JPS61256573A - 固体電解質電池 - Google Patents

固体電解質電池

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JPS61256573A
JPS61256573A JP60097355A JP9735585A JPS61256573A JP S61256573 A JPS61256573 A JP S61256573A JP 60097355 A JP60097355 A JP 60097355A JP 9735585 A JP9735585 A JP 9735585A JP S61256573 A JPS61256573 A JP S61256573A
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Akira Yamada
瑛 山田
Junko Shigehara
淳孝 重原
Yasuyuki Kurata
保幸 蔵田
Kunio Yonahara
与那原 邦夫
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体電解質電池に関する。
〔従来の技術〕
高エネルギー密度、高出力の全固体型の二次電池を構成
するに当り、最も注意すべき事は、電池的抵抗の大部分
を占める固体電解質の改良である。
従来、銀塩系固体電解質は10−’S/cmに及ぶ高い
Ag”イオン伝導度を示し、広範に使用されてきたが、
固体電解質自体に高価な銀を必要とし、且つ負極が銀で
なければならないためさらに価格が高くなるばかりでな
く、銀のイオン化ポテンシャルから鑑み、高い電圧が取
り出せる二次電池は構成できなかった。他方、アルカリ
イオン固体伝導体としては、”JSNa−βアルミナ等
が知られているが、前者は取り扱いにクク、後者は常温
でのイオン伝導性が低い。また、これらの固体電解質は
電池を構成する際、好ましくは1μm以下の薄膜に成形
されるが、いずれもスパッタ等で行なわざるを得す、加
工工程の複雑さが大量生産性を低くし、従って製品の価
格が高くなる欠点があった。
〔発明の目的〕
従って本発明の目的はIQ−”s/am以上の高いイオ
ン伝導性を有し、成形性、密着性に優れた新規なハイブ
リッド型アルカリイオン伝導性の固体電解質を用いるこ
とにより、高エネルギー密度、高出力の新規な固体電解
質二次電池を提供することである。
〔発明の構成j 本発明は、負極にリチウム、ナトリウム、カリウムより
選ばれるアルカリ金属を用い、式(1)で表わされるリ
ン酸エステルマクロマー80〜95重量部と、負極と同
種のアルカリ金属イオンの塩でありかつ過塩素酸リチウ
ム、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸カリウム、テトラフ
ロロホウ酸リチウム、テトラフロロホウ酸ナトリウム、
テトラフロロホウ酸カリウム、ヘキサフロロリン酸リチ
ウム、ヘキサフロロリン酸ナトリウム、ヘキサフロロリ
ン酸カリウム、トリフロロ酢酸リチウム、トリフロロ酢
酸ナトリウム、トリフロロ酢酸カリウム、トリフロロメ
タンスルホン酸リチウム、トリフロロメタンスルホン酸
ナトリウム、トリフロロメタンスルホン酸カリウム、ト
ルエンスルホン酸リチウム、トルエンスルホン酸ナトリ
ウム、トルエンスルホン酸カリウム、チオシアン酸リチ
ウム、チオシアン酸ナトリウム、チオシアン酸カリウム
より選ばれるアルカリ金属塩20〜5重量部の混合物を
重合して成るハイブリッド型イオン伝導体を固体電解質
として用いることを特徴とする固体電解質電池である。
但し式(1)において、4≦n≦22.1≦a≦2.2
≧b≧1.3+b=3、Rば炭素数2〜4の直鎖ないし
枝分れアルキレン基、R′は水素またはメチル基を示す
上記固体電解質は、式(1)で表わされるリン酸エステ
ルマクロマーと、前記アルカリ金属塩を、両者をともに
溶解する非プロトン性低沸点有機溶媒に溶解し、ゆるや
かに溶媒を減圧留去し、最終的には真空下(0,1to
rr以下)、50〜80℃、8〜20時間重合すること
により得られる。
本発明で用いられる固体電解質を構成する高分子マトリ
ックスの出発原料である式(1)のリン酸エステルマク
ロマーは非プロトン性有機溶媒(Tl(F、ジオキサン
、クロロホルムなど、最も好ましくはTHF)中、オキ
シアルキレン(メタンアクリレート、片末端メチルエー
テルオリゴエチレンオキシド、オキシ塩化リンを活性水
素を持たない第三級アミン脱塩酸剤(トリエチルアミン
、ピリジン及びその誘導体など、最も好ましくはトリエ
チルアミン)存在下に反応させることにより得られる。
詳細は参考例をもって説明する。また、式(1)のリン
酸エステルマクロマーとアルカリ金属塩を混和する非プ
ロトン性低沸点有機溶剤としては、Tl(F、ジオキサ
ン、クロロホルム、アセトニトリル、エチレングリコー
ルジメチルエーテルなどが好適であるが、THFが最も
好ましい。また、混合後に、有機溶剤の完全除去を兼ね
てQ、l torr以下の真空下に重合を行うことが望
ましいが、を機溶剤の完全除去が行なえる場合には、酸
素を含まない不活性雰囲気下で重合を行っても良い。ま
た、重合時の温度、時間は、用いる+/ン酸エステルマ
クロマーの種類、塩の種類、両者の量関係によって決定
される。式(1)においてbが1よりも大巾に大きい場
合は、おおむね60°C程度の低温、8〜10時間程度
で充分である。他方すが1に近い場合は、80℃程度の
高温、12〜20時間程度を要する。
このようにして得られたハイブリッド型固体電解質は、
負極及び正極構成部材との接着性に優れ、例えば金属リ
チウム、ナトリウム、カリウムとの接着力は85〜21
0dyne/cm程度である。また、このハイブリッド
型固体電解質は柔軟性、可撓性を有し、テフロン製のロ
ーラー処理等により、容易に11以下の薄膜に加工でき
る。
正極用部材としては、グラファイト、アルミニウム、ア
ルカリ金属と固溶体を形成する能力がありかつアルカリ
金属とイオン化ポテンシャルが大巾に異なる遷移金属、
カルコゲン類、導電性金属酸化物及びそれに少量のアル
カリ金属イオンがドープされたもの、などが好適である
。遷移金属としては、Nis Sns CO,、Feな
どが挙げられるが、Snが最も好ましい。カルコゲン類
としては、CuS、Pe5z、FeSez 、Ti5z
、TiSez 、VSZ 、VSe2、MO32、げo
Se2、リン硫化ニッケル、リンセレン化鉄、などが好
適であり、これらの間の優劣はつけ難い。
また導電性金属酸化物としては、二酸化コバルト、五酸
化バナジウム、三酸化モリブデン、三酸化タングステン
などが好適である。これらカルコゲン、導電性金属酸化
物は10−′〜10−’S/cmの伝導度を存するが、
伝導性が不足する場合は、グラファイト10〜30重量
部(最も好ましくは20重量部)を混合するか、あるい
はあらかじめ10〜30%程度(最も好ましくは20%
)アルカリ金属イオンをドープしておけば良い。
以上述べた素材の負極及び正極を、例えば薄円板状に成
形し、その間に既述の固体電解質をばさみ込み1〜5k
g/cnl(好ましくは2kg/cal)程度の圧力で
圧着させれば本発明の固体電解質電池が構成される。但
し、いずれの素材も湿度及び酸素を嫌うので、例えば乾
燥アルゴン下でこの作業を行う必要がある。
〔発明の効果〕
本発明の固体電解質電池は、高エネルギー密度、高出力
の固体電解質二次電池であり、各種エレクトロニクス機
器のバックアップ電源、ペースメーカー、液晶表示素子
、エレクトロクロミック表−示素子等の駆動源、さらに
は自動車等の移動用駆動源として利用される。
〔実施例の説明〕
次に実施例をもって本発明を詳述するが、それに先立ち
、本発明に使用される固体電解質の作成法を参考例をも
って記述する。
参考例1 ポリサイエンス(Poly 5ciences Inc
、)社(米国)製、分子量350の片末端メチルエーテ
ルのオリゴエチレンオキシド35g(0,1モル)、2
−ヒドロキシエチルメタアクリレート6.5g(0,0
5モル)、トリエチルアミン18.4 g(0,165
モル)を150mjl!の脱水TI(Fに溶解する。乾
燥管付コンデンサ、撹拌器、滴下ロート、窒素導入管を
装えた5 00mA! 4ツロフラスコに、オキシ塩化
リン8.43 g (0,055モル)の脱水THF1
50ml溶液を入れ、水冷、攪拌下に乾燥窒素を通じな
がら先の混合溶液を滴下ロートより1時間かけて加え、
滴下終了後常温で13時間反応させた。溶液を20℃以
下で減圧濃縮し、2Itの脱水酢酸エチル中に攪拌しな
がら滴下し、生じる白色沈澱を濾去、濾液をCHCl3
を加えながら減圧濃縮して最終的にはCHCl12の−
a厚溶液とし、φIOcmX45cmの塩基性アルミナ
(メルク社#1076)カラムに入れ、CHCj!。
を溶媒として流出させた。Rf=0.65、Rf=0.
42の第一、第二流出部を減圧留去して、ジ(2−ヒド
ロキシエチルメタアクリレート)モノ(オリゴエチレン
オキシド)リン酸トリエステル(Iと略)を2.6g(
7,8%、但し0.05モルを収率100%として計算
)、モノ (2−ヒドロキシエチルメタアクリレート)
ジ(オリゴエチレンオキシド)リン酸トリエステル(■
と略)を29.6g(67,7%)得た。
シc−o−c 120O NMR(δ+ ppm) :メタクリルーC)131.
9(6)1)、メタクリルビニル・CI、 5.6.6
.1(4H)、エチレンオキシド末端−CH53,34
(3yl) 。
−P−0−C1h及び−COO−CHz−4,1〜4.
4(IOTI) 、その他の−C)12−3.62(2
6,81()CH。
ff    ctr、c 暮 NWI?(δ、ppm):Iと全く同じ、但しプロトン
数はそれぞれ3H,2H,6H,8H。
53.6H(順序同前) 参考例2 参考例1と全く同様の操作を行った。但し分子1350
の片末端メチルエーテルのオリゴエチレンオキシド17
.5g(0,05モル)、2−ヒドロキシエチルメタア
クリレ−)13.0g(0,1モル)を用いた。参考例
1と同様にカラム分離し、■を24.5g(73,5%
)、■を4.2g(9,6%)得た。
参考例3 参考例1と全く同様の操作を行った。但しポリサイエン
ス(Poly 5ciences Inc、)社製分子
量550の片末端メチルエーテルのオリゴエチレンオキ
シド55g(0,1モル)、2−ヒドロキシプロピルア
クリレート6.46 g (0,05g)を用い、水冷
下の滴下に1,5時間、室温での反応に16時間かけた
。参考例1と同様にカラム分離し、第一流出部(Rf=
0.57)、第二流出部(Rf =0、36 )にそれ
ぞれジ(2−ヒドロキシプロピルアクリレート)モノ 
(オリゴエチレンオキシド)リン酸トリエステル(■と
略)を4.6g(20,8%)、モノ (2−ヒドロキ
シプロピルアクリレート)ジ(オリゴエチレンオキシド
)リン酸トリエステル(■と略)を45.2g(71,
0%)得た。
C1,(。。H,CHz+、、、0/ NMR(δ+ ppm) :イソプロピレンーC831
,8(6)1) 、アクリルビニル=cHz 5.5.
6.0(4H)、アクリルビニル=C)l及びイソプロ
ピレン−CI4.9〜5.3(48) 、−P−0−C
fl。
4.2(6H) 、エチレンオキシド末端−CH33,
34(3H)、その他の−CL3.62(45,2H) NMR(δ+ ppm) :イソプロピレンー(jla
 1.82(3H)、アクリルビニル=C1,5,5,
6,O(2H)、アクリルビニル=CH及びイソプロピ L/ ン−CH4,9〜5.3 (2H)、P−0−C
Hz4.2〜4.4 (6)1)、エチレンオキシド末
端−CH33,34(3H)、その他の−CH。
3.62(90,、E) 参考例4 参考例1と全く同様の装置で、ポリサイエンス(Pol
y 5ciences Inc、)社(米国)製分子M
750の片末端メチルエーテルのオリゴエチレンオキシ
ド37.5g(0,05モル)、4−ヒドロキシブチル
メタアクリレート15.8g(0,1モル)、ピリジン
14.2g(0,18モル) 、THF150m#の混
合溶液を滴下ロートより0〜5℃に冷却、撹拌した容器
内のオキシ塩化リンフ、67g(0,05モル)のTH
FI 50mlに約1.2時間を要して滴下し、室温下
に18時間反応させた。この後は参考例1と全く同様に
カラム分離を行い、第一流出部(Rf=0.53)、第
二流出部(Rf =0.29)にそれぞれジ(4−ヒド
ロキシブチルメタアクリレート)モノ (オリゴエチレ
ンオキシド)リン酸トリエステル(■と略)、モノ (
4−ヒドロキシブチルメタアクリレート)ジ(オリゴエ
チレンオキシド)リン酸トリエステル(■と略)をそれ
ぞれ33.2g(59,8%) 、6.3 g (7,
4%)得た。
NM!? (δ+ ppm) :メタクリルーCH31
,9(61()、メタクリルビニル=cL5.6.6.
1 (4)1) 、メタクリル−Coo−C−CH2−
2,6(4H)、メクリルーC0O−C−C−CH2−
2,2(4)1)、エチレンオキシド末端−CH33,
34(3H)、−p−o−cl(、−及び−COO−C
Hz−4,05〜4.4 (10fり、その他の−CH
2(63,2H)CH:+ 舎 N間(δ+ ppm) :メタクリルーCIT31.9
(3H) 、メタクリルビニル”C1125,6,6,
1(2H)、メタクリル−COO−C−CHz  2.
6 (271)、メタクリル−C00−C−C−C)1
22.15(2+o、エチレンオキシド末端−CHff
3.34(61I)、−P−0−CT12−及び−CO
O−Cn2−4.05〜4.4 (8Fr)、その他の
−GHz−(126,4H) 参考例5 トリエチレングリコールモノメチルエーテル16.4g
<0.1モル)を用いた他は参考例1と全く同様にして
第一流出部(Rr=0.72>、第二流出部(Rr=0
.49)にジ(2−ヒドロキシエチルメタアクリレート
・)モノ (オリゴエチレンオキシド)リン酸トリエス
テル(■と略)、2.1g(10,6%)、モノ(2−
ヒドロキシエチルメタアクリレート)ジ(オリゴエチレ
ンオキシド)リン酸トリエステル(■と略) 、15.
2g (53,1%)をそれぞれ得た。
1260、1190.  シc−o−c 1205NM
R(δ+ ppm) :メタクリルビニル31.9 (
6H)、メタクリルビニル=CHt5.6.6.1 (
4H)、エチレンオキシド末端−CH,+ 3.34(
3H)、−P−0−CL−及び−COO−CH2−4,
1〜4.4(IOH)、その他の−CH2−3,62(
10)1) CH。
■   I NMI? (δ+ ppm) :メタクリルビニル31
.9 (3H)、メタクリルビニル=CL 5.6.6
.1 (21+)、エチレンオキシド末端−CH33,
32(6H)、−P−0−C)1.−及び−Coo−C
Ih。
4.1〜4.4(8H) 、その他の−CH,−3,6
0(20)り 参考例6 リン酸エステルマクロマーU 8.7 g、過塩素酸リ
チウム1.3gを25 m j!の脱水THFに溶解し
、溶剤を殆んど減圧留去してテフロン板上に流延し、発
泡しないように徐々に減圧度を高くし、最終的には0.
1 torr以下とした。60℃にて10時間重合させ
、得られた厚さ約0.5mmの柔軟な膜の一部をローラ
ーで延伸して厚さ0.05mrrl直径10mm0薄円
板状に成形し、嫌気下に金属リチウム電極の間にはさみ
込み、交流法(電圧0゜1■、65Xnz〜O91rm
Hz)によりコンプレックスインピーダンスブレーンプ
ロット(コール・コール プロット)を作図し、円板の
厚み方向の抵抗を求めた。その結果、この固体電解質は
25℃で1,5・10〜4S/anの伝導度を有するこ
とがわかった。
なお、脱湿・嫌気下に置く限り、この固体電解質と接し
てい不金属リチウム表面ば当初の金属光沢を保ち、約1
.5ケ月を経た後も上述の伝導度ないし〔金属リチウム
/膜〕界面に基くインピーダンス値にも全く変化が認め
られなかった。
参考例7〜26 仕込み、重合時間、重合温度を第1表に示す条件とした
他は参考例6と全(同様に試料を作成し、同様の測定を
行って第1表に示す伝導度の固体電解質を得た。−モノ
マ一単位当り二つのビニル基を存し、重合の結果架橋し
た網目構造を与える可能性のあるI、■、■を含む系で
は、それらを含まない系より伝導度が低い。これは架橋
の結果、セグメント運動が抑制されて、イオン伝導に必
要な自由体積の発生が少なくなるからである。
第1表  高分子固体電解質の作成条件とイオン伝導度
参考例 リン酸エステル          仕込組成
“)(g)       重合温度(℃マクロマー(g
) 7 1 9.0、過塩素酸ナトリウム1.0 608 
 I[[9,2、過塩素酸カリウム0.8 409TV
9.O、テトラフロロホウ酸リチウム 1.0  60
10   V  9.3、テトラフロロホウ酸ナトリウ
ム 0.7  6011   ■ 9.1、テトラフロ
ロホウ酸カリウム0.9  6012   II  8
.7、ヘキサフロロリン酸リチウム 1.3  801
3   II  8.8、 ヘキサフロロリン酸ナトリ
ウム 1.2  8014   II  B、8、ヘキ
サフロロリン酸カリウム 1.2  8015 1V 
 8.6、トリフロロ酢酸リチウム?、4  6016
   IV  8.7、 トリフロロ酢酸ナトリウム1
.3  6017  rV  8.7、トリフロロ酢酸
カリウム1.3  6018    II   8.1
、  トリフロロメタンスルホン酸リチウム  1.9
   8019    If   8.4、  トリフ
ロロメタンスルホン酸ナトリウム 1.6   802
0    II   8.6、  トリフロロメタンス
ルホン酸カリウム  1.4   8021   ff
  8.7、 トルエンスルホン酸リチウム 1.3 
 8022   II   B、8、 トルエンスルホ
ン酸ナトリウム 1.2  8023   ff  8
.8、)ルエンスルホン酸カリウム 1.2  802
4  II  9.0、チオシアン酸リチウム1.0 
8025   II  9.0.  チオシアン酸ナト
リウム1.0  8026  II  9.0.チオシ
アン酸カリウム1.0 80車)溶媒は全てTHF25
rrlを用いた。
) 重合時間(hr)  25°Cのイオン伝導度(1
0’ S/cm)8           0.011 19           0.02012     
      0.95 12           0.03112     
      0.84 10           1.66 12           1.43 12           2.57 10           1.07 10           0.96 10           0.74 12           2.33 12           1.85 12           1.69 14           2.28 14           2.03 14           2.44 10           3.55 10           3.06 10           3.12 参考例27〜34 ■、■、■、■またばI、m、v1■のいずれかを8.
7g、過塩素酸リチウムを1.3g、重合温度80℃、
重合時間12hrとした他は参考例6と全く同様にして
、各固体電解質のイオン伝導度を   鰯需 測定し、第2表に示す結果を得た。オリゴエチレ   
場へ ンオキシド単位の分子量が350のもの(■また   
ヤはH系)が最も高いイオン伝導度を示し、最適の  
 6枝鎖長が存在することがわかった。       
   窮論 賛 ミ 胆 $ 余 確 晦 % 派 ; ?+I    クト呻。
トcI:1寸cv:1勾因す 餡のト■φ口。口。
@  :  c;  c;  c;  c;  c:;
  c;  c;入 セ ! シ ロ ヘ ト 自 I)% E ヒ シ −−目 〉 弊 に 肇 ム =ζ E !++CIOΦローへ0寸 ψ へ 〜 包 め 釣 リ の リ 実施例1 ユニオンカーバイト社(米国)製ピロリティックグラフ
ァイトのエツジプレーンが表面となるようφ10mm、
厚さ3IIIIIIO薄円板状に成形し、同じ規格の金
属リチウム電極との間に参考例6で得た固体電解質を純
アルゴン雰囲気下にはさみ込み、約2kg/cIAの加
圧下に圧着させた。リチウム、グラファイトに各々端子
を設け、ポテンション・ガルバノスタンドにより10m
A/−の電流密度で直流定電流電解による強制放電を行
い、同時に両端電圧の時間変化を測定した。その結果、
第1図に示す通り、約3vの電圧が60時時間先れるこ
とがわかった。同様の強制放電を45時間で打ち切り、
次に極性を逆にして30mA/aJの電流密度で充電を
行ったところ、両端電圧の時間変化から約1.5時間で
充電が終了することがわかった。両端電圧を観測しなが
らこの放電45時間−充電15時間のサイクルを100
回くり返したが、何らの電圧降下も認められず、二次電
池として優秀な特性を有することがわかった。
実施例2 参考例!2の固体電解質を用い、正極にφ10mm、厚
さ3mmに成形したTi5zとグラファイトの5:1混
合物を用いた他は実施例1と同様の充放電を行った。そ
の結果、この電池は約3■の電圧が少くとも72時間保
たれることがわかり、放電60時間−充電20時間のサ
イクルを5回くり返したが電圧降下等劣化を疑わせる変
化は認められなかった。
実施例3〜17 参考例の固体電解質を用い、正極にφ10開、厚さ3m
mに成形したX(Xの内容は第3表に記ia)を用いた
他は実施例1と同様の充放電を行い、第3表に示す結果
を得た。
実施例8〜44 第4表に記載の固体電解質を用い、該固体電解質カチオ
ンと同種のアルカリ金属のφ10mm、厚さ31の円板
を負極に用いた他は、実施例1と同様の充放電を第4表
に示す条件で行い、第4表に示す結果を傅た。
【図面の簡単な説明】
第1図ば実施例Iの固体電解質電池を10mA/crA
の定電流電解にて強制放電させたときの、放電時間と両
端電圧の関係を示すグラフであり、図中の矢印は、測定
を終了した点を示している。 放電時間(hr、)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 負極にリチウム、ナトリウム、カリウムより選ばれるア
    ルカリ金属を用い、式(1)で表わされるリン酸エステ
    ルマクロマー80〜95重量部と、負極と同種のアルカ
    リ金属イオンの塩でありかつ過塩素酸リチウム、過塩素
    酸ナトリウム、過塩素酸カリウム、テトラフロロホウ酸
    リチウム、テトラフロロホウ酸ナトリウム、テトラフロ
    ロホウ酸カリウム、ヘキサフロロリン酸リチウム、ヘキ
    サフロロリン酸ナトリウム、ヘキサフロロリン酸カリウ
    ム、トリフロロ酢酸リチウム、トリフロロ酢酸ナトリウ
    ム、トリフロロ酢酸カリウム、トリフロロメタンスルホ
    ン酸リチウム、トリフロロメタンスルホン酸ナトリウム
    、トリフロロメタンスルホン酸カリウム、トルエンスル
    ホン酸リチウム、トルエンスルホン酸ナトリウム、トル
    エンスルホン酸カリウム、チオシアン酸リチウム、チオ
    シアン酸ナトリウム、チオシアン酸カリウムより選ばれ
    るアルカリ金属塩20〜5重量部の混合物を重合して成
    るハイブリッド型イオン伝導体を固体電解質として用い
    ることを特徴とする固体電解質電池。 ▲数式、化学式、表等があります▼ 但し式(1)において、4≦n≦22、1≦a≦2、2
    ≧b≧1、a+b=3、Rは炭素数2〜4の直鎖ないし
    枝分れアルキレン基、R′は水素またはメチル基を示す
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