JP3246596B2 - Rechargeable battery - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は二次電池に関し、よ
り詳細には充放電の繰り返しによって発生するリチウム
又は亜鉛のデンドライト(樹枝状)成長を抑えた二次電
池に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a secondary battery in which dendritic (dendritic) growth of lithium or zinc generated by repeated charge and discharge is suppressed.
【0002】[0002]
【従来の技術】最近、大気中に含まれるCO2 ガス量が
増加しつつある為、温室効果により地球の温暖化が生じ
ると予測されている。火力発電所は化石燃料などを燃焼
させて得られる熱エネルギーを電気エネルギーに変換し
ているが、燃焼によりCO2 ガスを多量に排出するた
め、新たな火力発電所は、建設することが難しくなって
来ている。したがって、火力発電所などの発電機にて作
られた電力の有効利用として、余剰電力である夜間電力
を一般家庭に設置した二次電池に蓄えて、これを電力消
費量が多い昼間に使用して負荷を平準化する、いわゆる
ロードレベリングが提案されている。2. Description of the Related Art Recently, the amount of CO 2 gas contained in the atmosphere is increasing, and it is predicted that the greenhouse effect will cause global warming. Thermal power plants convert thermal energy obtained by burning fossil fuels and the like into electrical energy, but burning large amounts of CO 2 gas makes new thermal power plants difficult to construct. Are coming. Therefore, as an effective use of electric power generated by generators such as thermal power plants, surplus electric power at night is stored in secondary batteries installed in ordinary households and used during the daytime when power consumption is high. In other words, a so-called load leveling in which the load is leveled has been proposed.
【0003】また、COx、NOX,CHなどを含む大気
汚染物質を排出しないという特徴を有する電気自動車の
用途では、高エネルギー密度の二次電池の開発が期待さ
れている。さらに、ブック型パーソナルコンピュータ
ー、ワードプロセッサー、ビデオカメラ及び携帯電話な
どのポータブル機器の電源用途では、小型・軽量で高性
能な二次電池の開発が急務になっている。[0003] In addition, development of a secondary battery having a high energy density is expected for electric vehicles which are characterized in that they do not emit air pollutants including CO x , NO x , CH and the like. Furthermore, for the power supply of portable devices such as book-type personal computers, word processors, video cameras, and mobile phones, there is an urgent need to develop small, lightweight, and high-performance secondary batteries.
【0004】上記小型・軽量で高性能の二次電池として
は、例えば、充電時の反応でリチウムイオンをデインタ
ーカレートするリチウムインターカレーション化合物を
正極物質に、リチウムイオンを炭素原子で形成される六
員環網状平面の層間にインターカレートできる、グラフ
ァイトに代表されるカーボン材料を負極物質に用いたロ
ッキングチェアー型のいわゆる“リチウムイオン電池”
の開発が進み、一部実用化されている。The above-mentioned small, lightweight and high-performance secondary battery is formed, for example, by using a lithium intercalation compound which deintercalates lithium ions by a reaction during charging as a positive electrode material and lithium ions as carbon atoms. A rocking chair type “lithium-ion battery” using a carbon material typified by graphite as the negative electrode material, which can be intercalated between layers of a six-membered ring network plane
Has been developed and some have been put to practical use.
【0005】しかし、上述した“リチウムイオン電池”
では、カーボン材料で構成された負極は、理論的にはC
原子あたり最大1/6のリチウム原子しかインターカレ
ートできないため、例えば金属リチウムを負極物質に使
用したときのリチウム一次電池に匹敵する高エネルギー
密度の二次電池は実現できない。仮に充電時に負極のカ
ーボンの層間に挿入できるリチウム量以上のリチウムを
貯蔵しようとするとカーボンの表面に金属リチウムがデ
ンドライト成長して、短絡の原因となるので、層間に挿
入できるリチウム量以上を貯蔵した高容量の二次電池は
実現できていない。However, the above-mentioned "lithium ion battery"
Then, the negative electrode composed of carbon material is theoretically C
Since only a maximum of 1/6 lithium atoms can be intercalated per atom, a secondary battery having a high energy density comparable to a lithium primary battery when, for example, metallic lithium is used for the negative electrode material cannot be realized. If it is attempted to store more lithium than the amount of lithium that can be inserted between the carbon layers of the negative electrode during charging, metallic lithium grows on the surface of the carbon in dendrite and causes a short circuit, so the amount of lithium that can be inserted between the layers was stored. High capacity secondary batteries have not been realized.
【0006】一方、リチウム金属を負極に用いる高容量
のリチウム電池では、充放電の繰り返しによって、短絡
の主原因になるリチウムのデンドライトが発生し易く、
このリチウムのデンドライト成長を抑えることが容易で
はなく、リチウム電池の二次電池化を難しくしている。On the other hand, in a high-capacity lithium battery using lithium metal as a negative electrode, repetition of charge and discharge tends to generate lithium dendrite, which is a main cause of a short circuit.
It is not easy to suppress the dendrite growth of lithium, which makes it difficult to make a lithium battery a secondary battery.
【0007】また、充電時にリチウム金属が析出する、
リチウム金属やアルミニウムなどの金属を負極に用いた
リチウム二次電池も高エネルギー密度が期待できるので
研究されているが実用領域までの寿命を有したものは実
用化されていない。In addition, lithium metal precipitates during charging,
A lithium secondary battery using a metal such as lithium metal or aluminum for the negative electrode can be expected to have a high energy density, and has been studied, but a battery having a lifespan up to a practical area has not been put into practical use.
【0008】負極にカーボンを用いた二次電池でも、負
極に充電時にリチウム金属が析出する負極を用いた二次
電池でも、リチウムのデンドライトが成長して、負極と
正極が短絡状態になった場合には、電池の持つエネルギ
ーが短時間で消費されることによって発熱し、電解液の
溶媒が分解しガスを発生することによって内圧が高ま
り、仕舞には電池を破損してしまう場合がある。この対
策として、上記リチウムイオン電池をも含めたリチウム
二次電池(以下ではリチウムイオンの酸化還元反応を利
用した二次電池を総称して以下リチウム二次電池と呼ぶ
ことにする)の安全性確保のために、正極、負極間のセ
パレーターに融点が120℃〜170℃のポリエチレン
やポリプロピレンの多孔性フィルムを使用し、電池が何
らかの原因で短絡して内部温度が材料の融点まで上昇す
るとセパレーターが融けて孔がふさがり負極と正極を電
気的に絶縁して電池反応が停止する仕組みが試みられて
いる。しかし、万が一の安全対策にはなってはいるが、
リチウム二次電池における負極の寿命を飛躍的に伸ばす
決定的な方法となり得ていない。In both the secondary battery using carbon as the negative electrode and the secondary battery using the negative electrode on which lithium metal precipitates when charged, lithium dendrite grows and the negative electrode and the positive electrode are short-circuited. In some cases, heat is generated by consuming the energy of the battery in a short time, the solvent of the electrolyte is decomposed and gas is generated, the internal pressure is increased, and the battery may be damaged in some cases. As a countermeasure, ensuring the safety of lithium secondary batteries including the above-mentioned lithium ion batteries (hereinafter, secondary batteries utilizing the oxidation-reduction reaction of lithium ions are collectively referred to as lithium secondary batteries) For this purpose, a porous film of polyethylene or polypropylene with a melting point of 120 ° C to 170 ° C is used for the separator between the positive electrode and the negative electrode. If the battery short-circuits for some reason and the internal temperature rises to the melting point of the material, the separator will melt. A mechanism has been attempted in which the pores are closed and the negative electrode and the positive electrode are electrically insulated to stop the battery reaction. However, although it is a safety measure,
It has not been a definitive method for dramatically extending the life of the negative electrode in a lithium secondary battery.
【0009】また、上述した有機ポリマーからなる多孔
性フィルムをセパレーターとして用いたリチウム二次電
池では電池の温度が120℃以上の高温にならないと機
能しないこと、一旦溶融して孔のふさがったセパレータ
では温度が下がっても正極、負極間の絶縁状態が残り電
池の性能は回復しない。このことから、電池の高容量化
が実現でき、かつ充電時にリチウムのデンドライト成長
を抑え、サイクル寿命も伸ばすことができる手段の開発
が望まれている。In addition, a lithium secondary battery using a porous film made of the above-mentioned organic polymer as a separator does not function unless the battery temperature reaches a high temperature of 120 ° C. or higher. Even if the temperature decreases, the insulation state between the positive electrode and the negative electrode remains, and the performance of the battery does not recover. For this reason, it is desired to develop means capable of realizing a high capacity battery, suppressing the dendrite growth of lithium during charging, and extending the cycle life.
【0010】また、ニッケル亜鉛電池、空気亜鉛電池か
らなる二次電池においても、リチウム二次電池と同様に
充放電の繰り返しによって、亜鉛のデンドライトが発生
し、セパレータを貫通して、亜鉛負極と正極が短絡して
しまうため、サイクル寿命が短いという上述したリチウ
ム二次電池と同様な問題があった。したがって、リチウ
ム二次電池や亜鉛二次電池では、高容量化でき十分なサ
イクル寿命が得られるものが強く望まれている。[0010] Also, in a secondary battery composed of a nickel zinc battery and an air zinc battery, zinc dendrites are generated by repetition of charge / discharge similarly to the lithium secondary battery, and penetrate the separator to form a zinc negative electrode and a positive electrode. However, there is a problem similar to that of the above-described lithium secondary battery that the cycle life is short because of the short circuit. Therefore, there is a strong demand for lithium secondary batteries and zinc secondary batteries that have a high capacity and a sufficient cycle life.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑みてなされたものであり、負極活物質がリチウム又
は亜鉛である二次電池において、サイクル寿命が長く、
且つ高エネルギー密度の二次電池を提供することを目的
とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has a long cycle life in a secondary battery in which the negative electrode active material is lithium or zinc.
Another object is to provide a secondary battery having a high energy density.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明の二次電池は、負
極と、正極と、該正極及び負極間において、電解質と、
電池反応に関与するイオンが移動可能であり環境に応じ
て変動可能な孔径の連通孔を有する層と、これらを収容
する電池ハウジングとを有することを特徴とする二次電
池である。尚、“電池反応に関与するイオン”とは、二
次電池の充放電反応において、酸化・還元を受け、かか
る反応に関与するイオンである。The secondary battery of the present invention comprises a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.
A secondary battery includes a layer having communication holes having pore diameters in which ions involved in a battery reaction can move and can vary according to the environment, and a battery housing for accommodating them. The “ion involved in the battery reaction” is an ion that undergoes oxidation / reduction in the charge / discharge reaction of the secondary battery and participates in the reaction.
【0013】本発明の二次電池は、正極及び負極間に介
在する層において、電池反応に関与するイオンが移動可
能であり環境に応じて変動可能な径(幅)を有し、正極
及び負極間に通ずる連通孔(貫通孔)が存在する点で特
徴的である。ここで“連通孔”とは二次電池における正
極、負極間を連通する孔であり、電池反応に関与するイ
オンが当該連通孔をとおして正極負極間を移動する通路
となり得るものである。かかる連通孔は、特に上記正
極、負極間のそれが存在する位置近傍に於ける電圧及び
温度の変化に応じてその径(幅)が変動し、当該連通孔
での正極及び負極間の抵抗を変化させる。例えば、電池
反応において、一連通孔の周辺において電圧が局部的に
高く、及び/又は温度が高い場合においては、当該連通
孔の幅が狭くなるように変化し、当該連通孔付近におけ
る抵抗が高くなり、電池反応の進行が抑えられる。[0013] The secondary battery according to the present invention has a diameter (width) that allows ions involved in a battery reaction to move in a layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and that can vary according to the environment. It is characteristic in that there is a communication hole (through hole) communicating there between. Here, the “communication hole” is a hole communicating between the positive electrode and the negative electrode in the secondary battery, and can be a passage through which the ions involved in the battery reaction move between the positive electrode and the negative electrode through the communication hole. In particular, the diameter (width) of the communication hole varies in accordance with a change in voltage and temperature in the vicinity of the position where the electrode exists between the positive electrode and the negative electrode, and the resistance between the positive electrode and the negative electrode in the communication hole decreases. Change. For example, in a battery reaction, when the voltage is locally high around the series communication hole and / or when the temperature is high, the width of the communication hole changes so as to be narrow, and the resistance near the communication hole becomes high. And the progress of the battery reaction is suppressed.
【0014】二次電池の充電反応では、正極及び負極が
表面形状や組成に関して不均一に形成されている等の影
響により、正極及び負極間で局所的に高電界が生じ、局
所的に温度が上昇し、反応が過度に進行し、電池の構成
材料及び反応機構によっては、前述したような負極活物
質デンドライト状に成長したり電解質の分解が生じたり
することがある。ひいてはこのような箇所で正極及び負
極間の短絡に至る可能性が強くなる。従って、電池の正
極、負極間の領域を、上記高電界又は温度上昇が生じる
箇所の近傍での抵抗が上昇するように幅が変動する連通
孔から構成するようにすることで、電池反応の進行の抑
制に伴い、短絡が防止される。In the charging reaction of a secondary battery, a high electric field is locally generated between the positive electrode and the negative electrode due to the non-uniformity of the surface shape and composition of the positive electrode and the negative electrode, and the temperature is locally reduced. As a result, the reaction proceeds excessively, and depending on the constituent materials of the battery and the reaction mechanism, the anode active material may grow into a dendrite shape or the electrolyte may be decomposed as described above. Eventually, the possibility of a short circuit between the positive electrode and the negative electrode at such a location increases. Therefore, by forming the region between the positive electrode and the negative electrode of the battery from a communication hole whose width varies so that the resistance increases near the place where the high electric field or the temperature rises, the battery reaction proceeds. With the suppression of the short circuit, the short circuit is prevented.
【0015】本発明の二次電池は、高エネルギー密度が
期待できる電池であって上述したデンドライト成長が抑
制されるものであり、好ましくは充電時の負極において
少なくともリチウム元素を含むもの(リチウム二次電
池)あるいは少なくとも亜鉛元素を含むもの(亜鉛二次
電池)として用いる。The secondary battery of the present invention is a battery that can be expected to have a high energy density and suppresses the dendrite growth described above. Preferably, the secondary battery contains at least a lithium element in the negative electrode during charging (lithium secondary battery). Battery) or a battery containing at least zinc element (zinc secondary battery).
【0016】本発明の二次電池においては、前記正極及
び負極間の層が、細孔を有し、電界強度が周囲より高い
箇所で、その細孔径が減少する高分子膜、または細孔を
有し、周囲より温度上昇が大きい箇所で、その細孔径が
減少する高分子膜からなるものが好ましい。In the secondary battery according to the present invention, the layer between the positive electrode and the negative electrode has pores, and a polymer film or pores whose pore diameters are reduced at locations where the electric field strength is higher than the surroundings. It is preferable to use a polymer film having a polymer film whose pore diameter decreases at a location where the temperature rise is larger than that of the surroundings.
【0017】上記の高分子膜が少なくとも高分子液晶ま
たは高分子と液晶の複合体から構成されているのが好ま
しい。そして、その高分子膜の液晶部が、電圧が印加さ
れていない休止時には負極平面に垂直配向か若しくは傾
斜配向しており、活物質のデンドライト成長の起こりや
すい箇所で充電時に局部的に高電界が印加されるか及び
/又は温度上昇が起こると、負極平面に平行配向か若し
くは無秩序(ランダム)に配向し、細孔部の負極平面方
向の長さ(細孔径)を減少させることが好ましい。高分
子膜の高分子液晶または液晶が、少なくとも負の誘電異
方性を有する液晶から構成されているのが好ましい。It is preferable that the polymer film is composed of at least a polymer liquid crystal or a composite of a polymer and a liquid crystal. When the liquid crystal part of the polymer film is at rest when no voltage is applied, the liquid crystal part is oriented vertically or obliquely to the negative electrode plane, and a high electric field is locally generated during charging in a place where dendrite growth of the active material is likely to occur. When the voltage is applied and / or the temperature rises, it is preferable that the orientation is parallel or random (random) to the negative electrode plane, and the length of the pores in the negative electrode plane direction (pore diameter) is reduced. It is preferable that the polymer liquid crystal or the liquid crystal of the polymer film is composed of a liquid crystal having at least negative dielectric anisotropy.
【0018】また、上記の高分子膜が、少なくとも高分
子ゲルから構成されているのが好ましい。Further, it is preferable that the above-mentioned polymer film is made of at least a polymer gel.
【0019】本発明者は、負極に金属リチウムやアルミ
ニウムやカーボン材料を用いた、リチウム二次電池の充
電時に、リチウムのデンドライトの成長が起こる箇所や
条件を綿密に調査したところ、リチウムのデンドライト
(樹枝状)成長し易い箇所は負極表面の突起部などの電
界強度が高い箇所であり、大きな電流が流れて発熱して
いることを見いだした。負極に亜鉛を用いたニッケル亜
鉛二次電池、空気亜鉛電池においても同様な所見が得ら
れた。この知見に基づいて、選択的に上記箇所の抵抗を
高めることを見出し、充電時にリチウムや亜鉛のデンド
ライト成長が抑制されることを確認したものである。The inventor of the present invention has carefully investigated the locations and conditions under which lithium dendrite growth occurs during charging of a lithium secondary battery using metallic lithium, aluminum, or a carbon material for the negative electrode. It was found that a portion where dendrite growth was easy was a portion where the electric field strength was high, such as a projection on the negative electrode surface, and a large current flowed to generate heat. Similar findings were obtained in nickel zinc secondary batteries and zinc zinc batteries using zinc as the negative electrode. Based on this finding, they found that the resistance of the above-mentioned portions was selectively increased, and confirmed that dendrite growth of lithium and zinc was suppressed during charging.
【0020】本発明の二次電池では、負極活物質がリチ
ウムあるいは亜鉛の二次電池において、負極表面の突起
部などの電界強度が高い箇所及び/又は局所的に温度上
昇が激しい個所で、負極正極間の連通孔の孔径が狭くな
るような連通孔からなる層を備え、当該連通孔で抵抗を
高めて短絡を防止する。こうして、充電時にリチウムあ
るいは亜鉛がデンドライト状に成長するのを抑えること
ができ、その結果、充放電時のサイクル寿命を飛躍的に
伸ばすことができる。したがって、これにより、サイク
ル寿命の長い高エネルギー密度の二次電池が実現でき
る。In the secondary battery of the present invention, in a secondary battery in which the negative electrode active material is lithium or zinc, the negative electrode is located at a place where the electric field strength is high such as a projection on the surface of the negative electrode and / or a place where the temperature rises sharply locally. A layer comprising a communication hole in which the diameter of the communication hole between the positive electrodes is reduced is provided, and the resistance is increased by the communication hole to prevent a short circuit. Thus, the growth of lithium or zinc in the form of dendrite during charging can be suppressed, and as a result, the cycle life during charging and discharging can be significantly extended. Accordingly, a high energy density secondary battery having a long cycle life can be realized.
【0021】尚、本発明において、“活物質″とは電池
における充電及び放電の電気化学的可逆反応(の操り返
し)に関与する物質であり、更に自身で上記反応に関与
する物質である限り、上記反応に関与する他の物質を保
持する物質をも包含する。尚、リチウム二次電池では、
負極活物質としてリチウムが充電時に負極側に保持さ
れ、放電時に電解液中に溶解してリチウムイオンとな
る。また、亜鉛二次電池では、負極活物質として亜鉛が
放電時で水酸イオンと反応して水酸化亜鉛又は酸化亜鉛
に変化する。In the present invention, the term "active material" refers to a substance that participates in (returns) the electrochemically reversible reaction of charging and discharging in a battery, and furthermore, a substance that itself participates in the above-mentioned reaction. , And substances holding other substances involved in the above reaction. In addition, in the lithium secondary battery,
As a negative electrode active material, lithium is held on the negative electrode side during charging, and dissolves in the electrolytic solution during discharging to become lithium ions. In a zinc secondary battery, zinc as a negative electrode active material reacts with hydroxide ions during discharge to change to zinc hydroxide or zinc oxide.
【0022】[0022]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施態様例を、図
1と図2及び図5を参照して説明する。図1は、本発明
の二次電池の一例の断面を示す概念図である。同図1に
示す本発明の二次電池は、負極101は、電解液を保持
したあるいは電解質を兼用するセパレータ103を介し
て正極102と対向し、かつ対向する負極101と正極
102の間に本発明の特徴である電池反応に関与するイ
オンが移動可能であり環境に応じて変動可能な孔径の連
通孔を有する、特に電解強度や温度の高い領域で径
(幅)が小さくなり抵抗が高くなる連通孔を有する層と
して、細孔を有するポーラスな高分子膜100が設けら
れた構造体が電池ハウジング104内に収容されたもの
である。ポーラスな高分子膜100は電池反応に伴うイ
オンが通過できるが、高電界が印加されるところ及び温
度が上昇したところでは細孔がせばまって、電池反応に
伴うイオンの通過が制御され充電時に析出する金属の透
過を制限するように成り、抵抗が高まる機能を有してい
る。尚、正極102に接続した正極端子106、及び負
極101に接続した負極端子105が各々ハウジング1
04外に引出されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1, 2 and 5. FIG. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross section of an example of the secondary battery of the present invention. In the secondary battery of the present invention shown in FIG. 1, the negative electrode 101 is opposed to the positive electrode 102 via the separator 103 which holds the electrolytic solution or also serves as an electrolyte, and is located between the opposed negative electrode 101 and the positive electrode 102. It has a communication hole having a pore diameter that allows ions involved in the battery reaction, which is a feature of the present invention, to be movable and can vary depending on the environment. A structure provided with a porous polymer film 100 having pores as a layer having communication holes is accommodated in a battery housing 104. Although the porous polymer membrane 100 can pass ions associated with the battery reaction, the pores are narrowed where a high electric field is applied and where the temperature rises, so that the passage of the ions associated with the battery reaction is controlled and charging is performed. It has the function of restricting the transmission of the metal which is sometimes deposited, and increasing the resistance. The positive terminal 106 connected to the positive electrode 102 and the negative terminal 105 connected to the negative electrode 101 are respectively connected to the housing 1.
04 has been drawn out.
【0023】この機能を図5を用いて説明する。図5は
本発明の二次電池の機能を説明する概念図であり、図1
の本発明の二次電池に直流電源を接続して充電する場合
の一例である。図1の二次電池の負極表面に突起のよう
な電界強度の高い箇所である電界集中部107が存在し
た場合、該電界集中部107では周辺より高電界が印加
され、そのため電流密度が高くなり発熱する、その時、
高分子膜100の高電界が印加され温度が上昇する箇所
108では細孔が狭められ抵抗が上昇し、結果として負
極表面の高電界が印加される箇所の電界集中部107で
は充電時にデンドライト状の負極活物質の析出が抑えら
れ、負極と正極間の内部短絡が抑えられることになるの
である。This function will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the function of the secondary battery of the present invention.
This is an example of charging a secondary battery of the present invention by connecting a DC power supply. When the electric field concentrating portion 107 such as a projection has a high electric field strength on the negative electrode surface of the secondary battery of FIG. 1, a high electric field is applied to the electric field concentrating portion 107 from the periphery, and the current density becomes high. Fever, then
At a portion 108 of the polymer film 100 where a high electric field is applied and the temperature rises, the pores are narrowed and the resistance rises. As a result, the electric field concentration portion 107 where the high electric field is applied on the negative electrode surface has a dendritic shape during charging. The deposition of the negative electrode active material is suppressed, and the internal short circuit between the negative electrode and the positive electrode is suppressed.
【0024】図2は、本発明の二次電池内の負極、正
極、セパレータと、負極活物質のデンドライト成長を防
止する手段である高分子膜の配置例を示す概念図であ
る。図2の(a),(b)および(c)は、各々図1の
二次電池の断面における、負極101、正極102、セ
パレータ・電解液103、ポーラスな高分子膜100の
配置例を示したものである。図2の(a)では、上記高
分子膜100が負極101とセパレータ103間に設け
られた例である。図2の(b)では、上記高分子膜10
0が正極102とセパレータ103間に設けられた例で
ある。図2の(c)では、上記高分子膜100がセパレ
ータ103を兼用して負極101と正極102間に設け
られた例である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an arrangement example of a negative electrode, a positive electrode, a separator, and a polymer film as a means for preventing dendrite growth of a negative electrode active material in a secondary battery of the present invention. 2A, 2B and 2C show examples of the arrangement of the negative electrode 101, the positive electrode 102, the separator / electrolyte 103, and the porous polymer film 100 in the cross section of the secondary battery of FIG. It is a thing. FIG. 2A shows an example in which the polymer film 100 is provided between the negative electrode 101 and the separator 103. In FIG. 2B, the polymer film 10
0 is an example provided between the positive electrode 102 and the separator 103. FIG. 2C shows an example in which the polymer film 100 is provided between the negative electrode 101 and the positive electrode 102 also as the separator 103.
【0025】本発明の二次電池は、少なくとも正極及び
負極、及び正極及び負極間において上述したような連通
孔を有する層、具体的にはポーラスな高分子膜、電解質
を有し、更にセパレーターや電池ハウジングを有する
が、以下に各構成部分について説明する。The secondary battery of the present invention has at least a positive electrode and a negative electrode, and a layer having the above-described communication hole between the positive electrode and the negative electrode, specifically, a porous polymer film and an electrolyte. Although it has a battery housing, each component will be described below.
【0026】(高分子膜)本発明の特徴である二次電池
を構成する負極と正極間に設ける、電池反応に関与する
イオンが移動可能であり、環境に応じて変動可能な径
(幅)を有する連通孔からなる領域層であって、充電時
の負極活物質のデンドライト成長を防ぐため層としての
ポーラスな高分子膜(図1で示す例では膜100)の機
能としては、電池反応に関与するイオンを透過する細孔
を有し、高電界が印加されるか、若しくは温度が上昇す
るとその細孔径が狭まる特性を有していることが必要で
ある。(Polymer film) A diameter (width) provided between a negative electrode and a positive electrode constituting a secondary battery, which is a feature of the present invention, in which ions involved in a battery reaction can move and can be varied according to the environment. The porous polymer film (the film 100 in the example shown in FIG. 1) as a region layer formed of communication holes having a function of preventing dendrite growth of the negative electrode active material during charging has the function of It is necessary to have pores through which ions involved are transmitted, and to have such a property that the pore diameter is narrowed when a high electric field is applied or the temperature rises.
【0027】高分子膜の材質としては、例えば液晶高分
子、母材と成る高分子と液晶との複合材、高分子ゲルが
使用できる。上記高分子膜の材料の液晶高分子あるいは
母材と成る高分子と液晶との複合材の液晶としては、電
界が印加されると電界と垂直に分子の長軸が並ぶ液晶が
好ましく、誘電異方性が負の液晶がより好ましい。高分
子膜の液晶部分の分子の長軸が電界と垂直方向に並ぶこ
とによって、電界方向に貫通する細孔(上述した連通
孔)が狭められることになる。また、上記高分子膜を形
成する高分子ゲルでは温度上昇によって20%以上の大
きな体積膨張が起こることが好ましくは必要である。体
積膨張によって高分子ゲル内の細孔が狭められることに
なる。As the material of the polymer film, for example, a liquid crystal polymer, a composite material of a polymer serving as a base material and liquid crystal, and a polymer gel can be used. As the liquid crystal polymer as a material of the polymer film or a composite material of a polymer and a liquid crystal as a base material, a liquid crystal in which the major axes of molecules are aligned perpendicular to the electric field when an electric field is applied is preferable. Liquid crystals having negative anisotropy are more preferable. When the long axes of the molecules of the liquid crystal portion of the polymer film are arranged in a direction perpendicular to the electric field, the pores (communication holes described above) penetrating in the direction of the electric field are narrowed. Further, in the polymer gel forming the polymer film, it is preferable that a large volume expansion of 20% or more occurs due to a temperature rise. The pores in the polymer gel are narrowed by the volume expansion.
【0028】さらに、この高分子ゲルを負極側に設ける
場合は正の電荷を有するカチオン性高分子ゲルであるこ
とが望ましい。充電時に負極表面近傍にはリチウムカチ
オンが集まり、中和条件を保つためにカチオン性高分子
ゲルは分子を伸ばして膨張する。この高分子ゲルを正極
側に設ける場合は負の電荷を有するアニオン性高分子ゲ
ルであることが望ましい。充電時には正極表面近傍には
アニオンが集まり、中和条件を保つためにアニオン性高
分子ゲルは分子を伸ばして膨張する。Further, when this polymer gel is provided on the negative electrode side, it is preferable that the polymer gel is a cationic polymer gel having a positive charge. At the time of charging, lithium cations gather near the surface of the negative electrode, and the cationic polymer gel expands by expanding molecules to maintain neutralization conditions. When this polymer gel is provided on the positive electrode side, an anionic polymer gel having a negative charge is desirably used. At the time of charging, anions collect near the surface of the positive electrode, and the anionic polymer gel expands by expanding the molecules in order to maintain neutralization conditions.
【0029】上述したように、本発明の二次電池を構成
する特徴的な高分子膜の細孔が該細孔付近に局部的に高
電界が生じた際に、又は温度上昇が生じた際に狭められ
ることによって、電池反応に寄与するイオンや充電時に
析出する負極活物質が高分子膜とセパレータの細孔を貫
通して正極まで到達して内部短絡するのを防ぐことがで
きる。As described above, the characteristic pores of the polymer film constituting the secondary battery of the present invention are formed when a high electric field is locally generated near the pores or when the temperature is increased. This can prevent the ions contributing to the battery reaction and the negative electrode active material precipitated during charging from penetrating through the polymer film and the pores of the separator to the positive electrode and causing an internal short circuit.
【0030】なお、高分子膜に形成される細孔の径の大
きさとしては電池反応に関与するイオンを透過する大き
さであればよく、通常1μm以下、好ましくは2〜10
00Åとする。The size of the pores formed in the polymer membrane may be any size as long as they can transmit ions involved in the battery reaction, and is usually 1 μm or less, preferably 2 to 10 μm.
00 °.
【0031】また、高分子膜の細孔は、高電界が印加さ
れるか、若しくは温度が上昇するとその細孔径が狭まる
が、その細孔の径の収縮割合はイオンが移動する時の抵
抗を上昇させるための機能が得られる範囲であればよ
く、通常は収縮分の元の細孔径に対する比率として10
%以上、好ましくは20〜98%が望ましい。Further, the pore diameter of the pores of the polymer membrane decreases when a high electric field is applied or the temperature rises, but the contraction rate of the pore diameter decreases the resistance when ions move. Any range is possible as long as the function for raising the pressure can be obtained. Usually, the ratio of shrinkage to the original pore diameter is 10%.
% Or more, preferably 20 to 98%.
【0032】上述したような高分子膜を特にリチウム二
次電池に採用する場合には、少なくとも電池に組み込み
電解液を注入する前に、当該膜について減圧乾燥などの
方法で十分水分を除去しておく必要がある。もし、脱水
が十分に行われていなかったとしたら、充電時に析出す
るリチウムとこの水分が反応して、放電時に利用できな
い水酸化リチウムなどのリチウム化合物が形成され、放
電電気量の低下をもたらすことになる。When the above-mentioned polymer film is used particularly in a lithium secondary battery, at least before the electrolyte solution is incorporated into the battery and the electrolyte solution is sufficiently injected, the film is sufficiently dried by a method such as drying under reduced pressure to remove water. Need to be kept. If the dehydration had not been performed sufficiently, lithium that would precipitate during charging and this water would react to form lithium compounds such as lithium hydroxide that could not be used during discharging, resulting in a decrease in the amount of discharged electricity. Become.
【0033】高分子液晶材料を使用して上記連通孔を有
するポーラスな高分子膜を形成する方法としては、高分
子液晶材料を溶剤に溶解した溶液を、キャスティング法
によって膜形成をするか、あるいは直接負極、セパレー
タ、正極表面に塗布して膜を形成する。ついで乾燥して
溶媒を除去し、細孔を形成する。高分子液晶材料を用い
て形成する他に、高分子液晶が重合反応で得られるモノ
マーを使用して重合反応と同時に高分子膜を形成するこ
とも可能である。また、場合によっては細孔分布を調整
するために、膜形成時に抽出除去できる例えば電解質な
どを添加して膜形成し、乾燥後にさらに膜調製時に添加
した物質を抽出除去して細孔分布を調整する。As a method for forming a porous polymer film having the above-mentioned communicating holes using a polymer liquid crystal material, a solution obtained by dissolving a polymer liquid crystal material in a solvent is formed by a casting method, or A film is formed by directly coating the surface of the negative electrode, the separator, and the positive electrode. It is then dried to remove the solvent and form pores. In addition to formation using a polymer liquid crystal material, it is also possible to form a polymer film simultaneously with the polymerization reaction by using a monomer obtained by polymerizing the polymer liquid crystal. In some cases, in order to adjust the pore distribution, a membrane can be formed by adding an electrolyte or the like that can be extracted and removed at the time of film formation, and after drying, the substance added during membrane preparation can be extracted and removed to adjust the pore distribution. I do.
【0034】細孔の調製方法としては、後ほど除去可能
な物質を高分子膜形成時に所望な多孔率に成るように添
加した後、必要に応じて溶媒を添加して、膜形成時ある
いは後に除去可能な物質を除去して細孔を調製する。除
去可能な物質としては、溶出可能な例えば電解液に使用
する電解質や有機溶媒が挙げられる。電解質を除去可能
な添加物質に用いた場合には電池特性に与える影響が少
ない。別の除去可能な物質として加熱か減圧下で蒸発ま
たは分解させて除去するか、除去する溶媒と均一に混合
する沸点の低い溶媒を用いることも可能である。As a method for preparing the pores, a substance which can be removed later is added so as to have a desired porosity at the time of forming the polymer film, and then a solvent is added if necessary, and the material is removed at or after the film formation. Prepare the pores by removing possible substances. Examples of the removable substance include an elutable electrolyte and an organic solvent used for an electrolytic solution. When the electrolyte is used as a removable additive material, it has little effect on battery characteristics. As another removable substance, it is also possible to remove by evaporation or decomposition under heating or reduced pressure, or to use a solvent having a low boiling point which is mixed uniformly with the solvent to be removed.
【0035】膜形成後に電解液に対する溶解安定性を増
すために、架橋反応を起こして架橋させることも好まし
い。架橋方法としては、膜形成時に架橋剤を添加し架橋
反応を起こす、若しくは膜形成後に紫外線や放射線を照
射して架橋反応を起こす方法が挙げられる。In order to increase the dissolution stability in the electrolytic solution after the formation of the film, it is preferable to cause a crosslinking reaction to cause crosslinking. Examples of the cross-linking method include a method in which a cross-linking agent is added during film formation to cause a cross-linking reaction, or a method in which a cross-linking reaction is caused by irradiating ultraviolet rays or radiation after film formation.
【0036】高分子材料と液晶材料の複合体で上記連通
孔を有するポーラスな高分子膜を形成する方法として
は、母材となる高分子を溶媒に溶解した高分子溶液に、
液晶材料を混合し、得られた混合溶液を回転する平坦で
均一な金属支持体上に流延してフィルム化するキャステ
ィング法によって、あるいは直接負極、セパレータ、あ
るいは正極表面に塗布して膜を形成して乾燥して溶媒を
除去して高分子膜を調製する。場合によっては上述の高
分子液晶膜形成のように、細孔分布の調整のために、後
ほど除去可能な例えば電解質のような添加物質を添加し
て、高分子膜形成を行うことも可能である。さらに、膜
形成後に架橋反応を起こして架橋させることも、電解液
に対する安定性を増すために、好ましい。架橋方法とし
ては、前述の高分子液晶膜の架橋方法と同様な方法が採
用できる。As a method for forming a porous polymer film having the above-mentioned communicating holes by a composite of a polymer material and a liquid crystal material, a polymer solution in which a polymer serving as a base material is dissolved in a solvent is used.
A liquid crystal material is mixed, and the obtained mixed solution is cast on a rotating flat and uniform metal support to form a film, or directly applied to the negative electrode, separator, or positive electrode surface to form a film After drying, the solvent is removed to prepare a polymer film. In some cases, as in the above-described formation of a polymer liquid crystal film, it is also possible to form a polymer film by adding an additive substance such as an electrolyte that can be removed later to adjust the pore distribution. . Further, it is also preferable to cause a cross-linking reaction after the formation of the film to cross-link it, in order to increase the stability to the electrolytic solution. As the cross-linking method, a method similar to the above-described cross-linking method for a polymer liquid crystal film can be employed.
【0037】本発明の二次電池において、正極、負極間
の環境に応じて孔(幅)の変動可能な連通孔を有する層
領域として用いる高分子膜である、上記高分子液晶膜、
高分子と液晶の複合膜の液晶は、膜形成時に負極電極平
面に垂直配向若しくは傾斜配向をさせておくことが好ま
しい。In the secondary battery of the present invention, the polymer liquid crystal film is a polymer film used as a layer region having a communication hole whose hole (width) can be varied according to the environment between the positive electrode and the negative electrode.
It is preferable that the liquid crystal of the composite film of the polymer and the liquid crystal is oriented vertically or obliquely to the plane of the negative electrode during film formation.
【0038】配向方法としては、上記高分子膜固化前に
磁場若しくは電界を負極電極平面に垂直方向若しくは傾
斜あるいは平行方向に印加する方法を用いることができ
る。その他の配向方法としては、応力印加、膜を形成す
る基体表面の配向処理、加熱もしくは冷却、最適溶媒及
び最適濃度の選択等によって制御される。As the orientation method, a method in which a magnetic field or an electric field is applied in a direction perpendicular to, or inclined to, or parallel to the plane of the negative electrode before the solidification of the polymer film can be used. Other orientation methods are controlled by applying stress, orienting the surface of a substrate on which a film is formed, heating or cooling, selecting an optimum solvent and an optimum concentration, and the like.
【0039】上記膜を形成する基体表面の配向処理の具
体例としては、垂直配向の処理方法としては、p−(オ
クチルオキシ)−p′−ヒドロキシアゾベゼン、ジメチ
ルヘキサデシルアンモニウムブロマイド、N−[11−
ブロモウンデカノイル]−L−グルタミン酸ジドデシル
エステル、ヘキサデシルトリブチルホスホニウムブロマ
イド、ステアリルトリブチルホスホニウムブロマイド、
レシチン、セチルトリメチルアンモニウムブロマイドな
どの両親媒性分子の物理吸着やステリルトリクロルシラ
ンなどの有機金属カップリング剤の化学吸着が挙げられ
る。As a specific example of the orientation treatment of the substrate surface on which the film is formed, a vertical orientation treatment method includes p- (octyloxy) -p'-hydroxyazobezen, dimethylhexadecyl ammonium bromide, N- [11-
Bromoundecanoyl] -L-glutamic acid didodecyl ester, hexadecyltributylphosphonium bromide, stearyltributylphosphonium bromide,
Examples include physical adsorption of amphipathic molecules such as lecithin and cetyltrimethylammonium bromide and chemical adsorption of organometallic coupling agents such as steryltrichlorosilane.
【0040】傾斜配向としては、基体表面に、金属若し
くは有機高分子をスパッタリングや電子ビーム蒸着等の
真空蒸着方法で斜め蒸着して配向膜を形成する方法が挙
げられる。As the tilt alignment, a method of forming an alignment film by obliquely depositing a metal or an organic polymer on a substrate surface by a vacuum evaporation method such as sputtering or electron beam evaporation is used.
【0041】一方、高分子ゲル材で上記連通孔を有する
ポーラスな高分子膜を形成する方法としては、(a)モ
ノマーから直接重合と架橋反応で高分子ゲルを形成する
か、高分子を形成した後に架橋反応を起こし高分子ゲル
を形成する、(b)モノマー溶液中にセパレータを浸漬
した後架橋反応で高分子ゲルを形成するか、高分子溶液
中にセパレータを浸漬した後に架橋反応を起こし高分子
ゲルを形成する、(c)モノマーから重合と架橋反応で
高分子ゲル粉を形成した後、高分子溶液中に高分子ゲル
粉を分散させ固化して形成する、(d)負極表面、正極
表面、あるいはセパレータ表面上に高分子溶液をキャス
ティングした後架橋反応にて高分子ゲルを形成するか、
モノマー溶液をキャスティングした後重合反応と架橋反
応を起こし高分子ゲルを形成する。高分子ゲルの厚みは
重合時あるいは架橋時の形成時に調節してそのまま使用
するか、形成後に乾燥しプレス加工などで厚みを均一に
調整して使用する。高分子ゲルの厚みは、形成時の溶媒
種と濃度、反応容器の深さなどで調整することができ
る。高分子ゲルの膨張率は、モノマー種、重合度、架橋
度、溶媒の種類と濃度、溶媒に含まれる電解質濃度など
で、調整することができる。On the other hand, as a method for forming a porous polymer film having the above-mentioned communicating holes using a polymer gel material, (a) a polymer gel is formed by direct polymerization and crosslinking reaction from a monomer, or a polymer is formed. (B) immersing the separator in the monomer solution to form a polymer gel by the crosslinking reaction, or immersing the separator in the polymer solution to cause the crosslinking reaction Forming a polymer gel, (c) forming a polymer gel powder by polymerization and crosslinking reaction from a monomer, then dispersing and solidifying the polymer gel powder in a polymer solution, (d) forming a negative electrode surface, After casting the polymer solution on the positive electrode surface or on the separator surface, a polymer gel is formed by a crosslinking reaction,
After casting the monomer solution, a polymerization reaction and a crosslinking reaction are caused to form a polymer gel. The thickness of the polymer gel is adjusted during the formation during polymerization or crosslinking and used as it is, or it is used after drying after forming and uniformly adjusting the thickness by pressing or the like. The thickness of the polymer gel can be adjusted by the type and concentration of the solvent at the time of formation, the depth of the reaction vessel, and the like. The expansion rate of the polymer gel can be adjusted by the monomer type, the degree of polymerization, the degree of crosslinking, the type and concentration of the solvent, the concentration of the electrolyte contained in the solvent, and the like.
【0042】その他の上述した高分子液晶、高分子と液
晶の複合体、又は高分子ゲルにより形成されるポーラス
な高分子膜を、フィルム若しくはシートとして作製する
方法としては、溶媒で溶解した高分子溶液を回転する平
坦で均一な金属支持体上に流延してフィルム化するキャ
スティング法(溶液流延法)の他に、熱で溶融した高分
子液をT型ダイスから押し出してフィルム化するエキス
トルージョン法(溶融押出法)、2本以上のロールの間
で高分子物質を圧延してフィルム化するカレンダー法が
使用できる。エキストルージョン法では架橋前の高分子
を使用し、フィルム化した後に架橋反応を起こして、高
分子フィルムを得る。カレンダー法では乾燥した高分子
を用いてフィルムを作製する。Other methods for producing a porous polymer film formed of a polymer liquid crystal, a composite of a polymer and a liquid crystal, or a polymer gel as a film or a sheet include a polymer dissolved in a solvent. In addition to the casting method (solution casting method), in which the solution is cast on a rotating flat and uniform metal support to form a film, the polymer liquid melted by heat is extruded from a T-die to form an extract. A lubrication method (melt extrusion method), a calendering method in which a polymer substance is rolled between two or more rolls to form a film can be used. In the extrusion method, a polymer before cross-linking is used, and after forming a film, a cross-linking reaction occurs to obtain a polymer film. In the calendar method, a film is prepared using a dried polymer.
【0043】(液晶材料)前述したポーラスな高分子膜
の材料となる高分子有機液晶、又は高分子と液晶の複合
体に用いる液晶材料としては、例えば融解過程を経て液
晶層を呈すサーモトロピック材料、溶媒の存在下で液晶
性を示すライオトロピック材料をも包含される。用いら
れる液晶の配向の種類としては、ネマチック液晶、コレ
スチック液晶、スメチック液晶、ディスコチック液晶、
自発分極を示す強誘電液晶、などが挙げられるが、負の
誘電異方性を示す液晶であることが好ましく、ネマチッ
ク液晶相若しくはコレスチック液晶相を示すのがより好
ましい。(Liquid Crystal Material) Examples of the polymer organic liquid crystal as the material of the porous polymer film or the liquid crystal material used in the composite of the polymer and the liquid crystal include a thermotropic material exhibiting a liquid crystal layer through a melting process. And a lyotropic material exhibiting liquid crystallinity in the presence of a solvent. Nematic liquid crystal, cholesteric liquid crystal, smectic liquid crystal, discotic liquid crystal,
Examples thereof include ferroelectric liquid crystals exhibiting spontaneous polarization, and are preferably liquid crystals exhibiting negative dielectric anisotropy, and more preferably exhibiting a nematic liquid crystal phase or a cholesteric liquid crystal phase.
【0044】また、電圧が印加されていない休止時には
負極平面に液晶部が垂直配向か若しくは傾斜配向してお
り、充電時に局部的に高電界が印加され温度上昇が起こ
る活物質のデンドライト成長の起こりやすい箇所で負極
平面に平行配向か若しくは無秩序に配向するのがより好
ましい。When the voltage is not applied, the liquid crystal portion is vertically or obliquely aligned with the plane of the negative electrode when the voltage is not applied, and a high electric field is locally applied during charging to cause a temperature rise. It is more preferable that the orientation is parallel to the negative electrode plane or disordered at an easy place.
【0045】さらに、二次電池の使用温度に合わせて機
能するように、複数の液晶をブレンドして使用するのが
好ましい。上記液晶は二次電池の負極平面に垂直な配向
処理若しくは傾斜配向処理が施され、初期状態での上記
液晶の配向(負極面に対して垂直ないしは傾斜配向)が
施されることが好ましい。これらの配向処理による初期
状態での液晶分子の負極平面に対するチルト角は45°
以上である。Further, it is preferable to use a plurality of liquid crystals by blending them so as to function according to the operating temperature of the secondary battery. It is preferable that the liquid crystal is subjected to an orientation treatment or a tilt orientation treatment perpendicular to the negative electrode plane of the secondary battery, and the liquid crystal is initially oriented (perpendicular or inclined to the negative electrode surface). The tilt angle of the liquid crystal molecules with respect to the negative electrode plane in the initial state by these alignment treatments is 45 °.
That is all.
【0046】本発明に使用する上記負の誘電異方性を示
す液晶材料としては、2,3−ジフロロベンゼン誘導
体、ピリダジン誘導体、フッ素化ヒドロキノンシクロヘ
キサンカルボン酸エステル化合物、フッ素化トラン化合
物、シアノベンゼンカルボン酸エステル化合物、シアン
シクロヘキサン化合物、などが挙げられ、その中でも、
3,6−2置換−1,2−ジシアノベンゼン類、3,6
−2置換ピリダジン、3,6−2置換−1,2−ジフロ
ロベンゼン類、3,6−2置換−1−シアノベンゼン
類、1,4−2置換−1−シアノシクロヘキサン類、な
どが比較的大きな負の誘電異方性を示す例として挙げら
れる。The liquid crystal material having a negative dielectric anisotropy used in the present invention includes 2,3-difluorobenzene derivative, pyridazine derivative, fluorinated hydroquinone cyclohexane carboxylate compound, fluorinated tolan compound, cyanobenzene Carboxylic acid ester compounds, cyanocyclohexane compounds, and the like, among which,
3,6-2 substituted-1,2-dicyanobenzenes, 3,6
Compare 2-substituted pyridazine, 3,6-substituted-1,2-difluorobenzenes, 3,6-substituted-1-cyanobenzenes, 1,4-2-substituted-1-cyanocyclohexanes, etc. It can be cited as an example showing an extremely large negative dielectric anisotropy.
【0047】本発明に用いる上記液晶高分子の構造は、
直線性共役形の原子団であるメソーゲン基が、あるいは
メソーゲン基とアルキル鎖かオキシエチレン鎖が交互に
直線的に結合した主鎖形重合体と、メソーゲン基が直接
あるいはアルキル鎖を介して主鎖に側鎖として結合した
側鎖形重合体がある。上記メソーゲン基としては、ベン
ジリデンアニリン、アゾベンゼン、アゾキシベンゼン、
スチルベン、フェニルベンゾエート、ベンゾイルアニリ
ン、ビフェニル、ベンジリデンアセトフェノン、ベンジ
リデンアジン、などが挙げられる。The structure of the liquid crystal polymer used in the present invention is as follows:
A mesogen group that is a linear conjugated atomic group, or a main chain polymer in which mesogen groups and alkyl chains or oxyethylene chains are alternately and linearly linked, and a mesogen group whose main chain is directly or via an alkyl chain Is a side chain type polymer bonded as a side chain. Examples of the mesogen group include benzylidene aniline, azobenzene, azoxybenzene,
Examples include stilbene, phenylbenzoate, benzoylaniline, biphenyl, benzylideneacetophenone, benzylideneazine, and the like.
【0048】(高分子−液晶複合体における高分子)前
述したポーラスな高分子膜となる高分子と液晶の複合体
における固体となる高分子材料としては、電池の電解液
に不溶である高分子材料、また架橋させて電解液に不溶
とした高分子材料を用いることができる。更に、高分子
−液晶複合体の調製に用いる溶媒に可溶な有機高分子あ
るいはその原料モノマーを用いることができる(モノマ
ーを用いた場合は複合体の調製段階で重合する)。上記
高分子材料の例としては、ポリエチレンやポリプロピレ
ン等のポリオレフィン、フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、
ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリエス
テル、ポリアミド、ポリエチレンオキサイド等が挙げら
れる。(Polymer in Polymer-Liquid Crystal Composite) As the polymer material which becomes a solid in the composite of a polymer and a liquid crystal which is a porous polymer film, a polymer which is insoluble in an electrolyte solution of a battery A material or a polymer material which has been crosslinked so as to be insoluble in the electrolytic solution can be used. Further, an organic polymer soluble in a solvent used for preparing the polymer-liquid crystal composite or a raw material monomer thereof can be used (when a monomer is used, polymerization is performed at the stage of preparing the composite). Examples of the polymer material include polyolefins such as polyethylene and polypropylene, fluororesins, polyvinyl chloride,
Examples thereof include polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyester, polyamide, and polyethylene oxide.
【0049】(高分子ゲル)本発明において、前述した
ポーラスな高分子膜の材料となる高分子ゲルとしては、
好ましくはリチウム二次電池の内部短絡防止手段を構成
する、溶媒に不溶の三次元網目構造を有している高分子
または溶媒を吸って膨潤状態にあるものが用いられる。(Polymer Gel) In the present invention, the polymer gel used as the material of the porous polymer film described above includes:
Preferably, a polymer having a three-dimensional network structure that is insoluble in a solvent or a material that is swollen by absorbing a solvent is used as a means for preventing internal short circuit of a lithium secondary battery.
【0050】かかる高分子ゲルとしては、例えばポリア
クリルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミドポリマ
ー、N−イソプロピルアクリルアミドポリマー、N−イ
ソプロピルアクリルアミド−アクリル酸ナトリウム共重
合体、N,N−ジエチルアクリルアミド−アクリル酸ナ
トリウム共重合体、アクリルアミド−(メタクリルアミ
ドプロピル)トリメチルアンモニウムクロライド共重合
体、アクリルアミド−トリメチル(N−アクリロイル−
3−アミノプロピル)アンモニウムヨーダイド共重合
体、ポリスチレン、スチレン−スチレンサルフォネート
共重合体、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアル
コール−ポリアクリル酸複合ゲル、ポリアクリル酸、ポ
リメタクリル酸、メタクリル酸−2−ヒドロキシエチ
ル、セルロース、ポリエチレングリコール、ポリエチレ
ンオキサイド、ポリビニルアルコール、などが挙げられ
る。これらの内、N−イソプロピルアクリルアミド−ア
クリル酸ナトリウム共重合体、N,N−ジエチルアクリ
ルアミド−アクリル酸ナトリウム共重合体、アクリルア
ミド−(メタクリルアミドプロピル)トリメチルアンモ
ニウムクロライド共重合体、アクリルアミド−トリメチ
ル(N−アクリロイル−3−アミノプロピル)アンモニ
ウムヨーダイド共重合体、スチレン−スチレンサルフォ
ネート共重合体、などのイオン解離基を有した高分子ゲ
ルが、好ましく用いられる。また上記高分子ゲルの内、
常温で高分子鎖が収縮した状態であるポリアクリルアミ
ド、N,N−ジエチルアクリルアミドポリマーのような
高分子ゲルも高温で膨張するので本発明に使用するのに
好ましい。Examples of such a polymer gel include polyacrylamide, N, N-diethylacrylamide polymer, N-isopropylacrylamide polymer, N-isopropylacrylamide-sodium acrylate copolymer, N, N-diethylacrylamide-sodium acrylate Copolymer, acrylamide- (methacrylamidopropyl) trimethylammonium chloride copolymer, acrylamide-trimethyl (N-acryloyl-
3-aminopropyl) ammonium iodide copolymer, polystyrene, styrene-styrene sulfonate copolymer, polyvinyl methyl ether, polyvinyl alcohol-polyacrylic acid composite gel, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, methacrylic acid-2- Examples include hydroxyethyl, cellulose, polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, and the like. Among them, N-isopropylacrylamide-sodium acrylate copolymer, N, N-diethylacrylamide-sodium acrylate copolymer, acrylamide- (methacrylamidopropyl) trimethylammonium chloride copolymer, acrylamide-trimethyl (N- Polymer gels having an ion dissociating group such as acryloyl-3-aminopropyl) ammonium iodide copolymer and styrene-styrene sulfonate copolymer are preferably used. Also, among the above polymer gels,
Polymer gels such as polyacrylamide and N, N-diethylacrylamide polymer, in which the polymer chains are contracted at room temperature, are also preferable for use in the present invention because they expand at high temperatures.
【0051】本発明で使用可能な高分子ゲルの形成方法
としては、例えば化学結合により又は分子間結合による
ものが採用される。化学結合によってゲルを形成する方
法としては、重合反応時に架橋する方法、重合後に架橋
する方法があり、分子間の結合によって高分子鎖間を架
橋する方法としては、水素結合による架橋、イオン結合
による架橋、配位結合による架橋がある。As a method for forming a polymer gel usable in the present invention, for example, a method using a chemical bond or a method using an intermolecular bond is employed. Methods of forming a gel by chemical bonding include a method of crosslinking during a polymerization reaction and a method of crosslinking after polymerization.Methods of crosslinking between polymer chains by bonding between molecules include crosslinking by hydrogen bonding and ionic bonding. There are crosslinks and crosslinks by coordination bonds.
【0052】また、架橋による方法には、例えばジビニ
ル化合物や多官能性化合物の重縮合による橋かけ構造の
形成、熱、光、放射線、プラズマなどのエネルギーによ
り重合と橋かけを同時に行うまたは直鎖状高分子を合成
した後橋かけする方法もある。The crosslinking method includes, for example, formation of a crosslinked structure by polycondensation of a divinyl compound or a polyfunctional compound, simultaneous polymerization and crosslinking by energy such as heat, light, radiation, or plasma, or linear polymerization. There is also a method of crosslinking after synthesizing a polymer.
【0053】重合反応時に橋かけする方法としては、例
えばエチレングリコールジメタクリレートやメチレンビ
スアクリルアミドを橋かけ剤としてラジカル開始剤によ
る重合、ガンマ線や電子線を照射する放射線重合、ビニ
ルモノマーの吸収波長と一致する光を橋かけ剤存在下で
照射するか光増感剤を加え光照射する光重合が挙げられ
る。。As a method of crosslinking at the time of the polymerization reaction, for example, polymerization with a radical initiator using ethylene glycol dimethacrylate or methylene bisacrylamide as a crosslinking agent, radiation polymerization by irradiating gamma rays or electron beams, or the same as the absorption wavelength of a vinyl monomer. Photopolymerization by irradiating light in the presence of a crosslinking agent or by adding a photosensitizer to irradiate light. .
【0054】高分子鎖間を後で橋かけする方法として
は、例えば水酸基を有するセルロースやポリビニルアル
コールをアルデヒド、N−メチロール化合物、ジカルボ
ン酸、ビスエポシキドなどの化学反応で架橋する、アミ
ノ酸を有する高分子はアルデヒドやグリシジル基によっ
てゲル化する方法、ガンマ線などの放射線照射でポリビ
ニルアルコールやポリメチルビニルエーテルを水中で架
橋する方法、ポリビニルアルコールやN−ビニルピロリ
ドンをジアゾ樹脂、ビスアジド、重クロム酸塩などの光
橋かけ剤で橋かけする、ポリビニルアルコールなどの水
溶性高分子にスチルバゾリウム塩などの感光基を持つポ
リマーを光二量化する方法、気体の放電によって生成し
たプラズマを高分子材に接触させて橋かけする方法が挙
げられる。As a method for later crosslinking between polymer chains, for example, a polymer having an amino acid is used to crosslink cellulose or polyvinyl alcohol having a hydroxyl group by a chemical reaction such as aldehyde, N-methylol compound, dicarboxylic acid, and bisepoxide. Is a method of gelling with aldehydes or glycidyl groups, a method of crosslinking polyvinyl alcohol or polymethyl vinyl ether in water by irradiation with gamma rays, or a method of crosslinking polyvinyl alcohol or N-vinylpyrrolidone with diazo resin, bisazide, dichromate, etc. A method of photodimerizing a polymer having a photosensitive group such as stilbazolium salt in a water-soluble polymer such as polyvinyl alcohol, which is cross-linked with a cross-linking agent, and cross-linking by contacting plasma generated by gas discharge with a polymer material Method.
【0055】高分子間の水素結合やイオン結合、キレー
ト形成などによってもゲルを形成することができ、凍結
真空乾燥法、凍結解凍法などによって高分子間に水素結
合を形成させる、また、ポリメタクリル酸とポリエチレ
ングリコール、ポリアクリル酸とポリビニルアルコール
のように二種類の異なった高分子を混合することによっ
てゲルを形成することができる。ポリビニルベンジルト
リメチルアンモニウムなどのポリカチオンとポリスチレ
ンスルホン酸ナトリウムなどのポリアニオンを混合する
ことによってポリイオンコンプレックスゲルを形成する
ことができる。ポリアクリル酸などのポリカルボン酸や
ポリスチレンスルホン酸などの強酸性ポリマーはアルカ
リ、アルカリ土類金属と結合させてゲルを形成すること
ができる。A gel can also be formed by hydrogen bonding, ionic bonding, chelate formation or the like between polymers, and hydrogen bonds are formed between polymers by freeze vacuum drying, freeze thawing, or the like. A gel can be formed by mixing two different polymers, such as acid and polyethylene glycol, polyacrylic acid and polyvinyl alcohol. By mixing a polycation such as polyvinylbenzyltrimethylammonium and a polyanion such as sodium polystyrenesulfonate, a polyion complex gel can be formed. A strongly acidic polymer such as polycarboxylic acid such as polyacrylic acid or polystyrene sulfonic acid can be combined with an alkali or alkaline earth metal to form a gel.
【0056】(負極)本発明の二次電池における負極材
料(図1に示す例では負極101)の材料として、好ま
しくは充電時にリチウム元素を含むものが用いられ(リ
チウム二次電池)、あるいは亜鉛元素を含むものが用い
られる(亜鉛二次電池)。好ましくは負極材料を集電体
上に成形することで負極が得られている。(Negative Electrode) As the material of the negative electrode material (the negative electrode 101 in the example shown in FIG. 1) in the secondary battery of the present invention, a material containing a lithium element at the time of charging (lithium secondary battery) or zinc An element containing an element is used (a zinc secondary battery). Preferably, a negative electrode is obtained by molding a negative electrode material on a current collector.
【0057】リチウム二次電池用の負極材料としては、
例えば、リチウム金属、黒鉛を含めた炭素材料、金属材
料、遷移金属化合物のようなリチウムがインターカレー
トする材料が挙げられる。上記金属材料としては、リチ
ウムと合金を形成するアルミニウムなどの金属材料、析
出するリチウムを収納する細孔を有し集電体をも兼ねる
多孔質のニッケルなどの金属などが好適である。As a negative electrode material for a lithium secondary battery,
For example, lithium metal, a carbon material including graphite, a metal material, and a material in which lithium is intercalated such as a transition metal compound can be used. As the above-mentioned metal material, a metal material such as aluminum which forms an alloy with lithium, a metal such as porous nickel having pores for accommodating deposited lithium and also serving as a current collector, and the like are preferable.
【0058】上記負極用材料の形状としては箔や板状で
あればそのまま用いることができる。また、粉末状であ
れば結着剤を混合し、場合によっては導電補助材も添加
して、集電体上に塗膜を形成して負極を作成する。ま
た、集電体上に上記材料の薄膜を形成する方法としては
メッキや蒸着法を用いることもできる。上記蒸着方法と
しては、CVD(Chemical Vapor De
position)、電子ビーム蒸着、スパッタリング
などの方法が挙げられる。いずれのリチウム二次電池用
の負極も減圧下で十分に乾燥することが必要である。The negative electrode material can be used as it is as long as it has a foil or plate shape. In the case of a powder, a binder is mixed, and in some cases, a conductive auxiliary material is also added to form a coating film on the current collector to form a negative electrode. Further, as a method for forming a thin film of the above material on the current collector, plating or vapor deposition can be used. As the vapor deposition method, CVD (Chemical Vapor De) is used.
position), electron beam evaporation, sputtering and the like. It is necessary that all negative electrodes for lithium secondary batteries be sufficiently dried under reduced pressure.
【0059】亜鉛二次電池用の負極としては、亜鉛の箔
や板、集電体上に亜鉛のメッキ膜あるいは蒸着膜を形成
したもの、酸化亜鉛粉あるいは亜鉛粉と酸化亜鉛粉に結
着剤を混合し(場合によっては導電補助材を添加して)
集電体上に塗膜を形成したものを、負極に使用できる。As a negative electrode for a zinc secondary battery, a zinc foil or plate, a zinc plated film or a vapor-deposited film formed on a current collector, a zinc oxide powder or a binder containing zinc powder and zinc oxide powder (Optionally with the addition of conductive aids)
What formed the coating film on the current collector can be used for a negative electrode.
【0060】(正極)本発明の二次電池における正極
(図1に示す例では正極102)は、集電体、正極活物
質、導電補助材、結着剤などの材料から構成されたもの
である。この正極は、正極活物質、導電補助材及び結着
剤などを混合したものを、集電体の表面上に成形して作
製される。(Positive Electrode) The positive electrode (the positive electrode 102 in the example shown in FIG. 1) in the secondary battery of the present invention is made of a material such as a current collector, a positive electrode active material, a conductive auxiliary material, and a binder. is there. This positive electrode is manufactured by molding a mixture of a positive electrode active material, a conductive auxiliary material, a binder, and the like on the surface of a current collector.
【0061】正極に使用する導電補助材としては、黒
鉛、ケッチェンブラックやアセチレンブラックなどのカ
ーボンブラック、ニッケルなどの金属微粉末などが挙げ
られる。Examples of the conductive auxiliary material used for the positive electrode include graphite, carbon black such as Ketjen black and acetylene black, and fine metal powder such as nickel.
【0062】正極に使用する結着剤としては、例えば、
電解液が非水溶媒系の場合には、ポリエチレンやポリプ
ロピレンなどのポリオレフィン、又はポリフッ化ビニリ
デンやテトラフルオロエチレンポリマーのようなフッ素
樹脂、電解液が水溶液系の場合には、ポリビニルアルコ
ール、セルロース又はポリアミドなどが挙げられる。As the binder used for the positive electrode, for example,
When the electrolytic solution is a non-aqueous solvent system, a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, or a fluororesin such as polyvinylidene fluoride or tetrafluoroethylene polymer, and when the electrolytic solution is an aqueous solution, polyvinyl alcohol, cellulose or polyamide And the like.
【0063】負極活物質がリチウムであるリチウム二次
電池では、正極活物質としては、遷移金属酸化物、遷移
金属硫化物、リチウム−遷移金属酸化物、又はリチウム
−遷移金属硫化物が一般に用いられる。遷移金属酸化物
や遷移金属硫化物の遷移金属元素としては、例えば、部
分的にd殻あるいはf殻を有する元素であるところの、
Sc,Y,ランタノイド,アクチノイド,Ti,Zr,
Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Tc,
Re,Fe,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,P
d,Pt,Cu,Ag,Auが挙げられる。特に、第一
遷移系列金属であるTi,V,Cr,Mn,Fe,C
o,Ni,Cuが好適に用いられる。In a lithium secondary battery in which the negative electrode active material is lithium, a transition metal oxide, a transition metal sulfide, a lithium-transition metal oxide, or a lithium-transition metal sulfide is generally used as the positive electrode active material. . As the transition metal element of the transition metal oxide or the transition metal sulfide, for example, an element partially having a d-shell or an f-shell,
Sc, Y, lanthanoid, actinoid, Ti, Zr,
Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc,
Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, P
d, Pt, Cu, Ag, and Au. In particular, the first transition series metals Ti, V, Cr, Mn, Fe, C
o, Ni, Cu are preferably used.
【0064】負極活物質が亜鉛であるニッケル亜鉛二次
電池では、正極活物質としては、酸化水酸化ニッケルを
用いる。In a nickel zinc secondary battery in which the negative electrode active material is zinc, nickel oxide hydroxide is used as the positive electrode active material.
【0065】負極活物質が亜鉛である空気亜鉛二次電池
では、正極活物質としては酸素を用い、正極は集電体と
触媒と撥水材から構成されている。触媒としては、例え
ば、多孔質炭素、多孔質ニッケル、酸化銅、酸化ニッケ
ルが用いられる。撥水材としては、多孔質のテトラフル
オロエチレンポリマーやポリフッ化ビリニデンのような
フッ素樹脂が用いられる。負極活物質が亜鉛である亜鉛
臭素二次電池では、正極活物質としては臭素を用いる。In an air zinc secondary battery in which the negative electrode active material is zinc, oxygen is used as the positive electrode active material, and the positive electrode comprises a current collector, a catalyst, and a water repellent material. As the catalyst, for example, porous carbon, porous nickel, copper oxide, and nickel oxide are used. As the water repellent material, a porous resin such as a porous tetrafluoroethylene polymer or polyvinylidene fluoride is used. In a zinc bromine secondary battery in which the negative electrode active material is zinc, bromine is used as the positive electrode active material.
【0066】(負極及び正極の集電体)本発明の二次電
池における負極及び正極で用いる集電体は、充放電時の
電極反応で消費する電流を効率よく供給するあるいは発
生する電流を集電する役目を担っている。したがって、
負極及び正極の集電体を形成する材料としては、電導度
が高く、かつ、電池反応に不活性な材質が望ましい。(Current Collector for Negative Electrode and Positive Electrode) The current collector used for the negative electrode and the positive electrode in the secondary battery of the present invention efficiently supplies the current consumed in the electrode reaction during charging and discharging or collects the current generated. Has the role of electricity. Therefore,
As a material forming the current collectors of the negative electrode and the positive electrode, a material having high conductivity and being inert to a battery reaction is desirable.
【0067】好ましい材質としては、ニッケル、チタニ
ウム、銅、アルミニウム、ステンレススチール、白金、
パラジウム、金、亜鉛、各種合金、及び上記材料の二種
以上の複合金属が挙げられる。集電体の形状としては、
例えば、板状、箔状、メッシュ状、スポンジ状、繊維
状、パンチングメタル、エキスパンドメタルなどの形成
状が採用できる。Preferred materials include nickel, titanium, copper, aluminum, stainless steel, platinum,
Examples include palladium, gold, zinc, various alloys, and two or more composite metals of the above materials. As the shape of the current collector,
For example, a formed shape such as a plate shape, a foil shape, a mesh shape, a sponge shape, a fibrous shape, a punching metal, an expanded metal and the like can be adopted.
【0068】(セパレータ)本発明の二次電池における
セパレータ(図1に示す例では103)は、負極と正極
間に配置され、これらの短絡を防ぐ役割がある。また、
電解液を保持する役割を有する場合もある。(Separator) The separator (103 in the example shown in FIG. 1) in the secondary battery of the present invention is disposed between the negative electrode and the positive electrode, and has a role of preventing a short circuit therebetween. Also,
In some cases, it has a role of holding the electrolytic solution.
【0069】セパレータは、リチウムイオンまたは水酸
イオンが、移動できる細孔を有し、かつ電解液に不溶で
安定である必要ある。したがって、セパレータとして
は、例えば、ガラス、ポリプロピレンやポリエステルな
どのポリオレフィン、フッ素樹脂、ポリアミドなどの不
織布あるいはミクロポア構造の材料が好適に用いられ
る。The separator must have pores through which lithium ions or hydroxide ions can move, and must be insoluble and stable in the electrolytic solution. Accordingly, as the separator, for example, a nonwoven fabric such as glass, polyolefin such as polypropylene or polyester, a fluororesin, or polyamide, or a material having a micropore structure is suitably used.
【0070】また、微細孔を有する金属酸化物フィル
ム、又は金属酸化物を複合化した樹脂フィルムも使用で
きる。特に、多層化した構造を有する金属酸化物フィル
ムを使用した場合には、デンドライトが貫通しにくいた
め、短絡防止に効果がある。難燃材であるフッ素樹脂フ
ィルム、又は不燃材であるガラス、若しくは金属酸化物
フィルムを用いた場合には、より安全性を高めることが
できる。Further, a metal oxide film having fine pores or a resin film in which a metal oxide is compounded can be used. In particular, when a metal oxide film having a multilayered structure is used, the dendrite hardly penetrates, which is effective in preventing a short circuit. When a fluororesin film which is a flame retardant material, or a glass or metal oxide film which is a nonflammable material is used, safety can be further improved.
【0071】(電解質)本発明の二次電池における電解
質は、例えば上述した電池反応に関与するイオンが移動
可能であり、電圧又は温度といった環境に応じて変動可
能な径を有する連通孔を有する層(図1に示す例では高
分子膜100)及びセパレータ103に保持される。か
かる電解質の使用法としては、次の3通りが挙げられ
る。 (1)そのままの状態で用いる方法。 (2)溶媒に溶解した溶液として用いる方法。 (3)溶液にポリマーなどのゲル化剤を添加することに
よって、固定化したものとして用いる方法。(Electrolyte) The electrolyte in the secondary battery of the present invention is, for example, a layer having a communication hole through which ions involved in the above-described battery reaction can move, and which has a diameter that can be varied according to the environment such as voltage or temperature. (The polymer film 100 in the example shown in FIG. 1) and the separator 103. The use of such an electrolyte includes the following three methods. (1) A method used as it is. (2) A method of using as a solution dissolved in a solvent. (3) A method in which a gelling agent such as a polymer is added to a solution to be used as an immobilized one.
【0072】一般的には、溶媒に電解質を溶かした電解
液を多孔性のセパレータに保液させて使用する。電解質
の導電率は、25℃における値として、好ましくは1×
10-3S/cm以上、より好ましくは5×10-3S/c
m以上であることが必要である。In general, an electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte in a solvent is retained on a porous separator for use. The conductivity of the electrolyte is preferably 1 × as a value at 25 ° C.
10 -3 S / cm or more, more preferably 5 × 10 -3 S / c
m or more.
【0073】負極活物質がリチウムであるリチウム電池
では、以下に示す電解質とその溶媒が好適に用いられ
る。電解質としては、例えば、H2SO4、HCl、HN
O3などの酸、リチウムイオン(Li+)とルイス酸イオ
ン(BF4 −、PF6 −、AsF6 −、ClO4 −、C
F3SO3 −、BPh4 −(Ph:フェニル基))から
成る塩、およびこれらの混合塩が挙げられる。また、ナ
トリウムイオン、カリウムイオン、テトラアルキルアン
モニウムイオンなどの陽イオンとルイス酸イオンからな
る塩も使用できる。上記塩は、減圧下で加熱したりし
て、十分な脱水と脱酸素を行っておくことが望ましい。In a lithium battery in which the negative electrode active material is lithium, the following electrolyte and its solvent are suitably used. As the electrolyte, for example, H 2 SO 4 , HCl, HN
Acids such as O 3 , lithium ions (Li + ) and Lewis acid ions (BF 4 − , PF 6 − , AsF 6 − , ClO 4 − , C
F 3 SO 3 -, BPh 4 -: salt consisting of (Ph phenyl group)), and these mixed salts thereof. Further, salts composed of cations such as sodium ion, potassium ion, and tetraalkylammonium ion and Lewis acid ions can also be used. It is desirable that the salt is sufficiently dehydrated and deoxygenated by heating under reduced pressure.
【0074】電解質の溶媒としては、例えば、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、エ
チレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチル
カーボネート、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフ
ラン、ニトロベンゼン、ジクロロエタン、ジエトキシエ
タン、1,2−ジメトキシエタン、クロロベンゼン、γ
−ブチロラクトン、ジオキソラン、スルホラン、ニトロ
メタン、ジメチルサルファイド、ジメチルサルオキシ
ド、ギ酸メチル、3−メチル−2−オキダゾリジノン、
2−メチルテトラヒドロフラン、3−プロピルシドノ
ン、二酸化イオウ、塩化ホスホリル、塩化チオニル、塩
化スルフリル又はこれらの混合液が使用できる。Examples of the solvent for the electrolyte include acetonitrile, benzonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethylformamide, tetrahydrofuran, nitrobenzene, dichloroethane, diethoxyethane, 1,2-dimethoxyethane, chlorobenzene, and the like. γ
-Butyrolactone, dioxolan, sulfolane, nitromethane, dimethyl sulfide, dimethyl sulphoxide, methyl formate, 3-methyl-2-oxidazolidinone,
2-Methyltetrahydrofuran, 3-propylsidnone, sulfur dioxide, phosphoryl chloride, thionyl chloride, sulfuryl chloride or a mixture thereof can be used.
【0075】上記溶媒は、例えば、活性アルミナ、モレ
キュラーシーブ、五酸化リン、塩化カルシウムなどで脱
水するか、溶媒によっては、不活性ガス中でアルカリ金
属共存下で蒸留して不純物除去と脱水をも行うのがよ
い。The solvent may be dehydrated with, for example, activated alumina, molecular sieve, phosphorus pentoxide, calcium chloride, or the like, or may be distilled in an inert gas in the presence of an alkali metal to remove impurities and dehydrate. Good to do.
【0076】電解液の漏洩を防止するために、ゲル化す
ることが好ましい。ゲル化剤としては電解液の溶媒を吸
収して膨潤するようなポリマーを用いるのが望ましい。
このようなポリマーとしては、ポリエチレンオキサイ
ド、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミドなどが
用いられる。In order to prevent the electrolyte from leaking, it is preferable to gel. As the gelling agent, it is desirable to use a polymer that absorbs the solvent of the electrolytic solution and swells.
As such a polymer, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, polyacrylamide and the like are used.
【0077】負極活物質が亜鉛であるニッケル亜鉛電池
や空気亜鉛電池では、以下に示す電解質が好適に用いら
れる。電解質の溶媒には水が用いられる。電解質として
は、例えば、アルカリ(水酸化カリウム、水酸化ナトリ
ウム、水酸化リチウムなど)が使用される。負極活物質
が亜鉛である臭素亜鉛電池では、臭化亜鉛などの塩が使
用される。In a nickel zinc battery or an air zinc battery in which the negative electrode active material is zinc, the following electrolytes are preferably used. Water is used as a solvent for the electrolyte. As the electrolyte, for example, an alkali (such as potassium hydroxide, sodium hydroxide, or lithium hydroxide) is used. In a zinc bromine battery in which the negative electrode active material is zinc, a salt such as zinc bromide is used.
【0078】電解液の漏洩を防止するために、ゲル化す
ることが好ましい。ゲル化剤としては電解液の溶媒を吸
収して膨潤するようなポリマーを用いるのが望ましい。
このようなポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオ
キサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド
などのポリマーや、デンプンが用いられる。In order to prevent the electrolyte solution from leaking, it is preferable to form a gel. As the gelling agent, it is desirable to use a polymer that absorbs the solvent of the electrolytic solution and swells.
As such a polymer, for example, a polymer such as polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, and polyacrylamide, and starch are used.
【0079】(電池の形状と構造)本発明の二次電池の
具体的な形状としては、例えば、扁平形、円筒形、直方
体形、シート形などがある。又、電池の構造としては、
例えば、単層式、多層式、スパイラル式などがある。そ
の中でも、スパイラル式円筒形の電池は、負極と正極の
間にセパレータを挟んで巻くことによって、電極面積を
大きくすることができ、充放電時に大電流を流すことが
できるという特徴を有する。また、直方体形やシート形
の電池は、複数の電池を収納して構成する機器の収納ス
ペースを有効に利用することができる特徴を有する。(Battery Shape and Structure) Specific shapes of the secondary battery of the present invention include, for example, a flat shape, a cylindrical shape, a rectangular parallelepiped shape, and a sheet shape. The structure of the battery is as follows:
For example, there are a single layer type, a multilayer type, a spiral type, and the like. Among them, the spiral cylindrical battery has a feature that the electrode area can be increased by winding the separator between the negative electrode and the positive electrode with the separator interposed therebetween, and a large current can flow during charging and discharging. In addition, the rectangular or sheet-shaped battery has a feature that the storage space of a device configured to store a plurality of batteries can be effectively used.
【0080】以下では、図3と図4を参照して、電池の
形状と構造についてより詳細な説明を行う。図3は単層
式扁平形(コイン形)電池の断面図であり、図4はスパ
イラル式円筒形電池の断面図を表している。これらは基
本的には図1と同様な構成で、負極、正極、電解質・セ
パレータ、電池ハウジング、出力端子を有する。Hereinafter, the shape and structure of the battery will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a sectional view of a single-layer flat (coin-shaped) battery, and FIG. 4 is a sectional view of a spiral cylindrical battery. These have basically the same configuration as in FIG. 1 and include a negative electrode, a positive electrode, an electrolyte / separator, a battery housing, and an output terminal.
【0081】図3と図4において、301と402は負
極(負極402は負極集電体400と活物質層401か
らなる)、303と408は正極(正極408は正極集
電体404と活物質層403からなる)、305と40
5は負極端子(負極キャップ)、306と406は正極
端子(正極缶)、307と407はセパレータ・電解
液、310と410はガスケット、411は絶縁板、4
12は負極リード、413は正極リード、414は安全
弁である。3 and 4, reference numerals 301 and 402 denote negative electrodes (a negative electrode 402 comprises a negative electrode current collector 400 and an active material layer 401), and reference numerals 303 and 408 denote positive electrodes (a positive electrode 408 denotes a positive electrode current collector 404 and an active material layer). Layer 403), 305 and 40
5 is a negative electrode terminal (negative electrode cap), 306 and 406 are positive electrode terminals (positive can), 307 and 407 are separators / electrolyte, 310 and 410 are gaskets, 411 is an insulating plate,
12 is a negative electrode lead, 413 is a positive electrode lead, and 414 is a safety valve.
【0082】図3に示す扁平型(コイン型)の二次電池
では、正極活物質層を含む正極303と負極材料層を備
えた負極301が少なくとも電解液を保持したセパレー
タ307、更には前述したような連通孔を有する層とし
ての高分子膜315を介して積層されており、この積層
体が正極端子としての正極缶306内に正極側から収容
され、負極側が負極端子としての負極キャップ305に
より被覆されている。そして正極缶内の他の部分にはガ
スケット310が配置されている。In the flat-type (coin-type) secondary battery shown in FIG. 3, a positive electrode 303 including a positive electrode active material layer and a negative electrode 301 including a negative electrode material layer have a separator 307 holding at least an electrolytic solution, and the above-described separator 307. These layers are stacked via a polymer film 315 as a layer having such communication holes, and the stacked body is accommodated from the positive electrode side in a positive electrode can 306 as a positive electrode terminal, and the negative electrode side is covered by a negative electrode cap 305 as a negative electrode terminal. Coated. Then, a gasket 310 is arranged in another portion inside the positive electrode can.
【0083】図4に示すスパイラル式円筒型の二次電池
では、正極集電体404上に形成された正極(活物質)
層403を有する正極と、負極集電体400上に形成さ
れた負極(活物質)層401を有した負極402が、少
なくとも電解液を保持したセパレーター407、更には
前述したような連通孔を有する層としての高分子膜41
5を介して対向し、多重に巻回された円筒状構造の積層
体を形成している。当該円筒状構造の積層体が、正極端
子としての正極缶406内に収容されている。また、当
該正極缶406の開口部側には負極端子としての負極キ
ャップ405が設けられており、負極缶内の他の部分に
おいてガスケット410が配置されている。円筒状構造
の電極の積層体は絶縁板411を介して正極缶及び負極
キャップの内部と隔てられている。正極408について
は正極リード413を介して正極缶406に接続されて
いる。又負極402については負極リード412を介し
て負極キャップ405と接続されている。負極キャップ
側には電池内部の内圧を調整するための安全弁414が
設けられている。In the spiral cylindrical secondary battery shown in FIG. 4, the positive electrode (active material) formed on the positive electrode current collector 404
A positive electrode having a layer 403 and a negative electrode 402 having a negative electrode (active material) layer 401 formed on a negative electrode current collector 400 have at least a separator 407 holding an electrolytic solution, and further, a communication hole as described above. Polymer film 41 as layer
5, a multilayer body having a cylindrical structure wound in multiple layers is formed. The laminate having the cylindrical structure is accommodated in a positive electrode can 406 as a positive electrode terminal. Further, a negative electrode cap 405 as a negative electrode terminal is provided on the opening side of the positive electrode can 406, and a gasket 410 is disposed in another portion inside the negative electrode can. The stacked body of electrodes having a cylindrical structure is separated from the inside of the positive electrode can and the inside of the negative electrode cap via an insulating plate 411. The positive electrode 408 is connected to a positive electrode can 406 via a positive electrode lead 413. The negative electrode 402 is connected to a negative electrode cap 405 via a negative electrode lead 412. A safety valve 414 for adjusting the internal pressure inside the battery is provided on the negative electrode cap side.
【0084】以下では、図3や図4に示した電池の組み
立て方法の一例を説明する。 (1)高分子膜(315、415)で被覆された負極層
(301、401)と成形した正極層(303、40
3)の間に、セパレータ(307、407)を挟んで、
正極缶(306、406)に組み込む。 (2)電解質を注入した後、負極キャップ(305、4
05)とガスケット(310、410)を組み立てる。 (3)上記(2)を、かしめることによって、電池は完
成する。In the following, an example of a method of assembling the battery shown in FIGS. 3 and 4 will be described. (1) A negative electrode layer (301, 401) covered with a polymer film (315, 415) and a molded positive electrode layer (303, 40)
3), the separators (307, 407) are sandwiched between
It is incorporated in the positive electrode cans (306, 406). (2) After injecting the electrolyte, the negative electrode cap (305, 4
05) and gaskets (310, 410). (3) The battery is completed by caulking the above (2).
【0085】なお、上述したリチウム電池の材料調製、
および電池の組立は、水分が十分除去された乾燥空気
中、又は乾燥不活性ガス中で行うのが望ましい。The above-mentioned material preparation for the lithium battery,
It is desirable that the battery be assembled in dry air from which moisture has been sufficiently removed or in a dry inert gas.
【0086】上述した二次電池の例における部材の態様
について説明する。 (ガスケット)ガスケット(310、410)の材料と
しては、例えば、ポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、ポ
リアミド樹脂、ポリスルフォン樹脂、各種ゴムが使用で
きる。電池の封口方法としては、図3と図4のようにガ
スケットを用いた「かしめ」以外にも、ガラス封管、接
着剤、溶接、半田付けなどの方法が用いられる。また、
図4の絶縁板(411)の材料としては、各種有機樹脂
材料やセラミックスが用いられる。A description will be given of aspects of the members in the above-described example of the secondary battery. (Gasket) As a material of the gasket (310, 410), for example, polyolefin resin, fluorine resin, polyamide resin, polysulfone resin, and various rubbers can be used. As a method for sealing the battery, a method such as glass sealing tube, adhesive, welding, soldering, or the like is used other than “caulking” using a gasket as shown in FIGS. Also,
As the material of the insulating plate (411) in FIG. 4, various organic resin materials and ceramics are used.
【0087】(電池ハウジング/正極缶、負極キャッ
プ)本発明の二次電池で各部材を収容する電池ハウジン
グとしては、例えば、図3及び図4に示す例のように電
池の各電極端子と正極缶及び負極キャップ等を兼用す
る。図3に示す例では正極缶306及び負極キャップ3
05が、図4に示す例では、正極缶406及び負極キャ
ップ405が、夫々出入力端子を兼ねる電池ハウジング
となる。出入力端子を兼ねる電池ハウジングの材料とし
ては、ステンレススチールが好適に用いられる。特に、
チタンクラッドステンレス板や銅クラッドステンレス
板、ニッケルメッキ鋼板などが多用される。(Battery Housing / Positive Electrode Can, Negative Cap) As the battery housing for accommodating each member in the secondary battery of the present invention, for example, as shown in FIG. 3 and FIG. Also serves as a can and negative electrode cap. In the example shown in FIG. 3, the positive electrode can 306 and the negative electrode cap 3
In the example shown in FIG. 4, the positive electrode can 406 and the negative electrode cap 405 are battery housings that also serve as input / output terminals. As a material of the battery housing also serving as the input / output terminal, stainless steel is preferably used. In particular,
A titanium-clad stainless steel plate, a copper-clad stainless steel plate, a nickel-plated steel plate and the like are often used.
【0088】特に図3と図4に示す例では正極缶30
6、406が電池ハウジングを兼ねているため、上記の
ステンレススチールが好ましい。一方、正極缶等が電池
ハウジングを兼用しない場合には、電池ハウジングの材
質としては、ステンレススチール以外にも例えば亜鉛な
どの金属、ポリプロピレンなどのプラスチック、又は金
属若しくはガラス繊維とプラスチックの複合材が用いら
れる。In particular, in the example shown in FIGS.
The above-mentioned stainless steel is preferable because 6, 406 also serves as the battery housing. On the other hand, when the positive electrode can and the like do not double as the battery housing, as the material of the battery housing, other than stainless steel, for example, a metal such as zinc, a plastic such as polypropylene, or a composite material of metal or glass fiber and plastic is used. Can be
【0089】(安全弁)本発明の二次電池には、電池の
内圧が高まった時の安全対策として、安全弁(図4に示
す例では414)が設けられることが好ましい。安全弁
としては、例えば、ゴム、スプリング、金属ボール、破
裂箔なとが使用できる。(Safety Valve) The secondary battery of the present invention is preferably provided with a safety valve (414 in the example shown in FIG. 4) as a safety measure when the internal pressure of the battery increases. As the safety valve, for example, rubber, spring, metal ball, bursting foil, or the like can be used.
【0090】[0090]
【実施例】以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail based on embodiments. Note that the present invention is not limited to these examples.
【0091】実施例1 本発明では、図3に示した断面構造のようなコイン形の
リチウム二次電池を作製した。負極表面には充電時のリ
チウムのデンドライト成長による内部短絡防止用の高分
子−液晶複合膜で被覆した負極を用いた。以下では、図
3を参照して、電池の各構成物の作製手順と、電池の組
み立てについて説明する。なお、操作は全てアルゴンガ
ス中で行った。Example 1 In the present invention, a coin-shaped lithium secondary battery having the cross-sectional structure shown in FIG. 3 was manufactured. On the negative electrode surface, a negative electrode coated with a polymer-liquid crystal composite film for preventing internal short circuit due to lithium dendrite growth during charging was used. Hereinafter, with reference to FIG. 3, a description will be given of a procedure for manufacturing each component of the battery and an assembly of the battery. All operations were performed in argon gas.
【0092】(1)負極(活物質)層301の作製手順 銅のエキスパンドメタルに金属リチウム箔を圧着して
負極層301を作製した。(1) Procedure for Producing Negative Electrode (Active Material) Layer 301 A negative electrode layer 301 was produced by pressing a metallic lithium foil on copper expanded metal.
【0093】(2)高分子−液晶複合膜での負極の被覆 ポリ塩化ビニルと負の誘電異方性を示すMerck社
製液晶ZLI−4519を重量比40/60になるよう
に混合した後、ジクロロエタンを添加して塗布溶液を調
製した。(2) Coating of Negative Electrode with Polymer-Liquid Crystal Composite Film Polyvinyl chloride and liquid crystal ZLI-4519 manufactured by Merck having negative dielectric anisotropy were mixed at a weight ratio of 40/60. Dichloroethane was added to prepare a coating solution.
【0094】前記(1)で作製した銅のエキスパンド
メタルに圧着した金属リチウム箔表面に、上記で調製
した塗布溶液を塗布後、金属リチウム箔面に垂直方向に
磁場を印加して乾燥し、次いで紫外線を照射して架橋さ
せて液晶が分散した高分子膜315で被覆した金属リチ
ウム箔の負極(活物質)層301を得た。After applying the coating solution prepared above on the surface of the metal lithium foil pressed against the expanded copper metal prepared in the above (1), a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the surface of the metal lithium foil, followed by drying. The negative electrode (active material) layer 301 of a lithium metal foil covered with a polymer film 315 in which liquid crystal was dispersed by irradiation with ultraviolet rays was crosslinked.
【0095】(3)正極(活物質)層303の作製手順 電解二酸化マンガンと炭酸リチウムを、1:0.4の
モル比で混合した後、800℃で熱処理して、リチウム
−マンガン酸化物を調製した。 上記において調製したリチウム−マンガン酸化物
に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%とポ
リフッ化ビリニデン粉5wt%を混合した後、N−メチ
ル−2−ピロリドンを添加した。 上記で得られたペーストを、アルミニウム箔に塗布
乾燥した後、150℃で減圧乾燥して正極(活物質)層
303を作製した。(3) Production procedure of positive electrode (active material) layer 303 Electrolytic manganese dioxide and lithium carbonate were mixed at a molar ratio of 1: 0.4, and then heat-treated at 800 ° C. to remove lithium-manganese oxide. Prepared. N-methyl-2-pyrrolidone was added to the lithium-manganese oxide prepared above after mixing 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder. The paste obtained above was applied to an aluminum foil and dried, and then dried under reduced pressure at 150 ° C. to form a positive electrode (active material) layer 303.
【0096】(4)電解液307の作製手順 十分に水分を除去したエチレンカーボネート(EC)
とジメチルカーボネート(DMC)とを、等量混合した
溶媒を調製した。 上記で得られた溶媒に、四フッ化ホウ酸リチウム塩
を1M(mol/1)溶解したものを電解液として用い
た。(4) Procedure for producing electrolyte solution 307 Ethylene carbonate (EC) from which water was sufficiently removed
And dimethyl carbonate (DMC) were mixed in an equal amount to prepare a solvent. A solution obtained by dissolving lithium tetrafluoroborate 1M (mol / 1) in the solvent obtained above was used as an electrolytic solution.
【0097】(5)セパレータ307 ポリエチレンの微孔セパレータを用い(4)で調整した
電解液を保液させた。(5) Separator 307 Using a polyethylene microporous separator, the electrolyte prepared in (4) was retained.
【0098】(6)電池の組み立て 高分子膜315で被覆した負極層301と正極層30
3の間に電解液を保液したセパレータ307を挟み、チ
タンクラッドのステンレススチール材の正極缶306に
挿入した。更に、正極缶306内に上記電解液を注入
し、高分子膜315に電解液を保液させた。 上記で得られた正極缶306に、ポリプロピレンの
ガスケット310とチタンクラッドのステンレススチー
ル材の負極キャップ305をかぶせ、かしめてリチウム
二次電池を作製した。(6) Assembly of Battery The negative electrode layer 301 and the positive electrode layer 30 covered with the polymer film 315
3, a separator 307 holding an electrolytic solution was sandwiched therebetween, and inserted into a positive electrode can 306 made of a titanium clad stainless steel material. Further, the above-mentioned electrolytic solution was injected into the positive electrode can 306, and the electrolytic solution was retained in the polymer film 315. The positive electrode can 306 obtained above was covered with a gasket 310 of polypropylene and a negative electrode cap 305 of titanium clad stainless steel material, and were caulked to produce a lithium secondary battery.
【0099】(電池特性の評価)以下では、作製した電
池の性能評価について説明する。性能評価は、充放電サ
イクル試験において得られる、電池の単位体積当たりの
エネルギー密度と、サイクル寿命について行った。(Evaluation of Battery Characteristics) Hereinafter, performance evaluation of the manufactured battery will be described. The performance evaluation was performed on the energy density per unit volume of the battery and the cycle life obtained in the charge / discharge cycle test.
【0100】サイクル試験の条件は、正極活物質から計
算される電気容量を基準として、充電時に負極活物質の
デンドライト成長が起きやすいように大きな電流密度、
すなわち1C(容量/時間の1倍の電流)の充放電と、
30分の休憩時間からなるサイクルを1サイクルとし
た。電池の充放電試験は、北斗電工製HJ−106Mを
使用した。なお、充放電試験は、充電より開始し、電池
容量は3サイクル目の放電量とし、サイクル寿命は電池
容量の60%を下回ったサイクル回数とした。The conditions of the cycle test are based on the electric capacity calculated from the positive electrode active material, and a large current density such that dendrite growth of the negative electrode active material easily occurs during charging.
That is, charging and discharging of 1C (current of one time of capacity / time),
A cycle consisting of a 30-minute rest period was defined as one cycle. The charge / discharge test of the battery used HJ-106M manufactured by Hokuto Denko. The charge / discharge test was started from charging, the battery capacity was the discharge amount in the third cycle, and the cycle life was the number of cycles less than 60% of the battery capacity.
【0101】単位体積あたりのエネルギー密度(Wh/
l)については〔平均作動電圧(V)×放電電気量(A
h)〕/電池体積(1)の値にて評価した。尚、電池体
積については負極/セパレーター/正極からなるユニッ
トのセルの外形の体積として計算した。リチウム電池の
場合は、充電のカットオフ電圧を4.5V、放電のカッ
トオフ電圧を2.5Vに設定した。The energy density per unit volume (Wh /
l) [Average operating voltage (V) × discharged electricity (A)
h)] / Battery volume (1). The volume of the battery was calculated as the outer volume of the cell of the unit composed of the negative electrode / separator / positive electrode. In the case of a lithium battery, the cutoff voltage for charging was set to 4.5 V, and the cutoff voltage for discharging was set to 2.5 V.
【0102】比較例1 本例では負極として高分子−液晶複合膜の被覆を行わな
かった負極(活物質)層を使用する点を除いて、すなわ
ち、本例では、実施例1における高分子−液晶複合膜の
被覆操作は実施しないことを除いて、他の点は実施例1
と同様にして電池を作製し、同様に評価を行った。Comparative Example 1 In this example, a negative electrode (active material) layer not coated with a polymer-liquid crystal composite film was used as the negative electrode. Except that the coating operation of the liquid crystal composite film was not performed, the other points were the same as those in Example 1.
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 and evaluated in the same manner.
【0103】表1は、実施例1と比較例1で作製したリ
チウム二次電池の性能評価(サイクル寿命)についてま
とめたものである。このサイクル寿命に関す評価結果
は、実施例1の値を、比較例1の値を1.0として規格
化して記載した。Table 1 summarizes the performance evaluation (cycle life) of the lithium secondary batteries produced in Example 1 and Comparative Example 1. The evaluation results regarding the cycle life were described by standardizing the value of Example 1 with the value of Comparative Example 1 being 1.0.
【0104】[0104]
【表1】 [Table 1]
【0105】又、別に実施例1及び比較例1で作製した
電池について上記の条件で充放電試験を10サイクル行
い電池缶を開封し、電池のアノードにおけるデンドライ
ト成長の状態を顕微鏡観察した。実施例1の電池ではデ
ンドライトの発生は見られなかったが、比較例1ではデ
ンドライトの発生が観察された。したがって、実施例1
の負極上が高分子液晶複合膜で被覆された二次電池にお
いては長期間の使用においてもデンドライトの発生はな
く、長いサイクル寿命が得られることがわかった。Separately, the batteries prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to 10 charge / discharge tests under the above conditions, the battery can was opened, and the state of dendrite growth on the anode of the battery was observed under a microscope. In the battery of Example 1, no generation of dendrites was observed, but in Comparative Example 1, generation of dendrites was observed. Therefore, Example 1
It was found that in the secondary battery in which the negative electrode was coated with the polymer liquid crystal composite film, no dendrite was generated even after long-term use, and a long cycle life was obtained.
【0106】実施例2 本例では、図3に示した断面構造のようなコイン形のリ
チウム二次電池を作製した。高分子液晶膜で被覆したア
ルミニウム箔を負極に、リチウム−ニッケル酸化物を正
極活物質に用いた点を除いて、それ以外は実施例1と同
様に二次電池を作製した。Example 2 In this example, a coin-shaped lithium secondary battery having the cross-sectional structure shown in FIG. 3 was manufactured. A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that an aluminum foil covered with a polymer liquid crystal film was used as a negative electrode and lithium-nickel oxide was used as a positive electrode active material.
【0107】以下では、図3を参照して、電池の負極と
正極の作製手順について説明する。 (1)負極の作製手順 アルミニウム箔を5重量%の水酸化カリウム水溶液で
表面をエッチングし、硝酸水溶液で中和し水洗後、塩酸
水溶液を電解液に、対向電極にグラシーカーボンを使用
し、上記処理を施したアルミニウム箔を電解エッングし
て、水洗し減圧乾燥後、表面積を高めたアルミニウム箔
を調製した。電池における充電時にはこのアルミニウム
表面に負極活物質であるリチウムが析出し、負極活物質
層を形成することになる。Hereinafter, the procedure for producing the negative and positive electrodes of the battery will be described with reference to FIG. (1) Production procedure of negative electrode The surface of an aluminum foil was etched with a 5% by weight aqueous solution of potassium hydroxide, neutralized with an aqueous solution of nitric acid, washed with water, and an aqueous solution of hydrochloric acid was used as an electrolyte, and glassy carbon was used as a counter electrode. The treated aluminum foil was electrolytically etched, washed with water and dried under reduced pressure, to prepare an aluminum foil having an increased surface area. At the time of charging in a battery, lithium as a negative electrode active material is deposited on the aluminum surface to form a negative electrode active material layer.
【0108】(2)高分子液晶膜での負極の被覆 ポリ(4,4′−ジオキシ−2,2′−ジメチルアゾ
キシベンゼン(+3)−メチルヘキサンジオイル)のコ
レスティック高分子液晶にホウフッ化リチウム2重量%
を混合したテトラヒドロフラン溶液にアゾビスイソブチ
ロニトリルを添加して、塗布溶液を調製した。 前記(1)で作製したアルミニウム箔表面に、上記
で調製した塗布溶液をスピンコータで塗布後、減圧下1
00℃で熱処理を施して高分子液晶膜で被覆したアルミ
ニウム箔の負極を調製した。(2) Coating of Negative Electrode with Polymer Liquid Crystal Film Poly (4,4'-dioxy-2,2'-dimethylazoxybenzene (+3) -methylhexanedioil) cholesteric polymer liquid crystal was coated with Lithium chloride 2% by weight
Azobisisobutyronitrile was added to a tetrahydrofuran solution mixed with to prepare a coating solution. After applying the coating solution prepared above on the surface of the aluminum foil prepared in the above (1) using a spin coater, the coating solution was applied under reduced pressure for 1 hour.
Heat treatment was performed at 00 ° C. to prepare an aluminum foil negative electrode covered with a polymer liquid crystal film.
【0109】(3)正極活物質層303の作製手順 硝酸リチウムと炭酸ニッケルを、1:1のモル比で混
合した後、750℃空気気流中で熱処理して、リチウム
−ニッケル酸化物を調製した。 上記において調製したリチウム−ニッケル酸化物
に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%とポ
リフッ化ビリニデン粉5wt%を混合した後、N−メチ
ル−2−ピロリドンを添加した。 上記で得られたペーストを、アルミニウム箔に塗布
乾燥した後、150℃で減圧乾燥して正極活物質層30
3を作製した。他の点は実施例1と同様にして電池を作
製した。(3) Procedure for Producing Positive Electrode Active Material Layer 303 After mixing lithium nitrate and nickel carbonate at a molar ratio of 1: 1, the mixture was heat-treated in an air stream at 750 ° C. to prepare a lithium-nickel oxide. . N-methyl-2-pyrrolidone was added to the lithium-nickel oxide prepared above after mixing 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder. The paste obtained above is applied to an aluminum foil and dried, and then dried under reduced pressure at 150 ° C. to form a positive electrode active material layer 30.
3 was produced. In other respects, a battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
【0110】比較例2 本例では負極として高分子液晶膜を被覆しなかったもの
を使用した点を除いて、すなわち、本例では、実施例2
における高分子液晶膜の被覆操作は実施しないことを除
いて、他の点は実施例2と同様にして電池を作製し、同
様に評価を行った。Comparative Example 2 In this example, except that the negative electrode was not coated with a polymer liquid crystal film, that is, in this example,
A battery was fabricated in the same manner as in Example 2 except that the coating operation of the polymer liquid crystal film in was not performed, and the same evaluation was performed.
【0111】表2は、実施例2と比較例2で作製したリ
チウム二次電池の性能評価(サイクル寿命)についてま
とめたものである。このサイクル寿命に関す評価結果
は、実施例2の値を、比較例2の値を1.0として規格
化して記載した。Table 2 summarizes the performance evaluation (cycle life) of the lithium secondary batteries produced in Example 2 and Comparative Example 2. The evaluation results regarding the cycle life were described by standardizing the value of Example 2 with the value of Comparative Example 2 being 1.0.
【0112】[0112]
【表2】 したがって、実施例2の負極が高分子液晶膜で被覆され
た二次電池においては、サイクル寿命が長くなることが
わかった。[Table 2] Therefore, it was found that the cycle life of the secondary battery of Example 2 in which the negative electrode was covered with the polymer liquid crystal film was prolonged.
【0113】実施例3 本例では、図3に示した断面構造のようなコイン形のリ
チウム二次電池を作製した。充電時にリチウムを層間に
蓄えるインターカレーション物質として黒鉛を負極に、
リチウム−コバルト酸化物を正極活物質に、負極と正極
の間において高分子ゲル膜を設けた点が、実施例1とは
異なる。それ以外は実施例1と同じ様に二次電池を作製
した。Example 3 In this example, a coin-shaped lithium secondary battery having the cross-sectional structure shown in FIG. 3 was manufactured. Graphite is used as a negative electrode as an intercalation substance that stores lithium between layers during charging,
Example 2 differs from Example 1 in that a lithium-cobalt oxide was used as a positive electrode active material and a polymer gel film was provided between the negative electrode and the positive electrode. Otherwise, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1.
【0114】以下では、図3を参照して、電池の負極と
正極の作製手順について説明する。 (1)高分子ゲル膜の作製手順 窒素ガスを流し脱酸化した、重合体のモノマーである
N,N−ジエチルアクリルアミドとアクリル酸ナトリウ
ムとの水溶液に、親水処理を施した微孔性ポリプロピレ
ンフィルムを浸し、ガンマ線を照射した後、水で洗浄
し、未反応のモノマーを除去して減圧乾燥して、高分子
ゲル付き微孔性ポリプロピレンフィルムを得た。Hereinafter, the procedure for producing the negative and positive electrodes of the battery will be described with reference to FIG. (1) Preparation procedure of polymer gel membrane A microporous polypropylene film subjected to hydrophilic treatment was applied to an aqueous solution of N, N-diethylacrylamide, which is a polymer monomer, and sodium acrylate, which had been deoxidized by flowing nitrogen gas. After immersion and irradiation with gamma rays, the polymer was washed with water to remove unreacted monomers and dried under reduced pressure to obtain a microporous polypropylene film with a polymer gel.
【0115】(2)負極の作製手順 アルゴンガス気流中2000℃で熱処理した天然黒鉛
の微粉末にポリフッ化ビニリデン粉5wt%を混合した
後、N−メチル−2−ピロリドンを添加してペーストを
調製した。 上記で得られたペーストを、銅箔に塗布乾燥した
後、150℃で減圧乾燥して負極を作製した。充電時に
は、この黒鉛にリチウムがインターカレートして負極
(活物質)層301が形成されることになる。(2) Preparation of Negative Electrode After 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder was mixed with fine powder of natural graphite heat-treated at 2000 ° C. in an argon gas stream, N-methyl-2-pyrrolidone was added to prepare a paste. did. The paste obtained above was applied to a copper foil and dried, and then dried under reduced pressure at 150 ° C. to produce a negative electrode. At the time of charging, lithium is intercalated into the graphite to form a negative electrode (active material) layer 301.
【0116】(3)正極(活物質)層303の作製手順 炭酸リチウムと炭酸コバルトを、1:2のモル比で混
合した後、800℃空気気流で熱処理して、リチウム−
コバルト酸化物を調製した。 上記において調製したリチウム−コバルト酸化物
に、アセチレンブラックの炭素粉3wt(重量)%とポ
リフッ化ビリニデン粉5wt%を混合した後、N−メチ
ル−2−ピロリドンを添加した。 上記で得られたペーストを、エキスパンドメタル状
のアルミニウム箔である集電体に塗布乾燥した後、15
0℃で減圧乾燥して正極活物質層303を作製した。(3) Preparation procedure of positive electrode (active material) layer 303 Lithium carbonate and cobalt carbonate were mixed at a molar ratio of 1: 2, and then heat-treated in an air stream at 800 ° C.
A cobalt oxide was prepared. N-methyl-2-pyrrolidone was added to the lithium-cobalt oxide prepared above after mixing 3 wt% (weight) of carbon powder of acetylene black and 5 wt% of polyvinylidene fluoride powder. After applying and drying the paste obtained above on a current collector that is an expanded metal aluminum foil,
The positive electrode active material layer 303 was formed by drying under reduced pressure at 0 ° C.
【0117】(4)電池の組み立て 正極、負極間に、(1)で作製し電解液を保液させた
(電解液は実施例1と同じ)高分子ゲル付き微孔性ポリ
プロピレンフィルムを挟み、図2(c)に示すような正
極102、電解液を保液した高分子膜100、負極10
1の積層構造を形成し、チタンクラッドのステンレスス
チール材の正極缶306に挿入した。(4) Assembly of Battery A microporous polypropylene film with a polymer gel, prepared in (1) and holding an electrolytic solution (the electrolytic solution is the same as in Example 1), is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. As shown in FIG. 2C, a positive electrode 102, a polymer film 100 holding an electrolytic solution, and a negative electrode 10
The laminated structure of No. 1 was formed and inserted into a positive electrode can 306 made of a titanium clad stainless steel material.
【0118】上記で得られた正極缶306に、ポリ
プロピレンのガスケット310とチタンクラッドのステ
ンレススチール材の負極キャップ305をかぶせ、かし
めてリチウム二次電池を作製した。即ち、図3に示す構
造で高分子膜315がセパレーター307と同層でその
機能を備えている。得られた二次電池について実施例1
と同様に性能の評価を行った。The positive electrode can 306 obtained above was covered with a polypropylene gasket 310 and a negative electrode cap 305 made of a titanium clad stainless steel material, and then caulked to produce a lithium secondary battery. That is, in the structure shown in FIG. 3, the polymer film 315 has the same function as the separator 307 in the same layer. Example 1 about the obtained secondary battery
The performance was evaluated in the same manner as in.
【0119】比較例3 本例では正極及び負極間に高分子ゲル膜を使用しない点
を除いて、他の点は実施例3と同様にして二次電池を作
製した。即ち、微孔性ポリプロピレンフィルムをセパレ
ータとして用いた。Comparative Example 3 In this example, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 3 except that no polymer gel film was used between the positive electrode and the negative electrode. That is, a microporous polypropylene film was used as a separator.
【0120】表3は、実施例3と比較例3で作製したリ
チウム二次電池の性能評価(サイクル寿命)についてま
とめたものである。このサイクル寿命に関す評価結果
は、実施例3の値を、比較例3の値を1.0として規格
化して記載した。Table 3 summarizes the performance evaluation (cycle life) of the lithium secondary batteries produced in Example 3 and Comparative Example 3. The evaluation result on the cycle life was described by standardizing the value of Example 3 with the value of Comparative Example 3 being 1.0.
【0121】[0121]
【表3】 したがって、実施例3の正極及び負極間に高分子ゲル膜
が挟装されたリチウム二次電池では、サイクル寿命が向
上することがわかった。[Table 3] Therefore, it was found that the cycle life was improved in the lithium secondary battery of Example 3 in which the polymer gel film was interposed between the positive electrode and the negative electrode.
【0122】尚、比較例3の二次電池の単位体積当たり
のエネルギー密度を1.0として、実施例1、実施例
2、実施例3の二次電池の単位体積当たりのエネルギー
密度を規格化したところ、それぞれ、1.9、1.6、
1.0であった。このエネルギー密度の比較から、実施
例1〜3のリチウム二次電池では、いずれもサイクル寿
命が長く、更にエネルギー密度の高い二次電池が得られ
ることがわかった。The energy density per unit volume of the secondary battery of Comparative Example 3 was set to 1.0, and the energy density per unit volume of the secondary batteries of Examples 1, 2, and 3 was standardized. As a result, 1.9, 1.6,
1.0. From the comparison of the energy densities, it was found that all of the lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 have a long cycle life and can be obtained with a higher energy density.
【0123】実施例1〜3では、リチウム二次電池にお
ける正極活物質として、リチウム−コバルト酸化物、リ
チウム−ニッケル酸化物、リチウム−マンガン酸化物を
使用した。しかし、これに限定されるものでなく、リチ
ウム−バナジウム酸化物、リチウム−鉄酸化物などの各
種の正極活物質も採用できる。また、負極材料として、
黒鉛、アルミニウム、金属リチウムを使用した。しか
し、これに限定されるものでなく、有機樹脂を焼成して
得られる各種炭素材料、遷移金属酸化物、遷移金属硫化
物なども採用できる。In Examples 1 to 3, lithium-cobalt oxide, lithium-nickel oxide, and lithium-manganese oxide were used as a positive electrode active material in a lithium secondary battery. However, the present invention is not limited to this, and various positive electrode active materials such as lithium-vanadium oxide and lithium-iron oxide can be employed. In addition, as a negative electrode material,
Graphite, aluminum and lithium metal were used. However, the present invention is not limited to this, and various carbon materials, transition metal oxides, transition metal sulfides, and the like obtained by firing an organic resin can also be employed.
【0124】また、電解液に関しても、実施例1〜3ま
で1種類のものを使用したが、本発明はこれに限定され
るものでない。Also, one type of electrolyte solution was used in Examples 1 to 3, but the present invention is not limited to this.
【0125】実施例4 本例では、図3に示した断面構造のようなコイン形のニ
ッケル−亜鉛二次電池を作製した。Example 4 In this example, a coin-shaped nickel-zinc secondary battery having the sectional structure shown in FIG. 3 was manufactured.
【0126】以下では、図3を参照して、電池の各構成
物の作製手順と、電池の組み立てについて説明する。 (1)高分子ゲル膜315の作製手順 重合体のモノマーであるアクリルアミド及びトリメチ
ル(N−アクリロイル−3−アミノプロピル)アンモニ
ウムヨーダイドと架橋剤のN,N′−メチレンビスアク
リルアミドを水に溶解した後、窒素ガスを流して脱酸化
して、親水処理を施した微孔性ポリプロピレンフィルム
を浸し、この液に重合開始剤の過硫酸アンモニウムとテ
トラメチルエチレンジアミンを添加して30分程度反応
させてゲルを得た後、水で洗浄し、未反応のモノマーを
除去して減圧乾燥して、高分子ゲル付き微孔性ポリプロ
ピレンフィルムを得た。Hereinafter, with reference to FIG. 3, a description will be given of a procedure for manufacturing each component of the battery and an assembly of the battery. (1) Procedure for Producing Polymer Gel Film 315 Acrylamide and trimethyl (N-acryloyl-3-aminopropyl) ammonium iodide as polymer monomers and N, N'-methylenebisacrylamide as a crosslinking agent were dissolved in water. Thereafter, a nitrogen gas is flown to deoxidize, soak the hydrophilically treated microporous polypropylene film, add ammonium persulfate as a polymerization initiator and tetramethylethylenediamine to this liquid, and react for about 30 minutes to form a gel. After that, it was washed with water to remove unreacted monomers and dried under reduced pressure to obtain a microporous polypropylene film with a polymer gel.
【0127】(2)負極(活物質)層301の作製手順 銅のパンチングメタルの両面に、亜鉛粉末と酸化亜鉛
粉末の混合物にポリビニルアルコールを結着剤として、
水を加えて混練してペースト状にし、ニッケル金属のパ
ンチングメタル板に塗着し乾燥後、プレス成形すること
によって、負極活(物質)層301を得た。(2) Preparation procedure of negative electrode (active material) layer 301 A mixture of zinc powder and zinc oxide powder was used on both sides of a copper punching metal, and polyvinyl alcohol was used as a binder.
Water was added and kneaded to form a paste, which was applied to a nickel metal punched metal plate, dried, and pressed to obtain a negative electrode active (material) layer 301.
【0128】(3)正極(活物質)層303の作製手順 水酸化ニッケルに、ニッケル粉を加えて、結着剤とし
てカルボキシメチルセルロース、及び水を加えて、ペー
ストを調製し、ニッケルの発泡体(住友電工社製、セル
メット)に充填した後、乾燥、プレスして作製した。(3) Procedure for Producing Positive Electrode (Active Material) Layer 303 Nickel powder is added to nickel hydroxide, carboxymethylcellulose and water are added as a binder to prepare a paste, and a nickel foam ( After filling in Sumitomo Electric Co., Ltd., Celmet), it was dried and pressed to produce.
【0129】(4)電解液307の作製手順 水酸化リチウムを添加した30wt%水酸化カリウム
水溶液を使用した。 (5)セパレータ307 親水処理したポリプロピレン不織布を親水処理した微
孔性のポリプロピレンフィルムでサンドイッチした10
0μm厚のものを用いた。(4) Procedure for Producing Electrolyte Solution 307 A 30 wt% aqueous solution of potassium hydroxide to which lithium hydroxide was added was used. (5) Separator 307 Sandwiched hydrophilic non-woven polypropylene nonwoven fabric with hydrophilic microporous polypropylene film
One having a thickness of 0 μm was used.
【0130】(6)電池の組み立て 負極(活物質)層301と正極(活物質)層303の
間に、図2(a)に示す正極102、セパレーター・電
解液103、高分子膜100、負極101の積層構造の
ように負極側に前記(1)で作製した高分子ゲル付き微
孔性ポリプロピレンフィルムを、正極側に上述した電解
液を保液したセパレータ307を挟み、チタンクラッド
のステンレススチール材の正極缶306に挿入した。更
に、電解液を正極缶306内に注入し高分子膜315に
電解液を保持させた。(6) Battery Assembly Between the negative electrode (active material) layer 301 and the positive electrode (active material) layer 303, the positive electrode 102, the separator / electrolyte 103, the polymer film 100, and the negative electrode shown in FIG. As in the laminated structure of No. 101, the microporous polypropylene film with the polymer gel prepared in the above (1) is sandwiched on the negative electrode side, and the separator 307 holding the above-mentioned electrolyte is sandwiched on the positive electrode side. Of the positive electrode can 306. Further, the electrolytic solution was injected into the positive electrode can 306 and the polymer film 315 retained the electrolytic solution.
【0131】上記で得られた正極缶306に、ポリ
プロピレンのガスケット310とチタンクラッドのステ
ンレススチール材の負極キャップ305をかぶせ、かし
めてニッケル−亜鉛二次電池を作製した。A positive electrode can 306 obtained above was covered with a polypropylene gasket 310 and a negative electrode cap 305 made of stainless steel material clad with titanium, and caulked to produce a nickel-zinc secondary battery.
【0132】以下では、作製したニッケル−亜鉛電池の
性能評価について説明する。性能評価は、充放電サイク
ル試験において得られるサイクル寿命について行った。Hereinafter, performance evaluation of the manufactured nickel-zinc battery will be described. The performance evaluation was performed on the cycle life obtained in the charge / discharge cycle test.
【0133】サイクル試験の条件は、正極活物質から計
算される電気容量を基準として、1C(容量/時間の1
倍の電流)の充放電と、30分の休憩時間からなるサイ
クルを1サイクルとした。電池の充放電試験は、北斗電
工製HJ−106Mを使用した。なお、充放電試験は、
充電より開始し、電池容量は3サイクル目の放電量と
し、サイクル寿命は電池容量の60%を下回ったサイク
ル回数とした。ニッケル−亜鉛電池の場合は、充電のカ
ットオフ電圧を2.0V、放電のカットオフ電圧を0.
9Vに設定した。The conditions for the cycle test were as follows: 1 C (capacity / time 1
A cycle consisting of charging / discharging at twice the current and a rest time of 30 minutes was defined as one cycle. The charge / discharge test of the battery used HJ-106M manufactured by Hokuto Denko. The charge / discharge test was
Starting from charging, the battery capacity was defined as the amount of discharge in the third cycle, and the cycle life was defined as the number of cycles less than 60% of the battery capacity. In the case of a nickel-zinc battery, the charge cutoff voltage is 2.0 V, and the discharge cutoff voltage is 0.1 V.
It was set to 9V.
【0134】比較例4 本例では高分子ゲル膜を使用しなかった点を除いて、他
の点は実施例4と同様にニッケル−亜鉛二次電池を作製
し、同様に性能評価を行った。Comparative Example 4 In this example, a nickel-zinc secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 4 except that the polymer gel film was not used, and the performance was evaluated in the same manner. .
【0135】表4は、実施例4と比較例4で作製したニ
ッケル−亜鉛二次電池の性能評価(サイクル寿命)につ
いてまとめたものである。このサイクル寿命に関す評価
結果は、実施例4の値を、比較例4の値を1.0として
規格化して記載した。Table 4 summarizes the performance evaluation (cycle life) of the nickel-zinc secondary batteries produced in Example 4 and Comparative Example 4. The evaluation results regarding the cycle life were described by standardizing the value of Example 4 with the value of Comparative Example 4 being 1.0.
【0136】[0136]
【表4】 したがって、実施例4の正極、負極間に高分子ゲル膜を
挟装したニッケル−亜鉛二次電池では、より長いサイク
ル寿命が得られることがわかった。[Table 4] Therefore, it was found that a longer cycle life was obtained in the nickel-zinc secondary battery of Example 4 in which the polymer gel film was interposed between the positive electrode and the negative electrode.
【0137】実施例5 本例では、図3に示した断面構造のようなコイン形の空
気亜鉛二次電池を作製した。Example 5 In this example, a coin-shaped air zinc secondary battery having the cross-sectional structure shown in FIG. 3 was manufactured.
【0138】以下では、図3を参照して、電池の各構成
物の作製手順と、電池の組み立てについて説明する。 (1)高分子−液晶複合膜315の作製手順 ポリ塩化ビニルと負の誘電異方性を示すMerck社
製液晶ZLI−2806を重量比40/60になるよう
に混合した後、ジクロロエタンで溶解した溶液を、予め
レシチンのエタノール溶液を塗布し乾燥した親水処理さ
れた微孔性ポリプロピレンフィルムに塗布後、高分子−
液晶複合膜315を得た。In the following, referring to FIG. 3, a description will be given of the procedure for manufacturing each component of the battery and the assembly of the battery. (1) Preparation procedure of polymer-liquid crystal composite film 315 Polyvinyl chloride and liquid crystal ZLI-2806 manufactured by Merck exhibiting negative dielectric anisotropy were mixed at a weight ratio of 40/60, and then dissolved in dichloroethane. The solution was applied to a hydrophilically-treated microporous polypropylene film which was previously coated with an ethanol solution of lecithin and dried, and then polymer-
A liquid crystal composite film 315 was obtained.
【0139】(2)負極(活物質)層301の作製手順 銅のパンチングメタルの両面に、亜鉛粉末と酸化亜鉛
粉末の混合物にポリビニルアルコールと水を加えて混練
して調製したペーストを塗着して乾燥プレスすることに
よって、負極(活物質)層301を得た。(2) Preparation procedure of negative electrode (active material) layer 301 A paste prepared by adding polyvinyl alcohol and water to a mixture of zinc powder and zinc oxide powder and kneading the mixture was applied to both surfaces of a copper punching metal. By performing dry pressing, a negative electrode (active material) layer 301 was obtained.
【0140】(3)正極の作製手順 アセチレンブラックに二酸化マンガン、酸化ニッケ
ル、酸化コバルト、テトラフルオロエチレンポリマー粉
を混合し、スーパーコナック(日本油脂社製、粉体フッ
素樹脂塗料)5wt%のキシレン溶液を添加してペース
ト化したものをニッケルメッキした銅メッシュに塗布し
170℃で硬化後、加圧ヒーターローラーを通して成形
したものを正極とした。この正極には放電時に空気が拡
散して活物質の酸素が反応することになる。(3) Manufacture Procedure of Positive Electrode Acetylene black was mixed with manganese dioxide, nickel oxide, cobalt oxide, and tetrafluoroethylene polymer powder. The paste obtained by adding the solution was applied to a nickel-plated copper mesh, cured at 170 ° C., and formed through a pressure heater roller to obtain a positive electrode. At the time of discharge, air diffuses to the positive electrode and oxygen of the active material reacts.
【0141】(4)電解液307の作製手順 水酸化リチウムを添加した30wt%水酸化カリウム
水溶液を使用した。 (5)セパレータ307 親水処理したポリプロピレン不織布を親水処理した微
孔性のポリプロピレンフィルムでサンドイッチした10
0μm厚のものを用いた。(4) Procedure for Producing Electrolyte Solution 307 A 30 wt% aqueous solution of potassium hydroxide to which lithium hydroxide was added was used. (5) Separator 307 Sandwiched hydrophilic non-woven polypropylene nonwoven fabric with hydrophilic microporous polypropylene film
One having a thickness of 0 μm was used.
【0142】(6)電池の組み立て 負極(活物質)層301と正極(活物質)層303の
間に、図2(a)に示す正極102、セパレーター・電
解液103、高分子膜100、負極101の積層構造の
ように負極側に前記(1)で作製した高分子−液晶複合
膜付き微孔性ポリプロピレンフィルムを、正極側に電解
液を保液したセパレータ307を挟み、先に空気拡散紙
と撥水膜のポリテトラフルオロエチレンフィルムを挿入
したチタンクラッドのステンレススチール材の空気取り
込み孔付き正極缶306に挿入した。更に、正極缶30
6内に電解液を注入しポリプロピレンフィルムに電解液
を保持させた。(6) Assembly of Battery Between the negative electrode (active material) layer 301 and the positive electrode (active material) layer 303, the positive electrode 102, the separator / electrolyte 103, the polymer film 100, and the negative electrode shown in FIG. As in the laminated structure of No. 101, the microporous polypropylene film with the polymer-liquid crystal composite film prepared in the above (1) is sandwiched on the negative electrode side, and the separator 307 holding the electrolyte is sandwiched on the positive electrode side. And a titanium can clad stainless steel material into which a polytetrafluoroethylene film of a water-repellent film was inserted. Further, the positive electrode can 30
An electrolytic solution was injected into 6 and the electrolytic solution was held on a polypropylene film.
【0143】上記で得られた正極缶306に、ポリ
プロピレンの絶縁バッキング310とチタンクラッドの
ステンレススチール材の負極キャップ305をかぶせ、
かしめて空気亜鉛二次電池を作製した。The positive electrode can 306 obtained above was covered with an insulating backing 310 made of polypropylene and a negative electrode cap 305 made of a stainless steel material clad with titanium.
An air zinc secondary battery was produced by caulking.
【0144】比較例5 本例では正極及び負極において高分子−液晶複合膜を使
用しなかった点を除いて、他の点は実施例5と同様にし
て空気亜鉛二次電池を作製した。Comparative Example 5 In this example, an air zinc secondary battery was produced in the same manner as in Example 5, except that the polymer-liquid crystal composite film was not used for the positive electrode and the negative electrode.
【0145】実施例5と比較例5で作製した電池の性能
評価を、実施例4のニッケル−亜鉛電池と同様な条件で
行った。The performance of the batteries produced in Example 5 and Comparative Example 5 was evaluated under the same conditions as in the nickel-zinc battery of Example 4.
【0146】表5は、実施例5と比較例5で作製した空
気−亜鉛二次電池の性能評価についてまとめたものであ
る。このサイクル寿命に関す評価結果は、実施例5の値
を、比較例5の値を1.0として規格化して記載した。Table 5 summarizes the performance evaluations of the air-zinc secondary batteries produced in Example 5 and Comparative Example 5. The evaluation result on the cycle life was described by standardizing the value of Example 5 with the value of Comparative Example 5 being 1.0.
【0147】[0147]
【表5】 したがって、実施例5の正極、負極間に高分子液晶複合
膜を挟装した空気−亜鉛二次電池を採用することによっ
て、より優れたサイクル寿命が長い二次電池が得られる
ことがわかった。[Table 5] Therefore, it was found that by using the air-zinc secondary battery in which the polymer liquid crystal composite film was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode of Example 5, a secondary battery having a better cycle life was obtained.
【0148】[0148]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
特に負極活物質がリチウム又は亜鉛である二次電池にお
いて、充電時に負極に発生し、性能劣化の原因となるデ
ンドライトの成長が抑制できる。その結果、サイクル寿
命が長く、かつエネルギー密度の高い、リチウム二次電
池、ニッケル亜鉛二次電池、空気亜鉛二次電池などの作
製が可能になる。As described above, according to the present invention,
In particular, in a secondary battery in which the negative electrode active material is lithium or zinc, it is possible to suppress the growth of dendrite which is generated in the negative electrode during charging and causes performance degradation. As a result, it is possible to produce a lithium secondary battery, a nickel zinc secondary battery, an air zinc secondary battery, and the like, which have a long cycle life and a high energy density.
【図1】本発明の二次電池の一例を示す断面構成図であ
る。FIG. 1 is a sectional view showing an example of a secondary battery of the present invention.
【図2】本発明の二次電池内の負極、正極、セパレータ
と、負極活物質のデンドライト成長を防止する手段であ
る高分子膜の配置例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an arrangement example of a negative electrode, a positive electrode, a separator, and a polymer film as a means for preventing dendrite growth of a negative electrode active material in a secondary battery of the present invention.
【図3】本発明の単層式扁平形電池の一例を示す断面図
である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a single-layer flat battery according to the present invention.
【図4】本発明のスパイラル式円筒型電池の一例を示す
断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing an example of a spiral cylindrical battery of the present invention.
【図5】本発明の二次電池の機能を説明する概念図であ
る。FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating functions of a secondary battery of the present invention.
100 短絡防止用高分子膜 101 負極 102 正極 103 セパレータ・電解液 104 電槽(電池ハウジング) 105 負極端子 106 正極端子 107 電界集中部 108 短絡防止用高分子膜の高抵抗化した部分 109 充電用電源 301 負極層 401 負極(活物質)層 303 正極層 403 正極(活物質)層 305,405 負極キャップ(負極端子) 306,406 正極缶(正極端子) 307,407 電解液を保持したセパレータ 310,410 ガスケット 400 負極集電体 402 負極 404 正極集電体 408 正極 411 絶縁板 412 負極リード 413 正極リード 414 安全弁 315,415 短絡防止用高分子膜 REFERENCE SIGNS LIST 100 Short-circuit preventing polymer film 101 Negative electrode 102 Positive electrode 103 Separator / electrolyte 104 Battery case (battery housing) 105 Negative terminal 106 Positive terminal 107 Electric field concentration portion 108 High resistance portion of short-circuit preventing polymer film 109 Charging power supply 301 Negative electrode layer 401 Negative electrode (active material) layer 303 Positive electrode layer 403 Positive electrode (active material) layer 305,405 Negative cap (negative electrode terminal) 306,406 Positive electrode can (positive electrode terminal) 307,407 Separator 310,410 holding electrolyte solution Gasket 400 Negative current collector 402 Negative electrode 404 Positive current collector 408 Positive electrode 411 Insulating plate 412 Negative lead 413 Positive lead 414 Safety valve 315, 415 Short-circuit preventing polymer film
Claims (19)
いて、電解質と、電池反応に関与するイオンが移動可能
であり環境に応じて変動可能な孔径の連通孔を有する層
と、これらを収容する電池ハウジングとを有し、前記連
通孔は、該連通孔周囲の領域に於ける電界強度の上昇及
び/又は温度の上昇により孔径が小さくなることを特徴
とする二次電池。1. A negative electrode, a positive electrode, a layer having a communication hole having a pore diameter capable of moving an electrolyte and ions involved in a battery reaction between the positive electrode and the negative electrode and varying according to the environment, possess a battery housing for accommodating the communication
The through hole increases the electric field strength in the area around the through hole.
A secondary battery characterized in that the pore size becomes smaller due to an increase in temperature and / or temperature .
/又は温度の変化に応じて径が変動する細孔を有する高
分子膜である請求項1記載の二次電池。2. The secondary battery according to claim 1, wherein the layer having the communication holes is a polymer film having pores whose diameter changes according to a change in electric field strength and / or temperature.
項2記載の二次電池。3. The secondary battery according to claim 2, wherein the polymer film is made of a polymer liquid crystal.
ては負極平面に対して垂直配向もしくは傾斜配向してお
り、電界強度の上昇及び/又は温度の上昇が生じた細孔
の周辺においては、負極平面に対して実質的に平行又は
ランダムに配向する請求項3記載の二次電池。4. The polymer liquid crystal is vertically or obliquely aligned with respect to the negative electrode plane when no electric field is applied, and in the vicinity of pores where electric field intensity and / or temperature have increased. 4. The secondary battery according to claim 3 , wherein the secondary battery is substantially parallel or randomly oriented with respect to the negative electrode plane.
る請求項3記載の二次電池。5. The secondary battery according to claim 3 , wherein the polymer liquid crystal has a negative dielectric anisotropy.
らなる請求項2記載の二次電池。6. The secondary battery according to claim 2, wherein the polymer film comprises a composite of a polymer and a liquid crystal.
加下においては負極平面に対して垂直配向もしくは傾斜
配向しており、電界強度の上昇及び/又は温度の上昇が
生じた細孔の周辺においては、負極平面に対して実質的
に平行又はランダムに配向する請求項6記載の二次電
池。7. A liquid crystal in the polymer film is vertically or obliquely aligned with respect to a negative electrode plane without application of an electric field, and around a pore in which electric field intensity and / or temperature have increased. The secondary battery according to claim 6 , wherein the secondary battery is oriented substantially parallel or randomly with respect to the negative electrode plane.
性が負である請求項6記載の二次電池。8. The secondary battery according to claim 6 , wherein the dielectric anisotropy of the liquid crystal in the polymer film is negative.
項2記載の二次電池。9. The secondary battery according to claim 2, wherein the polymer film is made of a polymer gel.
0%以上体積膨張する請求項9記載の二次電池。10. The method according to claim 1, wherein the temperature of the polymer gel is increased by increasing the temperature.
The secondary battery according to claim 9, which expands in volume by 0% or more.
レーター、前記高分子膜、前記負極がこの順で積層され
積層構造を形成している請求項2記載の二次電池。11. The secondary battery according to claim 2 , further comprising a separator, wherein the positive electrode, the separator, the polymer film, and the negative electrode are laminated in this order to form a laminated structure.
オン性高分子ゲルからなる請求項11記載の二次電池。12. The secondary battery according to claim 11, wherein the polymer film is made of a cationic polymer gel having a positive charge.
高分子膜、セパレーター、前記負極がこの順で積層され
積層構造を形成している請求項2記載の二次電池。13. The secondary battery according to claim 2 , further comprising a separator, wherein the positive electrode, the polymer film, the separator, and the negative electrode are laminated in this order to form a laminated structure.
オン性高分子ゲルからなる請求項13記載の二次電池。14. The secondary battery according to claim 13, wherein the polymer film is made of an anionic polymer gel having a negative charge.
能をも有し正極及び負極間に挟持されている請求項2記
載の二次電池。15. The secondary battery according to claim 2, wherein the polymer film also has a function of a battery separator and is sandwiched between a positive electrode and a negative electrode.
細孔を有する請求項2記載の二次電池。16. The secondary battery according to claim 2, wherein the polymer membrane has pores having a pore size of 2 to 1000 °.
に印加及び/又は温度が局所的に上昇した際の細孔の径
の収縮割合が元の細孔径の20〜98%である請求項2
記載の二次電池。17. The shrinkage ratio of the pore diameter when a high electric field is locally applied and / or the temperature locally rises in the polymer film is 20 to 98% of the original pore diameter. 2
The secondary battery according to any one of the preceding claims.
が、少なくともリチウム元素を含有する請求項1記載の
二次電池。18. The secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode at the time of charging the secondary battery contains at least a lithium element.
が、少なくとも亜鉛元素を含有する請求項1記載の二次
電池。19. The secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode at the time of charging the secondary battery contains at least zinc element.
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