JP3539564B2

JP3539564B2 - ポリマー電解質、および非水電解質二次電池

Info

Publication number: JP3539564B2
Application number: JP2001384090A
Authority: JP
Inventors: 朋仁岡本; 真也北野
Original assignee: 日本電池株式会社
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: JP2003187870A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマー電解質、および非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非水電解質二次電池（以下、単に「電池」と称することがある）にあっては、遊離電解液量を低減して電池の安全性を向上させる等の目的のために、従来の液状電解質に代えてポリマー電解質を使用したポリマー電池が注目されつつある。このポリマー電解質は、固体またはゲル状の網目構造を有する高分子材料に、イオン伝導性を有する電解液を相溶・保持させた構成のものである。
【０００３】
このようなポリマー電解質に使用される高分子材料としては、例えばフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体が挙げられる。このものは、可塑剤としての電解液を含みやすく、容易にゲル状となることから、ポリマー電解質用の高分子材料として好ましく使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような共重合体をポリマー電解質に適用した電池においては、高温環境下に長時間放置した場合に、共重合体がその形状を維持できなくなって電解液中に溶解し、電解液の粘度が増大して電気伝導度の低下を生じる場合がある。このため、充分な高温特性が得られず、改善が求められていた。
【０００５】
特に、ポリマー電解質は固体構造を有するため、液状電解質に比べて電気伝導度が低いという問題がある。この問題の改善策として、共重合体中のヘキサフルオロプロピレンの共重合割合を高め、電解液の保持量を増大させることが一般的である。これにより、ポリマー電解質の可塑性が高まるため、リチウムイオンの伝導性を向上させ、電気伝導度を改善することができる。しかし、このような構成では、共重合体の機械的強度が低くなってしまうため、高温環境下での劣化の問題が顕著となる。
【０００６】
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電解液の保持性がよく、かつ、高温特性に優れたポリマー電解質、および非水電解質二次電池電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、電解液の保持性がよく、かつ、高温特性に優れたポリマー電解質、および非水電解質二次電池を提供すべく鋭意研究したところ、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、およびヘキサフルオロプロピレンを含む単量体を共重合させることにより形成された共重合体を使用することが有効であることを見出した。
【０００８】
さらに、共重合体の組成を最適化することにより、電解液の保持性が高く、優れた高温特性を備えた電池を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、かかる新規な知見に基づいてなされたものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、高分子材料に電解液を保持させてなる非水電解質二次電池用ポリマー電解質であって、高分子材料に電解液を保持させてなる非水電解質二次電池用ポリマー電解質であって、前記高分子材料が、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、およびヘキサフルオロプロピレンを含む単量体を共重合させることにより形成された共重合体であり、かつ、フッ化ビニリデン単位、テトラフルオロエチレン単位、およびヘキサフルオロプロピレン単位の合計に対するテトラフルオロエチレン単位の比率が５重量％以上３０重量％未満であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の非水電解質二次電池は、正極と、負極と、高分子材料に電解液を保持させてなるポリマー電解質とを備えた非水電解質二次電池であって、前記高分子材料が、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、およびヘキサフルオロプロピレンを含む単量体を共重合させることにより形成され、かつ、フッ化ビニリデン単位、テトラフルオロエチレン単位、およびヘキサフルオロプロピレン単位の合計に対するテトラフルオロエチレン単位の比率が５重量％以上３０重量％未満とされた共重合体であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に用いられる高分子材料としては、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンの３種の単量体を共重合させた共重合体が好適に使用できる。上述のように、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体は高温時に溶解しやすいが、これにテトラフルオロエチレンを共重合させ、共重合体の可塑性を調整することにより、溶解を抑制できると考えられる。また、これら３種の単量体の他に、本発明の作用効果を損なわない範囲内で他の単量体を共重合させたものであってもよい。
【００１２】
特に、共重合体中のテトラフルオロエチレン単位の比率は、フッ化ビニリデン単位、テトラフルオロエチレン単位、およびヘキサフルオロプロピレン単位の合計に対して５重量％以上３０重量％未満とされることが好ましい。３０重量％以上では、電解液との相溶性が悪くなり、充分な電解液保持量が得られなくなるためである。また、５重量％未満では、共重合体が高温放置時に溶解しやすくなるためである。
【００１３】
また、共重合体中のヘキサフルオロエチレン単位の比率は、フッ化ビニリデン単位、テトラフルオロエチレン単位、およびヘキサフルオロプロピレン単位の合計に対して１０重量％以下とされることが好ましい。１０重量％を超えれば、共重合体の結晶性が低下し、高温放置時に溶解しやすくなるためである。
【００１４】
このような共重合体を用いてポリマー電解質を形成させる方法としては、非水電解質二次電池の製造に通常適用される方法であれば特に制限はない。具体的には、例えば共重合体を適当な溶媒に分散させたものを、正極板、負極板にそれぞれ含浸し、精製水等による溶媒抽出工程を行った後、電解液を保持させてもよい。あるいは、セパレータに、共重合体を適当な溶媒に分散させたものを含浸、あるいは塗布して乾燥させた後、これに電解液を保持させてもよい。セパレータとしては、非水電解質二次電池のセパレータとして通常使用されるものであればよく、例えばポリプロピレン微多孔膜等を用いることができる。さらには、セパレータを用いずフィルム状に成形された共重合体に、電解液を保持させてもよい。
【００１５】
本発明の電解液に用いられる溶媒としては、非水電解質二次電池の電解液に通常用いられるものであれば特に制限はなく、例えばエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、γーブチロラクトン、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、ジメチルアセドアミド等が使用できる。これらの溶媒は、単独で、もしくは２種以上を混合して用いることができる。
【００１６】
また、電解液に含まれる電解質塩としては、非水電解質二次電池に通常使用される電解質塩であれば特に制限はなく、例えばＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３、ＬｉＯＳＯ_２ＣＦ_３等が使用できる。また、電解液には酸化防止剤、難燃剤、ラジカル捕捉剤、界面活性剤等の添加物が含まれていてもよい。
【００１７】
【発明の作用及び効果】
本発明によれば、電解液の保持性がよく、かつ、高温特性に優れたポリマー電解質、および非水電解質二次電池を提供することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【００１９】
＜実施例１＞
１．リチウムイオン二次電池の作製
１）高分子材料の調製
撹拌機を備えた容量１０ＬのＳＵＳ３１６製オートクレーブを排気し、マロン酸ジエチル１．０ｇ、フルオロオクタン酸アンモニウム２．０ｇ、リン酸水素二ナトリウム１０．０ｇ、イオン交換水４５００ｇを導入した。次いで、フッ化ビニリデン５４ｇ、テトラフルオロエチレン２１ｇ、ヘキサフルオロプロピレン３２ｇの混合ガスをゲージ圧２．５ＭＰａで、コンプレッサを用いて圧入した。その後、オートクレーブを８０℃に加温し、軽量ポンプによりペルオキソ硫酸アンモニウム４．０ｇを導入し、重合反応を開始させた。
【００２０】
重合反応開始後、フッ化ビニリデン３２５ｇ、テトラフルオロエチレン６１ｇ、ヘキサフルオロプロピレン４７ｇの混合ガスを２時間かけて分添した。分添終了後、オートクレーブを室温まで冷却した。次いで、残存ガスをパージし、乳濁液をオートクレーブから取り出し、１重量％の塩化カルシウム水溶液中に撹拌しながら滴下した。滴下終了後、凝析した生成物を濾別し、超純水（２０℃でイオン伝導度１．０μＳ／ｃｍ）で撹拌、洗浄し、ろ過後、乾燥させた。このようにして、白色粉末状のポリフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン（Ｐ（ＶｄＦ−ＴＦＥ−ＨＦＰ））共重合体が得られた。
【００２１】
得られた共重合体の共重合組成（^１９Ｆ−ＮＭＲによる）は、フッ化ビニリデン８２重量％、テトラフルオロエチレン１５重量％、ヘキサフルオロプロピレン３重量％であった。
【００２２】
２）正極の作製
コバルト酸リチウムを正極活物質とし、この正極活物質に対して結着剤としてフッ化ビニリデンを、導電剤としてアセチレンブラックを、重量比９１：５：４の割合で混合し、Ｎ−メチルピロリドンを加えて正極合剤ペーストを調製した。このペーストを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔からなる集電体の両面に均一に塗布し、乾燥、プレスした。このようにして、正極活物質層を備えた帯状の正極シートを作製した。この正極シートの一端部には、正極リードを溶着した。
【００２３】
３）負極の作製
グラファイトを負極活物質とし、このグラファイトに対して結着剤としてフッ化ビニリデンを、重量比９２：８の割合で混合し、Ｎ−メチルピロリドンを加えて負極合剤ペーストを調製した。このペーストを、厚さ１０μｍの銅箔からなる集電体の両面に均一に塗布し、乾燥、プレスした後に裁断した。このようにして、負極活物質層を備えた帯状の負極シートを作製した。この負極シートの一端部には、負極リードを溶着した。
【００２４】
４）電解液の調製
エチレンカーボネート、およびジメチルカーボネートを、体積比３：７の割合で混合して、非水溶媒を調製した。この非水溶媒に、電解質塩としてＬｉＰＦ_６を１．２ｍｏｌ／ｌの濃度で加え、電解液を調製した。
【００２５】
５）正極シート、負極シートへの高分子材料の含浸
上記１）で調製したＰ（ＶｄＦ−ＴＦＥ−ＨＦＰ）共重合体を、Ｎ−メチルピロリドンに１０％濃度となるように溶解して、共重合体溶液を調製した。この共重合体溶液に、上記２）、３）で作製した正極シートおよび負極シートを浸漬して、溶液を充分に含浸させた。次に、これらの両シートを水中に浸漬して、溶媒であるＮ−メチルピロリドンを水と置換した。その後、両シートを乾燥させて、網目構造を有する高分子材料を保持した正極シート、負極シートを作製した。
【００２６】
６）電池の作製
ポリエチレンテレフタレート製のフィルム、アルミニウム箔、接着剤層、第１変性ポリオレフィン層、第２変性ポリオレフィン層を順に重ねたラミネートフィルムを、第２変性ポリオレフィン層側を内側として折り返し、底辺部及び側辺部を溶着することにより、袋状の電池ケースを作成した。
【００２７】
上記５）で作製した、高分子材料を保持した正極シートおよび負極シートを積層した後、巻回して発電素子を作製した。そして、この発電素子を電池ケース内に収納した。
【００２８】
電池ケース内に上記４）で調製した電解液を注入し、高分子材料に電解液を保持させて、ゲル状のポリマー電解質とした。その後、電池ケースの開口部を加熱圧着により封口して、電池を完成させた。なお、作製された電池の公称容量は６００ｍＡｈとした。
【００２９】
２．充放電試験および放置試験
上記の方法で作成した電池について、２５℃の温度雰囲気下で、６００ｍＡ（１Ｃ）の定電流で４．２Ｖまで充電後、４．２Ｖの定電圧で２．５時間充電を行った。次いで、６００ｍＡの定電流で３．０Ｖまで放電を行い、放電容量（以下、１Ｃ放電容量という）を測定した。
次に、この電池について、２５℃の温度雰囲気下で、６００ｍＡの定電流で４．２Ｖまで充電後、４．２Ｖの定電圧で２．５時間充電を行った。次いで、１２００ｍＡ（２Ｃ）の定電流で３．０Ｖまで放電を行い、放電容量（以下、２Ｃ放電容量という）を測定した。
さらに、この電池について、２５℃の温度雰囲気下で、６００ｍＡの定電流で４．２Ｖまで充電後、４．２Ｖの定電圧で２．５時間充電を行った。充電後、この電池を８０℃で４８時間放置した。放置後、この電池について６００ｍＡの定電流で３．０Ｖまで放電を行い、放電容量（以下、放置後放電容量という）を測定し、容量保持率を求めた。なお、容量保持率は、１Ｃ放電容量に対する放置後放電容量の割合で示した。
【００３０】
＜実施例２＞
実施例１の高分子材料に代えて、共重合組成（^１９Ｆ−ＮＭＲによる）が、フッ化ビニリデン７５重量％、テトラフルオロエチレン２０重量％、ヘキサフルオロプロピレン５重量％である共重合体を使用し、実施例１と同様に電池を組み立てた。この電池について、実施例１と同様に試験を行った。
【００３１】
＜実施例３＞
実施例１の高分子材料に代えて、共重合組成（^１９Ｆ−ＮＭＲによる）が、フッ化ビニリデン６５重量％、テトラフルオロエチレン２５重量％、ヘキサフルオロプロピレン５重量％である共重合体を使用し、実施例１と同様に電池を組み立てた。この電池について、実施例１と同様に試験を行った。
【００３２】
＜実施例４＞
実施例１の高分子材料に代えて、共重合組成（^１９Ｆ−ＮＭＲによる）が、フッ化ビニリデン８７重量％、テトラフルオロエチレン１２重量％、ヘキサフルオロプロピレン１重量％である共重合体を使用し、実施例１と同様に電池を組み立てた。この電池について、実施例１と同様に試験を行った。
【００３４】
＜比較例１＞
実施例１の高分子材料に代えて、ポリフッ化ビニリデンを使用し、実施例１と同様に電池を組み立てた。この電池について、実施例１と同様に試験を行った。
【００３５】
＜比較例２＞
実施例１の高分子材料に代えて、共重合組成（^１９Ｆ−ＮＭＲによる）が、フッ化ビニリデン９６重量％、テトラフルオロエチレン４重量％である共重合体を使用し、実施例１と同様に電池を組み立てた。この電池について、実施例１と同様に試験を行った。
【００３６】
＜比較例３＞
実施例１の高分子材料に代えて、共重合組成（^１９Ｆ−ＮＭＲによる）が、フッ化ビニリデン８３重量％、テトラフルオロエチレン５重量％、ヘキサフルオロプロピレン１２重量％である共重合体を使用し、実施例１と同様に電池を組み立てた。この電池について、実施例１と同様に試験を行った。
【００３７】
＜比較例４＞
実施例１の高分子材料に代えて、共重合組成（^１９Ｆ−ＮＭＲによる）が、フッ化ビニリデン６０重量％、テトラフルオロエチレン３５重量％、ヘキサフルオロプロピレン５重量％である共重合体を使用し、実施例１と同様に電池を組み立てた。この電池について、実施例１と同様に試験を行った。
【００３８】
＜結果と考察＞
各実施例および比較例について、表１には高分子材料の共重合組成を、表２には１Ｃ放電容量、２Ｃ放電容量、放置後放電容量、および容量保持率を示した。なお、比較例１、比較例２、および比較例４の電池については、２Ｃ放電容量が大きく低下したため、高温放置試験は行わなかった。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【表２】

【００４１】
表１および表２より、実施例１〜実施例４では、いずれの電池においても２Ｃ放電容量は１Ｃ放電容量の９０％以上であった。また、容量保持率は９３％であり、優れた高温特性を示していた。
これに対して、比較例１、比較例２、および比較例４の電池においては、２Ｃ放電容量が１Ｃ放電容量の約６０％に低下しており、高率放電特性に劣っていた。
これらの電池においては、ヘキサフルオロプロピレン単位の含有量が少ないか、あるいはテトラフルオロエチレン単位の含有量が多いために、共重合体と電解液との相溶性が悪く、この結果高率放電特性が低下したものと考えられる。また、比較例３の電池では、２Ｃ放電容量については１Ｃ放電容量の約９０％に保持されたものの、高温放置試験による容量保持率が７４％まで低下していた。この電池では、ヘキサフルオロプロピレン単位の含有量が多いか、あるいはテトラフルオロエチレン単位の含有量が少ないために、ポリマー電解質の可塑性が大きく、高温放置による共重合体の溶解が生じたものと考えられる。
【００４２】
なお、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、均等の範囲にまで及ぶものである。

Claims

高分子材料に電解液を保持させてなる非水電解質二次電池用ポリマー電解質であって、
前記高分子材料が、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、およびヘキサフルオロプロピレンを含む単量体を共重合させることにより形成された共重合体であり、かつ、フッ化ビニリデン単位、テトラフルオロエチレン単位、およびヘキサフルオロプロピレン単位の合計に対するテトラフルオロエチレン単位の比率が５重量％以上３０重量％未満であるとともに、フッ化ビニリデン単位、テトラフルオロエチレン単位、およびヘキサフルオロプロピレン単位の合計に対するヘキサフルオロプロピレン単位の比率が１０重量％以下であることを特徴とするポリマー電解質。
正極と、
負極と、
高分子材料に電解液を保持させてなるポリマー電解質とを備えた非水電解質二次電池であって、
前記高分子材料が、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、およびヘキサフルオロプロピレンを含む単量体を共重合させることにより形成され、かつ、フッ化ビニリデン単位、テトラフルオロエチレン単位、およびヘキサフルオロプロピレン単位の合計に対するテトラフルオロエチレン単位の比率が５重量％以上３０重量％未満とされ、かつ、フッ化ビニリデン単位、テトラフルオロエチレン単位、およびヘキサフルオロプロピレン単位の合計に対するヘキサフルオロプロピレン単位の比率が１０重量％以下とされた共重合体であることを特徴とする非水電解質二次電池。