JP6582454B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
また、芳香族系高分子骨格に水酸基部位を導入し電荷を蓄える手法についても提案されている(特許文献7及び8参照)。
また、前記特許文献7及び8に記載の手法では、用いられる電極活物質が不安定な金属塩であり、かつ充放電過程で形成される構造が不安定であるため、放電容量及びサイクル特性の向上に課題がある。
本発明の二次電池は、下記一般式1及び下記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーを電極活物質として用いることを特徴とする。
前記芳香族炭化水素化合物由来の置換基としては、例えば、フェニル、ビフェニル、ナフタレン、アントラセン、フルオレン、ピレンなどが挙げられる。
前記複素環芳香族炭化水素化合物由来の置換基としては、例えば、ピリジン、キノリン、チオフェン、フラン、オキサゾール、オキサジアゾール、カルバゾールなどが挙げられる。
前記芳香族炭化水素化合物由来の置換基及び前記複素環芳香族炭化水素化合物由来の置換基は、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ヒドロキシル基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子のハロゲン原子などにより更に置換されていてもよい。
前記mは、Arの重合度を示し、0又は1以上の自然数を表し、0又は10〜1,000が好ましい。
前記n及びmが、10以上であると、前記ポリマーの数平均分子量が適切となり、二次電池の電解液に溶解せず、結果として二次電池の機能が良好となる。
前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーの数平均分子量は、2,000以上が好ましく、2,000〜50,000がより好ましい。
前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーを電極活物質として用いることにより、エネルギー密度が大きく、サイクル特性の良好な二次電池を得ることができる。前記二次電池は、電極活物質として用いる前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーが安定化されているので、充放電サイクルが安定化し、寿命が長くなる。
下記反応式1に示すように、前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーは二次電池内での酸化反応により、キノンへと変化する。次に、下記反応式2に示すように、キノンはリチウムイオンと反応し、二次電池用正極活物質として機能する。即ち、2つのリチウムイオンと外部回路を通った2電子がキノンと反応することで二次電池として電子を放出し(放電)、逆の反応が進行することで二次電池として電子を蓄える(充電)。この充放電機構を繰り返すことで二次電池の充放電が成立する。
前記正極は、正極集電体と正極活物質を含有する正極層とからなり、前記負極は、負極集電体と負極活物質を含有する負極層とからなる。
前記電極層は、正極の電極層と負極の電極層とからなり、それぞれの電極層は、電極活物質を含有しており、好ましくは、電極活物質と、結着剤と、導電助剤とを含有し、更に必要に応じて、その他の成分金属酸化物や酸化還元化合物などの添加剤を含有してなる。
前記電極活物質としては、正極活物質及び負極活物質の少なくともいずれかである。
前記電極活物質は、前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーを含む。
前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーは、正極及び負極のいずれの電極活物質としても使用できるが、一般的に負極に用いられる材料のエネルギー密度の観点から、正極活物質として使用することが好ましい。
前記負極活物質の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、リチウム金属では薄膜状のもの以外に、バルク状のもの、粉末を固めたもの、繊維状のもの、フレーク状のものなどが挙げられる。
前記酸化還元化合物の具体例としては、例えば、下記式(R−1)〜(R−12)で示される化合物が挙げられる。なお、式中のnは、繰り返し単位数を表す自然数である。
前記結着剤は、各構成材料間の結びつきを強めるために含有されている。
前記結着剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリプロピレン、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレン、ポリイミド、各種ポリウレタンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記結着剤の含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、5質量%〜20質量%が好ましい。
前記導電助剤は、集電体と電極活物質間の電子のやり取りを助けるために含有されている。
前記導電助剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、C60、C70等のフラーレン;単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、グラフェン等のナノカーボン類;ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック類;比表面積の大きい活性炭、メソポーラスカーボン、気相成長させた炭素繊維などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記導電助剤の含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記結着剤100質量部に対して、100質量部〜800質量部が好ましい。
前記集電体は、導電体で形成され電池の電極から発生する電荷を集めることができる部材であり、正極集電体と負極集電体がある。
前記集電体の形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記集電体の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ニッケル、アルミニウム、銅、金、銀、アルミニウム合金、ステンレス等の金属箔、金属平板、メッシュ状電極、炭素電極などが挙げられる。なお、前記電極活物質と前記集電体とを化学結合させてもよい。
前記電解質は、負極と正極との両極間の荷電担体輸送を行うものであり、一般に室温(25℃)で10−5S/cm〜10−1S/cmのイオン伝導性を有している。
前記電解質としては、例えば、電解質塩を溶剤に溶解した電解液を用いることができる。
前記電解質塩としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、Li(CF3SO2)3C、Li(C2F5SO2)3Cなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記電解質塩の含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.5mol/L〜3.0mol/Lが好ましく、0.5mol/L〜2.0mol/Lがより好ましい。
前記溶剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、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、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤;トリメチルプロピ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、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−ブチルピリジニウムテトラフルオロボレート、1−メチル−1−プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−メチル−1−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)イミド等のアンモニウム系、イミダゾリウム系、ピリジニウム系、ピペリジニウム系、ピロリジニウム系イオン液体を用いることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記電解質として固体電解質を用いることもできる。
前記固体電解質に用いられるポリマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−モノフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン三元共重合体等のフッ化ビニリデン系重合体;アクリロニトリル−メチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ビニルアセテート共重合体等のアクリルニトリル系重合体;ポリエチレンオキサイド、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、又はこれらのアクリレート体やメタクリレート体の重合体などが挙げられる。
なお、前記固体電解質は、これらのポリマーに電解液を含ませてゲル状にしたものを用いても、前記ポリマーのみでそのまま用いてもよい。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記セパレータは、正極と負極の短絡を防ぐために前記正極と前記負極の間に設けられる。
前記セパレータの材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、紙、セロハン、ポリオレフィン不織布、ポリアミド不織布、ガラス繊維不織布などが挙げられる。前記紙としては、例えば、クラフト紙、ビニロン混抄紙、合成パルプ混抄紙などが挙げられる。
前記セパレータの形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シート状などが挙げられる。
前記セパレータの構造は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。
前記セパレータの大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータは、電解質を含ませて構成することも好ましい。なお、前記電解質として、イオン伝導性高分子等の固体電解質を用いる場合には、前記セパレータそのものを省略することもできる。
前記外装容器の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、銅、ステンレス鋼、ステンレス鋼又は鉄にニッケルなどのめっきを施した金属などが挙げられる。
前記外装容器の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、周囲が反り上がった底の浅い皿状、有底円筒形、有底角柱状などが挙げられる。
前記外装容器の構造は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。前記積層構造としては、例えば、ニッケル、ステンレス鋼、及び銅の三層構造などが挙げられる。
前記外装容器の大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
本発明の二次電池は、図1に示したように、外装容器6の中には、負極集電体3、負極層1、電解質を含んだセパレータ5、正極層2、及び正極集電体4がこの順に積層されている。
本発明の二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池が好適である。
前記二次電池の用途としては、特に制限はなく、各種用途に用いることができ、例えば、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、スマートフォン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ等の電源、バックアップ電源などが挙げられる。
合成例1において、前記2,3−ジヒドロキシナフタレンを、表1に示すジヒドロキシナフタレン及び/又はArに代えた以外は、合成例1と同様にして、化合物2〜10のポリマーを合成した。なお、ホモポリマーの場合にはジヒドロキシナフタレンのみから、コポリマーの場合にはジヒドロキシナフタレン及びArから構成される。
続いて、60℃に設定したオイルバスに容器を移動し24時間攪拌した。反応終了後、反応溶液を200mLの水に投じ、析出した固体をろ別し、60℃で12時間減圧乾燥させた。
続いて、得られた固体を200mL三口フラスコに移し、ジクロロメタン50mlを加え溶解させた。攪拌しているところへ1molの三臭化ホウ素ジクロロメタン溶液5.8mLを30分間かけて滴下した。滴下終了後、室温下で2時間攪拌した。反応終了後、反応溶液を氷水300mLへ慎重に加え、30分間攪拌した。析出した固体をろ別し、ろ液のpHが6付近になるまで攪拌洗浄を繰り返し、60℃で12時間減圧乾燥することにより、目的物である化合物11のポリマーとしてのポリ(2,3−ジヒドロキシナフタレン)−co−ポリ(チオフェン)を得た。得られた茶色固体は0.15g(収率78.9%)であった。
合成例11において、前記4−ジブロモ−2,3−ジメトキシナフタレン及びArとしての2,5−ジブロモチオフェンを、表2に示すジヒドロキシナフタレン及びArに代えた以外は、合成例11と同様にして、化合物12〜22のポリマーの合成を行った。なお、Meはメチル基を表す。
<二次電池の作製>
−正極の作製−
前記化合物1のポリマーと、導電助剤としてのアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製、デンカブラック)と、結着剤としてのポリ(フッ化ビニリデン)(株式会社クレハ製、KFポリマーL#1120)とを混合した。そこに、N−メチルピロリドン(関東化学株式会社製、脱水溶剤)を17mL加え、全体が均一になるまで混練して黒色のペーストを得た。なお、混合質量比は、化合物1のポリマー:導電助剤:結着剤=2:6:2とした。
次に、電解質として1.0mol/LのLiPF6を含むエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート混合溶液(体積比1:2)を400μL充填した。
最後に、ステンレス鋼製の外装容器の蓋を被せ、密閉した。以上により、実施例1の二次電池を作製した。
<二次電池の作製>
実施例1において、前記化合物1のポリマーを、表3の実施例2〜15の欄に示す化合物No.のポリマー(上記例示ポリマー)に代えた以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜15の二次電池を作製した。
<二次電池の作製>
実施例1において、前記化合物1のポリマーを、下記比較化合物1〜4のポリマーに代えた以外は、実施例1と同様にして、比較例1〜4の二次電池を作製した。
実施例及び比較例の各二次電池について、定電流(1Cレート;1Cレートとは二次電池の全容量を1時間かけて充電又は放電する電流値)下で、カットオフ電圧を充電4.5V、放電1.4Vとして充放電を行った。その結果、表3に示す正極活物質あたりの放電容量を確認した。なお、正極活物質あたりの放電容量は自動電池評価装置(1024B―7V0.1A−4、エレクトロフィールド社製)により測定した。なお、図2に、実施例1及び比較例1の二次電池の1C充放電200サイクル目の電圧−放電容量をプロットした図を示した。
これに対し、前記比較化合物1〜3のポリマーを正極活物質として用いた比較例1〜3の二次電池は理論的に蓄えられる容量が大きいが実際の放電容量は小さい。前記比較化合物4のポリマーを正極活物質として用いた比較例4の二次電池は理論的に蓄えられる容量が大きいが、母核がベンゼン環1つであるためLiが配位した際の共鳴安定化の寄与が小さく、二次電池内での副反応が生じ、放電容量は小さい。
<電極層の屈曲試験>
実施例1〜15で作製した各電極層を用い、JIS−K5600 5−1耐屈曲性(円筒形マンドレル)に記載された試験法で屈曲試験を行った。マンドレルの直径を10mmから2mmまで1mm間隔で変えて試験を行い、最初にクラックが生じたマンドレルの直径を記録した。なお、クラックの発生の有無の観察は目視で行い、下記の基準で評価した。結果を表4に示した。マンドレルの直径の値が大きいほど、柔軟性に乏しい。
[評価基準]
◎:2mm以下でもクラックが生じなかった電極
○:3mm以上5mm以下の間でクラックが生じた電極
△:6mm以上8mm以下の間でクラックが生じた電極
×:9mm以上でクラックが生じた電極
<電極層の屈曲試験>
実施例1において、前記化合物1のポリマーを、下記構造式で示される比較化合物5及び6に代えた以外は、実施例1と同様にして、比較例5及び6用電極を作製した。作製した電極を用い、前記実施例16〜30と同様にして、屈曲試験を行った。結果を表4に示した。
<二次電池の作製>
実施例1において、正極として用いた電極を負極として使用し、前記正極としては、実施例1における化合物No.1のポリマーをLiCoO2(Strem Chemicals Inc.製)とした正極を使用した以外は、実施例1と同様にして、実施例31の二次電池を作製した。
<二次電池の作製>
実施例31において、負極活物質として用いた化合物No.1のポリマーを比較化合物4とした以外は、実施例31と同様にして、比較例7の二次電池を作製した。
実施例31及び比較例7の各二次電池について、定電流(1Cレート;1Cレートとは二次電池の全容量を1時間かけて充電又は放電する電流値)下で、カットオフ電圧を充電4.3V、放電3.0Vとして充放電を行った。その結果、表5に示す負極活物質あたりの放電容量を確認した。なお、負極活物質あたりの放電容量は自動電池評価装置(1024B―7V0.1A−4:エレクトロフィールド社製)により測定した。なお、図3に、実施例31及び比較例7の二次電池の1C充放電150サイクル後の電圧−放電容量をプロットした図を示した。
<1> 電極活物質が、下記一般式1及び下記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーを含むことを特徴とする二次電池である。
<一般式1>
<2> 正極と、負極と、電解質とを有してなり、
前記正極の電極活物質及び前記負極の電極活物質の少なくともいずれかが、前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーを含む前記<1>に記載の二次電池である。
<3> 前記正極の電極活物質及び前記負極の電極活物質の少なくともいずれかが、前記一般式1で表される繰り返し単位を有するポリマーを含む前記<2>に記載の二次電池である。
<4> 前記正極の電極活物質が、前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーを含む前記<2>に記載の二次電池である。
<5> 前記一般式1及び前記一般式2中のArが、キノン化合物由来の置換基及びハイドロキノン化合物由来の置換基のいずれかである前記<1>から<4>のいずれかに記載の二次電池である。
<6> 前記一般式1及び前記一般式2中のArが、ジヒドロキシナフタレン由来の置換基である前記<1>から<5>のいずれかに記載の二次電池である。
<7> 前記一般式1及び前記一般式2中のmが、0である前記<1>から<6>のいずれかに記載の二次電池である。
<8> 前記一般式1及び前記一般式2中のnが、10〜1,000である前記<1>から<7>のいずれかに記載の二次電池。
<9> リチウムイオン二次電池である前記<1>から<8>のいずれかに記載の二次電池である。
2 正極層
3 負極集電体
4 正極集電体
5 セパレータ
6 外装容器
10 負極
11 正極
Claims (8)
- 電極活物質が、下記一般式1及び下記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
<一般式1>
- 正極と、負極と、電解質とを有してなり、
前記正極の電極活物質及び前記負極の電極活物質の少なくともいずれかが、前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーを含む請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記正極の電極活物質及び前記負極の電極活物質の少なくともいずれかが、前記一般式1で表される繰り返し単位を有するポリマーを含む請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記正極の電極活物質が、前記一般式1及び前記一般式2の少なくともいずれかで表される繰り返し単位を有するポリマーを含む請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記一般式1及び前記一般式2中のArが、キノン化合物由来の置換基及びハイドロキノン化合物由来の置換基のいずれかである請求項1から4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記一般式1及び前記一般式2中のArが、ジヒドロキシナフタレン由来の置換基である請求項1から5のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記一般式1及び前記一般式2中のmが、0である請求項1から6のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記一般式1及び前記一般式2中のnが、10〜1,000である請求項1から7のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
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