JPH10283839A - 高分子固体電解質、その製造方法及び該高分子固体電解質を採用したリチウム2次電池 - Google Patents
高分子固体電解質、その製造方法及び該高分子固体電解質を採用したリチウム2次電池Info
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Abstract
び該高分子固体電解質を採用したリチウム2次電池を提
供する。 【解決手段】 フッ化ビニリデン系樹脂及び/又はN,
N−ジエチルアクリルアミドを含むことを特徴とする。
これにより、イオン伝導性及び機械的強度が著しく向上
する。
Description
さらに詳細にはゲル型高分子固体電解質とその製造方法
及び該高分子固体電解質を採用したリチウム2次電池に
関する。
クPCなどの携帯用電子機器の軽量化及び高機能化に伴
って、その駆動用電源として用いられる電池に対する研
究が盛んに行われてきている。特に、充電可能なリチウ
ム2次電池は既存の鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電
池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などに比べて
単位重量当たりエネルギー密度が約3倍程度高く、急速
充電が可能なのでより多くの期待下で、全世界でこれに
対する研究が盛んに行われつつある。
てはリチウムコバルト酸化物(LiCoO2 )、リチウ
ムニッケル酸化物(LiNiO2 )、リチウムマンガン
酸化物(LiMnO4 )などが用いられており、陰極活
物質としてはリチウム金属やその合金、炭素材料などが
用いられている。
常液体電解質を用いた。しかし、電解質として液体電解
質を用いれば即ち、電解液漏れによって機器が損傷さ
れ、溶媒の揮発によって電池内部が乾燥してしまう以外
に、電極間に短絡が生じてしまう。このような問題点を
解決するために液体電解質の代わりに固体電解質を用い
る方法が提案された。固体電解質は通常電解液の漏れる
恐れがなく、加工し易いので盛んに研究されており、そ
の中でも特に高分子固体電解質に対する研究が盛んであ
る。現在に知らされた高分子固体電解質は有機溶媒が全
く含まれていない完全固体型と有機溶媒を含有したゲル
型とに分けられる。
がアクリロイル基と変性されたアルキレンオキシド重合
体、両末端がアルキルエーテル化された低分子量のアル
キレンオキシド重合体、ポリ塩化ビニル、電解質塩など
を組み合せてなる高分子固体電解質、末端がアクリロイ
ル基と変性されたアルキレンオキシイド重合体、無機イ
オン塩及びプロピレンカーボネートなどのような有機溶
媒を組み合せた高分子固体電解質などが知られている。
気化学的な特性、特にイオン伝導性が不良であり機械的
強度が弱いという短所がある。
ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を高分子マトリック
スとして用い、ここに支持電解質として過塩素酸リチウ
ム(LiClO4 )と、溶媒としてプロピレンカーボネ
ートの含まれた高分子固体電解質がある。しかし、この
電解質は常温におけるイオン伝導度が10-5〜10-3S
/cmと低く、よって電池に実際に適用し難い。
題点を解決して電解液の漏れがなく、イオン伝導度と機
械的強度に優れた高分子固体電解質を提供することにあ
る。
を製造する方法を提供することにある。
電解質を採用したリチウム2次電池を提供することにあ
る。
ために本発明は、高分子マトリックス、重合開始剤、電
解液よりなる高分子固体電解質媒体と、フッ化ビニリデ
ン系樹脂及び/又はN,N−ジエチルアクリルアミドと
を含め、前記高分子固体電解質媒体の高分子マトリック
スは、構造式(1) で示される重合性モノマーと構造式
(2) で示される架橋剤との共重合体よりなることを特徴
とする高分子固体電解質を提供する。
であり、R2 とR3 は相互独立的に水素原子、メチル、
エチル、プロピル、ジアルキルアミノプロピル[−C3
H6N(R’)2 、ここでR’はC1 〜C5 アルキル基
である]及びヒドロキシエチル(CH2 CH2 OH)基
よりなる群から選択され、R4 とR5 は相互独立的に水
素原子及びメチル基の中から選択され、nは3乃至30
の数である。
合性モノマーに、構造式(2) の架橋剤、重合開始剤及び
無機塩と溶媒とよりなる電解液を混合する段階と、(b)
前記混合物にフッ化ビニリデン系樹脂及び/又はN,N
−ジエチルアクリルアミドを添加して電解質組成物を製
造する段階と、(c) 前記電解質組成物を重合する段階と
を含むことを特徴とする高分子固体電解質の製造方法に
よって達成される。
であり、R2 とR3 は相互独立的に水素原子、メチル、
エチル、プロピル、ジアルキルアミノプロピル[−C3
H6N(R’)2 、ここでR’はC1 〜C5 アルキル基
である]及びヒドロキシエチル(CH2 CH2 OH)基
よりなる群から選択され、R4 とR5 は相互独立的に水
素原子及びメチル基の中から選択され、nは3乃至30
の数である。
はアセトンに溶解させて添加することが好ましい。
組成物を350nm以上の光源に5乃至30分間露出さ
せたり40乃至50℃で熱重合させることによってな
る。
よって形成された固体電解質を採用することによって機
械的強度、イオン伝導度などの性能が向上されたリチウ
ム2次電池によって達成される。
分子電解質媒体とフッ化ビニリデン系樹脂及び/又は
N,N−ジエチルアクリルアミド含むことを特徴とす
る。
ス、重合開始剤及び電解液を含む。ここで、前記高分子
マトリックスは側鎖にアミド基を有する前記構造式(1)
の重合性モノマーとオキシエチレン反復単位を有する前
記構造式(2) の架橋剤との共重合体よりなる。この際、
前記重合性モノマーの含有量は高分子電解質媒体の重量
を基準として10乃至15重量%であり、前記架橋剤の
含有量は5乃至15重量%である。
重量を基準として0.5乃至1.5重量%、電解液は6
8.5乃至84.5重量%よりなる。前記電解液に無機
塩は6乃至17重量%含まれている。
フッ化ビニリデン系樹脂とN,N−ジエチルアクリルア
ミドを添加することによって、高分子マトリックスの網
目構造内に有機電解液を多量に吸収させることができ、
よって高分子固体電解質のイオン伝導度と機械的強度が
向上する。ここで、フッ化ビニリデン系樹脂はそれ自体
が柔軟性に優れており、有機溶媒の保有能力が優秀なた
め高分子固体電解質に添加される場合電解質の機械的強
度とイオン伝導度を改善させる。またN,N−ジエチル
アクリルアミドも有機溶媒の保有能力に非常に優れてい
るのでこれを前記電解質に付け加えると電解質のイオン
伝導度が著しく改善される。
質媒体の重量を基準として1乃至9重量%含まれてお
り、前記N,N−ジエチルアクリルアミドは1乃至5重
量%含まれるのが望ましいが、これは前記範囲で電解質
の機械的強度及びイオン伝導度が最良であるからであ
る。
構成成分及びその特徴について説明する。
分子マトリックスとその網目構造の空間に含まれている
有機電解液とよりなる。この際、有機電解液は溶媒に無
機塩を含む。
(1) の重合性モノマーと構造式(2)の架橋剤とを共重合
させて得られた網目の高分子よりなる。このような高分
子を利用すれば、柔軟性、伸縮性かつ機械的強度が非常
に良好な高分子マトリックスが得られる。そして、網目
構造内の空間に多量の有機電解液を含有できるので電解
質のイオン伝導度が向上される。
であり、R2 とR3 は相互独立的に水素原子、メチル、
エチル、プロピル、ジアルキルアミノプロピル(−C3
H6N(R')2 、ここでR’はC1 〜C5 アルキル基であ
る)及びヒドロキシエチル(CH2 CH2 OH)基より
なる群から選択され、R4 とR5 は相互独立的に水素原
子及びメチル基の中から選択され、nは3乃至30の数
である。
の具体例としてアクリルアミド、N,N−ジメチルアク
リルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミド、N−イ
ソプロピルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプ
ロピルアクリルアミド、N−アクリロイルモルホリンな
どがある。その中でもN−イソプロピルアクリルアミド
とN−アクリロイルモルホリンが好ましい。
(2) の架橋剤はLiイオンの伝導特性が良好であり且つ
可塑性を有し、前記ビニルモノマーと容易に結合する。
このような架橋剤としては、ポリエチレングリコールジ
アクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレー
トなどが好適であり、これを前記構造式(2) に示した。
復単位の数が3乃至23の範囲の高分子がさらに望まし
い。オキシエチレン反復単位の数が3未満であれば電解
質のイオン伝導度が不良であり、逆にオキシエチレン反
復単位の数が23を超過すれば重合性モノマとの混合性
が低下されて電解質の機械的特性が劣化されるので望ま
しくない。
(1) の重合性モノマーと構造式(2)の架橋剤との重量比
は1:9乃至9:1であることが望ましい。
は、ポリフッ化ビニリデン又はフッ化ビニリデンと六フ
ッ化プロピレンとよりなる共重合体が望ましい。ここ
で、前記フッ化ビニリデンと六フッ化プロピレンとの混
合重量比は80:20乃至90:10であることが望ま
しいが、その理由は前記範囲内で柔軟性に優れており、
有機溶媒を保有する能力が優秀であるためである。
ンとの共重合体において、六フッ化プロピレンは溶媒に
対するフッ化ビニリデンの溶解度を改善する役割を果た
す。従って、フッ化ビニリデンのみを使用する場合には
溶媒に対する溶解度が不良であるが、六フッ化プロピレ
ンとフッ化ビニリデンとの共重合体を用いる場合は溶媒
に対する溶解度が良好である。
どの有機溶媒に溶かして添加すれば組成物内に均一に分
散されるので望ましい。このようにフッ化ビニリデン系
樹脂はアセトンなどの有機溶媒に溶かして添加すれば、
電解質のマトリックス用化合物と共重合される。そし
て、前記樹脂をそのまま組成物に添加すると、該樹脂は
マトリックス内に均一に分散されて電解液を吸収し、よ
って伝導度が上がる。また、前記樹脂は高分子マトリッ
クスの網目構造を補強させ、この結果、機械的強度も向
上される。
電率と極性が大きくて解離され易い非水溶性溶媒(第1
溶媒)と、高分子マトリックスとの親和性が優秀なので
マトリックス内に多量含まれている第2溶媒とを混合し
て用いる。
物などとの混合時に相分離現象が生じないものならいず
れも使用可能である。その中でもプロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、1,
3−ジオキソラン、ジメトキシエタン、ジメチルカーボ
ネート及びジエチルカーボネート、テトラヒドロフラン
(THF)、ジメチルスルホキシド及びポリエチレング
リコールジメチルエーテルよりなる群から選択された溶
媒を用いることが好ましい。
重合性モノマーが有するアミド基を含有した溶媒、例え
ば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチル
アセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド及びN,
N−ジエチルホルムアミドなどのような溶媒を用いる。
トリックスとの親和性に優れた第2溶媒を併用すれば高
分子マトリックス網目構造内に電解液が均一に分布さ
れ、電解液の粘度を下げることによって溶媒内に解離さ
れた支持電解質塩のイオン伝導性を向上させる。
1:3乃至3:1が望ましい。これは第1溶媒に対する
第2溶媒の混合体積比が前記範囲を越える時は、電解質
の機械的強度が著しく低下されて電池組立時電解質が破
れ易く、前記範囲未満であれば、電解質が固いだけでは
なくイオン伝導度が低下されて望ましくないからであ
る。
陰イオンとに解離される。解離されたイオンは、高分子
マトリックス内の空間で自由に移動して電解質の伝導度
を発現させるが、溶媒内で解離されたイオンの大きさ、
無機塩の解離特性、電極材料、高分子マトリックスとの
反応性などを考慮に入れて選定する。
(LiClO4 )、四フッ化硼酸リチウム(LiBF
4 )、三フッ化メチルスルホン酸リチウム(LiCF3
SO3)、六フッ化燐酸リチウム(LiPF6 )及びリ
チウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(Li
N(CF3 SO2 )2 )よりなる群から選択された少な
くとも一つのイオン性リチウムを用いることが好まし
い。この中でも六フッ化燐酸リチウム(LiPF6 )が
最適であるが、該リチウム塩が最も解離され易いからで
ある。
ブチロニトリル(AIBN)、アゾビス(2,4−ジメ
チルバレロニトリル)、アゾビス(4−メトキシ−2,
4−ジメチルバレロニトリル)、過酸化ベンゾイル、過
酸化アセチル、過酸化ラウリルなどの熱重合開始剤や2
−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン、1
−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、1−(4
−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチ
ルプロパン−1−オン、ベンジルジメチルケタール、ベ
ンゾインエチルエーテルなどのような光重合開始剤が用
いられる。
造方法を説明する。
式(2) の架橋剤、重合開始剤、有機溶媒及び無機塩を混
合する。
脂及び/又はN,N−ジエチルアクリルアミドを付け加
えて高分子固体電解質形成用組成物を備える。
合して本発明による高分子固体電解質を完成する。ここ
で、前記重合段階は350nm以上の光源を5乃至30
分間照射したり、または40乃至50℃の温度で熱重合
する過程を通じてなる。
分子固体電解質を採用したリチウム2次電池及びその製
造方法を説明する。
物、即ち、前記構造式(1) の重合性モノマー、構造式
(2) の架橋剤、重合開始剤、無機塩及び溶媒を含有して
いる電解液にフッ化ビニリデン系樹脂及び/又はN,N
−ジエチルアクリルアミドを添加した組成物を製造す
る。前記組成物にリチウムマンガン酸化物、リチウムニ
ッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物などのようなリ
チウム陽極活物質の中から選択された一つ及び導電剤を
添加した後、十分に混合する。
ィングした後、熱を加えてコンポジット陽極層を形成す
る。
高分子固体電解質組成物の混合物をコーティングし、熱
を加えてコンポジット陰極層を形成する。
質層及びコンポジット陽極層を重ねた後、熱処理または
所定圧力を加えて接合することで本発明によるリチウム
2次電池を完成する。
する。但し、本発明は下記実施例に限定されない。
レンカーボネート(三菱ケミカル社)とN,N−ジメチ
ルアセテートアミド[カント(Kanto) ケミカル社]を
1:1体積比で混合して電解液を製造した。
ロピルアクリルアミド(コジン(N-isopropylacrylamid
e) :コジン(Kojin) 社、以下、NIPAM)とポリエ
チレングリコールジメタクリレート(新中村ケミカル
社、n=23:以下、23G)を付け加えた後、ベンゾ
インエーテル(ナカライケミカル社)を混合した。
F)を別途の小さな瓶に入れてアセトン3mlを添加し
て溶解した後、これを前記混合物に混合した。
クリルアミド(DEAA)を付け加えて高分子固体電解
質組成物を得た。この際、前記各成分などの含量比は表
1に示したようである。
を約30分間照射して重合反応を施してゲル型の高分子
固体電解質を製造した。
ロイルモルホリンを用いたことを除いては実施例1と同
一方法で施してゲル型の高分子固体電解質を製造した。
施例1と同一方法で施してゲル型の高分子固体電解質を
製造した。
施例1と同一の方法で施してゲル型の高分子固体電解質
を製造した。
の体積比率を1:2としたことを除いては、実施例1と
同一の方法で施してゲル型の高分子固体電解質を製造し
た。
の体積比率を2:1としたことを除いては、実施例1と
同一の方法で施してゲル型の高分子固体電解質を製造し
た。
質の性能評価は次のような方法によって施した。
この試料を2枚のステンレス円板の間に固定させた後、
交流インピーダンス法を利用してイオン伝導度を測定し
た。
m、縦5cmの立方形の大きさに切断した後、これを直
径5mmのステンレス棒に巻いた。その後、前記フィル
ムを再度元の状態に回復させた。このようなテスト過程
を約10回繰返した後、フィルムの外観を肉眼で調べ
た。
極活物質材料40重量%と前記実施例によって製造され
た高分子固体電解質形成用組成物60重量%とを混合し
た後、メカニカルスターラ(mechanicalstirrer)を利用
して2時間攪拌した。その後、前記結果物をガラス板上
に約250μmの厚さに塗布した後、化学ランプを照射
して約40℃で30分間重合反応を施した。
た後、約250nmの厚さを有するゲル型フィルムを横
5cm、縦5cmの立方形の大きさに切断して試料を準
備した。この試料を直径5mmのステンレス棒に巻い
た。その後、前記フィルムを再び元の状態に回復させ
た。このようなテスト過程を約10回繰返した後、フィ
ルムの状態を肉眼で調べた。
つ。その後、濾過紙における電解液漏れを観察した。
11及び12によって製造された高分子電解質の性能を
示したものである。
〜12による高分子電解質はイオン伝導度が非常に向上
した。そして機械的強度が全般的に非常に良好であった
し、電解液漏れが全く観察されないことから、電解液保
有能力も非常に優秀であることが判った。
は高分子マトリックス内にイオン伝導度が高い有機電解
液を含有しているゲル型固体電解質であって、電解液が
全く漏れなく、柔軟性に優れているので所望の形状に加
工し易い。
利用して電池を製造すれば、電池製造工程中の加圧作用
及び熱的変化による劣化現象がほぼ生じなく、機械的特
性と電気化学的特性に優れたリチウム2次電池が得られ
る。
Claims (24)
- 【請求項1】 構造式(1) で示される重合性モノマーと
構造式(2) で示される架橋剤の共重合体とよりなる高分
子マトリックスと、 重合開始剤と、 無機塩と溶媒とよりなる電解液とを含む高分子電解質媒
体に、フッ化ビニリデン系樹脂及び/又はN,N−ジエ
チルアクリルアミドが含まれていることを特徴とする高
分子固体電解質。 【化1】 【化2】 前記式中、R1 は水素原子またはメチル基であり、R2
とR3 は相互独立的に水素原子、メチル、エチル、プロ
ピル、ジアルキルアミノプロピル[−C3 H6N
(R’)2 、ここでR’はC1 〜C5 アルキル基であ
る]及びヒドロキシエチル(CH2 CH2 OH)基より
なる群から選択され、R4 とR5 は相互独立的に水素原
子及びメチル基の中から選択され、nは3乃至30の数
である。 - 【請求項2】 前記高分子電解質媒体がフッ化ビニリデ
ン系樹脂とN,N−ジエチルアクリルアミドとを含むこ
とを特徴とする請求項1に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項3】 前記フッ化ビニリデン系樹脂の含量は高
分子電解質媒体の重量を基準として1乃至9重量%であ
ることを特徴とする特徴とする請求項1に記載の高分子
固体電解質。 - 【請求項4】 前記N,N−ジエチルアクリルアミドの
含量が高分子電解質媒体の重量を基準として1乃至5重
量%であることを特徴とする請求項1に記載の高分子固
体電解質。 - 【請求項5】 前記フッ化ビニリデン系樹脂はポリフッ
化ビニリデンであることを特徴とする請求項1に記載の
高分子固体電解質。 - 【請求項6】 前記フッ化ビニリデン系樹脂はフッ化ビ
ニリデンと六フッ化プロピレンとの共重合体であること
を特徴とする請求項1に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項7】 前記フッ化ビニリデンと六フッ化プロピ
レンとの混合重量比は80:20乃至90:10である
ことを特徴とする請求項6に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項8】 前記溶媒は誘電率の高い非水溶性溶媒と
アミド基を有する溶媒との混合溶媒よりなることを特徴
とする請求項1に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項9】 前記非水溶性溶媒とアミド基を有する溶
媒との混合体積比が1:3乃至3:1であることを特徴
とする請求項8に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項10】 前記非水溶性溶媒はプロピレンカーボ
ネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、
1,3−ジオキソラン、ジメトキシエタン、ジメチルカ
ーボネート、ジエチルカーボネート、テトラヒドロフラ
ン、ジメチルスルホキシド及びポリエチレングリコール
ジメチルエーテルよりなる群から選択された少なくとも
一つであることを特徴とする請求項8に記載の高分子固
体電解質。 - 【請求項11】 前記アミド基を有する溶媒がN,N−
ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミ
ド、N,N−ジメチルホルムアミド及びN,N−ジエチ
ルホルムアミドよりなる群から選択された少なくとも一
つであることを特徴とする請求項8に記載の高分子固体
電解質。 - 【請求項12】 前記無機塩が過塩素酸リチウム、四フ
ッ化硼酸リチウム、六フッ化燐酸リチウム、三フッ化メ
タンスルホン酸リチウム及びリチウムビストリフルオロ
メタンスルホニルアミドよりなる群から選択された少な
くとも一つであることを特徴とする請求項1に記載の高
分子固体電解質。 - 【請求項13】 前記重合開始剤が2−ヒドロキシ−2
−メチル−1−フェニルプロパン、1−ヒドロキシシク
ロヘキシルフェニルケトン、1−(4−イソプロピルフ
ェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−
オン、ベンジルジメチルケタール及びベンゾインエチル
エーテルよりなる群から選択された光重合開始剤である
か、又はアゾビスイソブチロニトリル、アゾビス(2,
4−ジメチルバレロニトリル)及びアゾビス(4−メト
キシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)よりなる群か
ら選択された熱重合開始剤であることを特徴とする請求
項1に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項14】 前記構造式(1) で示される重合性モノ
マーはアクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミ
ド、N,N−ジエチルアクリルアミド、N−イソプロピ
ルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプロピルア
クリルアミド及びN−アクリロイルモルホリンよりなる
群から選択された少なくとも一つであることを特徴とす
る請求項1に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項15】 前記構造式(2) の架橋剤はポリエチレ
ングリコールジアクリレートまたはポリエチレングリコ
ールジメタクリレートであることを特徴とする請求項1
に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項16】 前記構造式(1) の重合性モノマーと構
造式(2) の架橋剤との混合重量比が1:9乃至9:1で
あることを特徴とする請求項1に記載の高分子固体電解
質。 - 【請求項17】 前記構造式(1) の重合性モノマーは高
分子電解質媒体の重量を基準として10乃至15重量%
であることを特徴とする請求項1に記載の高分子固体電
解質。 - 【請求項18】 前記構造式(2) の架橋剤は高分子電解
質媒体の重量を基準として5乃至15重量%であること
を特徴とする請求項1に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項19】 前記重合開始剤は高分子電解質媒体の
重量を基準として0.5乃至1.5重量%であることを
特徴とする請求項1に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項20】 前記電解液は高分子電解質媒体の重量
を基準として68.5乃至84.5重量%であることを
特徴とする請求項1に記載の高分子固体電解質。 - 【請求項21】 前記無機塩は電解液の重量を基準とし
て6乃至17重量%であることを特徴とする請求項1に
記載の高分子固体電解質。 - 【請求項22】 (a) 請求項1又は3に記載の構造式
(1) の重合性モノマーに、構造式(2) の架橋剤、重合開
始剤及び無機塩と溶媒とよりなる電解液を混合する段階
と、 (b) 前記混合物にフッ化ビニリデン系樹脂及び/又は
N,N−ジエチルアクリルアミドを添加して電解質組成
物を製造する段階と、 (c) 前記電解質組成物を重合する段階とを含むことを特
徴とする高分子固体電解質の製造方法。 - 【請求項23】 前記(b) 段階で、フッ化ビニリデン系
樹脂はアセトンに溶解させて添加することを特徴とする
請求項22に記載の高分子固体電解質の製造方法。 - 【請求項24】 請求項1乃至21のいずれか一項に係
る高分子固体電解質を採用することを特徴とするリチウ
ム2次電池。
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