JP2023057044A - リチウム二次電池用固体電解質及びその調製方法、並びにリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
R2は、-COOCH3、イミダゾール、ピロール、ピペリジン、第4級アンモニウムなど、イオン液体構造を有する官能基である、リチウム二次電池用の固体電解質に関する。
好ましくは、前記添加成分は、ポリ2-ビニル-1,3-ジオキソラン、又は、2-ビニル-1,3-ジオキソランと1-ビニル-3-エチルビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミダゾールとの共重合体である。
ポリマーマトリックス、リチウム塩、ニトリル化合物及び添加成分を100:5~200:10~500:20~100の質量比で溶剤に溶解し、25~80℃の温度で、1~48時間撹拌して、溶液を形成し、得られた溶液を金具や基体に入れて、不活性ガスの雰囲気で大部分の溶剤を除去して、電解質膜を形成し、25~100℃で2~48時間真空乾燥して、さらに、アルゴン充填グローブボックスに入れて2~48時間乾燥して、溶剤及び水を除去することで、固体電解質が得られる、固体電解質の製造方法に関する。
<PDOLの調製>
PDOLの調製方法は特に限定されず、従来技術で知られている任意の方法を使用することができる。本発明では、式3に示すように、単純な無水ラジカル重合によりPDOLを合成した。具体的には、氷水浴、アルゴン雰囲気下の三口フラスコに、2-ビニル-1,3-ジオキソラン5.0gを添加し、10分間撹拌した後、2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)50.0mgをフラスコに急速に加えて重合反応を開始させた。その後、無溶媒混合物を67℃で48時間加熱し、反応混合物を無水CH2Cl2に溶かし、得られた溶液を無水正ヘキサンに滴下して加えた。沈殿物を無水正ヘキサンで6回洗浄し、80℃の真空下で一晩乾燥させて使用した。
<2-ビニル-1,3-ジオキソランと1-ビニル-3-エチルビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミダゾールとの共重合体(P(DOL-IM2TFSI))の調製>
本発明では、式4に示すように、まず2つのモノマーを所定の質量比で共重合させ、その後、エチル化及びイオン交換により、P(DOL-IM2TFSI)を得た。具体的には、氷水浴、アルゴン雰囲気下で、2-ビニル-1,3-ジオキソラン5.0g、1-ビニルイミダゾール5.6g、エタノール20mlを三口フラスコに添加した。30分間撹拌した後、2,2’-アゾビスイソブチロニトリル212mgをフラスコに急速に加え、重合反応を開始した。次に、混合物を80℃で48時間加熱した。得られた溶液を水で3回洗浄し、80℃の真空下で24時間乾燥した。得られた固体をアセトニトリル50mlに溶かし、臭化エチル10.9gを加えて50℃、24時間反応させた。アセトニトリルをロータリーエバポレーションで除去し、エチルエーテルで3回洗浄し、80℃の真空乾燥ボックスで24時間乾燥させた。5.0gの上記固体を20mLの脱イオン水に加え、5.7gのLiTFSIを脱イオン水に溶解し、水性LiTFSIを上記溶液に滴下し、室温で攪拌して2時間反応させた。その後、固体沈殿物をろ過し、脱イオン水で3回洗浄後、80℃、24時間真空下で乾燥して、目的の固体生成物が得られた。
<固体電解質の調製方法>
ポリマーマトリックス、リチウム塩、ニトリル化合物および添加成分を100:5~100:0~100:20~100の質量割合で溶媒に溶解し、25~80℃の温度で1~48時間撹拌して均一溶液とし、得られた溶液を金型または基体(例えば、ガラス板、ステンレス板など)上に流し込んだ。室温、不活性ガス雰囲気下にて溶媒の大半を除去して電解質膜を形成し、25~100℃の温度で2~48時間乾燥させた後、アルゴン封入グローブボックスに移して2~48時間乾燥させ、残留溶媒と水を除去し、固体電解質を得た。
R2は、-COOCH3、イミダゾール、ピロール、ピペリジン、第4級アンモニウムなどのイオン液体構造を有する基である。
上記溶媒としては、特に限定されず、アセトン、アセトニトリル、2-ブタノン、ジクロロメタン等を列挙することができる。
<電池の調製>
リン酸鉄リチウム(LiFePO4)/コバルト酸リチウム(LiCoO2)/ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNixCoyMn1-x-yO2)/ニッケルマンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5O4)を正極材料としての正極シート、得られた電解質膜、リチウム(Li)を負極材料として含む負極シートが下から順に積層してなる積層体を作り、次いでその後、積層された層をプレス機で加圧し、電池を得た。
<評価試験>
・分子量測定
分子量の測定は、テトラヒドロフラン(THF)を移動相とするゲルクロマトグラフィー(GPC)を用いて、ポリメチルメタクリレート(PMMA)を比較対照として40℃で行った。
・ガラス転移温度の決定
試料のガラス転移温度(Tg)は、示差走査熱量計(DSC)により、室温から200℃まで10℃/分で昇温し、3分間温度を保ち、10℃/分で-60℃まで降温し、3分間温度を保ち、再び10℃/分で200℃まで昇温の2段階目の曲線を用いて求めた。
・放電容量の測定
ブルーエレクトリックテストシステムを用いて、定電流条件下で異なる充電電流と放電電流で電池の容量を測定することで、電池の比容量を測定した。
実施例1
フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(P(VDF-HFP))-ポリ(2-ビニル-1,3ジオキソラン(PDOL))-ブタンジニトリル(SN)-リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)の固体電解質を溶液キャスト法により作製した。P(VDF-HFP)、PDOL、SNおよびLiTFSIを100:30:300:75の質量比で50℃にて12時間撹拌し、均一な溶液を形成させた。その後、この溶液をポリテトラフルオロエチレン製のテンプレートに流し込み、Ar雰囲気下、室温でアセトンの大部分を除去した後、電解質膜を30℃、48時間真空下で乾燥し、アルゴン充填グローブボックスに24時間移して乾燥させ、残留溶媒と水を除去した。得られたポリマーの重量平均分子量は9021g/molであり、ガラス転移温度(Tg)は-14.4℃、PDOLの融点(Tm)は170.2℃だった。25℃において20%(wt)添加したLiTFSIのイオン伝導度は4.77x10-7S/cm、Li/FePO4電池の0.2C、25℃における初期放電比容量は160mAh/g、300サイクル後に0.2C、25℃における放電比容量は144mAh/gであり、容量保持率は90%であった。
図6からわかるように、PDOLの分解温度(Td,5%質量損失)は188.1℃であり、優れた熱安定性を示している。
実施例2
P(VDF-HFP)-PDOL-SN-LiTFSIの固体電解質を溶液キャスト法により作製した。P(VDF-HFP)、PDOL、SNおよびLiTFSIを100:30:10:75の質量比で50℃にて12時間撹拌し、均一な溶液を形成させた。その後、この溶液をポリテトラフルオロエチレン製のテンプレートに流し込み、Ar雰囲気下、室温でアセトンの大部分を除去した後、電解質膜を25℃、48時間真空下で乾燥し、アルゴン充填グローブボックスに24時間移して乾燥させ、残留溶媒と水を除去した。得られた電解質のイオン伝導度は1.8×10-4S/cmで、Li/LiFePO4電池の0.2C、25℃における初期放電比容量は150mAh/g、100サイクル後に0.2C、25℃における放電比容量は144mAh/gであり、容量保持率は90%であった。
実施例3
ポリフッ化ビニリデン(PVDF)-2-ビニル-1,3-ジオキソランと1-ビニル-3-エチルビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミダゾールとの共重合物(P(DOL-IM2TFSI))-LiTFSI固体電解質を溶液キャスト法により調製した。PVDF、P(DOL-IM2TFSI)、SN、LiTFSIを50℃のアセトン溶液中で100:50:200:50の質量比で24時間撹拌し、均一な溶液を形成させた。次に、この溶液をポリテトラフルオロエチレン製のテンプレートに流し込み、Ar雰囲気下、室温でアセトンの大部分を除去した後、電解質膜を25℃で48時間真空乾燥し、アルゴン充填グローブボックスに24時間移して残留溶媒と水を除去した。得られたポリマーの重量平均分子量は3281g/mol、室温で20%(wt)のLiTFSIを添加した場合のイオン伝導度は2.2×10-8S/cmであり、得られた電解質のイオン伝導度は7.2×10-4S/cmで、Li/LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2電池の25℃、0.1Cにおける初回放電比容量は178mAh/g、200サイクル後に0.1C、25℃における放電比容量は153mAh/gであり、容量維持率は86%であった。
実施例4
PVDF-PDOL-ジメチルマロノニトリル-リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)固体電解質溶液をキャスト法により調製した。PVDF、PDOL、ジメチルマロノニトリル、LiFSIを50℃のアセトン溶液中で100:50:250:75の質量比で24時間撹拌し、均一な溶液を形成させた。その後、この溶液をポリテトラフルオロエチレン製のテンプレートに流し込み、Ar雰囲気下、室温でアセトンの大部分を除去した。その後、電解質膜を25℃で48時間真空乾燥し、アルゴン充填グローブボックスに移して24時間乾燥させ、残留する溶媒と水を除去した。得られた電解質のイオン伝導度は4.5×10-4S/cmであり、Li/LiCoO2電池の25℃、0.1Cにおける初回放電比容量は170mAh/g、200サイクル後の25℃、0.1Cにおける放電比容量は136mAh/g、容量維持率は82%であった。
実施例5
P(VDF-HFP)-PDOL-ジメチルマロノニトリル-LiFSI固体電解質を溶液キャスト法により調製した。P(VDF-HFP)、PDOL、ジメチルマロノニトリル、LiFSIを50℃のアセトン溶液中で100:100:100:100の質量比で24時間撹拌し、均一な溶液を形成した。次に、この溶液をポリテトラフルオロエチレン製のテンプレートに流し込み、Ar雰囲気下、室温でアセトンの大部分を除去した後、電解質膜を25℃で48時間真空乾燥し、アルゴン充填グローブボックスに移して24時間乾燥させ、残留溶媒と水を除去した。得られた電解質のイオン伝導度は2×10-4S/cmで、Li/LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2電池の25℃、0.1Cにおける初回放電比容量は165mAh/g、300サイクル後の25℃、0.1Cにおける放電比容量は136mAh/g、容量維持率は82%であった。
実施例6
P(VDF-HFP)-P(DOL-IM2TFSI)-SN-LiFSI固体電解質を溶液キャスト法により調製した。P(VDF-HFP)、P(DOL-IM2TFSI)、SNおよびLiFSIを、50℃のアセトン溶液中で100:100:100:100の質量比で24時間撹拌して均一な溶液を形成させた。次に、この溶液をポリテトラフルオロエチレン製のテンプレートに流し込み、Ar雰囲気下、室温でアセトンの大部分を除去した後、電解質膜を25℃で48時間真空乾燥し、アルゴン充填グローブボックスに移して24時間乾燥させ、残留溶媒と水を除去した。得られた電解質のイオン伝導度は8.3×10-4S/cmで、Li/LiFePO4電池の25℃、0.1Cにおける初回放電比容量は162mAh/g、400サイクル後の25℃、0.1Cにおける放電比容量は120mAh/gであり、容量保持率は74%であった。
比較例1
P(VDF-HFP)-SN-LiTFSI固体電解質を溶液キャスト法により調製した。P(VDF-HFP)、SN、LiTFSIを100:300:75の割合で50℃にて12時間撹拌し、均一な溶液を形成した。その後、この溶液をポリテトラフルオロエチレン製テンプレートに流し込み、Ar雰囲気下、室温でアセトンの大部分を除去した。その後、電解質膜を25℃で48時間真空乾燥し、アルゴン充填グローブボックスに移して24時間乾燥させ、残留溶媒と水を除去した。得られた電解質のイオン伝導度は2.0×10-3S/cm、25℃、0.2Cにおける初回放電比容量は160mAh/g、300サイクル後の25℃、0.2Cにおける放電比容量は43.7mAh/g、容量保持率は27.3%であった。
Claims (6)
- 前記ポリマーマトリックス100質量部に対して、前記リチウム塩5~200質量部、前記ニトリル化合物10~500質量部、前記添加成分20~100質量部を含む、請求項1に記載の固体電解質。
- 前記添加成分の重量平均分子量が1000~1000000g/molである、請求項1又は2に記載の固体電解質。
- 前記添加成分は、ポリ2-ビニル-1,3-ジオキソラン、又は、2-ビニル-1,3-ジオキソランと1-ビニル-3-エチル-ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミダゾールとの共重合体である、請求項1又は2に記載の固体電解質。
- 請求項1-4の何れか一項の固体電解質を製造する方法であって、
ポリマーマトリックス、リチウム塩、ニトリル化合物及び添加成分を100:5~200:10~500:20~100の質量比で溶剤に溶解し、25~80℃の温度で、1~48時間撹拌して、溶液を形成し、得られた溶液を金具や基体に入れて、不活性ガスの雰囲気で大部分の溶剤を除去して、電解質膜を形成し、25~100℃で2~48時間真空乾燥して、さらに、アルゴン充填グローブボックスに入れて2~48時間乾燥して、溶剤及び水を除去することで、固体電解質が得られる、固体電解質の製造方法。 - 請求項1-4の何れか一項の固体電解質を含むリチウム二次電池。
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