JP3786323B2 - シート型電極・電解質構造体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等におけるシート型電極・電解質構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在様々な形の電池がエレクトロニクスの分野から自動車用途あるいは電力貯蔵を意図した大型のものまで広く利用されている。
【０００３】
このような電池において通常電解液は液体が用いられているが、これを固体状に置き換えることにより、液漏れの防止あるいはシート構造化が可能になることが予想され、次世代タイプの電池として注目を集めている。特に現在、ノートブックパソコン等で急速に利用されているリチウムイオン二次電池等のシート化あるいは積層小型化が実現できれば、さらに応用展開が加速されることと予測されている。こうした固体状の電解質を用いる場合、セラミックス材料、あるいは高分子材料、あるいはそれらを複合化した材料が提案されている。その中で高分子電解質を電解液等を用い可塑化したゲル電解質は、液体系の高導電率と高分子系のプラスチック性を兼ね備えており、電解質開発の上で有望視されている。
【０００４】
ところで、ゲル状の電解質を電池に利用した例はすでに G.Feuillade, J.Appl.Electrochem.5(1975)p.63-69により開示されており、さらに米国特許第５２９６３１８号により実用的な系も提示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなシート型電池の作製方法では、正極、負極、固体電解質を順次積層する。しかしながら従来のゲル系固体電解質を用いる場合、大電流放電が困難である点が技術課題として挙げられていた。したがって、上記のシート型電池を作製する際、上述した課題により、特性が液体系より劣っていた。
【０００６】
こうした欠点を引き起こす要素として下記の▲１▼〜▲５▼が考えられる。
【０００７】
▲１▼セパレータ部分の抵抗
▲２▼セパレータ電極界面の抵抗
▲３▼電極内部のイオン伝導度
▲４▼電極内部の電子伝導度
▲５▼電極集電体接触抵抗
【０００８】
上記▲１▼についてはゲル化電解質を用いているため実用に供する伝導度に限度があり、改善の余地も限られる。▲２▼についてはセパレータ、電極界面の構造の改良による対策が考えられる。▲４▼については電極内部の導電助剤の分散あるいは導電助剤の伝導度により改善できる、▲５▼については電極集電体部分を如何に電極内部に埋め込むかによる。
【０００９】
以上の背景を踏まえ本発明者らは▲３▼についての改善策を検討した。
【００１０】
通常、ゲル電解質を使用する場合、電極内部にもゲル化成分を含有させ、なるべく電解質と電極内部との整合性をとる。しかしながら電極内部にゲル電解質成分を均一に分散させることは困難であり、これが原因で放電レート特性低下を招いていた。したがって、例えばモデル実験としてシート型電池を電解液に浸すと放電レート特性が改善される。これは電極内部の電解液成分が不足、すなわちイオン伝導度が低下していることを示している。
【００１１】
以上の結果に基づき、本発明者らは電池を構成する際に、あらたな膨潤しやすい材料層を電極上部に設け、電解液を含浸させておくことにより電極内部の電解液不足を低減できることを見いだした。逆に、内部からの蒸発を防ぐことも実現でき、揮発しやすい溶媒も使用可能となる。
【００１２】
本発明は、上記の点に鑑み、電極内部のイオン伝導度を改善する工夫を施したことにより大電流放電を可能にし、２次電池として使用したときの放電レート特性を向上させたシート型電極・電解質構造体を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電極間にゲル系固体電解質を介在させた積層体を有するシート型電極・電解質構造体において、
前記積層体のいずれかの最外層に、電解液を含んだ電解液貯蔵層を設けて、前記電極の境界に接合した構成としている。
【００１５】
また、前記シート型電極・電解質構造体において、前記積層体の両方の最外層に、電解液を含んだ電解液貯蔵層を設けて、前記電極の境界に接合した構成としてもよい。
前記シート型電極・電解質構造体において、前記ゲル系固体電解質が高分子マトリックスに電解液を含浸させてゲル化したものであるとよい。
【００１７】
前記電解液貯蔵層は高分子マトリックスに電解液を含浸してゲル化した構成であるとよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシート型電極・電解質構造体の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１９】
図１は本発明に係るシート型電極・電解質構造体の実施の形態を示す概略構成図で、１は正極、２は負極であり、正極１と負極２間にセパレータとしての高分子ゲル電解質（ゲル系固体電解質）３を介在させた積層体からなる電気化学素子の正極、負極の少なくともどちらかに電解液（ゲル化した電解質）を含んだ電解液貯蔵層４を接触させている。図示の例では電解液貯蔵層４が正極１及び負極２の電解質３に接する面の反対側の境界にそれぞれ接合している。
【００２０】
前記セパレータとしての高分子ゲル電解質３は高分子マトリックスに電解液を含浸してゲル化し、シート状（フィルム状）としたものであり、リチウムイオン電池を構成する場合にはリチウム塩を含有する。リチウムイオン電池を構成する場合の正極１は、正極活物質としてＬｉＣｏＯ２を、導電助剤としてアセチレンブラックを使用し、電解質中へそれぞれ分散させ電極用スラリーとしてシート状に固体化したものである。負極２は、負極活物質として黒鉛を用い電解質と混合して電極用スラリーとしてシート状に固体化したものである。そして、正極１、高分子ゲル電解質３及び負極２の積層体の外側（正極１及び負極２の高分子ゲル電解質３側と反対側の境界）に電解液貯蔵層４が接合される。電解液貯蔵層４は高分子マトリックスに電解液を含浸してゲル化し、シート状（フィルム状）としたものである。但し、電解液貯蔵層４は高分子ゲル電解質３と同一成分である必要はなく、特にリチウム塩を含有する必要もない。
【００２１】
図１の実施の形態においては、セパレータである高分子ゲル電解質３だけでなく、上記電解液貯蔵層４が電解液貯蔵の機能を果たすため、全体として正負電極内部の伝導度向上に寄与する。この電解液貯蔵層４も電解液とゲル化すれば全体として電解液の保持性が増し、液漏れは起こさない。
【００２２】
【実施例】
＜実施例１＞
以下に示す組成で正極、負極、両極間の電解質を作成した。
【００２３】
電解質
高分子マトリックス ＰＶＤＦ Kynar 2801
（ポリフッ化ビニリデンと６フッ化プロピレンの共重合体）
電解液 １モル ＬｉＣｌＯ4／ＰＣ （ＥＬと略す）
（ＰＣはプロピレンカーボネート）
溶媒 アセトン （Ａｃと略す）
これらの高分子マトリックス、電解液、溶媒を重量比で３：７：２０として混合後、乾燥させてフィルム化した。
【００２４】
正極
上記電解質原料溶液に対して正極活物質としてＬｉＣｏＯ2を用いた。
また導電助剤としてアセチレンブラックを使用した。
これら電解質原料溶液、正極活物質、導電助剤を重量比で２：７.５：１.２として室温中で活物質を電解質中へ分散させ電極用スラリーとし、シート状に乾燥固化させた。
【００２５】
負極
電解質溶液（重量比でＰＶＤＦ：ＥＬ：Ａｃ＝３：７：５）に対して負極活物質として黒鉛を用いた。これらを重量比で２：１の割合で混合し電極用スラリーとし、シート状に乾燥固化させた。
【００２６】
これら電解質、正負極をシート状に積層化し、さらに正負極のどちらかに電解液貯蔵層として下記成分のゲル電解液膜を設置（正負極間の電解質側と反対側の境界に接合）してシート型電極・電解質構造体を得た。
【００２７】
ゲル電解液膜
高分子マトリックス ＰＶＤＦ Kynar 2801
（ポリフッ化ビニリデンと６フッ化プロピレンの共重合体）
電解液 １モル ＬｉＣｌＯ4／ＰＣ （ＥＬと略す）
溶媒 アセトン （Ａｃと略す）
これらの高分子マトリックス、電解液、溶媒を重量比で３：７：２０として混合後、乾燥させてフィルム化した。
【００２８】
このようにして得られた電気化学素子の容量保持率（％）（１Ｃ／０．２Ｃ）を表１に示した。従来例にくらべ改善されていることが判る。
【００２９】
但し、比較例によるサンプルは電解液貯蔵層がないものである。
【００３０】
また、正負電極間の交流抵抗率を表２に示す。この表２から抵抗が改善さていることがわかる。
【００３１】
但し、比較例の抵抗率を１００としたときの相対値をそれぞれ示している。比較例によるサンプルは電解液貯蔵層がないものである。
【００３２】
＜実施例２＞
本実施例では、セパレータとなる電解質、正負極、電解液貯蔵層の電解質高分子マトリックスとして、それぞれ熱可塑性フッ素樹脂を用いた。他は実施例１と同一である。
【００３３】
具体的には、この熱可塑性フッ素樹脂は、主鎖がフッ化ビニリデンと塩化フッ化エチレンの共重合体からなり、側鎖がポリフッ化ビニリデンからなっているもので、商品名「セフラルソフト」（セントラル硝子社製）である。
【００３４】
これらセパレータとなる電解質、正負極を積層化し、さらに正負極のどちらかに電解液貯蔵層として実施例１と同一条件で高分子固体電解質（高分子マトリックスは熱可塑性フッ素樹脂）を作製、塗布し電極電解質一体化構成物であるシート型電極・電解質構造体を作製した。容量保持率（％）（１Ｃ／０．２Ｃ）は表１の実施例１と同様の結果が得られた。
【００３５】
＜実施例３＞
本実施例では、実施例１と同一条件であるが、特に製造当初は電解液貯蔵層に電解液を添加せずセパレータ、正極及び負極からなる電気化学素子に電解液貯蔵層を積層後、該電解液貯蔵層に電解液を含浸させて高分子材料をゲル化させた。このようにしても電解質は機能する。
【００３６】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るシート型電極・電解質構造体によれば、電極間にゲル系固体電解質を介在させた積層体を有し、前記積層体のいずれか又は両方の最外層に、電解液を含んだ電解液貯蔵層を設けて、前記電極の境界に接合したので、放電レート特性の優れたシート型電池を構成することができる。また、電気二重層キャパシタに用いた場合にも大電流放電を可能とする効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシート型電極・電解質構造体の実施の形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 正極
２ 負極
３ 高分子ゲル電解質
４ 電解液貯蔵層
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等におけるシート型電極・電解質構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在様々な形の電池がエレクトロニクスの分野から自動車用途あるいは電力貯蔵を意図した大型のものまで広く利用されている。
【０００３】
このような電池において通常電解液は液体が用いられているが、これを固体状に置き換えることにより、液漏れの防止あるいはシート構造化が可能になることが予想され、次世代タイプの電池として注目を集めている。特に現在、ノートブックパソコン等で急速に利用されているリチウムイオン二次電池等のシート化あるいは積層小型化が実現できれば、さらに応用展開が加速されることと予測されている。こうした固体状の電解質を用いる場合、セラミックス材料、あるいは高分子材料、あるいはそれらを複合化した材料が提案されている。その中で高分子電解質を電解液等を用い可塑化したゲル電解質は、液体系の高導電率と高分子系のプラスチック性を兼ね備えており、電解質開発の上で有望視されている。
【０００４】
ところで、ゲル状の電解質を電池に利用した例はすでに G.Feuillade, J.Appl.Electrochem.5(1975)p.63-69により開示されており、さらに米国特許第５２９６３１８号により実用的な系も提示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなシート型電池の作製方法では、正極、負極、固体電解質を順次積層する。しかしながら従来のゲル系固体電解質を用いる場合、大電流放電が困難である点が技術課題として挙げられていた。したがって、上記のシート型電池を作製する際、上述した課題により、特性が液体系より劣っていた。
【０００６】
こうした欠点を引き起こす要素として下記の▲１▼〜▲５▼が考えられる。
【０００７】
▲１▼セパレータ部分の抵抗
▲２▼セパレータ電極界面の抵抗
▲３▼電極内部のイオン伝導度
▲４▼電極内部の電子伝導度
▲５▼電極集電体接触抵抗
【０００８】
上記▲１▼についてはゲル化電解質を用いているため実用に供する伝導度に限度があり、改善の余地も限られる。▲２▼についてはセパレータ、電極界面の構造の改良による対策が考えられる。▲４▼については電極内部の導電助剤の分散あるいは導電助剤の伝導度により改善できる、▲５▼については電極集電体部分を如何に電極内部に埋め込むかによる。
【０００９】
以上の背景を踏まえ本発明者らは▲３▼についての改善策を検討した。
【００１０】
通常、ゲル電解質を使用する場合、電極内部にもゲル化成分を含有させ、なるべく電解質と電極内部との整合性をとる。しかしながら電極内部にゲル電解質成分を均一に分散させることは困難であり、これが原因で放電レート特性低下を招いていた。したがって、例えばモデル実験としてシート型電池を電解液に浸すと放電レート特性が改善される。これは電極内部の電解液成分が不足、すなわちイオン伝導度が低下していることを示している。
【００１１】
以上の結果に基づき、本発明者らは電池を構成する際に、あらたな膨潤しやすい材料層を電極上部に設け、電解液を含浸させておくことにより電極内部の電解液不足を低減できることを見いだした。逆に、内部からの蒸発を防ぐことも実現でき、揮発しやすい溶媒も使用可能となる。
【００１２】
本発明は、上記の点に鑑み、電極内部のイオン伝導度を改善する工夫を施したことにより大電流放電を可能にし、２次電池として使用したときの放電レート特性を向上させたシート型電極・電解質構造体を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電極間にゲル系固体電解質を介在させた積層体を有するシート型電極・電解質構造体において、
前記積層体のいずれかの最外層に、電解液を含んだ電解液貯蔵層を設けて、前記電極の境界に接合した構成としている。
【００１５】
また、前記シート型電極・電解質構造体において、前記積層体の両方の最外層に、電解液を含んだ電解液貯蔵層を設けて、前記電極の境界に接合した構成としてもよい。
前記シート型電極・電解質構造体において、前記ゲル系固体電解質が高分子マトリックスに電解液を含浸させてゲル化したものであるとよい。
【００１７】
前記電解液貯蔵層は高分子マトリックスに電解液を含浸してゲル化した構成であるとよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシート型電極・電解質構造体の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１９】
図１は本発明に係るシート型電極・電解質構造体の実施の形態を示す概略構成図で、１は正極、２は負極であり、正極１と負極２間にセパレータとしての高分子ゲル電解質（ゲル系固体電解質）３を介在させた積層体からなる電気化学素子の正極、負極の少なくともどちらかに電解液（ゲル化した電解質）を含んだ電解液貯蔵層４を接触させている。図示の例では電解液貯蔵層４が正極１及び負極２の電解質３に接する面の反対側の境界にそれぞれ接合している。
【００２０】
前記セパレータとしての高分子ゲル電解質３は高分子マトリックスに電解液を含浸してゲル化し、シート状（フィルム状）としたものであり、リチウムイオン電池を構成する場合にはリチウム塩を含有する。リチウムイオン電池を構成する場合の正極１は、正極活物質としてＬｉＣｏＯ２を、導電助剤としてアセチレンブラックを使用し、電解質中へそれぞれ分散させ電極用スラリーとしてシート状に固体化したものである。負極２は、負極活物質として黒鉛を用い電解質と混合して電極用スラリーとしてシート状に固体化したものである。そして、正極１、高分子ゲル電解質３及び負極２の積層体の外側（正極１及び負極２の高分子ゲル電解質３側と反対側の境界）に電解液貯蔵層４が接合される。電解液貯蔵層４は高分子マトリックスに電解液を含浸してゲル化し、シート状（フィルム状）としたものである。但し、電解液貯蔵層４は高分子ゲル電解質３と同一成分である必要はなく、特にリチウム塩を含有する必要もない。
【００２１】
図１の実施の形態においては、セパレータである高分子ゲル電解質３だけでなく、上記電解液貯蔵層４が電解液貯蔵の機能を果たすため、全体として正負電極内部の伝導度向上に寄与する。この電解液貯蔵層４も電解液とゲル化すれば全体として電解液の保持性が増し、液漏れは起こさない。
【００２２】
【実施例】
＜実施例１＞
以下に示す組成で正極、負極、両極間の電解質を作成した。
【００２３】
電解質
高分子マトリックス ＰＶＤＦ Kynar 2801
（ポリフッ化ビニリデンと６フッ化プロピレンの共重合体）
電解液 １モル ＬｉＣｌＯ4／ＰＣ （ＥＬと略す）
（ＰＣはプロピレンカーボネート）
溶媒 アセトン （Ａｃと略す）
これらの高分子マトリックス、電解液、溶媒を重量比で３：７：２０として混合後、乾燥させてフィルム化した。
【００２４】
正極
上記電解質原料溶液に対して正極活物質としてＬｉＣｏＯ2を用いた。
また導電助剤としてアセチレンブラックを使用した。
これら電解質原料溶液、正極活物質、導電助剤を重量比で２：７.５：１.２として室温中で活物質を電解質中へ分散させ電極用スラリーとし、シート状に乾燥固化させた。
【００２５】
負極
電解質溶液（重量比でＰＶＤＦ：ＥＬ：Ａｃ＝３：７：５）に対して負極活物質として黒鉛を用いた。これらを重量比で２：１の割合で混合し電極用スラリーとし、シート状に乾燥固化させた。
【００２６】
これら電解質、正負極をシート状に積層化し、さらに正負極のどちらかに電解液貯蔵層として下記成分のゲル電解液膜を設置（正負極間の電解質側と反対側の境界に接合）してシート型電極・電解質構造体を得た。
【００２７】
ゲル電解液膜
高分子マトリックス ＰＶＤＦ Kynar 2801
（ポリフッ化ビニリデンと６フッ化プロピレンの共重合体）
電解液 １モル ＬｉＣｌＯ4／ＰＣ （ＥＬと略す）
溶媒 アセトン （Ａｃと略す）
これらの高分子マトリックス、電解液、溶媒を重量比で３：７：２０として混合後、乾燥させてフィルム化した。
【００２８】
このようにして得られた電気化学素子の容量保持率（％）（１Ｃ／０．２Ｃ）を表１に示した。従来例にくらべ改善されていることが判る。
【００２９】
【００３０】
また、正負電極間の交流抵抗率を表２に示す。この表２から抵抗が改善さていることがわかる。
【００３１】
【００３２】
＜実施例２＞
本実施例では、セパレータとなる電解質、正負極、電解液貯蔵層の電解質高分子マトリックスとして、それぞれ熱可塑性フッ素樹脂を用いた。他は実施例１と同一である。
【００３３】
具体的には、この熱可塑性フッ素樹脂は、主鎖がフッ化ビニリデンと塩化フッ化エチレンの共重合体からなり、側鎖がポリフッ化ビニリデンからなっているもので、商品名「セフラルソフト」（セントラル硝子社製）である。
【００３４】
これらセパレータとなる電解質、正負極を積層化し、さらに正負極のどちらかに電解液貯蔵層として実施例１と同一条件で高分子固体電解質（高分子マトリックスは熱可塑性フッ素樹脂）を作製、塗布し電極電解質一体化構成物であるシート型電極・電解質構造体を作製した。容量保持率（％）（１Ｃ／０．２Ｃ）は表１の実施例１と同様の結果が得られた。
【００３５】
＜実施例３＞
本実施例では、実施例１と同一条件であるが、特に製造当初は電解液貯蔵層に電解液を添加せずセパレータ、正極及び負極からなる電気化学素子に電解液貯蔵層を積層後、該電解液貯蔵層に電解液を含浸させて高分子材料をゲル化させた。このようにしても電解質は機能する。
【００３６】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るシート型電極・電解質構造体によれば、電極間にゲル系固体電解質を介在させた積層体を有し、前記積層体のいずれか又は両方の最外層に、電解液を含んだ電解液貯蔵層を設けて、前記電極の境界に接合したので、放電レート特性の優れたシート型電池を構成することができる。また、電気二重層キャパシタに用いた場合にも大電流放電を可能とする効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシート型電極・電解質構造体の実施の形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 正極
２ 負極
３ 高分子ゲル電解質
４ 電解液貯蔵層
Claims (4)
- 電極間にゲル系固体電解質を介在させた積層体を有するシート型電極・電解質構造体において、
前記積層体のいずれかの最外層に、電解液を含んだ電解液貯蔵層を設けて、前記電極の境界に接合したことを特徴とするシート型電極・電解質構造体。 - 電極間にゲル系固体電解質を介在させた積層体を有するシート型電極・電解質構造体において、
前記積層体の両方の最外層に、電解液を含んだ電解液貯蔵層を設けて、前記電極の境界に接合したことを特徴とするシート型電極・電解質構造体。 - 前記ゲル系固体電解質が高分子マトリックスに電解液を含浸させてゲル化したものである請求項１又は２記載のシート型電極・電解質構造体。
- 前記電解液貯蔵層が高分子マトリックスに電解液を含浸させてゲル化したものである請求項１，２又は３記載のシート型電極・電解質構造体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31660297A JP3786323B2 (ja) | 1997-11-04 | 1997-11-04 | シート型電極・電解質構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31660297A JP3786323B2 (ja) | 1997-11-04 | 1997-11-04 | シート型電極・電解質構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11144707A JPH11144707A (ja) | 1999-05-28 |
| JP3786323B2 true JP3786323B2 (ja) | 2006-06-14 |
Family
ID=18078909
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31660297A Expired - Lifetime JP3786323B2 (ja) | 1997-11-04 | 1997-11-04 | シート型電極・電解質構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3786323B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5728263B2 (ja) * | 2011-03-18 | 2015-06-03 | 太陽誘電株式会社 | 電気化学デバイス |
-
1997
- 1997-11-04 JP JP31660297A patent/JP3786323B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11144707A (ja) | 1999-05-28 |
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