JPWO2018221670A1 - 電解質組成物、二次電池、及び電解質シートの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
R1O−(CH2CH2O)k−R2 (1)
[式(1)中、R1及びR2は、それぞれ独立に、炭素数4以下のアルキル基又は炭素数4以下のフルオロアルキル基を表し、kは1〜6の整数を表す。]
N(SO2CmF2m+1)(SO2CnF2n+1)− (2)
[m及びnは、それぞれ独立に0〜5の整数を表す。]
図1は、第1実施形態に係る二次電池を示す斜視図である。図1に示すように、二次電池1は、正極、負極及び電解質層から構成される電極群2と、電極群2を収容する袋状の電池外装体3とを備えている。正極及び負極には、それぞれ正極集電タブ4及び負極集電タブ5が設けられている。正極集電タブ4及び負極集電タブ5は、それぞれ正極及び負極が二次電池1の外部と電気的に接続可能なように、電池外装体3の内部から外部へ突き出している。
[FSI]−:N(SO2F)2 −、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン
[TFSI]−:N(SO2CF3)2 −、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン
[BOB]−:B(O2C2O2)2 −、ビスオキサレートボラートアニオン
[f3C]−:C(SO2F)3 −、トリス(フルオロスルホニル)カルボアニオン
R1O−(CH2CH2O)k−R2 (1)
N(SO2CmF2m+1)(SO2CnF2n+1)− (2)
m及びnは、それぞれ独立に0〜5の整数を表す。m及びnは、互いに同一でも異なっていてもよく、好ましくは互いに同一である。
次に、第2実施形態に係る二次電池について説明する。図5は、第2実施形態に係る二次電池における電極群の一実施形態を示す模式断面図である。図5に示すように、第2実施形態における二次電池が第1実施形態における二次電池と異なる点は、電極群2Bが、バイポーラ電極16を備えている点である。すなわち、電極群2Bは、正極6と、第1の電解質層7と、バイポーラ電極16と、第2の電解質層7と、負極8とをこの順に備えている。
(実施例1−1)
ポリマであるフッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマ(フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロピレン(質量比)=95/5。以下、PVDF−HFPとも称する。)を26質量%と、酸化物粒子であるSiO2粒子(平均粒径0.1μm)を13質量%と、電解質塩であるリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(Li[FSI])を34.5質量%と、溶媒であるテトラグライムを26.5質量%とを、分散媒であるNMPに分散させ、電解質組成物を含むスラリを調製した。得られたスラリを、ポリエチレンテレフタレート製の基材に塗布し、加熱して分散媒を揮発させることにより電解質シートを得た。得られた電解質シートにおける電解質層の厚さは、25±2μmであった。
実施例1の電解質シートにおいて、各材料の含有量を表1に示す含有量に変更した以外は、実施例1の同様の方法により電解質シートを作製した。
実施例1の電解質シートにおいて、酸化物粒子の含有量を増加させて、電解質塩と溶媒の合計含有量(表1における(A)+(B))を減少させた以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
実施例1の電解質シートにおいて、酸化物粒子の種類を表1〜表2に示したものに変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
実施例1の電解質シートにおいて、酸化物粒子であるSiO2粒子の平均粒径を表2に示した平均粒径に変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
実施例1の電解質シートにおいて、ポリマ中のヘキサフルオロプロピレンの含有量を表2に示した含有量に変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
実施例1の電解質シートにおいて、溶媒を表2〜表3に示したものに変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。表3において、実施例1−21のEMI−TFSI(EMI−BTI)は1−エチル−3−メチルイミダゾリジウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド[CAS番号174899−82−2]を表し、実施例1−22のEMI−DCAは1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド[CAS番号370865−89−7]を表す。
実施例1の電解質シートにおいて、ポリマの種類を表3に示したものに変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。表3において、ポリマの略称は以下のものを示し、ポリマの混合比は質量比を意味する。
PVDF+PA:ポリフッ化ビニリデンとポリアクリル酸との混合物
PVDF−MA:フッ化ビニリデンとマレイン酸とのコポリマ
PTFE+PMMA:ポリ四フッ化エチレンとポリメチルメタクリレートとの混合物
PVDF+PMMA:ポリフッ化ビニリデンとポリメチルメタクリレートとの混合物
PVDF−HFP+PMMA:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマと、ポリメチルメタクリレートとの混合物
PVDF−HFP+PAN:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマと、ポリアクリロニトリルとの混合物
PVDF−HFP+PVC:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマと、ポリポリ塩化ビニルとの混合物
実施例1−1の電解質シートにおいて、酸化物粒子を使用しなかった以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。
実施例1−1の電解質シートにおいて、ポリマの種類及び/又は混合比を表4に示したものに変更した以外は、実施例1と同様の方法により電解質シートを作製した。表4において、ポリマの略称は以下のものを示し、ポリマの混合比は質量比を意味する。
PVDF:ポリフッ化ビニリデン
PVDF−HFP+PAN+PVC:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとのコポリマと、ポリアクリロニトリルと、ポリ塩化ビニルとの混合物
実施例及び比較例に係る電解質シートの特性について、以下の項目を評価した。結果を表5に示す。
電解質シートの調製工程におけるスラリに市販の導電率計を投入し、25℃の条件で導電率を測定した。
電解質シートの調製工程におけるスラリの性状について、ゲル化の有無を目視により確認した。スラリ作製後に、ドライルーム内にてスラリを放置し、5時間経過後、スラリの少なくとも一部が固化(ゲル化)していない場合は、ゲル化していないと判定し、少なくとも一部が固化していれば、ゲル化していると判定した。スラリのゲル化は、ポリマと、電解質塩と、溶媒について、分散媒に対する相互の溶解性が低い場合に生じうる。ゲル化が生ずると電解質シートを薄層化することが困難になるため、ゲル化が生じない方がよい。表5においては、ゲル化したものを+、ゲル化しなかったものを−と示した。
電解質シートにおいて、電解質組成物の表面性状を目視により確認した。電解質組成物の表面は、平滑であり、凹凸及び欠損部分がないことが好ましい。表5においては、凹凸を有していたものを+、凹凸を有しなかったものを−と示した。
電解質シートにおいて、電解質層の端部を基材から剥離する際の破断の有無を目視により評価した。表5においては、破断が生じたものを+、破断が生じなかったものを−と示した。
電解質シートに荷重を加えた際の、溶媒による液漏れの有無を評価した。切断した電解質シートに、樹脂フィルム(厚さ25μmのポリエチレンテレフタレート製フィルム)を2kg/cm2の荷重を加えながら押し付けた。このとき、液状の電解質組成物の付着有無を目視により評価した。表5においては、液漏れが生じたものを+、液漏れが生じなかったものを−とした。
(実施例2−1)
[電解質シートの作製]
PVDF−HFP(フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロピレン(質量比)=95/5)を21質量%と、酸化物粒子であるSiO2粒子(平均粒径0.1μm)を14質量%と、電解質塩であるリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Li[TFSI])をイオン液体(N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)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(DEME−TFSI)に、電解質塩が1.5mol/Lの濃度となるように溶解させた電解質溶液65質量%とを、分散媒であるNMPに分散させ、電解質組成物を含むスラリを調製した。得られたスラリを、ポリエチレンテレフタレート製の基材に塗布し、加熱して分散媒を揮発させることにより電解質シートを得た。得られた電解質シートにおける電解質層の厚さは、25±2μmであった。以下、電解質塩を溶解させたイオン液体の組成を表す際に、「リチウム塩の濃度/リチウム塩の種類/イオン液体の種類」のように表記することがある。
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(正極活物質)78.5質量部、アセチレンブラック(導電剤、製品名:HS−100、平均粒径48nm、デンカ株式会社製)5質量部、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ溶液(固形分12質量%)2.5質量部と、電解質塩を溶解させたイオン液体(1.5mol/L/Li[FSI]/Py13−FSI)を14質量部と、を混合して正極合剤スラリを調製した。この正極合剤スラリを正極集電体(厚さ20μmのアルミニウム箔)上に塗工量125g/m2で塗工し、80℃で加熱して乾燥させることにより、合剤密度2.7g/cm3の正極合剤層を形成した。これを幅30mm、長さ45mmに切断して正極板とし、図2に示すようにこの正極板に正極集電タブを取り付けた。
電解質シートにおいて、電解質支持材(電解質塩及び溶媒以外の材料)の含有量に対する電解質(電解質塩及び溶媒)の含有量の質量比(電解質の含有量/電解質支持材の含有量)を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、電解質における電解質塩の濃度を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、電解質における電解質塩及び溶媒を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、酸化物粒子の平均粒径を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、酸化物粒子の含有量に対するポリマの含有量の質量比(ポリマの含有量/酸化物粒子の含有量)を表6に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、ポリマにおける構造単位の質量比を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、酸化物粒子の平均粒径、電解質塩の種類、溶媒の種類、及び、電解質の含有量/電解支持材の含有量を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−1と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、酸化物粒子の平均粒径を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−13と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、電解質の含有量/電解支持材の含有量(質量比)を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−13と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、ポリマの含有量/酸化物粒子の含有量(質量比)、及び、電解質の含有量/電解支持材の含有量(質量比)を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−13と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、イオン液体の種類を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−13と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、酸化物粒子の平均粒径を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−18と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
電解質シートにおいて、電解質の含有量/電解支持材の含有量を表7に示したものに変更した以外は、実施例2−18と同様の方法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例2−1〜2−20において作製した電解質シートについて、試験例1と同様の方法により、導電率、スラリの性状、電解質組成物の表面性状、及び液漏れの有無を評価した。結果を表8に示す。
上記の実施例2−1〜2−20に係るリチウムイオン二次電池を、充放電装置(BATTERY TEST UNIT、株式会社IEM製)を用いて、25℃において電流値0.2C、充電終止電圧4.2Vで定電流充電を行った。15分間休止後、電流値0.2C、放電終止電圧2.7Vで定電流放電した。上記の充放電条件で充放電を3回繰り返し、3回目の放電容量(初期容量)を測定した。以下の式(9)からリチウムイオン二次電池の初期特性を算出した。結果を表8に示す。
初期特性(%)=(初期容量/設計容量)×100 (9)
電解質組成物に含まれる酸化物粒子の平均一次粒径と、シート状に形成された電解質組成物の引張強度及び放電レート特性との関係を調べるために、下記の試験を実施した。
[電解質シートの作製]
PVDF−HFP(フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロピレン(質量比)=95/5)と、酸化物粒子であるSiO2粒子(平均一次粒径約1μm、製品名:AEROSIL SO−C4、日本アエロジル株式会社製)と、乾燥アルゴン雰囲気下で乾燥したリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)をテトラグライム(テトラエチレングリコールジメチルエーテル、G4)に、電解質塩が2.3mol/Lの濃度となるように溶解させた電解質溶液とを、分散媒であるNMPに分散させ、電解質組成物を含むスラリを調製した。このスラリに、電解質溶液を更に添加して混合し、ポリマと、酸化物粒子と、電解質溶液との質量比を、ポリマ:酸化物粒子:電解質溶液=30:20:50とした。その後、NMPを更に加えて粘度を調節し、このスラリをポリエチレンテレフタレート製の基材(製品名:テオネックスR−Q51、帝人デュポンフィルム株式会社製、厚さ38μm)上にアプリケータを用いて塗布した。塗布したスラリを100℃で2時間加熱乾燥することにより、分散媒を揮発させて、電解質シートを得た。
正極活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3が含まれる正極、電解質シート、負極活物質として天然黒鉛が含まれる負極を用いて評価用コイン型電池を作製した。正極、電解質シートから基材を剥離して得た電解質層、負極をこの順に重ね、CR2016型のコインセル容器内に配置した後、電解質シートの作製に用いたスラリと同じ組成の液(電解液)を少量添加し、絶縁性のガスケットを介して電池容器上部をかしめて密閉した。なお、電解液は、正極および負極の空隙体積の130〜200%になるように添加した。電極合剤層の空隙体積は、集電体を除く電極合剤層の見かけ体積(面積×厚さ)を測定した後、下式に従ってそれぞれ計算した。
正極合剤層の空隙体積=正極合剤層の見かけ体積−(正極活物質の質量/正極活物質の真密度)−(導電剤の質量/導電剤の真密度)−(バインダの質量/バインダの真密度)
負極合剤層の空隙体積=負極合剤層の見かけ体積−(負極活物質の質量/負極活物質の真密度)−(導電剤の質量/導電剤の真密度)−(バインダの質量/バインダの真密度)
電解質シートにおいて、酸化物粒子を、表面処理(フェニルアミノシラン処理)がなされたSiO2粒子(平均一次粒径約1μm、製品名:AEROSIL SX−C7、日本アエロジル株式会社製)を用いた以外は、実施例3−1と同様の方法により評価用コイン型電池を作製した。
電解質シートにおいて、酸化物粒子を、平均一次粒径の異なるSiO2粒子(平均一次粒径約2μm、製品名:AEROSIL SO−C6、日本アエロジル株式会社製)を用いた以外は、実施例3−1と同様の方法により評価用コイン型電池を作製した。
電解質シートにおいて、酸化物粒子を、平均一次粒径の異なるSiO2粒子(平均一次粒径約0.04μm、製品名:AEROSIL OX−10、日本アエロジル株式会社製)を用いた以外は、実施例3−1と同様の方法により評価用コイン型電池を作製した。
(引張強度)
得られた電解質シートを幅5mmにカットし、チャックで挟んだ後、長さ20mmとなるように台座にテープで固定した。そして、フォースゲージ(日本電産シンポ株式会社製、FGP−5)を用いることによって電解質シートを引張り、電解質シートが破断したときの強度を測定した。結果を表9に示す。
得られたコイン型電池について、25℃での放電レート特性を、充放電装置(東洋システム株式会社製)を用いて以下の充放電条件の下で測定した。
(1)終止電圧4.2V、0.05Cで定電流定電圧(CCCV)充電を行った後、0.05Cで終止電圧2.7Vまで定電流(CC)放電するサイクルを2サイクル行った。なお、Cとは「電流値(A)/電池容量(Ah)」を意味する。
(2)次いで、終止電圧4.2V、0.05Cで定電流定電圧(CCCV)充電を行った後、0.1Cで終止電圧2.7Vまで定電流(CC)放電、するサイクルを1サイクル行った。さらに1サイクルごとに定電流(CC)放電のレートを0.2、0.3、0.5、1.0Cと変化させ、放電レート特性を評価した。0.05Cに対する0.2Cの放電レート特性を表9に示す。
Claims (13)
- 1種又は2種以上のポリマと、
酸化物粒子と、
リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、
溶媒と、を含有する電解質組成物であって、
前記1種又は2種以上のポリマを構成する構造単位の中には、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれ、
前記1種又は2種以上のポリマの含有量は、前記電解質組成物に含まれるポリマ全量基準で、90質量%を超え、
前記1種又は2種以上のポリマにおいて、前記第2の構造単位の含有量に対する前記第1の構造単位の含有量の質量比は、50/50以上である、電解質組成物。 - 前記ポリマとして、前記第1の構造単位と前記第2の構造単位との両方を含むコポリマを含有する、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記ポリマとして、前記第1の構造単位を含む第1のポリマと、前記第2の構造単位を含む第2のポリマとの少なくとも2種のポリマを含有する、請求項1に記載の電解質組成物。
- 前記ポリマの含有量が、前記電解質組成物全量を基準として3〜50質量%である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解質組成物。
- 前記酸化物粒子が、SiO2、Al2O3、AlOOH、MgO、CaO、ZrO2、TiO2、Li7La3Zr2O12、及びBaTiO3からなる群より選ばれる少なくとも1種の粒子である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電解質組成物。
- 前記酸化物粒子の含有量が、前記電解質組成物全量を基準として、5〜40質量%である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解質組成物。
- 前記溶媒が下記式(1)で表されるグライムである、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電解質組成物。
R1O−(CH2CH2O)k−R2 (1)
[式(1)中、R1及びR2は、それぞれ独立に、炭素数4以下のアルキル基又は炭素数4以下のフルオロアルキル基を表し、kは1〜6の整数を表す。] - 前記溶媒がイオン液体である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電解質組成物。
- 前記イオン液体が、カチオン成分として、鎖状四級オニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、及びイミダゾリウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有し、
前記イオン液体が、アニオン成分として、下記式(2)で表されるアニオン成分の少なくとも1種を含有する、請求項8に記載の電解質組成物。
N(SO2CmF2m+1)(SO2CnF2n+1)− (2)
[m及びnは、それぞれ独立に0〜5の整数を表す。] - 前記電解質塩と前記溶媒との合計の含有量が、前記電解質組成物全量を基準として、25〜70質量%である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の電解質組成物。
- シート状に形成された、請求項1〜10のいずれか一項に記載の電解質組成物。
- 正極と、
負極と、
前記正極及び前記負極の間に設けられた、請求項1〜11のいずれか一項に記載の電解質組成物からなる電解質層と、を備える二次電池。 - 1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種である電解質塩と、溶媒と、分散媒と、を含有するスラリを基材上に配置する工程と、
前記分散媒を揮発させて前記基材上に電解質層を形成する工程と、を備え、
前記1種又は2種以上のポリマを構成する構造単位の中には、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれ、
前記1種又は2種以上のポリマの含有量は、前記スラリの固形分に含まれるポリマ全量基準で、90質量%を超え、
前記1種又は2種以上のポリマにおいて、前記第2の構造単位の含有量に対する前記第1の構造単位の含有量の質量比は、50/50以上である、電解質シートの製造方法。
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