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JP3407501B2 - ポリマ電解質およびそれを用いたリチウム・ポリマ電池 - Google Patents

ポリマ電解質およびそれを用いたリチウム・ポリマ電池

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JP3407501B2
JP3407501B2 JP25274595A JP25274595A JP3407501B2 JP 3407501 B2 JP3407501 B2 JP 3407501B2 JP 25274595 A JP25274595 A JP 25274595A JP 25274595 A JP25274595 A JP 25274595A JP 3407501 B2 JP3407501 B2 JP 3407501B2
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electrolyte
lithium
gel
electrolytic solution
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昌彦 小川
明子 石田
信夫 江田
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Panasonic Holdings Corp
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Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はポリマ電解質およびそれ
を用いたリチウム・ポリマ電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】リチウム二次電池は高電圧・高エネルギ
−密度という特徴を有し、次世代新型二次電池として研
究開発が推進されている。また、その電解質の開発も積
極的に展開されており、イオン伝導度や耐電圧の改善が
試みられている。
【0003】リチウムイオン二次電池をはじめ、ほとん
どのリチウム二次電池の電解質には有機電解液が使用さ
れる。実際の電池では、これをポリプロピレン多孔膜な
どのセパレ−タに含浸させて、正/負極間のイオン伝導
路を確保する。
【0004】しかし、リチウム二次電池でしばしば問題
となるのがリチウムのデンドライト状析出による内部シ
ョ−トであり、有機電解液系ではデンドライトの制御が
特に困難である。有機電解液自身は流動体であり、本質
的にデンドライトの成長を抑制することができない。
【0005】また、セパレ−タを用いた場合、正/負極
間に流れる電流は限定されたイオン伝導路であるセパレ
ータの細孔部に集中するため、結果としてリチウムデン
ドライトの成長がセパレータの細孔部で集中的に促進さ
れる。
【0006】このような状況を打破するため、固体のポ
リマ電解質を利用する電池系が考案され、現在、開発途
上にある。ポリマ電解質はポリマに金属塩を均一に固溶
させたイオン伝導体である。これはセパレ−タフリ−の
固体電解質として機能し、かつ、電解質全面に電流が均
一に流れるため、リチウムデンドライトの発生・成長を
抑制することが可能である。
【0007】しかし、そのイオン伝導度は室温で10-5
S/cm程度であり、有機電解液と比較して2桁以上低
いものである。このイオン伝導度の低さが本電解質を小
型二次電池へ導入する際の障害要因となっており、これ
を改善する方法が研究開発されている。
【0008】そこで、有機電解液と同程度のイオン伝導
度を確保することを目的として、ゲル状のポリマ電解質
の開発が促進されている。ゲル電解質はポリママトリク
スに電解液を含浸させたものであり、イオン伝導は主と
してその電解液相を介して行われる。
【0009】ゲル電解質はポリママトリクスの種類によ
って2つに大別できる。1つは3次元架橋型ポリマのゲ
ルであり、例えば特開平5−109310号公報に記載
されるように、アクリレ−ト末端基を持つモノマを溶液
と混合し、電子線照射により重合硬化して形成した3次
元架橋型ポリマをゲルとして利用するものである。もう
1つは、ポリエチレンオキシドのような1次元直鎖状ポ
リマに有機電解液を含浸させてゲルとするものである。
【0010】いずれのゲルも有機電解液と同程度のイオ
ン伝導度を示すが、3次元架橋ポリマのゲルは架橋点が
酸化分解されやすく、耐電圧が低いという欠点を持つ。
よって、LiCoO2やLiNiO2等を正極活物質に用
いる4V級ポリマ電池の電解質には、1次元直鎖ポリマ
ゲルの使用が好ましい。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】1次元直鎖ポリマであ
るポリエチレンオキシドのフィルムを有機電解液に浸漬
させて得たゲルは、電解液と同等のイオン伝導度を示
す。しかし、ポリエチレンオキシドが電解液に溶解して
流動するため、フィルムの形状を維持できず固体として
の機能が失われ、機械的強度が低下する。
【0012】一方、同じく1次元直鎖ポリマであるポリ
フッ化ビニリデンのフィルムを有機電解液に浸漬させた
場合は、ポリマの溶解・流動という現象は認められな
い。フィルムはわずかに膨潤する程度であり、自立性の
あるゲルとして機能する。しかし、イオン伝導度は低
く、特公昭61−23947号公報に記載のポリフッ化
ビニリデンのゲルも室温で10-5S/cm程度の伝導度
に留まる。
【0013】以上のことから、ポリママトリクスに1次
元直鎖ポリマを用いるゲル電解質を実用化する際は、固
体としての形状維持とイオン伝導度の確保の2点を共に
満たすことが必要となる。しかし、従来の電解質ではい
ずれかの機能が損なわれ、上記2点を共に満たすポリマ
材料の開発が望まれていた。
【0014】本発明は、このような問題点を解決するも
のであり、新規のポリマ電解質およびそれを用いたリチ
ウム・ポリマ電池を提案することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明のポリマ電解質は有機電解液に難溶性のポ
リマと可溶性のポリマを混合あるいは相溶させて得たポ
リマアロイフィルムに、有機電解液を含浸させてゲル状
にしたものである。
【0016】さらに、難溶性のポリマとしてはポリフッ
化ビニリデンあるいはポリフッ化ビニリデンのコポリマ
を用い、可溶性のポリマとしてはポリエチレンオキシド
を用いる。
【0017】また、リチウム用負極と正極の間にゲル電
解質を配した構成のリチウム・ポリマ電池において、ゲ
ル電解質として有機電解液に難溶性のポリマと可溶性の
ポリマを混合あるいは相溶させて得たポリマアロイフィ
ルムに有機電解液を含浸させてゲル状にしたポリマ電解
質を用いる。
【0018】さらに負極としては金属リチウム,リチウ
ム合金あるいは黒鉛の群から選ばれた少なくとも1つを
用い、正極としては活物質がLiCoO2,LiNi
2,LiMn24あるいはLiXMnO2(0<X<
0.5)の群から選ばれた少なくとも1つを用い、ゲル
電解質としてはポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビ
ニリデンのコポリマとポリエチレンオキシドとを混合あ
るいは相溶させて得たポリマアロイフィルムに有機電解
液を含浸させて得たゲルを用いる。
【0019】
【作用】本発明で利用するポリマアロイフィルムは、ポ
リフッ化ビニリデンのような有機電解液に難溶性のポリ
マと、ポリエチレンオキシドのような電解液に可溶性の
ポリマからなる。ただし、これらのポリマはいずれも1
次元直鎖ポリマである。
【0020】ポリマアロイフィルムは上記2種類のポリ
マを共通溶媒に溶解した後に、溶媒を蒸発除去すること
で得られる。あるいは、2種類のポリマを高温で溶融混
合し、急冷処理することでも得られる。
【0021】得られたフィルムは、A、B2種類のポリ
マが混合あるいは相溶したポリマアロイである。ポリマ
の組合せにもよるが、その構造はAポリマの海にBポリ
マの島が点在する海島構造や、A、B各ポリマが連続的
に絡みあった変調構造などである。いずれにせよ、Aポ
リマリッチ相とBポリマリッチ相にミクロに相分離した
構造を有する。
【0022】このミクロ相分離構造が、ゲル化させたフ
ィルムの固体としての形状維持と高イオン伝導性を両立
させる要因となる。ポリマアロイフィルムを有機電解液
に浸漬させると、電解液に可溶性のポリマに電解液が浸
透しゲル状になる。しかし、難溶性のポリマがミクロに
絡みあっているため、可溶性のポリマは固定化され流動
することはない。よって機械強度の強い高イオン伝導性
のゲル電解質となる。
【0023】本発明の電解質とは材料が異なるが、同様
な1次元ポリマを用いたゲル電解質が米国特許5,29
6,318号公報に報告されている。このゲル電解質
は、溶解、膨潤が困難なポリマを溶解、膨潤を容易にす
る目的で作られたものであり、ポリフッ化ビニリデンと
ヘキサフルオロプロピレンとのコポリマを利用し、揮発
性溶媒に前記コポリマと電解液を溶解した液体から溶媒
除去法により作製される。
【0024】上記電解質の特徴は、ヘキサフルオロプロ
ピレンとの共重合によりポリフッ化ビニリデンの結晶性
が抑制され可塑化されたことであり、結果として10-3
〜10-4S/cmの高イオン伝導が実現可能となった。
【0025】本発明のゲル電解質との相違点は、マトリ
クスに使用するポリマの構造であり、上記電解質の場
合、2種類のポリマが化学的に結合したコポリマを使用
しているが、本発明の場合、2種類のポリマが分子レベ
ルで絡み合い相溶したポリマアロイを使用している。ポ
リマアロイの特徴は、性質の異なるポリマの相溶により
各ポリマの利点が強調されることにあり、本発明も前述
の通り2種類のポリマの利点を活かした系を利用したも
のである。
【0026】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面とともに説明す
る。
【0027】(実施例1)本実施例では、有機電解液に
難溶性のポリマであるポリフッ化ビニリデンと可溶性の
ポリマであるポリエチレンオキシドとを相溶させて得た
ポリマアロイフィルムのゲル電解質を作製した。
【0028】ポリマアロイフィルムの作製方法を下記に
示す。まず、N−メチル−2−ピロリジノンにポリフッ
化ビニリデンを1〜10重量%溶解した液体と、アセト
ニトリルにポリエチレンオキシドを1〜10重量%溶解
した液体を調整し、これらの調整液を10:90〜9
0:10の重量比で混合した。次に、得られた混合溶液
を平滑な金属板あるいはガラス板に塗布し、80℃の乾
燥機中で溶媒を蒸発除去して薄膜のポリマアロイフィル
ムを得た。混合溶液の塗布量はフィルム厚みが10〜5
0μmになるように調整する。得られたフィルムはさら
に50℃で真空乾燥して、残存溶媒や水分を十分に除去
した。
【0029】続いて、上記ポリマアロイフィルムを有機
電解液の浴槽に浸漬させて、ポリマアロイのゲル電解質
を得た。有機電解液としては、エチレンカ−ボネ−トと
エチルメチルカ−ボネ−トが25:75の等体積混合溶
媒に溶質としてLiPF6を1.0〜1.5モル/リッ
トル溶解したものを使用した。
【0030】(比較例1)有機電解液に難溶性ポリマで
あるポリフッ化ビニリデンの単独ポリマのゲル電解質を
作製した。作製方法は、調整液をN−メチル−2−ピロ
リジノンにポリフッ化ビニリデンを1〜10重量%溶解
した単一溶液とする以外は、実施例1と同様の方法であ
る。
【0031】(比較例2)有機電解液に可溶性ポリマで
あるポリエチレンオキシドの単独ポリマのゲル電解質を
作製した。作製方法は、調整液をアセトニトリルにポリ
エチレンオキシドを1〜10重量%溶解した単一溶液と
する以外は、実施例1と同様の方法である。
【0032】実施例1および比較例1、2で得られたゲ
ル電解質のイオン伝導度と機械強度を(図1)に示す。
【0033】図1において、曲線Aはゲル電解質のイオ
ン伝導度、Bは引っ張り強度を示す。横軸の左端は比較
例1のポリフッ化ビニリデン単独フィルムのゲル電解質
であり、右端は比較例2のポリエチレンオキシドのゲル
電解質である。その間の領域がポリマアロイのゲル電解
質である。
【0034】ポリフッ化ビニリデンを用いた比較例1の
ゲル電解質は、引っ張り強度が400kgf/cm2 を
示し、強い機械強度を有することがわかる。しかしイオ
ン伝導度は1.3×10-5S/cmと低く、小型二次電
池の実用レベルに達していない。
【0035】一方、ポリエチレンオキシドを用いた比較
例2のゲル電解質は、イオン伝導度が2.8×10-3
/cmと高い値を示し、実用レベルに達している。しか
しその反面、引っ張り強度が2kgf/cm2と極端に
低く、流動してしまう。よって、セパレ−タなどの自立
性のあるマトリクスに担持させなければ電池への使用は
不可能である。
【0036】これらに対して実施例1のポリマアロイフ
ィルムのゲル電解質は、イオン伝導度および引っ張り強
度ともに比較例1、2の間の値を示し、その値はポリマ
組成によって連続的に変化する。
【0037】放電時のIR損を最小限に押さえるため
に、リチウム電池用電解質のイオン伝導度は少なくとも
10-4S/cm以上の値が求められる。よって(図1)
から判断して、ポリマアロイフィルム中のポリエチレン
オキシドの含量は25重量%以上であることが好まし
い。
【0038】また、機械強度もセパレ−タと同程度に強
いことが望ましく、引っ張り強度は少なくとも100k
gf/cm2以上の値が求められる。よってフィルム中
のポリエチレンオキシドの含量は60重量%以下である
ことが好ましい。
【0039】結果として、実施例1のゲル電解質では、
ポリエチレンオキシドの含量が25〜60重量%の範囲
で、比較例1、2の欠点を補うように特性が発現し、機
械強度の強い高イオン伝導性の電解質として機能する。
【0040】(実施例2)図2に実施例1のポリマアロ
イフィルムのゲル電解質を用いた本発明のリチウム・ポ
リマ電池の発電素子部の縦断面図を示す。図において2
は負極層であり、金属リチウムを1の負極集電体に圧着
したものである。また4は正極層であり、LiCoO2
とアセチレンブラックと結着剤からなるペ−ストを5の
正極集電体に圧延塗布して得たものである。
【0041】これらの電極の間に3で示される実施例1
のゲル電解質を挿入し、リチウム・ポリマ電池を得た。
ここで使用したポリマアロイフィルムは、ポリフッ化ビ
ニリデンとポリエチレンオキシドの重量比が50:50
のものである。
【0042】(比較例3)セパレ−タを用いた液体電解
質系のリチウム電池を作製した。ポリマアロイフィルム
のゲル電解質の代わりにポリプロピレン微多孔膜のセパ
レ−タを使用し、群構成後に電解液を注液すること以外
は、実施例2と同様の方法で作製した。
【0043】実施例2および比較例3の電池の1サイク
ル目の放電曲線を図3に示す。電池試験は0.5mA/
cm2の定電流方式で行い、4.1V〜3.0Vの電圧
範囲で室温にて測定した。
【0044】図3より実施例2のリチウム・ポリマ電池
の放電容量は、比較例3の液体電解質を用いたリチウム
電池と比較して若干劣るものの、2.5mAh/cm2
以上の容量を示し、常温作動型の電池として十分な性能
を有するものである。
【0045】また、これらの電池のサイクル特性を図4
に示す。比較例3の電池は、サイクル初期の放電容量は
大きいものの、約100サイクルで容量が激減し、充放
電ができなくなった。この電池を分解観察した結果、負
極のリチウムデンドライとがセパレータを貫通して正極
側に到達しており、容量劣化は内部ショートによるもの
と考えられる。
【0046】一方、実施例2の電池は、初期容量は比較
例3の電池より若干小さいものの、200サイクルを越
えても安定に充放電した。この電池を200サイクルを
越えたところで分解観察した結果、リチウムデンドライ
トの貫通は認められなかった。このことから本発明の電
池は内部ショートのない、安全性・信頼性の高いリチウ
ム二次電池として機能することが明らかになった。
【0047】また、比較例としてポリフッ化ビニリデン
の単独ポリマのゲル電解質およびポリエチレンオキシド
の単独ポリマのゲル電解質を用いた電池の作製を行った
が、ポリフッ化ビニリデンは成膜性が悪く、ポリエチレ
ンオキシドはゲル電解質の自立性が悪いために、ともに
放電容量、サイクル数のばらつきが大きく、電池性能の
安定性が悪かった。
【0048】なお、本実施例では、有機電解液に難溶性
のポリマとしてポリフッ化ビニリデンを用いたが、これ
はフッ化ビニリデンのコポリマやポリテトラフルオロエ
チレンやポリスチレンであってもよい。
【0049】また、本実施例では、有機電解液に可溶性
のポリマとしてポリエチレンオキシドを用いたが、これ
はポリメタリル酸メチルやポリアクリロニトリルであっ
てもよい。
【0050】なお、本実施例では、有機電解液に難溶性
のポリマとしてポリフッ化ビニリデン、可溶性のポリマ
としてポリエチレンオキシドを用いたときの適切な配合
比率を示したが、機械強度の強い高イオン伝導性の電解
質として機能が発現する配合比率は物質によって異なる
ものである。
【0051】また、本実施例では、有機電解液の溶質と
してLiPF6を用いたが、これはLiCF3SO3、L
iClO4、LiN(CF3SO2)、LiAsF6あるい
はLiBF4など他のリチウム塩であってもよい。
【0052】また、本実施例では、負極に金属リチウム
を用いたが、これは黒鉛やリチウム合金であってもよ
い。
【0053】また、本実施例では、正極活物質にLiC
oO2を用いたが、これはLiNiO2、LiMn24
るいはLixMnO2(0<x<0.5)であってもよ
い。
【0054】なお、ポリアロイフィルムへの有機電解液
の含浸方法は上記の方法に限定されるものではなく、本
ポリマ電解質を電池に組み込む場合は、群構成し電池缶
内に収納した後、有機電解液を注液することにより含浸
してもよい。
【0055】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ゲル電解
質のポリママトリクスとして、有機電解液に難溶性のポ
リマと可溶性のポリマとを相溶させて得たポリマアロイ
フィルムを利用することで、機械強度およびイオン伝導
度を共に確保したポリマ電解質の作製が可能となった。
また、これをリチウム電池用正・負極と組み合わせるこ
とで、液体電解質系の電池と同等の放電特性を示すリチ
ウム・ポリマ電池が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】ゲル電解質のイオン伝導度と引っ張り強度を示
す図
【図2】本発明のゲル電解質を用いたリチウム電池の発
電素子部の縦断面図
【図3】本発明のゲル電解質および比較の液体電解質を
用いたリチウム電池の放電曲線
【図4】本発明のゲル電解質および比較の液体電解質を
用いたリチウム電池のサイクル特性を示す図
【符号の説明】
1 負極集電体 2 負極層 3 ポリマアロイゲル 4 正極層 5 正極集電体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01M 10/40 H01M 10/40 B // C08L 27/16 C08L 27/16 71/02 71/02 (72)発明者 江田 信夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−57782(JP,A) 特開 平5−57782(JP,A) JURNAL of APPLIED POLYMER SCIENCE, 1995年 6月20日,vol.56,No. 12,1635−1643 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 6/22 H01M 4/02 H01M 4/58 H01M 10/40

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 有機電解液に難溶性のポリマと可溶性の
    ポリマとを混合あるいは相溶させて得たポリマアロイフ
    ィルムに、有機電解液を含浸させゲル状にしたことを特
    徴とするポリマ電解質。
  2. 【請求項2】 有機電解液に難溶性のポリマがポリフッ
    化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンのコポリマであ
    る請求項1記載のポリマ電解質。
  3. 【請求項3】 有機電解液に可溶性のポリマがポリエチ
    レンオキシドである請求項1記載のポリマ電解質。
  4. 【請求項4】 ポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビ
    ニリデンのコポリマとポリエチレンオキシドとを混合あ
    るいは相溶させて得たポリマアロイフィルムに、有機電
    解液を含浸させゲル状にしたことを特徴とするポリマ電
    解質。
  5. 【請求項5】 負極と正極との間にゲル電解質を配した
    構成のリチウム電池において、ゲル電解質は有機電解液
    に難溶性のポリマと可溶性のなポリマとを混合あるいは
    相溶させて得たポリマアロイフィルムに有機電解液を含
    浸させて得たゲルであることを特徴とするリチウム・ポ
    リマ電池。
  6. 【請求項6】 負極が、金属リチウム,リチウム合金あ
    るいは黒鉛の群から選ばれた少なくとも1つである請求
    項5記載のリチウム・ポリマ電池。
  7. 【請求項7】 正極活物質が、LiCoO2,LiNi
    2,LiMn24あるいはLixMnO2(0<x<
    0.5)の群から選ばれた少なくとも1つである請求項
    5記載のリチウム・ポリマ電池。
  8. 【請求項8】 有機電解液に難溶性のポリマがポリフッ
    化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンのコポリマであ
    る請求項5記載のリチウム・ポリマ電池。
  9. 【請求項9】 有機電解液に可溶性のポリマがポリエチ
    レンオキシドである請求項5記載のリチウム・ポリマ電
    池。
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