thickness of the obtained solid electrolyte membrane was about 20 μm.
原料として酸化チタンTiO2と炭酸リチウムLi2CO3とリン酸アンモニウム(NH4)H2PO4とを混合させ、この混合物を1200℃でガラス融液を撹拌しながら2時間加熱熔解した。この溶解槽にノズルを入れ、このノズルから空気を吹き込みながら薄いガラスを作製し、この薄いガラスをローラーで連続的に引き出した。空気の吹き込み量及びローラー回転数を変えて、平均厚さ0.4μmのガラスを得た。その後、粉砕、分級を実施例1と同様に行って、平均粒径10μmの鱗片状ガラスを得た。この鱗片状ガラスのイオン伝導度は、室温において2×10−4S・cm−1であった。
次にLi塩としてLiPF6を添加したポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの重合物を80:20の割合で、エタノールを溶媒として固形分30質量%となるように均一に混合し、高分子固体電解質溶液を作製した。この溶液100gに鱗片状無機固体電解質フィラー30gを添加し、均一になるよう撹拌混合し、キャスティング法により成膜した後、真空乾燥させて固体電解質膜を作製した。得られた鱗片状ガラス−高分子固体電解質複合膜の厚みは約20μmであった。
Titanium oxide TiO 2 , lithium carbonate Li 2 CO 3 and ammonium phosphate (NH 4 ) H 2 PO 4 were mixed as raw materials, and this mixture was heated and melted at 1200 ° C. for 2 hours while stirring the glass melt. A nozzle was placed in the dissolution tank, and thin glass was produced while air was blown from the nozzle, and the thin glass was continuously drawn out by a roller. Glass having an average thickness of 0.4 μm was obtained by changing the amount of air blown and the number of roller rotations. Thereafter, pulverization and classification were performed in the same manner as in Example 1 to obtain a glass flake having an average particle diameter of 10 μm. The ionic conductivity of the glass flakes was 2 × 10 −4 S · cm −1 at room temperature.
Next, a polymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide to which LiPF 6 is added as a Li salt is uniformly mixed at a ratio of 80:20 with ethanol as a solvent to a solid content of 30% by mass, and a polymer solid electrolyte solution is obtained. Produced. To 100 g of this solution, 30 g of a flaky inorganic solid electrolyte filler was added, stirred and mixed so as to be uniform, formed into a film by a casting method, and then vacuum dried to produce a solid electrolyte film. The obtained scaly glass-polymer solid electrolyte composite membrane had a thickness of about 20 μm.
表1に示すCガラスの組成を有し、平均直径0.7μmで平均長さ約3mmのガラス短繊維を、繊維を解きほぐすためのパルパーに投入し、硫酸でpH2.5に調製した水溶液中で充分に解離、分散させ、抄紙用のスラリー(ガラス繊維分散液)を作製した。このスラリーを原料として、湿式抄紙装置を用いて、ガラス繊維不織布を得た。得られたガラス繊維不織布は、厚みが20μmであり、目付量は5g/m2であった。 A glass short fiber having the composition of C glass shown in Table 1 and having an average diameter of 0.7 μm and an average length of about 3 mm is introduced into a pulper for unraveling the fiber, and it is sufficient in an aqueous solution adjusted to pH 2.5 with sulfuric acid. The slurry for glass making (glass fiber dispersion) was prepared. Using this slurry as a raw material, a glass fiber nonwoven fabric was obtained using a wet papermaking machine. The obtained glass fiber nonwoven fabric had a thickness of 20 μm and a basis weight of 5 g / m 2 .
注:R2Oは、Na2OとK2Oの合計を表す。
Note: R 2 O represents the total of Na 2 O and K 2 O.
前記ガラス繊維不織布を10cm×10cmの寸法に切り出し、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上に乗せ、その上から実施例1で用いた鱗片状ガラス−樹脂複合溶液10gを均一になるよう含浸させた。樹脂溶液を含浸したガラス不織布は真空中で1時間乾燥処理した後、PETフィルムから剥離した。得られたガラス繊維不織布−鱗片状ガラス−樹脂複合化膜の厚みは約30μmであった。 The glass fiber nonwoven fabric was cut into a size of 10 cm × 10 cm, placed on a PET (polyethylene terephthalate) film, and impregnated with 10 g of the glass flake-resin composite solution used in Example 1 from above. The glass nonwoven fabric impregnated with the resin solution was dried in vacuum for 1 hour and then peeled off from the PET film. The thickness of the obtained glass fiber nonwoven fabric-flaky glass-resin composite film was about 30 μm.
(比較例1)
原料としてNH4H2PO4、Al(PO3)3、Li2CO3、SiO2、TiO2を使用し、これらを酸化物換算のmol%でP2O5を35.0%、Al2O3を7.5%、Li2Oを15.0%、TiO2を38.0%、SiO2を4.5%になるように秤量して均一に混合した後に溶解槽に入れ、1600℃でガラス融液を撹拌しながら2時間加熱熔解した。その後ガラス融液を水中に直接キャストし、母ガラスを得た。この母ガラスを950℃で12時間の熱処理した後、実施例1と同様の装置を用いて粉砕、分級を行い、平均粒径10μmのフレーク状ガラス基材を得た。
さらに実施例1と同様にしてポリイミド樹脂ワニスを用いた樹脂溶液を用いて粉状ガラス−樹脂混合溶液を作製し、キャスティング法により成膜した後、真空乾燥させて鱗片状ガラス−樹脂複合膜を作製した。得られた粉状ガラス−樹脂複合膜の厚みは約50μmであった。
(Comparative Example 1)
NH 4 H 2 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 , TiO 2 are used as raw materials, and these are 35.0% P 2 O 5 and Al 2 O in mol% in terms of oxide. 3 is 7.5%, Li 2 O is 15.0%, TiO 2 is 38.0%, SiO 2 is 4.5% and weighed and mixed uniformly, then placed in the dissolution vessel, stirring the glass melt at 1600 ° C It was melted by heating for 2 hours. Thereafter, the glass melt was directly cast into water to obtain a mother glass. The mother glass was heat-treated at 950 ° C. for 12 hours, and then pulverized and classified using the same apparatus as in Example 1 to obtain a flaky glass substrate having an average particle diameter of 10 μm.
Further, in the same manner as in Example 1, a powdery glass-resin mixed solution was prepared using a resin solution using a polyimide resin varnish, formed into a film by a casting method, and then vacuum-dried to obtain a scaly glass-resin composite film. Produced. The thickness of the obtained powdery glass-resin composite film was about 50 μm.
(比較例2)
比較例1と同様にして得た粉状ガラス−樹脂混合溶液を用いて、キャスティング法により成膜を試みたが、厚み約20μmの膜は形成できなかった。
(Comparative Example 2)
Using the powdery glass-resin mixed solution obtained in the same manner as in Comparative Example 1, film formation was attempted by a casting method, but a film having a thickness of about 20 μm could not be formed.
(比較例3)
比較例1と同様にして粉状ガラスを得た。さらに実施例2と同様にしてポリイミド樹脂ワニスを用いた樹脂溶液を用いて粉状ガラス−樹脂混合溶液を作製した。キャスティング法により成膜を試みたが、厚み約50μmの膜は形成できなかった。
(Comparative Example 3)
A powdery glass was obtained in the same manner as in Comparative Example 1. Furthermore, it carried out similarly to Example 2, and produced the powdery glass-resin mixed solution using the resin solution using the polyimide resin varnish. Film formation was attempted by a casting method, but a film having a thickness of about 50 μm could not be formed.
実施例1〜4および比較例1で作製したガラス−樹脂複合膜について、下記の試験を行った。試験の結果を表3に示す。 The following tests were performed on the glass-resin composite films prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. The results of the test are shown in Table 3.
(引張強度測定)
プロトン伝導性膜を、幅20mm×長さ80mmに切断して試験片を作製し、チャック間隔30mmで、10mm/分の速度で引っ張って、破断時の荷重(N)を測定した。これをサンプル厚みおよび幅の実測値で除して、引張強度(MPa)を算出した。ここで、サンプル厚みはマイクロメータにて測定した。
(Tensile strength measurement)
A proton conductive membrane was cut into a width of 20 mm and a length of 80 mm to prepare a test piece, and pulled at a chuck interval of 30 mm at a speed of 10 mm / min, and the load (N) at break was measured. The tensile strength (MPa) was calculated by dividing this by the measured values of the sample thickness and width. Here, the sample thickness was measured with a micrometer.
(耐ショート性測定)
耐ショート性の測定に用いた装置の概略図を図1に示す。樹脂フィルム1を上下から直径50mmのステンレス円柱2で挟み込み、さらにバネ3を用いて0.14kg/cm2の加重が掛かるようにした。上下のステンレス円柱2は耐熱絶縁板4で電気的に絶縁されている。また上部のステンレス円柱2は加圧時にセパレータを排斥できるよう曲率を持った面とした。これに3.0Vの電圧を掛けた状態でプログラム型高温槽に入れ、室温から400℃まで10時間で昇温した。樹脂多孔脂質フィルムが溶解または燃焼するような高温になると正・負極間に圧力が掛かって電解質が流動または排斥されて両極が短絡する。短絡したかどうかを抵抗測定器5にて判断、短絡が発生した温度で耐ショート性を評価した。
(Short resistance measurement)
A schematic diagram of the apparatus used for measuring the short-circuit resistance is shown in FIG. The resin film 1 was sandwiched from above and below by a
上記の実施例および比較例の結果から明らかなように、本発明による実施例1〜4では無機固体電解質の含有量が多くても膜が形成できるが、比較例2,3では無機固体電解質の含有量が多くなると膜を形成できないことがわかる。また、実施例1〜4は、比較例1〜3に比べて、強度およびイオン伝導度が向上し、さらにショート温度が向上していることが分かる。 As is clear from the results of the above examples and comparative examples, in Examples 1 to 4 according to the present invention, a film can be formed even if the content of the inorganic solid electrolyte is large. It turns out that a film | membrane cannot be formed when content increases. Moreover, compared with Comparative Examples 1-3, Examples 1-4 are understood that intensity | strength and ionic conductivity are improving, and also the short circuit temperature is improving.
1 樹脂フィルム
2 ステンレス円柱
3 バネ
4 耐熱絶縁板
5 抵抗測定器
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