JPH11312535A - 固体電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
質を提供し、これにより固体電解質と正極、及び負極活
物質層との電気的な接触状態が良好な固体電解質二次電
池を提供する。 【解決手段】 正極及び負極と、これらの間に介在され
る固体電解質とを有してなる固体電解質二次電池であ
り、固体電解質は、重量平均分子量Mw550000以
上のフッ素系ポリマーをマトリクス高分子として含有す
る。重量平均分子量550000以上のフッ素系ポリマ
ーは、正極や負極の活物質層に対して優れた密着性を発
揮し、したがって、高分子固体電解質やゲル状電解質と
電極活物質層間が十分な密着強度をもって接合される。
塗料粘度の観点から、重量平均分子量Mw30万以上、
55万未満のフッ素系ポリマーを併用してもよい。
Description
に固体電解質(ゲル状電解質も含む。)を配設した固体
電解質二次電池に関するものであり、電池実使用時の性
能に関する項目である充放電サイクル寿命が長く、生産
性に優れた新規な固体電解質二次電池に関するものであ
る。
携帯用コンピューター等のポータブル電子機器が多く登
場し、その小型軽量化が図られている。そしてこれらの
電子機器のポータブル電源として、電池、特に二次電
池、なかでもリチウムイオン電池について、薄型や折り
曲げ可能な電池の研究開発が活発に進められている。
固体化した電解液の研究は盛んであり、特に可塑剤を含
んだ固体電解質であるゲル状の電解質や、高分子にリチ
ウム塩を溶かし込んだ高分子固体電解質が注目を浴びて
いる。
しては、シリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリ
ルゲル、ポリフォスファゼン変成ポリマー、ポリエチレ
ンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、及びこれら
の複合ポリマーや架橋ポリマー、変成ポリマーなどが各
種報告されているが、これらを用いた従来の二次電池
は、膜自身の強度が不十分なこと、及び固体電解質と電
極との密着性が良くないこと等のため、充放電電流の不
均一化が起こり、リチウムデンドライトが発生し易い。
そのため、このような二次電池は、充放電サイクル寿命
が短く、「長期間安定に使用できる。」という、製品化
する上での基本的かつ重要な要求項目を満たさないとい
う致命的な問題がある。
三官能性ポリエチレングリコールとジイソシアネート誘
導体の反応によって架橋したり(特開昭62−4871
6号公報)、ポリエチレングリコールジアクリレートの
重合反応によって架橋する方法(特開昭62−2859
54号公報)等が試みられているが、未反応物や反応の
際に用いる溶媒の残存のため、やはり電極との密着性を
十分に確保することは難しい。さらには、乾燥除去の工
程が不可欠であって生産性が低く、一層の改良が望まれ
ている。
固体電解質やゲル状電解質は、液状の電解質では実現で
きない優れた特徴を有する反面、これを電池に使用する
と電極に理想的な状態で接触させることが難しいという
問題が起こる。これは、固体電解質、ゲル状電解質が液
状の電解質のように流動しないからである。
極との接触状態は、電池性能に大きな影響を与える。す
なわち、両者の接触状態が悪いと、高分子固体電解質や
ゲル状電解質と電極との接触抵抗が大きくなって電池の
内部抵抗が大きくなる。さらに、高分子固体電解質やゲ
ル状電解質と電極との間で理想的な状態でイオンを移動
させることができず、電池容量も小さくなる。この状態
で長期間使用した場合、充放電電流の不均一化が起こ
り、リチウムデンドライトが発生し易くなる。
解質を使用する電池においては、高分子固体電解質やゲ
ル状電解質を電極の活物質層に十分な密着強度をもって
接合することが極めて重要である。
に、高分子固体電解質を添加した正極コンポジットを用
いることが特開平2−40867号公報に記載されてい
る。この公報に記載される電池は、高分子固体電解質の
一部を正極活物質層に混合することによって、高分子固
体電解質と正極活物質層との電気的な接触状態を改善す
るものである。
場合、高分子固体電解質を添加した正極コンポジットを
使用して正極板を製作し、この正極板に高分子固体電解
質を積層して作製しなければならず、正極板と固体電解
質との接触状態を理想的な状態にすることができない。
特に、表面に凹凸のある固体電解質を電極層に積層する
と、両者の密着性が悪く、内部抵抗が大きくなるため、
負荷特性が悪化する。また、高分子固体電解質やゲル状
電解質を添加した正極コンポジット、または負極コンポ
ジットは、高分子固体電解質やゲル状電解質の弾性のた
め、十分なプレスが難しく、コンポジット内の粒子間距
離が大きく、結果として内部抵抗を増加させてしまうた
め、やはり負荷特性が悪化する。さらに、高分子固体電
解質やゲル状電解質を添加した正極コンポジット、また
は負極コンポジットは、高分子固体電解質やゲル状電解
質に含まれる電解質塩の分解を防ぐため、低湿度下での
作製を強いられ、品質の管理が難しいだけでなく、多大
なコストを強いられる。
鑑みて提案されたものであり、電極活物質層との密着強
度に優れた固体電解質を提供し、これにより固体電解質
と正極、及び負極活物質層との電気的な接触状態が良好
な固体電解質二次電池を提供することを目的とする。
内の粒子間距離を理想的にすることができ、充放電サイ
クル寿命が長く、生産性に優れた固体電解質二次電池を
提供することを目的とする。
的を達成せんものと長期に亘り鋭意研究を重ねた結果、
固体電解質のマトリクス高分子として使用されるフッ素
系ポリマーの分子量が特性に大きく影響を与え、分子量
の大きなフッ素系ポリマーを用いることにより、高分子
固体電解質やゲル状電解質を電極の活物質層に十分な密
着強度をもって接合することができ、固体電解質やゲル
状電解質と正極及び負極活物質層との電気的な接触状態
を良好にし、充放電サイクル寿命が長く、生産性に優れ
た固体電解質二次電池が得られることを見いだすに至っ
た。
な知見に基づいて完成されたものであり、正極及び負極
と、これらの間に介在される固体電解質とを有してな
り、上記固体電解質は、重量平均分子量550000以
上のフッ素系ポリマーをマトリクス高分子として含有す
ることを特徴とするものである。
現は、いわゆる固体電解質は勿論、例えば高分子マトリ
クスを可塑剤で可塑化したゲル状の電解質も含むものと
する。したがって、本発明で言うところの固体電解質二
次電池は、ゲル状電解質二次電池も含む。
50000以上のフッ素系ポリマーをマトリクス高分子
として用いることを大きな特徴とするが、この重量平均
分子量550000以上のフッ素系ポリマーは、正極や
負極の活物質層に対して優れた密着性を発揮する。した
がって、高分子固体電解質やゲル状電解質と電極活物質
層間を十分な密着強度をもって接合することが可能であ
り、電極内の内部抵抗が減少され、良好な充放電サイク
ル特性が実現される。
池について詳述する。
ポリマーをマトリクス高分子として使用したものであ
る。
るフッ素系ポリマーとしては、例えばポリビニリデンフ
ルオロライド(ポリフッ化ビニリデン)や、ビニリデン
フルオライドとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ
ー、ビニリデンフルオライドとテトラフルオロエチレン
のコポリマー、ビニリデンフルオライドとトリフルオロ
エチレンのコポリマー等が挙げられるが、勿論、これら
に限定されるものではない。
ッ素系ポリマーは、重量平均分子量が550000以上
であることが必要であり、このフッ素系ポリマーの重量
平均分子量が550000未満であると、満足な密着強
度が得られない。なお、このフッ素系ポリマーにおいて
は、重量平均分子量30万以上から次第に密着強度が向
上するが、55万未満であると必ずしも密着強度は十分
とは言えない。確実に密着強度を確保するためには、重
量平均分子量Mwを55万以上とする必要がある。
は、55万以上であれば分子量が高いほど良いと考えら
れるが、300万以上では、現実的でない希釈率までポ
リマー比率を下げることとなる。固体またはゲル電解質
は電池に使用可能なエステル類、エーテル類、炭酸エス
テル類などを単独または可塑剤の一成分して用い高分子
化合物と電解質塩と溶媒、(ゲル電解質の場合は、さら
に可塑剤)からなる溶液を作成して、正極活物質層また
は負極活物質層に含浸させ、溶媒を除去し固体化するプ
ロセスをとるので、自ずと使用可能なエステル類、エー
テル類、炭酸エステル類などは限定されてしまう。この
限定された範囲のエステル類、エーテル類、炭酸エステ
ル類などでは、分子量が100万を越えるものに対して
の溶解性が不十分で好適な溶液を作成するのが困難とな
る。
平均分子量Mwの範囲としては、55万〜300万であ
ることが好ましく、55万〜100万であることがより
好ましい。
系ポリマーを用いる場合、粘度を下げて塗膜形成工程を
容易にするという観点から、重量平均分子量30万以
上、55未満のものを併用してもよい。ただし、この場
合、重量平均分子量55万以上のフッ素系ポリマーの割
合を30重量%以上とすることが好ましい。重量平均分
子量55万以上のフッ素系ポリマーの割合がこれよりも
低くなると、本来の目的である密着強度の確保が難しく
なる。
素系ポリマーは、過酸化物を用い、室温〜200℃の範
囲、300気圧以下の条件下でモノマーを重合すること
で得られる。工業的には、懸獨重合法や乳化重合法によ
り製造される。
散剤で媒体中に液滴として分散させ、モノマー中に溶解
した有機過酸化物を重合開始剤として重合させることに
より実施される。
単に「重合開始剤」と略す。)の存在下に水性体中で懸
濁重合するに際し、6フッ化プロピレン、4フッ化エチ
レン等から選ばれたモノマーを共重合成分として全単量
体の1〜7重量%使用し、共重合体とすることも可能で
ある。
レンの添加方法は、最初の仕込み時に一括して重合容器
に添加してもよいし、重合中にその一部あるいは全量を
分割あるいは連続的に後添加しても良い。
アセトン、酢酸イソプロピル、酢酸エチル、炭酸ジエチ
ル、炭酸ジメチル、焦性炭酸エチル、プロピオン酸、ト
リフロロ酢酸、トリフロロエチルアルコール、ホルムア
ルデヒドジメチルアセタール、1,3−ブタジエンエポ
キサイド、1,4−ジオキサン、β−ブチルラクトン、
エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等が挙げ
られるが、入手の容易さ、取り扱いの容易さを考慮する
と、アセトン、酢酸エチルが好ましい。
ルプロピルパーオキシジカーボネート(NPP)、ジイ
ソプロピルパーオキシジカーボネート等が挙げられる。
これら重合開始剤、連鎖移動剤は、所望の分子量となる
よう、その種類、量が選択され、それぞれ一種または二
種以上組合せて用いることが可能である。
の懸濁重合に用いられる部分鹸化ポリ酢酸ビニル、メチ
ルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキ
シプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセル
ロース等の水溶性セルロースエ−テル、アクリル酸系重
合体、ゼラチン等の水溶性ポリマーを例示できる。
その他助剤の仕込み方法としては、通常の懸濁重合にお
いて用いられる如何なる方法も採用することができる。
動剤、その他の助剤を仕込み、次いで減圧により脱気
し、その後モノマーを仕込み、撹拌を開始する。所定の
温度に昇温した後、その温度で重合を進行させ、重合転
化率が例えば10〜50%に達した時点で連鎖移動剤を
圧入し、更に重合を継続する。重合が進行し、例えば重
合転化率が80%以上に達した時点で未反応単量体を回
収し、次いで重合体を脱水、水洗、乾燥し、ポリマーを
得る。この際の、温度、圧力、反応時間を好適に制御す
ることにより、重量平均分子量55万以上の高分子量フ
ッ素系ポリマーを得ることができる。
媒(ゲル状電解質の場合は、さらに可塑剤)とともに固
体電解質、ゲル状電解質を構成し、正極と負極の間に介
在されるが、このとき、溶液状態で正極活物質層または
負極活物質層に含浸させ、溶媒を除去し固体化すること
が好ましい。これにより、その一部が正極活物質層また
は負極活物質層に含浸されて入り込み、より高い密着強
度が確保され、接合状態も良好なものとなる。
リクス高分子は、例えば2重量%以上〜30重量%以下
とされ、エステル類、エーテル類、炭酸エステル類等が
溶媒、または可塑剤の一成分として用られる。
電解質にはリチウム塩が含有されるが、かかるリチウム
塩としては、通常の電池電解液に用いられるリチウム塩
を使用することがでる。具体的には、塩化リチウム、臭
化リチウム、ヨウ化リチウム、塩素酸リチウム、過塩素
酸リチウム、臭素酸リチウム、ヨウ素酸リチウム、硝酸
リチウム、テトラフルオロほう酸リチウム、ヘキサフル
オロリン酸リチウム、酢酸リチウム、ビス(トリフルオ
ロメタンスルフォニル)イミドリチウム、LiAs
F6 、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3 、LiA
lCl4 、LiSiF6 等を挙げることができる。
を混合して用いても良いが、これらの中でLiPF6、
LiBF4が酸化安定性の点から望ましい。
電解質の場合には、可塑剤中に0.1〜3.0モル/リ
ットルとすればよく、好ましくは0.5〜2.0モル/
リットルである。
うな固体電解質もしくはゲル状電解質を使用する以外
は、従来のリチウムイオン二次電池と同様に構成するこ
とができる。
場合の負極材料としては、リチウムをドープ、脱ドープ
できる材料を使用することができる。このような負極の
構成材料、例えば難黒鉛化炭素系材料や黒鉛系材料等の
炭素材料を使用することができる。より具体的には、熱
分解炭素類、コークス類(ピッチコークス、ニートルコ
ークス、石油コークス)、黒鉛類、ガラス状炭素類、有
機高分子化合物焼成体(フェノール樹脂、フラン樹脂等
を適当な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活
性炭等の炭素材料を使用することができる。このほか、
リチウムをドープ、脱ドープできる材料としては、ポリ
アセチレン、ポリピロール等の高分子やSnO2 等の酸
化物を使用することもできる。このような材料から負極
を形成する際しては、公知の結着剤等を添加することが
できる。
金属酸化物、金属硫化物または特定の高分子を正極活物
質として用いて構成することができる。例えばリチウム
イオン電池を構成する場合、正極活物質としては、Ti
S2 、MoS2 、NbSe2、V2O5等のリチウムを含
有しない金属硫化物あるいは酸化物や、LiMO2 (式
中、Mは一種以上の遷移金属を表し、またxは電池の充
放電状態によって異なり、通常0.05以上、1.10
以下である。)を主体とするリチウム複合酸化物等を使
用することができる。このリチウム複合酸化物を構成す
る遷移金属Mとしては、Co,Ni,Mn等が好まし
い。このようなリチウム複合酸化物の具体例としてはL
iCoO2 ,LiNiO2 ,LiNiyCo1-yO2 (式
中、0<y<1である。)、LiMn2O4等を挙げるこ
とができる。これらリチウム複合酸化物は、高い電圧を
発生でき、エネルギー密度的に優れた正極活物質とな
る。正極には、これらの正極活物質の複数種をあわせて
使用してもよい。また、以上のような正極活物質を使用
して正極を形成するに際して、公知の導電剤や結着剤等
を添加することができる。
限定されることはなく、円筒型、角型、コイン型、ボタ
ン型等の種々の形状にすることができ、大型のもの、薄
型のもの等、その寸法も任意である。
いて、実験結果をもとに詳細に説明する。
ブに、次の単量体ならびに重合助剤等を仕込み、25℃
で重合反応を開始した。
に酢酸エチル3.0重量部を添加し、重合反応を継続し
た。重合缶内部の圧力が重合開始後の平衡圧力からたと
えば50%低下した時点で未反応単量体を回収し、得ら
れた重合体スラリーを脱水、水洗、乾燥した。
トアミド溶液についてゲルパーミエーションクロマトグ
ラフ(東ソー株式会社製;8010シリーズ、カラムT
SK−GEL GMHXL、直径7.8mm、長さ30
0mm、直列2本;温度40℃、流速0.8ml/mi
n.)を用いて重量平均分子量(Mw)を測定した。
濃度で溶解した溶液のウベローデ粘度計での30℃にお
ける落下時間から、次式を用い対数粘度を計算により求
めた。
Mnと対数粘度の相関関係について示す。
してフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コ
ポリマー10重量部とを混合して負極合剤を調製し、さ
らにこれをN−メチル−2−ピロリドンに分散させスラ
リー状とした。
厚さ10μmの帯状銅箔の片面に均一に塗布し、乾燥
後、ロールプレス機で圧縮成形し、負極を作製した。
に、炭酸リチウムと炭酸コバルトを0.5モル対1モル
の比率で混合し、空気中900℃で5時間焼成した。次
に、得られたLiCoO2 91重量部、導電剤として黒
鉛6重量部、結着剤としてフッ化ビニリデン−ヘキサフ
ルオロプロピレン−コポリマー10重量部とを混合して
正極合剤を調製し、さらにこれをN−メチル−2−ピロ
リドンに分散させスラリー状とした。そして、このスラ
リーを正極集電体である厚さ20μmの帯状アルミニウ
ム箔の片面に均一に塗布し、乾燥後、ロールプレス機で
圧縮成形し、正極を作製した。
のようにして得た。
2.5重量部、炭酸プロピレン(PC)42.5重量
部、LiPF6 15重量部からなる可塑剤30重量部
に、マトリクス高分子である重量平均分子量Mw60万
(対数粘度:1.93)のポリフッ化ビニリデン10重
量部及び炭酸ジエチル60重量部を混合溶解させた溶液
を均一に塗布し、含浸させ、常温で8時間放置した後、
炭酸ジメチルを気化、除去し、ゲル状電解質を得た。
ル状電解質が対向するように重ね合わせ、さらにこれを
圧着することで、面積2.5cm×4.0cm、厚さ
0.3mmの平板型ゲル状電解質電池を作製した。
極集電体1上に負極活物質層2が形成された負極と、正
極集電体3上に正極活物質層4が形成された正極との間
に、それぞれの活物質層上に塗布したゲル状電解質層5
が介在された形となっている。
リフッ化ビニリデン7重量部と重量平均分子量Mw30
万のポリフッ化ビニリデン3重量部を用い、他は実施例
1と同様にして平板型ゲル状電解質電池を作製した。
ッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コポリマ
ー(NMR測定によるヘキサフルオロプロピレンの含有
量:7.0重量%)を用い、他は実施例1と同様にして
平板型ゲル状電解質電池を作製した。
ッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コポリマ
ー(NMR測定によるヘキサフルオロプロピレンの含有
量:7.0重量%)と重量平均分子量Mw30万のフッ
化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コポリマー
(NMR測定によるヘキサフルオロプロピレンの含有
量:7.0重量%)を重量比で7:3の割合で配合して
用い、他は実施例1と同様にして平板型ゲル状電解質電
池を作製した。
ッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コポリマ
ー(NMR測定によるヘキサフルオロプロピレンの含有
量:7.0重量%)と重量平均分子量Mw60万のフッ
化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コポリマー
(NMR測定によるヘキサフルオロプロピレンの含有
量:7.0重量%)、重量平均分子量Mw30万のフッ
化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コポリマー
(NMR測定によるヘキサフルオロプロピレンの含有
量:7.0重量%)を重量比で3:3:4の割合で配合
して用い、他は実施例1と同様にして平板型ゲル状電解
質電池を作製した。
フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コポリ
マー(NMR測定によるヘキサフルオロプロピレンの含
有量:7.0重量%)を用い、他は実施例1と同様にし
て平板型ゲル状電解質電池を作製した。
ッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コポリマ
ー(NMR測定によるヘキサフルオロプロピレンの含有
量:7.0重量%)を用い、他は実施例1と同様にして
平板型ゲル状電解質電池を作製した。
リフッ化ビニリデンを用い、他は実施例1と同様にして
平板型ゲル状電解質電池を作製した。
ッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−コポリマ
ー(NMR測定によるヘキサフルオロプロピレンの含有
量:7.0重量%)を用い、他は実施例1と同様にして
平板型ゲル状電解質電池を作製した。
度を測定し、さらに充放電サイクル試験を行った。
集電体11上に電極活物質12を形成し、この上にゲル
状電解質13を塗布し、これを矢印方向(180°方
向)に500gの荷重で10cm/秒程度の速さで引っ
張ることにより評価した。この手法により、電極活物質
層12の端部位置においてゲル電解質13が破断された
場合を○、ゲル電解質13と電極活物質層12とが界面
から剥離した場合を×とした。
率放電(0.5C)において500回の充放電サイクル
試験を行い、次のように評価した。
圧充電を上限4.2Vまで行い、次に(0.5C)の定
電流放電を終止電圧3.2V間で行なった。放電容量は
このように決定し、500サイクル後の放電出力維持率
で評価した。
Mwが55万以上のフッ素系ポリマーをゲル状電解質の
マトリクス高分子に用いた各実施例サンプルは、剥離強
度に優れ、サイクル試験後の出力維持率に優れているこ
とが確認された。
ッ素系ポリマーを用いた実施例6は、剥離強度、出力維
持率に優れたものであるが、粘度が高いために、作業性
があまり良くなかった。
明によれば、電極活物質層との密着強度に優れた固体電
解質を実現することができ、これにより固体電解質と正
極、及び負極活物質層との電気的な接触状態が良好で、
充放電サイクル寿命の長い固体電解質二次電池を提供す
ることが可能である。
均分子量Mnと対数粘度との相関関係を示す特性図であ
る。
る。
4 正極活物質層、5ゲル状電解質層
Claims (9)
- 【請求項1】 正極及び負極と、これらの間に介在され
る固体電解質とを有してなり、 上記固体電解質は、重量平均分子量550000以上の
フッ素系ポリマーをマトリクス高分子として含有するこ
とを特徴とする固体電解質二次電池。 - 【請求項2】 上記固体電解質は、重量平均分子量30
0000以上、550000未満のフッ素系ポリマー
と、重量平均分子量550000以上のフッ素系ポリマ
ーとをマトリクス高分子として含有することを特徴とす
る請求項1記載の固体電解質二次電池。 - 【請求項3】 上記マトリクス高分子中の重量平均分子
量550000以上のフッ素系ポリマーの割合が30重
量%以上であることを特徴とする請求項2記載の固体電
解質二次電池。 - 【請求項4】 上記フッ素系ポリマーが、ポリフッ化ビ
ニリデン、または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ーから選ばれる少なくとも1種であ
ることを特徴とする請求項1記載の固体電解質二次電
池。 - 【請求項5】 上記正極及び/又は負極に含まれる結着
剤が、上記固体電解質のマトリクス高分子と同一、また
は類似の構造を持つ高分子材料からなることを特徴とす
る請求項1記載の固体電解質二次電池。 - 【請求項6】 上記負極は、リチウムをドープ・脱ドー
プ可能な材料を含むことを特徴とする請求項1記載の固
体電解質二次電池。 - 【請求項7】 上記リチウムをドープ・脱ドープ可能な
材料が、炭素材料であることを特徴とする請求項6記載
の固体電解質二次電池。 - 【請求項8】 上記正極は、リチウムと遷移金属との複
合酸化物を含むことを特徴とする請求項1記載の固体電
解質二次電池。 - 【請求項9】 上記正極及び負極の少なくとも一方の対
向面には、上記固体電解質を溶解した溶液を含浸させ溶
媒を除去することで固体電解質層が形成されていること
を特徴とする請求項1記載の固体電解質二次電池。
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