JP5299242B2 - リチウムポリマー二次電池 - Google Patents
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Description
また、近年、低温でのイオン伝導度を改善するために種々の低粘度溶媒とECとを混合した有機電解液に関しての報告がなされてきている。しかしながら、その揮発性の問題、漏液性の問題などを残している。
前記電解質層が、前記負極と前記正極の内部にイオン伝導性化合物の前駆体を予め構成させたもののいずれか一方と、繊維状の有機化合物内部にイオン伝導性化合物の前駆体を予め構成させたものとを一緒に架橋させて構成されており、
前記繊維状の有機化合物の面積が、前記負極及び正極の面積より大きく、
前記繊維状の有機化合物が、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維及びポリエステル繊維から選択されるポリマー繊維であり、
前記イオン伝導性化合物と前記ポリマー繊維が、91:9〜85:15の範囲の重量比率で含まれる
ことを特徴とするリチウムポリマー二次電池を提供する。
また、繊維状の有機化合物が、1〜500sec/cm3の透気度を有する不織布である場合、本発明によるリチウムポリマー二次電池は、更に優れたサイクル特性、高電流放電特性、急速充電特性等を実現できる。
1)負極活物質が表面に非晶質炭素を付着した黒鉛粒子であるため、イオン伝導性化合物の分解を防ぐことができる。すなわち、エチレンガス、炭酸ガスなどの分解生成ガス発生に伴う電池の内圧上昇による、電池の破裂および外部への液漏れを防止でき、長期信頼性および安全性が高いこと。
2)高性能、高エネルギー密度を有すること。特に本発明では、イオン伝導性化合物のイオン伝導性、機械的特性の向上を図ることにより、イオン伝導性化合物の膜厚を薄くでき、それによって電池内部抵抗の低減および電極活物質の充填率の向上が可能となり上記目的を達成することができる。
3)非常に高い作業性を有すること。特に本発明では、予めイオン伝導性化合物の前駆体を前記負極と正極の中に含ませた後、紫外線照射あるいは熱によって電解質層のイオン伝導性化合物の前駆体と共に架橋する方法を活用することにより上記目的を達成するものとする。
表面に非晶質炭素が付着した黒鉛粒子は、芯材となる粒子状炭素材料(以下「芯材炭素材料」乃至「芯材となる炭素材料」あるいは単に「芯材」ということもある)を被覆形成用炭素材料用原料(例えば、タール、ピッチなどの石炭系重質油あるいは石油系重質油;以下単に「重質油など」ともいう)に浸漬させた後、これを重質油などから分離するに際し、特定の手段を採用する場合には、芯材表面がピッチで均一に覆われている炭素材料を製造し得ることができ、これを焼成することで得ることができる。そして、この様にして得られた二層構造の炭素材料粒子は、球状乃至楕円体状あるいはそれに近似する形状をしており、炭素結晶のエッジ部分が丸くなった様な形状をしていることが判明した。さらに、BET法による測定の結果、処理前の芯材炭素材料に比べて、粒子の比表面積の値が小さくなっており、BET法による比表面積に関与する細孔が、何らかの様式で塞がれていることも明らかとなった。
また、本発明による炭素材料の真比重の値は、1.50〜2.26g/cm3の範囲である。真比重が1.50g/cm3より低いと電池内の負極活物質充填率が低く、電池のエネルギー密度が低いので好ましくない。また真比重が2.26g/cm3より高いと黒鉛単結晶となり、電池材料としての成形性に乏しい。
またイオン伝導性化合物に、有機溶媒とLi塩を含有させてゲルとして用いることができる。上記有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどの環状炭酸エステル;γ−ブチロラクトンなどの環状エステル;プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの鎖状エステル;ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状炭酸エステル;テトラヒドロフランまたはその誘導体、1,3−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、メチルジグライムなどのエーテル類;アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類;ジオキソランまたはその誘導体;スルホランまたはその誘導体などの単独またはそれら2種以上の混合物などが挙げられる。しかしこれらに限定されるものではない。また、その配合割合および配合方法は限定されるものではない。
また、その有機電解液中のEC成分が2〜55重量%であり、かつLi塩が3〜35重量%であることが、イオン伝導度が十分満足いくものとなるので好ましい。さらには、EC成分が2〜35重量%であることが低温におけるイオン伝導度の低下を少なくする。
さらに、電解質層を構成するイオン伝導性化合物とポリマー繊維の重量比率が91:9〜50:50の範囲が適当である。イオン伝導性化合物の重量比率が91よりも高いと機械的強度が十分に得られず、50よりも低いとイオン伝導度が十分に得られないので好ましくない。
また、上記正極層、負極層を作製する時、均一な混合分散系塗布液(ペースト)を得る目的や、正極合材、負極合材の各種特性(放電特性ならびに充放電サイクル特性など)を向上させる目的のために、適宜結着材や導電材を加えることができる。
結着材の添加量については特に限定されないが、電極中の結着材の量が1〜25重量%の範囲が好ましい。導電材の添加量については、これも特に限定はされないが、電極中の導電材の量が2〜15重量%の範囲が好ましい。
上記電池の形状は、円筒型、コイン型、フィルム型、カード型などがあるがこれらに限定されるものではない。また、外装材としては金属、樹脂などが挙げられる。
以下のすべての実施例および比較例で使用するイオン伝導性化合物の前駆体を紫外線により架橋する際、前駆体の0.1重量%の開始剤DMPAを使用した。
また、本発明で作製した電池の概略構成説明図を図1および図2にそれぞれ示す。
まず、図1および2において、リチウムポリマー二次電池8は、正極5と、電解質層6と、負極7と、これらの外装材4とから主としてなる。なお、1は負極7の端子、2は正極5の端子、3は外装材4のシール部である。
X線広角回折法による(d002)=0.336nm、(Lc)=100nm、(La)=97nmでBET法による比表面積が2m2/gである表面非晶質炭素材料の粉末に、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を9重量%混合し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて混合溶解して得たペーストを厚さ20μmの圧延銅箔にコーティングし、乾燥およびプレス後、負極を得た。この電極面積は9cm2、厚さ85μmであった。
電解質層中に構成させるポリマー繊維は、ポリエステル製の不織布で、透気度380sec/cm3、面積10cm2、厚さ20μmであった。
と、平均分子量3500〜4500の次の化合物K2:
と、平均分子量400〜550の次の化合物K3:
との等重量比混合物溶液に、LiBF4を4.5重量%になるように溶解したものに浸漬し、前駆体を細孔内部まで浸透させるため減圧下で15分間置いた。
イオン伝導性化合物の前駆体と複合化した正極は、そのままその上から30mW/cm2の強度で波長350nmの紫外線を3分間照射した。
X線広角回折法による(d002)=0.337nm、(Lc)=100nm、(La)=100nmでBET法による比表面積が10m2/gである人造黒鉛粉末に、結着材のPVDFを9重量%混合し、NMPを加えて混合溶解して得たペーストを厚さ20μmの圧延銅箔にコーティングし、乾燥およびプレス後、負極を得た。電極面積は9cm2、厚さ83μmであった。
正極は実施例1で用いたものと同じものを使用した。
実施例1および比較例1の電池を定電流2.3mAで電池電圧4.1Vになるまで充電し、4.1Vに到達後、定電圧で前充電時間12時間充電した。放電は定電流2.3mAで電池電圧2.75Vになるまで放電した。この充放電条件でサイクル特性を評価した。その結果を図3に示す。
X線広角回折法による(d002)=0.337nm、(Lc)=100nm、(La)=95nmでBET法による比表面積が5m2/gである表面非晶質炭素材料の粉末に、結着材としてPVDFを7重量%混合し、NMPを加えて混合溶解して得たペーストを厚さ18μmの電解銅箔にコーティングし、乾燥およびプレス後、負極を得た。電極面積は9cm2、厚さ80μmであった。
電解質層中に構成させるポリマー繊維は、ポリプロピレン(PP)製の不織布で、透気度250sec/cm3、面積10cm2、厚さ20μmであった。
を重量比で90:10になるように調製した。その後、減圧下で5分間上記負極、正極およびポリマー繊維を置き、電解液と前駆体の前記化合物K4との混合溶液を注液し、さらに15分間置いた。
イオン伝導性化合物の前駆体と上記電解液とを複合化した正極は、そのままその上から40mW/cm2の強度で波長350nmの紫外線を3分間照射した。
負極、電解質層中に構成させるポリマー繊維および正極は、実施例2で用いたものと同じものを使用した。
ただし、各々負極、電解質層、正極を個別に実施例2の化合物K4の前駆体と同様のものを前駆体とするイオン伝導性ゲルと複合化させ、その複合体を各々はり合わせ、イオン伝導性化合物を用いた電池を作製した。これら正極層/電解質層/負極層の総厚は195μmであった。
負極および正極は、実施例2で用いたものと同じものを使用した。
ただし、電解質層中に構成させるポリマー繊維は用いず、負極および正極を個別に実施例2の化合物K4の前駆体と同様のものを前駆体とするイオン伝導性ゲルと複合化させ、そのイオン伝導性ゲルと複合化した負極と正極をはり合わせ、イオン伝導性化合物を用いた電池を作製した。これら正極層/電解質層/負極層の総厚は170μmであった。
X線広角回折法による(d002)=0.339nm、(Lc)=60nm、(La)=40nmでBET法による比表面積が5m2/gである表面非晶質炭素材料の粉末に、結着材としてPVDFを7重量%混合し、NMPを加えて混合溶解して得たペーストを厚さ18μmの電解銅箔にコーティングし、乾燥およびプレス後、負極を得た。この電極面積は9cm2、厚さ85μmであった。
電解質層中に構成させるポリマー繊維は、ポリエステル製の不織布で、透気度490sec/cm3、面積10cm2、厚さ25μmのものを用いた。
イオン伝導性化合物の前駆体と上記電解液とを複合化した正極は、そのままその上から40mW/cm2の強度で波長350nmの紫外線を2分間照射した。
電解質層中のポリエステル製不織布の透気度が510sec/cm3であり、イオン伝導性化合物とポリマー繊維との重量比が97:3であること以外は、実施例3と同様にして電池を作製した。
電解質層中のポリマー繊維がPP製の不織布で、透気度0.5sec/cm3、面積10cm2、厚さ20μmであり、イオン伝導性化合物とポリマー繊維との重量比が40:60であること以外は、実施例3と同様にして電池を作製した。
X線広角回折法による(d002)=0.338nm、(Lc)=100nm、(La)=100nmでBET法による比表面積が3m2/gである表面非晶質炭素材料の粉末に、結着材としてPVDFを7重量%混合し、NMPを加えて混合溶解して得たペーストを厚さ18μmの電解銅箔にコーティングし、乾燥およびプレス後、負極を得た。この電極面積は9cm2、厚さ83μmであった。
電解質層中に構成させるポリマー繊維は、PP製の不織布で、透気度350sec/cm3、面積10cm2、厚さ20μmのものを用いた。
イオン伝導性化合物の前駆体と上記電解液とを複合化した正極は、そのままその上から40mW/cm2の強度で波長355nmの紫外線を2分間照射した。
電解液を、LiBF4をECとGBLの混合溶媒(EC含有率35重量%)に14重量%になるように溶解したものであること以外は、実施例4と同様のセルを作製した。
電解液を、LiBF4をECとDECの混合溶媒(EC含有率30重量%)に13重量%になるように溶解したものであること以外は、実施例4と同様のセルを作製した。
電解液を、LiPF6をECとPCとEMCの混合溶媒(重量比EC:PC:DEC=3:30:67)に12重量%になるように溶解したものであること以外は、実施例4と同様のセルを作製した。
電解液を、LiPF6をECとDMCの混合溶媒(EC含有率60重量%)に12重量%になるように溶解したものであること以外は、実施例4と同様のセルを作製した。
これら実施例4〜7と比較例6の電池を定電流2.0mAで電池電圧4.1Vになるまで充電し、4.1Vに到達後、定電圧で前充電時間12時間充電した。放電は定電流2.0mAで電池電圧2.75Vになるまで放電した。ただし初回の放電は25℃の温度下で行ない、2回目の放電は−20℃の温度下で行なった。初回の放電容量に対する2回目の放電容量の比を各々次のごとく表にまとめた。
a)X線広角回折法による(d002)=0.336nm、(Lc)=100nm、(La)=97nmでBET法による比表面積が2m2/gである黒鉛粒子の表面に非晶質炭素を付着させた炭素材料の粉末100重量部に、結着材のPVDFを9重量部混合し、NMPを加えて混合溶解して得たペーストを厚さ20μmの圧延銅箔にコーティングし、乾燥およびプレス後、負極を得た。電極面積は9cm2、厚さ85μmであった。
EC、PC、GBL、EMCの混合溶媒(EC:PC:GBL:EMC=30:20:20:30(体積%))にLiBF4を1.0mol/lになるように溶解した電解液を準備し、その電解液と、イオン伝導性高分子の前駆体である以下の化合物K5と、K6とが重量比で90:5:5になるように混合し、DMPA1000ppmを添加して重合液を調整した。
K5は、平均分子量7500〜9000で、下記化学式
K6は、平均分子量2500〜3500で、下記化合物式
次に上記負極を減圧下で5分間静置し、上記混合溶液を負極上より注液、キャストした後、さらに15分間静置した。
b)電解質層を構成する繊維状有機化合物として、通気度380sec/cm3、面積10cm2、厚さ20μmのポリエステル製の不織布を用いた。
その後、負極上に、イオン伝導性高分子の前駆体と複合化した繊維状有機化合物を載せ、その上から30mW/cm2の強度で波長365nmの紫外線を3分間照射した。このときのイオン伝導性高分子と繊維状有機化合物との重量比は90:10であった。
c)平均粒径7μmのLiCoO2粉末100重量部に、結着剤のPVDFを7重量部と、導電材としてアセチレンブラック5重量部とを混合し、NMPを加えて混合溶解して得たペーストを厚さ20μmの圧延アルミ箔にコーティングし、乾燥およびプレス後、正極を得た。電極面積は9cm2、厚さは80μmであった。
その後、正極は、なにも載せないでその上から30mW/cm2の強度で波長365nmの紫外線を3分間照射することにより、正極と一体化したゲル状のイオン伝導性高分子を形成した。これによって得られたイオン電導性高分子層の厚みは、10μmであった。
実施例8中の化合物K6を以下の化合物K7に替えること以外は、実施例8と同様の方法にて、実施例9の電池を作製した。これら正極層/電解質層/負極層の総厚は190μmであった。
K7は、平均分子量200〜300で、下記化合物式
実施例8中の化合物K6を以下の化合物K8に替えること以外は、実施例8と同様の方法にて、実施例10の電池を作製した。これら正極層/電解質層/負極層の総厚は190μmであった。
K8は、平均分子量3500〜4500で、下記化合物式
実施例8中のEC、PC、GBL、EMCの混合溶媒(EC:PC:GBL:EMC=30:20:20:30(体積%))を、EC、PC、EMCの混合溶媒(EC:PC:EMC=35:35:30(体積%))に替えること以外は、実施例8と同様の方法にて、実施例11の電池を作製した。これら正極層/電解質層/負極層の総厚は190μmであった。
実施例8中の負極活物質を、X線広角回折法による(d002)=0.337nm、(Lc)=100nm、(La)=100nmで、BET法による比表面積が10m2/gの物性をもつ人造黒鉛を用いること以外は、実施例8と同様の方法にて、比較例7の電池を作製した。これら正極層/電解質層/負極層の総厚は190μmであった。
以下の表4に実施例2、8〜11と比較例7の電池に関する各構成をまとめた。
すなわち、イオン伝導性高分子の前駆体がメタクリレートからなるものよりもアクリレートから構成されている方が、より好ましいことが判明した。
2 正極端子
3 外装材シール部
4 外装材
5 正極
6 電解質層
7 負極
8 リチウムポリマー二次電池
Claims (2)
- 表面に非晶質炭素を付着させた黒鉛粒子を含む負極と電解質層と正極とを備え、
前記電解質層が、前記負極と前記正極の内部にイオン伝導性化合物の前駆体を予め構成させたもののいずれか一方と、繊維状の有機化合物内部にイオン伝導性化合物の前駆体を予め構成させたものとを一緒に架橋させて構成されており、
前記繊維状の有機化合物の面積が、前記負極及び正極の面積より大きく、
前記繊維状の有機化合物が、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維及びポリエステル繊維から選択されるポリマー繊維であり、
前記イオン伝導性化合物と前記ポリマー繊維が、91:9〜85:15の範囲の重量比率で含まれる
ことを特徴とするリチウムポリマー二次電池。 - 前記繊維状の有機化合物が、1〜500sec/cm3の透気度を有する不織布である請求項1に記載のリチウムポリマー二次電池。
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