JP3262708B2 - 複合高分子電解質膜 - Google Patents
複合高分子電解質膜Info
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Description
などの高エネルギー密度電池に使用できる高分子電解質
膜に関する。
に電力を供給する電池が高い関心を集めている。中でも
リチウム(リチウム金属・リチウムイオン)2次電池は
最も高いエネルギー密度を有し、精力的に開発が進めら
れている。このようなリチウム2次電池に対し、液漏れ
がなく、機器の隙間に実装できるような加工性を付与で
きる高分子固体電解質が興味を集めている。高分子固体
電解質の膜は正極と負極の間に実装され、両極が互いに
接触するのを防ぐと共に、両極間のイオン伝導の媒体に
なる。このような高分子固体電解質には高いイオン伝導
性と機械的強度を付与することが求められている。この
ような高分子固体電解質には、配位基を持つ高分子と金
属塩の錯体からなる高分子錯体型電解質が挙げられる。
代表的なものとしては、ポリエチレンオキシド錯体があ
る。この種類の高分子電解質は、高分子の分子運動に伴
いイオンが運ばれる。したがって、機械的強度は大きい
ものの、室温での分子運動は十分ではなく、イオン伝導
度は0.1mS/cmが限界であった。これに対して、
有機電解液(有機溶媒/金属塩)を高分子に担持させた
固体状の高分子ゲル電解質がある。このタイプの電解質
では、電解液の含率を増やすことによりイオン伝導度を
1mS/cm台に上げることはできるが、同時に機械的
強度が低下するという問題があった。高分子に架橋構造
を導入することにより高分子支持体を補強することはで
きるが、その引張り強度は0.5MPa以下にとどまっ
ている〔例えば、D.R.マックファーレン(D.R.McFa
rlane)ほか、エレクトロキミカ アクタ(Electrochimi
ca Acta)、第40巻、第2131頁(1995)参
照〕。
上する方法として、高分子ゲルを多孔質高分子膜に担持
させて複合高分子電解質とする手法が挙げられる。多孔
質高分子膜は、電解液を使用した通常のリチウム2次電
池にセパレータとして使用されている。また、通常のリ
チウム2次電池では、セパレータ膜の空孔率が大きくな
る程イオン伝導を担う電解液の分率が増加し、膜部分の
実効的なイオン伝導度が大きくなる。このような多孔質
膜の基材にはポリエチレンやポリプロピレンが好適に用
いられてきたが、ポリエチレン、ポリプロピレン多孔質
膜はポリエチレン、ポリプロピレンフィルム基材を延伸
してフィルムの各微小部分を引き裂くことにより無数の
微細孔を形成して作製される。同時に網目状になったフ
ィルム基材自体も分子が配向・繊維化して強度も向上す
る。しかし、従来の多孔質ポリエチレン、ポリプロピレ
ン膜では膜の空孔率を上げると強度が低下し、50%以
上の空孔率で、電池の製造プロセスで望まれる10MP
a以上の引張り破断強度を維持することはできず、更に
延伸と垂直方向には5MPa以上の強度を得ることはで
きなかった。また、上記のような多孔質ポリエチレン、
ポリプロピレン膜では、空孔率が下がると、高分子ゲル
伝導路の幅が狭くなったり、伝導路の連続性が低下する
という問題があった。これは、延伸で多孔質ポリエチレ
ン、ポリプロピレン膜を作製する場合、空孔率が小さい
場合孔径も小さくなることに起因する。したがって、空
孔率が小さい場合には高分子ゲル成分(高分子ゲルある
いは高分子ゲル前駆体の成分)を多孔質高分子膜に導入
するのは困難で、特に粘度が大きい高分子ゲルあるいは
高分子ゲル前駆体を低空孔率(<50%)の多孔質膜に
導入するのは難しかった。例えば、十分な強度を有する
ポリプロピレン製多孔質膜(空孔率=42%;厚さ25
μm)に高分子ゲル〔ポリエチレンオキシド(PEO)
架橋体とLiAsF6 /エチレンカーボネート(EC)
/プロピレンカーボネート(PC)/テトラグライム電
解液の複合体〕を担持させた複合高分子電解質膜の例が
報告されているが〔例えば、K.M.アブラハム(K.M.
Abraham)ほか、ジャーナル オブ ジ エレクトロケミ
カル ソサイエティ(Journal of the Electrochemical
Society) 、第142巻、第683頁(1995)参
照〕、膜のイオン伝導度は、比較の高分子ゲル(PEO
架橋体/LiClO4 /EC/PC)の2桁下に低下し
ている。この例からもわかるように、空孔率あるいは孔
径が小さい場合高分子ゲル成分の導入は困難で、特に高
粘度な高分子ゲル成分が使えないなど、使用する高分子
ゲル成分あるいはその組成について選択の範囲は小さく
なり、また、製造プロセスにも特別な工夫をする必要が
あった。これに対して、高分子ゲル成分の電解液分率を
極端に大きくして粘度を下げると共にイオン伝導度を上
げる手法もあるが、電池材料として使用中に該高分子ゲ
ル成分がマトリクス多孔質膜から流出するという問題が
あった。また、以上の問題に対してマトリクス多孔質膜
の厚さを小さくして、高分子ゲル成分導入時の圧力損失
を低減する方法が考えられるが、電池に使用したときの
安全性を確保するために10μm以下にできなかった。
以上説明したように、これまでは実用上望まれる1mS
/cm以上のイオン伝導度と10MPa以上の引張り破
断強度を併せ持つ安定な固体状高分子電解質膜を得るこ
とはできなかった。
状にかんがみてなされたものであり、その目的はイオン
伝導性と機械的強度が高い高分子固体電解質を提供する
ことにある。
発明は複合高分子電解質膜に関する発明であって、延伸
多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜の内部細孔中に有
機電解液と高分子成分からなる高分子ゲルを担持させた
ものであり、該高分子成分が、アクリロニトリル−ブタ
ジエン共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレー
卜共重合体又はアクリロニトリル−酢酸ビニル共重合体
を含んでおり、該高分子成分は、架橋構造を形成してい
ることを特徴とする。
に、複合高分子電解質の多孔質高分子膜基材について鋭
意検討努力を重ねた結果、該高分子膜に延伸多孔質ポリ
テトラフルオロエチレン(PTFE)膜を使用し、高分
子ゲルを担持させれば、イオン伝導度が高く、高強度の
複合高分子電解質膜が得られることがわかった。延伸多
孔質(PTFE)膜は従来から多くの研究がなされてお
り、高空孔率で高強度の膜が得られている。PTFEは
結晶性が高く、それ自身が高い強度を持つことが知られ
ている。延伸多孔質PTFE膜は、超高分子量(分子量
1000万オーダ)のPTFE微粉末を溶融融着してで
きた前駆体を延伸することによって好適に得られる(特
公昭56−45773号、同56−17216号各公
報、米国特許第4187390号明細書参照)。この延
伸処理を行ったときPTFE分子が配向して結晶化し、
膜の強度が大幅に向上する。また、PTFE微粉末の融
着条件あるいは前駆体の延伸条件を制御することにより
高空孔率でかつ高強度の膜を作製することができる。更
に、2軸方向に延伸することにより、強度の異方性が少
なく空孔率の大きな多孔質膜を作製することが可能であ
る。
る。本発明の複合高分子電解質に用いる延伸多孔質PT
FE膜の厚さは、リチウム電池などの高エネルギー密度
電池への応用を考えると延伸多孔質PTFE膜の厚さは
10μm以上が好ましく、また、膜内に高い充てん率で
高分子ゲルを導入し1mS/cm以上の高いイオン伝導
度を確保するには400μm以下、また、電池中で複合
高分子電解質が占める体積を減じるために好ましくは4
0μm以下が望まれる。延伸多孔質PTFE膜の空孔率
については、イオン伝導度の観点から40%以上が望ま
しく、逆に強度の観点から95%以下が望まれる。使用
する高分子ゲルにより異なるが、1mS/cm以上のイ
オン伝導度を維持し、10MPa以上の機械的強度を得
るには50〜92%の空孔率が好適である。また、延伸
多孔質PTFE膜空孔の最大孔径は0.01〜10μm
が好適で、特に0.2〜2μmが望まれる。最大孔径が
0.01μm未満では、多孔質膜中への高分子ゲルの導
入が困難になる。一方、最大孔径が10μm超では、多
孔質膜中に高分子ゲルを保持するのが困難になる。ま
た、孔径が大きくなると機械的強度も低下するという問
題があった。
に使用する電解液は、その用途によって異なり、特に限
定されない。例えば、リチウム電池への応用を考える
と、電解液の構成要素の金属塩には、LiClO4 、L
iBF4 、LiPF6 、LiNbF6 、LiSCN、L
i(CF3 SO3 )、Li(C6 H5 SO3 )、LiA
sF6 等のリチウム塩が単独あるいは混合して用いられ
る。また、電解液の溶媒にはプロピレンカーボネート、
エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレ
ロラクトン、γ−オクタノイックラクトン、ジメチルカ
ーボネート、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、
スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトア
ミド、1,2−ジメトキシエタン、1,2−エトキシメ
トキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチルカ
ーボネート、メチルエチルカーボネート、1,2−ジエ
トキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラ
ヒドロフラン、ジオキソラン、メチルアセテート等の非
プロトン性溶媒及びこれらを含む混合物が好適に用いら
れる。なお、この電解液の濃度は、重量モル濃度で0.
01〜5mol/kgとするのが好適である。
ルの高分子成分には、極性の高い電解液と親和性のよい
ものが望まれる。例えば、構造式:R1 R2 C=CR3
COOR4 あるいはR1 R2 C=CR3 OCOR4 〔各
Rは同一又は異なり、水素又は1価の有機基を示す〕、
アルキレンオキシド、アクリロニトリル、メタクリロニ
トリル、フッ化ビニリデン、塩化ビニル、メタクリル酸
(及び金属塩)、アクリル酸(及び金属塩)、ビニルア
ルコール、塩化ビニリデン、エチレンイミン、ビニルア
セテート、ビニルピロリドン、セルロースを含む重合体
あるいはその誘導体が挙げられる。特にR1 R2 C=C
R3 COOR4 あるいはR1 R2 C=CR3 OCOR4
〔各Rは前記のとおりである〕の重合体は、電解液の有
機溶媒成分に好適に使われる低分子エステル化合物と共
通のエステル基を含有するため、このような有機溶媒と
良好な親和性を有している。したがって、R1 R2 C=
CR3 COOR4 あるいはR1 R2 C=CR3 OCOR
4 の重合体を含む高分子は、高分子ゲルの高分子成分と
して好適に使用することができる。本発明者らは、これ
らの中では、アクリロニトリル−メチルアクリレー卜共
重合体又はアクリロニトリル−酢酸ビニル共重合体を含
み、架橋構造を形成している物が最適であることを見出
した。また、電解液と高分子ゲルを形成するために、該
高分子成分は共有結合あるいはイオン結合によるいわゆ
る架橋構造を持つことが望まれる。中でも、アクリロニ
トリル−ブタジエン共重合体(NBR)は、加熱処理等
で架橋構造を形成できるため好適である。また、NBR
は、高極性成分のアクリロニトリル含率を変えることに
より極性を調整することが可能で、使用する電解液の極
性に合せることにより、電解液と高分子成分の親和性を
向上させることができる。また、架橋構造は、高分子鎖
で親和性の良い有機基同志が凝集して結晶化するいわゆ
る「物理的架橋」も好適である。本発明の複合高分子電
解質膜中の高分子ゲルの電解液含率は、該複合高分子電
解質のイオン伝導度を1mS/cm以上にするために
は、最低50重量%以上にしなければならない。また、
高分子ゲル成分により異なるが、上記イオン伝導度を達
成するためには、電解液成分含率は60重量%以上にす
ることが好適である。
る方法は通常の方法でよく、特に限定されない。例え
ば、まず高分子ゲルの高分子成分を導入し、続いて電解
液に浸漬することにより作製することができる。この場
合は最初に、高分子成分あるいは反応性オリゴマーなど
の高分子成分前駆体を溶解した溶液、あるいは分散した
分散液を調製し、その中に多孔質PTFE膜を浸漬して
高分子成分あるいは高分子成分前駆体を導入する。この
プロセスを減圧状態で行うと、高分子成分あるいは高分
子成分前駆体溶液、分散液の導入は促進される。次にこ
の膜を乾燥して、溶媒あるいは分散媒を除去する。この
とき溶媒あるいは分散媒の除去は加熱あるいは真空処
理、又は両者の組合せで行うのが好適である。このプロ
セスの後、高分子成分を導入した多孔質膜を電解液に浸
漬して前記高分子成分を膨潤させて高分子ゲルを膜内に
形成させる。上記の製造方法例において、多孔質膜を高
分子成分あるいは高分子前駆体の溶液又は分散液に浸漬
する過程の前に、予め電解液成分を該高分子成分溶液あ
るいは分散液に溶解しておいてもよい。その場合、高分
子成分あるいは高分子成分前駆体を導入した多孔質膜を
電解液に浸漬するプロセスは省略することも可能とな
る。また、高分子前駆体を使用する場合、その高分子化
あるいは架橋を行い高分子ゲルの高分子成分に転化する
が、その過程は製造プロセスのどの段階で行ってもよ
く、特に制限はない。その場合、高分子成分前駆体は、
既に高分子量になっていてもよいし、高分子化反応によ
り高分子化してもよい。同時に架橋反応により架橋結合
を導入してもよい。また、高分子ゲルを直接多孔質PT
FE膜中に導入する方法も挙げられる。この場合、加圧
雰囲気、減圧雰囲気で導入を行うと好適に高分子ゲルを
導入することができる。また、高分子成分前駆体を電解
液成分に溶解し、多孔質PTFE膜に導入した後、該高
分子成分前駆体を高分子化・架橋して複合高分子電解質
を作製してもよい。
成分前駆体を化学的に高分子化・架橋したり、高分子成
分を化学的に架橋することが好適である。架橋構造を導
入することにより、高分子ゲル中の電解液含量を増やし
てもその流動性を抑え、半固体状態を維持することがで
きると同時に高いイオン伝導度を得ることができる。こ
こで、化学的架橋とは高分子ゲルの高分子成分の分子鎖
間が共有結合あるいはイオン結合で結びつけられている
状態(高分子鎖間に複数の共有結合が存在してもよい)
を意味し、このような架橋を引き起こす反応は通常の重
合あるいは架橋反応でよく、対応する官能基にも特に制
限はない。化学的架橋に関する反応は、加熱あるいは光
・放射線照射で励起するのが好適である。また、反応性
架橋剤あるいは反応開始剤、反応促進剤を加えて、高分
子化、架橋を行ってもよい。その場合は、加熱を行って
もよいが必ずしも加熱を必要としない。また、以上述べ
たような高分子化あるいは架橋は、製造プロセスのどの
段階で行ってもよく、特に制限はない。
発明の複合高分子電解質膜を適用する場合には、電池構
成材料と過度な反応を起こす反応性成分を取り除いてお
かなければならない。反応性成分の除去法には、加熱、
真空乾燥あるいは抽出処理が好適に適用できる。
説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
ーボネート(EC)等容積混合物(無水)1kgに対し
て、LiPF6 (無水)を1mol溶解した電解液成分
を調製した。この電解液100gに対して、アクリロニ
トリル−メチルアクリレート共重合体(モル比=80:
20;重量平均分子量=200,000)10gを加
え、アルゴン雰囲気下120℃において完全に溶解させ
た。この際、加熱容器には還流器を付け、溶媒成分が蒸
散しないようにした。温度を120℃に保持したまま、
高分子/電解液混合溶液中に、延伸多孔質PTFEフィ
ルム〔(株)ジャパンゴアテックス社製;最大孔径0.
5μm、空孔率80%、厚さ25μm〕を浸漬し、素早
く真空脱気して高分子ゲル成分を導入した。このように
して得られた延伸多孔質PTFEフィルムをエルゴン雰
囲気中に取り出し、−20℃まで徐冷し、この温度に維
持して物理的架橋・ゲル化を行い、本発明の複合高分子
電解質膜を得た。本実施例の複合高分子電解質膜を直径
1cmのステンレス円板電極で挟み、複素インピーダン
ス法でイオン伝導度を室温で測定したところ、1.2m
S/cmであった。また、引張り破断強度(JIS K
7113準拠で測定)は膜面内どの方向にも12MPa
以上であった。更に、本実施例の複合高分子電解質膜を
1ヵ月放置した後、イオン伝導度を測定したところ、1
mS/cm以上の伝導性を維持すると共に、引張り破断
強度に変化はなかった。
成分として無水のNBR(アクリロニトリル/ブタジエ
ン重量組成比=55/45;重量平均分子量:2500
00)50gと過酸化ベンゾイル0.2gを溶解した。
この溶液の中に、延伸多孔質PTFE膜〔ジャパンゴア
テックス(株)製;最大孔径0.5μm、空孔率80
%、厚さ25μm〕を浸漬し、真空脱気してNBRを導
入した。この膜を窒素雰囲気中50℃で6時間乾燥させ
た。次に温度を180℃に上げて2時間維持して高分子
成分を架橋させた。一方、PC1kgに対してLiPF
6 を1mol溶解した(いずれも無水)電解液成分を調
整した。この電解液に上記NBR複合膜を12時間浸漬
して本発明の複合高分子電解質膜を得た。本実施例の複
合高分子電解質膜を直径1cmのステンレス円板電極で
挟み、複素インピーダンス法でイオン伝導度を室温で測
定したところ、1.1mS/cmであった。また、引張
り破断強度(JIS K7113準拠で測定)は膜面内
どの方向にも12MPa以上であった。更に、本実施例
の複合高分子電解質膜を1ヵ月放置した後、イオン伝導
度を測定したところ、1mS/cm以上の伝導性を維持
すると共に、引張り破断強度に変化はなかった。
合体の代りにアクリロニトリル−酢酸ビニル共重合体
(モル比=85:15;重量平均分子量=200,00
0)10gを使用して、その他は実施例1と同様の部材
及び分量を使用して、実施例1と同様の方法で本発明の
複合高分子電解質膜を得た。本実施例の複合高分子電解
質膜を直径1cmのステンレス円板電極で挟み、複素イ
ンピーダンス法でイオン伝導度を室温で測定したとこ
ろ、1.1mS/cmであった。また、引張り破断強度
(JIS K7113準拠で測定)は膜面内どの方向に
も12MPa以上であった。更に、本実施例の複合高分
子電解質膜を1ヵ月放置した後、イオン伝導度を測定し
たところ、1mS/cm以上の伝導性を維持すると共
に、引張り破断強度に変化はなかった。
具体的には、120℃に加熱した高分子ゲル成分の溶液
を基板にキャストし、−20℃に冷却して固化させて作
製した。このフィルムの機械的強度を測定しようとした
が、延伸多孔質PTFEフィルムで補強されていないた
め、測定に必要な強度(0.1MPa以上)を有してい
なかった。
ヘキストセラニーズ社製延伸多孔質ポリプロピレンフィ
ルム(セルガードTM2500;空孔率<48%、最大孔
径<0.2μm、厚さ=25μm)に実施例1の方法で
真空含浸を試みたが、粘度が高いため導入できなかっ
た。
には、NBRのメチルエチルケトン(MEK)溶液を基
板にキャストし、その後の真空脱気から電解液含浸に至
る作製方法は実施例2と同様にして本比較例の高分子電
解質膜を得た。この膜の機械的強度を測定しようとした
が、延伸多孔質PTFE膜で補強されていないため、測
定に必要な強度(0.1MPa以上)を有していなかっ
た。
具体的には、120℃に加熱した高分子ゲル成分の溶液
を基板にキャストし、−20℃に冷却して固化させて作
製した。このフィルムの機械的強度を測定しようとした
が、延伸多孔質PTFEフィルムで補強されていないた
め、測定に必要な強度(0.1MPa以上)を有してい
なかった。
より、イオン伝導性と機械的強度が高い高分子電解質膜
を提供することができるという利点がある。
Claims (3)
- 【請求項1】 延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン
膜の内部細孔中に有機電解液と高分子成分からなる高分
子ゲルを担持させたものであり、該高分子成分が、アク
リロニトリル−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル
−メチルアクリレー卜共重合体又はアクリロニトリル−
酢酸ビニル共重合体を含んでおり、該高分子成分は、架
橋構造を形成していることを特徴する複合高分子電解質
膜。 - 【請求項2】 前記有機電解液の含有量が50重量%以
上である請求項1に記載の複合高分子電解質膜。 - 【請求項3】 前記有機電解液の含有量が60重量%以
上である請求項1に記載の複合高分子電解質膜。
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EP (1) | EP0798791B1 (ja) |
JP (1) | JP3262708B2 (ja) |
DE (1) | DE69710117T2 (ja) |
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