JP3183280B2 - 電極および電池 - Google Patents
電極および電池Info
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Description
ニリンを電極活物質に用いた電池に関する。
に使用される電池である二次電池として、電池の軽量
化、高出力電池、長寿命電池、電池形状の多様化、フレ
キシブル電池などとして、活物質にポリマを用いたポリ
マーバッテリが知られている。
のとして、例えば特開昭63−36319号公報、特開
昭63−56521号公報、特開平1−144562号
公報および特開平2−638号公報に記載のように、非
水溶媒中でリチウム電池の正極として、導電性高分子で
ある図7の化学式で示すポリアニリンを用いている。こ
のポリアニリンは、表1に示すように、ポリアセチレ
ン、ポリ−p−フェニレン、ポリピロール、ポリフルラ
ン、ポリチオフェンに比べてドーピング率が高く、また
安定性に優れている。
ニリン・リチウム二次電池は、3.0Vの高い動作電
圧、69mAh/gの高い放電容量、1000サイクル
以上の良好なサイクル寿命、−15%/月の低い自己放
電率などの特性を有している。
カーボネートなどの非水溶媒を使用ているため、 1.パワー密度が低い 2.水分の進入を防ぐためにパッケージングが煩雑にな
る 3.電解液に含まれた水分の電気分解によりガス発生す
る という問題点がある。
えば特開平3−62451号公報に記載のように、電解
液に水系溶媒を用いた構成が知られている。
電池は、正極に有機ドーパントでドープしたポリアニリ
ン、負極に亜鉛、電解液に硫酸亜鉛を用いている。そし
て、正極に用いられているポリアニリンの非水溶媒中で
の酸化還元反応はドープ、脱ドープ反応であるために反
応速度が遅く、電池に用いたときにパワー密度が低くな
るという問題点を、電解液を水系の溶媒に変えること
で、ポリアニリンの酸化還元反応はプロトンの吸脱着反
応になり、反応速度が速く、パワー密度が高くなるとい
う効果が得られる。
ニリンは、上記表1に示すように、ドープ率が他のP型
導電性高分子に比べて、50%と高いが、反応率が低い
ために出現容量が低く、また水系の電解液を用いている
ために起電力が低くエネルギ密度も減少するという問題
がある。
もので、容量を大幅に向上する電極および電池を提供す
ることを目的とする。
活物質にポリビフェニルアニリンを含有し、ポリビフェ
ニルアニリンは、
ロキシ基、カルボキシ基、スルホン基、硫酸基、ニトロ
基、シアノ基、アルキル基、アリール基、アルコキシ
基、アリーロキシ基、アミノ基、アルキルチオ基、アリ
ールチオ基および複素環基のいずれか一つで、各Rは同
一の基に限られず、プロトンを解離する基のサイトが一
カ所の酸によりドーピングされたものである。請求項2
記載の電極は、請求項1記載の電極において、酸は、ド
ーパントサイズが小さいものである。請求項3記載の電
極は、請求項1または2記載の電極において、酸は、分
子量が小さいものである。請求項4記載の電極は、請求
項1ないし3のいずれか一に記載の電極において、酸
は、硫酸、塩酸、過塩素酸、ベンゼンスルホン酸、p−
トルエンスルホン酸、塩化ベンゼンスルホニル、ドデシ
ルベンゼンスルホン酸、メタンスルホン酸、トリフルオ
ロメタンスルホン酸、ブタンスルホン酸、トリクロロベ
ンゼンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、パーフルオ
ロブタンスルホン酸、パーフルオロオクタンスルホン酸
の少なくともいずれか一つである。請求項5記載の電池
は、請求項1ないし4のいずれか一に記載の電極を正極
電極としたものである。請求項6記載の電池は、請求項
5記載の電池において、ポリビフェニルアミンにドーピ
ングされる酸と同一の酸を電解質にした電解液を含有す
る電解質を備えたものである。
す電池の構成を図面を参照して説明する。
略断面図である。
コンピュータや携帯電話などの二次電池で、例えば導電
材料にてシート状に形成された一対の集電体1,1を有
している。そして、これら集電体1,1間には、電解質
としての電解液を含浸したシート状のセパレータ3を挟
持するシート状の正極電極2とシート状の負極電極4と
が設けられ、電池が積層形成されている。
で表されるポリビフェニルアニリンを電極活物質として
含有するものである。この図1に示す化学式で表される
ポリビフェニルアニリンは、Rが水素原子、ハロゲン原
子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン基、硫酸
基、ニトロ基、、シアノ基、アルキル基、アリール基、
アルコキシ基、アリーロキシ基、アミノ基、アルキルチ
オ基、アリールチオ基および複素環基のいずれか一つ
で、各Rは同一でも異なるものであってもよい。そし
て、この正極電極2は、例えば硫酸水溶液を用いて電気
化学的または化学的にドーピングされる。
酸、塩酸、過塩素酸、ベンゼンスルホン酸、P-トルエン
スルホン酸、塩化ベンゼンスルホニル、ドデシルベンゼ
ンスルホン酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタン
スルホン酸、ブタンスルホン酸、トリクロロベンゼンス
ルホン酸、ナフタレンスルホン酸、パーフルオロブタン
スルホン酸、パーフルオロオクタンスルホン酸などのプ
ロトンを解離する基のサイトが、一カ所の酸であるドー
パントでドーピングされたものである。
方法としては、例えば活物質材料としてのポリビフェニ
ルアニリンと導電性補助剤としての気相成長カーボンと
を重量比で4:1に混合した混合物にN−メチルピロリ
ドンを混合してスラリを調整する。次に、調整したスラ
リを、例えばホモジナイザで十分に攪拌し、ドクターブ
レードを用いて集電体1のシート上に成膜する。この成
膜後、例えば120℃〜160℃で1時間真空乾燥し、
ロールプレス機でプレスすることで電極膜厚を100μ
mにした。その後、それぞれを所定の形状に切断し、正
極電極2とした。
所定の形状に切断して形成される。なお、活物質として
は、亜鉛に限らず、高分子材料、低分子材料、無機材料
および金属材料などを用いてもよい。
硫酸亜鉛電解液が含浸されている。なお、電解液として
硫酸亜鉛水溶液を用いたが、これに限らず、酸水溶液、
中性水溶液、有機溶媒などを用いてもよい。また、電解
質として、硫酸亜鉛水溶液を含浸したセパレータ3に限
らず、固体電解質やゲル電解質でもよい。ここで、固体
電解質とは溶媒分子を全く含まない電解質で、ゲル電解
質とは固体電解質を溶媒である電解液で可塑化した溶媒
を含む電解質で、電解液とは電子伝導性がなく、電解質
を水や有機溶媒などの溶媒で溶かしてイオン伝導性を有
する液状にしたものをいう。
負極電極4とを硫酸亜鉛電解液に含浸したセパレータ3
を介して対向配置し、電池を形成する。
電(1C)を1.5Vまで行い、1mA/cm2の定電
流放電(1C)を行った。このときの理論容量は、正極
活物質重量当たり153Wh/kgとした。
示すように、得られた容量は、正極活物質重量当たり1
07Wh/kgで、容量出現率は70%と高い値が得ら
れた。なお、放電レートを10Cにしたとき、容量は4
5Wh/kgであった。また、サイクル特性は、初期容
量の80%になるまでのサイクル回数が1000回とな
った。さらに、容量保存特性は、25℃で30日後の容
量が60%となった。
して、例えばポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロ
ール、ポリアセチレン、ポリ−P−フェニレン、ポリフ
ルランなどの導電性高分子であるP型の高分子が考えら
れる。
ル性が低い点および自己放電が早い点を解決するP型導
電性高分子として、図7の化学式で示すポリアニリンが
考えられる。このポリアニリンは、表3に示すように、
他の導電性高分子、例えばポリアセチレン、ポリ−p−
フェニレン、ポリピロール、ポリフルラン、ポリチオフ
ェンに比べてドーピング率が高く、ポリアニリンの安定
性は他の導電性高分子に比べて最も優れている。
導電性高分子の中でドーピング率が唯一高いものの、酸
化還元に寄与する部分が20%程度と少ないことから、
容量出現率が低いという問題点がある。
ニリンを用い、上記実施の形態と同様に比較用の電池を
作製し、同様に電池の特性について実験した。すなわ
ち、電池に1mA/cm2〜10mA/cm2の定電流充
電(1C〜10C)を1.5Vまで行い、1mA/cm
2〜10mA/cm2の定電流放電(1C〜10C)を行
った。このときの理論容量は、正極活物質重量当たり1
08Wh/kgとした。
示すように、正極電極2の活物質としてポリアニリンを
用いた比較例1の電池の1C放電で得られた容量は、正
極活物質重量当たり26.4Wh/kgで、容量出現率
は25%となり、上記一実施の形態のものに比して低い
値となった。また、サイクル特性は初期容量の80%に
なるまでのサイクル回数が1000回で、容量保存特性
は25℃で30日後の容量が50%と低い値であった。
lectroanal.chem.,274(198
9)143−155で電解重合について報告されてい
る。また、特開平3−504872号公報では、芳香族
マルチスルホン酸をポリアニリン、そのナフチィルおよ
びビフェニル誘導体にドーピングした熱安定性の高い導
電性高分子の製造方法が報告されている。さらに、特開
平3−504872号公報で記載されている製造方法で
製造した高熱安定性ポリマは、導電性複合体、電子部
品、電気導体、電極、電池、スイッチ、電気シールド材
料、抵抗体、コンデンサなどの応用が記されている。
しも高熱安定性が必要でない。
を使用したとき、特開平3−62451号公報で報告さ
れているように、自己放電が早くなると言った報告があ
り、電池の電極としては好ましくない。
ドーパントに用いたときドーパントの分子量が大きいた
めに、電極活物質の重量当たりの容量が減少すると言っ
た問題点がある。したがって、ドーパントとしては、マ
ルチスルホン酸、例えばm−ベンゼンジスルホン酸、ナ
フタレンジスルホン酸、ナフタレントリスルホン酸、フ
ロシアニンテトラスルホン酸、ピレンジスルホン酸、ピ
レントリスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリスチ
レンスルホン酸、Nafion(商品名)などは好まし
くない。
験により、ポリアニリンの骨格にベンゼン環を導入した
ポリビフェニルアニリンに、プロトンを解離する基のサ
イトが一カ所の酸のドーパントをドープしたため、ドー
ピング率が50%から100%になるとともに、酸化還
元反応の反応性が20%から80%に向上し、出現容量
を向上できた。そして、化学的に安定でないためにサイ
クル性が低い点および自己放電が早い点については、こ
れらの問題点がない化学的安定で自己放電が少ないP型
導電性高分子のポリアニリンと構造が類似するポリビフ
ェニルアニリンを用いるため、同様に化学的に安定でサ
イクル性が高く、自己放電の遅い優れた特性が得られ
た。
極電極2の電極活物質として、ポリビフェニルアニリン
を用いたため、化学的に安定でサイクル性が高く、自己
放電の遅い優れた特性の電池が得られる。
ンを解離する基のサイトが一カ所の酸のドーパントをド
ープしたため、ドーピング率を増大できるとともに、酸
化還元反応の反応性を向上でき、出現容量を向上でき
る。
イズが小さい例えば硫酸、塩酸、過塩素酸などの無機
酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、塩
化ベンゼンスルホニル、ドデシルベンゼンスルホン酸、
メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ブ
タンスルホン酸、トリクロロベンゼンスルホン酸、ナフ
タレンスルホン酸、パーフルオロブタンスルホン酸、パ
ーフルオロオクタンスルホン酸の有機酸などを用いるこ
とにより、ポリビフェニルアニリンに対してドープ率が
高く、酸化還元反応を活性化することができる。
さいために重量当たりの容量を高くすることができる。
グが容易に行えるため、脱ドープして反応率が低下して
も充電時に電気化学的にドーピングが行われるので、低
下したドーピング率を元に戻すことが容易にでき、この
ためにサイクルにより容量の低下を低く抑えることがで
き、サイクル性の高い電池およびキャパシタの作製がで
きる。
る。
に示す一実施の形態の負極電極4の活物質として、高分
子活物質である図6の化学式に示すポリピリジンを用い
るとともに、セパレータ3の電解液として硫酸を用いた
ものである。
まず活物質材料としてのポリピリジンと導電性補助剤と
しての気相成長カーボンとを重量比1:1で混合した混
合物に蟻酸を加えてスラリを調整した。次に、このスラ
リをホモジナイザで十分に攪拌し、ドクターブレードを
用いて集電体1のシート上に成膜した。この成膜後、1
00℃〜140℃で1時間真空乾燥した後、ロールプレ
ス機でプレスすることで電極膜厚を100μmにした。
この後、それぞれを所定の形状に切断し、固体電解質で
あるNafon(商品名)を被覆して負極電極4を形成
した。
実施の形態と同様の正極電極2とを、電解液としての硫
酸水溶液を含浸したのを介して対向配置して電池を形成
する。
る。
/cm2の定電流充電(1C〜10C)を1.0Vまで
行い、1mA/cm2〜10mA/cm2の定電流放電
(1C〜10C)を行った。このときの理論容量は、正
極活物質重量当たり102Wh/kgとした。
示すように、得られた容量は、正極活物質重量当たり7
6.5Wh/kgで、容量出現率は75%と高い値が得
られた。なお、放電レートを10Cにしたとき、容量は
45Wh/kgであった。また、サイクル特性は、初期
容量の80%になるまでのサイクル回数が2000回と
なった。さらに、容量保存特性は、25℃で30日後の
容量が85%となった。
として多価スルホン酸であるナフタレンジスルホン酸を
用い、上記他の実施の形態と同様に比較用の電池を作製
し、同様に電池の特性について実験した。すなわち、電
池に1mA/cm2〜10mA/cm2の定電流充電(1
C〜10C)を1.0Vまで行い、1mA/cm2〜1
0mA/cm2の定電流放電(1C〜10C)を行っ
た。このときの理論容量は、正極活物質重量当たり5
9.2Wh/kgとした。
示すように、正極電極2の活物質のドーパントとして多
価スルホン酸であるナフタレンジスルホン酸を用いた比
較例2の電池の1C放電で得られた容量は、正極活物質
重量当たり23Wh/kgで、容量出現率は40%とな
り、上記他の実施の形態のものに比して低い値となっ
た。また、サイクル特性は初期容量の80%になるまで
のサイクル回数が800回で、容量保存特性は25℃で
30日後の容量が20%と低い値であった。
実施の形態では、図1から図5までに示す一実施の形態
と同様に、正極電極2の電極活物質として、プロトンを
解離する基のサイトが一カ所の酸のドーパントをドープ
したポリビフェニルアニリンを用いたため、化学的に安
定でサイクル性が高く、自己放電が遅いとともに、ドー
ピング率を増大でき、酸化還元反応の反応性を向上で
き、出現容量を向上できる優れた特性の電池が得られ
る。
とで電解液のpHを減少でき、ポリビフェニルアミンの
反応率を増大でき、大容量の放電が可能になる効果を得
ることができる。
明する。
ら図5までに示す一実施の形態の正極電極2のドーパン
トとして、トリフルオロメタンスルホン酸を用いたもの
である。
10mA/cm2の定電流充電(1C〜10C)を1.
0Vまで行い、1mA/cm2〜10mA/cm2の定電
流放電(1C〜10C)を行った。このときの理論容量
は、正極活物質重量当たり85.6Wh/kgとした。
示すように、得られた容量は、正極活物質重量当たり8
1Wh/kgで、容量出現率は95%と高い値が得られ
た。なお、放電レートを10Cにしたとき、容量は60
Wh/kgであった。また、サイクル特性は、初期容量
の80%になるまでのサイクル回数が1500回となっ
た。さらに、容量保存特性は、25℃で30日後の容量
が70%となった。
として、図9の化学式で示す高分子スルホン酸であるポ
リビニルスルホン酸を用い、上記さらに他の実施の形態
と同様に比較用の電池を作製し、同様に電池の特性につ
いて実験した。すなわち、電池に1mA/cm2〜10
mA/cm2の定電流充電(1C〜10C)を1.0V
まで行い、1mA/cm2〜10mA/cm2の定電流放
電(1C〜10C)を行った。このときの理論容量は、
正極活物質重量当たり98.2Wh/kgとした。
示すように、正極電極2の活物質のドーパントとして高
分子スルホン酸であるポリビニルスルホン酸を用いた比
較例3の電池の1C放電で得られた容量は、正極活物質
重量当たり19.6Wh/kgで、容量出現率は20%
となり、上記実施例3であるさらに他の実施の形態のも
のに比して低い値となった。また、サイクル特性は初期
容量の80%になるまでのサイクル回数が500回で、
容量保存特性は25℃で30日後の容量が10%と低い
値であった。
でに示す一実施の形態と同様に、正極電極2の電極活物
質として、プロトンを解離する基のサイトが一カ所の酸
のドーパントをドープしたポリビフェニルアニリンを用
いたため、化学的に安定でサイクル性が高く、自己放電
が遅いとともに、ドーピング率を増大でき、酸化還元反
応の反応性を向上でき、出現容量を向上できる優れた特
性の電池が得られる。
トをトリフルオロメタンスルホン酸としたため、ポリビ
フェニルアニリンの反応率を向上でき、活物質重量当た
りの容量を増大させる効果を得ることができる。
として、ポリビフェニルアニリンを用いたため、化学的
に安定でサイクル性が高く、自己放電の遅い優れた特性
の電池が得られる。
ンを解離する基のサイトが一カ所の酸のドーパントをド
ープしたため、ドーピング率を増大できるとともに、酸
化還元反応の反応性を向上でき、出現容量を向上でき
る。
さいものを用いるため、ポリビフェニルアニリンに対し
てドープ率が高く、酸化還元反応を活性化することがで
きる。
いるため、重量当たりの容量を高くすることができる。
酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、塩
化ベンゼンスルホニル、ドデシルベンゼンスルホン酸、
メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ブ
タンスルホン酸、トリクロロベンゼンスルホン酸、ナフ
タレンスルホン酸、パーフルオロブタンスルホン酸、パ
ーフルオロオクタンスルホン酸の少なくともいずれか一
つを用いるため、ドーパントサイズが小さく、分子量が
小さいため、ポリビフェニルアニリンに対して容易にド
ープ率を高く、酸化還元反応を活性化することができ
る。
ポリビフェニルアニリンの化学式である。
リピリジンの化学式である。
化学式である。
Claims (6)
- 【請求項1】 活物質にポリビフェニルアニリンを含有
し、前記ポリビフェニルアニリンは、 【図1】 の化学式で表され、Rは水素原子、ハロゲン原子、ヒド
ロキシ基、カルボキシ基、スルホン基、硫酸基、ニトロ
基、シアノ基、アルキル基、アリール基、アルコキシ
基、アリーロキシ基、アミノ基、アルキルチオ基、アリ
ールチオ基および複素環基のいずれか一つで、各Rは同
一の基に限られず、 プロトンを解離する基のサイトが一カ所の酸によりドー
ピングされた ことを特徴とした電極。 - 【請求項2】 酸は、ドーパントサイズが小さいもので
あることを特徴とした請求項1記載の電極。 - 【請求項3】 酸は、分子量が小さいものであることを
特徴とした請求項1または2記載の電極。 - 【請求項4】 酸は、硫酸、塩酸、過塩素酸、ベンゼン
スルホン酸、p−トルエンスルホン酸、塩化ベンゼンス
ルホニル、ドデシルベンゼンスルホン酸、メタンスルホ
ン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ブタンスルホン
酸、トリクロロベンゼンスルホン酸、ナフタレンスルホ
ン酸、パーフルオロブタンスルホン酸、パーフルオロオ
クタンスルホン酸の少なくともいずれか一つであること
を特徴とした請求項1ないし3のいずれか一に記載の電
極。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれか一に記載の
電極を正極電極としたことを特徴とした電池。 - 【請求項6】 ポリビフェニルアミンにドーピングされ
る酸と同一の酸を電解質にした電解液を含有する電解質
を備えたことを特徴とした請求項5記載の電池。
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