JP2005005024A - Woven fabric for solid electrolyte carrier and solid electrolyte sheet for lithium battery - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質を担持する固体電解質担持用織布に関し、また、可動イオン種がリチウムイオンであるリチウムイオン伝導性固体電解質を用いたリチウム電池に関し、さらに詳しくは、高分子を含む材料でコートされ、固体電解質粉末等を担持する構造体として好適な、厚さが薄く開口率の高い固体電解質担持用織布、及び、この織布を用いたリチウムイオン伝導性固体電解質シートに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の電子産業における技術的進歩は著しく、その機器電源として電池の需要は非常に大きなものとなっている。特に、リチウム2次電池は、リチウムの原子量が小さく、かつイオン化エネルギーが大きな物質であることから、高エネルギー密度を得ることができる電池として盛んに研究が行われ、現在ではポータブル機器の電源として広範囲に用いられている。
【0003】
最近では、リチウム2次電池が使用される機器の高性能化にともない、電池の容量や充放電サイクル寿命のみならず、形状の多様性に対する要求が顕在化し、例えばさらに薄型のセル構造が要求されている。また、定置型電源または電気自動車やハイブリッドカーのような車両搭載用電源として、大型化リチウム2次電池の需要が期待されている。殊に、負荷変動が激しく且つ高出力が要求されるハイブリッドカー用途の場合、セル構造の薄型化は重要な因子と位置付けられる。
【0004】
一方で、含有活物質量の増加による内部エネルギーの増加と、さらに電解質に用いられている可燃性物質である有機溶媒の含有量の増加により、電池の発火などの危険性に対する問題も近年クローズアップされており、該電池の大型化を困難にしている。
【0005】
以上のことから、リチウム2次電池は、薄型であって、さらに望ましくは有機溶媒を含まない全固体型であることへの要求が高まっている。そのため、形状加工性に富んだ、及び/又は、安全性の高いリチウム2次電池として、前記有機溶媒系の電解質を固体に置き換えた固体電解質を用いた全固体電池の研究が活発に行われている。このうち固体電解質のタイプとしては、高分子の3次元網目構造中に閉じ込めた高分子ゲル電解質や、有機溶媒を全く含まない高分子電解質や、さらには無機固体電解質、などの研究が活発に進められている。
【0006】
しかしながら、これらの材料のうち、高分子ゲル電解質は、有機溶媒を依然として含むが故に、安全性は完璧なものとはいえない。また、有機溶媒を全く含まない高分子電解質においては、リチウムイオン伝導度が低く、及び/又はリチウムイオン輸率が低いために、実用的な伝導特性は未だ得られていない。伝導特性の面では、無機固体電解質が最も適していると考えられる。
【0007】
いずれの電解質を採用するにせよ、これら電解質は、従来のリチウムイオン電池における電解液の役目と、電極と正負極間を隔てるセパレーターの役目を兼ね備えている。従って、固体電池の基本構造は、一対の正極と負極の間に固体電解質が設けられた積層構造をなし、正負極が粉末成型体である場合には、その成型体中にも固体電解質が含まれているのが一般的である。
【0008】
固体電池の薄型化研究の過程で、電極、電解質の積層化は、それぞれが薄くなるに従い困難さを極めている。このため具体的に生ずる問題点として、例えば電池の動作中に電解質層に穴が開くようなことがあれば、たちまち正極負極の間で短絡する。短絡の際には大電流が流れるため、激しい発熱が起こり甚だ危険である。電解液を含む系であれば、こうした発熱は電解液の発火点を超える領域まで電池温度が上昇する危険性がある。
【0009】
電解液を含まない高分子電解質でも、短絡時の高温は高分子を分解或いは溶融させる可能性があり、内圧上昇につながる。無機固体電解質であれば600℃程度まで安定な材料もあり、前記のような危険は無いものの、短絡すれば最早電池として機能せず、搭載機器の停止や故障につながる。従って、かかる危険を回避する観点からは、本来は固体電解質にセパレーター機能を兼ね備えさせるべきであるところ、余計にセパレーター材料を導入するなどの対策が必要となる。
【0010】
しかしながら、従来のような不織布のセパレーターは、有機溶媒を含む高分子ゲル電解質系に対してならまだしも適用可能であるが、抜本的な安全性を見据えた電解質系、すなわち有機溶媒を含まない高分子電解質または無機固体電解質に対して適用する場合には、高抵抗層となりうる。したがって、該セパレーターに頼ることなく係る短絡を未然に防ぐためには、平滑な電極層の上に直接電解質を安定に製膜する方法をとることが望ましい。
【0011】
固体電解質の中で最も高い安全性と高いイオン伝導特性を兼ね備えた無機固体電解質を全固体リチウム2次電池に適用する場合には、例えば硫化物ガラス電解質(非特許文献1参照)に代表されるように、粉末成型体とバルク体のイオン伝導活性化エネルギーが殆ど同等であり、イオン伝導において粒界の影響を無視できうる。したがって、該電解質のペレットやシートなどの電解質製品形態をイメージした場合に、再度焼結や溶融等の熱処理を施すことなく粉末成型体のままで使用できる利点がある。
【0012】
しかしながら、無機固体電解質は一般に硬くて脆いために、大型の粉末成型シートを得ることが困難である。かかるシートの生産工程を安定化し、品質の均一性を得るために、高分子材料の複合化が研究されている。例えば加工性を付与させるべく高濃度のリチウムイオン伝導性を有する無機塩とゴム状の高分子よりなる”polymer in salt”型と名付けられた新規な固体電解質の提案がなされている(非特許文献2参照)。
【0013】
また、電解質シート芯材として織布を導入して、織布に電解質を担持させる技術が知られている。すなわち、固体電解質粉を高分子弾性体中に均一に分散させた混合物を非導電性網状体の開口部へ充填してなる固体電解質シート、または電極活物質粉および必要に応じてさらに固体電解質粉を高分子弾性体中に均一に分散させた混合物を非導電性網状体または導電性網状体の開口部に充填してなる電極活物質シートが開発されている(特許文献1参照)。また、固体電解質シートまたは電極活物質シートを製造する時に用いられる非導電性網状体としての支持体用織布の製造法が知られている(特許文献2参照)。
【0014】
これら固体電解質担持体用織布は、電池の製造工程上、高い歩留まりを確保し品質の均一化を維持すると伴に、電池としての使用時における電気化学反応に伴う発熱や、外部からの圧力や衝撃に対し固体電解質層を安定に維持できる強度を有することが必要とされ、また、電池性能の観点からは、織布の開口率が高いことが望ましい。
【0015】
しかしながら、従来の織布では、織布材質の繊維糸強度が十分強くなかったために、その開口率に制約があり、具体的には60%〜65%が限界とされており、このため高開口率でかつ厚さの薄い織布を得ることは困難であった。また、従来の織布では、その耐熱性についても十分とはいえず、固体電解質のペレット化のための熱プレス時に織布が熱収縮を起こしてしまうため、固体電解質の担持体としての機能が果たせない、等の問題があった。
【0016】
一方で、前記特許文献1,2に例示される汎用の高分子を用いた場合には、該高分子がイオン絶縁性であるため、無機固体電解質中に均一に分散せしめるだけで、電解質粒子表面がイオン絶縁層である高分子膜によって覆われることとなり、電解質シートのイオン伝導度を低下させ、該シートを用いた全固体リチウム2次電池の内部インピーダンスを上昇させてしまう問題点があった。実際、高分子バインダーの分散状態について、湿式で高分子を均一に無機固体電解質マトリクスに配置せしめた場合と、乾式で高分子を粒状にすなわち不均一に配置せしめた場合で、得られた複合電解質のイオン伝導度を比較すると、均一に配置せしめた試料の方が、イオン伝導度が著しく低くなることが報告されている(非特許文献3参照)。
【0017】
また、無機固体電解質のマトリクス中に、均一であれ不均一であれ高分子が分散している場合においては、芯材として織布を導入した場合に、高分子によって織布の開口部が容易に塞がれてしまい、イオン伝導が阻害される問題が生じることもあった。
【0018】
【特許文献1】
特許第1887667号公報
【特許文献2】
特許第2928551号公報
【非特許文献1】
N.Aotani,K.Iwamoto,K.Takada,andS.Kondo,Solid State Ionics,vol.68(1994)、p.35
【非特許文献2】
C.A.Angell,C.Liu,and E.Sanchez,Nature,vol.632(1993)、p.137
【非特許文献3】
T.Inada,K.Takada,A.Kajiyama,M.Kouguchi,H.Sasaki,S.Kondo,W.Watanabe,M.Murayama,and R.Kanno,Solid State Ionics, vol.158(2003)、p.275
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の固体電解質二次電池で用いる固体電解質担持用織布および前記織布を芯材として用いた固体電解質シートの従来技術における問題を解決し、内部抵抗の低下や負荷特性の向上を達成しながら薄型で充分な強度を持ち、イオン伝導性および熱形態安定性に優れ、さらには、固体電解質二次電池用として好適な、すなわち厚さが薄く開口率の高い、高分子を含んでなる材料でコートされた固体電解質担持用織布およびこの織布を用いたリチウム電池用固体電解質シートを提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の構成からなる本発明により解決された。
【0021】
(1)モノフィラメントの合成繊維糸で製織した織布の構成単糸表面層を、高分子を含んでなる材料でコートしたことを特徴とする固体電解質担持用織布。
【0022】
(2)モノフィラメントの合成繊維糸は、JIS L 1013による試験法での引張り強度が10cN/dtex以上の糸である、上記(1)記載の固体電解質担持用織布。
【0023】
(3)モノフィラメントの合成繊維糸の繊維糸を構成する材質が、アラミド、ポリアリレート、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)から選ばれる1種又は2種以上の材料を含んでなる、上記(1)または(2)記載の固体電解質担持用織布。
【0024】
(4)モノフィラメントの合成繊維糸で製織した織布の構成単糸表面層のコート材質が、熱可塑性樹脂を少なくとも1種類含んでなることを特徴とする上記(1)から(3)のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。
【0025】
(5)モノフィラメントの合成繊維糸で製織した織布の構成単糸表面層のコート材質が、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、テルペンフェノール共重合体、から選ばれる材料を少なくとも1種類含んでなることを特徴とする上記(1)から(4)のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。
【0026】
(6)モノフィラメントの合成繊維糸で製織した織布の構成単糸表面層のコート材質が、リチウムイオン透過性を有し、且つリチウムイオン輸率が0.7以上であることを特徴とする高分子を少なくとも一種類含んでなることを特徴とする上記(1)から(5)のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。
【0027】
(7)モノフィラメントの合成繊維糸で製織した織布の構成単糸表面層のコート材質が、リチウム塩を含まないことを特徴とする上記(1)から(6)のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。
【0028】
(8)モノフィラメントの合成繊維糸で製織した織布の構成単糸表面層のコート材質が、化学架橋体前駆体を含み、該前駆体を原料の一つとする化学架橋反応により高分子の化学架橋体を生成せしめることを特徴とする上記(1)から(7)のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。
【0029】
(9)モノフィラメントの合成繊維糸で製織した織布の構成単糸表面層のコート材質が、化学架橋体前駆体を含み、該前駆体を原料の一つとする化学架橋反応により高分子の化学架橋体を生成せしめ、且つ前記化学架橋反応が付加反応であることを特徴とする上記(1)から(8)のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。
【0030】
(10)モノフィラメントの合成繊維糸で製織した織布の構成単糸表面層を、高分子を含んでなる材料でコートし、コート後の織布質量に対するコート質量が0.3%以上10%以下であることを特徴とする上記(1)から(9)のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。
【0031】
(11)製織した織布の厚みが、該織布の構成単糸表面層のコート後で10μm以上50μm以下、開口率が60%以上90%以下であることを特徴とする上記(1)から(10)のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。
【0032】
(12)固体電解質がリチウムイオン伝導性無機固体電解質を含んでなる粉末であることを特徴とする上記(1)から(11)のいずれかに記載の体電解質担持用織布。
【0033】
(13)固体電解質がリチウムイオン伝導性無機固体電解質を含んでなる粉末で且つ前記粉末中に高分子が分散されていないことを特徴とする上記(1)から(12)のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。
【0034】
(14)上記(1)から(13)のいずれかに記載の高分子を含んでなる材料でコートされた固体電解質担持用織布に、リチウムイオン伝導性無機固体電解質を含んでなる粉末を担持した固体電解質シート。
【0035】
(15)リチウムイオン伝導性無機固体電解質を含んでなる粉末の少なくとも一種類の固体電解質成分に、構成元素の一つとしてイオウが含まれることを特徴とする上記(14)記載の固体電解質シート。
【0036】
(16)リチウムイオン伝導性無機固体電解質を含んでなる粉末の少なくとも一種類の固体電解質成分に、構成元素の一つとしてイオウが含まれ、該固体電解質成分が結晶質であることを特徴とする上記(14)または(15)記載の固体電解質シート。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態としては、固体粉体の担持用織布として、耐熱性のある高強度高弾性モノフィラメント繊維を用いて平織りにより製織し、その開口部に固体粉体を結着するため、織布構成単糸の表面に、高分子を含んでなる材料のコートを行うとともに、該コート前またはコート後に、ロールを用いたニップ工程により織布経糸方向へ連続的に圧延し、織布厚みを薄くかつ均一に揃えることによって、薄くかつ高開口率で熱安定性に優れた所望の強度を有する固体電解質粉体担持用織布、およびこの織布にリチウム二次電池用の固体電解質を担持した固体電解質シートを得ることができる。
【0038】
上記固体電解質粉体の担持体となる担持用織布としては、高開口率においても充分な強度を有するものが望ましく、このような織布は、モノフィラメントの合成繊維糸を製織することによって得ることが可能である。ここで、織布の製織方法としては、平織り、綾織、朱子織、畳織り、捩り織り、等の各種方法があるが、担持体としての薄さおよび表面の平坦性を得るためには、平織りによる製織が好適である。
【0039】
担持体に用いる織布用モノフィラメント原糸の材質としては、例えば、アラミド、ポリアリレート、超高分子量ポリエチレン、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)、ポリパラフェニレンベンゾビスチアゾール(PBT)、ポリパラフェニレンベンゾビスイミダゾール(PBI)、フッ素系繊維、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、6−ナイロン、66−ナイロン、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、変成ポリフェニレンエーテル(PPE)、その他液晶ポリマーおよびこれら2種類以上を用いた混合物、例えば芯鞘型複合繊維などを用いて製織することが出来る。
【0040】
製織工程においては、経糸と緯糸とで異なる材質の合成繊維糸を採択して製織を行っても良い。但し、製織工程において安定して高開口織物を製造するために、採択される合成繊維糸は、JIS L 1013による試験法での引張り強度が10cN/dtex以上であることが好ましい。合成繊維糸の引張り強度が10cN/dtexに達していない場合には、強度不足のために製織時の糸切れが頻発し、製織が困難となり織布が得られないことがある。
【0041】
また、電解質担持体織布としては、後述の熱プレス時にも熱収縮を起こさず安定した形態を維持するために、熱変形温度が高い材質のモノフィラメント繊維糸を製織することが好ましい。耐熱性のある引張り強度の高いモノフィラメント繊維糸を用いた織布は、繊維糸自体の強度が高いので、開口率を大きくし、厚さを薄くしても高い強度を確保できる。そして、この織布を固体電解質層の担持体として用いた場合、その形態を充分に維持することが可能となり、電極間の短絡の発生を引き起こすことなく、安全性、信頼性が確保される。また、厚みが薄くかつ高い開口率であるため、電気抵抗を低く高性能化することができると伴に、電池の薄型化が可能となり、特に大型かつ薄型の電池への応用が期待できる。
【0042】
このような強度および熱変形温度の観点から、電解質担持体織布を構成するモノフィラメント繊維糸の材質としては、JIS L 1013による試験法での引張り強度が15cN/dtex以上と高強度であり、かつ、熱変形温度が250℃以上を示す、アラミド、ポリアリレート、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)が特に好適である。
【0043】
従来、無機固体電解質粉に結着剤となる高分子弾性体等を分散させた混合物を織布に担持する技術が知られている。この場合、固体中に占める電解質の比率が低下すると伴に固体電解質粉表面が十分に機能を発揮できず、伝導度の低下が避けられなかった。
【0044】
これに対して、本発明者らは、製織時または製織後に織布構成単糸表層面を高分子を含んでなる材料でコートすることで、高分子弾性体等の結着剤を敢えて混合することなく、固体電解質粉を織布に強固に担持せしめ可撓性に優れた電解質シートを得ることが可能であることを見出し、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。
【0045】
織布への高分子を含んでなる材料のコーティングは、含浸処理、スプレーコーティング、溶液を含浸付着させたロール上を織布を通過させるロールコーティング等公知の方法で行うことが出来る。
【0046】
ここで、高分子としては、電子絶縁性であればよく、その範疇で各種ポリマー、例えばゴム系、アクリル系、ポリエステル系又は混合物を用いることで、織布開口部に均一に安定なコーティングを得る事ができる。具体的には、高分子の材料としては、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、テルペンフェノール共重合体のような熱可塑性樹脂、あるいはこれらの共重合体、または熱可塑性エラストマーのようなゴム弾性を有する材料が挙げられる。
【0047】
このうち、熱可塑性エラストマーとしては、圧縮永久歪が小さく加硫ゴムに近いものほど、電池の熱的な体積変化や充放電時の体積変化への追随性が現れるので、望ましい。ここで、圧縮永久ひずみの小さい材料としては、例えば、スチレン含有量の高いスチレンブタジエンブロック共重合体などのスチレン系が挙げられる。
【0048】
前記特許文献1,2に例示される汎用高分子材料は、安価であり、電気化学的安定性にも優れるが、イオン絶縁性であることから、織糸表面コート層はイオン伝導に寄与しない。該表面コート層は極めて薄い層なので伝導度の影響は大きくはないが、該表面コート層にイオン透過性を有する高分子を適用すればさらに望ましい。イオン透過性を示す高分子が有すべき特性としては、次の諸点が挙げられる。
【0049】
第一に、均一に織糸を覆うために湿式プロセスが適当である。従って、溶媒に可溶な高分子であることが必要である。
【0050】
第二に、本発明の系を実用的なリチウム電池に採用するためには、5V程度までの電気化学的安定性が求められる。
【0051】
第三に、高分子がイオン透過性を有し、且つそのイオン伝導においてリチウムイオンの選択性が高いことが必要である。
【0052】
以上の点について次に説明する。
【0053】
高分子の溶媒への溶解性は、任意の溶媒に対して溶解試験を行うことができる。すなわち、均一な溶液が得られる状態については目視で判断することが可能であり、一方、溶解しない事例としては、溶媒中に高分子が分離した状態や、または膨潤した状態が観察されるので、容易に判断できる。
【0054】
電気化学的安定性は、電位窓とも呼ばれており、例えばステンレスとリチウム箔の間にリチウムイオン伝導性無機固体電解質と高分子の複合成型体をはさんだセルを組み立てて、サイクリックボルタンメトリーにより評価することができる。
【0055】
高分子のイオン透過性は、高分子をキャスティング法などによりフィルム化して得られた試料について、イオン伝導度を調べることにより判断できる。ここで、イオン伝導度については、交流インピーダンス法などにより電気伝導度を測定し、且つ直流分極法により電子伝導が現れないことを確認することで評価できる。
【0056】
高分子は、一般にそれ単独ではイオン伝導に対して絶縁性である。また、イオン導電性高分子という物質群が知られているが、イオン伝導性よりもイオン透過性の方が狭義の概念である。例えば、特開平10−3818号公報に開示されている高分子は、イオン伝導性が無機固体電解質との接触界面に限られ、界面においてのみイオン伝導性がある。そして、かかる高分子においては、無機固体電解質に接しない高分子膜の内部に無機固体電解質が溶解して混入することはなく、イオンキャリアであるリチウムイオンは高分子マトリクス内に存在しないため、イオンが流れ得ない。従って、このような高分子は、イオン透過性ではない。
【0057】
一方で、イオン透過性がない高分子に対して特定の助剤を添加することで、高分子はイオン透過性になりうる。すなわち、ポリエーテル類のような特定の構造を有する高分子は、内部にイオンキャリアであるリチウムを持たないので、例えば一対の正負極の間にリチウムイオン電導性無機固体電解質の層と前記高分子単独の層をはさみこんでも、電解質層において高いインピーダンスを示す。しかし、このような高分子に対し、そのマトリクス中において解離して均一に混じり合うリチウム塩を添加することにより、高いリチウムイオン伝導度の得られることが知られており、広く研究がなされている(例えばA.Nishimoto, M.Watanabe, Y.Ikeda,and S.Kohjiya, Electrochim.Acta,43,(1998)、p.117、など)。
【0058】
このリチウム塩は、支持電解質とも呼ばれ(橋本、新規二次電池材料の最新技術、小久見監修、シーエムシー(1997年)、p.152)、例えば、アニオンがClO4 −、BF4 −、PF6 −、AsF6 −、SbF6 −,CF3SO3 −、(CF3SO2)N−、または(C2F5SO2)N−とリチウムカチオンから構成されており、単独ではイオン伝導を示さないが、高分子と相溶し複合高分子膜を形成した場合には、イオン解離により高分子膜内部にリチウムイオンが生成し、且つ高分子膜がイオン輸送の経路になるために、複合高分子膜はイオン透過性を示す。
【0059】
ところで、かかるリチウム塩は、無機リチウム化合物であるが、本発明で使用されるリチウムイオン伝導性無機固体電解質とは明確に区別される。すなわち、前者は既述のようにイオン解離がない単独状態ではイオン伝導性を示さないのに対し、後者では単独でイオン伝導性を示す。本発明で使用されるリチウムイオン伝導性無機固体電解質は、リチウムイオンと、リチウムイオンが流れるマトリクスとを同時に有するからであり、イオン伝導に対しては、いわば前者のリチウム塩と高分子との複合体における、リチウム塩と高分子膜双方の機能を併せ持っていると考えられる。
【0060】
このように、イオン透過性高分子は、高分子内部にリチウムイオンが存在することが必要であり、その一手法として、高分子にリチウム塩を解離させる方法を述べた。しかしながら、このような系においては、高分子のマトリクス中を、リチウムイオンが移動するのみならず、前記のようなリチウム塩由来のカウンターアニオンも移動する場合があり、この場合には実質的なリチウムイオン輸率が低下してしまう。
【0061】
一方、本発明で使用されるリチウムイオン伝導性無機固体電解質においては、リチウムイオンのみを選択的に伝導させることができる。このような伝導特性は、一般にシングルイオン伝導性といわれ、リチウムイオン輸率が1であるという表現が用いられる。そのため、本発明で用いる高分子は、単にイオン伝導度が高いというだけではなく、このリチウムイオン輸率が高いことが好ましい。
【0062】
一般に、イオン伝導度は、交流を印加してインピーダンスを測定し、その値から算出する。従って、仮にイオン伝導度が高い値を示しても、そのイオン伝導を担う種にリチウム以外のイオン、特にアニオンが混在すると、電池反応は直流反応であるため、分極を起こし内部抵抗増大の原因となりうる。すなわち、電池の充電時において、電解質層内では、正極に近い電解質粒子から高分子バインダーを介して負極に近い隣接する電解質粒子にリチウムイオンが移動する。このときに、バインダーのリチウムイオン輸率が低いと、正極方向に向かってアニオンが移動し、バインダーマトリクス内が分極する。その結果、バインダーマトリクス中にイオン絶縁層が形成されるために、抵抗が増大するものである。
【0063】
このような分極の電池反応への影響は、電池の充放電速度が速いほど顕著に発現することが懸念される。リチウムイオン輸率の低い高分子を用いると、前記の理由によりバインダーマトリックス内で分極を起こすばかりでなく、アニオン種の存在が副反応を誘発する懸念があり、いずれも電池の充放電性能を低下させることが危惧される。実際、本発明者らが硫化物系無機固体電解質を用いたリチウム電池素子の充放電試験を行ったところ、リチウムイオン輸率が0.7より低い場合には、放電性能が低下することを確認しており、この試験内容については特願2002−135173に開示している。
【0064】
高分子のリチウムイオン輸率を向上させる手段としては、アニオン種の移動を抑制することが最も有効な手段である。その具体的な手法としては、例えば、高分子に添加したリチウム塩由来のアニオンを添加剤により化学的に補足する方法や、または抜本的に、リチウム塩の添加を行わない方法、などが挙げられる。リチウム塩を添加しない場合には、分子構造中にアニオン部位とそのカウンターイオンとしてリチウムカチオンが含まれる高分子が使用できる。該高分子においてはアニオンが分子内に固定されるため、リチウムのみが移動しやすい。
【0065】
添加剤により化学的に補足する方法に関しては例えば、M.A.Metha,T.Fujinami,S.Inoue,K.Matsushita,T.Miwa,and T.Inoue,Electrochim.Acta,45(2000)、p.1175、などが知られている。該文献においては、リチウム塩をポリエーテル系高分子に溶解させた複合イオン伝導系に対して、ボロキシン系化合物を添加することにより、前記リチウム塩のアニオンを捕捉し、カチオンであるリチウムのみをより選択的に、高分子マトリクスを透過せしめる技術が開示されている。ここで、ボロキシンは、ホウ素と酸素が交互に連なった環状構造を含む化合物である。以下は、この環状構造部分をボロキシン環と記載する。ボロキシン環のホウ素上の置換基としてポリエーテルを導入することにより、ポリエーテル系高分子との相容性が発現する。また、ポリエーテル鎖の両末端を異なるボロキシン環のホウ素上に結合させることにより、ボロキシン環をマトリクス中に含むポリエーテルの網目構造の構築も可能である。
【0066】
リチウム塩の添加を行わない方法については、リチウム化合物を原料として高分子を得る方法(例えばT.Fujinami,K.Sugie,K.Mori,and M.A.Metha,Chem.Lett.(1998)、p.619)などが知られている。該文献においては、例えば後述する化学式1に示すような構造を有する高分子を得る方法、および、該高分子系がほぼ1の高いリチウムイオン輸率を示すことが開示されている。すなわち、有機合成において汎用的に使用される還元剤系である水素化アルミニウムリチウム等のリチウム金属水素化物を出発原料として、該高分子系を構築することにより、出発原料由来のリチウムカチオンを有し、且つそのカウンターアニオン部位が分子内に固定された分子構造が得られる。従って、あえてリチウム塩を添加せずともリチウムが高分子マトリクス中を透過し、且つアニオンが高分子に固定されているため高い輸率が発現するものである。また、本系のような方法によれば、原料転換率も高い。さらに、金属水素化物から2段階程度の少ない合成段階を経るだけで、簡便に高選択性高リチウムイオン伝導体を構築できる。ゆえに、本系の手法は、工業的にも極めて有用であると考えられる。
【0067】
リチウム塩の添加を行わない他の方法としては、リチウムをカウンターカチオンとして分子にアニオン部位を有するもののみならず、分子構造上イオン分極するもの(例えばメソイオン構造など)を用いてもよい。
【0068】
本発明で用いる高リチウムイオン輸率を有するイオン透過性高分子(以下、高輸率高分子と記載する。)は、前記例示のものに限られない。高いリチウムイオン輸送選択性を示す高分子は、近年精力的に研究がなされている分野であり、イオン伝導性高分子のリチウムイオン輸率をいかにして向上せしめるか、且つさらにイオン伝導度を向上せしめるかという課題に研究の重点がおかれており、さらに、その分子設計に関してもさまざまな提案が報告されている。
すなわち、本発明に用いる高輸率高分子としては、湿式プロセスに用いられる溶媒、すなわち該高分子を溶解または均質に分散させる溶媒が、本発明の織布を劣化させず、且つ電気化学的安定性に合致するものであれば、すべて前記織布の表面コート材料に含めることが可能である。本発明において、高輸率高分子は、単独で用いてもよく、また複数を組み合わせて用いてもよく、さらには、該高分子と相容性を示す高分子材料、例えばポリエチレンオキシドやポリ(プロピレンオキシド−エチレンオキシド)のようなポリエーテル系高分子などを添加して用いてもよい。
【0069】
こうした高分子のブレンドは、前記高輸率高分子に限らず、本発明で織糸表面コート材料に含むことが可能な高分子材料全てに適用可能である。特に、該高分子材料が油状であった場合には、そのブリードを抑制する効果がある。また、織糸からコートが流出などにより剥離するのを抑制する。かかる剥離は、例えば無機固体電解質を織糸開口部に充填するときなどに、前記無機固体電解質によって押し出されることにより起こりうる。また、強度向上という目的に鑑みれば、コート材料への無機フィラーの添加も可能である。ただし、フィラー材料は、電子絶縁性でなければならない。無機フィラーは、1種類または2種類以上使われていてもよい。
【0070】
また、高分子のブリードを回避する方法としては、該高分子が化学架橋反応の架橋点を有するか、化学架橋反応により高分子を形成する前駆体を用いる方法が有用である。前記架橋反応は、織糸の表面コート後、無機固体電解質を織布の開口部に充填する時点までのいずれかの工程で行なわれてもよく、また充填後に行われてもよい。但し、前駆体の粘度が低い場合には、前記のように無機固体電解質の充填時にコート剥離する可能性もあるので、架橋反応は無機固体電解質充填前が望ましい。ただし充填後の架橋は、無機固体電解質への接合性が向上し、優れたバインダー性能を示す。前記架橋反応の架橋点となるのは一般に官能基であるが、架橋反応において副生物が生成し、且つ該副生物が電池系内に留まると、材料の劣化や、電池反応の妨げになる場合もあるので、架橋反応において副生物が生成しない系を選択するのが望ましい。
【0071】
具体的な架橋反応としては、付加反応が望ましく、例えばビニル基を有する分子と、SiH基を有する分子を共存させ、ヒドロシリル化反応により架橋体を形成せしめることが可能である。こうした材料として市販のものではシリコーンが挙げられるが、ビニル基を有する化合物と、SiH基を有する化合物の間であれば本反応は進行する。本反応では、加熱が必要な場合もあるが、その温度は通常150℃以下であり、電解質を劣化することもなく、またリチウムが融解することもない。また、該反応には極微量の白金系錯体など遷移金属錯体が触媒として用いられるが、触媒残渣が電池反応を阻害することはない。さらに、本反応はイオウ化合物の共存下で被毒されると一般に言われているが、硫化物系無機固体電解質存在下では被毒は起こらない。
【0072】
架橋反応を起こす官能基の存在形態については、1種類の化合物にのみ該官能基が全て含まれていて、その化合物だけで架橋しても良いし、2種類以上の化合物に該官能基が含まれていて、前記化合物間で架橋してもよい。架橋体前駆体となる化合物は、高分子でもよいし、低分子でもよいが、バインダーとしての適当な柔軟性と、十分な強度を兼ね備えるには、少なくとも一種類の前駆体が既に高分子であることが望ましい。また、前駆体の架橋点が少ないほど、また架橋点間分子量が大きいほど、架橋体は柔軟なものとなる。
【0073】
以上をまとめると、織糸表面にコートする材料に含まれる高分子材料は、電子絶縁性であって、熱可塑性樹脂に代表される汎用材料でもイオン透過性高分子のような特殊な材料でも使用可能であり、また粘度は任意であるが、低粘度材料を用いる際には他高分子材料とのブレンドや化学架橋反応を適用することができる。また、無機フィラーを添加してもよい。高分子材料も無機フィラーも、1種または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
【0074】
織布を構成する糸の太さについては、平織りとした場合の経糸および緯糸として、それぞれ線経10〜50μmのものを用いることが好ましい。10μm未満だと安定した製織が困難であり、50μmよりも太くなると固体電解質の担持織布として使用した場合、電池の薄型化が達成できないことがある。経糸と緯糸とは、相互に同じ糸経を用いるほうが織布の平面性からは好ましいが、異なる糸経を用いてもかまわない。
【0075】
織布の織密度は、50メッシュ以上150メッシュ以下が好ましい。50メッシュ未満であると、開口部の均一性が保てなくなり、また担持布としての強度が不十分となる。一方、150メッシュより大きな値になると、開口率60%以上を得ることが困難となり、導電率など電池としての性能面での高性能化の達成が難しくなる。
【0076】
また、固体電解質担持体として用いる織布は、高分子を含んでなる材料でコートした後の開口率が60%以上90%以下である事が望ましい。開口率が60%未満であると、同体積あたりの固体電解質の量が減少するのでイオンの電導度が低下し、その様な固体電解質層を用いて作製した固体電解質二次電池では良好な特性が得られにくい。一方、開口率が90%を超えると、織布製織時の開口部の均一性が得られず、また十分な物理的強度が得られなくなる等、織布を精度良く安定して作製することが困難であり、さらには電池組み立て時の取扱性が悪くなる及び/又は内部短絡の危険性が増大する等の問題が生じる。従って、固体電解質担持体として用いる織布の開口率は60〜90%が適している。さらに、固体電解質シートとしての特性と物理的強度との観点からは、開口率は70〜85%の範囲が好適である。ここで、開口率は、網状体単位面積当たりの総開口面積の割合と定義される。
【0077】
従来、織布に樹脂をコーティングすることは、織布の表面や屈曲性を改質したり、経糸と緯糸との交点を接着し目ずれ防止の目的で行われている。これらの目的では織布を構成する繊維表面を薄膜でコーティングしたり、交点の結着ができる程度の少量の樹脂付着量があれば充分である。
【0078】
本発明における高分子を含んでなる材料(樹脂)でのコーティングの付着量は、コーティング後の織布質量に対して、0.3〜10.0%、好ましくは1.0〜5.0%である。樹脂付着量が0.3%未満であると、開口部に充填する電解質粉体との十分な結着性が得られず、樹脂付着量が10.0%より多くなると開口部面積の減少及び/又はコーティング樹脂が熱可塑性樹脂である場合、軟化した樹脂が電解質粉体間へ浸入する影響により伝導度が低下する。
【0079】
コーティングは、平織り製織時の後工程としてロールに巻き取る前に実施しても良いし、製織後ロールに巻き取った後に、二本のロールでのニップで連続的に加熱圧延する前工程として実施してもよい。また、織布製造工程を経た後に、無機固体電解質充填前に行ってもよい。ディッピング、スプレーコーティング等公知の方法により塗布されたコート材料は、エアブロー、遠赤外照射等の公知の方法により樹脂溶液の飛散除去、溶媒の蒸発揮散を行い、乾燥し樹脂を固着させる。特に、製織時に織布へコーティングを行う場合は、緯糸打込後ロールに巻き取る前工程において、スプレーあるいはロールコーティングし、エアーの吹きつけにより開口部を確保すると伴に、乾燥による脱溶媒工程を含むものである。また、製織後の織布へのコーティングは、織布構成単糸表層面に均一な樹脂層を得られる方法として含浸処理後、付着樹脂量の調整、遠赤外線乾燥機による乾燥工程により行われる。
【0080】
本発明の担持体用織布は、例えば前記平織り織布にコート材料を所定量コーティングした後に、二本のロールのニップにより経糸方向に連続的に加熱・圧延することにより、樹脂の付着を均一に固定化すると伴に、構成単糸の交点部の凹凸が軽減され、薄く均一な織布表面を得ることができる。ロールでのニップは1段に限らず2段階以上あるいは圧力の異なるロールニップ工程を通ることでも実現可能である。また、ロール圧延工程は2階以上複数回通しても良い。ロールニップに替わる圧延の方法としてはプレス方式でも同様の効果を得ることが出来る。
【0081】
固体電解質層担持体織布の厚みは、10〜50μmが望ましい。織布の厚さが10μm未満であると、固体電解質支持体として好適な強度が保てなくなり短絡の発生を防止することができず、一方で50μmよりも厚いと、負荷特性やエネルギー密度を良好な範囲に保ち得る事ができず、本来の性能発揮に至らない。この固体電解質層担持体織布の厚みは、特に15〜30μmが望ましい。
【0082】
コーティングされた織布開口部へ充填されるリチウムイオン伝導性無機固体電解質は、1種類または2種類以上組み合わせて用いることが可能であるが、中でもリチウムイオン伝導度が高く且つ分解電位の高い硫化物系無機固体電解質が望ましい。硫化物系無機固体電解質は、構成元素のひとつとしてイオウを含み、一般に、Li2Sと、P2S5、GeS2、SiS2、B2S3などから選ばれる少なくとも1種類の硫化物を組み合わせて合成される。また、Li3PO4などのオルト酸を微量ドープしたものや、LiIなどのハロゲン化リチウムを含む材料も知られている。これは単独で用いてもよいし、同時に複数用いてもよい。
【0083】
より具体的には、0.01Li3PO4・0.63Li2S・0.36SiS2(N.Aotani,K.Iwamoto,K.Takada,and S.Kondo,Solid State Ionics,68,(1994)、p.35)、0.45LiI・0.55(0.69Li2S・0.31P2S5)(R.Mercier,J.P.Malugani,B.Fahys,and G.Robert, Solid State Ionics,5,(1981)、p.663)、または0.45LiI・0.55(0.69Li2S・0.31B2S3)(H.Wada,M.Menetrier,A.Levasseur,and P.Hagentmuller,Mat.Res.Bill,18(1983)、p.189.)、Li3.25Ge0.25P0.75S4のような組成を有するリチウムゲルマニウムチオ−ホスフェート(R.Kannoand M.Murayama,J.Electrochemical Soc.,148(2001) p.A742)などが挙げられる。
【0084】
前記無機固体電解質は、非晶質のものと結晶質のものに大別される。非晶質の材料は加熱により結晶化イオン伝導度が低下するが、結晶質の電解質は、このような劣化が起こらず熱安定性が高いことから、電池の製造プロセスや電池の使用温度についての許容範囲が広いと位置付けられるので、さらに望ましい。前記の中ではLi3.25Ge0.25P0.75S4が結晶質材料であるが、このものは室温で2×10−3S/cmにも達する高い伝導度を示し、且つ600℃程度まで安定である。該材料は、伝導の活性化エネルギーも低く、良好な低温特性も期待される。
【0085】
前記電解質は、1〜5μ程度に粉砕して用いる。電解質が硫化物系材料の場合には、加水分解性が強いので、乾燥アルゴンなどの雰囲気で粉砕する。粉砕方法としては、振動ミルや遊星ボールミルなどが挙げられる。粒子径については、本発明者はSEM観察により目視で行ったが、エレクトロフォーム篩や網篩により分級する手法、またレーザー散乱など光学的な手法によって評価することも可能である。
【0086】
次に、コーティングされた織布に前記電解質を充填する方法について説明する。
【0087】
まず、充填する無機固体電解質については、1種類のものを単独で用いても、または2種類以上のものを組み合わせても良い。
【0088】
また、本発明では特に無機固体電解質粉末中には高分子が分散されず、バインダーの機能は織布の織糸表面の高分子を含んでなるコート層に起因せしめることにより、固体電解質シートの安定したイオン伝導を確保する目的が大であるが、本コート層のバインダーとしての機能に注目すれば、無機固体電解質中に高分子が分散されていても、該コート層のバインダー機能に影響はない。さらに付け加えるならば、無機固体電解質粉末に高分子が分散されていても、また分散されていなくても、織糸の表面のコーティングを施したことにより、固体電解質はある程度の可撓性を示し、円筒上に巻くことも可能である。その際にコーティングがなければ、織布の開口部に充填された固体電解質は織布から脱落しやすい。
【0089】
コーティングされた織布への固体電解質粉末の投入法は、前記織布に無溶媒の粉末または少量の溶媒で湿らせ必要に応じ造粒した粉末を直接投入するか、またはスラリーにしたものを流し込む方法が挙げられる。前記スラリーの投入方法としては、例えばスクリーン印刷、ドクターブレード、浸漬など汎用の塗工法を利用することができる。
【0090】
固体電解質の投入は、織布の片面から行われてもよく、または両面から行われてもよい。投入時の織布の設置場所は、基板上、空中、液中のいずれでもよい。基板上において投入した場合は、固体電解質を織布に充填したシートと前記基板とが離脱可能である。固体電解質の供給法については、基板上或いは空中で行う場合には、ノズル等を用いて固体電解質を乾式、湿式に関わらず供給することが可能であり、一方、液中で行う場合には、固体電解質スラリーに織布を浸漬し、引き上げるプロセスとなる。
【0091】
投入された固体電解質は、さらに加圧により織布内に十分に充填することが望ましく、この充填法としては、例えば一軸加圧プレス、ローラーなどが挙げられる。また、投入面を平滑化するために、充填前にスキージをかけてもよく、このスキージによっても固体電解質の充填の効果が得られる。
【0092】
コート材料に熱可塑性樹脂を含む場合は、無機固体電解質を織布開口部に充填した後に、得られた電解質シートを該樹脂の融点あるいは軟化点以上に加熱し且つ加圧し、次いで冷却することで、コート材料と無機固体電解質は強固に結着する。このような加熱、加圧あるいは冷却ならびに除圧の工程において、各負荷のプロファイルは任意である。すなわち、加圧についていえば不連続的に成型圧を上げてもよく、連続的でもよい。加熱の昇温降温も同様で、その速度は一定でもよいし、途中で変化してもよいが、加熱開始は少なくとも加圧下で行われるのが望ましい。また、前記降温は自然冷却でもよい。また、加熱温度の設定の最高温度での保持時間は任意であるが、高分子の溶融、軟化は瞬時に起こるので特に長くとる必要はない。
【0093】
また、昇温降温の過程でシートの体積変化に伴う発生圧力変化を抑制あるいは低減せしめるために、加圧の負荷を増減させてもよい。シートを加圧する際には、シートの周囲は治具で囲われていてもよいし、囲われていなくてもよいが、囲われている方が、加圧した際に周辺方向へのシートの変形が低減または抑制されるので、望ましい。
【0094】
以上のような方法で得られた固体電解質シートによれば、織布により機械強度が付与され、自立性と可撓性を示すことから、容易に電極シートと重ね合わせることが可能となり、これによりリチウム電池素子を得ることが出来る。
【0095】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。なお、以下においては固体電解質層の担持体として合成繊維糸の材質、糸径、メッシュの異なる織布を用いて、樹脂コート材質および付着量を変えた実施例および比較例により説明していく。
【0096】
実施例1:
合成繊維モノフィラメントとしてポリアリレート(溶融液晶性ポリエステル)からなる芯成分と、熱可塑性ポリマーを海成分、ポリアリレート(溶融液晶性ポリエステル)を島成分として構成された鞘成分と、からなる芯鞘型複合繊維(株式会社クラレ製・製品名Vecry)の糸径23μmを用いて、経糸、緯糸とも60メッシュの密度で平織り製織した。その後、水を溶媒とした熱可塑性樹脂であるポリエチレンテレフタレート樹脂30mass%の溶液中に常温にて浸漬した後、エアガンにてエアーを吹き付け開口部を確保した。そして、恒温槽中で5分間乾燥させ、織布表層面に樹脂コート層を形成した。さらに、加熱圧延加工において、70℃、1.0MPsの条件の二本の金属ロール間を通すことにより、織布厚さを薄く、樹脂コート層を均一に固定化させて、固体電解質担持用織布を得た。
このようにして得られた織布への無機固体電解質粉末の充填について述べる。はじめに、織布をレーザー加工により30mm×30mmに裁断する。次に、アルゴン置換グローブボックス(露点−70〜−75℃)中で、炭素工具鋼S45C製の金型に、無機固体電解質粉末として仕込み組成Li3.25Ge0.25P0.75S4のリチウムゲルマニウムチオ−ホスフェートを1.5g投入後、表面を平滑化し、前記の裁断した織布をのせる。さらに、これらを一軸プレス機で32.3MPaに加圧後、加圧したままで140℃に加熱して、固体電解質シートを得た。
【0097】
実施例2:
織布の織密度を90メッシュとした以外は実施例1と同様の方法により、固体電解質担持用織布および固体電解質シートを得た。
【0098】
実施例3,4:
コーティング樹脂としてポリプロピレン、高輸率高分子をそれぞれ用いた以外は実施例1と同様の方法により固体電解質担持用織布および固体電解質シートを得た。ここで、実施例4では、高輸率高分子である下記化学式1記載の材料を、文献(T.Fujinami, K.Sugie, K.Mori, and M.A.Metha, Chem.Lett.,(1998)、p.619.)に従い合成した。ここで該高分子は、1段階目に水素化アルミニウムリチウム1モル等量に対してポリエチレングリコールモノメチルエーテルCH3O(CH2CH2O)nHを2モル等量反応させ、2段階目として、1段階目の生成物を単離せずにフェニルホウ酸1モル等量と反応させることにより得られる。本実施例では、前記ポリエチレングリコールモノメチルエーテルにアルドリッチ社の平均分子量約350の試薬を用いた。該試薬において、グリコールくり返し単位長を示すnについては、前記文献記載のn=7.2に相当する。本合成反応は2段階とも脱水素縮合であり、グリコールくり返し単位内での反応は起こらないため、得られる高分子の(化1)におけるnについても原料のポリエチレングリコールモノメチルエーテルを反映し7.2相当である。得られた高分子のコーティングは、前記手法で圧延加工した未コート織布を、アルゴン置換グローブボックス(露点−70〜−75℃)中で高分子のテトラヒドロフラン溶液に常温にて浸漬したのち、ブロワーで開口部を確保した。
【0099】
【化1】
【0100】
ここで、mは、平均の繰り返し数を示し、1〜1000の実数を示す。また、nは、平均の繰り返し数を示し、1〜20の実数を示す。
【0101】
比較例1,2,3:
コーティング樹脂を用いなかった場合及びコーティング樹脂としてポリエチレンテレフタレート樹脂の溶液濃度を10mass%および50mass%とした以外は、それぞれ実施例1と同様の方法により固体電解質担持用織布および固体電解質シートを得た。
【0102】
比較例4:
合成繊維モノフィラメントとしてポリアリレート繊維の45μm糸を用いて経糸、緯糸共に90メッシュの密度で平織り製織した織布を使用して実施例1と同様の方法により固体電解質担持用織布および固体電解質シートを得た。
【0103】
比較例5:
合成繊維モノフィラメントとしてポリアリレート繊維の23μm糸を用いて経糸、緯糸共に150メッシュの密度で平織り製織した織布を使用して、実施例1と同様の方法により固体電解質担持用織布および固体電解質シートを得た。
【0104】
比較例6:
合成繊維モノフィラメントとしてポリエチレンテレフタレート繊維の27μm糸を用いて経糸、緯糸共に130メッシュの密度で平織り製織し、加熱圧延加工の条件を80℃、3.0MPsとした以外は実施例1と同様の方法により固体電解質担時用織布および固体電解質シートを得た。
【0105】
織布の評価項目としては、コーティング前の織布として強度、熱収縮性、開口率を、樹脂コーティング後の織布として樹脂付着量、織布厚さ、開口率を、電解質シートとして粉体担持性および電気伝導度を測定し、その結果を表1に示した。
【0106】
【表1】
【0107】
なお、各評価項目の測定は、下記の方法により行った。
【0108】
<樹脂の付着量>
樹脂付着量については、樹脂コーティング前後での重量変化を測定して算出した。
【0109】
<織布の厚み>
コーティング後の織布につき、マイクロメーターで測定した。
【0110】
<開口率>
織布の開口率については、「網状体単位面積当たりの総開口面積の割合」で定義され、コーティング前及び後の各々につき、顕微鏡写真撮影にて測定した。
【0111】
<強度>
織布を5cm巾に調整し、強伸度試験機により測定した。
【0112】
<熱収縮>
熱収縮性については、一辺20cmの正方形に裁断した織布の各辺の中央部で縦および横方向寸法を、加熱前と200℃恒温槽中に10分間放置後に測定し、寸法変化の有無により評価した。ここで、表1に示す○の評価は、熱収縮率が0.05%未満に収まった場合である。表1に示すように、耐熱性樹脂であるポリアリレートを用いた実施例1〜4、比較例1〜5では、熱収縮は発生せず、高温環境下においても担持体として安定した形態を維持できることが確認された。一方、比較例6では、織糸の素材にポリアリレートに比して熱安定性の低いPETを用いているため、大幅な熱収縮が生じた。
【0113】
<粉体担持性>
粉体担持性については、固体電解質シートを金型から離型した際の充填度合いで評価した。ここでの評価方法は、固体電解質シートを100枚作成し、織布開口部での無機固体電解質粉末の脱離の有無を目視により判定し、脱落の無いシートの比率を担持率として表示した。脱離部は電池を構成したときの短絡点となる極めて重大な欠陥である。本発明の織布並びに固体電解質シートは、応用分野の一つとして大型の固体リチウム電池を考慮しており、30mm四方の試料で粉末の脱離が生ずる技術では大型の実用化は難しいと判断される。しかしながら、本評価は、生産技術の向上によってもある程度結果が変わりうることを考慮し、担持率が100〜50%程度までならば、担持性は良好とした。担持率が50%未満の構成については担持性を不良とし、使用に耐えないと判断した。
【0114】
次に、担持性が良好と判断した構成(すなわち実施例1〜4及び比較例2〜6)について、該固体電解質シートの構成を用いて試験用の固体電池を組み上げて、充放電試験を行った。以下、この固体電池の構成及び試験内容について、図1を参照して説明する。
【0115】
試験用の固体電池は、図1に示すように、ポリエチレンテレフタレート管1(内径10mmφ)に、負極層4と、正極層5と、各層4,5の間に位置する固体電解質シート(すなわち固体電解質3及び織布2)と、からなる素子を充填し、充填した素子の両端に電極端子6,6を取り付けた構成とした。ここで、素子のうち正極層5には、活物質としての銅シュブレル化合物Cu2Mo6S8と、電解質としてのリチウムゲルマニウムチオ−ホスフェートLi3.25Ge0.25P0.75S4と、導電助材としてのアセチレンブラックと、を重量比70:30:3.5で混合した合材を、10mg用いた。また、電解質層となる固体電解質3には、リチウムゲルマニウムチオ−ホスフェートLi3.25Ge0.25P0.75S4粉末を70mg用い、該粉末層の中央に織布2が位置するように成型した。このときの固体電解質層(シート)の厚みは50μmとした。一方、負極層4にはLi金属を用いた。そして、このようにして得られた試験用の固体電池に電流密度1mA/cm2で直流を印加し、定電流充放電を3サイクル行った。本系は正極が充放電前にLiを含まないので、試験は放電から開始した。
【0116】
充放電後に電池を解体したところ、担持性良好の検体では、固体電解質3の電解質粉末ペレットと織布2は十分に接合していたが、担持率がやや低かった検体(比較例2及び比較例4)の場合には、電解質粉末ペレットと織布2とが担持率91%以上の検体に比べて容易に離脱した。
【0117】
なお、本充放電試験では、電解質層(固体電解質3)の厚みを上記のように50μmと厚くしたので、織布2から電解質ペレットが脱離した場合でも、このペレット自身が十分な機械強度を持っており、ペレットがひび割れるようなことはなく、短絡を起こすこともなかった。しかしながら、本発明を将来的に薄型のシート状の電池に応用することを考えると、従来のリチウムイオン電池に採用されているセパレーターを固体電解質層で置き換えると見立てた場合に、該セパレーターの厚みが20μm程度と薄いために、電解質粉末シートをさらに薄くした構成において、該シートが織布2と離脱してその機械的支持が得られなくなれば、電解質粉末シートはひび割れるなどして、電池の短絡を引き起こす可能性がある。したがって、担持性の評価については、充放電試験の結果を踏まえて、表1の総合判定欄を、良好、やや不良、不良に区分して示した。
【0118】
<電気伝導度持性>
上述の総合判定において粉体担持性が良好であった構成(すなわち実施例1〜4、及び比較例3,5,6)について、イオン伝導度の測定を下記の方法で行った。
【0119】
10mmφの検体の両主面にLiTiS2を塗布し、印加電圧を10mV、周波数を1MHzから0.1Hzの範囲とした交流インピーダンス法により測定した。その結果を表1に示す。
【0120】
表1に示すように、実施例1〜4では、高開口を維持しつつ担持体の厚みを薄くすることが可能で、かつ充分な強度を保つことが確認された。また、熱可塑性樹脂または高輸率高分子でコートした織布に固体電解質粉を担持した電解質シートは、固体付着強度が、樹脂コートの無い比較例1と比べ、著しく優れていることが確認された。
【0121】
高輸率高分子を用いた実施例4では、電解質粉体の脱落した検体は一枚もなかったが、これは該高分子の粘度が他に比して低いこと、および分極性の強い分子構造であるため無機固体電解質粉末との濡れ性が良好という理由が考えられる。また、他のコート材より高い伝導度を示しているのは、コート層自体がイオン伝導性を有するためと考えられる。
【0122】
コート材を必要以上に過剰に付着させた場合にも伝導度が低くなるが(比較例3)、これは、コート材により織布の開口部が狭められたり、電解質シート形成時の加熱により軟化した樹脂が電解質粉体間に浸入し、イオンの伝導度を低下させるためと考えられる。
【0123】
糸径が太く、織布の厚さが厚い場合(比較例4)には、電解質粉末の脱落が多く粉体の担持性は不良であった。高メッシュ織布で開口率が小さい比較例5では、粉体担持性は問題ないものの、電解質シートとしての伝導度は低くなった。これは、リチウムイオンの導電経路が狭くなるためと考えられる。
【0124】
織糸の素材にポリアリレートに比して熱安定性の低いPETを用いた比較例6では、経糸、緯糸方向とも約5%の熱収縮が生じ、粉体担持性は比較的良好であったものの伝導度が低くなった。
【0125】
表1に示す結果より、本発明の織布は、高開口を維持しつつ、厚みが薄くとも充分な強度を兼ね備え、また担持体として耐熱性が高く、固体電解質を強固に担持することができ、その結果として優れた電気伝導性を有することが分かる。
【0126】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、織布の厚みが薄く高強度かつ高い開口率を有する粉体担持用織布を得ることができる。得られた担持体は、耐熱性が高く、また固体電解質を強固に担持することができるので、外的応力に対しても優れた安定性を兼ね備えている。従って、この粉体担持用織布を用いた固体電解質シートは、電気伝導性に優れ、薄型で大面積の二次電池用固体電解質シートとして好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】固体電解質シートを用いた試験用の固体電池の断面図である。
【符号の説明】
1 ポリエチレンテレフタレート管
2 固体電解質担持用織布
3 固体電解質
4 負極層
5 正極層
6 電極端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a woven fabric for supporting a solid electrolyte that supports a solid electrolyte, and also relates to a lithium battery using a lithium ion conductive solid electrolyte whose movable ion species is lithium ion, and more specifically, a material including a polymer. The present invention relates to a woven fabric for supporting a solid electrolyte having a small thickness and a high aperture ratio, and a lithium ion conductive solid electrolyte sheet using the woven fabric, which is suitable as a coated structure for supporting a solid electrolyte powder and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, technological progress in the electronic industry has been remarkable, and the demand for batteries as a power source for the equipment has become very large. In particular, lithium secondary batteries are materials that have a low atomic weight of lithium and a large ionization energy. Therefore, lithium secondary batteries have been actively researched as batteries that can obtain a high energy density, and are now widely used as power sources for portable devices. It is used for.
[0003]
Recently, as the performance of devices using lithium secondary batteries has increased, not only battery capacity and charge / discharge cycle life, but also demands for shape diversity have become apparent. For example, a thinner cell structure is required. ing. In addition, demand for large-sized lithium secondary batteries is expected as a stationary power source or a vehicle-mounted power source such as an electric vehicle or a hybrid car. In particular, in the case of a hybrid car application where the load fluctuation is severe and a high output is required, the thinning of the cell structure is regarded as an important factor.
[0004]
On the other hand, due to an increase in internal energy due to an increase in the amount of active material, and an increase in the content of organic solvents, which are flammable substances used in electrolytes, problems related to dangers such as battery ignition have been highlighted in recent years. Therefore, it is difficult to increase the size of the battery.
[0005]
In view of the above, there is an increasing demand for lithium secondary batteries that are thin and, more desirably, all solid types that do not contain an organic solvent. Therefore, as a lithium secondary battery that is rich in shape processability and / or high in safety, all-solid-state batteries using a solid electrolyte in which the organic solvent electrolyte is replaced with a solid are actively researched. Yes. Among these types of solid electrolytes, research on polymer gel electrolytes confined in a three-dimensional network structure of polymers, polymer electrolytes that do not contain any organic solvent, and inorganic solid electrolytes is actively promoted. It has been.
[0006]
However, among these materials, the polymer gel electrolyte still contains an organic solvent, so that the safety is not perfect. Moreover, in the polymer electrolyte which does not contain an organic solvent at all, since the lithium ion conductivity is low and / or the lithium ion transport number is low, practical conductive characteristics have not yet been obtained. In terms of conduction characteristics, an inorganic solid electrolyte is considered most suitable.
[0007]
Regardless of which electrolyte is employed, these electrolytes have both the role of an electrolyte in a conventional lithium ion battery and the role of a separator that separates the electrode from the positive and negative electrodes. Therefore, the basic structure of a solid battery is a laminated structure in which a solid electrolyte is provided between a pair of positive and negative electrodes. When the positive and negative electrodes are powder molded bodies, the solid electrolyte is also included in the molded body. It is common that
[0008]
In the process of thinning the solid battery, the lamination of the electrode and the electrolyte becomes extremely difficult as the thickness of each decreases. For this reason, as a specific problem that arises, for example, if there is a hole in the electrolyte layer during the operation of the battery, a short circuit occurs immediately between the positive and negative electrodes. Since a large current flows in the case of a short circuit, severe heat generation occurs and is extremely dangerous. In the case of a system including an electrolytic solution, such heat generation may cause the battery temperature to rise to a region exceeding the ignition point of the electrolytic solution.
[0009]
Even in a polymer electrolyte that does not contain an electrolytic solution, the high temperature at the time of a short circuit may cause the polymer to decompose or melt, leading to an increase in internal pressure. If it is an inorganic solid electrolyte, some materials are stable up to about 600 ° C., and there is no danger as described above. Therefore, from the viewpoint of avoiding such danger, originally, the solid electrolyte should also have a separator function, but measures such as introducing an extra separator material are required.
[0010]
However, conventional nonwoven fabric separators can still be applied to polymer gel electrolyte systems containing organic solvents, but they are electrolyte systems with a focus on fundamental safety, that is, polymers that do not contain organic solvents. When applied to an electrolyte or an inorganic solid electrolyte, it can be a high resistance layer. Therefore, in order to prevent such a short circuit without relying on the separator, it is desirable to take a method of stably forming an electrolyte directly on a smooth electrode layer.
[0011]
In the case of applying an inorganic solid electrolyte having the highest safety and high ionic conductivity among solid electrolytes to an all-solid lithium secondary battery, for example, a sulfide glass electrolyte (see Non-Patent Document 1) is representative. Thus, the ion conduction activation energies of the powder molded body and the bulk body are almost equal, and the influence of the grain boundary can be ignored in the ion conduction. Therefore, when an electrolyte product form such as pellets or sheets of the electrolyte is imaged, there is an advantage that it can be used as it is without being subjected to heat treatment such as sintering or melting again.
[0012]
However, since the inorganic solid electrolyte is generally hard and brittle, it is difficult to obtain a large powder molded sheet. In order to stabilize the production process of such a sheet and to obtain uniform quality, compounding of polymer materials has been studied. For example, a novel solid electrolyte named “polymer in salt” made of a high concentration of lithium ion conductive inorganic salt and a rubbery polymer has been proposed (Non-patent Document). 2).
[0013]
In addition, a technique is known in which a woven fabric is introduced as an electrolyte sheet core material and an electrolyte is supported on the woven fabric. That is, a solid electrolyte sheet obtained by filling a mixture of a solid electrolyte powder uniformly dispersed in a polymer elastic body into an opening of a non-conductive network, or an electrode active material powder and, if necessary, further a solid electrolyte powder An electrode active material sheet has been developed in which a mixture in which polymer is uniformly dispersed in a polymer elastic body is filled in a non-conductive network or an opening of a conductive network (see Patent Document 1). In addition, a method for producing a woven fabric for a support as a non-conductive network used when producing a solid electrolyte sheet or an electrode active material sheet is known (see Patent Document 2).
[0014]
These woven fabrics for the solid electrolyte support ensure high yield and maintain uniform quality in the battery manufacturing process, as well as heat generation due to electrochemical reaction during use as a battery, external pressure and It is necessary to have a strength capable of stably maintaining the solid electrolyte layer against impact, and it is desirable that the opening ratio of the woven fabric is high from the viewpoint of battery performance.
[0015]
However, in the conventional woven fabric, since the fiber yarn strength of the woven fabric material is not sufficiently strong, there is a restriction on the opening ratio, specifically, 60% to 65% is the limit. It was difficult to obtain a woven fabric with a small thickness. In addition, the conventional woven fabric is not sufficient in heat resistance, and the woven fabric undergoes thermal shrinkage at the time of hot pressing for pelletizing the solid electrolyte, so that it functions as a support for the solid electrolyte. There were problems such as inability to complete.
[0016]
On the other hand, when a general-purpose polymer exemplified in Patent Documents 1 and 2 is used, since the polymer is ion-insulating, the surface of the electrolyte particles can be simply dispersed in the inorganic solid electrolyte. Is covered with a polymer film which is an ionic insulating layer, which reduces the ionic conductivity of the electrolyte sheet and raises the internal impedance of the all-solid lithium secondary battery using the sheet. Actually, with respect to the dispersion state of the polymer binder, the obtained composite electrolyte is obtained in a case where the polymer is arranged uniformly in the inorganic solid electrolyte matrix by a wet method and a case where the polymer is arranged in a granular manner, that is, non-uniformly in a dry method. When comparing the ionic conductivities of the samples, it has been reported that the samples arranged uniformly have a significantly lower ionic conductivity (see Non-Patent Document 3).
[0017]
Also, when the polymer is dispersed in the inorganic solid electrolyte matrix, whether uniform or non-uniform, when the woven fabric is introduced as a core material, the opening of the woven fabric is easily formed by the polymer. In some cases, the ionic conduction is blocked and the ion conduction is hindered.
[0018]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 1887667
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2928551
[Non-Patent Document 1]
N. Aotani, K .; Iwamoto, K .; Takada, andS. Kondo, Solid State Ionics, vol. 68 (1994), p. 35
[Non-Patent Document 2]
C. A. Angel, C.I. Liu, and E.J. Sanchez, Nature, vol. 632 (1993), p. 137
[Non-Patent Document 3]
T.A. Inada, K .; Takada, A .; Kajiyama, M .; Kouguchi, H .; Sasaki, S .; Kondo, W .; Watanabe, M.A. Murayama, and R.M. Kanno, Solid State Ionics, vol. 158 (2003), p. 275
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves the problems in the prior art of the solid electrolyte supporting woven fabric used in the above-described solid electrolyte secondary battery and the solid electrolyte sheet using the woven fabric as a core material, and reduces internal resistance and improves load characteristics. It is thin and has sufficient strength, has excellent ion conductivity and thermal form stability, and is suitable for solid electrolyte secondary batteries, that is, it has a thin polymer with a high aperture ratio. It is an object of the present invention to provide a solid electrolyte supporting woven fabric coated with a material and a solid electrolyte sheet for a lithium battery using the woven fabric.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The above problems have been solved by the present invention having the following configuration.
[0021]
(1) A woven fabric for supporting a solid electrolyte, wherein a surface layer of a single yarn composed of a woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarns is coated with a material containing a polymer.
[0022]
(2) The monofilament synthetic fiber yarn is a solid electrolyte-supporting woven fabric according to the above (1), wherein the tensile strength according to a test method according to JIS L 1013 is 10 cN / dtex or more.
[0023]
(3) The above (1), wherein the material constituting the monofilament synthetic fiber yarn comprises one or more materials selected from aramid, polyarylate, and polyparaphenylenebenzobisoxazole (PBO). ) Or a woven fabric for supporting a solid electrolyte according to (2).
[0024]
(4) Any of the above (1) to (3), wherein the coating material of the surface layer of the single yarn constituting the woven fabric woven with the synthetic filament yarn of monofilament contains at least one kind of thermoplastic resin 2. A woven fabric for supporting a solid electrolyte according to 1.
[0025]
(5) Constitution of woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarn The coating material of the single yarn surface layer contains at least one material selected from polyethylene, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polypropylene, terpene phenol copolymer The woven fabric for supporting a solid electrolyte according to any one of (1) to (4) above, wherein
[0026]
(6) Structure of woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarn The coating material of the single yarn surface layer has lithium ion permeability and has a lithium ion transport number of 0.7 or higher. The woven fabric for supporting a solid electrolyte according to any one of (1) to (5) above, comprising at least one kind of molecule.
[0027]
(7) The solid electrolyte according to any one of (1) to (6) above, wherein the coating material of the single yarn surface layer of the woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarn does not contain lithium salt Supporting woven fabric.
[0028]
(8) Composition of woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarn The coating material of the surface layer of the single yarn contains a chemically crosslinked precursor, and the polymer is chemically crosslinked by a chemical crosslinking reaction using the precursor as one of the raw materials. The solid electrolyte supporting woven fabric according to any one of (1) to (7) above, wherein a body is produced.
[0029]
(9) Composition of woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarn The coating material of the single yarn surface layer contains a chemical cross-linked precursor, and the chemical cross-linking of the polymer by chemical cross-linking reaction using the precursor as one of the raw materials The solid electrolyte-supporting woven fabric according to any one of (1) to (8) above, wherein a body is formed and the chemical crosslinking reaction is an addition reaction.
[0030]
(10) A single yarn surface layer of a woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarns is coated with a material containing a polymer, and the coat mass relative to the mass of the woven fabric after coating is 0.3% or more and 10% or less. The woven fabric for carrying a solid electrolyte according to any one of (1) to (9) above, wherein
[0031]
(11) From the above (1), wherein the thickness of the woven fabric is 10 μm or more and 50 μm or less and the opening ratio is 60% or more and 90% or less after the coating of the surface layer of the single yarn constituting the woven fabric. (10) The woven fabric for supporting a solid electrolyte according to any one of (10).
[0032]
(12) The body electrolyte-supporting woven fabric according to any one of (1) to (11) above, wherein the solid electrolyte is a powder comprising a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte.
[0033]
(13) The solid electrolyte is a powder comprising a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte, and a polymer is not dispersed in the powder, wherein the solid electrolyte is any one of (1) to (12) Woven fabric for supporting solid electrolyte.
[0034]
(14) A powder comprising a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is supported on a woven fabric for supporting a solid electrolyte coated with a material comprising the polymer according to any one of (1) to (13). Solid electrolyte sheet.
[0035]
(15) The solid electrolyte sheet as described in (14) above, wherein sulfur is included as one of the constituent elements in at least one solid electrolyte component of the powder comprising the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte.
[0036]
(16) The at least one solid electrolyte component of the powder comprising the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte contains sulfur as one of the constituent elements, and the solid electrolyte component is crystalline. The solid electrolyte sheet according to the above (14) or (15).
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As a preferred embodiment of the present invention, a woven fabric for supporting a solid powder is woven by plain weaving using heat-resistant, high-strength, high-elastic monofilament fibers, and the solid powder is bound to the opening. Therefore, the surface of the woven fabric constituting single yarn is coated with a material containing a polymer, and is continuously rolled in the woven fabric warp direction by a nip process using a roll before or after the coating. A thin woven fabric for supporting a solid electrolyte powder having a desired strength with a high aperture ratio and excellent thermal stability by making the fabric thickness thin and uniform, and a solid electrolyte for a lithium secondary battery on the woven fabric Can be obtained.
[0038]
The supporting woven fabric that is the carrier for the solid electrolyte powder is preferably one having sufficient strength even at a high aperture ratio, and such a woven fabric can be obtained by weaving monofilament synthetic fiber yarns. Is possible. Here, as the weaving method of the woven fabric, there are various methods such as plain weave, twill weave, satin weave, tatami mat weave, twist weave, etc., but in order to obtain thinness as a carrier and flatness of the surface, plain weave Weaving by is preferred.
[0039]
Examples of the material of the woven fabric monofilament yarn used for the carrier include, for example, aramid, polyarylate, ultrahigh molecular weight polyethylene, polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO), polyparaphenylene benzobisthiazole (PBT), and polyparaphenylene. Benzobisimidazole (PBI), fluorine-based fiber, polyethylene terephthalate, polypropylene, 6-nylon, 66-nylon, polyethylene, ethylene-vinyl acetate copolymer, polycarbonate, polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene naphthalate, polyether ether ketone , Modified polyphenylene ether (PPE), other liquid crystal polymers, and mixtures using two or more of these, for example, core-sheath type composite fibers can be used for weaving.
[0040]
In the weaving step, weaving may be performed by adopting synthetic fiber yarns of different materials for warp and weft. However, in order to stably produce a high-opening woven fabric in the weaving process, the adopted synthetic fiber yarn preferably has a tensile strength of 10 cN / dtex or more according to a test method according to JIS L 1013. When the tensile strength of the synthetic fiber yarn does not reach 10 cN / dtex, the yarn breakage frequently occurs during weaving due to insufficient strength, and weaving becomes difficult and a woven fabric may not be obtained.
[0041]
In addition, as the electrolyte-supporting woven fabric, it is preferable to weave monofilament fiber yarns of a material having a high thermal deformation temperature in order to maintain a stable form without causing thermal contraction even during hot pressing described later. A woven fabric using monofilament fiber yarn having high heat resistance and high tensile strength has high strength, so that high strength can be secured even if the aperture ratio is increased and the thickness is reduced. When this woven fabric is used as a support for the solid electrolyte layer, the form can be sufficiently maintained, and safety and reliability are ensured without causing a short circuit between the electrodes. In addition, since the thickness is thin and the aperture ratio is high, the electrical resistance can be lowered and the performance can be improved, and the battery can be made thinner. In particular, application to a large and thin battery can be expected.
[0042]
From the viewpoint of such strength and heat distortion temperature, the material of the monofilament fiber yarn constituting the electrolyte carrier woven fabric has a tensile strength as high as 15 cN / dtex or higher in a test method according to JIS L 1013, and Aramid, polyarylate, and polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO) having a heat distortion temperature of 250 ° C. or higher are particularly suitable.
[0043]
Conventionally, a technique is known in which a woven fabric is loaded with a mixture in which a polymer elastic body or the like serving as a binder is dispersed in an inorganic solid electrolyte powder. In this case, when the ratio of the electrolyte in the solid decreases, the surface of the solid electrolyte powder cannot sufficiently function, and a decrease in conductivity cannot be avoided.
[0044]
On the other hand, the inventors of the present invention dare to mix a binder such as a polymer elastic body by coating the surface layer of the woven fabric constituting single yarn with a material containing a polymer during or after weaving. The present inventors have found that an electrolyte sheet excellent in flexibility can be obtained by firmly supporting solid electrolyte powder on a woven fabric without any problems, and the present invention has been completed based on such findings.
[0045]
Coating of the material comprising the polymer on the woven fabric can be performed by a known method such as impregnation treatment, spray coating, roll coating in which the woven fabric is passed over a roll impregnated with the solution.
[0046]
Here, the polymer may be electronically insulating, and various polymers such as rubber-based, acrylic-based, polyester-based, or mixtures may be used in the category to obtain a uniform and stable coating on the woven fabric opening. I can do things. Specifically, the polymer material includes a thermoplastic resin such as polyethylene, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polypropylene, and terpene phenol copolymer, or a copolymer thereof, or a rubber such as a thermoplastic elastomer. Examples thereof include materials having elasticity.
[0047]
Of these, thermoplastic elastomers with smaller compression set and closer to vulcanized rubber are desirable because they exhibit the ability to follow the thermal volume change of the battery and the volume change during charge / discharge. Here, examples of the material having a small compression set include styrenes such as a styrene butadiene block copolymer having a high styrene content.
[0048]
The general-purpose polymer materials exemplified in Patent Documents 1 and 2 are inexpensive and excellent in electrochemical stability. However, since they are ionic insulating, the woven yarn surface coat layer does not contribute to ionic conduction. Since the surface coat layer is an extremely thin layer, the influence of conductivity is not great, but it is more desirable to apply a polymer having ion permeability to the surface coat layer. The following points are mentioned as characteristics that the polymer exhibiting ion permeability should have.
[0049]
First, a wet process is suitable for uniformly covering the yarn. Therefore, it is necessary that the polymer is soluble in a solvent.
[0050]
Second, in order to employ the system of the present invention in a practical lithium battery, electrochemical stability up to about 5 V is required.
[0051]
Thirdly, it is necessary that the polymer has ion permeability and high selectivity for lithium ions in its ionic conduction.
[0052]
The above points will be described next.
[0053]
The solubility of the polymer in the solvent can be tested in any solvent. That is, it is possible to visually determine the state in which a uniform solution is obtained, while on the other hand, as a case where the polymer does not dissolve, a state where the polymer is separated in the solvent or a swollen state is observed. Easy to judge.
[0054]
Electrochemical stability is also known as a potential window. For example, a cell in which a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte and polymer composite is sandwiched between stainless steel and lithium foil is assembled and evaluated by cyclic voltammetry. can do.
[0055]
The ion permeability of a polymer can be judged by examining the ionic conductivity of a sample obtained by forming a polymer into a film by a casting method or the like. Here, the ionic conductivity can be evaluated by measuring the electrical conductivity by the alternating current impedance method or the like and confirming that the electron conduction does not appear by the direct current polarization method.
[0056]
A polymer is generally insulative to ionic conduction by itself. In addition, a group of substances called ion conductive polymers is known, but ion permeability is a narrower concept than ion conductivity. For example, the polymer disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-3818 is limited in ionic conductivity to the contact interface with the inorganic solid electrolyte, and has ionic conductivity only at the interface. In such a polymer, the inorganic solid electrolyte is not dissolved and mixed in the polymer film that is not in contact with the inorganic solid electrolyte, and lithium ions as ion carriers are not present in the polymer matrix. Cannot flow. Therefore, such polymers are not ion permeable.
[0057]
On the other hand, a polymer can be made ion permeable by adding a specific auxiliary agent to the polymer having no ion permeability. That is, since a polymer having a specific structure such as a polyether does not have lithium as an ion carrier inside, for example, a layer of a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte and the polymer between a pair of positive and negative electrodes Even when a single layer is sandwiched, a high impedance is exhibited in the electrolyte layer. However, it is known that high lithium ion conductivity can be obtained by adding a lithium salt that dissociates and uniformly mixes in such a matrix to such a polymer, and has been widely studied. (For example, A. Nishimoto, M. Watanabe, Y. Ikeda, and S. Kohjiya, Electrochim. Acta, 43, (1998), p. 117, etc.).
[0058]
This lithium salt is also called a supporting electrolyte (Hashimoto, the latest technology of new secondary battery materials, supervised by Kokumi, CMC (1997), p. 152). For example, the anion is ClO.4 −, BF4 −, PF6 −, AsF6 −, SbF6 −, CF3SO3 −, (CF3SO2) N−Or (C2F5SO2) N−And lithium cations alone, which do not exhibit ionic conduction alone, but when formed into a composite polymer film that is compatible with the polymer, lithium ions are generated inside the polymer film by ion dissociation, and Since the polymer membrane serves as a route for ion transport, the composite polymer membrane exhibits ion permeability.
[0059]
By the way, although this lithium salt is an inorganic lithium compound, it is clearly distinguished from the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte used in the present invention. That is, the former does not exhibit ionic conductivity in the single state without ion dissociation as described above, whereas the latter exhibits ionic conductivity alone in the latter. This is because the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte used in the present invention has lithium ions and a matrix through which lithium ions flow at the same time. For ionic conduction, the former lithium salt and polymer are combined. It is thought that it has both functions of lithium salt and polymer membrane in the body.
[0060]
As described above, the ion-permeable polymer needs to have lithium ions in the polymer, and as one of the methods, a method for dissociating a lithium salt into the polymer has been described. However, in such a system, not only lithium ions move in the polymer matrix, but also the counter anion derived from the lithium salt as described above may move. The ion transport number will decrease.
[0061]
On the other hand, in the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte used in the present invention, only lithium ions can be selectively conducted. Such conduction characteristics are generally referred to as single ion conductivity, and the expression that the lithium ion transport number is 1 is used. Therefore, the polymer used in the present invention preferably has a high lithium ion transport number as well as a high ion conductivity.
[0062]
In general, the ionic conductivity is calculated from a value obtained by measuring an impedance by applying an alternating current. Therefore, even if the ion conductivity shows a high value, if ions other than lithium, especially anions, are mixed in the species responsible for the ion conduction, the battery reaction is a direct current reaction, causing polarization and increasing internal resistance. sell. That is, when the battery is charged, in the electrolyte layer, lithium ions move from the electrolyte particles close to the positive electrode to the adjacent electrolyte particles close to the negative electrode through the polymer binder. At this time, when the lithium ion transport number of the binder is low, the anion moves toward the positive electrode, and the inside of the binder matrix is polarized. As a result, since the ion insulating layer is formed in the binder matrix, the resistance is increased.
[0063]
There is a concern that the effect of such polarization on the battery reaction becomes more pronounced as the charge / discharge rate of the battery increases. When a polymer with a low lithium ion transport number is used, not only does polarization occur in the binder matrix due to the above-mentioned reasons, but there is a concern that the presence of anionic species may induce side reactions, both of which reduce the charge / discharge performance of the battery. It is feared to let you. In fact, when the present inventors conducted a charge / discharge test of a lithium battery element using a sulfide-based inorganic solid electrolyte, it was confirmed that when the lithium ion transport number is lower than 0.7, the discharge performance is lowered. The details of this test are disclosed in Japanese Patent Application No. 2002-135173.
[0064]
As a means for improving the lithium ion transport number of the polymer, the most effective means is to suppress the movement of anion species. Specific examples of the method include a method of chemically supplementing an anion derived from a lithium salt added to a polymer with an additive, or a method of drastically not adding a lithium salt. . When the lithium salt is not added, a polymer in which a lithium cation is contained in the molecular structure as an anion site and its counter ion can be used. In the polymer, since anions are fixed in the molecule, only lithium is likely to move.
[0065]
For methods of chemically supplementing with additives, see, for example, A. Metha, T .; Fujinami, S .; Inoue, K .; Matsushita, T .; Miwa, and T.M. Inoue, Electrochim. Acta, 45 (2000), p. 1175, etc. are known. In this document, by adding a boroxine compound to a composite ion conduction system in which a lithium salt is dissolved in a polyether polymer, an anion of the lithium salt is captured, and only lithium as a cation is more removed. A technique for selectively permeating a polymer matrix is disclosed. Here, boroxine is a compound containing a cyclic structure in which boron and oxygen are alternately linked. Hereinafter, this cyclic structure portion is referred to as a boroxine ring. By introducing a polyether as a substituent on the boron of the boroxine ring, compatibility with the polyether polymer is developed. In addition, it is possible to construct a network structure of a polyether containing a boroxine ring in a matrix by bonding both ends of the polyether chain onto boron of different boroxine rings.
[0066]
With respect to a method in which no lithium salt is added, a method for obtaining a polymer using a lithium compound as a raw material (for example, T. Fujijinami, K. Sugie, K. Mori, and MA Metha, Chem. Lett. (1998), p.619) is known. This document discloses, for example, a method for obtaining a polymer having a structure as shown in Chemical Formula 1 described later, and that the polymer system exhibits a high lithium ion transport number of about 1. That is, by using the lithium metal hydride such as lithium aluminum hydride, which is a reducing agent system generally used in organic synthesis, as a starting material, the polymer system is built to have a lithium cation derived from the starting material. In addition, a molecular structure in which the counter anion site is fixed in the molecule is obtained. Therefore, lithium is permeated through the polymer matrix without adding a lithium salt, and an anion is fixed to the polymer, so that a high transport number is exhibited. Moreover, according to the method like this system, the raw material conversion rate is also high. Furthermore, a high-selectivity, high-lithium ion conductor can be simply constructed from metal hydrides by simply passing through a few synthesis steps. Therefore, this method is considered to be extremely useful industrially.
[0067]
As another method in which the addition of the lithium salt is not performed, not only a method using lithium as a counter cation but also having an anion site in the molecule, a method that ion-polarizes the molecular structure (for example, mesoionic structure) may be used.
[0068]
The ion-permeable polymer having a high lithium ion transport number used in the present invention (hereinafter referred to as “high transport number polymer”) is not limited to the above examples. Polymers that exhibit high lithium ion transport selectivity are fields that have been intensively studied in recent years, and how to improve the lithium ion transport number of ion-conductive polymers and further improve ionic conductivity. Research has focused on the question of whether or not to squeeze, and various proposals have also been reported regarding molecular design.
That is, as the high transport number polymer used in the present invention, the solvent used in the wet process, that is, the solvent that dissolves or uniformly disperses the polymer does not deteriorate the woven fabric of the present invention and is electrochemically stable. Any material that matches the properties can be included in the surface coating material of the woven fabric. In the present invention, the high transport number polymer may be used singly or in combination, and furthermore, a polymer material compatible with the polymer, such as polyethylene oxide and poly ( A polyether polymer such as propylene oxide-ethylene oxide may be added and used.
[0069]
Such a polymer blend is applicable not only to the high transport number polymer but also to all polymer materials that can be included in the woven yarn surface coating material in the present invention. In particular, when the polymer material is oily, it has an effect of suppressing bleeding. Further, the coat is prevented from peeling off from the weaving yarn due to outflow or the like. Such peeling can occur by being pushed out by the inorganic solid electrolyte, for example, when filling the woven yarn opening with the inorganic solid electrolyte. In view of the purpose of improving the strength, it is possible to add an inorganic filler to the coating material. However, the filler material must be electronically insulating. One kind or two or more kinds of inorganic fillers may be used.
[0070]
As a method for avoiding the bleeding of the polymer, a method using a precursor that forms a polymer by a chemical crosslinking reaction or that the polymer has a crosslinking point of a chemical crosslinking reaction is useful. The cross-linking reaction may be performed in any step from the surface coating of the woven yarn to the point of filling the opening of the woven fabric with the inorganic solid electrolyte, or may be performed after the filling. However, when the viscosity of the precursor is low, the coating may be peeled off when the inorganic solid electrolyte is filled as described above. Therefore, the crosslinking reaction is preferably before filling the inorganic solid electrolyte. However, cross-linking after filling improves bondability to an inorganic solid electrolyte and exhibits excellent binder performance. The crosslinking point of the crosslinking reaction is generally a functional group, but when a by-product is generated in the crosslinking reaction, and the by-product stays in the battery system, the material is deteriorated or the battery reaction is hindered. Therefore, it is desirable to select a system that does not generate by-products in the crosslinking reaction.
[0071]
As a specific crosslinking reaction, an addition reaction is desirable. For example, a molecule having a vinyl group and a molecule having a SiH group can coexist and a crosslinked product can be formed by a hydrosilylation reaction. Silicone is a commercially available material such as this, but the reaction proceeds between a compound having a vinyl group and a compound having a SiH group. In this reaction, heating may be necessary, but the temperature is usually 150 ° C. or lower, and the electrolyte is not deteriorated and lithium is not melted. Moreover, although a very small amount of a transition metal complex such as a platinum complex is used as a catalyst for the reaction, the catalyst residue does not inhibit the battery reaction. Furthermore, although it is generally said that this reaction is poisoned in the presence of a sulfur compound, no poisoning occurs in the presence of a sulfide-based inorganic solid electrolyte.
[0072]
Regarding the presence form of a functional group that causes a crosslinking reaction, all of the functional groups are contained in only one type of compound, and the functional group may be crosslinked in only two or more types of compounds. It may be cross-linked between the compounds. The compound to be a crosslinked precursor may be a polymer or a low molecule, but at least one kind of precursor is already a polymer in order to combine appropriate flexibility as a binder and sufficient strength. It is desirable. Moreover, the smaller the number of crosslinking points of the precursor and the larger the molecular weight between the crosslinking points, the more flexible the crosslinked body.
[0073]
To summarize the above, the polymer material included in the material coated on the surface of the woven yarn is electronically insulating and can be used as a general-purpose material typified by a thermoplastic resin or a special material such as an ion-permeable polymer. The viscosity is arbitrary, but when using a low-viscosity material, a blend with another polymer material or a chemical crosslinking reaction can be applied. An inorganic filler may be added. Both polymer materials and inorganic fillers can be used alone or in combination of two or more.
[0074]
About the thickness of the thread | yarn which comprises a woven fabric, it is preferable to use the thing of 10-50 micrometers of linear warp as a warp and a weft in the case of plain weaving, respectively. If the thickness is less than 10 μm, stable weaving is difficult, and if it is thicker than 50 μm, the battery may not be thinned when used as a solid electrolyte carrying woven fabric. It is preferable to use the same warp for the warp and the weft in terms of the flatness of the woven fabric, but different warps may be used.
[0075]
The woven density of the woven fabric is preferably 50 mesh or more and 150 mesh or less. If it is less than 50 mesh, the uniformity of the opening cannot be maintained, and the strength as a carrying cloth becomes insufficient. On the other hand, when the value is larger than 150 mesh, it is difficult to obtain an aperture ratio of 60% or more, and it is difficult to achieve high performance in terms of battery performance such as conductivity.
[0076]
The woven fabric used as the solid electrolyte support preferably has an opening ratio of 60% or more and 90% or less after coating with a material containing a polymer. When the aperture ratio is less than 60%, the amount of solid electrolyte per volume decreases, so that the ionic conductivity decreases, and the solid electrolyte secondary battery manufactured using such a solid electrolyte layer has good characteristics. Is difficult to obtain. On the other hand, if the opening ratio exceeds 90%, the uniformity of the opening at the time of weaving the woven fabric cannot be obtained, and sufficient physical strength cannot be obtained. In addition, there are problems such as difficulty in handling during battery assembly and / or increased risk of internal short circuit. Therefore, the opening ratio of the woven fabric used as the solid electrolyte support is suitably 60 to 90%. Furthermore, from the viewpoint of characteristics and physical strength as a solid electrolyte sheet, the opening ratio is preferably in the range of 70 to 85%. Here, the aperture ratio is defined as the ratio of the total aperture area per mesh unit area.
[0077]
Conventionally, the coating of a resin on a woven fabric has been performed for the purpose of improving the surface of the woven fabric and the flexibility, or bonding the intersections of warps and wefts to prevent misalignment. For these purposes, it is sufficient if the surface of the fibers constituting the woven fabric is coated with a thin film or a small amount of resin is attached so that the intersections can be bound.
[0078]
The adhesion amount of the coating with the material (resin) comprising the polymer in the present invention is 0.3 to 10.0%, preferably 1.0 to 5.0% with respect to the mass of the woven fabric after coating. It is. When the resin adhesion amount is less than 0.3%, sufficient binding properties with the electrolyte powder filling the opening cannot be obtained, and when the resin adhesion amount exceeds 10.0%, the opening area decreases and When the coating resin is a thermoplastic resin, the conductivity decreases due to the influence of the softened resin entering between the electrolyte powders.
[0079]
Coating may be performed before winding on a roll as a post-process at the time of plain weaving, or after winding on a roll after weaving, and performed as a pre-process for continuous heating and rolling in a nip between two rolls. May be. Moreover, after passing through the woven fabric manufacturing process, it may be performed before filling with the inorganic solid electrolyte. The coating material applied by a known method such as dipping or spray coating is subjected to removal removal of the resin solution and evaporation of the solvent by a known method such as air blow or far infrared irradiation, and is dried to fix the resin. In particular, when coating on the woven fabric during weaving, in the process before winding it on the roll after weft driving, spray or roll coating, and securing the opening by blowing air, and the solvent removal process by drying Is included. Further, the coating on the woven fabric after weaving is performed by an impregnation treatment as a method for obtaining a uniform resin layer on the surface layer of the single yarn constituting the woven fabric, and then by adjusting the amount of the adhered resin and drying with a far infrared dryer.
[0080]
The carrier woven fabric according to the present invention has a uniform adhesion of the resin by, for example, coating the plain weave woven fabric with a predetermined amount of coating material and then continuously heating and rolling in the warp direction through the nip of two rolls. In addition, the unevenness at the intersections of the constituent single yarns is reduced, and a thin and uniform woven fabric surface can be obtained. The roll nip is not limited to one stage, and can be realized by passing through two or more stages or roll nip processes having different pressures. In addition, the roll rolling process may be performed more than once on the second floor. As a rolling method instead of the roll nip, the same effect can be obtained by a press method.
[0081]
The thickness of the solid electrolyte layer carrier woven fabric is preferably 10 to 50 μm. If the thickness of the woven fabric is less than 10 μm, the strength suitable for the solid electrolyte support cannot be maintained and the occurrence of short circuit cannot be prevented. On the other hand, if it is thicker than 50 μm, the load characteristics and energy density are good. It cannot be kept within the proper range, and the original performance cannot be achieved. The thickness of the solid electrolyte layer carrier woven fabric is particularly preferably 15 to 30 μm.
[0082]
The lithium ion conductive inorganic solid electrolyte filled in the coated woven fabric opening can be used alone or in combination of two or more, and among them, a sulfide having high lithium ion conductivity and high decomposition potential. Based inorganic solid electrolytes are desirable. Sulfide-based inorganic solid electrolytes contain sulfur as one of the constituent elements.2S and P2S5, GeS2, SiS2, B2S3It is synthesized by combining at least one kind of sulfide selected from the above. Li3PO4Materials containing a small amount of ortho acid such as Li, and materials containing lithium halide such as LiI are also known. These may be used alone or in combination.
[0083]
More specifically, 0.01Li3PO4・ 0.63Li2S ・ 0.36SiS2(N. Aotani, K. Iwamoto, K. Takada, and S. Kondo, Solid State Ionics, 68, (1994), p. 35), 0.45 LiI.0.55 (0.69 Li2S ・ 0.31P2S5(R. Mercier, JP Malugani, B. Fahys, and G. Robert, Solid State Ionics, 5, (1981), p. 663), or 0.45 LiI · 0.55 (0.69 Li)2S ・ 0.31B2S3(H. Wada, M. Menetrier, A. Levasseur, and P. Hagentmuller, Mat. Res. Bill, 18 (1983), p. 189.), Li3.25Ge0.25P0.75S4Lithium germanium thio-phosphate (R. Kannoand M. Murayama, J. Electrochemical Soc., 148 (2001) p. A742) and the like.
[0084]
The inorganic solid electrolyte is roughly classified into an amorphous one and a crystalline one. Amorphous materials have lower ionic conductivity due to heating, but crystalline electrolytes have high thermal stability without such deterioration. It is more desirable because it is positioned as having a wide allowable range. Among the above, Li3.25Ge0.25P0.75S4Is a crystalline material, which is 2 × 10 at room temperature-3It has high conductivity reaching S / cm and is stable up to about 600 ° C. The material is expected to have low conduction activation energy and good low-temperature characteristics.
[0085]
The electrolyte is pulverized to about 1 to 5 μm. When the electrolyte is a sulfide-based material, it is highly hydrolyzable, so it is pulverized in an atmosphere such as dry argon. Examples of the grinding method include a vibration mill and a planetary ball mill. The present inventor performed the visual observation by SEM observation with respect to the particle diameter, but it is also possible to evaluate the particle diameter by a technique of classification using an electroform sieve or a mesh sieve, or an optical technique such as laser scattering.
[0086]
Next, a method for filling the coated woven fabric with the electrolyte will be described.
[0087]
First, the inorganic solid electrolyte to be filled may be used alone or in combination of two or more.
[0088]
Further, in the present invention, the polymer is not dispersed particularly in the inorganic solid electrolyte powder, and the function of the binder is caused by the coat layer containing the polymer on the surface of the woven fabric, thereby stabilizing the solid electrolyte sheet. Although the purpose of ensuring the ion conduction is large, if attention is paid to the function of the present coating layer as a binder, even if a polymer is dispersed in the inorganic solid electrolyte, the binder function of the coating layer is not affected. . In addition, whether the polymer is dispersed or not dispersed in the inorganic solid electrolyte powder, the solid electrolyte exhibits a certain degree of flexibility due to the coating of the surface of the woven yarn. It is also possible to wind on a cylinder. At this time, if there is no coating, the solid electrolyte filled in the opening of the woven fabric tends to fall off the woven fabric.
[0089]
The solid electrolyte powder can be charged into the coated woven fabric by directly feeding the woven fabric with a solventless powder or a moistened with a small amount of solvent and granulating it as necessary, or pouring a slurry. A method is mentioned. As a method for charging the slurry, for example, a general-purpose coating method such as screen printing, doctor blade, or dipping can be used.
[0090]
The injection of the solid electrolyte may be performed from one side of the woven fabric or may be performed from both sides. The installation location of the woven fabric at the time of charging may be on the substrate, in the air, or in the liquid. When charged on the substrate, the sheet filled with the solid electrolyte in the woven fabric and the substrate can be detached. As for the method of supplying the solid electrolyte, when it is performed on the substrate or in the air, it is possible to supply the solid electrolyte regardless of whether it is dry or wet using a nozzle or the like. This is a process in which the woven fabric is dipped in the solid electrolyte slurry and pulled up.
[0091]
The charged solid electrolyte is desirably sufficiently filled in the woven fabric by pressurization. Examples of the filling method include a uniaxial pressure press and a roller. Further, in order to smooth the charging surface, a squeegee may be applied before filling, and the effect of filling the solid electrolyte can also be obtained by this squeegee.
[0092]
When the coating material contains a thermoplastic resin, after filling the woven fabric opening with the inorganic solid electrolyte, the obtained electrolyte sheet is heated and pressurized above the melting point or softening point of the resin, and then cooled. The coating material and the inorganic solid electrolyte are firmly bound. In such heating, pressurization or cooling and depressurization steps, the profile of each load is arbitrary. That is, when it comes to pressurization, the molding pressure may be increased discontinuously or continuously. The heating temperature rise / fall is the same, and the rate thereof may be constant or may change in the middle, but it is desirable that the heating start be performed at least under pressure. The temperature drop may be natural cooling. In addition, the holding time at the maximum setting of the heating temperature is arbitrary, but it does not have to be particularly long because melting and softening of the polymer occur instantaneously.
[0093]
Further, the pressure load may be increased or decreased in order to suppress or reduce the change in the generated pressure accompanying the change in the volume of the sheet in the process of raising and lowering the temperature. When pressurizing the sheet, the periphery of the sheet may or may not be surrounded by a jig. This is desirable because deformation is reduced or suppressed.
[0094]
According to the solid electrolyte sheet obtained by the method as described above, mechanical strength is imparted by the woven fabric, and since it shows self-supporting and flexible, it can be easily overlapped with the electrode sheet. A lithium battery element can be obtained.
[0095]
【Example】
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited only to the following examples. In the following description, examples and comparative examples will be described in which the woven fabrics having different synthetic fiber yarn materials, yarn diameters, and meshes are used as the carrier for the solid electrolyte layer, and the resin coating material and the amount of adhesion are changed.
[0096]
Example 1:
A core-sheath composite comprising a core component composed of polyarylate (melted liquid crystalline polyester) as a synthetic fiber monofilament, and a sheath component composed of a thermoplastic polymer as a sea component and polyarylate (melted liquid crystalline polyester) as an island component. Using a yarn diameter of 23 μm of fibers (manufactured by Kuraray Co., Ltd., product name Vecry), both warp and weft were woven in a plain weave at a density of 60 mesh. Thereafter, the film was immersed in a solution of 30% by mass of a polyethylene terephthalate resin, which is a thermoplastic resin using water as a solvent, and then air was blown with an air gun to secure an opening. And it was made to dry for 5 minutes in a thermostat, and the resin coat layer was formed in the woven fabric surface layer surface. Further, in the hot rolling process, the woven fabric thickness is reduced by passing between two metal rolls under the conditions of 70 ° C. and 1.0 MPs, and the resin coat layer is uniformly fixed. I got a cloth.
The filling of the inorganic solid electrolyte powder into the woven fabric thus obtained will be described. First, the woven fabric is cut into 30 mm × 30 mm by laser processing. Next, in an argon-substituted glove box (dew point of −70 to −75 ° C.), a composition Li is charged as an inorganic solid electrolyte powder into a mold made of carbon tool steel S45C.3.25Ge0.25P0.75S4After adding 1.5 g of lithium germanium thio-phosphate, the surface was smoothed and the cut woven fabric was placed thereon. Furthermore, after pressurizing these to 32.3 MPa with a uniaxial press, it was heated to 140 ° C. while being pressurized to obtain a solid electrolyte sheet.
[0097]
Example 2:
A solid electrolyte supporting woven fabric and a solid electrolyte sheet were obtained in the same manner as in Example 1 except that the woven density of the woven fabric was 90 mesh.
[0098]
Examples 3 and 4:
A solid electrolyte supporting woven fabric and a solid electrolyte sheet were obtained in the same manner as in Example 1 except that polypropylene and a high transport number polymer were used as the coating resin. Here, in Example 4, a material described in the following chemical formula 1, which is a high transport number polymer, was obtained from a literature (T. Fujinami, K. Sugie, K. Mori, and MA Metha, Chem. Lett., ( 1998), p.619.). Here, the polymer is polyethylene glycol monomethyl ether CH 1 mol equivalent to 1 mol equivalent of lithium aluminum hydride in the first stage.3O (CH2CH2O)nIt is obtained by reacting 2 mole equivalents of H and reacting with 1 mole equivalent of phenylboric acid as the second stage without isolating the product of the first stage. In this example, an Aldrich reagent having an average molecular weight of about 350 was used for the polyethylene glycol monomethyl ether. In this reagent, n indicating the glycol repeat unit length corresponds to n = 7.2 described in the above literature. Since this synthesis reaction is a dehydrogenative condensation in both steps and no reaction occurs within the glycol repeating unit, n in the obtained polymer (Chemical Formula 1) also reflects the raw material polyethylene glycol monomethyl ether 7.2. It is considerable. The obtained polymer coating was prepared by immersing an uncoated woven fabric rolled by the above-described method in a polymer tetrahydrofuran solution at room temperature in an argon-substituted glove box (dew point -70 to -75 ° C), followed by a blower. The opening was secured.
[0099]
[Chemical 1]
[0100]
Here, m shows the average number of repetitions, and shows a real number of 1-1000. Moreover, n shows the average number of repetitions and shows a real number of 1-20.
[0101]
Comparative examples 1, 2 and 3:
A solid electrolyte supporting woven fabric and a solid electrolyte sheet were obtained in the same manner as in Example 1 except that the coating resin was not used and the polyethylene terephthalate resin solution concentration was 10 mass% and 50 mass% as the coating resin. .
[0102]
Comparative Example 4:
A woven fabric for supporting a solid electrolyte and a solid electrolyte sheet were prepared in the same manner as in Example 1 using a woven fabric obtained by weaving plain weave with a density of 90 mesh for both warp and weft using 45 μm polyarylate fiber as a synthetic monofilament. Obtained.
[0103]
Comparative Example 5:
Using a woven fabric obtained by weaving plain weave with a density of 150 mesh for both warp and weft using a 23 μm polyarylate fiber as a synthetic monofilament, a solid electrolyte supporting woven fabric and a solid electrolyte sheet are produced in the same manner as in Example 1. Got.
[0104]
Comparative Example 6:
Using the same method as in Example 1 except that a 27 μm yarn of polyethylene terephthalate fiber is used as a synthetic fiber monofilament, and both the warp and weft are woven in plain weave at a density of 130 mesh, and the conditions of the hot rolling process are 80 ° C. and 3.0 MPs A woven fabric for carrying a solid electrolyte and a solid electrolyte sheet were obtained.
[0105]
The evaluation items of the woven fabric include strength, heat shrinkability, and aperture ratio as a woven fabric before coating, resin adhesion amount, woven fabric thickness, and aperture ratio as a woven fabric after resin coating, and powder support as an electrolyte sheet The results are shown in Table 1.
[0106]
[Table 1]
[0107]
In addition, the measurement of each evaluation item was performed by the following method.
[0108]
<Amount of resin attached>
The resin adhesion amount was calculated by measuring the weight change before and after resin coating.
[0109]
<Thickness of woven fabric>
The woven fabric after coating was measured with a micrometer.
[0110]
<Opening ratio>
The opening ratio of the woven fabric is defined by “ratio of the total opening area per unit area of the mesh body”, and was measured by taking a microphotograph before and after coating.
[0111]
<Strength>
The woven fabric was adjusted to a width of 5 cm and measured with a strong elongation tester.
[0112]
<Heat shrinkage>
For heat shrinkability, the vertical and horizontal dimensions were measured at the center of each side of the woven fabric cut into a square of 20 cm on each side before heating and after standing in a 200 ° C. constant temperature bath for 10 minutes. evaluated. Here, the evaluation of “◯” shown in Table 1 is when the thermal shrinkage rate falls below 0.05%. As shown in Table 1, in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5 using polyarylate, which is a heat resistant resin, heat shrinkage does not occur, and a stable form is maintained as a carrier even in a high temperature environment. It was confirmed that it was possible. On the other hand, in Comparative Example 6, since heat-stable PET was used as a material for the weaving yarn compared to polyarylate, significant heat shrinkage occurred.
[0113]
<Powder supportability>
About powder supportability, it evaluated by the filling degree at the time of releasing a solid electrolyte sheet from a metal mold | die. In this evaluation method, 100 solid electrolyte sheets were prepared, the presence / absence of detachment of the inorganic solid electrolyte powder at the opening of the woven fabric was visually determined, and the ratio of the sheets without detachment was displayed as the loading rate. The detachment part is a very serious defect that becomes a short circuit point when a battery is constructed. The woven fabric and the solid electrolyte sheet of the present invention are considered to be a large solid lithium battery as one of the application fields, and it is judged that it is difficult to put the large-scale practical use into the technology in which powder detachment occurs in a 30 mm square sample. The However, in this evaluation, considering that the result can be changed to some extent by improving the production technology, the carrying property is considered good if the carrying rate is up to about 100 to 50%. With respect to the structure having a supporting rate of less than 50%, the supporting property was considered to be poor, and it was determined that the supporting rate could not be used.
[0114]
Next, for the configurations judged to have good supportability (that is, Examples 1 to 4 and Comparative Examples 2 to 6), a solid battery for testing was assembled using the configuration of the solid electrolyte sheet, and a charge / discharge test was performed. It was. Hereinafter, the configuration and test contents of the solid state battery will be described with reference to FIG.
[0115]
As shown in FIG. 1, a solid battery for testing includes a polyethylene terephthalate tube 1 (inner diameter 10 mmφ), a negative electrode layer 4, a positive electrode layer 5, and a solid electrolyte sheet (that is, a solid electrolyte) positioned between the layers 4 and 5. 3 and the woven fabric 2), and the electrode terminals 6 and 6 were attached to both ends of the filled element. Here, in the positive electrode layer 5 of the element, a copper subrrel compound Cu as an active material is used.2Mo6S8Lithium germanium thio-phosphate Li as electrolyte3.25Ge0.25P0.75S410 mg of a mixture of acetylene black as a conductive additive and a weight ratio of 70: 30: 3.5 was used. In addition, the solid electrolyte 3 serving as the electrolyte layer includes lithium germanium thio-phosphate Li.3.25Ge0.25P0.75S470 mg of the powder was used and molded so that the woven fabric 2 was positioned at the center of the powder layer. The thickness of the solid electrolyte layer (sheet) at this time was 50 μm. On the other hand, Li metal was used for the negative electrode layer 4. And the current density of 1 mA / cm was applied to the solid battery for test thus obtained.2A direct current was applied and constant current charge / discharge was performed for 3 cycles. In this system, since the positive electrode did not contain Li before charge and discharge, the test started from discharge.
[0116]
When the battery was disassembled after charging / discharging, in the specimen having good supportability, the electrolyte powder pellet of the solid electrolyte 3 and the woven fabric 2 were sufficiently bonded, but the specimen having a slightly low support rate (Comparative Example 2 and Comparative Example) In the case of 4), the electrolyte powder pellet and the woven fabric 2 were easily detached from the specimen having a loading rate of 91% or more.
[0117]
In this charge / discharge test, the thickness of the electrolyte layer (solid electrolyte 3) was increased to 50 μm as described above, so that even when the electrolyte pellet was detached from the woven fabric 2, the pellet itself had sufficient mechanical strength. The pellets did not crack and did not cause a short circuit. However, considering that the present invention will be applied to a thin sheet-like battery in the future, when it is assumed that the separator employed in the conventional lithium ion battery is replaced with a solid electrolyte layer, the thickness of the separator is Since the electrolyte powder sheet is further thinned because it is as thin as about 20 μm, if the sheet is detached from the woven fabric 2 and its mechanical support cannot be obtained, the electrolyte powder sheet will crack and short circuit of the battery will occur. May cause. Therefore, for the evaluation of the supportability, based on the result of the charge / discharge test, the comprehensive judgment column of Table 1 is classified into good, slightly defective, and defective.
[0118]
<Electrical conductivity>
Ion conductivity was measured by the following method for the configurations (that is, Examples 1 to 4 and Comparative Examples 3, 5, and 6) that had good powder supportability in the above comprehensive determination.
[0119]
LiTiS on both main surfaces of 10mmφ specimen2Was measured by an AC impedance method with an applied voltage of 10 mV and a frequency in the range of 1 MHz to 0.1 Hz. The results are shown in Table 1.
[0120]
As shown in Table 1, in Examples 1 to 4, it was confirmed that it was possible to reduce the thickness of the carrier while maintaining a high opening and to maintain sufficient strength. In addition, it was confirmed that the electrolyte sheet in which the solid electrolyte powder is supported on the woven cloth coated with the thermoplastic resin or the high transport number polymer has the solid adhesion strength remarkably superior to that of Comparative Example 1 without the resin coat. It was.
[0121]
In Example 4 using the high transport number polymer, there was no specimen from which the electrolyte powder was dropped. This was because the viscosity of the polymer was lower than the others, and a highly polarizable molecule. The reason is that the wettability with the inorganic solid electrolyte powder is good because of the structure. The reason why the conductivity is higher than that of other coating materials is considered to be because the coating layer itself has ionic conductivity.
[0122]
Even if the coating material is excessively adhered, the conductivity is lowered (Comparative Example 3). This is because the opening of the woven fabric is narrowed by the coating material or softened by heating at the time of forming the electrolyte sheet. This is thought to be due to the intruded resin permeating between the electrolyte powders and reducing the ionic conductivity.
[0123]
When the yarn diameter was large and the thickness of the woven fabric was thick (Comparative Example 4), the electrolyte powder was largely removed and the powder supportability was poor. In Comparative Example 5 having a high mesh woven fabric and a small opening ratio, the powder supportability was not a problem, but the conductivity as an electrolyte sheet was low. This is thought to be because the conductive path of lithium ions becomes narrow.
[0124]
In Comparative Example 6 in which PET, which is less thermally stable than polyarylate, was used as the material for the weaving yarn, thermal shrinkage of about 5% occurred in the warp and weft directions, and the powder supportability was relatively good. The conductivity of things became low.
[0125]
From the results shown in Table 1, the woven fabric of the present invention has sufficient strength even if it is thin while maintaining a high opening, has high heat resistance as a carrier, and can firmly support a solid electrolyte. As a result, it can be seen that it has excellent electrical conductivity.
[0126]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a powder-supporting woven fabric having a thin woven fabric with a high strength and a high aperture ratio. The obtained support has high heat resistance and can firmly support the solid electrolyte, and thus has excellent stability against external stress. Therefore, the solid electrolyte sheet using the powder-supporting woven fabric is excellent in electrical conductivity, and can be suitably used as a thin and large area solid electrolyte sheet for a secondary battery.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a test solid battery using a solid electrolyte sheet.
[Explanation of symbols]
1 Polyethylene terephthalate tube
2 Woven fabric for supporting solid electrolyte
3 Solid electrolyte
4 Negative electrode layer
5 Positive electrode layer
6 Electrode terminal
Claims (16)
を特徴とする固体電解質担持用織布。A woven fabric for supporting a solid electrolyte, characterized in that a single yarn surface layer of a woven fabric woven with a monofilament synthetic fiber yarn is coated with a material containing a polymer.
を特徴とする請求項1記載の固体電解質担持用織布。The woven fabric for carrying a solid electrolyte according to claim 1, wherein the monofilament synthetic fiber yarn is a yarn having a tensile strength of 10 cN / dtex or more according to a test method according to JIS L 1013.
を特徴とする請求項1または2記載の固体電解質担持用織布。The material constituting the fiber yarn of the monofilament synthetic fiber yarn comprises one or more materials selected from aramid, polyarylate, and polyparaphenylenebenzobisoxazole (PBO). The woven fabric for supporting a solid electrolyte according to 1 or 2.
を特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。The solid electrolyte support according to any one of claims 1 to 3, wherein the coating material of the surface layer of the single yarn constituting the woven fabric woven with the monofilament synthetic fiber yarn comprises at least one thermoplastic resin. Woven fabric.
を特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。The composition of the woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarn, the coating material of the single yarn surface layer comprises at least one material selected from polyethylene, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polypropylene, terpene phenol copolymer The woven fabric for supporting a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 4.
を特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。The coating material of the single yarn surface layer comprising a woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarns comprises at least one polymer having lithium ion permeability and a lithium ion transport number of 0.7 or more. A woven fabric for supporting a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 5.
を特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。The solid electrolyte supporting woven fabric according to any one of claims 1 to 6, wherein the coating material of the surface layer of the single yarn constituting the woven fabric woven with the monofilament synthetic fiber yarn does not contain lithium salt.
を特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。Composition of woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarn The coating material of the single yarn surface layer contains a chemical cross-linked precursor, and a chemical cross-linked polymer is produced by a chemical cross-linking reaction using the precursor as one of the raw materials The woven fabric for supporting a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 7, wherein
を特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。Composition of woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarn The coating material of the single yarn surface layer contains a chemical cross-linked precursor, and a chemical cross-linked polymer is produced by a chemical cross-linking reaction using the precursor as one of the raw materials The woven fabric for carrying a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the chemical crosslinking reaction is an addition reaction.
を特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。A single yarn surface layer of a woven fabric woven with monofilament synthetic fiber yarns is coated with a material containing a polymer, and the coat mass relative to the mass of the woven fabric after coating is 0.3% or more and 10.0% or less. The woven fabric for supporting a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 9, wherein the woven fabric is for supporting a solid electrolyte.
を特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。The thickness of the woven fabric woven is 10 μm or more and 50 μm or less after coating the surface layer of the single yarn constituting the woven fabric, and the opening ratio is 60% or more and 90% or less. 2. A woven fabric for supporting a solid electrolyte according to 1.
を特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。The solid electrolyte carrying woven fabric according to any one of claims 1 to 11, wherein the solid electrolyte is a powder comprising a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte.
を特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の固体電解質担持用織布。The woven fabric for supporting a solid electrolyte according to any one of claims 1 to 12, wherein the solid electrolyte is a powder comprising a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte, and no polymer is dispersed in the powder. .
を特徴とする請求項14記載の固体電解質シート。The solid electrolyte sheet according to claim 14, wherein sulfur is included as one of the constituent elements in at least one solid electrolyte component of the powder comprising the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte.
を特徴とする請求項14または15記載の固体電解質シート。15. At least one solid electrolyte component of a powder comprising a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte contains sulfur as one of the constituent elements, and the solid electrolyte component is crystalline. Or the solid electrolyte sheet of 15.
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