JP4990447B2 - POLYMER FILM FOR SOLID ELECTROLYTE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, SOLID ELECTROLYTE FILM, AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY - Google Patents

POLYMER FILM FOR SOLID ELECTROLYTE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, SOLID ELECTROLYTE FILM, AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質用ポリマーフィルムとその製造方法、固体電解質フィルムおよびリチウムイオン二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯型の電話やパソコンなどの電子機器用の電池として、いわゆる液漏れの心配のないリチウムイオン二次電池などの固体電解質電池が用いられている。固体電解質電池は正極、負極との間にセパレータと電解質との両者の機能を併せ持った固体の電解質を介在させるのが基本的な構造である。電子機器用の電池の場合には小型化・軽量化の観点から、有機化合物のポリマーに電解質溶液を含浸させてゲル状にしたもの(これらを以下、固体電解質フィルムと呼ぶ)などが知られている。これら固体電解質フィルムは原料のポリマーを溶剤に溶解、分散させたポリマー含有液を耐溶剤性、耐熱性を持ったポリエチレンテレフタレート(PET)やポリプロピレン(PP)などのプラスチック製の基材上に塗工し、加熱、冷却により固化した後、プラスチック基材から剥離して固体電解質用ポリマーフィルムが作成され、次いで該フィルムにリチウム塩が溶解した電解液を含浸させることにより固体電解質フィルムが得られる。
【0003】
このような固体電解質用ポリマーフィルムに電解質溶液を含浸させたものなどを電解質として用いる電池の問題点として、電解質成分が負極表面に析出することが挙げられる。例えば負極に炭素、正極にコバルト等の遷移金属とリチウムの複合酸化物を用いたリチウムイオン二次電池では、負極表面に金属リチウムが析出することがある。このような析出物が成長すると固体電解質フィルムを突き破り正極と接触して内部短絡を起こし、電池のサイクル寿命が短くなる原因になるので、電解質成分の析出が抑制された電池の提供が望まれている。
【0004】
このような電解質成分が析出する原因はこれまでは不明であり、固体電解質電池開発の大きな障害になっていた。本発明者らは、析出物の形状、発生個所等を詳細に調査した結果、従来見過ごされていた電極と電解質との不均一な接触が、電解質成分の析出の原因であることを初めて見出した。したがって、電解質成分の析出を防止するためには、電極と電解質との均一な接触を実現させることが必要である。このため、固体電解質フィルムとしては、歪みや皺のないものが強く望まれる。しかし、前述の方法で固体電解質フィルムを製造すると、基材から剥離した固体電解質用ポリマーフィルムを電解質溶液に浸漬する際に、歪みや皺が生じ易いのが実情であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、歪みや皺のない(または、きわめて少ない)固体電解質フィルムの製造方法を提示し、このような固体電解質フィルムを電池の電解質として用いることで、電解質成分の析出が抑制されたリチウムイオン二次電池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】
本発明者らは、上記課題について固体電解質用ポリマーフィルムを製造する際の基材の熱による膨張、収縮に由来する固体電解質用ポリマーフィルムの残留応力に着目して研究を行った結果、以下の特徴を有する本発明の完成に至った。
【0007】
(1)線膨張率が5×10−5−1以下の材質からなる基材上にポリマー含有液を塗工する工程と、加熱によりポリマー含有液の溶剤を蒸発させた後、冷却することによりポリマーを固化させる工程と、ポリマーの固化後に基材から該ポリマーを剥離する工程を含む、固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。
(2)線膨張率が5×10-5-1以下の材質が金属である前記(1)記載の固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。
(3)金属がAl、Ni、Fe、またはこれら金属の少なくとも一種を含む合金である前記(2)記載の固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。
(4)ポリマーが、ビニリデンフルオライドを主単位とするフッ素ポリマーであることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかに記載の固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。
(5)ポリマーの密度が0.6〜1.3g/cm であることを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれかに記載の固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。
)前記(1)〜()のいずれかに記載の製造方法により製造された固体電解質用ポリマーフィルム。
)前記()記載の固体電解質用ポリマーフィルムに、リチウム塩が溶解した電解液を含浸してなる固体電解質フィルム。
)前記()記載の固体電解質フィルムを含有するリチウムイオン二次電池。
【0008】
上記のような皺の発生を抑えた固体電解質用ポリマーフィルムから得た固体電解質フィルムを用いて製造したリチウムイオン二次電池は、本来の目的たるリチウムの析出を抑制できるばかりでなく、後述するように、ハイレート充放電が可能となり、低温での特性も向上するという効果が得られた。
【0009】
【発明の実施の態様】
本発明に係る固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法について図1(基材上に塗工された固体電解質用ポリマーフィルムの模式図)を参照して説明する。本発明の最大の特徴は基材1の材質として、従来のPET(線膨張率は6.5×10-5-1)、PP(線膨張率は7〜10×10-5-1)などの線膨張率の大きい材質の代わりに、線膨張率の小さい材質を使うことである。
【0010】
ここで、線膨張率とは、以下の式1におけるβをいい、JIS K7197に記載の方法により測定される値である。
【0011】
β=(1/l0)・(dl/dθ)
ただし、セルシウス温度0℃、θにおける長さをそれぞれl0、lとする。
【0012】
本発明において使用する基材1の線膨張率は5×10-5-1以下、好ましくは2.5×10-5-1以下である。このような基材1の材質としては金属(単体か合金かを問わない)、が例示される。これらは純粋なものを用いても、不純物を含むものでも、複数の素材を混合したものでもよく、基材としたときに上述の線膨張率となっていればよい。耐溶剤性などの観点から、好ましくは金属(合金を含む)、更に好ましくは金属がAl、Ni、Feのいずれかである、またはこれらのいずれかを含む合金、好適には、アルミニウム(線膨張率は2.4×10-5-1)、ステンレス(SUS304で、線膨張率は1.2×10-5-1)、ニッケル(線膨張率は1.3×10-5-1)が用いられる。
【0013】
後述する固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法に適合すれば、基材1の形状は特に限定されないが、ポリマーの塗工、固化、剥離により固体電解質用ポリマーフィルムを製造する本発明においては、基材1は長尺の薄板状のものがよく、例えば、幅は1〜5cm、長さは1〜100cm、厚さは10〜20μmである。
【0014】
本発明に係る固体電解質用ポリマーフィルムは、上述のような線膨張質の小さい材質からなる基材1の上に固体電解質用ポリマーフィルムの原料となるポリマー含有液を塗工して、加熱により溶剤を蒸発、次いで冷却することによりポリマー2を固化した後、固化したポリマー2を剥離して得られる(図1)。基材1の材質として線膨張率の小さい材質を用いることで、加熱及び冷却時の基材1の膨張、収縮が小さくなり、ポリマー2中の残留応力も小さくなる。このため、PETやPPなどの線膨張率の大きい材質からなる基材上で固化したポリマーを電解質溶液に含浸するときに発生する、応力の開放に伴う歪みや皺は、本発明に係る方法では発生し難くなる。
【0015】
本発明で用いる固体電解質用ポリマーフィルムの主成分となるポリマー2の材質は電池の電解質用に用いられうるものであれば特に制限はない。ここで電池の電解質用に用いられうるものとは、ポリマー自体にイオン伝導性はないが、電解質溶液がポリマーに浸透することによりイオン伝導性を獲得するものをいう。
【0016】
このようなポリマー2の材質としては、電解質溶液に対する親和性が大きいものがよく、たとえばポリスチレン、ポリブタジエンおよびそれらの共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネートなどが挙げられる。
【0017】
本発明においては、ポリマー自体にイオン伝導性はないが、電解質溶液がポリマーに浸透することによりイオン伝導性を獲得するもの、中でもビニリデンフルオライドを主単位とするフッ素ポリマーが特に好ましく用いられる。上記ビニリデンフルオライドを主単位とするフッ素ポリマーとは、ビニリデンフルオライドの単独重合体、または、ビニリデンフルオライドとその他のフッ素原子を有するビニル系モノマーとの共重合体を意味し、これらは単独でも混合しても用いることができる。その他のフッ素原子を有するビニル系モノマーとしては、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンなどが挙げられる。また、共重合体の形態はランダム、ブロックのいずれの形態でもよい。共重合体である場合、ビニリデンフルオライド(の単位)の割合は70モル%以上が好ましく、特に好ましくは75モル%以上である。
【0018】
また、上記ビニリデンフルオライドを主単位とするフッ素ポリマーは、カルボキシル基(−COOH)、スルホン酸基(−SO2OH)、カルボン酸エステル基(−COOR)、カルバモイル基(−CONH2)またはリン酸基(−PO(OH)2)などからなる官能基を有するビニル系モノマーの重合体がグラフトされていてもよい(カルボン酸エステル基(−COOR)における置換基Rは、メチル基、エチル基、ブチル基などの炭素数1〜4の低級アルキル基が好ましいものである。)。フッ素ポリマーをかかる官能基を含有する重合体がグラフトした態様のポリマー形態にすると、電池の正極または負極へのポリマーフィルムの接着性が向上するので好ましい。
【0019】
上記官能基を有するビニル系モノマーとしては、官能基を除く部分の炭素数が4以下の化合物からなるモノマーが好適である。カルボキシル基含有モノマーとしては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、ビニル酢酸、アリル酢酸などのカルボキシル基を1個有するものの他、イタコン酸、マレイン酸などのカルボキシル基を2個以上有するものも使用可能である。スルホン酸基含有モノマーとしては、スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸などが好適である。カルボン酸エステル基含有モノマーとしては、メチルアクリレート、ブチルアクリレートなどが好適である。カルバモイル基含有モノマーとしては、アクリルアミドなどが好適である。リン酸基含有モノマーとしては、リン酸トリフェニル、リン酸トリクレシルなどが好適である。グラフト化の程度は最終重量の2モル%〜20モル%が好ましく、3モル%〜12モル%がより好ましく、5モル%〜10モル%がとりわけ好ましい。
【0020】
また、本発明において用いるポリマーは、電解質の保持性の観点から多孔質であるのが好ましく、密度は0.60〜1.3g/cm3、好ましくは0.70〜0.80g/cm3とするのがよい。ポリマーの密度が0.60g/cm3未満の場合、機械的強度の低下により電池の組立て時に取り扱いにくくなる等の問題が懸念され、密度が1.30g/cm3より大きいと十分なレート特性および低温特性の向上効果が得られ難いからである。
【0021】
このような材質のポリマーからなる固体電解質用ポリマーフィルムの作製はポリマー含有液を前述した基材に塗工し、加熱、冷却により固化した後に基材から剥離する工程からなる。以下、各工程について説明する。
【0022】
ポリマー含有液を作る際の溶剤については該ポリマーを溶解、分散するものであれば特に制限はなく、単一の物質でも2種以上の物質の混合物でもよいが、蒸発時に発泡性のある溶剤(例えば、オクタノール、1−ペンタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−1−ブタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノールなど)と発泡性のない溶剤(例えば、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミドなど)を組合わせるのが好ましい。これは、溶剤の蒸発時に固化するポリマーに上述の細孔を生じるようにするためである。これらの組合わせのうちでも、ジメチルアセトアミドとオクタノールの混合物が好適に用いられる。
【0023】
本発明に用いるポリマー含有液は上述の溶剤にポリマーの原料を溶解または分散して得られる。含有液中のポリマーの濃度は塗工する工法に適した粘度になるように調整すればよい。ポリマー含有液作製の際の溶解は攪拌など任意の方法をとれる。混合の際に気泡が混入したり、溶解、分散が不十分でありポリマー原料の濃度が不均一であると、固体電解質用ポリマーフィルムの厚さバラツキの原因になることから、混合後に10〜15時間ほど静置するのが望ましい。
【0024】
本発明においては、このポリマー含有液を前述の線膨張率の小さい基材上に塗工する。塗工の方法は特に制限はないが、たとえばブレードナイフ式塗工機などの装置を用いるダイレクト塗工、リバースロールなどの装置を用いるインダイレクト塗工などが、塗工時の厚さの精度が高い点で好ましい。塗工の厚さとしては、乾燥後の固体電解質用ポリマーフィルムの厚さが1μm〜50μm、さらに好ましくは10μm〜30μmとなるようにするのが望ましい。
【0025】
基材上にポリマー含有液を塗工した後は、バッチ式あるいは連続式の熱風炉等で加熱してポリマー含有液を乾燥する。このときの温度、加熱時間は溶剤に応じて、ポリマーが所望の密度になるように決めればよい。乾燥条件の一例として、ジメチルアセトアミド85重量部、オクタノール15重量部、ポリビニリデンフルオライド15重量部からなるポリマー含有液については70〜100℃、炉長10mの乾燥炉を0.1m/mimで通過させる加熱を挙げることができるが、本発明は、この条件に限られるわけではない。
【0026】
上述したように、この乾燥のための加熱のときに、ポリマー含有液を塗布した基材の熱膨張が懸念される。しかし、本発明に係る製造方法では線膨張率の小さい材質からなる基材を用いているので、基材の熱膨張が極めて小さくなる。このため、ポリマーに対する応力も非常に小さくなり、固体電解質フィルムの歪みや皺の発生を妨ぐことができるのである。
【0027】
溶剤の蒸発後、放冷等により室温付近にまで冷却してから、固化した固体電解質用ポリマーフィルムを基材から剥離する。固体電解質用ポリマーフィルムに傷、破れなどを生じない方法であれば剥離の方法は任意である。剥離の方法として、巻き上げ機による機械的な剥離、液に浸漬して剥離するなどの例を挙げることができるが、本発明ではこれらに限られない。また、固体電解質用ポリマーフィルムは所定の大きさにカットして用いるが、固体電解質用ポリマーフィルムを剥離後にカットしても、剥離前に基材ごとカットしてもよい。
【0028】
次に、固体電解質用ポリマーフィルムの電解質溶液への含浸につき、電解質溶液を構成する電解質、溶媒、固体電解質用ポリマーフィルムの含浸方法の順に説明する。
【0029】
電解質としては、当業界で知られているものを任意に用いることができる。電池がリチウムイオン二次電池である場合には、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、Li(CF3SO22Nなどから選ばれる一種または二種以上が好適に使用される。また、溶媒としては、電解質を溶解し、かつ、固体電解質用ポリマーフィルムに浸透するものであって、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジエチルエーテルなどが例示され、これらの1種または2種以上の混合物が使用される。電解質溶液中の電解質濃度は、好ましくは0.1モル/l〜2モル/l、より好ましくは0.5モル/l〜1.5モル/lである。電解質の濃度が0.1モル/l未満であると、イオン伝導性の低下によって電池容量が充分に得られず、またハイレート特性が著しく低下する不具合があるため好ましくない。また該濃度が2モル/lを超えると、著しい粘度上昇が生じ、ハイレート特性および低温特性の低下が生じる不具合があるため好ましくない。
【0030】
なお、相溶性溶媒に混合溶媒を使用する場合は、特に、ジエチルカーボネート(DEC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)から選ばれる少なくとも一種を含み、更にエチレンカーボネート(EC)と、プロピレンカーボネート(PC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを含む混合物が好適である。かかる混合物を構成する各成分の混合比は、ジエチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートから選ばれる少なくとも一種においては、25体積%〜50体積%であるのが好ましく、30体積%〜35体積%であるのがより好ましい。エチレンカーボネートにおいては混合比が4体積%〜20体積%であるのが好ましく、6体積%〜18体積%であるのがより好ましい。プロピレンカーボネートにおいては混合比が3体積%〜17体積%であるのが好ましく、5体積%〜15体積%であるのがより好ましい。また、ジメチルカーボネートにおいては混合比が40体積%を超えて60体積%以下であるのが好ましく、45体積%〜55体積%であるのがより好ましい。
【0031】
ジエチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートから選ばれる少なくとも一種においては、上記混合比が25体積%未満であると塩(電解質)を溶解させた溶液の凝固点が上昇して、特に−20℃以下の低温下において、電池の内部抵抗が増大し、充放電サイクル特性および低温特性が低下する傾向となる。一方、上記混合比が50体積%を超えると塩(電解質)を溶解させた溶液の粘度が上昇して電池の内部抵抗が増大し、充放電サイクル特性が低下する傾向となる。
【0032】
エチレンカーボネートにおいては、上記混合比が4体積%未満であると負極板表面で安定な皮膜が形成されにくく、サイクル特性が低下する傾向となり、上記混合比が20体積%を超えると、塩(電解質)を溶解させた溶液の粘度が上昇して電池の内部抵抗が増大し、充放電サイクル特性が低下する傾向となる。
【0033】
プロピレンカーボネートにおいては、上記混合比が3体積%未満であると充放電サイクルに伴うインピーダンスの増加の抑制効果が小さくなり、サイクル特性が低下する傾向となり、上記混合比が17体積%を超えると、塩(電解質)を溶解させた溶液の粘度が上昇して電池の内部抵抗が増大し、充放電サイクル特性が低下する傾向となる。
【0034】
ジメチルカーボネートにおいては、上記混合比が40体積%以下であると塩(電解質)を溶解させた溶液の粘度が上昇して電池の内部抵抗が増大し、充放電サイクル特性が低下する傾向となり、上記混合比が60体積%を超えると、塩(電解質)を溶解させた溶液の凝固点が上昇して、特に−20℃以下の低温下において、電池の内部抵抗が増大し、サイクル特性および低温特性が低下する傾向となる。
【0035】
なお、上記溶媒とともに、電池の使用温度(特に低温使用時)での溶液の結晶化防止などを目的に、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、N−メチル−ピロリドン(1−メチル−2−ピロリドン)、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどの可塑剤を使用するのが好ましい。可塑剤を添加することで、ポリマーに浸透させた電解質溶液からの電解質の結晶化がさらに防止され、本発明をより実効あらしめることができる。
【0036】
固体電解質用ポリマーフィルムを電解質溶液に含浸する方法は特に限定はない。固体電解質用ポリマーフィルムを電解質溶液に含浸してから、後述する電池を組立ててもよいが、含浸後にはポリマーフィルムがゲル化することを考慮して、加工の容易さの観点から、含浸前の固体電解質用ポリマーフィルムを用いて電池を組立ててから電解質溶液に含浸するほうが好ましい。
【0037】
本発明の固体電解質フィルムは、従来公知の各種のリチウムイオン二次電池に適用できる。たとえば帯状体にした正極(シート)および負極(シート)の間にこれらと略同じ大きさの帯状態にした固体電解質フィルムを介在させ、これら3者をその長さ方向に沿って渦巻状に捲回して捲回体を作成し、該捲回体を外装材に収容した形態(所謂、捲回型)や、矩形の正極(シート)および負極(シート)の間にこれらと略同じ大きさの矩形体にした固体電解質フィルムが挟まれた単位(セル)を1つまたは2以上繰り返した積層構造体を形成し、該積層構造体を外装材に収容した形態(所謂、積層型)等があげられる。また、積層型の一つのバリエーションとして、袋状の固体電解質フィルムにて矩形の正極(シート)を包囲してなる正極袋詰体と矩形の負極(シート)とを積層して成る積層構造体を外装材に収容した形態(所謂、袋詰型)を挙げることができる。かかる袋詰型では、袋状の固体電解質フィルムで正極シートが完全に包囲されているので、正極(シート)と負極(シート)との物理的接触がなく、正極シートと負極シートを完全に絶縁できるという利点がある。なお、固体電解質フィルムを袋状に形成する方法としては、当分野において従来から広く行われてきた各種方法をあげることができる。たとえば熱プレス、ヒートシーラー、真空熱プレスなどの装置を用いて適宜の寸法で折り曲げた固体電解質フィルムの外周部を加熱して外周部を固着する方法、プレスロールなどの装置を用いて上記外周部を加圧する方法、熱プレス、ホットロールプレス、真空プレスなどを用いて上記外周部を加熱しながら加圧する方法、などが挙げられる。
【0038】
本発明の固体電解質フィルムを用いてなるリチウムイオン二次電池において、正極(シート)および負極(シート)としては、それぞれ公知のリチウムイオン二次電池用の正極(シート)および負極(シート)を使用することができる。好ましい例としては、例えば、正極活物質または負極活物質に導電材や結着剤などを混合した正極活物質組成物または負極活物質組成物を集電体上に塗布し、乾燥・圧延を施して、正極活物質層または負極活物質層を形成してなるものがあげられる。
【0039】
正極活物質としては、Li−Co系複合酸化物、Li−Mn系複合酸化物、Li−Ni系複合酸化物などを用いることができ、中でも化学的に安定で取り扱いが容易であり、しかも高容量の二次電池を製造しうる点から、コバルト酸リチウム(LiCoO2)を用いるのが好ましい。導電材としては、人造あるいは天然の黒鉛類、またはケッチェンブラック、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、イクストラコンダクティブファーネスブラックなどのカーボンブラックなどの粒状の炭素材(粒状とは、鱗片状、球状、擬似球状、塊状、ウィスカー状などが含まれ、特に限定されない)を用いることができる。また、正極(シート)における結着剤としては、ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン系ポリマー等を用いることができる。正極活物質組成物において、正極活物質と導電材と結着剤との着合計量100重量部に対して、導電材が3〜15重量部、結着剤が1〜10重量部程度配合されるのが好ましい。
【0040】
集電体としては、導電性金属で形成された箔または穴あき箔などを用いることができ、その厚みを5〜100μm程度とすればよい。正極集電体の材料としては、銅、ニッケル、銀、ステンレスなどが用いられる。
【0041】
正極(シート)および負極(シート)は、公知の方法に従って製造することができる。例えば、正極(シート)は、正極活物質、導電材および結着剤を混合加工し、N−メチルピロリドンなどの有機溶媒に分散させてペーストとし、正極集電体上に塗布、乾燥させたあと、加圧して適当な形状に切断して得ることができる。
【0042】
本発明において、電池の外装材としては、円筒缶、角筒缶、ボタン状缶等の金属缶の他、ラミネートフィルム等のシート状の外装材が使用される。ラミネートフィルムとしては、銅、アルミニウム等の金属箔の少なくとも片面にポリエステル、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂ラミネート層が形成されたものが好ましい。金属箔としては、アルミニウム、銅、鉄等が挙げられる。樹脂としてはポリエステル、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂があげられる。かかる熱可塑性樹脂層を有するものであれば、上記捲回体または積層構造体にこれを外装してその周縁を熱溶着するだけで封止でき、電池の作製作業が簡単である。金属箔の厚みは、好ましくは10〜100μm、より好ましくは20〜70μmであり、樹脂層の厚みは、好ましくは5〜100μm、より好ましくは10〜50μmであり、そして全体の厚みは、好ましくは20〜200μm、より好ましくは40〜150μmである。
【0043】
本発明に係る電池において、電池缶の蓋、安全構造、電極端子(シート電池におけるリード端子)等の上述していない各種の構成部材としては、既存のものや、今後開発されるものを使用することができる。
【0044】
【実施例】
[実施例1]
固体電解質用ポリマーフィルムの原料としてポリビニリデンフルオライド30gをジメチルアセトアミド170g中に溶解した。この溶液にオクタノール30gを1時間以上かけて徐々に混合し、12時間以上静置した。塗工の基材としてアルミニウム箔(圧延アルミニウム箔、厚さ20μm)を用意した。この基材に前記溶液をドクターブレードによるダイレクト塗工により塗工し、乾燥炉(120℃、炉長10m)を0.1m/mimで通して溶媒を揮発させた。この操作により密度0.8g/cm3以下の固体電解質用ポリマーフィルムが得られた。ブレードの間隔を溶液の粘度に応じて調整することで、20μmの固体電解質用ポリマーフィルムと30μmの固体電解質用ポリマーフィルムを得た。
【0045】
この固体電解質用ポリマーフィルムを基材ごと10cm×10cmに切断し、切断後に基材からジメトキシエタンを含浸させて剥離した。電解液(LiPF6をエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの1:1(体積比)混合溶媒に1.0モル/lの濃度で溶かした溶液)を100cc入れたトレー(15cmW×15cmD×5cmH)を用意し、基材から剥離した固体電解質用ポリマーフィルムを浸漬した。このとき皺が発生するか否かを調査した。調査は、皺が生じたことによる固体電解質用ポリマーフィルムの縮みの有無を目視により判断した。
【0046】
[実施例2]
固体電解質用ポリマーフィルムの原料となるポリマー含有液の塗工の基材として厚さ14μmのアルミニウム箔を用いたこと以外は実施例1と同様の操作により、皺の発生に由来する固体電解質用ポリマーフィルムの縮みの有無を調査した。
【0047】
[比較例1]
固体電解質用ポリマーフィルムの原料となるポリマー含有液の塗工の基材として厚さ50μmのポリエチレンテレフタレートフィルムを用いたこと以外は実施例1と同様の操作により、皺の発生に由来する固体電解質用ポリマーフィルムの縮みの有無を調査した。実施例1、実施例2、比較例の結果を表1にまとめた。
【0048】
【表1】

Figure 0004990447
【0049】
表1により、基材を線膨張率の大きいPETから線膨張率の小さい金属(アルミニウム)に代えることで、固体電解質フィルム作製の際の電解液への浸漬時に固体電解質用ポリマーフィルムに皺が発生するのを防止できることが明らかになった。さらに、この効果は固体電解質用ポリマーフィルムを薄くしても維持されることも確認できた。
【0050】
次に、本発明に係る固体電解質用ポリマーフィルムを用いた電池の特性評価を行った。
【0051】
(固体電解質用ポリマーフィルムの作製)
[実施例3、4、比較例2]
実施例3、実施例4、比較例2ではそれぞれ実施例1、実施例2、比較例1で得た固体電解質用ポリマーフィルムを用意し、下記のリチウムイオン二次電池を組み立てて、それぞれについて下記の試験を行った。
【0052】
(正極シートの作製)
正極活物質としての、コバルト酸リチウム粒状物90重量部、結着剤としてのポリビニリデンフルオライド5重量部、導電剤としての人造黒鉛5重量部およびN−メチルピロリドン70重量部を混合してスラリーとした。このスラリーを正極集電体としての帯状アルミニウム箔(厚み20μm)の両面上に塗布、乾燥し、次いで圧延処理(圧延温度25℃、圧延率30%)して、アルミニウム箔の片面あたりの活物質の付着量が20mg/cm2の正極活物質組成物層(厚み70μm)を有する正極シート(幅30mm、長さ50mm)を作製した。
【0053】
(負極シートの作製)
黒鉛化カーボンファイバー95重量部、ポリビニリデンフルオライド5重量部、およびN−メチルピロリドン60重量部を混合してスラリーとした。このスラリーを負極集電体としての帯状銅箔(厚み14μm)の両面に塗布、乾燥し、次いで圧延処理(圧延温度100℃、圧延率20%)して、銅箔の片面あたりの活物質の付着量が10mg/cm2の負極活物質組成物層(厚み75μm)を有する帯状負極(幅32mm、長さ52mm)を作製した。
【0054】
(電池の組み立て)
前記の正極と負極の間にポリビニリデンフルオライド多孔質フィルムを介在させて、最外層に負極がくるように積層して、これをアルミラミネートフィルム内に電解液と共に密閉し、タブを取り出し、セルとした。なお、ここでのポリビニリデンフルオライド多孔質フィルムは、実施例3、4および比較例2で作製したポリビニリデンフルオライド多孔質フィルムであり、電解液とは、実施例1、2および比較例1で使用した電解液である。
【0055】
(低温特性試験)
作製したリチウムイオン二次電池について室温で充電を行なった後、これを−20℃の大気雰囲気中に6時間放置する。なお、充電は、1C(600mA)定電流で電圧が4.2Vとなるまで電流を流した後、続いて全充電時間が2.5時間となるまで4.2V定電圧で電流を流して行なった。次に、この−20℃の大気雰囲気中で1C(600mAh)/2.5Vカットオフ電圧で放電を行い、その時の放電容量(mAh)を求める。また、室温(20℃)でも同様の条件で充電と放電を行い、放電容量(mAh)を求める。さらに、−20℃下での放電容量を室温下での放電容量で割って放電容量変化率を求めた。
【0056】
(サイクル特性試験)
1C(すなわち600mAhの定電流)充放電を繰り返し、放電容量に対する放電容量維持率(%)が80%以下になるサイクル数を測定した。
【0057】
(レート特性試験)
作製したリチウムイオン二次電池について、2C充放電を室温(20℃)下で行い、放電容量の全容量に対する割合を算出した。なお、2Cとは、リチウムイオン二次電池の放電容量(600mAh)に対する1200mAの定電流をいう。
【0058】
以上の試験の結果を表2にまとめた。
【0059】
【表2】
Figure 0004990447
【0060】
【発明の効果】
本発明に係る方法により、皺や歪みのない(あるいは非常に少ない)固体電解質フィルムを提供することができる。これにより、負極と固体電解質フィルムとの接触不均一に起因する電極表面での電解質の析出を防ぐことができ、サイクル寿命が長い電池を作製できる。また、本発明に係る固体電解質フィルムを用いて得られた電池は、レート特性、低温特性においても優れた効果を奏する。この効果は固体電解質フィルムが薄くても維持されるので、固体電解質フィルムの薄層化ひいては電池の小型化をも可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図1】固体電解執拗ポリマーフィルムが塗工された基材の断面図である。
【符号の説明】
1 基材
2 ポリマー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a polymer film for solid electrolyte and a method for producing the same, a solid electrolyte film, and a lithium ion secondary battery.
[0002]
[Prior art]
  As a battery for an electronic device such as a portable phone or a personal computer, a solid electrolyte battery such as a lithium ion secondary battery that does not cause a so-called liquid leakage is used. The basic structure of a solid electrolyte battery is that a solid electrolyte having both functions of a separator and an electrolyte is interposed between a positive electrode and a negative electrode. In the case of batteries for electronic devices, from the viewpoint of miniaturization and weight reduction, those obtained by impregnating an organic compound polymer with an electrolyte solution to form a gel (these are hereinafter referred to as solid electrolyte films) are known. Yes. These solid electrolyte films are obtained by coating a polymer-containing solution in which the starting polymer is dissolved and dispersed in a solvent onto a plastic substrate such as polyethylene terephthalate (PET) or polypropylene (PP) that has solvent resistance and heat resistance. Then, after solidifying by heating and cooling, the polymer film for solid electrolyte is prepared by peeling from the plastic substrate, and then the solid electrolyte film is obtained by impregnating the film with an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved.
[0003]
  A problem of batteries using such a polymer film for solid electrolyte impregnated with an electrolyte solution as an electrolyte is that the electrolyte component is deposited on the negative electrode surface. For example, in a lithium ion secondary battery using a composite oxide of lithium and a transition metal such as carbon for the negative electrode and cobalt for the positive electrode, metallic lithium may be deposited on the negative electrode surface. When such a precipitate grows, it breaks through the solid electrolyte film and comes into contact with the positive electrode, causing an internal short circuit and shortening the cycle life of the battery. Therefore, it is desired to provide a battery in which the deposition of the electrolyte component is suppressed. Yes.
[0004]
  The reason for the deposition of such electrolyte components has not been known so far, and has been a major obstacle to the development of solid electrolyte batteries. As a result of detailed investigations on the shape and occurrence of precipitates, the present inventors have found for the first time that the non-uniform contact between the electrode and the electrolyte, which has been conventionally overlooked, is the cause of the precipitation of the electrolyte component. . Therefore, in order to prevent the deposition of the electrolyte component, it is necessary to realize uniform contact between the electrode and the electrolyte. For this reason, as a solid electrolyte film, a thing without a distortion and a wrinkle is strongly desired. However, when a solid electrolyte film is manufactured by the above-described method, it is a fact that distortion and wrinkles are likely to occur when the solid electrolyte polymer film peeled off from the substrate is immersed in the electrolyte solution.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention provides a method for producing a solid electrolyte film free from distortion or wrinkles (or very little), and using such a solid electrolyte film as a battery electrolyte allows lithium ions to be prevented from depositing electrolyte components. An object is to provide a secondary battery.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  As a result of conducting research on the above-mentioned problems while paying attention to the residual stress of the polymer film for solid electrolyte derived from the expansion and contraction due to heat of the base material when producing the polymer film for solid electrolyte, the following results were obtained. The present invention having features has been completed.
[0007]
(1) Linear expansion coefficient is 5 × 10-5K-1Coating a polymer-containing liquid on a substrate made of the following materialsA step of evaporating the solvent of the polymer-containing liquid by heating and then solidifying the polymer by cooling;After the polymer is solidifiedThe polymerPeeling processWhenThe manufacturing method of the polymer film for solid electrolytes containing this.
(2) Linear expansion coefficient is 5 × 10−FiveK-1The method for producing a polymer film for a solid electrolyte according to the above (1), wherein the following material is a metal.
(3) The method for producing a polymer film for a solid electrolyte according to (2), wherein the metal is Al, Ni, Fe, or an alloy containing at least one of these metals.
(4) The method for producing a polymer film for a solid electrolyte according to any one of the above (1) to (3), wherein the polymer is a fluoropolymer having vinylidene fluoride as a main unit.
(5) Polymer density is 0.6 to 1.3 g / cm 3 The method for producing a polymer film for a solid electrolyte according to any one of (1) to (4), wherein
(6) (1) to (5The polymer film for solid electrolytes manufactured by the manufacturing method in any one of).
(7) (6A solid electrolyte film obtained by impregnating a polymer film for solid electrolyte described in (1) with an electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved.
(8) (7) A lithium ion secondary battery containing the solid electrolyte film described above.
[0008]
  The lithium ion secondary battery manufactured using the solid electrolyte film obtained from the polymer film for solid electrolyte that suppresses the generation of soot as described above can not only suppress the original deposition of lithium, but also will be described later. In addition, high-rate charge / discharge is possible, and the effect of improving the characteristics at low temperatures was obtained.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  The manufacturing method of the polymer film for solid electrolytes concerning this invention is demonstrated with reference to FIG. 1 (Schematic diagram of the polymer film for solid electrolytes coated on the base material). The greatest feature of the present invention is that the material of the base material 1 is conventional PET (linear expansion coefficient is 6.5 × 10-FiveK-1), PP (linear expansion coefficient is 7-10 × 10-FiveK-1), Etc., instead of a material with a large linear expansion coefficient.
[0010]
  Here, the linear expansion coefficient refers to β in the following formula 1, and is a value measured by the method described in JIS K7197.
[0011]
  β = (1 / l0) ・ (Dl / dθ)
However, the length at Celsius temperatures 0 ° C and θ is 10, L.
[0012]
  The linear expansion coefficient of the base material 1 used in the present invention is 5 × 10.-FiveK-1Or less, preferably 2.5 × 10-FiveK-1It is as follows. Examples of the material of the substrate 1 include metal (whether it is a simple substance or an alloy). These may be pure, may contain impurities, or may be a mixture of a plurality of materials, and only need to have the above-described linear expansion coefficient when used as a base material. From the viewpoint of solvent resistance and the like, it is preferably a metal (including an alloy), more preferably, the metal is any one of Al, Ni, Fe, or an alloy including any of these, preferably aluminum (linear expansion) The rate is 2.4x10-FiveK-1), Stainless steel (SUS304, linear expansion coefficient is 1.2 × 10-FiveK-1), Nickel (linear expansion coefficient is 1.3 × 10-FiveK-1) Is used.
[0013]
  The shape of the substrate 1 is not particularly limited as long as it conforms to the method for producing a polymer film for solid electrolyte described later, but in the present invention for producing a polymer film for solid electrolyte by coating, solidifying and peeling of the polymer, 1 is preferably a long thin plate, for example, having a width of 1 to 5 cm, a length of 1 to 100 cm, and a thickness of 10 to 20 μm.
[0014]
  The polymer film for a solid electrolyte according to the present invention is obtained by applying a polymer-containing liquid as a raw material for a polymer film for a solid electrolyte on the base material 1 made of a material having a small linear expansion as described above, and heating the solvent. The polymer 2 is solidified by evaporating and then cooled, and then the solidified polymer 2 is peeled off (FIG. 1). By using a material having a small linear expansion coefficient as the material of the base material 1, the expansion and contraction of the base material 1 during heating and cooling are reduced, and the residual stress in the polymer 2 is also reduced. For this reason, distortion and wrinkles associated with the release of stress that occur when the electrolyte solution is impregnated with a polymer solidified on a base material made of a material having a large linear expansion coefficient such as PET or PP are not affected by the method according to the present invention. It becomes difficult to occur.
[0015]
  The material of the polymer 2 which is the main component of the polymer film for solid electrolyte used in the present invention is not particularly limited as long as it can be used for the battery electrolyte. Here, what can be used for the electrolyte of the battery means that the polymer itself does not have ionic conductivity, but the ionic conductivity is obtained by permeation of the electrolyte solution into the polymer.
[0016]
  The material of such a polymer 2 is preferably one having a high affinity for the electrolyte solution, such as polystyrene, polybutadiene and copolymers thereof, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyvinyl pyrrolidone, polyvinylidene carbonate, and the like. .
[0017]
  In the present invention, although the polymer itself does not have ionic conductivity, a polymer that acquires ionic conductivity by permeation of the electrolyte solution into the polymer, particularly a fluoropolymer having vinylidene fluoride as a main unit is particularly preferably used. The fluoropolymer having vinylidene fluoride as a main unit means a homopolymer of vinylidene fluoride or a copolymer of vinylidene fluoride and other vinyl monomers having a fluorine atom. Even if mixed, it can be used. Examples of other vinyl monomers having a fluorine atom include hexafluoropropylene, chlorotrifluoroethylene, and tetrafluoroethylene. The form of the copolymer may be either random or block. In the case of a copolymer, the proportion of vinylidene fluoride (unit) is preferably 70 mol% or more, particularly preferably 75 mol% or more.
[0018]
  In addition, the fluoropolymer having vinylidene fluoride as a main unit includes a carboxyl group (—COOH) and a sulfonic acid group (—SOOH).2OH), carboxylate group (—COOR), carbamoyl group (—CONH)2) Or phosphate group (-PO (OH)2Or a vinyl monomer polymer having a functional group composed of, for example, a substituent R in the carboxylic acid ester group (—COOR) having 1 to 1 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, and a butyl group. 4 lower alkyl groups are preferred.). It is preferable to use a fluoropolymer in the form of a polymer grafted with a polymer containing such a functional group because the adhesion of the polymer film to the positive electrode or negative electrode of the battery is improved.
[0019]
  As the vinyl monomer having a functional group, a monomer composed of a compound having 4 or less carbon atoms in the portion excluding the functional group is suitable. As a carboxyl group-containing monomer, one having one carboxyl group such as acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, vinyl acetic acid, and allyl acetic acid, and one having two or more carboxyl groups such as itaconic acid and maleic acid can be used. It is. As the sulfonic acid group-containing monomer, styrene sulfonic acid, vinyl sulfonic acid and the like are suitable. As the carboxylic acid ester group-containing monomer, methyl acrylate, butyl acrylate and the like are suitable. As the carbamoyl group-containing monomer, acrylamide or the like is preferable. As the phosphate group-containing monomer, triphenyl phosphate, tricresyl phosphate and the like are suitable. The degree of grafting is preferably from 2 mol% to 20 mol%, more preferably from 3 mol% to 12 mol%, particularly preferably from 5 mol% to 10 mol% of the final weight.
[0020]
  The polymer used in the present invention is preferably porous from the viewpoint of electrolyte retention, and the density is 0.60 to 1.3 g / cm.Three, Preferably 0.70 to 0.80 g / cmThreeIt is good to do. The density of the polymer is 0.60 g / cmThreeIf it is less than the above, there is a concern that it becomes difficult to handle when assembling the battery due to a decrease in mechanical strength, and the density is 1.30 g / cm.ThreeThis is because if it is larger, it is difficult to obtain a sufficient rate characteristic and low temperature characteristic improvement effect.
[0021]
  Production of a polymer film for a solid electrolyte made of a polymer of such a material comprises a step of coating a polymer-containing liquid on the above-mentioned substrate, solidifying it by heating and cooling, and then peeling it from the substrate. Hereinafter, each step will be described.
[0022]
  The solvent for preparing the polymer-containing liquid is not particularly limited as long as it dissolves and disperses the polymer, and may be a single substance or a mixture of two or more substances. For example, octanol, 1-pentanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-1-butanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol Etc.) and a non-foaming solvent (for example, tetrahydrofuran (THF), dimethylacetamide, dimethylformamide, etc.) are preferably combined. This is because the above-mentioned pores are formed in the polymer that solidifies upon evaporation of the solvent. Among these combinations, a mixture of dimethylacetamide and octanol is preferably used.
[0023]
  The polymer-containing liquid used in the present invention is obtained by dissolving or dispersing a polymer raw material in the above-described solvent. What is necessary is just to adjust the density | concentration of the polymer in a containing liquid so that it may become a viscosity suitable for the construction method to apply. The dissolution in preparing the polymer-containing liquid can take any method such as stirring. When mixing, bubbles are mixed, or dissolution and dispersion are insufficient and the concentration of the polymer raw material is non-uniform, which causes variation in the thickness of the polymer film for solid electrolyte. It is desirable to leave it for about an hour.
[0024]
  In the present invention, this polymer-containing liquid is applied onto the above-described base material having a small linear expansion coefficient. The coating method is not particularly limited, but for example, direct coating using a device such as a blade knife type coating machine, indirect coating using a device such as a reverse roll, etc., the thickness accuracy at the time of coating is high. It is preferable at a high point. As for the thickness of the coating, it is desirable that the thickness of the polymer film for solid electrolyte after drying is 1 μm to 50 μm, more preferably 10 μm to 30 μm.
[0025]
  After coating the polymer-containing liquid on the substrate, the polymer-containing liquid is dried by heating in a batch-type or continuous hot-air oven. The temperature and heating time at this time may be determined so that the polymer has a desired density according to the solvent. As an example of drying conditions, a polymer-containing liquid consisting of 85 parts by weight of dimethylacetamide, 15 parts by weight of octanol, and 15 parts by weight of polyvinylidene fluoride is passed through a drying furnace at 70 to 100 ° C. and a furnace length of 10 m at 0.1 m / mim. However, the present invention is not limited to this condition.
[0026]
  As described above, there is a concern about the thermal expansion of the substrate coated with the polymer-containing liquid during the heating for drying. However, since the manufacturing method according to the present invention uses a base material made of a material having a low coefficient of linear expansion, the thermal expansion of the base material becomes extremely small. For this reason, the stress with respect to a polymer also becomes very small, and generation | occurrence | production of the distortion and wrinkles of a solid electrolyte film can be prevented.
[0027]
  After evaporation of the solvent, the solution is cooled to near room temperature by cooling or the like, and then the solidified polymer film for solid electrolyte is peeled off from the substrate. The peeling method is arbitrary as long as it does not cause scratches or tears on the polymer film for solid electrolyte. Examples of the peeling method include mechanical peeling with a hoisting machine and immersion in a liquid for peeling, but the invention is not limited to these. Moreover, although the polymer film for solid electrolytes is cut into a predetermined size and used, the polymer film for solid electrolytes may be cut after peeling or may be cut together with the substrate before peeling.
[0028]
  Next, the impregnation of the solid electrolyte polymer film into the electrolyte solution will be described in the order of the electrolyte constituting the electrolyte solution, the solvent, and the solid electrolyte polymer film impregnation method.
[0029]
  Any electrolyte known in the art can be used as the electrolyte. When the battery is a lithium ion secondary battery, LiClOFour, LiBFFour, LiPF6, LiAsF6LiAlClFour, Li (CFThreeSO2)2One or more selected from N and the like are preferably used. As the solvent, the solvent dissolves the electrolyte and penetrates into the polymer film for the solid electrolyte, and includes ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl sulfoxide, sulfolane, and γ-butyrolactone. 1,2-dimethoxyethane, N, N-dimethylformamide, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran, diethyl ether and the like, and one or a mixture of two or more of these is used. The electrolyte concentration in the electrolyte solution is preferably 0.1 mol / l to 2 mol / l, more preferably 0.5 mol / l to 1.5 mol / l. If the electrolyte concentration is less than 0.1 mol / l, the battery capacity cannot be sufficiently obtained due to the decrease in ionic conductivity, and the high rate characteristics are remarkably deteriorated. On the other hand, when the concentration exceeds 2 mol / l, there is a problem in that the viscosity is remarkably increased and the high rate characteristics and the low temperature characteristics are deteriorated.
[0030]
  In addition, when using a mixed solvent for a compatible solvent, in particular, at least one selected from diethyl carbonate (DEC) and ethyl methyl carbonate (EMC) is included, and ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and A mixture containing dimethyl carbonate (DMC) is preferred. The mixing ratio of each component constituting the mixture is preferably 25% by volume to 50% by volume and at least 30% by volume to 35% by volume in at least one selected from diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate. More preferred. In ethylene carbonate, the mixing ratio is preferably 4% by volume to 20% by volume, and more preferably 6% by volume to 18% by volume. In propylene carbonate, the mixing ratio is preferably 3% by volume to 17% by volume, and more preferably 5% by volume to 15% by volume. Moreover, in dimethyl carbonate, it is preferable that a mixing ratio exceeds 40 volume% and is 60 volume% or less, and it is more preferable that it is 45 volume%-55 volume%.
[0031]
  In at least one selected from diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, if the mixing ratio is less than 25% by volume, the freezing point of the solution in which the salt (electrolyte) is dissolved increases, and particularly at a low temperature of −20 ° C. or lower. In addition, the internal resistance of the battery increases, and the charge / discharge cycle characteristics and the low temperature characteristics tend to decrease. On the other hand, when the mixing ratio exceeds 50% by volume, the viscosity of the solution in which the salt (electrolyte) is dissolved increases, the internal resistance of the battery increases, and the charge / discharge cycle characteristics tend to decrease.
[0032]
  In ethylene carbonate, when the mixing ratio is less than 4% by volume, a stable film is hardly formed on the surface of the negative electrode plate, and the cycle characteristics tend to deteriorate. When the mixing ratio exceeds 20% by volume, salt (electrolyte) ) Is increased, the internal resistance of the battery increases, and the charge / discharge cycle characteristics tend to decrease.
[0033]
  In propylene carbonate, if the mixing ratio is less than 3% by volume, the effect of suppressing an increase in impedance associated with the charge / discharge cycle is reduced, and the cycle characteristics tend to be reduced. If the mixing ratio exceeds 17% by volume, The viscosity of the solution in which the salt (electrolyte) is dissolved increases, the internal resistance of the battery increases, and the charge / discharge cycle characteristics tend to decrease.
[0034]
  In dimethyl carbonate, if the mixing ratio is 40% by volume or less, the viscosity of the solution in which the salt (electrolyte) is dissolved increases, the internal resistance of the battery increases, and the charge / discharge cycle characteristics tend to decrease, When the mixing ratio exceeds 60% by volume, the freezing point of the solution in which the salt (electrolyte) is dissolved rises, and the internal resistance of the battery increases especially at a low temperature of −20 ° C. or lower, and the cycle characteristics and low temperature characteristics are improved. It tends to decrease.
[0035]
  In addition to the above solvents, tetraethylene glycol dimethyl ether, N-methyl-pyrrolidone (1-methyl-2-pyrrolidone), ethylene glycol for the purpose of preventing crystallization of the solution at the battery operating temperature (especially when used at low temperatures). It is preferable to use a plasticizer such as dimethyl ether or diethylene glycol dimethyl ether. By adding the plasticizer, crystallization of the electrolyte from the electrolyte solution infiltrated into the polymer is further prevented, and the present invention can be more effectively realized.
[0036]
  The method for impregnating the electrolyte solution with the polymer film for solid electrolyte is not particularly limited. The battery described later may be assembled after impregnating the polymer film for solid electrolyte in the electrolyte solution. However, from the viewpoint of ease of processing, considering that the polymer film gels after impregnation, It is preferable to assemble the battery using the polymer film for solid electrolyte and then impregnate the electrolyte solution.
[0037]
  The solid electrolyte film of the present invention can be applied to various conventionally known lithium ion secondary batteries. For example, between the positive electrode (sheet) and the negative electrode (sheet) formed into a belt-like body, a solid electrolyte film having a belt state of approximately the same size as these is interposed, and these three members are wound in a spiral shape along the length direction. A wound body is formed by turning, and the wound body is accommodated in an exterior material (a so-called wound type), or between a rectangular positive electrode (sheet) and a negative electrode (sheet). Examples include a form (so-called laminated type) in which a laminated structure is formed by repeating one or more units (cells) sandwiched between rectangular solid electrolyte films, and the laminated structure is accommodated in an exterior material. It is done. Moreover, as one variation of the laminated type, a laminated structure formed by laminating a positive electrode bagging body in which a rectangular positive electrode (sheet) is surrounded by a bag-shaped solid electrolyte film and a rectangular negative electrode (sheet) is laminated. The form (what is called a bagging type) accommodated in the exterior material can be mentioned. In such a packaged type, since the positive electrode sheet is completely surrounded by the bag-shaped solid electrolyte film, there is no physical contact between the positive electrode (sheet) and the negative electrode (sheet), and the positive electrode sheet and the negative electrode sheet are completely insulated. There is an advantage that you can. In addition, as a method of forming the solid electrolyte film into a bag shape, various methods that have been widely performed in the art can be given. For example, a method of heating the outer peripheral portion of a solid electrolyte film bent at an appropriate size using an apparatus such as a heat press, a heat sealer, or a vacuum hot press to fix the outer peripheral portion, and the outer peripheral portion using an apparatus such as a press roll. And a method of pressurizing the outer peripheral portion while heating using a hot press, a hot roll press, a vacuum press, or the like.
[0038]
  In the lithium ion secondary battery using the solid electrolyte film of the present invention, a known positive electrode (sheet) and negative electrode (sheet) for a lithium ion secondary battery are used as the positive electrode (sheet) and the negative electrode (sheet), respectively. can do. As a preferable example, for example, a positive electrode active material composition or a negative electrode active material composition obtained by mixing a positive electrode active material or a negative electrode active material with a conductive material or a binder is applied onto a current collector, and then dried and rolled. Thus, a positive electrode active material layer or a negative electrode active material layer is formed.
[0039]
  As the positive electrode active material, Li-Co-based composite oxide, Li-Mn-based composite oxide, Li-Ni-based composite oxide, etc. can be used. Among them, it is chemically stable, easy to handle, and high Lithium cobalt oxide (LiCoO2) Is preferably used. The conductive material may be artificial or natural graphite, or a granular carbon material such as carbon black such as ketjen black, acetylene black, oil furnace black, or extrudable furnace black (granular means scaly, spherical, pseudo A spherical shape, a lump shape, a whisker shape, and the like are included and are not particularly limited). Moreover, as a binder in a positive electrode (sheet), polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyethylene, an ethylene-propylene-diene polymer, or the like can be used. In the positive electrode active material composition, 3 to 15 parts by weight of the conductive material and 1 to 10 parts by weight of the binder are blended with respect to 100 parts by weight of the total amount of the positive electrode active material, the conductive material and the binder. It is preferable.
[0040]
  As the current collector, a foil or a perforated foil formed of a conductive metal can be used, and the thickness may be about 5 to 100 μm. As the material of the positive electrode current collector, copper, nickel, silver, stainless steel, or the like is used.
[0041]
  The positive electrode (sheet) and the negative electrode (sheet) can be produced according to a known method. For example, the positive electrode (sheet) is obtained by mixing and processing a positive electrode active material, a conductive material and a binder, dispersing in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone, and applying and drying on a positive electrode current collector. It can be obtained by pressurizing and cutting into an appropriate shape.
[0042]
  In the present invention, as a battery exterior material, a metal can such as a cylindrical can, a rectangular tube can, a button can, or a sheet-shaped exterior material such as a laminate film is used. The laminate film is preferably one in which a thermoplastic resin laminate layer such as polyester or polypropylene is formed on at least one surface of a metal foil such as copper or aluminum. Examples of the metal foil include aluminum, copper, and iron. Examples of the resin include thermoplastic resins such as polyester and polypropylene. If it has such a thermoplastic resin layer, it can be sealed simply by sheathing it on the wound body or laminated structure and thermally welding the periphery thereof, and the battery can be manufactured easily. The thickness of the metal foil is preferably 10 to 100 μm, more preferably 20 to 70 μm, the thickness of the resin layer is preferably 5 to 100 μm, more preferably 10 to 50 μm, and the total thickness is preferably It is 20-200 micrometers, More preferably, it is 40-150 micrometers.
[0043]
  In the battery according to the present invention, as various constituent members not described above such as a battery can lid, a safety structure, and an electrode terminal (lead terminal in a sheet battery), existing ones and those developed in the future are used. be able to.
[0044]
【Example】
  [Example 1]
  30 g of polyvinylidene fluoride was dissolved in 170 g of dimethylacetamide as a raw material for the polymer film for solid electrolyte. To this solution, 30 g of octanol was gradually mixed over 1 hour and allowed to stand for 12 hours or more. An aluminum foil (rolled aluminum foil, thickness 20 μm) was prepared as a base material for coating. The solution was applied to the substrate by direct coating using a doctor blade, and the solvent was volatilized by passing through a drying oven (120 ° C., oven length 10 m) at 0.1 m / mim. By this operation, the density is 0.8 g / cm.ThreeThe following polymer film for solid electrolyte was obtained. By adjusting the distance between the blades according to the viscosity of the solution, a polymer film for solid electrolyte of 20 μm and a polymer film for solid electrolyte of 30 μm were obtained.
[0045]
  The polymer film for solid electrolyte was cut into 10 cm × 10 cm together with the substrate, and after cutting, the substrate was impregnated with dimethoxyethane and peeled off. Prepare a tray (15 cmW x 15 cmD x 5 cmH) containing 100 cc of an electrolytic solution (solution of LiPF6 dissolved in a 1: 1 (volume ratio) mixed solvent of ethylene carbonate and ethylmethyl carbonate at a concentration of 1.0 mol / l). The polymer film for solid electrolyte peeled from the substrate was immersed. At this time, it was investigated whether or not wrinkles occurred. In the investigation, the presence or absence of shrinkage of the polymer film for solid electrolyte due to the occurrence of wrinkles was visually determined.
[0046]
  [Example 2]
  A polymer for solid electrolyte derived from generation of wrinkles in the same manner as in Example 1 except that an aluminum foil having a thickness of 14 μm was used as a base material for coating a polymer-containing liquid as a raw material for the polymer film for solid electrolyte The film was examined for shrinkage.
[0047]
  [Comparative Example 1]
  For solid electrolyte derived from generation of wrinkles by the same operation as in Example 1 except that a polyethylene terephthalate film having a thickness of 50 μm was used as a base material for coating a polymer-containing liquid as a raw material for the polymer film for solid electrolyte The presence or absence of shrinkage of the polymer film was investigated. The results of Example 1, Example 2, and Comparative Example are summarized in Table 1.
[0048]
[Table 1]
Figure 0004990447
[0049]
  According to Table 1, by changing the base material from PET having a high coefficient of linear expansion to a metal (aluminum) having a low coefficient of linear expansion, wrinkles are generated in the polymer film for the solid electrolyte when immersed in the electrolyte during the production of the solid electrolyte film It has become clear that this can be prevented. Furthermore, it was confirmed that this effect was maintained even when the polymer film for solid electrolyte was thinned.
[0050]
  Next, the characteristics of the battery using the polymer film for solid electrolyte according to the present invention were evaluated.
[0051]
  (Preparation of polymer film for solid electrolyte)
[Examples 3 and 4, Comparative Example 2]
  In Example 3, Example 4, and Comparative Example 2, the polymer films for solid electrolyte obtained in Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 were prepared, and the following lithium ion secondary batteries were assembled. The test was conducted.
[0052]
  (Preparation of positive electrode sheet)
  A slurry obtained by mixing 90 parts by weight of lithium cobaltate particulates as a positive electrode active material, 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, 5 parts by weight of artificial graphite as a conductive agent, and 70 parts by weight of N-methylpyrrolidone It was. The slurry is applied on both sides of a strip-shaped aluminum foil (thickness 20 μm) as a positive electrode current collector, dried, and then rolled (rolling temperature 25 ° C., rolling rate 30%) to obtain an active material per one side of the aluminum foil. Of 20mg / cm2A positive electrode sheet (width 30 mm, length 50 mm) having a positive electrode active material composition layer (thickness 70 μm) was prepared.
[0053]
  (Preparation of negative electrode sheet)
  A slurry was prepared by mixing 95 parts by weight of graphitized carbon fiber, 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride, and 60 parts by weight of N-methylpyrrolidone. This slurry was applied to both sides of a strip-like copper foil (thickness 14 μm) as a negative electrode current collector, dried, and then subjected to a rolling treatment (rolling temperature 100 ° C., rolling rate 20%) to obtain an active material per one side of the copper foil. Adhering amount is 10mg / cm2A negative electrode active material composition layer (thickness 75 μm) having a strip-like negative electrode (width 32 mm, length 52 mm) was prepared.
[0054]
  (Battery assembly)
  A polyvinylidene fluoride porous film is interposed between the positive electrode and the negative electrode, laminated so that the negative electrode comes to the outermost layer, this is sealed together with the electrolyte in the aluminum laminate film, the tab is taken out, and the cell It was. In addition, the polyvinylidene fluoride porous film here is the polyvinylidene fluoride porous film produced in Examples 3 and 4 and Comparative Example 2. The electrolytic solutions are Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. It is the electrolyte solution used in 1.
[0055]
  (Low temperature characteristic test)
  The prepared lithium ion secondary battery is charged at room temperature, and then left in an atmosphere of −20 ° C. for 6 hours. Charging is performed by flowing current at a constant current of 1 C (600 mA) until the voltage reaches 4.2 V, and then flowing current at a constant voltage of 4.2 V until the total charging time reaches 2.5 hours. It was. Next, discharging is performed at 1C (600 mAh) /2.5 V cut-off voltage in the air atmosphere at −20 ° C., and the discharge capacity (mAh) at that time is obtained. Further, charging and discharging are performed under the same conditions at room temperature (20 ° C.), and the discharge capacity (mAh) is obtained. Furthermore, the discharge capacity change rate was calculated by dividing the discharge capacity at −20 ° C. by the discharge capacity at room temperature.
[0056]
  (Cycle characteristic test)
  1C (ie, a constant current of 600 mAh) charge / discharge was repeated, and the number of cycles at which the discharge capacity retention rate (%) with respect to the discharge capacity was 80% or less was measured.
[0057]
  (Rate characteristics test)
  About the produced lithium ion secondary battery, 2C charging / discharging was performed at room temperature (20 degreeC), and the ratio with respect to the total capacity | capacitance of discharge capacity was computed. 2C means a constant current of 1200 mA with respect to the discharge capacity (600 mAh) of the lithium ion secondary battery.
[0058]
  The results of the above tests are summarized in Table 2.
[0059]
[Table 2]
Figure 0004990447
[0060]
【The invention's effect】
  The method according to the present invention can provide a solid electrolyte film free from wrinkles and distortion (or very little). Thereby, precipitation of the electrolyte on the electrode surface resulting from contact nonuniformity of a negative electrode and a solid electrolyte film can be prevented, and a battery with a long cycle life can be produced. In addition, the battery obtained using the solid electrolyte film according to the present invention exhibits excellent effects in rate characteristics and low temperature characteristics. Since this effect is maintained even if the solid electrolyte film is thin, it is possible to reduce the thickness of the solid electrolyte film and hence the size of the battery.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view of a substrate coated with a solid electrolytic polymer film.
[Explanation of symbols]
  1 Base material
  2 Polymer

Claims (8)

線膨張率が5×10−5−1以下の材質からなる基材上にポリマー含有液を塗工する工程と、
加熱により前記ポリマー含有液の溶剤を蒸発させた後、冷却することによりポリマーを固化させる工程と、
前記ポリマーの固化後に前記基材から該ポリマーを剥離する工程
を含む、固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。
A step of applying a polymer-containing liquid on a base material made of a material having a linear expansion coefficient of 5 × 10 −5 K −1 or less ;
A step of evaporating the solvent of the polymer-containing liquid by heating and then solidifying the polymer by cooling;
And a step of peeling the polymer from the substrate after solidification of the polymer, method for producing a polymer film for solid electrolyte.
前記線膨張率が5×10−5−1以下の材質が金属である請求項1記載の固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。 The method for producing a polymer film for a solid electrolyte according to claim 1 , wherein the material having a linear expansion coefficient of 5 × 10 −5 K −1 or less is a metal. 前記金属がAl、Ni、Fe、またはこれら金属の少なくとも一種を含む合金である請求項2記載の固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。 The method for producing a polymer film for a solid electrolyte according to claim 2 , wherein the metal is Al, Ni, Fe, or an alloy containing at least one of these metals. 前記ポリマーが、ビニリデンフルオライドを主単位とするフッ素ポリマーであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。The method for producing a polymer film for a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer is a fluoropolymer having vinylidene fluoride as a main unit. 前記ポリマーの密度が0.6〜1.3g/cmThe density of the polymer is 0.6 to 1.3 g / cm 3 であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の固体電解質用ポリマーフィルムの製造方法。The method for producing a polymer film for a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 4, wherein the polymer film is for a solid electrolyte. 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の製造方法により製造された固体電解質用ポリマーフィルム。Polymer films for solid electrolytes produced by the production method according to any one of claims 1 to 5. 請求項6に記載の前記固体電解質用ポリマーフィルムに、リチウム塩が溶解した電解液を含浸してなる固体電解質フィルム。 Wherein the polymer film for solid electrolyte, the solid electrolyte film obtained by impregnating an electrolyte lithium salt is dissolved according to claim 6. 請求項7に記載の前記固体電解質フィルムを含有するリチウムイオン二次電池。Lithium ion secondary batteries containing the solid electrolyte film according to claim 7.
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