JP3919346B2 - Polymer solid electrolyte thin film and method for producing the same - Google Patents

Polymer solid electrolyte thin film and method for producing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymeric solid electrolytic thin film having high conductivity free from shortcircuiting due to dendrite. SOLUTION: This polymeric solid electrolytic thin film is formed to have thickness equal to or less than 20 μm and a real part impedance equal to or less than 8×103 Ω.cm2 at 10 kHz, and manufactured so that the porous part of a polyorefine fine porous film made of a polyorefine composition containing polyorefine of ultra polymeric molecular weight having average molecular weight equal to or above 5×105. The polymeric solid electrolytic film so manufactured can be made to have uniform thin film thickness equal to or less than 20 μm and the rear part impedance thereof has internal resistance as low as 8×103 Ω.cm2. Also, easy handling is ensured at the time of manufacture. Furthermore, the polyorefine porous phase works as a separator, thereby restraining the occurrence of dendrite and ensuring high safety.

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子固体電解質薄膜に関し、特に電池、キャパシター等に用いる高分子固体電解質薄膜に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話、携帯情報端末など携帯電子機器の性能は搭載される半導体素子、電子回路だけでなく充電可能な2次電池に大きく依存しており、搭載電池の容量アップとともに、軽量・コンパクト化を同時に実現することが望まれている。
これまで鉛電池やニッケルカドミウム電池が用いられてきたが、エネルギー密度不足で軽量・コンパクト化に対応することが困難であった。そこで、ニッケルカドミウム電池の2倍のエネルギー密度を有するニッケル水素電池が開発され、次いで、それを更に上回るエネルギー密度を有するリチウムイオン電池が開発され、脚光を浴びている。
しかし、いずれの電池も液体電解質を使用しており、液洩れを防ぐために金属缶に充填しているため、厚さの限界、軽量化の限界があった。
【0003】
そこで、液状の電解質を固体状にしたポリマー電池が注目を集めており、特にポリマーマトリックスに従来の液体タイプのリチウム電池と同じような塩と溶媒の溶液を含浸させるゲル状ポリマーとして、架橋したポリアルキレンオキシドを電解質に用いる技術(USP4,303,748号など)、ポリアクリレートをゲル化して電解質に用いる技術(USP4,830,939号など)が提案されている。また、最近では、ポリ弗化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体にリチウム塩を溶解したカーボネート系溶液を含浸させたポリマーゲルを電解質に用いる技術およびポリ弗化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体にLiMn24とカーボンブラックあるいは石油コークスとカーボンブラックを混合しリチウム塩を溶解したカーボネート系溶液を含浸させたポリマーゲルを電池の正極あるいは負極に用いる技術(USP5,296,318号など)が提案され、有望視されているが、高温に於けるゲル収縮による電解液の滲み出の問題があり、溶媒保持性に関する完全な解決策とはなっていない。
【0004】
実効抵抗を下げるためには薄膜化も一つの解決策であり、50μm以下の固体高分子多孔薄膜の0.1μm以下の微細な空孔中に毛管凝縮を利用して液体状イオン導電体を固定化する方法(特開平1−158051号公報)があるが、これだけでは動作温度の問題は根本的には解決できない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点を解消し、デンドライトショートのない導電性に優れた薄膜の高分子固体電解質膜薄を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記従来技術を克服するために鋭意研究した結果、特定のポリオレフィン微多孔膜の製造工程において高分子固体電解質をその細孔部に充填した後、延伸操作を行い極性溶媒を含浸させると、高導電性の高分子固体電解質薄膜が得られることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、重量平均分子量5×10 以上の超高分子量ポリオレフィンを含有するポリオレフィン組成物10〜50重量%と、溶媒90〜50重量%からなる溶液を調製し、前記溶液をダイより押し出し、冷却ロールにより引き取りゲル状シートを成形後、シート中の残存溶媒を除去し、乾燥してポリオレフィン微多孔膜を製造後、高分子固体電解質を揮発性溶媒に溶解させた溶液を含浸させ、高分子固体電解質を多孔質膜の孔部分に5容量%以上充填させた後、加熱延伸し、次に極性溶媒を含浸させることを特徴とする厚さが20μm以下で、10KHzでの実部インピーダンスが8×10 Ω・cm 以下である高分子固体電解質薄膜の製造方法、及び、重量平均分子量5×10 以上の超高分子量ポリオレフィンを含有するポリオレフィン組成物10〜50重量%と、溶媒90〜50重量%からなる溶液を調製し、前記溶液をダイより押し出し、冷却ロールにより引き取りゲル状シートを成形後、シート中の残存溶媒を除去し、乾燥してポリオレフィン微多孔膜を製造後、低分子量ポリマー電解質または電解質モノマーを揮発性溶媒に溶解させた溶液を含浸させ、低分子量ポリマー電解質または電解質モノマーを多孔質膜の孔部分に5容量%以上充填させた後、加熱延伸し、重合して低分子量ポリマーまたはモノマーを高分子量化した後、極性溶媒を含浸させることを特徴とする厚さが20μm以下で、10KHzでの実部インピーダンスが8×10 Ω・cm 以下である高分子固体電解質薄膜の製造方法並びに、その製造方法により製造される高分子固体電解質薄膜並びにそれを用いた電池である。
【0007】
【発明の実施の形態】
I.高分子固体電解質薄膜
本発明の高分子固体電解質薄膜は、重量平均分子量5×105以上の超高分子量ポリオレフィンを含有するポリオレフィン組成物からのポリオレフィン微多孔膜に高分子固体電解質を含有させた薄膜で低抵抗の高分子固体電解質薄膜である。以下その構成を説明する。
【0008】
1.ポリオレフィン微多孔膜
a.ポリオレフィン
ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、ポリブテン−1、ポリ4−メチルペンテン−1などが挙げられる。これらの中ではポリエチレンが好ましい。このポリエチレンとしては、超高分子量ポリエチレン、高密度ポリエチレン、中低密度ポリエチレンからなるものを用いることができるが、強度、安全性、製膜性などの観点から超高分子量ポリエチレンまたはその成分を含む組成物を用いることが好ましい。
また、該ポリオレフィンは、重量平均分子量が5×105以上、好ましくは1×106〜1×107の超高分子量成分を1重量%以上含有し、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)が10〜300であるポリオレフィン組成物が好ましい。超高分子量ポリオレフィン成分の含有量が1重量%未満では、膜の延伸性の向上に寄与するところが不十分である。一方、上限は特に限定的ではない。また、分子量分布が300を超えると、低分子量成分による破断が起こり薄膜全体の強度が低下するため好ましくない。
【0009】
b.ポリオレフィン微多孔膜
ポリオレフィン微多孔膜は、ポリオレフィンを製膜することにより得ることができる。製膜は、特開昭60−242035号公報や特開平3−64334号公報に記載の方法に準じて行えばよい。例えば、次のようにして行うことができる。超高分子量ポリオレフィンを含有するポリオレフィン組成物を溶媒に対し10〜50重量%の割合で加えて加熱溶解して均一な溶液とし、この溶液からシートを形成し、冷却してゲル状シートとした後、加熱延伸し、溶媒を抽出除去し、ついで乾燥、熱セットして得られる。高分子固体電解質は、上記工程の延伸前に加えられて充填される。また、ポリオレフィン微多孔膜には、必要に応じて、酸化防止剤、紫外線吸収剤、滑剤、アンチブロッキング剤、顔料、染料、無機充填剤などの各種添加剤を、本発明の目的を損なわない範囲で添加することができる。
【0010】
c.ポリオレフィン微多孔膜の物性
高分子固体電解質薄膜は次のような物性を有するポリオレフィン微多孔膜のマトリックスに高分子固体電解質が充填されたものである。
ポリオレフィン微多孔膜の厚さは、20μm以下、好ましくは0.1〜20μmであり、空孔率は、限定的ではないが30〜95%、好ましくは50〜90%の範囲のものであり、平均孔径は1μm以下が好ましく、より好ましくは0.001〜1μm、破断強度は200kg/cm2以上が好ましい。高分子固体電解質薄膜とした場合、厚さが20μmを超えると、実効抵抗が大きくなり、体積効率も不利となり、破断強度を200kg/cm2以上とすることで、耐変形性が十分となる。また、空孔率が30%未満では、高分子固体電解質の充填が不十分になり、空孔率が95%を超えると、膜の機械的強度が小さくなり実用性に劣る。
【0011】
2.高分子固体電解質
ポリオレフィン微多孔膜に充填する高分子固体電解質としては、ポリエーテル、ポリエステル、ポリイミン等の極性高分子またはこれら極性高分子と非極性高分子の重合体とアルカリ金属塩またはプロトン酸等の電解質との複合体を用いることができる。また、電解質を用いない単体であっても構わない。
電解質としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩が用いられ、例えばLiF、NaI、LiI、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、NaSCN等が挙げられる。
【0012】
極性高分子としては、具体的には、例えば、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコール・モノエーテル、ポリエチレングリコール・ジエーテル、ポリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール・モノエーテル、ポリプロピレングリコール・ジエーテル等のポリエーテル類、またはこれらの共重合体であるポリ(オキシエチレン・オキシプロピレン)グリコール、ポリ(オキシエチレン・オキシプロピレン)グリコール・モノエーテル、またはポリ(オキシエチレン・オキシプロピレン)グリコール・ジエーテル、これらのポリオキシアルキレン類とエチレンジアミンとの縮合物を用いることができる。さらに、ポリエチレングリコールとジアルキルシロキサンの共重合体、ポリエチレングリコールと無水マレイン酸の共重合体、ポリエチレングリコールのモノメチルエーテルとメタクリル酸との共重合体等を挙げることができる。
【0013】
なお、高分子固体電解質のポリオレフィン微多孔膜への充填量は、ポリオレフィン微多孔膜の空孔部の5容量%以上、好ましくは30〜70容量%である。充填率が5容量%未満では、電解質との界面が少なくなり、電池やコンデンサー及びエレクトロクロミック素子としての応用が実用性の面から制約されるだけでなく、極性溶媒の保液性が減少し、漏液の危険性が高まる。
【0014】
3.高分子固体電解質薄膜の物性
高分子固体電解質薄膜は、20μm以下、好ましくは5〜20μmの膜厚を有する。厚さが20μmを超えると実効抵抗が大きくなり、体積効率も不利となる。10KHzでの実部インピーダンスは、8×103Ω・cm2以下、好ましくは0.5×103Ω以下であり、比導電率は、10-5Scm-1以上、好ましくは10-3Scm-1以上である。10KHzでの実部インピーダンスが8×103Ω・cm2を超えると電池内部抵抗が高くなり、充放電効率が落ちるため好ましくない。
また、本発明の高分子固体電解質薄膜は、膜表面のラフネスが小さく、電池とする場合には電極との密着性に優れ、みかけ上の表面積が高くなり電池容量が向上し、さらに、ポリオレフィン微多孔膜のマトリックスに高分子固体電解質が充填されたものであるから、漏液がなく、デンドライトによるショートを抑えることができるという特徴を有している。
【0015】
II.高分子固体電解質薄膜の製造方法
本発明の高分子固体電解質薄膜は、前述のようにポリオレフィン微多孔膜の製造時にゲル状シートを得た後、電解質を充填し、延伸、極性溶媒の含浸によって得られる。高分子電解質を充填する方法としては、直接高分子固体電解質を微多高膜に充填する方法と低分子量ポリマー電解質またはモノマー電解質を充填し成膜後高分子量化する方法がある。以下にこれらの方法について説明する。
【0016】
1.ポリオレフィン微多孔膜に高分子固体電解質を充填する方法
本発明のポリオレフィン微多孔膜の製造方法は、上述のポリオレフィン組成物を溶媒に加熱溶解することにより、溶液を調製する。この溶媒としては、ノナン、デカン、デカリン、p−キシレン、ウンデカン、ドデカン、流動パラフィンなどの脂肪族または環式の炭化水素、あるいは沸点がこれらに対応する鉱油留分などを用いることができる。またこの溶媒の粘度としては、25℃における粘度が30〜500cSt、特に50〜200cStであるのが好ましい。25℃における粘度が30cSt未満では、不均一吐出を生じ、混練が困難であり、一方500cStを超えると、後工程での脱溶媒が容易でなくなる。
【0017】
加熱溶解は、ポリオレフィン組成物を溶媒中で完全に溶解する温度で撹拌しながら行うか、又は押出機中で均一混合して溶解する方法で行う。溶媒中で撹拌しながら溶解する場合は、温度は使用する重合体及び溶媒により異なるが、例えばポリエチレン組成物の場合には140〜250℃の範囲である。ポリオレフィン組成物の高濃度溶液から微多孔膜を製造する場合は、押出機中で溶解するのが好ましい。押出機中で溶解する場合は、まず押出機に上述したポリオレフィン組成物を供給し、溶融する。溶融温度は、使用するポリオレフィンの種類によって異なるが、ポリオレフィンの融点+30〜100℃が好ましい。例えば、ポリエチレンの場合は160〜230℃、特に170〜200℃であるのが好ましく、ポリプロピレンの場合は190〜270℃、特に190〜250℃であるのが好ましい。次に、この溶融状態のポリオレフィン組成物に対して、液状の溶媒を押出機の途中から供給する。
【0018】
ポリオレフィン組成物と溶媒との配合割合は、ポリオレフィン組成物と溶媒の合計を100重量%として、ポリオレフィン組成物が10〜50重量%、溶媒が90〜50重量%である。ポリオレフィン組成物が10重量%未満では(溶媒が90重量%を超えると)、シート状に成形する際に、ダイ出口で、スウエルやネックインが大きくシートの成形性、自己支持性が困難となる。一方、ポリオレフィン組成物が50重量%を超えると(溶媒が50重量%未満では)、厚み方向の収縮が大きくなり、空孔率が低下し、また成形加工性も低下する。この範囲において濃度を変えることにより、膜の透過性をコントロールすることができる。
次に、このようにして溶融混練したポリオレフィン組成物の加熱溶液をダイ等から押し出して成形する。ダイは、通常長方形の口金形状をしたシートダイが用いられるが、2重円筒状の中空糸ダイ、インフレーションダイ等も用いることができる。シートダイを用いた場合のダイギャップは通常0.1〜5mmである。押し出し成形時には140〜250℃に加熱して押し出す。
【0019】
ダイから押し出された溶液は、冷却ロールで引き取られることによりゲル状シートに成形されるが、この冷却条件をコントロールすることにより孔径等を制御できる。引き取り速度は、1〜20m/分、好ましくは3〜10m/分である。 冷却ロールを通すことにより得られたゲル状成形物は、溶剤で洗浄し残留する溶媒を除去する。洗浄溶剤としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどの炭化水素、塩化メチレン、四塩炭素などの塩素化炭化水素、三フッ化エタンなどのフッ化炭化水素、ジエチルエーテル、ジオキサンなどのエーテル類などの易揮発性のものを用いることができる。これらの溶剤はポリオレフィン組成物の溶解に用いた溶媒に応じて適宜選択し、単独もしくは混合して用いる。洗浄方法は、溶剤に浸漬し抽出する方法、溶剤をシャワーする方法、またはこれらの組合せによる方法などにより行うことができる。上述のような洗浄は、成形物中の残留溶媒が1重量%未満になるまで行う。その後洗浄溶剤を乾燥するが、洗浄溶剤の乾燥方法は加熱乾燥、風乾などの方法で行うことができる。乾燥した成形物は、結晶分散温度〜融点の温度範囲で熱固定することが望ましい。
【0020】
高分子固体電解質の充填は、脱溶媒処理を行ったポリオレフィン微多孔膜を高分子固体電解質の希釈溶液中に浸漬することによって行われる。また、脱溶媒処理を施していない未処理のゲル状シートの場合であっても、高分子固体電解質の希釈溶液を圧入することによって充填することができる。しかし、脱溶媒処理後の揮発性溶媒存在下でポリオレフィン微多孔膜を浸漬する方が容易に充填できるため、より好ましい。
【0021】
高分子固体電解質希釈溶液の希釈濃度は、ポリオレフィン微多孔膜中に充填する高分子固体電解質の量によって異なるが、少なくとも0.05重量%以上が好ましく、特に0.5重量%以上が好ましい。濃度が0.05重量%未満ではポリオレフィン微多孔膜中に充填される高分子固体電解質が不足し、延伸時にピンホールが生じやすくなる。また、溶液粘度は、ポリオレフィン微多孔膜全体にわたって均一に充填するために、25℃において500cSt未満が好ましく、特に100cSt未満が好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜への高分子固体電解質の充填量は、5容量%以上が好ましく、より好ましくは30〜70容量%である。充填率が5容量%未満では、電解質との界面が少なくなり、電池やコンデンサー及びエレクトロクロミック素子としての応用が実用性の面から制約されるだけでなく、極性溶媒の保液性が減少し、漏液の危険性が高まる。
【0022】
次に、得られた高分子固体電解質含有ポリオレフィン微多孔膜を延伸する。延伸方法はポリオレフィンの融点+10℃以下の温度で加熱し、通常のテンター法、ロール法、インフレーション法、圧延法もしくはこれらの方法の組合せによって所定の倍率で行う。延伸は一軸延伸でも二軸延伸でもよいが、二軸延伸が好ましい。また、二軸延伸の場合は、縦横同時延伸または逐次延伸のいずれでもよい。延伸倍率は原反の厚さによってことなるが、1.5倍以上で高分子固体電解質薄膜の厚さが、20μm以下になるように延伸する。その後、揮発性溶媒の乾燥を適宜行う。一例でいうと50〜80℃で3〜5分真空乾燥を行い、必要に応じて熱セットする。
【0023】
次に、上記で得られた高分子固体電解質含有膜に極性溶媒を含浸させる。含浸させる極性溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネイト、エチレンカーボネイト、γ−ブチロラクトン、メチルフラン、ジメトキシエタン、ジオキソラン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、メチルチオフェン、メチルチアゾール、エトキシメトキシエタン等が挙げられ、これらの1種または2種以上の溶媒であってもよい。さらにこの極性溶媒に前出の電解質を加えても構わない。この時、極性溶媒を含浸させることにより高分子固体電解質がゲル状となっても良い。以上の様に極性溶媒を含浸させて高分子固体電解質薄膜を得る。
【0024】
2.重合法によりポリオレフィン微多孔膜の細孔内に高分子固体電解質を充填する方法
上記の高分子固体電解質充填ポリオレフィン微多孔膜の製造において、ゲル状シート中の溶媒を除去後、高分子固体電解質の代わりに低分子量ポリマー電解質の溶液を充填するか、前記極性ポリマーの原料となる電解質モノマーの溶液を充填する。低分子量ポリマー電解質としては、具体的には、前記極性高分子のオリゴマー、低分子量ポリマーが挙げられ、モノマーとしては、具体的には、アニリン、アクリロニトリル、ピロール、スチレン、プロピレングリコール、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、ビニル化合物等が挙げられる。これらの溶液にはアルカリ金属塩またはプロトン酸等の電解質を混合した複合体の溶液であってもよい。充填方法は、高分子固体電解質の充填と同様に揮発性溶剤の存在下にポリオレフィン微多孔膜を浸漬することによって行われる。
ポリオレフィン微多孔膜への低分子量ポリマー電解質または電解質モノマーの充填量は、後工程で重合することにより高分子量固体電解質とした場合、ポリオレフィン微多孔膜の細孔内の5容量%以上に充填されるように充填する必要があり、細孔容積の30〜70容量%を充填するのが好ましい。
【0025】
次に、得られた低分子量ポリマー電解質または電解質モノマー溶液を含有したポリオレフィン微多孔膜を延伸する。延伸方法はポリオレフィンの融点−10℃以下の温度で加熱し、通常のテンター法、ロール法、インフレーション法、圧延法もしくはこれらの方法の組合せによって所定の倍率で行う。延伸は一軸延伸でも二軸延伸でもよいが、二軸延伸が好ましい。また、二軸延伸の場合は、縦横同時延伸または逐次延伸のいずれでもよい。延伸倍率は原反の厚さによって異なるが、1.5倍以上で電解質含有ポリオレフィン微多孔膜の厚さが、20μm以下になるように延伸する。この延伸膜中に含まれる溶媒を減圧または自然乾燥し、次いで後重合を行う。
【0026】
重合方法としては、低分子量ポリマー電解質または電解質モノマー含有ポリオレフィン微多孔膜を加熱する方法、または紫外線、プラズマ、電子線、γ線などの放射線を照射する方法を用いることができる。細孔内に充填された低分子量ポリマーまたはモノマーは、重合され、高分子量化し、高分子固体電解質含有ポリオレフィン微多孔膜となる。
プラズマ照射の具体例としては、10-2〜10mbarの圧力となるアルゴン、ヘリウム、窒素、空気等のガスの存在下で電解質含有ポリオレフィン微多孔膜に対して通常周波数10〜30MHz、出力1〜1000Wで、1〜1000秒のプラズマ処理を行う。また、電子線照射重合法としては、前記の電解質含有ポリオレフィン微多孔膜に電子線を加速電圧100〜5000KeVが好ましく、より好ましくは200〜800KeVの電子線を照射する。照射量としては、10〜500KGyが適当であり、好ましくは50〜200KGyである。
【0027】
次に、上記で得られた高分子固体電解質含有ポリオレフィン微多孔膜に極性溶媒を含浸させる。含浸させる極性溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネイト、エチレンカーボネイト、γ−ブチロラクトン、メチルフラン、ジメトキシエタン、ジオキソラン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、メチルチオフェン、メチルチアゾール、エトキシメトキシエタン等が挙げられ、これらの1種または2種以上の溶媒であってもよい。さらにこの極性溶媒に前出の電解質を加えても構わない。この時、極性溶媒を含浸させることにより、高分子固体電解質がゲル状となっても良い。以上の様に極性溶媒を含浸させて高分子固体電解質薄膜を得る。
【0028】
III.電池
上記で得られた高分子固体電解質薄膜の用途としては、一次電池、二次電池、エレクトロクロミックデバイス、大容量キャパシター、センサーなどがある。
特にポリマー電池としてその有用性が高い。ポリマー電池としては、高電圧、高容量、高効率で、漏液がなく、安全性が高く、従来の液体電解質を用いる電池よりも、経済性にも優れるポリマー電池が得られる。
すなわち、この高分子固体電解質薄膜を応用し、軽量で可とう性に優れた複合電極を利用し、充填高分子固体電解質がポリオレフィンでできた多孔膜基材骨格によりその過度な膨潤が抑えられ、広い温度範囲で安定的に良好な導電性を広い温度にわたり維持できる。即ち、電子導電性を著しく低下させることなく、過充電での安全性を向上することができるポリマー電池を製造することができ、従来のポリマー電解質リチウム電池よりも高率での放電が可能となる。
【0029】
【実施例】
本発明を以下の具体的な実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は実施例に特に限定されるものではない。なお実施例における試験方法は次の通りである。
(1)インピーダンス:ソーラトロン社インピーダンス測定装置を用い、10KHzで実部のインピーダンス(R)を測定した。
(2)デンドライト:電極に5kgfの荷重をかけ3〜4Vのサイクリックボルタメトリで1000サイクルを行いショートを確認した。
(3)膜のラフネス:触針式段差計を用い、平均粗さ(Ra)を測定した。
(4)放電容量:1.0c放電において4.2Vから3.0Vでの時間より計算して求めた。
【0030】
実施例1
重量平均分子量2.5×10の超高分子量ポリエチレン4重量%、重量平均分子量3.3×10の高密度ポリエチレン16重量%及び流動パラフィン80重量%を二軸押出機で溶融混練し、その先端に設置されたTダイから押出し、冷却して75μmのゲル状シートを形成した。得られたシートを塩化メチレンで洗浄し、溶媒を除去した後、120℃で熱固定を行ってポリエチレン微多孔膜を得た。得られたポリエチレン微多孔膜に、平均分子量4000のポリエチレングリコールの1モル塩化メチレン溶液及びLiClOの0.2モル塩化メチレン溶液を含浸させた。次いで、アルゴン雰囲気下で10分間自然乾燥し、塩化メチレンを除去し、さらに、アルゴン雰囲気の80℃のオーブン中で10分間乾燥させた。得られたシートはポリエチレングリコールを9.6容量%充填していた。得られた充填シートバッチ式二軸延伸機で115℃にてMD/TD=3/3倍に延伸し、厚さ11μmの薄膜を得た。この薄膜に、プロピレンカーボネート:ジメトキシエタン(DME)=1:1の1モルLiClO溶液を含浸させ高分子固体電解質薄膜を得た。得られた高分子固体電解質薄膜のインピーダンスは、4.1×10Ω・cmであり、膜のラフネスは5μm以下であった。また、16φのAu電極で高分子固体電解質薄膜を挟み込んで、デンドライトを測定したが、デンドライトによるショートは認められなかった。
【0031】
次に、上記で得られた高分子固体電解質薄膜を用い、16φのLiCoO2を正極とし、金属Liを負極として電池を構成した。この電池により10サイクルによる放電容量を測定したところ520mAh/gであった。
【0032】
実施例2
重量平均分子量2.5×106の超高分子量ポリエチレン4重量%、重量平均分子量3.3×105の高密度ポリエチレン16重量%及び流動パラフィン80重量%を二軸押出機で溶融混練し、その先端に設置されたTダイから押出し、冷却して30μmのゲル状シートを形成した。得られたシートを塩化メチレンで洗浄して溶媒を除去した後、120℃で熱固定を行ってポリエチレン微多孔膜を得た。 得られたポリエチレン微多孔膜に、平均分子量300のポリエチレングリコールの0.1モル塩化メチレン溶液を含浸させた。次いで、アルゴン雰囲気下で10分間自然乾燥し、塩化メチレンを除去し、さらに、アルゴン雰囲気の80℃のオーブン中で10分間乾燥させた。得られたシートをバッチ式二軸延伸機で115℃にてMD/TD=1.5/1.5倍に延伸し、厚さ17μmの低分子量ポリマー電解質薄膜を得た。次いで、低分子量ポリマー電解質薄膜に1.5MRadのガンマ線量を1分間照射し、低分子量ポリマーを高分子量化した。得られたシートは高分子量ポリエチレングリコールを18容量%充填していた。その後、アルゴン雰囲気下にてプロピレンカーボネイト:DME=1:1溶液に溶解した1モルLiClO4をさらに含浸させた。得られた高分子固体電解質薄膜を実施例1と同様にして性状を測定したところ、得られた高分子固体電解質薄膜の実部インピーダンスは、6.8×103Ω・cm2であり、膜のラフネスは5μm以下であり、デンドライトによるショートは認められなかった。
【0033】
比較例1
16φAu電極上に、平均分子量4000のポリエチレングリコールの0.1モル塩化メチレン溶液とLiClO4の1モル塩化メチレン溶液との混合物をテフロンヘラでぬり80℃で10分間乾燥させた。この操作を3回繰り返し行い、Au電極上に54μmの電解質膜を得、実施例1と同様にして、性状を測定したところ、インピーダンスは、5.1×105Ω・cm2であり、膜のラフネスは10μm以下であり、デンドライトによるショートは認められなかった。
【0034】
比較例2
16φのLiCoO2電極上に、平均分子量4000のポリエチレングリコールの0.1モル塩化メチレン溶液とLiClO4の1モル塩化メチレン溶液との混合物をテフロンヘラでぬり80℃で10分間乾燥させ、LiCoO2電極上に18μmの電解質膜を得、実施例2と同様にして、16φのLiCoO2を正極とし、Liを負極とした電池を構成した。この電池により10サイクルによる放電容量を測定したところ320mAh/gであった。
【0035】
比較例3
重量平均分子量2.5×106の超高分子量ポリエチレン4重量%、重量平均分子量3.3×105の高密度ポリエチレン16重量%及び流動パラフィン80重量%を二軸押出機で溶融混練し、その先端に設置されたTダイから押出し、冷却して400μmのゲル状シートを形成した。得られたシートを連続式二軸延伸機で115℃にてMD/TD=5/5倍に延伸し、厚さ15μmのフィルムを得た。得られたフィルムを塩化メチレンで洗浄して溶媒を除去し、120℃で熱固定してポリエチレン微多孔膜を得た。
得られたポリエチレン微多孔膜に、平均分子量4000のポリエチレングリコールの0.1モル塩化メチレン溶液及びLiClO4の1モル塩化メチレン溶液を含浸させた。次いで、アルゴン雰囲気下で10分間自然乾燥し、塩化メチレンを除去し、さらに、アルゴン雰囲気の80℃のオーブン中で10分間乾燥させ、厚さ15μmの高分子固体電解質薄膜を得た。実施例1と同様にして、性状を測定したところ、実部インピーダンスは、2.0×104Ω・cm2であり、膜のラフネスは15μm以上であり、デンドライトによるショートは認められなかった。
【0036】
【発明の効果】
本発明の高分子固体電解質膜は、20μm以下の薄膜に均一にできるため、実部インピーダンスが8×103Ω・cm2以下と内部抵抗が低く、かつ製造時にハンドリングが良好である。またポリオレフィン多孔質相がセパレータの役割を果たすためデンドライトの発生を抑え、安全性の高い固体電解質膜である。したがって、本発明の高分子固体電解質膜を用いて電池を作成すると高容量でかつ、生産性の良好な安全性の高い電池が得られる。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer solid electrolyte thin film, and more particularly to a polymer solid electrolyte thin film used for batteries, capacitors and the like.
[0002]
[Prior art]
The performance of mobile electronic devices such as mobile phones and personal digital assistants depends heavily on the rechargeable secondary batteries as well as the semiconductor elements and electronic circuits that are mounted. Realization is desired.
Up to now, lead batteries and nickel cadmium batteries have been used, but it has been difficult to cope with light weight and compactness due to insufficient energy density. Therefore, a nickel metal hydride battery having an energy density twice that of a nickel cadmium battery has been developed, and then a lithium ion battery having an energy density higher than that has been developed and has been in the limelight.
However, each battery uses a liquid electrolyte and is filled in a metal can in order to prevent liquid leakage, so that there is a limit to thickness and weight reduction.
[0003]
In view of this, polymer batteries in which a liquid electrolyte is made into a solid state are attracting attention. In particular, a crosslinked polymer is used as a gel polymer in which a polymer matrix is impregnated with a solution of a salt and a solvent similar to a conventional liquid type lithium battery. A technique using an alkylene oxide for an electrolyte (USP 4,303,748, etc.) and a technique for gelling polyacrylate and using it for an electrolyte (USP 4,830,939, etc.) have been proposed. Recently, a technology using a polymer gel in which a carbonate-based solution in which a lithium salt is dissolved in a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene as an electrolyte, and a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene are used. LiMn2OFourA technology (USP 5,296, 318, etc.) using a polymer gel impregnated with a carbonate-based solution in which a lithium salt is dissolved by mixing carbon black or petroleum coke and carbon black for a positive electrode or negative electrode of a battery has been proposed and is promising. However, there is a problem of electrolyte oozing due to gel contraction at a high temperature, which is not a complete solution for solvent retention.
[0004]
In order to lower the effective resistance, thinning is another solution, and the liquid ionic conductor is fixed using capillary condensation in a fine pore of 0.1 μm or less in a solid polymer porous thin film of 50 μm or less. However, the problem of the operating temperature cannot be fundamentally solved by this method alone (Japanese Patent Laid-Open No. 1-158051).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a thin polymer solid electrolyte membrane thin film having excellent conductivity without a dendrite short.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  As a result of diligent research to overcome the above-described prior art, the inventors of the present invention filled a polymer solid electrolyte into the pores in a specific polyolefin microporous membrane production process, and then performed a stretching operation to remove a polar solvent. It was found that a highly conductive polymer solid electrolyte thin film can be obtained by impregnation, and the present invention was completed.
  That is, the present inventionWeight average molecular weight 5 × 10 5 After preparing a solution comprising 10 to 50% by weight of a polyolefin composition containing the above ultrahigh molecular weight polyolefin and 90 to 50% by weight of a solvent, the solution was extruded from a die, taken out by a cooling roll, and then a gel-like sheet was formed. After removing the residual solvent in the sheet and drying to produce a polyolefin microporous membrane, the polymer solid electrolyte was impregnated with a solution in which the polymer solid electrolyte was dissolved in a volatile solvent. After filling with volume% or more, the film is stretched by heating and then impregnated with a polar solvent. The thickness is 20 μm or less and the real part impedance at 10 KHz is 8 × 10 3 Ω · cm 2 Production method of polymer solid electrolyte thin film and weight average molecular weight 5 × 10 5 After preparing a solution comprising 10 to 50% by weight of a polyolefin composition containing the above ultrahigh molecular weight polyolefin and 90 to 50% by weight of a solvent, the solution was extruded from a die, taken out by a cooling roll, and then a gel-like sheet was formed. Residual solvent in the sheet is removed and dried to produce a polyolefin microporous membrane, then impregnated with a solution in which a low molecular weight polymer electrolyte or electrolyte monomer is dissolved in a volatile solvent, and the low molecular weight polymer electrolyte or electrolyte monomer is porous After filling the pore part of the membrane with 5% by volume or more, heating and stretching, polymerizing to polymerize a low molecular weight polymer or monomer, and then impregnating with a polar solvent, the thickness is 20 μm or less, Real part impedance at 10 KHz is 8 × 10 3 Ω · cm 2 The following is a method for producing a polymer solid electrolyte thin film, a polymer solid electrolyte thin film produced by the production method, and a battery using the same.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
I. Polymer solid electrolyte thin film
The polymer solid electrolyte thin film of the present invention has a weight average molecular weight of 5 × 10FiveThis is a low-resistance solid polymer electrolyte thin film which is a thin film in which a polymer solid electrolyte is contained in a polyolefin microporous membrane from a polyolefin composition containing the above ultrahigh molecular weight polyolefin. The configuration will be described below.
[0008]
1. Polyolefin microporous membrane
a. Polyolefin
Examples of the polyolefin include polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, polybutene-1, poly-4-methylpentene-1. Among these, polyethylene is preferable. As this polyethylene, those composed of ultrahigh molecular weight polyethylene, high density polyethylene, and medium and low density polyethylene can be used. From the viewpoint of strength, safety, film forming property, etc., the composition containing ultrahigh molecular weight polyethylene or its components It is preferable to use a product.
The polyolefin has a weight average molecular weight of 5 × 10FiveOr more, preferably 1 × 106~ 1x107A polyolefin composition containing 1% by weight or more of the ultrahigh molecular weight component and having a molecular weight distribution (weight average molecular weight / number average molecular weight) of 10 to 300 is preferable. When the content of the ultrahigh molecular weight polyolefin component is less than 1% by weight, the portion contributing to the improvement of the stretchability of the film is insufficient. On the other hand, the upper limit is not particularly limited. On the other hand, if the molecular weight distribution exceeds 300, breakage due to low molecular weight components occurs and the strength of the entire thin film decreases, which is not preferable.
[0009]
b. Polyolefin microporous membrane
The polyolefin microporous membrane can be obtained by forming a polyolefin film. Film formation may be performed in accordance with the methods described in JP-A-60-242035 and JP-A-3-64334. For example, it can be performed as follows. After adding a polyolefin composition containing ultra-high molecular weight polyolefin at a ratio of 10 to 50% by weight with respect to the solvent and dissolving by heating to form a uniform solution, a sheet is formed from this solution and cooled to obtain a gel-like sheet It is obtained by heating and stretching to extract and remove the solvent, followed by drying and heat setting. The polymer solid electrolyte is added and filled before stretching in the above step. In addition, the polyolefin microporous film may contain various additives such as an antioxidant, an ultraviolet absorber, a lubricant, an antiblocking agent, a pigment, a dye, and an inorganic filler, as needed, without impairing the object of the present invention. Can be added.
[0010]
c. Properties of polyolefin microporous membrane
The polymer solid electrolyte thin film is obtained by filling a polymer solid electrolyte into a polyolefin microporous membrane matrix having the following physical properties.
The thickness of the polyolefin microporous membrane is 20 μm or less, preferably 0.1 to 20 μm, and the porosity is not limited, but is in the range of 30 to 95%, preferably 50 to 90%. The average pore diameter is preferably 1 μm or less, more preferably 0.001 to 1 μm, and the breaking strength is 200 kg / cm.2The above is preferable. When the polymer solid electrolyte thin film is used, if the thickness exceeds 20 μm, the effective resistance increases, the volume efficiency is disadvantageous, and the breaking strength is 200 kg / cm.2By setting it as the above, deformation resistance becomes enough. Moreover, when the porosity is less than 30%, the polymer solid electrolyte is insufficiently filled, and when the porosity exceeds 95%, the mechanical strength of the membrane is reduced and the practicality is inferior.
[0011]
2. Polymer solid electrolyte
As the polymer solid electrolyte filled in the polyolefin microporous membrane, a polar polymer such as polyether, polyester and polyimine, or a polymer of these polar polymer and nonpolar polymer, and an electrolyte such as alkali metal salt or proton acid are used. Complexes can be used. Further, it may be a single body that does not use an electrolyte.
As the electrolyte, an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt is used, for example, LiF, NaI, LiI, LiClO.Four, LiAsF6, LiPF6, LiBFFour, LiCFThreeSOThree, NaSCN and the like.
[0012]
Specific examples of the polar polymer include polyether glycols such as polyethylene glycol, polyethylene glycol monoether, polyethylene glycol diether, polypropylene glycol, polypropylene glycol monoether, and polypropylene glycol diether, or a combination thereof. Polymer poly (oxyethylene oxypropylene) glycol, poly (oxyethylene oxypropylene) glycol monoether, or poly (oxyethylene oxypropylene) glycol diether, these polyoxyalkylenes and ethylenediamine Condensates can be used. Furthermore, there can be mentioned a copolymer of polyethylene glycol and dialkylsiloxane, a copolymer of polyethylene glycol and maleic anhydride, a copolymer of monomethyl ether of polyethylene glycol and methacrylic acid, and the like.
[0013]
The filling amount of the polymer solid electrolyte into the polyolefin microporous membrane is 5% by volume or more, preferably 30 to 70% by volume of the pores of the polyolefin microporous membrane. When the filling rate is less than 5% by volume, the interface with the electrolyte is reduced, and the application as a battery, a capacitor and an electrochromic element is not limited in terms of practicality, but the liquid retentivity of the polar solvent is reduced, Increased risk of leakage.
[0014]
3. Physical properties of polymer solid electrolyte thin films
The polymer solid electrolyte thin film has a thickness of 20 μm or less, preferably 5 to 20 μm. When the thickness exceeds 20 μm, the effective resistance increases and the volumetric efficiency is disadvantageous. The real part impedance at 10 KHz is 8 × 10ThreeΩ · cm2Or less, preferably 0.5 × 10ThreeΩ or less, and the specific conductivity is 10-FiveScm-1Or more, preferably 10-3Scm-1That's it. Real part impedance at 10 KHz is 8 × 10ThreeΩ · cm2Exceeding this is not preferable because the internal resistance of the battery increases and the charge / discharge efficiency decreases.
In addition, the polymer solid electrolyte thin film of the present invention has a low roughness on the surface of the membrane, and when used as a battery, it has excellent adhesion to the electrode, an apparent surface area is increased, the battery capacity is improved, and a polyolefin fine particle is further improved. Since the matrix of the porous membrane is filled with the polymer solid electrolyte, there is a feature that there is no leakage and short-circuiting due to dendrites can be suppressed.
[0015]
II. Method for producing polymer solid electrolyte thin film
The polymer solid electrolyte thin film of the present invention is obtained by obtaining a gel-like sheet at the time of producing a polyolefin microporous film as described above, filling the electrolyte, stretching, and impregnation with a polar solvent. As a method of filling the polymer electrolyte, there are a method of directly filling a polymer solid electrolyte into a minute and high film and a method of filling a low molecular weight polymer electrolyte or a monomer electrolyte and increasing the molecular weight after film formation. These methods will be described below.
[0016]
1. Method for filling a polymer solid electrolyte into a polyolefin microporous membrane
In the method for producing a polyolefin microporous membrane of the present invention, a solution is prepared by heating and dissolving the above-described polyolefin composition in a solvent. Examples of the solvent include aliphatic or cyclic hydrocarbons such as nonane, decane, decalin, p-xylene, undecane, dodecane, and liquid paraffin, or mineral oil fractions having boiling points corresponding to these. The viscosity of this solvent is preferably 30 to 500 cSt, particularly 50 to 200 cSt at 25 ° C. When the viscosity at 25 ° C. is less than 30 cSt, non-uniform discharge occurs and kneading is difficult.
[0017]
The dissolution by heating is performed with stirring at a temperature at which the polyolefin composition is completely dissolved in a solvent, or by uniformly mixing and dissolving in an extruder. In the case of dissolving in a solvent while stirring, the temperature varies depending on the polymer and the solvent to be used. When producing a microporous membrane from a high concentration solution of a polyolefin composition, it is preferable to dissolve in a extruder. When melt | dissolving in an extruder, the polyolefin composition mentioned above is first supplied to an extruder, and it melts. Although melting temperature changes with kinds of polyolefin to be used, melting | fusing point of polyolefin + 30-100 degreeC is preferable. For example, in the case of polyethylene, it is preferably 160 to 230 ° C., particularly 170 to 200 ° C., and in the case of polypropylene, it is preferably 190 to 270 ° C., particularly preferably 190 to 250 ° C. Next, a liquid solvent is supplied from the middle of the extruder to the molten polyolefin composition.
[0018]
The blending ratio of the polyolefin composition and the solvent is 10 to 50% by weight of the polyolefin composition and 90 to 50% by weight of the solvent, where the total of the polyolefin composition and the solvent is 100% by weight. When the polyolefin composition is less than 10% by weight (when the solvent exceeds 90% by weight), when forming into a sheet, swell and neck-in are large at the die exit, making it difficult to form and self-support the sheet. . On the other hand, when the polyolefin composition exceeds 50% by weight (if the solvent is less than 50% by weight), shrinkage in the thickness direction increases, the porosity decreases, and the moldability also decreases. By changing the concentration within this range, the permeability of the membrane can be controlled.
Next, the heated solution of the polyolefin composition melt-kneaded in this way is extruded from a die or the like and molded. As the die, a sheet die having a rectangular base shape is usually used, but a double cylindrical hollow fiber die, an inflation die, or the like can also be used. When a sheet die is used, the die gap is usually 0.1 to 5 mm. At the time of extrusion molding, it is heated to 140 to 250 ° C. and extruded.
[0019]
The solution extruded from the die is formed into a gel-like sheet by being taken up by a cooling roll, and the pore diameter and the like can be controlled by controlling this cooling condition. The take-up speed is 1 to 20 m / min, preferably 3 to 10 m / min. The gel-like molded product obtained by passing through a cooling roll is washed with a solvent to remove the remaining solvent. Cleaning solvents include hydrocarbons such as pentane, hexane and heptane, chlorinated hydrocarbons such as methylene chloride and tetrasalt carbon, fluorinated hydrocarbons such as ethane trifluoride, and ethers such as diethyl ether and dioxane. Volatile ones can be used. These solvents are appropriately selected according to the solvent used for dissolving the polyolefin composition, and used alone or in combination. The cleaning method can be performed by a method of immersing and extracting in a solvent, a method of showering a solvent, or a method using a combination thereof. Washing as described above is performed until the residual solvent in the molded product is less than 1% by weight. Thereafter, the cleaning solvent is dried. The cleaning solvent can be dried by heat drying, air drying, or the like. The dried molded product is preferably heat-set in the temperature range of the crystal dispersion temperature to the melting point.
[0020]
The polymer solid electrolyte is filled by immersing the polyolefin microporous film subjected to the solvent removal treatment in a diluted solution of the polymer solid electrolyte. Moreover, even in the case of an untreated gel-like sheet that has not been subjected to solvent removal treatment, it can be filled by press-fitting a diluted solution of a polymer solid electrolyte. However, it is more preferable to immerse the polyolefin microporous membrane in the presence of a volatile solvent after the solvent removal treatment because it can be filled more easily.
[0021]
The dilution concentration of the polymer solid electrolyte diluted solution varies depending on the amount of the polymer solid electrolyte filled in the polyolefin microporous membrane, but is preferably at least 0.05% by weight, particularly preferably 0.5% by weight or more. If the concentration is less than 0.05% by weight, the polymer solid electrolyte filled in the polyolefin microporous membrane is insufficient, and pinholes are likely to occur during stretching. The solution viscosity is preferably less than 500 cSt at 25 ° C., particularly preferably less than 100 cSt, in order to uniformly fill the entire polyolefin microporous membrane.
The filling amount of the polymer solid electrolyte in the polyolefin microporous membrane is preferably 5% by volume or more, more preferably 30 to 70% by volume. When the filling rate is less than 5% by volume, the interface with the electrolyte is reduced, and the application as a battery, a capacitor and an electrochromic element is not limited in terms of practicality, but the liquid retentivity of the polar solvent is reduced, Increased risk of leakage.
[0022]
Next, the obtained polymer solid electrolyte-containing polyolefin microporous membrane is stretched. The stretching method is performed at a predetermined magnification by heating at a temperature not higher than the melting point of the polyolefin + 10 ° C. and using a normal tenter method, roll method, inflation method, rolling method, or a combination of these methods. The stretching may be uniaxial stretching or biaxial stretching, but biaxial stretching is preferred. In the case of biaxial stretching, either longitudinal or transverse simultaneous stretching or sequential stretching may be used. The draw ratio varies depending on the thickness of the original fabric, but is stretched so that the thickness of the polymer solid electrolyte thin film is 1.5 μm or more and 20 μm or less. Thereafter, the volatile solvent is appropriately dried. For example, vacuum drying is performed at 50 to 80 ° C. for 3 to 5 minutes, and heat setting is performed as necessary.
[0023]
Next, the polymer solid electrolyte-containing film obtained above is impregnated with a polar solvent. Examples of polar solvents to be impregnated include propylene carbonate, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, methyl furan, dimethoxyethane, dioxolane, tetrahydrofuran, acetonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methyl tetrahydrofuran, sulfolane, methyl thiophene, methyl thiazole, ethoxymethoxy Ethane and the like can be mentioned, and one or more of these solvents may be used. Further, the above electrolyte may be added to this polar solvent. At this time, the polymer solid electrolyte may be gelled by impregnating with a polar solvent. The polymer solid electrolyte thin film is obtained by impregnating with a polar solvent as described above.
[0024]
2. A method of filling a polymer solid electrolyte in the pores of a polyolefin microporous membrane by a polymerization method
In the production of the above-mentioned polymer solid electrolyte-filled polyolefin microporous membrane, after removing the solvent in the gel sheet, a solution of a low molecular weight polymer electrolyte is filled instead of the polymer solid electrolyte, or the raw material for the polar polymer is used. Fill with electrolyte monomer solution. Specific examples of the low molecular weight polymer electrolyte include oligomers of the above polar polymers and low molecular weight polymers. Specific examples of the monomer include aniline, acrylonitrile, pyrrole, styrene, propylene glycol, ethylene oxide, propylene. Examples thereof include oxides and vinyl compounds. These solutions may be a complex solution in which an electrolyte such as an alkali metal salt or a proton acid is mixed. The filling method is performed by immersing the polyolefin microporous membrane in the presence of a volatile solvent in the same manner as the filling of the solid polymer electrolyte.
The amount of the low molecular weight polymer electrolyte or electrolyte monomer filled in the polyolefin microporous membrane is filled to 5% by volume or more in the pores of the polyolefin microporous membrane when polymerized in a subsequent step to obtain a high molecular weight solid electrolyte. And it is preferable to fill 30 to 70% by volume of the pore volume.
[0025]
Next, the polyolefin microporous film containing the obtained low molecular weight polymer electrolyte or electrolyte monomer solution is stretched. The stretching method is carried out at a predetermined magnification by heating at a temperature below the melting point of the polyolefin of −10 ° C. and by a usual tenter method, roll method, inflation method, rolling method or a combination of these methods. The stretching may be uniaxial stretching or biaxial stretching, but biaxial stretching is preferred. In the case of biaxial stretching, either longitudinal or transverse simultaneous stretching or sequential stretching may be used. Although the draw ratio varies depending on the thickness of the original fabric, it is stretched so that the thickness of the electrolyte-containing polyolefin microporous film is 1.5 μm or less when it is 1.5 times or more. The solvent contained in the stretched film is subjected to reduced pressure or natural drying, followed by post-polymerization.
[0026]
As the polymerization method, a method of heating a low molecular weight polymer electrolyte or an electrolyte monomer-containing polyolefin microporous membrane, or a method of irradiating radiation such as ultraviolet rays, plasma, electron beams, γ rays, or the like can be used. The low molecular weight polymer or monomer filled in the pores is polymerized to have a high molecular weight, thereby forming a polymer solid electrolyte-containing polyolefin microporous film.
As a specific example of plasma irradiation, 10-2Plasma treatment for 1 to 1000 seconds at an ordinary frequency of 10 to 30 MHz and an output of 1 to 1000 W is performed on an electrolyte-containing polyolefin microporous membrane in the presence of a gas such as argon, helium, nitrogen, air or the like at a pressure of 10 mbar. . Moreover, as an electron beam irradiation polymerization method, the said electrolyte-containing polyolefin microporous film is irradiated with an electron beam at an acceleration voltage of 100 to 5000 KeV, more preferably 200 to 800 KeV. As an irradiation amount, 10-500KGy is suitable, Preferably it is 50-200KGy.
[0027]
Next, the polymer solid electrolyte-containing polyolefin microporous membrane obtained above is impregnated with a polar solvent. Examples of polar solvents to be impregnated include propylene carbonate, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, methyl furan, dimethoxyethane, dioxolane, tetrahydrofuran, acetonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methyl tetrahydrofuran, sulfolane, methyl thiophene, methyl thiazole, ethoxymethoxy Ethane and the like can be mentioned, and one or more of these solvents may be used. Further, the above electrolyte may be added to this polar solvent. At this time, the polymer solid electrolyte may be gelled by impregnation with a polar solvent. The polymer solid electrolyte thin film is obtained by impregnating with a polar solvent as described above.
[0028]
III. battery
Applications of the polymer solid electrolyte thin film obtained above include primary batteries, secondary batteries, electrochromic devices, large-capacity capacitors, sensors, and the like.
Particularly useful as a polymer battery. As a polymer battery, a polymer battery having high voltage, high capacity, high efficiency, no leakage, high safety, and excellent in economic efficiency as compared with a battery using a conventional liquid electrolyte can be obtained.
That is, applying this polymer solid electrolyte thin film, utilizing a composite electrode that is lightweight and excellent in flexibility, the porous polymer substrate skeleton made of polyolefin is used to suppress excessive swelling of the filled polymer solid electrolyte, Good conductivity can be maintained stably over a wide temperature range over a wide temperature range. That is, it is possible to manufacture a polymer battery that can improve safety in overcharging without significantly reducing electronic conductivity, and discharge at a higher rate than conventional polymer electrolyte lithium batteries is possible. .
[0029]
【Example】
The present invention will be described in more detail with reference to the following specific examples, but the present invention is not particularly limited to the examples. In addition, the test method in an Example is as follows.
(1) Impedance: The impedance (R) of the real part was measured at 10 KHz using a Solartron impedance measuring device.
(2) Dendrite: A load of 5 kgf was applied to the electrode, 1000 cycles were performed with 3-4 V cyclic voltammetry, and a short circuit was confirmed.
(3) Roughness of film: An average roughness (Ra) was measured using a stylus type step gauge.
(4) Discharge capacity: Calculated from the time from 4.2 V to 3.0 V in 1.0 c discharge.
[0030]
  Example 1
  Weight average molecular weight 2.5 × 1064% by weight of ultra high molecular weight polyethylene, weight average molecular weight 3.3 × 10516% by weight of high-density polyethylene and 80% by weight of liquid paraffin were melt-kneaded with a twin-screw extruder, extruded from a T-die installed at the tip, and cooled to form a 75 μm gel sheet. The obtained sheet was washed with methylene chloride to remove the solvent, and then heat fixed at 120 ° C. to obtain a polyethylene microporous membrane. The obtained polyethylene microporous membrane was mixed with a 1 mol methylene chloride solution of polyethylene glycol having an average molecular weight of 4000 and LiClO.4Of 0.2 molar methylene chloride. Next, it was naturally dried under an argon atmosphere for 10 minutes to remove methylene chloride, and further dried in an oven at 80 ° C. under an argon atmosphere for 10 minutes. The obtained sheet was filled with 9.6% by volume of polyethylene glycol. Obtained filling sheetTheThe film was drawn MD / TD = 3/3 times at 115 ° C. with a batch type biaxial drawing machine to obtain a thin film having a thickness of 11 μm. To this thin film, 1 mol LiClO of propylene carbonate: dimethoxyethane (DME) = 1: 14The polymer solid electrolyte thin film was obtained by impregnating the solution. The impedance of the obtained polymer solid electrolyte thin film was 4.1 × 103Ω · cm2The film roughness was 5 μm or less. Further, dendrites were measured by sandwiching a polymer solid electrolyte thin film with a 16φ Au electrode, but no short circuit due to dendrites was observed.
[0031]
Next, using the polymer solid electrolyte thin film obtained above, 16φ LiCoO2Was used as a positive electrode and metal Li was used as a negative electrode. When the discharge capacity by 10 cycles was measured with this battery, it was 520 mAh / g.
[0032]
Example 2
Weight average molecular weight 2.5 × 1064% by weight of ultra high molecular weight polyethylene, weight average molecular weight 3.3 × 10Five16% by weight of high-density polyethylene and 80% by weight of liquid paraffin were melt-kneaded with a twin screw extruder, extruded from a T-die installed at the tip, and cooled to form a 30 μm gel sheet. The obtained sheet was washed with methylene chloride to remove the solvent, and heat fixed at 120 ° C. to obtain a polyethylene microporous membrane. The obtained polyethylene microporous membrane was impregnated with a 0.1 molar methylene chloride solution of polyethylene glycol having an average molecular weight of 300. Next, it was naturally dried under an argon atmosphere for 10 minutes to remove methylene chloride, and further dried in an oven at 80 ° C. under an argon atmosphere for 10 minutes. The obtained sheet was stretched by MD / TD = 1.5 / 1.5 times at 115 ° C. with a batch type biaxial stretching machine to obtain a low molecular weight polymer electrolyte thin film having a thickness of 17 μm. Next, the low molecular weight polymer electrolyte thin film was irradiated with a gamma dose of 1.5 MRad for 1 minute to increase the molecular weight of the low molecular weight polymer. The resulting sheet was filled with 18% by volume of high molecular weight polyethylene glycol. Thereafter, 1 mol LiClO dissolved in a propylene carbonate: DME = 1: 1 solution in an argon atmosphere.FourWas further impregnated. When the properties of the obtained polymer solid electrolyte thin film were measured in the same manner as in Example 1, the real part impedance of the obtained polymer solid electrolyte thin film was 6.8 × 10 6.ThreeΩ · cm2The roughness of the film was 5 μm or less, and no short circuit due to dendrite was observed.
[0033]
Comparative Example 1
A 0.1 molar methylene chloride solution of polyethylene glycol having an average molecular weight of 4000 and LiClO on a 16φ Au electrode.FourWas mixed with a 1 mol methylene chloride solution with a Teflon spatula and dried at 80 ° C. for 10 minutes. This operation was repeated three times to obtain a 54 μm electrolyte membrane on the Au electrode, and the properties were measured in the same manner as in Example 1. As a result, the impedance was 5.1 × 10 5.FiveΩ · cm2The roughness of the film was 10 μm or less, and no short circuit due to dendrite was observed.
[0034]
Comparative Example 2
16φ LiCoO2On the electrode, a 0.1 molar methylene chloride solution of polyethylene glycol having an average molecular weight of 4000 and LiClO.FourA mixture of 1 mol of methylene chloride with a teflon spatula and dried at 80 ° C. for 10 minutes, LiCoO2An electrolyte membrane of 18 μm was obtained on the electrode, and 16φ LiCoO was obtained in the same manner as in Example 2.2Was used as the positive electrode and Li as the negative electrode. When the discharge capacity by 10 cycles was measured with this battery, it was 320 mAh / g.
[0035]
Comparative Example 3
Weight average molecular weight 2.5 × 1064% by weight of ultra high molecular weight polyethylene, weight average molecular weight 3.3 × 10Five16% by weight of high-density polyethylene and 80% by weight of liquid paraffin were melt-kneaded with a twin screw extruder, extruded from a T-die installed at the tip, and cooled to form a 400 μm gel sheet. The obtained sheet was stretched by MD / TD = 5/5 times at 115 ° C. with a continuous biaxial stretching machine to obtain a film having a thickness of 15 μm. The obtained film was washed with methylene chloride to remove the solvent, and heat fixed at 120 ° C. to obtain a polyethylene microporous film.
The obtained polyethylene microporous membrane was mixed with a 0.1 molar methylene chloride solution of polyethylene glycol having an average molecular weight of 4000 and LiClO.FourOf 1 mol of methylene chloride was impregnated. Subsequently, it was naturally dried for 10 minutes in an argon atmosphere to remove methylene chloride, and further dried in an oven at 80 ° C. in an argon atmosphere for 10 minutes to obtain a polymer solid electrolyte thin film having a thickness of 15 μm. When the properties were measured in the same manner as in Example 1, the real part impedance was 2.0 × 10FourΩ · cm2The roughness of the film was 15 μm or more, and no short circuit due to dendrite was observed.
[0036]
【The invention's effect】
Since the solid polymer electrolyte membrane of the present invention can be uniformly formed into a thin film of 20 μm or less, the real part impedance is 8 × 10 8.ThreeΩ · cm2The internal resistance is low and the handling is good during manufacturing. In addition, since the polyolefin porous phase serves as a separator, it is a solid electrolyte membrane that suppresses the generation of dendrites and is highly safe. Therefore, when a battery is produced using the polymer solid electrolyte membrane of the present invention, a battery having a high capacity and high productivity and high safety can be obtained.

Claims (4)

重量平均分子量5×10以上の超高分子量ポリオレフィンを含有するポリオレフィン組成物10〜50重量%と、溶媒90〜50重量%からなる溶液を調製し、前記溶液をダイより押し出し、冷却ロールにより引き取りゲル状シートを成形後、シート中の残存溶媒を除去し、乾燥してポリオレフィン微多孔膜を製造後、高分子固体電解質を揮発性溶媒に溶解させた溶液を含浸させ、高分子固体電解質を多孔質膜の孔部分に5容量%以上充填させた後、加熱延伸し、次に極性溶媒を含浸させることを特徴とする厚さが20μm以下で、10KHzでの実部インピーダンスが8×10 Ω・cm 以下である高分子固体電解質薄膜の製造方法。A solution comprising 10 to 50% by weight of a polyolefin composition containing an ultra-high molecular weight polyolefin having a weight average molecular weight of 5 × 10 5 or more and a solvent of 90 to 50% by weight is prepared. The solution is extruded from a die and taken up by a cooling roll. After forming the gel sheet, the residual solvent in the sheet is removed, dried to produce a polyolefin microporous membrane, and then impregnated with a solution in which the polymer solid electrolyte is dissolved in a volatile solvent, so that the polymer solid electrolyte is porous. The pore portion of the membrane is filled with 5% by volume or more, then stretched by heating, and then impregnated with a polar solvent. The thickness is 20 μm or less, and the real part impedance at 10 KHz is 8 × 10 3 Ω. -The manufacturing method of the polymer solid electrolyte membrane which is cm < 2 > or less . 重量平均分子量5×10以上の超高分子量ポリオレフィンを含有するポリオレフィン組成物10〜50重量%と、溶媒90〜50重量%からなる溶液を調製し、前記溶液をダイより押し出し、冷却ロールにより引き取りゲル状シートを成形後、シート中の残存溶媒を除去し、乾燥してポリオレフィン微多孔膜を製造後、低分子量ポリマー電解質または電解質モノマーを揮発性溶媒に溶解させた溶液を含浸させ、低分子量ポリマー電解質または電解質モノマーを多孔質膜の孔部分に5容量%以上充填させた後、加熱延伸し、重合して低分子量ポリマーまたはモノマーを高分子量化した後、極性溶媒を含浸させることを特徴とする厚さが20μm以下で、10KHzでの実部インピーダンスが8×10 Ω・cm 以下である高分子固体電解質薄膜の製造方法。A solution comprising 10 to 50% by weight of a polyolefin composition containing an ultra-high molecular weight polyolefin having a weight average molecular weight of 5 × 10 5 or more and a solvent of 90 to 50% by weight is prepared. The solution is extruded from a die and taken up by a cooling roll. After forming the gel sheet, the residual solvent in the sheet is removed and dried to produce a polyolefin microporous membrane, which is then impregnated with a solution in which a low molecular weight polymer electrolyte or electrolyte monomer is dissolved in a volatile solvent, and then a low molecular weight polymer. It is characterized by filling the pore portion of the porous membrane with 5% by volume or more of an electrolyte or electrolyte monomer, then heating and stretching, polymerizing to polymerize a low molecular weight polymer or monomer, and then impregnating with a polar solvent. thickness at 20μm or less, a polymer solid electrolyte real part impedance is 8 × 10 3 Ω · cm 2 or less at 10KHz Method of manufacturing the film. 請求項1又は2に記載の高分子固体電解質薄膜の製造方法により製造されたことを特徴とする高分子固体電解質薄膜。A polymer solid electrolyte thin film produced by the method for producing a polymer solid electrolyte thin film according to claim 1. 請求項記載の高分子固体電解質薄膜を用いた電池。A battery using the solid polymer electrolyte thin film according to claim 3 .
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