JP2644765B2 - 蓄電池用正極 - Google Patents

蓄電池用正極

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Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は、蓄電池用正極に関する。
[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の研
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
導電性ないし半導体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、これら電池を実装する上で解決しなけ
ればならない問題も多く、電極活物質からの集電は大き
な課題である。
ところで、本発明者らは先に穿孔のあるホイル状集電
体を用いることにより高信頼性のシート状ポリマー電極
の開発に成功した。また芳香族電解質により電解重合し
たポリマーがポリマー電池の集電体として優れているこ
とを見出した。かくして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、集電材質がポリ
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、集電材質が負荷時の電圧平坦性を左右す
るという事実である。
集電材料は従来、活物質の担体、活物質の電気伝導を
補う高導電体が選ばれ、例えば筒形電池では炭素棒、コ
イン電池では活物質中に炭素粉体が含有されると同時に
外装ワクのステンレス罐が集電体として機能している。
ポリマー電池についても各種の金属、炭素体が集電体と
して検討されているが、従来の技術を越えるものではな
く、特に高分子活物質の集電体への配慮は電蓄特性とい
う点からほとんどなされていないのが実情である。
[目 的] 本発明は上記のような事情に鑑み、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、集電体材料としてポリマーの酸化電位よ
り低い酸化還元電位を有する金属を用いることにより放
電電圧の平坦性が改善できることを見出し、さらにこの
ような集電体材料として表面の酸化膜を除去したアルミ
ニウムを選択し、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に用いた
蓄電池において、正極集電体として表面の酸化皮膜を除
去したアルミニウム基板を用いることを特徴とする蓄電
池用正極である。
上記のように本発明の蓄電池用正極は、高分子材料を
電極活物質として用いるものであるが、このような高分
子材料は、化学酸化重合又は電解重合により得ることが
できる。特に活物質と集電体の接合は、電解重合法によ
り充分な密着、複合化が可能となるため集電体への直接
電解重合が好ましい。
この電解重合方法は、一般には例えば、J.Electroche
m.Soc.,Vol.130,No.7,1506〜1509(1983)、Electoche
m.Acta.,Vol.27,No.1,61〜65(1982)、J.Chem.Soc.,Ch
em.Commun.,1199〜(1984)などに示されているが、単
量体と電解質とを溶媒に溶解した液を所定の電解槽に入
れ、電極を浸漬し、陽極酸化あるいは陰極還元による電
解重合反応を起こさせることによって行うことができ
る。
単量体としてはピロール、アニリン、チオフェン、ベ
ンゼン、トリフェニルアミン、ジフェニルベンジジン、
カルバゾールあるいはこれら誘導体を例示することがで
きるが、特にこれらに限定されるものではない。
電解質としては、例えばアニオンとして、BF4 -、AsF6
-、SbF6 -、PF6 -、ClO4 -、HSO4 -、SO4 2-および芳香族ス
ルホン酸アニオンが、また、カチオンとしてH+、4級ア
ンモニウムカチオン、リチウム、ナトリウムまたはカリ
ウムなどを例示することができるが、特にこれらに限定
されるものではない。
また、溶媒としては、例えば、水、アセトニトリル、
ベンゾニトリル、プロピレンカーボネイト、γ−ブチロ
ラクトン、ジクロルメタン、ジオキサン、ジメチルホル
ムアミド、あるいはニトロメタン、ニトロエタン、ニト
ロプロパン、ニトロベンゼンなどのニトロ系溶媒などを
挙げることができるが、特にこれらに限定されるもので
はない。
電解重合時の電極を構成する材料としては、本発明に
おいては、作用極として非晶質炭素体、Au、Pt、Ni、A
l、ステンレス、Fe、Cu等の金属を、SnO2、In2O3等の金
属酸化物、炭素これらの複合電極あるいはコーティング
電極などを挙げることができるが、直接集電体上に重合
する場合には活物質に対して卑な電位の金属が選択され
る。また、対極としても同様の電極を用いることができ
る。
電解重合は、定電圧電解、定電流電解、定電位電解の
いずれもが可能であるが、定電流電解および定電位電解
が適しており、特に量産性の面からは定電流電解が好ま
しい。
本発明の電池は、基本的には正極、負荷および電解液
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が、
固体電解質を用いることも可能である。
本発明の電池は、電極がアニオンまたはカチオンによ
ってドープされてエネルギーを貯え、脱ドープによって
外部回路を通してエネルギーを放出するものであり、少
くとも正極が高分子活物質電極より構成される。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。p
型材料は正極に、n型材料は負極に用いることができ
る。
陰イオン:PF6 -、SbF6 -、AsF6 -、SbCl6 -のようなVa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、LiCF3SO3、LiAsF6、LiClO4、NaClO4、K
I、KPF6、KSbF6、KASF6、KClO4、[(n−Bu)4N]
AsF6 -、[(n−Bu)4N]・ClO4 -、LiAlCl4、LiBF4
どが例示される。
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ント性溶媒といわれるものが
好ましい。具体的には、たとえばケトン類、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、これらのうちでもニトリ
ル類、カーボネート類、スルホラン系化合物が好まし
い。また、これらの化合物にエーテル系化合物を40%以
下の範囲内で混合することにより電池の内部抵抗、自己
放電等を改善することができる。電解液の溶媒として
は、たとえばアセトニトリル、プロピオニトリル、ブチ
ロニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、エチレ
ンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチル
ラクトン、スルホラン、3−メチルスルホラン等を挙げ
ることができる。
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、Li−Al合金、ウッド合
金、Al−Li積層体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、AgCl、AgBr、AgI、LiIなどの金属ハロゲン化物、
RbAg4I5、RbAg4I4CN、多孔質イオン伝導性ガラスなどが
挙げられる。また、有機系では、ポリエチレンイミン、
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、ポリアクリルニトリルなどをポ
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、さらに溶媒を含む
3成分系複合体、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、ポリエチレンイミン、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
化した高分子電解質が挙げられる。
本発明においては、集電体材料として高分子電極活物
質の酸化電位より低い酸化還元電位を有するものを使用
するものであるが、特に電位の差がドープされた高分子
活物質の電位に対して1.0V以上卑な電位であることが好
ましい。この集電体材料の選択により電池特性を改善す
ることができる。好ましくはアルミニウムが広範囲の材
料について特に優れた性質を示す。
たとえば、ポリピロール/Al電極では従来の白金電極
にくらべて、放電終了電圧が20%も高くなることが確認
された。
正極としてポリピロールを例にとると、その酸化電位
はSCEに対して−0.2Vであるから、集電体材質としては
アルミニウムが用いられる。アルミニウムの酸化電位は
−1.9Vで大きな電位差がとれるため、集電材料として良
好である。集電方法としては、ポリピロールフィルム又
はペレットを調製した後、Alを蒸着あるいは圧着接触す
るかAl基板上に直接合成する方法がある。特にAlの場
合、蒸着膜は酸化されやすく、空気中では不安定であ
る。また直接重合する方法においては通常Al基板表面に
酸化被膜が存在するため十分な特性を得ることはできな
い。
直接重合する方法としてFeCl3などの酸化剤により化
学重合する他に先に述べた電解重合法があるが、この場
合には特にAl基板を電極として直接電解重合しようとす
ると表面の酸化被膜を除去するか、表面の酸化被膜を数
十Å以下にする必要がある。
本発明においては不活性ガス雰囲気中でアルミニウム
表面をエメリー紙により研磨するか、酸による溶解処理
又は酸中における電解研磨を行い本電極を電解重合用電
極として電解酸化重合を行う。
電解重合法により膜状物として得られるポリマー、例
えば、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリアニリ
ン、ポリ3−メチルチオフェン、ポリジフェニルペンジ
ジン、ポリアズレンなどは、良質のフィルムとして薄型
電池の活物質に優れている。
これらの活物質の酸化電位により適宜集電材料を選択
することにより本発明の電極とすることができる。表1
に活物質と集電体の最適組み合わせを示す。
以下に実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明す
る。
実施例1 100μm厚のアルミニウムをArガス雰囲気下でエメリ
ー紙により研磨し、これを作用極として次のように電解
重合を行った。0.1Mパラトルエンスルホン酸/0.2Mピロ
ール/アセトニトリル重合液を調整し、対極にPt板、標
準極としてSCEを用いて、定電位+1.0Vv.s.SCEで電解重
合を行った。
比較例1 実施例1における作用極をNiにした他は実施例と同様
にしてポリピロール電極を作成した。
次にポリピロール電極を正極にリチウムシート(100
μm)を負極に電解液として3MLiBF4/DME(3)/PC
(7)を用いて0.1mA/cm2で定電流充放電を行った。
その結果を第1図(実施例)、第2図(比較例)に示
す。いずれも、厚み30μmの粗面化、穿孔を施したアル
ミ箔上に1mg/cm2のポリピロール活物質が複合化された
電極について0.2mAの定電流で充放電をくり返したとき
の30回サイクル目の充放電特性である。放電電圧平坦性
が確認される。
同様にして作成した電極活物質と集電体の組み合わせ
について表2に示す。特に、ポリピロールにおいて効果
は顕著である。
[効果] 以上の説明から明らかなように、本発明の構成によれ
ば、放電時電圧平坦性に優れ、エネルギー密度の高い電
極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例1の電極を用いた電池の、また第2図は
比較例1の電極を用いた電池のそれぞれ充放電特性を示
す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米山 祥子 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (56)参考文献 特開 昭62−226565(JP,A) 特開 昭59−12576(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に用いた蓄電池に
    おいて、正極集電体として表面の酸化皮膜を除去したア
    ルミニウム基板を用いることを特徴とする蓄電池用正
    極。
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JPS62226565A (ja) * 1986-03-27 1987-10-05 Nippon Denso Co Ltd 有機電池の製造方法
JPH01221860A (ja) * 1988-02-29 1989-09-05 Elna Co Ltd 二次電池

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