JP6562184B2 - 電解質組成物、二次電池、及び電解質シートの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電解質組成物、二次電池、及び電解質シートの製造方法に関する。
近年、携帯型電子機器、電気自動車等の普及により、高性能な二次電池が必要とされている。中でもリチウム二次電池は、高いエネルギ密度を有するため、電気自動車用電池、電力貯蔵用電池等の電源として注目されている。具体的には、電気自動車用電池としてのリチウム二次電池は、エンジンを搭載しないゼロエミッション電気自動車、エンジン及び二次電池の両方を搭載したハイブリッド電気自動車、電力系統から直接充電させるプラグイン・ハイブリッド電気自動車等の電気自動車に採用されている。また、電力貯蔵用電池としてのリチウム二次電池は、電力系統が遮断された非常時に、予め貯蔵しておいた電力を供給する定置式電力貯蔵システム等に用いられている。
このような広範な用途に使用するために、より高いエネルギ密度のリチウム二次電池が求められており、その開発がなされている。特に、電気自動車用のリチウム二次電池には、高い入出力特性及び高いエネルギ密度に加えて、高い安全性が要求されるため、安全性を確保するためのより高度な技術が求められる。
従来、リチウム二次電池の安全性を向上させる方法として、難燃剤の添加により電解液を難燃化する方法、電解液をポリマ電解質又はゲル電解質へ変更する方法等が知られている。特に、ゲル電解質は、従来のリチウム二次電池に使用されている電解液と同等のイオン導電率を有するため、電解液をゲル電解質へ変更する方法により、電池性能を悪化させずに、遊離する電解液量を減少させることで電解液の燃焼を抑制しうる。
特許文献1は、リチウム塩を含有する可塑剤と、可塑剤を分散するマトリクス高分子と、繊維状不溶物とを含有したゲル状電解質層を開示している。ゲル状電解質中に0.1重量%以上50重量%以下含有されている繊維状不溶物は、繊維長と繊維径との比を10以上3000以下、繊維長を10μm以上1cm以下、繊維径を0.05μm以上50μm以下とすることにより、電池のサイクル特性及び高温保存特性を向上させている。
特許文献2は、ゲル電解質及びゲル電解質電池を開示している。ゲル電解質層は、マトリクス高分子を電解液により膨潤させて形成され、低沸点の低粘度溶媒を多く含有する。低沸点の低粘度溶媒を多く含有したゲル電解質を用いることにより、温度特性、電流特性、容量、及び低温での充放電特性に優れたゲル電解質電池が提供される。
特開2000−164254号公報 特開2007−141467号公報
しかしながら、上述したような従来のゲル電解質には、未だ改善の余地がある。例えば特許文献1に記載の発明においては、電解質シートを好適に形成する(特に電解質層を薄層にする)こと及び導電率を高めることが困難である。また、特許文献2に記載の発明においても、電解質の導電率が不十分である。
そこで本発明は、導電率の高い電解質組成物であって、平滑性に優れた電解質シートを得ることが可能な電解質組成物を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様は、1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、溶媒と、を含有する電解質組成物であって、1種又は2種以上のポリマを構成する構造単位の中には、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれ、1種又は2種以上のポリマの含有量は、電解質組成物に含まれるポリマ全量基準で、90質量%を超え、1種又は2種以上のポリマにおいて、第2の構造単位の含有量に対する第1の構造単位の含有量の質量比は、50/50以上である、電解質組成物である。
この電解質組成物は、導電率に優れ、平滑性に優れた電解質シートが得られる。また、この電解質組成物はシート状に形成する際のスラリの調製に好適であり、この電解質組成物をシート状に形成した場合、得られる電解質シートは引張強度に優れる。この電解質組成物によれば、放電レート特性に優れ、また、初期の放電容量(初期容量)が設計容量にできる限り近い、いわゆる初期特性の高いリチウム二次電池を作製することができる。
ポリマは、第1の構造単位と第2の構造単位との両方を含むコポリマであってよい。
ポリマは、第1の構造単位を含む第1のポリマと、第2の構造単位を含む第2のポリマとの少なくとも2種のポリマであってもよい。
ポリマの含有量は、電解質組成物全量を基準として、好ましくは3〜50質量%である。
酸化物粒子は、好ましくは、SiO、Al、AlOOH、MgO、CaO、ZrO、TiO、LiLaZr12、及びBaTiOからなる群より選ばれる少なくとも1種の粒子である。
酸化物粒子の含有量は、電解質組成物全量を基準として、好ましくは5〜40質量%である。
溶媒は、下記式(1)で表されるグライムであってよい。
O−(CHCHO)−R (1)
[式(1)中、R及びRは、それぞれ独立に、炭素数4以下のアルキル基又は炭素数4以下のフルオロアルキル基を表し、kは1〜6の整数を表す。]
溶媒は、イオン液体であってもよい。
イオン液体は、カチオン成分として、鎖状四級オニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、及びイミダゾリウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有し、イオン液体が、アニオン成分として、下記式(2)で表されるアニオン成分の少なくとも1種を含有してよい。
N(SO2m+1)(SO2n+1 (2)
[m及びnは、それぞれ独立に0〜5の整数を表す。]
電解質塩と溶媒の合計の含有量は、好ましくは、電解質組成物全量を基準として、25〜70質量%である。
電解質組成物は、シート状に形成されてもよい。
本発明の第2の態様は、正極と、負極と、正極及び負極の間に設けられた電解質組成物からなる電解質層と、を備える二次電池である。
本発明の第3の態様は、1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種である電解質塩と、溶媒と、分散媒と、を含有するスラリを基材上に配置する工程と、分散媒を揮発させて基材上に電解質層を形成する工程と、を備え、1種又は2種以上のポリマを構成する構造単位の中には、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれ、1種又は2種のポリマの含有量は、スラリの固形分に含まれるポリマ全量基準で、90質量%を超え、1種又は2種のポリマにおいて、第2の構造単位の含有量に対する第1の構造単位の含有量の質量比は、50/50以上である、電解質シートの製造方法である。
本発明によれば、導電率の高い電解質組成物であって、平滑性に優れた電解質シートを得ることが可能な電解質組成物を提供することができる。
第1実施形態に係る二次電池を示す斜視図である。 図1に示した二次電池における電極群の一実施形態を示す分解斜視図である。 図1に示した二次電池における電極群の一実施形態を示す模式断面図である。 (a)は一実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図であり、(b)は他の実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図である。 第2実施形態に係る二次電池における電極群の一実施形態を示す模式断面図である。
以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素(ステップ等も含む)は、特に明示した場合を除き、必須ではない。各図における構成要素の大きさは概念的なものであり、構成要素間の大きさの相対的な関係は各図に示されたものに限定されない。
本明細書における数値及びその範囲は、本発明を制限するものではない。本明細書において、「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書において段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載される数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例中に示されている値に置き換えてもよい。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る二次電池を示す斜視図である。図1に示すように、二次電池1は、正極、負極及び電解質層から構成される電極群2と、電極群2を収容する袋状の電池外装体3とを備えている。正極及び負極には、それぞれ正極集電タブ4及び負極集電タブ5が設けられている。正極集電タブ4及び負極集電タブ5は、それぞれ正極及び負極が二次電池1の外部と電気的に接続可能なように、電池外装体3の内部から外部へ突き出している。
電池外装体3は、例えばラミネートフィルムで形成されていてよい。ラミネートフィルムは、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の樹脂フィルムと、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属箔と、ポリプロピレン等のシーラント層とがこの順で積層された積層フィルムであってよい。
図2は、図1に示した二次電池1における電極群2の一実施形態を示す分解斜視図である。図3は、図1に示した二次電池1における電極群2の一実施形態を示す模式断面図である。図2及び図3に示すように、本実施形態に係る電極群2Aは、正極6と、電解質層7と、負極8とをこの順に備えている。正極6は、正極集電体9と、正極集電体9上に設けられた正極合剤層10とを備えている。正極集電体9には、正極集電タブ4が設けられている。負極8は、負極集電体11と、負極集電体11上に設けられた負極合剤層12とを備えている。負極集電体11には、負極集電タブ5が設けられている。
正極集電体9は、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン等で形成されていてよい。正極集電体9は、具体的には、例えば孔径0.1〜10mmの孔を有するアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等であってよい。正極集電体9は、上記以外にも、電池の使用中に溶解、酸化等の変化を生じないものであれば、任意の材料で形成されていてよく、また、その形状、製造方法等も制限されない。
正極集電体9の厚さは、10〜100μmであってよく、正極全体の体積を小さくする観点から、好ましくは10〜50μmであり、電池を形成する際に小さな曲率で正極を捲回する観点から、より好ましくは10〜20μmである。
正極合剤層10は、一実施形態において、正極活物質と、導電剤と、バインダとを含有する。
正極活物質は、LiCoO、LiNiO、LiMn、LiMnO、LiMn、LiMnO、LiMn12、LiMn2−a (ただし、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn、及びTaからなる群より選ばれる1種であり、a=0.01〜0.2である。)、LiMn(ただし、M=Fe、Co、Ni、Cu、及びZnからなる群より選ばれる1種である。)、Li1−b Mn(ただし、M=Mg、B、Al、Fe、Co、Ni、Cr、Zn、及びCaからなる群より選ばれる1種であり、b=0.01〜0.1である。)、LiFeO、Fe(SO、LiCo1−c (ただし、M=Ni、Fe、及びMnからなる群より選ばれる1種であり、c=0.01〜0.2である。)、LiNi1−d (ただし、M=Mn、Fe、Co、Al、Ga、Ca、及びMgからなる群より選ばれる1種であり、d=0.01〜0.2である。)、Fe(MoO、FeF、LiFePO、LiMnPO等であってよい。
正極活物質は、造粒されていない一次粒子であってもよく、造粒された二次粒子であってもよい。
正極活物質の粒径は、正極合剤層10の厚さ以下になるように調整される。正極活物質中に正極合剤層10の厚さ以上の粒径を有する粗粒子がある場合、ふるい分級、風流分級等により粗粒子を予め除去し、正極合剤層10の厚さ以下の粒径を有する正極活物質を選別する。
正極活物質の平均粒径は、粒径減少に伴う正極活物質の充填性の悪化を抑制しつつ、かつ、電解質塩の保持能力を高める観点から、好ましくは0.1μm以上であり、より好ましくは1μm以上であり、更に好ましくは2μm以上であり、また、好ましくは、30μm以下、25μm以下、20μm以下、10μm以下、又は8μm以下である。正極活物質の平均粒径は、正極活物質全体の体積に対する比率(体積分率)が50%のときの粒径(D50)である。正極活物質の平均粒径(D50)は、レーザー散乱型粒径測定装置(例えば、マイクロトラック)を用いて、レーザー散乱法により水中に正極活物質を懸濁させた懸濁液を測定することで得られる。
正極活物質の含有量は、正極合剤層全量を基準として、70質量%以上、80質量%以上、又は85質量%以上であってよい。正極活物質の含有量は、正極合剤層全量を基準として、99質量%以下、95質量%以下、92質量%以下、又は90質量%以下であってよい。
導電剤は、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の炭素材料であってよい。これらの導電剤は、1種単独で又は2種以上を混合して用いられる。
導電剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、0.1質量%以上、1質量%以上、又は3質量%以上であってよい。導電剤の含有量は、正極6の体積の増加及びそれに伴う二次電池1のエネルギ密度の低下を抑制する観点から、正極合剤層全量を基準として、好ましくは15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、更に好ましくは8質量%以下である。
バインダは、正極6の表面で分解しないものであれば制限されないが、例えばポリマである。バインダは、カルボキシルメチルセルロース、酢酸セルロース、エチルセルロース等のセルロース類、四フッ化エチレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる少なくとも1種をモノマ単位として含有するポリマ、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、イソプレンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム等のゴムなどであってよい。バインダは、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリル酸、ポリイミド、ポリアミドなどであってもよい。バインダは、好ましくは、四フッ化エチレンとフッ化ビニリデンとを構造単位として含有するコポリマ、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとを構造単位として含有するコポリマである。
バインダの含有量は、正極合剤層全量を基準として、0.5質量%以上、1質量%以上、又は3質量%以上であってよい。バインダの含有量は、正極合剤層全量を基準として、20質量%以下、15質量%以下、10質量%以下、又は7質量%以下であってよい。
正極合剤層10は、後述するイオン液体を更に含有してもよい。その場合、イオン液体の含有量は、正極合剤層全量を基準として、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上、更に好ましくは10質量%以上であり、また、好ましくは30質量%以下、より好ましくは25質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。
正極合剤層10の厚さは、導電率を更に向上させる観点から、正極活物質の平均粒径以上の厚さであり、具体的には、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは10μm以上であり、更に好ましくは15μm以上であり、特に好ましくは20μm以上である。正極合剤層10の厚さは、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは80μm以下であり、更に好ましくは70μm以下であり、特に好ましくは50μm以下である。正極合剤層10の厚さを100μm以下とすることにより、正極合剤層10の表面近傍及び正極集電体9の表面近傍の正極活物質の充電レベルのばらつきに起因する充放電の偏りを抑制できる。
正極合剤層10の合剤密度は、導電剤と正極活物質とを互いに密着させ、正極合剤層10の電子抵抗を低減する観点から、好ましくは2g/cm以上である。
負極集電体11は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、これらの合金等で形成されていてよい。負極集電体11は、具体的には、圧延銅箔、例えば孔径0.1〜10mmの孔を有する銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等であってよい。負極集電体11は、上記以外の任意の材料で形成されていてもよく、また、その形状、製造方法等も制限されない。
負極集電体11の厚さは、10〜100μmであってよく、負極全体の体積を小さくする観点から、好ましくは10〜50μmであり、電池を形成する際に小さな曲率で負極を捲回する観点から、より好ましくは10〜20μmである。
負極合剤層12は、一実施形態において、負極活物質とバインダとを含有する。
負極活物質は、エネルギデバイスの分野で常用されるものを使用できる。負極活物質としては、具体的には、例えば、金属リチウム、リチウム合金又はその他の金属化合物、炭素材料、金属錯体、及び有機高分子化合物が挙げられる。負極活物質は上記のうち1種を単独で用いられてもよく、2種以上を組み合わせて用いられてもよい。負極活物質は、好ましくは炭素材料である。炭素材料としては、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等の黒鉛、非晶質炭素、炭素繊維、及びアセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラックなどが挙げられる。負極活物質は、より大きな理論容量(例えば500〜1500Ah/kg)を得る観点から、シリコン、スズ又はこれらの元素を含む化合物(酸化物、窒化物、他の金属との合金)であってもよい。容量が大きい材料を用いると、負極合剤層12の厚さを薄くすることができ、二次電池1の中に収納可能な電極面積を増大させることができる。その結果、二次電池1の抵抗を低下させて高出力が可能になると同時に、黒鉛負極を用いたときよりも二次電池1の容量を高めることができる。
負極活物質の平均粒径(D50)は、粒径減少に伴う不可逆容量の増加を抑制しつつ、かつ、電解質塩の保持能力を高めたバランスの良い負極8を得る観点から、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは5μm以上であり、更に好ましくは10μm以上であり、また、好ましくは50μm以下であり、より好ましくは40μm以下であり、更に好ましくは30μm以下である。負極活物質の平均粒径(D50)は、正極活物質の平均粒径(D50)と同様の方法により測定される。
バインダ及びその含有量は、上述した正極合剤層10におけるバインダ及びその含有量と同様であってよい。
負極合剤層12は、負極8の抵抗を更に低くする観点から、導電剤を更に含有してもよい。負極合剤層12は、イオン液体を更に含有してもよい。導電剤及びイオン液体の種類及び含有量は、上述した正極合剤層10における導電剤及びイオン液体の種類及び含有量と同様であってよい。
負極合剤層12の厚さは、導電率を更に向上させる観点から、負極活物質の平均粒径以上であり、具体的には、好ましくは10μm以上であり、より好ましくは15μm以上であり、更に好ましくは20μm以上である。負極合剤層12の厚さは、好ましくは、100μm以下、80μm以下、70μm以下、50μm以下、40μm以下、又は30μm以下である。負極合剤層12の厚さを100μm以下とすることにより、負極合剤層12の表面近傍及び負極集電体11の表面近傍の正極活物質の充電レベルのばらつきに起因する充放電の偏りを抑制できる。
負極合剤層12の合剤密度は、導電剤と負極活物質とを互いに密着させ、負極合剤層12の電子抵抗を低減する観点から、好ましくは1g/cm以上である。
電解質層7は、電解質組成物からなっている。電解質組成物は、1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、溶媒と、を含有する。本明細書において、電解質塩及び溶媒をまとめて「電解質」と呼び、電解質を除く電解質組成物の成分をまとめて「電解質支持材」と呼ぶことがある。
1種又は2種以上のポリマを構成する構造単位(モノマ単位)の中には、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位(モノマ単位)と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位(モノマ単位)とが含まれる。
第1の構造単位及び第2の構造単位は、1種のポリマに含まれてコポリマを構成してもよい。すなわち、電解質組成物は、一実施形態において、第1の構造単位と第2の構造単位との両方を含む少なくとも1種のコポリマを含有する。コポリマは、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ、フッ化ビニリデンとマレイン酸とのコポリマ、フッ化ビニリデンとメチルメタクリレートとのコポリマ等であってよい。コポリマは、第1の構造単位及び第2の構造単位のみからなっていてもよいし、第1の構造単位及び第2の構造単位以外の構造単位を更に含有してもよい。電解質組成物は、コポリマを含有する場合、第1の構造単位及び第2の構造単位を含むコポリマのみを含有してもよいし、その他のポリマを更に含有していてもよい。
第1の構造単位及び第2の構造単位は、それぞれ別のポリマに含まれて、第1の構造単位を有する第1のポリマと、第2の構造単位を有する第2のポリマとの少なくとも2種のポリマを構成していてもよい。すなわち、電解質組成物は、一実施形態において、第1の構造単位を含む第1のポリマと、第2の構造単位を含む第2のポリマとの少なくとも2種以上のポリマを含有する。電解質組成物は、第1のポリマ及び第2のポリマを含有する場合、第1のポリマ及び第2のポリマのみを含有してもよいし、その他のポリマを更に含有していてもよい。
第1のポリマは、第1の構造単位のみからなるポリマであってもよく、第1の構造単位に加えてその他の構造単位を更に有するポリマであってもよい。その他の構造単位は、エチレンオキシド(−CHCHO−)、カルボン酸エステル(−CHCOO−)等の含酸素炭化水素構造であってよい。第1のポリマは、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、又は、これらの分子構造の内部に前記含酸素炭化水素構造が導入されたポリマであってよい。
第2のポリマは、第2の構造単位のみからなるポリマであってもよく、第2の構造単位に加えてその他の構造単位を更に有するポリマであってもよい。その他の構造単位は、エチレンオキシド(−CHCHO−)、カルボン酸エステル(−CHCOO−)等の含酸素炭化水素構造であってよい。
第1のポリマと第2のポリマとの組合せとしては、ポリフッ化ビニリデンとポリアクリル酸、ポリ四フッ化エチレンとポリメチルメタクリレート、ポリフッ化ビニリデンとポリメチルメタクリレート等が挙げられる。
電解質組成物のゲル化を抑制し、電解質組成物をシート状に形成した際の凹凸の発生を抑制する観点から、1種又は2種以上のポリマは、好ましくは、構造単位(モノマ単位)として、アクリロニトリル及び塩化ビニルの一方又は両方を含まない。すなわち、電解質組成物は、アクリロニトリル及び塩化ビニルの一方又は両方を構造単位(モノマ単位)として含むポリマを含有しなくてよい。電解質組成物が第1の構造単位及び第2の構造単位を含むコポリマを含有する場合、コポリマは、構造単位(モノマ単位)として、アクリロニトリル及び塩化ビニルの一方又は両方を含まなくてよい。電解質組成物が2種以上のポリマを含有する場合、第1のポリマ及び第2のポリマは、構造単位(モノマ単位)として、アクリロニトリル及び塩化ビニルの一方又は両方を含まなくてよく、また、第1のポリマ及び第2のポリマ以外のその他のポリマは、構造単位(モノマ単位)として、アクリロニトリル及び塩化ビニルの一方又は両方を含まなくてよい。
第1の構造単位の含有量は、電解質組成物をシート状にした場合の強度を更に向上させる観点から、第1の構造単位及び第2の構造単位の含有量の合計を基準として、好ましくは、50質量%以上、70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上、又は95質量%以上である。第1の構造単位の含有量は、電解質組成物が溶媒を含有する場合の溶媒との親和性を更に向上させる観点から、第1の構造単位及び第2の構造単位の含有量の合計を基準として、好ましくは、99質量%以下、98質量%以下、97質量%以下、又は96質量%以下である。
第1の構造単位の含有量は、電解質組成物をシート状にした場合の強度を更に向上させる観点から、ポリマを構成する構造単位全量を基準として、好ましくは、5質量%以上、10質量%以上、20質量%以上、50質量%以上、70質量%以上、又は90質量%以上である。第1の構造単位の含有量は、電解質組成物が溶媒を含有する場合の溶媒との親和性を更に向上させる観点から、ポリマを構成する構造単位全量を基準として、好ましくは、98質量%以下、95質量%以下、又は90質量%以下である。
第2の構造単位の含有量は、電解質組成物が溶媒を含有する場合の溶媒との親和性を更に向上させる観点から、第1の構造単位及び第2の構造単位の含有量の合計を基準として、好ましくは、1質量%以上、3質量%以上、又は4質量%以上である。第2の構造単位の含有量は、電解質組成物をシート状にした場合の強度を更に向上させる観点から、第1の構造単位及び第2の構造単位の含有量の合計を基準として、好ましくは、50質量%以下、40質量%以下、30質量%以下、20質量%以下、10質量%以下、又は5質量%以下である。
第2の構造単位の含有量は、電解質組成物が溶媒を含有する場合の溶媒との親和性を更に向上させる観点から、ポリマを構成する構造単位全量を基準として、好ましくは、1質量%以上、3質量%以上、又は5質量%以上である。第2の構造単位の含有量は、電解質組成物をシート状にした場合の強度を更に向上させる観点から、ポリマを構成する構造単位全量を基準として、好ましくは、50質量%以下、40質量%以下、30質量%以下、20質量%以下、又は10質量%以下である。
1種又は2種のポリマにおいて、第2の構造単位の含有量に対する第1の構造単位の含有量の質量比(第1の構造単位の含有量(質量)/第2の構造単位の含有量(質量))は、50/50以上である。第2の構造単位の含有量に対する第1の構造単位の含有量の質量比は、好ましくは、60/40以上、70/30以上、80/20以上、85/15以上、90/10以上、93/7以上、又は95/5以上である。第2の構造単位の含有量に対する第1の構造単位の含有量の質量比は、99/1以下、97/3以下、又は95/5以下であってよい。
1種又は2種以上のポリマの含有量は、電解質組成物の導電率を向上させる観点から、電解質組成物に含まれるポリマ全量基準で、90質量%を超える。1種又は2種以上のポリマの含有量は、電解質組成物に含まれるポリマ全量基準で、好ましくは92質量%以上であり、より好ましくは94質量%以上であり、更に好ましくは96質量%以上である。電解質組成物に含まれるポリマは、1種又は2種以上のポリマのみからなっていてもよい。
ポリマの含有量は、電解質組成物をシート状にした場合の強度を更に向上させる観点から、電解質組成物全量を基準として、好ましくは3質量%以上であり、より好ましくは5質量%以上であり、更に好ましくは10質量%以上であり、特に好ましくは20質量%以上であり、最も好ましくは25質量%以上である。ポリマの含有量は、導電率を更に向上させる観点から、電解質組成物全量を基準として、好ましくは60質量%以下であり、より好ましくは50質量%であり、更に好ましくは40質量%以下であり、特に好ましくは30質量%以下であり、最も好ましくは28質量%以下である。
ポリマの含有量は、電解質組成物をシート状にした場合の強度と導電率を両立させる観点から、電解質組成物全量を基準として、好ましくは、3〜60質量%、3〜50質量%、3〜40質量%、3〜30質量%、3〜28質量%、5〜60質量%、5〜50質量%、5〜40質量%、5〜30質量%、5〜28質量%、10〜60質量%、10〜50質量%、10〜40質量%、10〜30質量%、10〜28質量%、20〜60質量%、20〜50質量%、20〜40質量%、20〜30質量%、20〜28質量%、25〜60質量%、25〜50質量%、25〜40質量%、25〜30質量%、又は25〜28質量%である。
本実施形態に係るポリマは、電解質組成物に含まれる溶媒との親和性に優れるため、溶媒中の電解質を保持する。これにより、電解質組成物に荷重が加えられた際の溶媒の液漏れが抑制される。
酸化物粒子は、例えば無機酸化物の粒子である。無機酸化物は、例えば、Li、Mg、Al、Si、Ca、Ti、Zr、La、Na、K、Ba、Sr、V、Nb、B、Ge等を構成元素として含む無機酸化物であってよい。酸化物粒子は、好ましくは、SiO、Al、AlOOH、MgO、CaO、ZrO、TiO、LiLaZr12、及びBaTiOからなる群より選ばれる少なくとも1種の粒子である。酸化物粒子は極性を有するため、電解質層7中の電解質の解離を促進し、電池特性を高めることができる。
酸化物粒子は、希土類金属の酸化物であってもよい。酸化物粒子は、具体的には、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロビウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウム等であってよい。
酸化物粒子の比表面積は、2〜380m/gであり、5〜100m/g、10〜80m/g、又は15〜60m/gであってもよい。比表面積が2〜380m/gであると、このような酸化物粒子を含有する電解質組成物を用いた二次電池は、放電特性に優れる傾向にある。同様の観点から、酸化物粒子の比表面積は、5m/g以上、10m/g以上、又は15m/g以上であってもよく、100m/g以下、80m/g以下、又は60m/g以下であってもよい。酸化物粒子の比表面積は、一次粒子及び二次粒子を含む酸化物粒子全体の比表面積を意味し、BET法によって測定される。
酸化物粒子の平均一次粒径(一次粒子の平均粒径)は、導電率を更に向上させる観点から、好ましくは0.005μm(5nm)以上であり、より好ましくは0.01μm(10nm)以上であり、更に好ましくは0.015μm(15nm)以上である。酸化物粒子の平均一次粒径は、電解質層7を薄くする観点から、好ましくは1μm以下であり、より好ましくは0.1μm以下であり、更に好ましくは0.05μm以下である。酸化物粒子の平均一次粒径は、粒子を十分に解砕又は分散させた状態で、正極活物質の平均粒径(D50)と同様の方法により測定することができる。粒子を解砕又は分散させることが難しい場合には、走査型電子顕微鏡で酸化物粒子を観察し、画像解析によって平均一次粒径を測定してもよい。
酸化物粒子の平均一次粒径は、電解質組成物をシート状に形成した場合の引張強度を高める観点からは、好ましくは、0.05μm(50nm)以上であり、より好ましくは0.07μm(70nm)以上であり、更に好ましくは0.5μm以上であり、特に好ましくは1μm以上であり、また、好ましくは5μm以下であり、より好ましくは4μm以下であり、更に好ましくは2μm以下である。
酸化物粒子の平均粒径(D50)は、電解質のカチオン成分が拡散する断面積を大きくし、導電率を更に向上させる観点から、好ましくは0.001μm以上であり、より好ましくは0.005μm以上であり、更に好ましくは0.05μm以上であり、特に好ましくは0.1μm以上であり、最も好ましくは0.5μm以上である。酸化物粒子の平均粒径は、好ましくは10μm以下であり、より好ましくは6μm以下であり、更に好ましくは3μm以下であり、特に好ましくは2μm以下であり、最も好ましくは1μm以下である。酸化物粒子の平均粒径が6μm以下である場合、電解質層7を好適に薄くすることができる。すなわち、この場合、酸化物粒子が凝集しにくくなり、その結果、酸化物粒子が電解質層7から突出して正極6及び負極8の表面を損傷させることを抑制できる。加えて、電解質層7の厚さを確保しやすくなるため、電解質層7の機械的強度の低下を抑制できる。酸化物粒子の平均粒径は、リチウムイオンの拡散を抑制して導電率を更に向上させる観点、電解質組成物を薄層化する観点、及び電解質組成物表面からの酸化物粒子の突出を抑制する観点から、好ましくは0.001〜10μmであり、電解質層がより好適に薄層化される観点から、より好ましくは0.001〜6μmであり、液漏れを防止する観点から、更に好ましくは0.001〜0.1μm又は0.005〜1μmである。酸化物粒子の平均粒径(D50)は、正極活物質の平均粒径(D50)と同様の方法により測定される。
酸化物粒子の形状は、例えば塊状又は略球状であってよい。酸化物粒子のアスペクト比は、電解質層7の薄層化を容易にする観点から、好ましくは10以下、より好ましくは5以下、更に好ましくは2以下である。アスペクト比は、酸化物粒子の走査型電子顕微鏡写真から算出した、粒子の長軸方向の長さ(粒子の最大長さ)と、粒子の短軸方向の長さ(粒子の最小長さ)との比として定義される。粒子の長さは、前記写真を、市販の画像処理ソフト(例えば、旭化成エンジニアリング株式会社製の画像解析ソフト、A像くん(登録商標))を用いて、統計的に計算して求められる。
酸化物粒子は、ケイ素含有化合物で表面処理されていてもよい。すなわち、酸化物粒子は、酸化物粒子の表面とケイ素含有化合物のケイ素原子とが酸素原子を介して結合していているものであってもよい。ケイ素含有化合物は、好ましくはアルコキシシラン、エポキシ基含有シラン、アミノ基含有シラン、シラザン、及びシロキサンからなる群より選ばれる少なくとも1種である。
アルコキシシランは、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジメトキシジフェニルシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン等であってもよい。
エポキシ基含有シランは、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等であってもよい。
アミノ基含有シランは、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン等であってもよい。
シラザンは、ヘキサメチルジシラザン等であってもよい。シロキサンは、ジメチルシリコーンオイル等であってもよい。これらの片末端又は両末端に、反応性官能基(例えば、カルボキシル基等)を有するものであってもよい。
表面処理された酸化物粒子は、公知の方法によって製造したものを用いてもよく、市販品をそのまま用いてもよい。
酸化物粒子の含有量は、電解質塩の解離を促進させる観点から、電解質組成物全量を基準として、好ましくは、5質量%以上、10質量%以上、15質量%以上、20質量%以上である。酸化物粒子の含有量は、導電率を更に向上させる観点から、電解質組成物全量を基準として、好ましくは50質量%以下であり、より好ましくは40質量%以下である。酸化物粒子の含有量は、電解質塩の解離を促進させる観点及び導電率を更に向上させる観点から、電解質組成物全量を基準として、好ましくは5〜50質量%、5〜40質量%、10〜50質量%、10〜40質量%、15〜50質量%、15〜40質量%、20〜50質量%、又は20〜40質量%である。
酸化物粒子の含有量に対するポリマの含有量の質量比(ポリマの含有量/酸化物粒子の含有量)は、例えば、2/3以上、1/1以上、又は3/2以上であってよく、4/1以下、3/1以下、又は2/1以下であってよい。
電解質塩は、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種である。電解質塩は、正極6と負極8との間でカチオンを授受させるために用いられる化合物である。上記の電解質塩は、低温では解離度が低く、溶媒中で拡散しやすいことに加え、高温により熱分解しないため、二次電池が使用可能な環境温度が広範となる点で好ましい。電解質塩は、フッ素イオン電池において用いられる電解質塩であってもよい。
電解質塩のアニオンは、ハロゲン化物イオン(I、Cl、Br等)、SCN、BF 、BF(CF、BF(C、PF 、ClO 、SbF 、N(SOF) 、N(SOCF 、N(SO 、B(C 、B(O 、C(SOF) 、C(SOCF 、CFCOO、CFSO、CSO、B(O 等であってよい。アニオンは、好ましくは、PF 、BF 、N(SOF) 、N(SOCF 、B(O 、又はClO である。
なお、以下では下記の略称を用いる場合がある。
[FSI]:N(SOF) 、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン
[TFSI]:N(SOCF 、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン
[BOB]:B(O 、ビスオキサレートボラートアニオン
[f3C]:C(SOF) 、トリス(フルオロスルホニル)カルボアニオン
リチウム塩は、LiPF、LiBF、Li[FSI]、Li[TFSI]、Li[f3C]、Li[BOB]、LiClO、LiBF(CF)、LiBF(C)、LiBF(C)、LiBF(C)、LiC(SOCF、LiCFSOO、LiCFCOO、及びLiRCOO(Rは、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。
ナトリウム塩は、NaPF、NaBF、Na[FSI]、Na[TFSI]、Na[f3C]、Na[BOB]、NaClO、NaBF(CF)、NaBF(C)、NaBF(C)、NaBF(C)、NaC(SOCF、NaCFSOO、NaCFCOO、及びNaRCOO(Rは、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。
カルシウム塩は、Ca(PF、Ca(BF、Ca[FSI]、Ca[TFSI]、Ca[f3C]、Ca[BOB]、Ca(ClO、Ca[BF(CF)]、Ca[BF(C)]、Ca[BF(C)]、Ca[BF(C)]、Ca[C(SOCF、Ca(CFSOO)、Ca(CFCOO)、及びCa(RCOO)(Rは、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。
マグネシウム塩は、Mg(PF、Mg(BF、Mg[FSI]、Mg[TFSI]、Mg[f3C]、Mg[BOB]、Mg(ClO、Mg[BF(CF)]、Mg[BF(C)]、Mg[BF(C)]、Mg[BF(C)]、Mg[C(SOCF、Mg(CFSO、Mg(CFCOO)、及びMg(RCOO)(Rは、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。
これらのうち、解離性及び電気化学的安定性の観点から、電解質塩は、好ましくはLiPF、LiBF、Li[FSI]、Li[TFSI]、Li[f3C]、Li[BOB]、LiClO4、LiBF(CF)、LiBF(C)、LiBF(C)、LiBF(C)、LiC(SOCF、LiCFSOO、LiCFCOO、及びLiRCOO(Rは、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、より好ましくはLi[TFSI]、Li[FSI]、LiPF、LiBF、Li[BOB]、及びLiClO4からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、更に好ましくはLi[TFSI]、及びLi[FSI]からなる群より選ばれる1種である。
電解質塩の含有量は、電解質層7を好適に作製するために、電解質組成物全量を基準として、10質量%以上60質量%以下であってよい。電解質塩の含有量は、電解質層の導電率を更に高める観点から、好ましくは20質量%以上であり、リチウム二次電池を高い負荷率で充放電することを可能にする観点から、より好ましくは30質量%以上である。
溶媒は、好ましくは、蒸気圧が低く、かつ、燃焼しにくいものである。
溶媒は、下記式(1)で表されるグライムであってよい。
O−(CHCHO)−R (1)
式(1)中、R及びRは、それぞれ独立に、炭素数4以下のアルキル基又は炭素数4以下のフルオロアルキル基を表し、kは1〜6の整数を表す。R及びRは、それぞれ独立に、好ましくはメチル基又はエチル基である。
グライムは、具体的には、モノグライム(k=1)、ジグライム(k=2)、トリグライム(k=3)、テトラグライム(k=4)、ペンタグライム(k=5)、ヘキサグライム(k=6)であってよい。
電解質組成物が溶媒としてグライムを含有する場合、グライムの一部又は全部は、電解質塩と錯体を形成していてよい。
溶媒は、イオン液体であってもよい。イオン液体は、以下のアニオン成分及びカチオン成分を含有する。なお、本実施形態におけるイオン液体は、−20℃以上で液状の物質である。
イオン液体のアニオン成分は、特に限定されないが、Cl、Br、I等のハロゲンのアニオン、BF 、N(SOF) 等の無機アニオン、B(C 、CHSO 、CFSO 、N(CSO 、N(SOCF 、N(SO 等の有機アニオンなどであってよい。イオン液体のアニオン成分は、好ましくは、B(C 、CHSO 、N(SO 、CFSO、N(SOF) 、N(SOCF 及びN(SO からなる群より選ばれる少なくとも1種を含有し、比較的低粘度でイオン伝導度を更に向上させるとともに、充放電特性も更に向上させる観点から、より好ましくは、N(CSO 、CFSO 、N(SOF) 、N(SOCF 、及びN(SOCFCF からなる群より選ばれる少なくとも1種を含有し、更に好ましくはN(SOF) を含有する。
イオン液体のアニオン成分は、下記式(2)で表されるアニオン成分の少なくとも1種を含有してもよい。
N(SO2m+1)(SO2n+1 (2)
m及びnは、それぞれ独立に0〜5の整数を表す。m及びnは、互いに同一でも異なっていてもよく、好ましくは互いに同一である。
式(2)で表されるアニオン成分としては、例えば、N(SO 、N(SOF) 、N(SOCF 、及びN(SO が挙げられる。
イオン液体のカチオン成分は、特に限定されないが、好ましくは鎖状四級オニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、及びイミダゾリウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種である。
鎖状四級オニウムカチオンは、例えば、下記式(3)で表される化合物である。
Figure 0006562184
[式(3)中、R〜Rは、それぞれ独立に、炭素数が1〜20の鎖状アルキル基、又はR−O−(CH−で表される鎖状アルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)を表し、Xは、窒素原子又はリン原子を表す。R〜Rで表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
ピペリジニウムカチオンは、例えば、下記式(4)で表される、窒素を含有する六員環環状化合物である。
Figure 0006562184
[式(4)中、R及びRは、それぞれ独立に、炭素数が1〜20のアルキル基、又はR−O−(CH−で表されるアルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)を表す。R及びRで表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
ピロリジニウムカチオンは、例えば、下記式(5)で表される五員環環状化合物である。
Figure 0006562184
[式(5)中、R及びR10は、それぞれ独立に、炭素数が1〜20のアルキル基、又はR−O−(CH−で表されるアルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)を表す。R及びR10で表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
ピリジニウムカチオンは、例えば、下記式(6)で示される化合物である。
Figure 0006562184
[式(6)中、R11〜R15は、それぞれ独立に、炭素数が1〜20のアルキル基、R−O−(CH−で表されるアルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)、又は水素原子を表す。R11〜R15で表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
イミダゾリウムカチオンは、例えば、下記式(7)で示される化合物である。
Figure 0006562184
[式(7)中、R16〜R20は、それぞれ独立に、炭素数が1〜20のアルキル基、R−O−(CH−で表されるアルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)、又は水素原子を表す。R16〜R20で表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
イオン液体は、より具体的には、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(DEME−TFSI)、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウム−ビス(フルオロスルホニル)イミド(DEME−FSI)、1−エチル−3−メチルイミダゾリジウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI−TFSI)、1−エチル−3−メチルイミダゾリジウム−ビス(フルオロスルホニル)イミド(EMI−FSI)、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Py13−TFSI)、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム−ビス(フルオロスルホニル)イミド(Py13−FSI)、N−エチル−N−メチルピロリジニウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Py12−TFSI)、N−エチル−N−メチルピロリジニウム−ビス(フルオロスルホニル)イミド(Py12−FSI)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(EMI−DCA)であってよい。
電解質組成物は、溶媒として、導電率を更に向上させることを目的として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、テトラヒドロフラン、1,2−ジエトキシエタン、クロルエチレンカーボネート、クロルプロピレンカーボネート等の非水溶媒を更に含有していてもよい。電解質組成物は、安全性を向上させる観点から、好ましくは、溶媒として、上述のグライム及びイオン液体から選ばれる少なくとも1種のみを含有する。
溶媒の含有量は、電解質層を好適に作製する観点から、電解質組成物全量を基準として、10〜80質量%、又は10〜60質量%以下であってよい。溶媒の含有量は、電解質層の強度低下を抑制する観点から、電解質層全量を基準として、好ましくは80質量%以下である。溶媒の含有量は、電解質塩の含有量を増加させることにより、電解質膜の導電率を増大させてリチウム二次電池を高い負荷率で充放電することを可能にする観点から、電解質組成物全量を基準として、40質量%以下、又は30質量%以下であってもよい。
電解質塩と溶媒(例えばテトラグライム等のグライム又はイオン液体)との合計の含有量は、導電率を更に向上させ、二次電池の容量低下を抑制する観点から、電解質組成物全量を基準として、好ましくは10質量%以上であり、より好ましくは25質量%以上であり、更に好ましくは40質量%以上である。電解質塩と溶媒との合計の含有量は、電解質組成物の強度低下を抑制する観点から、好ましくは80質量%以下であり、より好ましくは70質量%以下である。電解質塩と溶媒との合計の含有量は、導電率を更に向上させ、二次電池の容量低下を抑制する観点及び電解質組成物の強度低下を抑制する観点から、電解質組成物全量を基準として、好ましくは、10〜80質量%、10〜70質量%、25〜80質量%、25〜70質量%、40〜80質量%、又は40〜70質量%である。
電解質組成物において、溶媒の単位体積あたりの電解質塩の濃度は、充放電特性を更に向上させる観点から、好ましくは0.5mol/L以上、より好ましくは0.7mol/L以上、更に好ましくは0.8mol/L以上であり、また、好ましくは2.0mol/L以下、より好ましくは1.8mol/L以下、更に好ましくは1.5mol/L以下である。
電解質支持材の含有量に対する電解質の含有量の質量比(電解質の含有量/電解支持支持材の含有量)は、電解質組成物の液漏れを抑制する観点から、1/4以上、又は2/3以上であってよく、3/1以下、3/2以下、又は1/1以下であってよい。
電解質層7の厚さは、導電率を高め、強度を向上させる観点から、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは10μm以上である。電解質層7の厚さは、電解質層7の抵抗を抑制する観点から、好ましくは200μm以下であり、より好ましくは150μm以下であり、更に好ましくは100μm以下であり、特に好ましくは50μm以下である。
続いて、上述した二次電池1の製造方法について説明する。本実施形態に係る二次電池1の製造方法は、正極集電体9上に正極合剤層10を形成して正極6を得る第1の工程と、負極集電体11上に負極合剤層12を形成して負極8を得る第2の工程と、正極6と負極8との間に電解質層7を設ける第3の工程と、を備える。
第1の工程では、正極6は、例えば、正極合剤層に用いる材料を混練機、分散機等を用いて分散媒に分散させてスラリ状の正極合剤を得た後、この正極合剤をドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法等により正極集電体9上に塗布し、その後分散媒を揮発させることにより得られる。分散媒を揮発させた後、必要に応じて、ロールプレスによる圧縮成型工程が設けられてもよい。正極合剤層10は、上述した正極合剤の塗布から分散媒の揮発までの工程を複数回行うことにより、多層構造の正極合剤層として形成されてもよい。
第1の工程において用いられる分散媒は、水、1−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPともいう。)等であってよい。なお、分散媒は、上述の溶媒以外の化合物である。
正極合剤層10において、正極活物質、導電剤、バインダ、電解質塩及び溶媒が含まれる場合、正極活物質、導電剤、バインダ、及び電解質塩を溶解した溶媒の混合比は、例えば、正極活物質:導電剤:バインダ:電解質塩を溶解した溶媒=69〜82:0.1〜10:1〜12:10〜17(質量比)であってよい。ただし、必ずしもこの範囲に限定されない。
第2の工程において、負極集電体11に負極合剤層12を形成する方法は、上述した第1の工程と同様の方法であってよい。
負極合剤層12において、負極活物質、導電剤、バインダ、電解質塩及び溶媒が含まれる場合、負極活物質、導電剤、バインダ、及び電解質塩を溶解した溶媒の混合比は、例えば、負極活物質:導電剤:バインダ:電解質塩を溶解したイオン液体=69〜82:0.1〜10:1〜12:10〜17(質量比)であってよい。ただし、必ずしもこの範囲に限定されない。
第3の工程では、一実施形態において、電解質層7は、例えば、基材上に電解質組成物を備えた電解質シートを作製することにより形成される。図4(a)は、一実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図である。図4(a)に示すように、電解質シート13Aは、基材14と、基材14上に設けられた電解質層7とを有する。
電解質シート13Aは、例えば、電解質層7に用いる材料(固形分)を分散媒に分散させてスラリを得た後、これを基材14上に塗布してから分散媒を揮発させることにより作製される。分散媒は、好ましくは水、NMP、トルエン等である。
基材14は、分散媒を揮発させる際の加熱に耐えうる耐熱性を有するものであって、電解質組成物と反応せず、電解質組成物により膨潤しないものであれば制限されないが、例えば樹脂で形成されている。基材14は、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリ四フッ化エチレン、ポリイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン等の樹脂(汎用のエンジニアプラスチック)からなるフィルムであってよい。
基材14は、電解質層を製造する過程において分散媒を揮発させる処理温度に耐えられる耐熱温度を有していればよい。耐熱温度は、基材14が樹脂で形成されている場合、基材14の軟化点(塑性変形し始める温度)又は融点のうち、より低い温度である。基材14の耐熱温度は、電解質層7に用いられる溶媒との適応性の観点から、好ましくは50℃以上であり、より好ましくは100℃以上であり、更に好ましくは150℃以上であり、また、例えば400℃以下であってよい。上記の耐熱温度を有する基材を使用すれば、上述したような分散媒(NMP、トルエン等)を好適に使用できる。
基材14の厚さは、塗布装置での引張り力に耐えうる強度を維持しつつ、可能な限り薄いことが好ましい。基材14の厚さは、電解質シート13A全体の体積を小さくしつつ、電解質組成物を基材14に塗布する際に強度を確保する観点から、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは10μm以上であり、更に好ましくは25μm以上であり、また、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下であり、更に好ましくは40μm以下である。
電解質シートは、ロール状に巻き取りながら連続的に製造することもできる。その場合には、電解質層7の表面が基材14の背面に接触して電解質層7の一部が基材14に貼りつくことにより、電解質層7が破損することがある。このような事態を防ぐために、電解質シートは他の実施形態として、電解質層7の基材14と反対側に保護材を設けたものであってもよい。図4(b)は、他の実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図である。図4(b)に示すように、電解質シート13Bは、電解質層7の基材14と反対側に保護材15を更に備えている。
保護材15は、電解質層7から容易に剥離可能なものであればよく、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ四フッ化エチレン等の無極性の樹脂フィルムである。無極性の樹脂フィルムを用いると、電解質層7と保護材15とが互いに貼りつかず、保護材15を容易に剥離することができる。
保護材15の厚さは、電解質シート13B全体の体積を小さくしつつ、強度を確保する観点から、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは10μmであり、また、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下であり、更に好ましくは30μm以下である。
保護材15の耐熱温度は、低温環境での劣化を抑制するとともに、高温環境下での軟化を抑制する観点から、好ましくは−30℃以上であり、より好ましくは0℃以上であり、また、好ましくは100℃以下であり、より好ましくは50℃以下である。保護材15を設ける場合、上述した分散媒の揮発工程を必須としないため、耐熱温度を高くする必要がない。
電解質シート13Aを用いて正極6と負極8との間に電解質層7を設ける方法としては、例えば、電解質シート13Aから基材14を剥離し、正極6、電解質層7及び負極8を、例えばラミネートにより積層することで二次電池1が得られる。このとき、電解質層7が、正極6の正極合剤層10側かつ負極8の負極合剤層12側に位置するように、すなわち、正極集電体9、正極合剤層10、電解質層7、負極合剤層12及び負極集電体11がこの順で配置されるように積層する。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る二次電池について説明する。図5は、第2実施形態に係る二次電池における電極群の一実施形態を示す模式断面図である。図5に示すように、第2実施形態における二次電池が第1実施形態における二次電池と異なる点は、電極群2Bが、バイポーラ電極16を備えている点である。すなわち、電極群2Bは、正極6と、第1の電解質層7と、バイポーラ電極16と、第2の電解質層7と、負極8とをこの順に備えている。
バイポーラ電極16は、バイポーラ電極集電体17と、バイポーラ電極集電体17の負極8側の面(正極面)に設けられた正極合剤層10と、バイポーラ電極集電体17の正極6側の面(負極面)に設けられた負極合剤層12とを備えている。
バイポーラ電極集電体17において、正極面は、好ましくは耐酸化性に優れた材料で形成されていてよく、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン等で形成されていてよい。負極活物質として黒鉛又は合金を用いたバイポーラ電極集電体17における負極面は、リチウムと合金を形成しない材料で形成されていてよく、具体的には、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、チタン等で形成されていてよい。正極面と負極面に異種の金属を用いる場合、バイポーラ電極集電体17は、異種金属箔を積層させたクラッド材であってよい。ただし、チタン酸リチウムのように、リチウムと合金を形成しない電位で動作する負極8を用いる場合、上述の制限はなくなり、負極面は、正極集電体9と同様の材料であってよい。その場合、バイポーラ電極集電体17は、単一の金属箔であってよい。単一の金属箔としてのバイポーラ電極集電体17は、孔径0.1〜10mmの孔を有するアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等であってよい。バイポーラ電極集電体17は、上記以外にも、電池の使用中に溶解、酸化等の変化を生じないものであれば、任意の材料で形成されていてよく、また、その形状、製造方法等も制限されない。
バイポーラ電極集電体17の厚さは、10μm以上100μm以下であってよく、正極全体の体積を小さくする観点から、好ましくは10μm以上50μm以下であり、電池を形成する際に小さな曲率でバイポーラ電極を捲回する観点から、より好ましくは10μm以上20μm以下である。
続いて、第2実施形態に係る二次電池の製造方法について説明する。本実施形態に係る二次電池の製造方法は、正極集電体9上に正極合剤層10を形成して正極6を得る第1の工程と、負極集電体11上に負極合剤層12を形成して負極8を得る第2の工程と、バイポーラ電極集電体17の一方の面に正極合剤層10を形成し、他方の面に負極合剤層12を形成してバイポーラ電極16を得る第3の工程と、正極6とバイポーラ電極16との間及び負極8とバイポーラ電極16との間に電解質層7を設ける第4の工程と、を有する。
第1の工程及び第2の工程は、第1実施形態における第1の工程及び第2の工程と同様の方法であってよい。
第3の工程において、バイポーラ電極集電体17の一方の面に正極合剤層10を形成する方法は、第1実施形態における第1の工程と同様の方法であってよい。バイポーラ電極集電体17の他方の面に負極合剤層12を形成する方法は、第1実施形態における第2の工程と同様の方法であってよい。
第4の工程のうち正極6とバイポーラ電極16との間に電解質層7を設ける方法としては、一実施形態において、電解質層7は、例えば、基材上に電解質組成物を備えた電解質シートを製造することにより形成される。電解質シートの製造方法は、第1実施形態における電解質シート13A,13Bの製造方法と同様の方法であってよい。
第4の工程において、負極8とバイポーラ電極16との間に電解質層7を設ける方法は、上述した正極6とバイポーラ電極16との間に電解質層7を設ける方法と同様の方法であってよい。
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
<試験例1>
(実施例1−1)
ポリマであるフッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマ(フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロピレン(質量比)=95/5。以下、PVDF−HFPとも称する。)を26質量%と、酸化物粒子であるSiO粒子(平均粒径0.1μm)を13質量%と、電解質塩であるリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(Li[FSI])を34.5質量%と、溶媒であるテトラグライムを26.5質量%とを、分散媒であるNMPに分散させ、電解質組成物を含むスラリを調製した。得られたスラリを、ポリエチレンテレフタレート製の基材に塗布し、加熱して分散媒を揮発させることにより電解質シートを得た。得られた電解質シートにおける電解質層の厚さは、25±2μmであった。
(実施例1−2〜1−4)
実施例1の電解質シートにおいて、各材料の含有量を表1に示す含有量に変更した以外は、実施例1の同様の方法により電解質シートを作製した。
(実施例1−5)
実施例1の電解質シートにおいて、酸化物粒子の含有量を増加させて、電解質塩と溶媒の合計含有量(表1における(A)+(B))を減少させた以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
(実施例1−6〜1−13)
実施例1の電解質シートにおいて、酸化物粒子の種類を表1〜表2に示したものに変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
(実施例1−14〜1−16)
実施例1の電解質シートにおいて、酸化物粒子であるSiO粒子の平均粒径を表2に示した平均粒径に変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
(実施例1−17〜1−18)
実施例1の電解質シートにおいて、ポリマ中のヘキサフルオロプロピレンの含有量を表2に示した含有量に変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
(実施例1−19〜1−22)
実施例1の電解質シートにおいて、溶媒を表2〜表3に示したものに変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。表3において、実施例1−21のEMI−TFSI(EMI−BTI)は1−エチル−3−メチルイミダゾリジウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド[CAS番号174899−82−2]を表し、実施例1−22のEMI−DCAは1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド[CAS番号370865−89−7]を表す。
(実施例1−23〜1−30)
実施例1の電解質シートにおいて、ポリマの種類を表3に示したものに変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。表3において、ポリマの略称は以下のものを示し、ポリマの混合比は質量比を意味する。
PVDF+PA:ポリフッ化ビニリデンとポリアクリル酸との混合物
PVDF−MA:フッ化ビニリデンとマレイン酸とのコポリマ
PTFE+PMMA:ポリ四フッ化エチレンとポリメチルメタクリレートとの混合物
PVDF+PMMA:ポリフッ化ビニリデンとポリメチルメタクリレートとの混合物
PVDF−HFP+PMMA:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマと、ポリメチルメタクリレートとの混合物
PVDF−HFP+PAN:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマと、ポリアクリロニトリルとの混合物
PVDF−HFP+PVC:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマと、ポリポリ塩化ビニルとの混合物
(比較例1−1)
実施例1−1の電解質シートにおいて、酸化物粒子を使用しなかった以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
(比較例1−2〜1−8)
実施例1−1の電解質シートにおいて、ポリマの種類及び/又は混合比を表4に示したものに変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。表4において、ポリマの略称は以下のものを示し、ポリマの混合比は質量比を意味する。
PVDF:ポリフッ化ビニリデン
PVDF−HFP+PAN+PVC:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマと、ポリアクリロニトリルと、ポリ塩化ビニルとの混合物
Figure 0006562184
Figure 0006562184
Figure 0006562184
Figure 0006562184
[電解質シートの評価]
実施例及び比較例に係る電解質シートの特性について、以下の項目を評価した。結果を表5に示す。
(導電率)
電解質シートの調製工程におけるスラリに市販の導電率計を投入し、25℃の条件で導電率を測定した。
(スラリの性状)
電解質シートの調製工程におけるスラリの性状について、ゲル化の有無を目視により確認した。スラリ作製後に、ドライルーム内にてスラリを放置し、5時間経過後、スラリの少なくとも一部が固化(ゲル化)していない場合は、ゲル化していないと判定し、少なくとも一部が固化していれば、ゲル化していると判定した。スラリのゲル化は、ポリマと、電解質塩と、溶媒について、分散媒に対する相互の溶解性が低い場合に生じうる。ゲル化が生ずると電解質シートを薄層化することが困難になるため、ゲル化が生じない方がよい。表5においては、ゲル化したものを+、ゲル化しなかったものを−と示した。
(電解質組成物の表面性状)
電解質シートにおいて、電解質組成物の表面性状を目視により確認した。電解質組成物の表面は、平滑であり、凹凸及び欠損部分がないことが好ましい。表5においては、凹凸を有していたものを+、凹凸を有しなかったものを−と示した。
(破断の有無)
電解質シートにおいて、電解質層の端部を基材から剥離する際の破断の有無を目視により評価した。表5においては、破断が生じたものを+、破断が生じなかったものを−と示した。
(液漏れの有無)
電解質シートに荷重を加えた際の、溶媒による液漏れの有無を評価した。切断した電解質シートに、樹脂フィルム(厚さ25μmのポリエチレンテレフタレート製フィルム)を2kg/cmの荷重を加えながら押し付けた。このとき、液状の電解質組成物の付着有無を目視により評価した。表5においては、液漏れが生じたものを+、液漏れが生じなかったものを−とした。
Figure 0006562184
各材料の含有量を変化させた実施例1−1〜1−4における導電率を比較すると、電解質塩と溶媒の合計含有量((A)+(B))が多いほど、すなわち電解質塩の添加量が多いほど、導電率が増大する傾向があった。
実施例1−1に対して酸化物粒子の含有量を増加させ、(A)+(B)の含有量を減少させた実施例1−5は、実施例1−1に比べて電解質塩の含有量が減少したため導電率がやや低下したが、ほぼ同じ量の電解質塩を含有する実施例1−2よりも導電率が高かった。すなわち、酸化物粒子の含有量が増加することにより、導電性が更に向上することが分かった。
酸化物粒子の種類を変更させた実施例1−6〜1−13は、いずれの酸化物粒子を使用しても、0.6mS/cm以上の導電率を有していた。
酸化物粒子の平均粒径を変化させた実施例1−14〜1−16については、実施例1−1を含めて比較すると、酸化物粒子の平均粒径が0.1μmから3μmである実施例1−14と実施例1−15はほぼ同等の導電率を示し、6μmである実施例1−16の導電率はやや低下する傾向が認められた。この結果より、平均粒径6μm程度までの酸化物粒子を用いることにより強度と導電性に優れた電解質シートを得ることができるが、導電率を更に向上させるためには平均粒径を1μm以下にすることが望ましいことがわかる。
ポリマ中のヘキサフルオロプロピレンの含有量を変化させた実施例1−17〜1−18については、実施例1−1を含めて比較すると、ヘキサフルオロプロピレンの含有量が多いほど、導電率が増大する傾向にある。
溶媒の種類を変更した実施例1−19〜1−22のうち、実施例1−21及び1−22では、導電率が1mS/cmを超えていた。
ポリマの種類を変更した実施例1−23〜1−30については、第1の構造単位及び第2の構造単位からなる3種類のポリマを用いた実施例1−28において、導電率が最も高かった。
酸化物粒子を含有しない比較例1−1の導電率は、実施例1−1〜1−30よりも劣っていた。
第2の構造単位を含有しないポリマを使用した比較例1−2、及び、第1の構造単位及び第2の構造単位が含まれるポリマの含有量が、ポリマ全量基準で90質量%以下である比較例1−3〜1−7の導電率は、実施例1−1〜1−30より劣っていた。また、比較例1−2〜1−7におけるスラリはゲル化し、電解質組成物の表面に凹凸が生じた。液漏れに関しては、第1の構造単位を含有するポリマ(PVDF−HFP)の含有量が大きいほど、液漏れがしにくいが、比較例1−6のように含有量が少なくなると、液漏れが生じた。第2の構造単位の含有量に対する第1の構造単位の含有量の質量比が50/50より小さい比較例1−8においては、電解質組成物の表面に凹凸が生じた。
<試験例2>
(実施例2−1)
[電解質シートの作製]
PVDF−HFP(フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロピレン(質量比)=95/5)を21質量%と、酸化物粒子であるSiO粒子(平均粒径0.1μm)を14質量%と、電解質塩であるリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Li[TFSI])をイオン液体(N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(DEME−TFSI)に、電解質塩が1.5mol/Lの濃度となるように溶解させた電解質溶液65質量%とを、分散媒であるNMPに分散させ、電解質組成物を含むスラリを調製した。得られたスラリを、ポリエチレンテレフタレート製の基材に塗布し、加熱して分散媒を揮発させることにより電解質シートを得た。得られた電解質シートにおける電解質層の厚さは、25±2μmであった。以下、電解質塩を溶解させたイオン液体の組成を表す際に、「リチウム塩の濃度/リチウム塩の種類/イオン液体の種類」のように表記することがある。
[リチウムイオン二次電池の作製]
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(正極活物質)78.5質量部、アセチレンブラック(導電剤、製品名:HS−100、平均粒径48nm、デンカ株式会社製)5質量部、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ溶液(固形分12質量%)2.5質量部と、電解質塩を溶解させたイオン液体(1.5mol/L/Li[FSI]/Py13−FSI)を14質量部と、を混合して正極合剤スラリを調製した。この正極合剤スラリを正極集電体(厚さ20μmのアルミニウム箔)上に塗工量125g/mで塗工し、80℃で加熱して乾燥させることにより、合剤密度2.7g/cmの正極合剤層を形成した。これを幅30mm、長さ45mmに切断して正極板とし、図2に示すようにこの正極板に正極集電タブを取り付けた。
黒鉛1(負極活物質、日立化成株式会社製)78質量部、黒鉛2(日本黒鉛工業株式会社製)2.4質量部、炭素繊維(導電剤、製品名:VGCF−H、昭和電工株式会社製)0.6質量部、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンのコポリマ溶液(固形分12質量%)5質量部、電解質塩を溶解させたイオン液体(1.5M/Li[FSI]/Py13−FSI)14質量部を混合して負極合剤スラリを調製した。この負極合剤スラリを集電体(厚さ10μmの銅箔)上に塗工量60g/mで塗工し、80℃で加熱して乾燥させることにより、合剤密度1.8g/cmの負極合剤層を形成した。これを幅31mm、長さ46mmに切断して負極板とし、図2に示すようにこの負極板に負極集電タブを取り付けた。
作製した正極板と負極板との間に、電解質シートから基材を剥離して配置し、積層状の電極群を作製した。
上記電極群を、図1に示すように、アルミニウム製のラミネートフィルムで構成された電池外装体内に収容した。この電池外装体内に、上記の正極集電タブと負極集電タブとを外部に取り出すようにして電池容器の開口部を封口し、実施例2−1のリチウムイオン二次電池を作製した。なお、アルミニウム製のラミネートフィルムは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム/アルミニウム箔/シーラント層(ポリプロピレン等)の積層体である。作製したリチウムイオン二次電池の設計容量は20mAhであった。
(実施例2−2〜2−3)
電解質シートにおいて、電解質支持材(電解質塩及び溶媒以外の材料)の含有量に対する電解質(電解質塩及び溶媒)の含有量の質量比(電解質の含有量/電解質支持材の含有量)を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−4〜2−5)
電解質シートにおいて、電解質における電解質塩の濃度を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−6〜2−7)
電解質シートにおいて、電解質における電解質塩及び溶媒を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−8)
電解質シートにおいて、酸化物粒子の平均粒径を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−9〜2−10)
電解質シートにおいて、酸化物粒子の含有量に対するポリマの含有量の質量比(ポリマの含有量/酸化物粒子の含有量)を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−11〜2−12)
電解質シートにおいて、ポリマにおける構造単位の質量比を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−13)
電解質シートにおいて、酸化物粒子の平均粒径、電解質塩の種類、溶媒の種類、及び、電解質の含有量/電解支持材の含有量を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−14)
電解質シートにおいて、酸化物粒子の平均粒径を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−13と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−15)
電解質シートにおいて、電解質の含有量/電解支持材の含有量(質量比)を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−13と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−16〜2−17)
電解質シートにおいて、ポリマの含有量/酸化物粒子の含有量(質量比)、及び、電解質の含有量/電解支持材の含有量(質量比)を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−13と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−18)
電解質シートにおいて、イオン液体の種類を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−13と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−19)
電解質シートにおいて、酸化物粒子の平均粒径を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−18と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(実施例2−20)
電解質シートにおいて、電解質の含有量/電解支持材の含有量を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−18と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
Figure 0006562184
Figure 0006562184
[電解質シートの評価]
実施例2−1〜2−20において作製した電解質シートについて、試験例1と同様の方法により、導電率、スラリの性状、電解質組成物の表面性状、及び液漏れの有無を評価した。結果を表8に示す。
[リチウムイオン二次電池の初期特性の評価]
上記の実施例2−1〜2−20に係るリチウムイオン二次電池を、充放電装置(BATTERY TEST UNIT、株式会社IEM製)を用いて、25℃において電流値0.2C、充電終止電圧4.2Vで定電流充電を行った。15分間休止後、電流値0.2C、放電終止電圧2.7Vで定電流放電した。上記の充放電条件で充放電を3回繰り返し、3回目の放電容量(初期容量)を測定した。以下の式(9)からリチウムイオン二次電池の初期特性を算出した。結果を表8に示す。
初期特性(%)=(初期容量/設計容量)×100 (9)
Figure 0006562184
<試験例3(参考)>
電解質組成物に含まれる酸化物粒子の平均一次粒径と、シート状に形成された電解質組成物の引張強度及び放電レート特性との関係を調べるために、下記の試験を実施した。
(参考例3−1)
[電解質シートの作製]
PVDF−HFP(フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロピレン(質量比)=95/5)と、酸化物粒子であるSiO粒子(平均一次粒径約1μm、製品名:AEROSIL SO−C4、日本アエロジル株式会社製)と、乾燥アルゴン雰囲気下で乾燥したリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)をテトラグライム(テトラエチレングリコールジメチルエーテル、G4)に、電解質塩が2.3mol/Lの濃度となるように溶解させた電解質溶液とを、分散媒であるNMPに分散させ、電解質組成物を含むスラリを調製した。このスラリに、電解質溶液を更に添加して混合し、ポリマと、酸化物粒子と、電解質溶液との質量比を、ポリマ:酸化物粒子:電解質溶液=30:20:50とした。その後、NMPを更に加えて粘度を調節し、このスラリをポリエチレンテレフタレート製の基材(製品名:テオネックスR−Q51、帝人デュポンフィルム株式会社製、厚さ38μm)上にアプリケータを用いて塗布した。塗布したスラリを100℃で2時間加熱乾燥することにより、分散媒を揮発させて、電解質シートを得た。
[評価用コイン型電池の作製]
正極活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3が含まれる正極、電解質シート、負極活物質として天然黒鉛が含まれる負極を用いて評価用コイン型電池を作製した。正極、電解質シートから基材を剥離して得た電解質層、負極をこの順に重ね、CR2016型のコインセル容器内に配置した後、電解質シートの作製に用いたスラリと同じ組成の液(電解液)を少量添加し、絶縁性のガスケットを介して電池容器上部をかしめて密閉した。なお、電解液は、正極および負極の空隙体積の130〜200%になるように添加した。電極合剤層の空隙体積は、集電体を除く電極合剤層の見かけ体積(面積×厚さ)を測定した後、下式に従ってそれぞれ計算した。
正極合剤層の空隙体積=正極合剤層の見かけ体積−(正極活物質の質量/正極活物質の真密度)−(導電剤の質量/導電剤の真密度)−(バインダの質量/バインダの真密度)
負極合剤層の空隙体積=負極合剤層の見かけ体積−(負極活物質の質量/負極活物質の真密度)−(導電剤の質量/導電剤の真密度)−(バインダの質量/バインダの真密度)
(参考例3−2)
電解質シートにおいて、酸化物粒子を、表面処理(フェニルアミノシラン処理)がなされたSiO粒子(平均一次粒径約1μm、製品名:AEROSIL SX−C7、日本アエロジル株式会社製)を用いた以外は、実施例3−1と同様の方法により評価用コイン型電池を作製した。
(参考例3−3)
電解質シートにおいて、酸化物粒子を、平均一次粒径の異なるSiO粒子(平均一次粒径約2μm、製品名:AEROSIL SO−C6、日本アエロジル株式会社製)を用いた以外は、実施例3−1と同様の方法により評価用コイン型電池を作製した。
(参考例3−4)
電解質シートにおいて、酸化物粒子を、平均一次粒径の異なるSiO粒子(平均一次粒径約0.04μm、製品名:AEROSIL OX−10、日本アエロジル株式会社製)を用いた以外は、実施例3−1と同様の方法により評価用コイン型電池を作製した。
[電解質シートの評価]
(引張強度)
得られた電解質シートを幅5mmにカットし、チャックで挟んだ後、長さ20mmとなるように台座にテープで固定した。そして、フォースゲージ(日本電産シンポ株式会社製、FGP−5)を用いることによって電解質シートを引張り、電解質シートが破断したときの強度を測定した。結果を表9に示す。
[評価用コイン型電池の放電レート特性の評価]
得られたコイン型電池について、25℃での放電レート特性を、充放電装置(東洋システム株式会社製)を用いて以下の充放電条件の下で測定した。
(1)終止電圧4.2V、0.05Cで定電流定電圧(CCCV)充電を行った後、0.05Cで終止電圧2.7Vまで定電流(CC)放電するサイクルを2サイクル行った。なお、Cとは「電流値(A)/電池容量(Ah)」を意味する。
(2)次いで、終止電圧4.2V、0.05Cで定電流定電圧(CCCV)充電を行った後、0.1Cで終止電圧2.7Vまで定電流(CC)放電、するサイクルを1サイクル行った。さらに1サイクルごとに定電流(CC)放電のレートを0.2、0.3、0.5、1.0Cと変化させ、放電レート特性を評価した。0.05Cに対する0.2Cの放電レート特性を表9に示す。
Figure 0006562184
1…二次電池、6…正極、7…電解質層、8…負極、13A,13B…電解質シート、14…基材。

Claims (13)

  1. 1種又は2種以上のポリマと、
    無機酸化物粒子と、
    リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、
    下記式(1)で表されるグライム及びイオン液体からなる群より選ばれる少なくとも1種の溶媒と、を含有する電解質組成物であって、
    前記1種又は2種以上のポリマを構成する構造単位の中には、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれ、
    前記1種又は2種以上のポリマの含有量は、前記電解質組成物に含まれるポリマ全量基準で、90質量%を超え、
    前記1種又は2種以上のポリマにおいて、前記第2の構造単位の含有量に対する前記第1の構造単位の含有量の質量比は、50/50以上である、電解質組成物。
    O−(CH CH O) −R (1)
    [式(1)中、R 及びR は、それぞれ独立に、炭素数4以下のアルキル基又は炭素数4以下のフルオロアルキル基を表し、kは1〜6の整数を表す。]
  2. 前記ポリマとして、前記第1の構造単位と前記第2の構造単位との両方を含むコポリマを含有する、請求項1に記載の電解質組成物。
  3. 前記ポリマとして、前記第1の構造単位を含む第1のポリマと、前記第2の構造単位を含む第2のポリマとの少なくとも2種のポリマを含有する、請求項1に記載の電解質組成物。
  4. 前記ポリマの含有量が、前記電解質組成物全量を基準として3〜50質量%である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  5. 前記無機酸化物粒子が、SiO、Al、AlOOH、MgO、CaO、ZrO、TiO、LiLaZr12、及びBaTiOからなる群より選ばれる少なくとも1種の粒子である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  6. 前記無機酸化物粒子の含有量が、前記電解質組成物全量を基準として、5〜40質量%である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  7. 前記溶媒が前記式(1)で表されるグライムである、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  8. 前記溶媒が前記イオン液体である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  9. 前記イオン液体が、カチオン成分として、鎖状四級オニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、及びイミダゾリウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有し、
    前記イオン液体が、アニオン成分として、下記式(2)で表されるアニオン成分の少なくとも1種を含有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の電解質組成物。
    N(SO2m+1)(SO2n+1 (2)
    [m及びnは、それぞれ独立に0〜5の整数を表す。]
  10. 前記電解質塩と前記溶媒との合計の含有量が、前記電解質組成物全量を基準として、25〜70質量%である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  11. シート状に形成された、請求項1〜10のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  12. 正極と、
    負極と、
    前記正極及び前記負極の間に設けられた、請求項1〜11のいずれか一項に記載の電解質組成物からなる電解質層と、を備える二次電池。
  13. 1種又は2種以上のポリマと、無機酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種である電解質塩と、下記式(1)で表されるグライム及びイオン液体からなる群より選ばれる少なくとも1種である溶媒と、分散媒と、を含有するスラリを基材上に配置する工程と、
    前記分散媒を揮発させて前記基材上に電解質層を形成する工程と、を備え、
    前記1種又は2種以上のポリマを構成する構造単位の中には、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれ、
    前記1種又は2種以上のポリマの含有量は、前記スラリの固形分に含まれるポリマ全量基準で、90質量%を超え、
    前記1種又は2種以上のポリマにおいて、前記第2の構造単位の含有量に対する前記第1の構造単位の含有量の質量比は、50/50以上である、電解質シートの製造方法。
    O−(CH CH O) −R (1)
    [式(1)中、R 及びR は、それぞれ独立に、炭素数4以下のアルキル基又は炭素数4以下のフルオロアルキル基を表し、kは1〜6の整数を表す。]
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