JP2020035587A - リチウムイオン伝導性ポリマー電解質 - Google Patents
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Abstract
Description
項2.前記ポリマーが前記イオン液体で修飾されている、項1に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項3.前記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質の総量を100質量%として、前記イオン液体の含有量が0.1〜60質量%である、項1又は2に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項4.前記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質の総量を100質量%として、前記ポリマーの含有量が5〜80質量%である、項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項5.前記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質の総量を100質量%として、前記リチウム塩の含有量が5〜80質量%である、項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項6.前記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質の総量を100質量%として、前記無機電解質の含有量が1〜89.9質量%である、項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項7.前記イオン液体が、ホスホニウムイオン及びアンモニウムイオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、ヒドロキシピリジン化合物からフェノール性水酸基の水素原子を除いたアニオンとから構成される、項1〜6のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項8.前記カチオンが、テトラメチルホスホニウムイオン、テトラエチルホスホニウムイオン、テトラn-プロピルホスホニウムイオン、テトラn-ブチルホスホニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラn-プロピルアンモニウムイオン、及びテトラn-ブチルアンモニウムイオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項7に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項9.前記ヒドロキシピリジン化合物が、2-ヒドロキシピリジン、3-ヒドロキシピリジン、及び4-ヒドロキシピリジンよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項7又は8に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項10.前記ポリマーが、ポリエチレンオキシド、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリ(ビニリデンフルオライド)、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート、ポリビニルピロリドン、ポリピロール、ポリ塩化ビニル及びこれらの共重合体よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項1〜9のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項11.前記リチウム塩が、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、リチウムビス(オキサレート)ボラート、リチウムジフルオロ(オキサレート)ボラート、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、及びリチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項1〜10のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項12.前記無機電解質が、ペロブスカイト型Li-La-Ti複合酸化物、NASICON型Li-Al-Ti複合リン酸塩、ガーネット型Li-La-Zr複合酸化物、ガーネット型Li-La-Zr-Ta複合酸化物、Li10GeP2S12、及びxLi2S-(1- x)P2S5(0.5≦x≦1)よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項1〜11のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
項13.項1〜12のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質の製造方法であって、
前記イオン液体、前記ポリマー、前記リチウム塩及び前記無機電解質を含む原料物質を不活性雰囲気下で混合する工程
を備える、製造方法。
項14.項1〜12のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質を含有する電解質層を備える、全固体リチウムイオン二次電池。
項15.ホスホニウムイオン及びアンモニウムイオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、ヒドロキシピリジン化合物からフェノール性水酸基の水素原子を除いたアニオンとから構成される、リチウムイオン伝導性ポリマー電解質用イオン液体。
項16.前記カチオンが、テトラメチルホスホニウムイオン、テトラエチルホスホニウムイオン、テトラn-プロピルホスホニウムイオン、テトラn-ブチルホスホニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラn-プロピルアンモニウムイオン、及びテトラn-ブチルアンモニウムイオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項15に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質用イオン液体。
項17.前記ヒドロキシピリジン化合物が、2-ヒドロキシピリジン、3-ヒドロキシピリジン、及び4-ヒドロキシピリジンよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項15又は16に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質用イオン液体。
項18.項15〜17のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質用イオン液体の製造方法であって、
ホスホニウム化合物及びアンモニウム化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、ヒドロキシピリジン化合物とを含む溶液を乾燥する工程
を備える、製造方法。
本発明のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質は、イオン液体、ポリマー、リチウム塩及び無機電解質を含有する。このような構成を採用することにより、イオン液体でポリマーを修飾することができ、ポリマーの結晶化が抑制されてリチウムイオンの移動が促進されることでイオン伝導率を高くすることができるとともに、安定な界面層が形成されてリチウムデンドライトの生成を効果的に抑制でき放電容量及びサイクル特性を向上させることができる。また、イオン液体がリチウム塩の解離を促進し、リチウムイオンの移動が促進されることで電極とSPEとの界面のリチウムイオンの移動速度を高くすることができる。さらに、このような構成を採用することにより、高い熱的及び電気化学的安定性を有し、広い電圧窓を有することができる。
本発明において、イオン液体としては、特に制限されるわけではないが、イオン伝導率、電極とSPEとの界面のリチウムイオンの移動速度、熱的及び電気化学的安定性、電圧窓、放電容量、サイクル特性等の観点から、ホスホニウムイオン及びアンモニウムイオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、ヒドロキシピリジン化合物からフェノール性水酸基の水素原子を除いたアニオンとから構成されることが好ましい。このようなイオン液体は、リチウムイオン伝導性ポリマー電解質用イオン液体として有用であり、後述するポリマーを修飾(結合)することで、ポリマーの結晶化が抑制されてリチウムイオンの移動が促進されイオン伝導率を高くすることができるとともに、安定な界面層が形成されてリチウムデンドライトの生成を効果的に抑制でき放電容量及びサイクル特性を向上させることができる。また、このようなイオン液体がリチウム塩の解離を促進し、リチウムイオンの移動が促進されることで電極とSPEとの界面のリチウムイオンの移動速度を高くすることができる。
本発明において、ポリマーとしては、特に制限されるわけではないが、イオン伝導率、電極とSPEとの界面のリチウムイオンの移動速度、熱的及び電気化学的安定性、電圧窓、放電容量、サイクル特性等の観点から、ポリエチレンオキシド、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリ(ビニリデンフルオライド)、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート、ポリビニルピロリドン、ポリピロール、ポリ塩化ビニル、これらの共重合体等が好ましい。このようなポリマーは、上記したイオン液体で修飾(結合)されることで、結晶化が抑制されてリチウムイオンの移動が促進されイオン伝導率を高くすることができるとともに、安定な界面層が形成されてリチウムデンドライトの生成を効果的に抑制でき放電容量及びサイクル特性を向上させることができる。これらのポリマーは単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。
本発明において、イオン液体としては、特に制限されるわけではないが、イオン伝導率、電極とSPEとの界面のリチウムイオンの移動速度、熱的及び電気化学的安定性、電圧窓、放電容量、サイクル特性等の観点から、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、リチウムビス(オキサレート)ボラート、リチウムジフルオロ(オキサレート)ボラート、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド等が好ましい。このようなリチウム塩は、上記したイオン液体により解離が促進され、リチウムイオンの移動が促進されることで電極とSPEとの界面のリチウムイオンの移動速度を高くすることができる。これらのリチウム塩は単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。
本発明において、無機電解質としては、特に制限されるわけではないが、イオン伝導率、電極とSPEとの界面のリチウムイオンの移動速度、熱的及び電気化学的安定性、電圧窓、放電容量、サイクル特性等の観点から、ペロブスカイト型Li-La-Ti複合酸化物(Li3xLa2/3-xTiO33(0<x<1)等)、NASICON型Li-Al-Ti複合リン酸塩(Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0<x<1)等)、ガーネット型Li-La-Zr複合酸化物(Li7La3Zr2O12等)、ガーネット型Li-La-Zr-Ta複合酸化物(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12等)、Li10GeP2S12、xLi2S-(1- x)P2S5(0.5≦x≦1)等が好ましい。このような構成を採用することにより、イオン伝導率を高くすることができるとともに、安定な界面層が形成されてリチウムデンドライトの生成を効果的に抑制でき放電容量及びサイクル特性を向上させることができる。これらの無機電解質は単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。
本発明のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質は、例えば、イオン液体、ポリマー、リチウム塩及び無機電解質を含む原料物質に対して不活性雰囲気下で混合した後に、加熱する工程を備える製造方法により得ることができる。
本発明のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質を用いる全固体リチウムイオン二次電池は、公知の手法により製造することができる。 本発明の全固体リチウム二次電池は、本発明のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質を含む電解質層を備えるものであるが、例えば、正極集電箔、正極層、電解質層、負極層及び負極集電箔をこの順に備える(積層した)全固体リチウム二次電池とすることができる。電解質層は、上記のとおり、本発明のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質を薄膜状に成形することで使用することができる。この電解質層の厚みは、イオン伝導率、電極とSPEとの界面のリチウムイオンの移動速度、熱的及び電気化学的安定性、電圧窓、放電容量、サイクル特性等の観点から、75〜200μmが好ましく、100〜120μmがより好ましい。
2-ヒドロキシピリジン:富士フイルム和光純薬(株)製
テトラブチルホスホニウムヒドロキシド:富士フイルム和光純薬(株)製
ポリエチレンオキシド(PEOポリマー):SIGMA-ALDRICH製(Average Mv 600,000、融点:65℃)
Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO):(株)豊島製作所製(平均粒子径10μm)
リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(LITFSI):富士フイルム和光純薬(株)製
のものを使用した。
まず、簡便な液相反応法を利用して、テトラブチルホスホニウム2-ヒドロキシピリジン(TBPHP)イオン液体を合成した。
電解質層を作製する際に、PEOポリマー、Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(LITFSI)、及び上記で得られたイオン液体(TBPHP)を、PEOポリマー: LITFSI: LLZTO: TBPHP=47.5: 38: 9.5: 5(質量比)の比率としたこと以外は実施例1と同様に、SPEフィルムを作製した。また、実施例1と同様に、得られたSPEフィルムのイオン伝導率及び熱的安定性ウインドウを測定した。
電解質層を作製する際に、PEOポリマー、Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(LITFSI)、及び上記で得られたイオン液体(TBPHP)を、PEOポリマー: LITFSI: LLZTO: TBPHP=40: 32: 8: 20(質量比)の比率としたこと以外は実施例1と同様に、SPEフィルムを作製した。また、実施例1と同様に、得られたSPEフィルムのイオン伝導率及び熱的安定性ウインドウを測定した。
電解質層を作製する際に、PEOポリマー、Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(LITFSI)、及び上記で得られたイオン液体(TBPHP)を、PEOポリマー: LITFSI: LLZTO: TBPHP=50: 40: 10: 0(質量比)の比率とした(イオン液体を使用しなかった)こと以外は実施例1と同様に、SPEフィルムを作製した。また、実施例1と同様に、得られたSPEフィルムのイオン伝導率、熱及び電気化学的安定性ウインドウ、並びにリチウムイオン遷移数を測定した。
Claims (18)
- イオン液体、ポリマー、リチウム塩及び無機電解質を含有する、リチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記ポリマーが前記イオン液体で修飾されている、請求項1に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質の総量を100質量%として、前記イオン液体の含有量が0.1〜60質量%である、請求項1又は2に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質の総量を100質量%として、前記ポリマーの含有量が5〜80質量%である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質の総量を100質量%として、前記リチウム塩の含有量が5〜80質量%である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質の総量を100質量%として、前記無機電解質の含有量が1〜89.9質量%である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記イオン液体が、ホスホニウムイオン及びアンモニウムイオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、ヒドロキシピリジン化合物からフェノール性水酸基の水素原子を除いたアニオンとから構成される、請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記カチオンが、テトラメチルホスホニウムイオン、テトラエチルホスホニウムイオン、テトラn-プロピルホスホニウムイオン、テトラn-ブチルホスホニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラn-プロピルアンモニウムイオン、及びテトラn-ブチルアンモニウムイオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項7に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記ヒドロキシピリジン化合物が、2-ヒドロキシピリジン、3-ヒドロキシピリジン、及び4-ヒドロキシピリジンよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項7又は8に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記ポリマーが、ポリエチレンオキシド、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリ(ビニリデンフルオライド)、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート、ポリビニルピロリドン、ポリピロール、ポリ塩化ビニル及びこれらの共重合体よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜9のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記リチウム塩が、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、リチウムビス(オキサレート)ボラート、リチウムジフルオロ(オキサレート)ボラート、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、及びリチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜10のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 前記無機電解質が、ペロブスカイト型Li-La-Ti複合酸化物、NASICON型Li-Al-Ti複合リン酸塩、ガーネット型Li-La-Zr複合酸化物、ガーネット型Li-La-Zr-Ta複合酸化物、Li10GeP2S12、及びxLi2S-(1- x)P2S5(0.5≦x≦1)よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜11のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質の製造方法であって、
前記イオン液体、前記ポリマー、前記リチウム塩及び前記無機電解質を含む原料物質に対して不活性雰囲気下で混合する工程
を備える、製造方法。 - 請求項1〜12のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質を含有する電解質層を備える、全固体リチウムイオン二次電池。
- ホスホニウムイオン及びアンモニウムイオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンと、ヒドロキシピリジン化合物からフェノール性水酸基の水素原子を除いたアニオンとから構成される、リチウムイオン伝導性ポリマー電解質用イオン液体。
- 前記カチオンが、テトラメチルホスホニウムイオン、テトラエチルホスホニウムイオン、テトラn-プロピルホスホニウムイオン、テトラn-ブチルホスホニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラn-プロピルアンモニウムイオン、及びテトラn-ブチルアンモニウムイオンよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項15に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質用イオン液体。
- 前記ヒドロキシピリジン化合物が、2-ヒドロキシピリジン、3-ヒドロキシピリジン、及び4-ヒドロキシピリジンよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項15又は16に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質用イオン液体。
- 請求項15〜17のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質用イオン液体の製造方法であって、
ホスホニウム化合物及びアンモニウム化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、ヒドロキシピリジン化合物とを含む溶液を乾燥する工程
を備える、製造方法。
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