JP3279650B2 - 固体電解質電池 - Google Patents

固体電解質電池

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質電池に関
し、詳しくは、イオン伝導度が高く、また長期使用にお
いても劣化しにくい固体電解質を用いた固体電解質電池
に関する。
【0002】
【従来の技術】電池の固体電解質として、従来、ポリエ
チレンオキシドを用いることが知られている。このポリ
エチレンオキシドは、高結晶性であり、低温度域ではイ
オン伝導度が低いという問題があった。これを解消する
ために、ポリエチレンオキシドを架橋体にしたり、
可塑剤として有機溶媒を添加することが提案されてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
によってもイオン伝導度はまだ不十分であり、またに
おいては、時間が経過すると有機溶媒が電解質から滲み
出すという問題があった。
【0004】本発明の目的は、上記のような欠点を解消
し、広範な温度域でイオン伝導度が高く、また長期使用
においても化学的に安定した信頼性の高い固体電解質を
用いる固体電解質電池を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は、固体電解質
のイオン伝導度を向上させるため、ポリマーのセグメン
ト運動を活発にする点に着目し種々検討を行った結果、
ポリエチレンオキシドにガラス転位点(Tg)が低く、
かつ、粘稠な高分子を配合したポリマー組成物より形成
した固体電解質が、優れたイオン伝導度を示すととも
に、有機溶媒の滲み出しも生じないことを見出し、本発
明を完成した。即ち、本発明の固体電解質電池は、正極
と、金属リチウムまたはその合金からなる負極と、ポリ
エチレンオキシド、ポリシロキサンおよびイオン解離性
金属塩とよりなる固体電解質とで構成され、好ましくは
該固体電解質が、ポリエチレンオキシド97〜75重量
部とポリシロキサン3〜25重量部よりなる配合物10
0重量部に対し、イオン解離性金属塩を3〜30重量部
配合して成形したものである。
【0006】
【作用】上記構成によれば、ポリシロキサンはガラス転
移温度Tgが低いため、これを固体電解質の主成分である
ポリエチレンオキシドに配合することによって電解質全
体のTgを下げることができる。ポリマー中でのリチウム
イオンの移動はセグメント運動によるものであるが、上
述の電解質のTgの低下によりポリマーのセグメント運動
が活発になるので、電解質のイオン伝導度を向上できる
ようになる。また、ポリシロキサンは高分子量でありな
がら粘ちょうな液体であるため、これをポリエチレンオ
キシドに配合しても、固体電解質から滲み出すというこ
とがない。したがって、広範な温度域でイオン伝導度が
高く、長期使用においても化学的に安定した固体電解質
となる。
【0007】以下、本発明を詳細に記述する。図1は固
体電解質電池の基本構成を示す模式断面図である。同図
において、Dは固体電解質電池で、固体電解質1を正極
2と負極3との間にセパレータとしての機能を兼ねて介
在させ、上記正極2の外側面に圧着した集電体4aに圧
接する正極缶6と、負極3の外側面に圧着した集電体4
bに圧接する負極キャップ5とを絶縁体7で封止した構
成となっている。
【0008】本発明で用いる固体電解質1は、ポリエチ
レンオキシド、ポリシロキサンおよびイオン解離性金属
塩から作製される。ポリエチレンオキシドとポリシロキ
サンの重量組成は、ポリエチレンオキシド97〜75重
量部、ポリシロキサン3〜25重量部、好ましくはポリ
エチレンオキシド95〜80重量部、ポリシロキサン5
〜20重量部が適当である。ポリシロキサンが3重量部
より少ないと、ガラス転移温度Tgが下がらないのでセグ
メント運動が十分に活発化せず、一方、25重量部より
多いと、ポリエチレンオキシドの相対量が少なくなり、
固体電解質のイオン伝導度が低下し、またポリシロキサ
ンが固体電解質から滲み出すという問題が生じ好ましく
ない。
【0009】本発明で使用するポリシロキサンとして
は、シロキサン結合により主鎖結合を形成している高分
子であればいずれも使用でき、特にポリジメチルシロキ
サンが好適に使用できる。また、本発明では、ポリエチ
レンオキシドとポリシロキサンとの相溶性が悪いため、
上記ポリシロキサンの側鎖の一部にポリエチレンオキシ
ドをグラフトさせたポリエーテル変性ポリシロキサンを
相溶化剤として添加、またはポリシロキサンにかえて使
用することが好ましい。
【0010】固体電解質1は、上記配合物 100重量部に
対し、金属塩を 3〜30重量%配合して金属イオンを含有
させる。この金属塩としては、 LiClO4 ,LiBF4 ,LiPF
6 ,LiCF3 SO3 ,LiSCN, LiI,LiCF3 CO2 ,LiAsF 6 ,N
aClO 4 ,NaBF4 ,NaCF3 SO3 ,NaI 等が使用できる。
本発明では、上記配合物をアセトニトリル等の極性有機
溶媒に溶解し、十分に混合した後テフロン板上にキャス
ト法で成膜することにより任意の形状、大きさに成形し
て基体を作製する。
【0011】上記正極2は、通常使用される正極活物質
である二酸化マンガン、五酸化バナジウム、二酸化コバ
ルト、二硫化モリブデン、二硫化チタン等の酸化物、硫
化物等を主成分として形成されるものである。本発明で
は、高電圧が得られ、電圧の平坦性が良くなるので、特
に二酸化マンガンを使用することが好ましい。この正極
活物質には、通常正極の導電性を向上させるために、ア
セチレンブラックやケッチェンブラック等の導電材料を
配合する。また、この正極活物質には、ポリテトラフル
オロエチレン、ポリエチレン等の結着材を配合する。
【0012】一方、上記負極3としては、金属リチウム
またはリチウム合金を使用する。なお、前記正極材およ
び上記負極材は圧縮成形、ロール成形等の適当な方法で
任意の形状、大きさに成形されて固体電解質電池Dの正
極2および負極3として使用される。
【0013】
【実施例】以下、本発明の一実施例を示し具体的に説明
する。なお、本発明がこれに限定されるものでないこと
は言うまでもない。 実施例1 (固体電解質の作製)ポリエチレンオキシド(M.W.=4
00万) 1.0g、過塩素酸リチウム0.2g、ポリジ
メチルシロキサン(M.W.=10万) 0.2gおよびポリ
エーテル変性ポリジメチルシロキサン0.01gを、1
0cm3 のアセトニトリル中に25℃で溶解し、マグネテ
ィックスターラーを用いて十分に攪拌したあと、テフロ
ン板上に厚さ100μmとなるようにキャスティング成
形し、直径22.0mmに打ち抜いて円板状の固体電解質
を作製した。この固体電解質を、ケミカルインピーダン
スアナライザー(ソーラトロン社製)を用いて、Li−Li
極での複素交流インピーダンス法によってそのイオン伝
導度を測定したところ、25℃において1 .5×10-5
S/cmであった。
【0014】(正極の作製)電解二酸化マンガンを、空
気雰囲気中で360℃×5時間の熱処理を行って脱水電
解二酸化マンガンとした。この脱水電解二酸化マンガン
80mg, アセチレンブラック10mgおよびポリテトラフ
ルオロエチレン10mgを十分に混合し、孔径20.0mm
のダイスを用いて、圧力5000kg/ cm2 でニッケルメ
ッシュ上に1.0mmの厚さを有する円板状物を成形し
て、容量12mAhの正極体を作製した。
【0015】(負極の作製)金属リチウムシートを直径
20.0mmに打ち抜き、片面にニッケルメッシュを圧着
した1.0mmの厚さを有する円板状物として、容量65
mAhの金属リチウム製負極体を作製した。
【0016】前記の固体電解質、正極体および負極体を
図1に示す構成に組み立て、正極体2にはステンレス製
正極缶6を、負極体3にはステンレス製負極キャップ5
をそれぞれ圧接させて、ガスケット7で封止して試験用
固体電解質電池Dを作製した。この試験用固体電解質電
池Dを、充放電測定装置(北斗電工社製)を用いて1mA
の定電流で充放電を200サイクル行った。初期放電電
圧は3.5V、初期放電容量は6.8mAhであった。
この充放電試験の後、この電池を解体して内部を観察し
たところ、固体電解質には何ら異常は認められなかっ
た。
【0017】実施例2,3 上記実施例1において、ポリジメチルシロキサンの配合
量をそれぞれ0.05g、0.1gとする以外は全く同
様にして固体電解質を作製し、実施例1と同様にして各
固体電解質のイオン伝導度を測定したところ、イオン伝
導度はそれぞれ7.0×10-6S/cm、3.0×10-5
S/cmであった。それぞれの固体電解質を用いて、実施
例1と同様に試験用固体電解質電池を作製し、充放電を
200サイクル行った。初期放電電圧および初期放電容
量は表1に示す通りであった。この充放電試験の後、各
電池を解体して内部を観察したところ、いずれの固体電
解質にも何ら異常は認められなかった。
【0018】比較例1 上記実施例1において、ポリジメチルシロキサンを配合
しない以外は全く同様にして固体電解質を作製し、実施
例1と同様にして固体電解質のイオン伝導度を測定した
ところ、2.0×10-7S/cmであった。この固体電解
質を用いて、実施例1と同様に試験用固体電解質電池を
作製し、充放電を200サイクル行った。初期放電電圧
および初期放電容量は表1に示す通りであった。この充
放電試験の後、試験用固体電解質電池を解体して内部を
観察したところ、固体電解質に微細な亀裂が生じてい
た。
【0019】比較例2,3 上記実施例1において、ポリジメチルシロキサンをそれ
ぞれ0.02g、0.3gとする以外は全く同様にして
固体電解質を作製し、実施例1と同様にして各固体電解
質のイオン伝導度を測定したところ、イオン伝導度はそ
れぞれ4.0×10-7S/cm、1.0×10-6S/cmで
あった。それぞれの固体電解質を用いて、実施例1と同
様に試験用固体電解質電池を作製し、充放電を200サ
イクル行った。初期放電電圧および初期放電容量は表1
に示す通りであった。この充放電試験の後、各電池を解
体して内部を観察したところ、比較例3の固体電解質で
は、ポリシロキサンの滲み出しが見られ、比較例2の固
体電解質には、微細な亀裂が生じていた。
【0020】
【表1】
【0021】上記実施例3および比較例1の試験用固体
電解質電池の充放電試験におけるサイクル回数と放電容
量との関係をグラフにプロットしたところ、図2に示す
通りであった。
【0022】上記表1から明らかなように、実施例の固
体電解質は、25℃の低温度でも10-5S/ cmオーダと
いう高いイオン伝導度を示し、この固体電解質を用いる
固体電解質電池は、高起電力、高放電容量のものとな
る。また、図2から明らかなように、充放電を繰り返す
サイクル試験においても、実施例の固体電解質電池は、
比較例のものに比べてその放電容量の低下が抑制され、
優れた結果を示した。
【0023】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
低温度域において高イオン伝導度を示す固体電解質がえ
られる。したがって、この固体電解質を用いる固体電解
質電池は、高起電力、高放電容量で、かつ、サイクル特
性に優れ、長期使用においても化学的に安定で信頼性が
高く、しかも広範な温度域で電池性能を発揮するものと
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す固体電解質電池の模式
断面図である。
【図2】実施例および比較例の固体電解質電池の充放電
試験におけるサイクル回数と放電容量の関係を示すグラ
フ図である。
【符号の説明】
1 固体電解質 2 正極体 3 負極体 D 固体電解質電池

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極と、金属リチウムまたはその合金か
    らなる負極と、ポリエチレンオキシド97〜75重量部
    およびポリシロキサン3〜25重量部よりなる配合物1
    00重量部に対し、イオン解離性金属塩を3〜30重量
    部配合して成形した固体電解質とで構成されることを特
    徴とする固体電解質電池。
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CN108963331A (zh) * 2017-05-18 2018-12-07 珠海市赛纬电子材料股份有限公司 一种peo基固体聚合物电解质复合材料及其制备方法

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