JPS5875779A - 固体電解質電池 - Google Patents

固体電解質電池

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JPS5875779A
JPS5875779A JP17292781A JP17292781A JPS5875779A JP S5875779 A JPS5875779 A JP S5875779A JP 17292781 A JP17292781 A JP 17292781A JP 17292781 A JP17292781 A JP 17292781A JP S5875779 A JPS5875779 A JP S5875779A
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JP
Japan
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lithium
thin film
solid electrolyte
chloride
polymeric resin
Prior art date
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Pending
Application number
JP17292781A
Other languages
English (en)
Inventor
Atsuo Imai
今井 淳夫
Yuichi Sato
祐一 佐藤
Moriyasu Wada
和田 守叶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/18Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Primary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はリチウム固体電解質電池、更に詳しくは、厚み
が薄く、長時間Kll安定した開路電圧を維持し、かつ
安価に製造できゐリチウム固体電解質電池に関する。
近年、IC,LSI化が急速に進む電子機器分野におい
ては、その電源として小型、薄形、軽量で液漏れがなく
エネルギー密度の高い固体電池への要望が高まっている
このような要望を満たす固体電池として、リチウムイオ
ン伝導度の大きい固体電解質を用いたリチウム固体電池
が知られている。
このうち、代表的な本のとしては、負極活物質に金属リ
チウム箔、固体電解質に曹つ化リチウム(LiI)とア
ル建す(A&へ)O混合粉末、更に正極活物質として曹
り化鉛(Pbh)と硫化鉛(Pb8)と鉛(Pb )と
の混合粉末を用い、これらをこの順序で積層し九後、全
体を加圧成層して成ゐリチウム固体電池がある。
しかしながら、上記のリチウム固体電池において、固体
電解質中OXつ化リチウムは吸1mtK富むので、実際
にはLiI−HtO,LiI1閘などの含水結轟の形で
存在している。これらの曹つ化ラムイオン伝導度を変動
せしめるとと4に、その吸温され九本が負極活物質であ
る金属リチウム箔と化学反応を起すという不都合な事態
を招くことがある。
その丸め、ヨク化リチウムとアルミナの混合粉末にかえ
てIjj81性が小さくかつリチウムイオン伝導度の大
きい(10−〜10Ω・Ca1)窒化リチウム(LIa
N) 0粉末をプレス成形して固体電解質のペレットと
して用いるリチウム固体電池が開発されている。
しかしながら、上記O電池にあたっては、固体電解質(
L tm N )層の電気抵抗が高く、その結果、電池
の内部抵抗が上昇するという欠点があっ九。
この欠点を解決する丸めに、■LiaNの粉末をプレス
成形してペレット化する際に、その厚みを可能な隈伽薄
くすゐ、■Lt、Nを活物質o’amにスパッタ又は蒸
着してLlsNの薄膜を形成する、などの方法が試みら
れている。
しかしながら、■の方法にあっては、Li、Nの粉末量
O接触抵抗が大きく、成形ペレッ)の抵抗値が粉末自体
の抵抗値の約100*11度の値となる。
しかも、厚みを薄くすることには製造上限界があシ、を
九、あtb薄くすると成形ベレッ)O機械的強度が低下
して電池を組立て為際O砿損事故が多発するようになる
。し九がって、電池の内部抵抗を低減することにFi限
界があり九。
壕九、■の方法にあっては、■の方法e鳩舎よシもLi
Fの層を薄くすることはでき為が、薄膜形成の丸めには
高価で複雑な装置を必要としかつ薄膜形成に長時間を要
するなどの問題点がTo!I)、未だ一般化されていな
い。
本発明者らは、薄い固体電解質層O形成に関し、以上の
従来方法とは観点を変えて種々の検討を加えたとζろ、
リチウムイオン導電性の電解質を各種の高分子樹脂の薄
膜に所定量粗食させると、咳薄膜は電解質層として機能
し得るとの事実を見出し、本発明の電池を開発するに剃
った。
本発明は、薄型で内部抵抗が小さく一路電圧を長時間維
持するリチウム固体電解質電池の提供を目的とする。
本発明の電池は、負極層が金属リチウムであって;固体
電解質層が、ポリビニリデンアル建ライY (PVDF
) 、ビニリデンフルオライド、エチレントリフル第2
イド、7ツ化ビニリデンと三フッ化エチレンの共重合体
、フッ化ビニリデンと四フッ化エチレンの共重合体、ポ
リアクリルニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレ
ート(PMMA) t  ポリビニルクロライド(pv
c)tポリビニルアセテ−) (PVム)、ポリビニル
ビ四リドン(PVPo)の群から選ばれる少くと41種
の高分子樹脂に、過塩素酸リチウム(LIC104)、
7ツ化’J f ウA (LiF)。
塩化リチウム(LiCj) ?。シェラ化リチウム(L
 1Br) 。
塩化リチウムアル々エクム(LiAjCja)*ホウ7
ツ化リチウム(LiBF4)* リンフッ化リチウム(
LiPIQ)の騨、か1遥dれる少くとも1種の電解質
を、該高分子樹脂のモル量に対し1〜50モル−包含せ
しめた薄膜から成り;正極が、活物質として、二硫化チ
タン(Tili宜)を二硫化鉄(F@&)を二硫化バナ
ジウム(v81)、二硫化毫すプデン(Mo& ) +
すン硫化=yケル(NI PSa ) t  リンセレ
ン化鉄(F?8am)を少量のリチウムを含む二酸化コ
パル) (LLzCoOm:0<、z<1 )を五酸化
バナジウム(Vtへ)、三酸化モリブデン(Moss 
) t 三酸化タングステン(Woe) を酸化ビス1
ス(Bin Os )、硫化鋼(cut a)I 三硫
化モリブデン(Mosm)*  Iつ化11t (Pb
’I、 ) 、 !Iつ化ビx Y x (Bt Is
) s  ”つ化ア/チ峰ン(8bIl)の群から選ば
れる少くと4111の化合物を包含して成ることを構成
上の特徴とするものである。
本発明電池の特徴の1つを構成する固体電解質の層は次
のようにして作製される。
すなわち、まず、上に列配した高分子樹脂1s又は2種
以上の粉末を、ジメチルホルムア瑠ド(DFM)、  
プロビレンカーボネー)(PC)、 エチレンカーボネ
ート(IC)lテトラヒドロフラン(THF)。
エチルアセテ−) (EtAa)の群から選ばれる1種
又は2m以上の有機溶媒に溶解して粘稠な溶液とする。
ついで、ここに上に列記した1種又は211以上の電解
質の粉末を添加してこれを溶解する。このの鴫ル量に対
し、1〜50モル−に相当する量である0この量が60
4ルーを超えると、後述する残存溶媒量が多くな)、僅
かの加圧や昇温で溶媒が薄膜からにじみ出るなどの不都
合が生じて好ましくない。
このようにして得られ九溶液を、例えばPTFKから成
る表両平滑な板の上にキャストして乾燥する。溶液中の
有機溶媒の一部又は全部が逸散して、ここに固体電解質
が包含された高分子樹脂の固体の薄膜が形成される。こ
のとき、乾燥温度9時間を適宜に調節することによ〉、
該薄膜中に残存する有機−媒の量が規制される。本発明
VCのっては、有機溶媒の腋薄膜中での残存量は、該薄
膜重量に対し50重量−以下であることが好tしく、こ
の値を超えると、電池の組立時、咳薄膜から有機溶媒の
滲み出すことかあ)不都合である。
仁のようにして得られ丸薄膜のリチウムイオン導電機構
については未だ解明されていないが、そのリチウムイオ
ン導電率はLbNと同等又はそれを凌駕すゐ値を示す。
まえ、この薄膜のリチウムイオン当量導電率は、用いる
高分子樹脂のS類、包含せしめる固体電解質の種類・濃
度等によって変動するが、例えば、LiCjへを304
ル一包食するPANの薄膜の場合、その値は約10″″
@Q−’cm−”であシ、優れ九リチウムイオン導電体
である。
また、薄膜の厚みは、キャストされる溶液の粘度によっ
て規定される0すなわち、皺薄膜の基体を成す高分子樹
脂に対し有機溶媒を多量に用いてキャストすべき溶液の
粘度を小さくすれば、得られる薄膜の厚みを薄くするこ
とができる0本発明の電池において、正極は、上に列記
したような1種又は2種以上の活物質を、カーメン。
鋼、l&、など常用の導電材の粉末、更には必Il!に
応じてはPTFICの粉末のような結着材とともに混合
した後、プレス成形して作製される。
以下に本発明を実施例に基づいて説明する。
実施例1 負極として直径12謹厚40.8mO金属リチウム円板
、正極として表に示した各110活物質01末(最大粒
径200μm)に20重量%の鉛粉末(IIk大粒径2
00μ諺)を混合して成る直径12鵬厚み1.1++n
oペレツトを用意した。8IのPVDFの粉末を400
mのプ四ピレンカーボネート(PC)に薯解し、更にζ
こに、PVDFOモル量に対し15モル−に相当する量
のLi CjQ4の粉末を溶解した〇得られた溶液を平
し&テフロンの板の上にjl開し九後、重量減少が観察
されなくなるまで減圧乾燥(10″″−Hl、40℃)
してPCを揮散せしめた。厚み約0.5mの薄膜が得ら
れた。薄膜中に残存するPCは6重量−であった。得ら
れた薄膜から直径12閣の円板を打抜自、これを固体電
解質とした。
アルゴンドライボックスの中で、内径125m0金蓋シ
リンダ≠に、まず直径12■厚み0.02−〇銅円板を
集電体として挿入し、この上に上記した正極、薄膜の打
抜き円板、負極をこの順序で積層し、最俵に再び上記と
同一仕様の銅円板を載置して全体を1 team /−
の圧力で加圧成形した。得られ九電池な金渥から取り出
し、両面の銅円板にリード線を取り付けた後、全体をパ
フフィンで被包して特性測定用の電池とじ九。全体の厚
みは1.9閣であった。
比較のために、電解質として厚み0.5 w q)Li
、Nの円板を用いたことを除いては、同じ方法で比較電
池を作製した。その厚みは1.9−であった。
これらの電池全てにつき、開路電圧及び1舶負荷接続時
における100時間後の放電電圧を測定した。その結果
を、一括して表に示し友。
1? 表から明らかなように、本発明電池は比較電池に比べて
その開路電圧が高く、シかも長期に亘シその電圧を維持
することが判明した。
実施例2 正極としてPbl1の粉末(最大粒径200μm)に2
0重量−のpb粉末(最大粒径200511)を混合し
て成ゐペレット;電解質としてPVDFKLICjo4
を5モル%、10モル*、20モル%、30モルチ、4
0毫ルー、50モル嗟包含させ丸薄膜を用いたことを除
いては、実施例1と同様にして電池を作製し、その開路
電圧、IMO負荷接続におけゐ100時間後の放電電圧
を測定した。得られた結果は、実施例1の結果と同一で
あった。なお、LiCjOa 50モルチ包含する薄膜
を用%A九電亀は、その組立て時PCが滲み出え。
実施例3 薄膜として、フッ化ビニリデンと三7フ化エチレンの共
重合体、フッ化ビニリデンと四フッ化工?L’10共m
e体、  PAQ PMMA、 PVC,PVAC。
PVPoの各種高分子樹脂に20モル−〇LICIO4
を包含させたものを用いたヒとを除いては、実施例2と
同様の仕様で電池を組立て、その特性を測定した。結果
は、実施例1,2と同じであった。
実施例4 薄膜としテPVDF”KLiF、  LtCj、  L
tBr。
L I AI C14、L t B F4 *  L 
I P F@をいずれも204ル優包會させたものを用
いたことを除いては、実施例2と同様の仕様で電池を組
立て、その特性を測定した。結果は実施例1で正極活物
質にPbI*を用い友電池とほぼ同一であった。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 負極層が壷属リチウムから成); 園体電僻質層が、ポリビニリデンフルオライド、ビ具す
    デンフルオツイド、エチレントリフルオライド、7ツ化
    ビニリデンとヨ7フ化エチレンの共重合体、7フ化ビニ
    リゾyと四7ツ化エチレンの共重舎体、ポリアタ蓼ルエ
    トリル、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルク關ラ
    イド、ポリビニルア七テート、ポリビニ羨ピーリドyO
    群から選ばれる少くとも1種の高分子樹脂に、過塩素酸
    リチウム。 フッ化すチクム、塩化リチウム、シ為り化リチクム、塩
    化すチウムアル電ニウム、ホウ7ツ化リチウム、リンフ
    ッ化リテクムO評から選ばれる少くとも1種O電獅質を
    、諌夷分子樹脂の峰ル量に対し1〜60モルII包會せ
    しめ大薄膜から成〉; 正極が、活物質として、二硫化チタン、二硫化鉄、二硫
    化バナジウム、二硫化モリブデン。 リン硫化ニッケル、リンセレン化鉄、少量のリチウムを
    含む二酸化コパルシ、五酸化バナジウム、三酸化毫すプ
    デン、三酸化タングステン、酸化ビス!ス、硫化鋼、三
    硫化モリブデン、Wり化鉛、璽つ化ビスマス、Wつ化7
    ンチモンの群から選ばれる少くとも1種の化合物を包含
    して成ることを特徴とするリチウム固体電解質電池。 2 該薄膜が、更に、ジメチルホルふア建ド。 プロピレンカーボネート、エチレンカーボネ)1 ナト
    2ヒドロフラン、エチルアセテートの群から選ばれる少
    くとも1種の有機溶媒を、皺薄膜の重量に対しson以
    下含有せしめて成る特許請求の範囲第1項記載のリチウ
    ム固体電解質電池。
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