JP2610026B2 - 電池用電極 - Google Patents

電池用電極

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Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は電池用電極に関する。
[従来技術] 従来、電池の高エネルギー密度化、高出力化を図るた
め、電池容器、活物質の充填法など多方面から多く研究
がなされている。
近年、高エネルギー密度化を目的として、ポリピロー
ル、ポリアニリン、ポリパラフェニレン、ポリアセチレ
ンなどの高分子材料を電極活物質とするポリマー電池が
検討されている(英国特許第1216549号明細書、米国特
許第444218号明細書)。
これらの重合体は、電解質カチオンまたはアニオンと
の錯体を形成せしめることにより、p型あるいはn型の
導電性ないし半導性高分子とすることができ、従来の二
次電池用の電極材料に比べ重量当りのエネルギー密度が
高いことから、高エネルギー密度の二次電池として期待
されている。
しかしながら、これら電池は実装する上で解決しなけ
ればならない問題も多く、特にシート状電極における電
極活物質からの集電は大きな課題である。
そこで、ポリマー活物質の集電材料、集電方法につい
て鋭意検討を行った結果、集電体の構成がポリマー電池
の特性に大きな影響を及ぼすことが見出された。
すなわち、集電体と活物質との接合に関する構成が負
荷時の電圧平坦性を左右するという事実である。
[目 的] 本発明は、上記の事情に鑑み、導電性高分子材料を電
極活物質とする電池において、負荷時の放電電圧平坦性
の高い電極を提供することを目的とするものである。
[構 成] 本発明者は、上記課題を解決するため従来より研究を
重ねてきたが、集電体−活物質界面に金属酸化物被膜層
を有する電極構成が電池の放電電圧を改善する上で有効
であることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は導電性高分子材料を電極活物質と
する二次電池用電極において、電極が集電体金属、集電
体金属を溶出させない電解液を用いる電解陽極酸化によ
る集電体金属の酸化物被膜及び電極活物質からなること
を特徴とする電池用電極である。
本発明に使用する電極活物質としての導電性高分子材
料としては、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフ
ェン、ポリフェニレン、ポリカルバゾール、ポリアズレ
ン、ポリジフェニルベンジジンおよびこれらの誘導体な
どがあげられる。
本発明における酸化被膜層は数Å〜数1000Åの範囲で
形成される。数Å以下であると本発明の効果を十分に達
成することはできない。数1000Å以上であれば電池の内
部インピーダンスが高くなるという不具合が生じる。
本発明における集電体の材質としてはPt、Au、Cu、Z
n、Cr、Ni、Fe、Al、ステンレスこれらの合金、あるい
は炭素体、導電性ポリマー上に前記金属を積層したも
の、あるいはこれらの材料をポリエステルフィルムなど
のプラスチック基体上に積層、複合せしめたものが用い
られる。
本発明はこれら集電体上に金属酸化物被膜を形成せし
め、さらに活物質を密着成膜せしめたものである。本発
明はA1にA1の酸化被膜を形成せしめることによって特に
顕著な効果が得られた。
本発明の電極の製造法は、前記の電極構成を具現し得
る方法であればいずれの方法も採用し得るが、集電体金
属と活物質との密着性の観点からは以下の方法によるの
が好ましい。
すなわち、酸化被膜層を設けた集電体金属をヨウ素、
しゅう素、ヨウ化しゅう素などのハロゲン;五フッ化ヒ
素、五フッ化アンチモン、四フッ化ケイ素、五塩化リン
などの金属ハロゲン化物;硫酸、硝酸、フルオロ硫酸、
クロロ硫酸などのプロトン酸;三酸化イオウ、二酸化窒
素などの含酸素化合物;過硫酸ナトリウム、過硫酸カリ
ウム、過硫酸アンモニウムなどの過硫酸塩;過酸化水
素、過酢酸、ジフルオロスルホニルパーオキサイドなど
の過酸化物などで処理した後、導電性高分子単量体で処
理することにより該酸化被膜層上に化学酸化重合膜を形
成せしめる。次いで、支持電解質として陰イオンがヘキ
サフロロリン、ヘキサフロロヒ素、テトラフロロホウ素
などのハロゲン化物アニオン、過塩素酸アニオン、アル
キルベンゼンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、β−ナ
フタレンスルホン酸等のスルホン酸アニオン等を用い、
水又はアセトニトリル、ベンゾニトリル等の有機溶媒を
溶媒とする電解液中で前記化学酸化重合膜を陽極として
電解重合することにより該化学酸化重合膜上に電解酸化
重合膜を得る方法である。
集電体金属は酸化被膜形成が容易で安価なアルミニウ
ムが好ましい。又、電極面積を拡大するため表面を粗面
化して用いることも可能である。特にアルミニウムの場
合、酸を含む電解液中で直流又は交流電圧を印加するこ
とにより粗面化度や粗面化による穴の形状を制御できる
ので好適な金属である。
酸化被膜の形成は集電体金属を溶出させない電解液を
用いて陽極酸化することにより可能である。この方法に
よれば印加する電圧により酸化被膜の厚さを任意に制御
できるので好ましい方法である。
前記酸化剤による処理方法は、酸化剤をそのまま用い
るか、あるいは適当な溶媒に希釈し、塗布、含浸などの
方法で行う。さらに該処理は気相で行っても支障ない。
導電性高分子単量体による処理方法は前記酸化剤によ
る処理と同様にして行うことが可能である。すなわち、
導遠征高分子単量体をそのまま用いるかあるいは適当な
溶倍に希釈し、塗布、含浸などの方法で行う。さらに該
処理は気相で行うことも可能である。
酸化剤による処理、導電性高分子単量体による処理は
どちらを先に行ってもかまわない。
本発明の電池は、基本的には正極、負極および電解液
より構成され、電極間にセパレータを設けることもでき
る。電解液は、溶媒および電解質により構成されるか、
固体電解質を用いることも可能である。
本発明の電池は、少なくとも一方の電極が、アニオン
またはカチオンによってドープ、脱ドープすることによ
りエネルギーを蓄積放出するものである。また、本発明
の電池においては、このドープ−脱ドープが可逆的に行
われるので、二次電池として使用することができる。
これらのドーパントとしては、例えば以下の陰イオン
または陽イオンを例示することができ陽イオンをドープ
した高分子錯体はn型の導電性高分子を、陰イオンをド
ープした高分子錯体はp型の導電性高分子を与える。
陰イオン:PF6 -、SbF6 -、AsF6、SbCl6 -のようなV a族
の元素のハロゲン化物アニオン;BF4 -のようなIII a族の
元素のハロゲン化物アニオン;ClO4 -のような過塩素酸ア
ニオンなど。
陽イオン:Li+、Na+、K+のようなアルカリ金属イオ
ン、(R4N)[R:炭素数1〜20の炭化水素基]など 上記のドーパントを与える化合物の具体例としては、
LiPF6、LiSbF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiAsF6、LiClO4、N
aClO4、KI、KPF6、KSbF6、KAsF6、KClO4、[(n−Bu)
4N]・AsF6 -、[(n−Bu)4N]・ClO4 -、LiAlC
l4、LiBF4などが例示され、電解液あるいは固体電解質
の電解質として用いられる。
電池の電解液の溶媒としては、非プロント性溶媒で比
誘電率の大きい極性非プロトン性溶媒といわれるものが
好ましい。具体的には、例えばケトン類、ニトリル類、
エステル類、エーテル類、カーボネート類、ニトロ化合
物、スルホラン系化合物等、あるいはこれらの混合溶媒
を用いることができるが、これらのうちでもエチレンカ
ーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネー
ト類が好ましい、またさらにこれらのカーボネート類に
5〜40%の範囲でジメトキシエタン、THF、3メチルTHF
などのエーテル類、スルホラン、γ−ブチルラクトンを
添加することにより電池の充放電特性が改善できる。
本発明の電池における負極には、上述した高分子物質
の他に、Li、Zn、Cu、Ag、Alなどの金属を用いることも
できる。
セパレータとしては、電解質溶液のイオン移動に対し
て低抵抗であり、かつ、溶液保持性に優れたものが用い
られる。例えば、ガラス繊維フィルタ;ポリエステル、
テフロン、ポリフロン、ポリプロピレン等の高分子ポア
フィルタ、不織布;あるいはガラス繊維とこれらの高分
子からなる不織布等を用いることができる。
また、これら電解液、セパレータに代わる構成要素と
して固体電解質を用いることもできる。例えば、無機系
では、多孔質ガラス、AgCl、AgBr、AgI、LiIなどの金属
ハロゲン化物、RbAg4I5、RbAg4I4CNなどが挙げられる。
また、有機系では、ポリエチレンオキサイド、ポリプロ
ピレンオキサイド、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリ
ルアミドなどをポリマーマトリクスとして先に述べた電
解質塩をポリマーマトリクス中に溶解せしめた複合体、
あるいはこれらの架橋体、低分子量ポリエチレンオキサ
イド、クラウンエーテルなどのイオン解離基をポリマー
主鎖にグラフト化した高分子などが挙げられる。
以下に本発明の実施例を示す。
電極の製造例1 純度99.99%のアルミニウム箔(厚さ30μm)を塩酸
を含む電解液中で50V直流電圧を印加して粗面化した
(面積…平面箔の30倍)。次いでこのアルミニウム箔を
陽極とし、アジピン酸アンモニウム20g/水溶液を電解
液として2V印加することにより陽極酸化被膜(厚さ約30
Å)を形成した。次に過流酸アンモニウムの20g/水溶
液に陽極酸化被膜を形成したアルミニウム箔(以下単に
アルミニウム箔という)を5分間浸漬した後、ピロール
単量体の10g/エタノール溶液に浸漬してアルミニウム
箔表面に化学酸化重合ピロール膜を形成した。
パラトルエンスルホン酸0.2mol/及びピロール0.3mo
l/を含む電解液に前記処理したアルミニウム箔を浸漬
し、これを陽極とし、ステンレス板を陰極として0.5mA/
cm2の定電流で電解重合を行った結果、アルミニウム箔
表面に均一な濃緑色のポリピロール膜が形成された。
製造例2 陽極酸化:4V(被膜厚みca.60Å) 化学重合:ピロールを先に浸漬し、過硫酸アンモニウム
を後に浸漬、 電解重合:電解質として過塩素酸リチウムを使用 上記の条件以外は実施例1と同様にして電極を製造し
た。
製造例3 陽極酸化:15V(被膜厚みca 230Å)以外は製造例1と同
様にして電極を製造した。
製造例により作製したシート状導電性高分子電極を正
確に、リチウムシート(100μm)を負極に、電解液と
して3M LiBF4/DME(3)/PC(7)を用いて0.2mA/cm2
定電流で充放電を繰り返し30サイクル目の特性について
評価を行った。その結果を表1に示す。
電極製造例4 電極製造例1と同様にしてポリピロールを酸化重合し
た後、ポリアニリンを次の条件により重合した。
0.3Mのアニリンモノマーを含む5N塩酸水溶液中でSCE
に対し、9.5Vの定電位電解重合を行い約4c/cm2のポリア
ニリン膜を析出させ電極を作成した。
電極製造例5 電極製造例1と同様にしてポリアニリンを化学酸化重
合した後電極製造例4と同様の方法でポリアニリン膜を
析出させ電極を作成した。
[効 果] 以上の説明から明らかなように、本発明の酸化被膜を
有する新規な構成により放電電圧平坦性が改善され、こ
れを用いた電池は長寿命でエネルギー密度も増加する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の電極を用いた電池(実施例1)の充放
電曲線、第2図は比較例2の電池の充放電曲線。
フロントページの続き (72)発明者 加幡 利幸 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (72)発明者 河野 通之 群馬県渋川市半田2470番地 日本カーリ ット株式会社内 (72)発明者 伊佐 巧 群馬県渋川市半田2470番地 日本カーリ ット株式会社内 (72)発明者 福田 実 群馬県渋川市半田2470番地 日本カーリ ット株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−115777(JP,A) 特開 昭61−133557(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導電性高分子材料を電極活物質とする二次
    電池用電極において、電極が集電体金属、集電体金属を
    溶出させない電解液を用いる電解陽極酸化による集電体
    金属の酸化物被膜及び電極活物質からなることを特徴と
    する電池用電極。
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