JP2002042878A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JP2002042878A
JP2002042878A JP2000225468A JP2000225468A JP2002042878A JP 2002042878 A JP2002042878 A JP 2002042878A JP 2000225468 A JP2000225468 A JP 2000225468A JP 2000225468 A JP2000225468 A JP 2000225468A JP 2002042878 A JP2002042878 A JP 2002042878A
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lithium secondary
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亨 原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】活物質および固体電解質の粒子を結着剤で結着
したリチウム二次電池において、イオン伝導度が高い上
に、製造の容易なリチウム二次電池を提供する。 【解決手段】リチウムイオンの可逆的な吸蔵放出が可能
な活物質からなる正極と負極との間にリチウムイオン伝
導性を有する固体電解質を配設してなるリチウム二次電
池であって、上記活物質および固体電解質の粒子を、
((NC(CH2nxSiOym[n:整数、1≦x
≦1.4、1.3≦y≦1.5、500≦m≦500,
000]で表される高分子で結着する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はノートパソコンや携
帯電話等のモバイル機器に使用されるリチウム二次電池
に関し、特に活物質および固体電解質の粒子間のイオン
伝導性を改善したリチウム二次電池の製造方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】従来、モバイル機器の電源として用いら
れるリチウム二次電池の電解質には、リチウム塩を有機
溶媒に溶解した有機電解液が用いられていた。しかしな
がら、有機電解液を使用することで漏液が問題となって
いた。
【0003】この問題を解消すべく、有機電解液の代わ
りに固体電解質を用いる技術が提案されている。
【0004】固体電解質の一つに、ポリエーテルにリチ
ウム塩を溶解させたソルトインタイプの高分子固体電解
質がある。ソルトインタイプの高分子固体電解質では、
リチウムイオンのイオン伝導に必要な負電荷を有する元
素(以下、この元素をホッピングサイトと呼ぶ。)であ
る酸素原子の間をリチウムイオンがホッピングすること
によりイオン伝導が可能となる。
【0005】しかしながら、ソルトインタイプの高分子
固体電解質では、リチウムイオンのイオン伝導があると
同時に、対イオンのイオン伝導があり、そのためにリチ
ウムイオン伝導に対する輸率が低くなるという課題があ
った。
【0006】一方、リチウムイオンのみがイオン伝導に
寄与する固体電解質として、0.01Li3PO4−0.
63Li2S−0.36SiS2などの硫化物系非晶質固
体電解質や、Li1+xxTi2-x(PO43[MはAl
などの3価の陽イオン]などの酸化物系結晶質固体電解
質のような無機固体電解質が提案されている。
【0007】しかしながら、無機固体電解質は脆性材料
であるため、加工性に乏しく、薄型化が困難であった。
【0008】そこで、絶縁性の高分子で無機固体電解質
の粒子を結着することで、高いイオン伝導度と優れた加
工性を両立することが検討されている。例えば特開昭6
3−78405号公報では、ポリエチレン、ポリプロピ
レン、スチレンブタジエンゴム、ネオプレン(登録商
標)ゴム、シリコンゴムの群から選ばれるいずれか1種
以上の可塑性材料で無機固体電解質の粒子を結着した固
体電解質を提案している。このような固体電解質では、
無機固体電解質の高いイオン伝導度を維持したまま、加
工性にも優れたものとすることができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような固体電解質においては、固体電解質の粒子を絶縁
性の高分子で結着しているため、固体電解質と電極との
間に絶縁性の高分子が存在すると、イオン伝導経路が遮
断されるという課題があった。
【0010】かかる課題を解消すべく、イオン伝導経路
の遮断を避けるため、特開昭63−78405公報によ
れば、結着材からなる層の厚みを固体電解質の粒子の粒
径とほぼ等しい厚さにする技術が提案されている。
【0011】しかしながら、この技術においては、その
粒子1個の厚さからなる層を、電極間の短絡を発生させ
ずに製造することは難しかった。
【0012】本発明は叙上に鑑みて完成されたものであ
り、その目的はイオン伝導性を低下させることなく、容
易に製造でき、製造コストを低減させたリチウム二次電
池を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
リチウム二次電池は、リチウムイオンの可逆的な吸蔵放
出が可能な活物質からなる正負極間にリチウムイオン伝
導性を有する固体電解質を配設してなるリチウム二次電
池であって、前記活物質および固体電解質の粒子を、
((NC(CH2nxSiOym[n:整数、1≦x
≦1.4、1.3≦y≦1.5、500≦m≦500,
000]で表される高分子で結着したことを特徴とする
ものである。
【0014】本発明の請求項2に係るリチウム二次電池
は、前記((NC(CH2nxSiOym[n:整
数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦1.5、500≦m
≦500,000]で表される高分子の電極中または固
体電解質中に含まれる重量比が、1重量%〜15重量%
であることが特徴である。
【作用】本発明のリチウム二次電池によれば、上記構成
にように、活物質および固体電解質の粒子を、((NC
(CH2nxSiOym[n:整数、1≦x≦1.
4、1.3≦y≦1.5、500≦m≦500,00
0]で表される高分子で結着したことで、((NC(C
2nxSiOym[n:整数、1≦x≦1.4、
1.3≦y≦1.5、500≦m≦500,000]で
表される高分子が、ホッピングサイトである窒素原子お
よび酸素原子を高密度に有することから、このような高
分子が活物質および固体電解質の粒子の接触点近傍に存
在することで、粒子間のイオン伝導に対する抵抗を低減
でき、これにより、従来のように粒子1個の厚さからな
る層ではなく複数個の粒子が層の厚さ方向に充填されて
いても、そのイオン伝導経路が遮断されることがなく、
その結果、電極間の短絡を発生させずに製造することが
容易になるため、例えばモバイル機器の電源として使用
されるリチウム二次電池を、高い良品率で製造すること
ができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて詳
細に説明する。図1は本発明のリチウム二次電池の例を
示す断面図である。図1において、1は正極側集電体、
2は正極、3は固体電解質、4は負極、5は負極側集電
体、6は電槽である。
【0016】正極2および負極4は活物質を高分子で結
着してなる。
【0017】正極2および負極4に用いる活物質として
は、スピネル型リチウムマンガン複合酸化物、スピネル
型リチウムニッケルマンガン複合酸化物、スピネル型リ
チウムチタン複合酸化物、スピネル型リチウムニオブチ
タン複合酸化物、およびスピネル型リチウム鉄チタン複
合酸化物のうちの少なくとも1種類が用いられる。
【0018】これらはリチウムイオンのチャネルが3次
元構造をとるために異方性がなく、したがって結晶のど
の面が粒子間の接触点に存在していようとリチウムイオ
ンの脱挿入に影響ないことから、固体電解質を用いるリ
チウム二次電池に適した活物質である。また、これら活
物質は充放電に伴う体積変化が小さく、したがって充放
電に伴う結晶崩壊が起こりにくいため、固体電解質を用
いるリチウム二次電池に適した活物質である。
【0019】正極活物質および負極活物質の粒子を結着
する高分子としては、((NC(CH2nxSiOy
m[n:整数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦1.5、
500≦m≦500,000]で表される高分子が用い
られる。
【0020】この高分子はリチウムイオン伝導のための
ホッピングサイトとなる窒素原子および酸素原子が高密
度に存在しているため、この高分子が粒子の接触点近傍
に存在することにより、粒子間のイオン伝導に対する抵
抗が低減される。
【0021】このような高分子は、(NC(CH2n
Si(OR)3および(NC(CH2n2Si(OR)
2で表されるモノマーから合成される。(NC(CH2
n)Si(OR)3が100%のとき、x=1、y=1.
5となる。(NC(CH2 n2Si(OR)2の添加量
を増やすと高分子の可撓性が増し、結着性は良くなる
が、固体化しにくくなる。(NC(CH2n2Si
(OR)2の添加量を増やすにしたがい、xは大きく、
yは小さくなるが、x>1.4、y<1.3となると、
電極および固体電解質の形状を保持することが難しくな
る。
【0022】よって、1≦x≦1.4、1.3≦y≦
1.5の範囲の高分子を用いる。
【0023】また、((NC(CH2nxSiOym
[n:整数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦1.5、5
00≦m≦500,000]について、m<500で
は、活物質の粒子を結着した電極および固体電解質の粒
子を結着した固体電解質の形状保持が十分でなく、m>
500,000では後述するトルエンなどの溶剤への溶
解度が低くなり、活物質および固体電解質の粒子との分
散が不均一になり、粒子同士の接触が悪くなるため、イ
オン伝導度が低下するか、あるいは高分子を完全に溶解
するには溶剤の使用料が極端に増えるため、取り扱いに
くくなる。
【0024】さらにまた、((NC(CH2nxSi
ym[n:整数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦1.
5、500≦m≦500,000]で表される高分子の
電極中または固体電解質中に含まれる重量比は1重量%
〜15重量%であることが望ましい。
【0025】1重量%未満では、粒子の接触点近傍にお
けるホッピングサイトの密度が低く、空隙が多いため、
イオン伝導度が低下する。また、上記高分子は、活物質
および固体電解質の粒子といったイオン伝導性の粒子の
接触点近傍にホッピングサイトを提供することを目的と
して添加されるものであり、イオン伝導性の粒子がなけ
ればそれ自身はイオン伝導性を発揮しない材料であるた
め、15重量%を超えると、粒子同士の接触を阻害し、
イオン伝導度が低下する。
【0026】正極2または負極4を作製するには、活物
質と導電性炭素材料などの導電剤と((NC(C
2nxSiOym[n:整数、1≦x≦1.4、
1.3≦y≦1.5、500≦m≦500,000]と
を混合して、さらにトルエンなどの溶剤を加えてスラリ
ーを調整し、このスラリーを正極側集電体1または負極
側集電体5に塗布し、150〜200℃で硬化する方法
が用いられる。
【0027】固体電解質3は、リチウムイオン伝導性結
晶質酸化物を高分子で結着してなり、このリチウムイオ
ン伝導性結晶質酸化物としては、Li1+xxTi
2-x(PO43 [MはAlまたはGa]、Li1+x+y
xTi2-xSiy3-y12 [MはAlまたはGa]、L
1+(4-n)xxTi2-x(PO43 [Mは1価または2
価の陽イオン、Mが1価のときn=1、Mが2価のとき
n=2、xは0.1〜0.5]のうちの少なくとも1種
類が用いられる。
【0028】固体電解質3を結着する高分子としては、
正極活物質および負極活物質の粒子を結着する高分子と
同じ高分子が用いられる。
【0029】すなわち、((NC(CH2nxSi
ym[n:整数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦1.
5、500≦m≦500,000]である。
【0030】固体電解質3を作製するには、リチウムイ
オン伝導性結晶質酸化物と((NC(CH2nxSi
ym[n:整数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦1.
5、500≦m≦500,000]とを混合して、さら
にトルエンなどの溶剤を加えてスラリーを調整し、この
スラリーを、正極2および/または負極4に塗布し、1
50〜200℃で硬化する方法が用いられる。
【0031】正極側集電体1および負極側集電体5に
は、アルミニウム箔などの金属箔が用いられる。
【0032】電槽6には、ポリエチレンテレフタラート
フィルム、アルミニウム箔、およびポリエチレンフィル
ムなどを積層したラミネートフィルムが用いられる。
【0033】かくして本発明のリチウム二次電池によれ
ば、活物質および固体電解質の粒子を、((NC(CH
2nxSiOym[n:整数、1≦x≦1.4、1.
3≦y≦1.5、500≦m≦500,000]で表さ
れる高分子で結着したことで、粒子間のイオン伝導に対
する抵抗を低減でき、従来のように粒子1個の厚さから
なる層ではなく複数個の粒子が層の厚さ方向に充填され
ていても、そのイオン伝導経路が遮断されることがなく
なった。そして、電極間の短絡を発生させずに製造する
ことが容易になった。
【0034】
【実施例】次に本発明のリチウム二次電池について具体
例を説明する。
【0035】〔実施例1〕((NC(CH221.2
iO1.4m[m=10,000〜12,000]を用い
て、活物質および固体電解質の粒子を結着することによ
り、本発明のリチウム二次電池Aを作製した。
【0036】正極活物質であるLi1.1Mn1.94を8
6重量%、導電剤であるアセチレンブラックを9重量
%、結着剤である((NC(CH221.2SiO1.4
m[m=10,000〜12,000]を5重量%秤量
し、さらにトルエンを加えて、これらを混合してスラリ
ーを調整した。
【0037】このスラリーをアルミニウム箔上に塗布
し、200℃で2時間熱処理することにより硬化させて
正極を形成した。
【0038】負極活物質であるLi1.33Ti1.674
88重量%、導電剤であるアセチレンブラックを9重量
%、結着剤である((NC(CH221.2SiO1.4
m[m=10,000〜12,000]を3重量%秤量
し、さらにトルエンを加えて、これらを混合してスラリ
ーを調整した。
【0039】このスラリーをアルミニウム箔上に塗布
し、200℃で2時間熱処理することによって硬化させ
て負極を形成した。
【0040】固体電解質であるLi1.3Al0.3Ti1.7
(PO43を90重量%、結着剤である((NC(CH
221.2SiO1.4m[m=10,000〜12,0
00]を10重量%秤量し、さらにトルエンを加えて、
これらを混合してスラリーを調整した。
【0041】このスラリーを正極および負極に塗布し
て、これらを張り合わせた後、200℃で2時間熱処理
することによって硬化させて電池素子を形成した。
【0042】寸法は50×50mm、厚さは正極が20
μm、固体電解質が20μm、負極が20μmの、計6
0μmとした。
【0043】電池素子を200℃で2時間かけて真空乾
燥した後、ポリエチレンテレフタラート−ポリエチレン
−アルミニウム−ポリエチレンラミネートフィルムで包
んで、加熱融着することで電槽を形成した。
【0044】〔実施例2〕実施例1と同じ活物質材料と
固体電解質材料を用い、結着のために用いる高分子に
((NC(CH221.4SiO1.3m[m=10,0
00〜12,000]を用いて、本発明のリチウム二次
電池Bを作製した。粉体と結着剤との重量比、および作
製方法は実施例1と同じにした。
【0045】〔実施例3〕実施例1と同じ活物質材料と
固体電解質材料を用い、結着のために用いる高分子に
((NC(CH221.2SiO1.4m[m=200,
000〜250,000]を用いて、本発明のリチウム
二次電池Cを作製した。粉体と結着剤との重量比、およ
び作製方法は実施例1と同じにした。
【0046】〔実施例4〕実施例1と同じ活物質材料と
固体電解質材料を用い、結着用の高分子に((NC(C
221.2SiO1.4m[m=450,000〜50
0,000]を用いて、本発明のリチウム二次電池Dを
作製した。粉体と結着剤との重量比、および作製方法は
実施例1と同じにした。
【0047】〔実施例5〕実施例1と同じ活物質材料と
固体電解質材料を用いて、さらに結着のために用いる高
分子材料を用い、これらの組成比を、正極…Li1.1
1.94/アセチレンブラック/((NC(CH22
1.2SiO1.4m[m=10,000〜12,000]
=81/9/10重量%、負極…Li1.33Ti1.674
/アセチレンブラック/((NC(CH221.2Si
1.4m[m=10,000〜12,000]=86/
9/5重量%、固体電解質…Li1.3Al0.3Ti
1.7(PO43/((NC(CH221.2SiO1.4m
[m=10,000〜12,000]=90/10重量
%としたリチウム二次電池Eを作製した。その他の作製
方法は実施例1と同様にした。
【0048】〔実施例6〕実施例1と同じように、活物
質材料、固体電解質材料、結着用の高分子材料を用い、
これらの組成比を、正極…Li1.1Mn1.94/アセチ
レンブラック/((NC(CH221.2SiO1.4m
[m=10,000〜12,000]=88/9/3重
量%、負極…Li1.33Ti1.674/アセチレンブラッ
ク/((NC(CH221.2SiO1.4m[m=1
0,000〜12,000]=90/9/1重量%、固
体電解質…Li1.3Al0.3Ti1.7(PO43/((N
C(CH221.2SiO1.4m[m=10,000〜
12,000]=90/10重量%としたリチウム二次
電池Fを作製した。その他の作製方法は実施例1と同様
にした。 〔比較例1〕実施例1と同じ活物質材料と固体電解質材
料を用いるとともに、結着のために用いる高分子を本発
明の請求範囲から外れた((NC(CH221.8Si
1.1m[m=10,000〜12,000]を用いた
リチウム二次電池Gを作製した。粉体と結着剤との重量
比、および、作製方法は実施例1と同様にした。 〔比較例2〕例1と同じ活物質材料と固体電解質材料を
用いているが、結着のために用いる高分子の分子量が本
発明の請求範囲から外れた((NC(CH221.2
iO1 .4m[m=1,000,000〜1,500,0
00]を用いて、リチウム二次電池Hを作製した。粉体
と結着剤との重量比、および作製方法は実施例1と同様
にした。 〔比較例3〕実施例1と同じ活物質材料と固体電解質材
料を用い、結着用の高分子も本発明の請求範囲である
((NC(CH221.2SiO1.4m[m=10,0
00〜12,000]を用いてはいるが、これらの組成
比が、正極…Li1.1Mn1.9 4/アセチレンブラック
/((NC(CH221.2SiO1.4m[m=10,
000〜12,000]=71/9/20重量%、負極
…Li1.33Ti1.674/アセチレンブラック/((N
C(CH221.2SiO1.4m[m=10,000〜
12,000]=71/9/20重量%、固体電解質…
Li1.3Al0.3Ti 1.7(PO43/((NC(CH2
21.2SiO1.4m[m=10,000〜12,00
0]=80/20重量%と、本発明の請求範囲から外れ
たリチウム二次電池Iを作製した。その他の作製方法は
実施例1と同様にした。
【0049】〔比較例4〕実施例1と同じ活物質材料と
固体電解質材料を用いるとともに、結着のために用いる
高分子を((NC(CH2nxSiOym[n:整
数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦1.5、500≦m
≦500,000]ではなく、スチレンブタジエンゴム
とした従来のリチウム二次電池Jを作製した。粉体と結
着剤との重量比、および作製方法は例1と同様にした。
【0050】そして、これらリチウム二次電池A、B、
C、D、E、F、G、H、I、およびJについて、充放
電測定装置を用いて正極活物質基準の充放電容量特性を
100μA/cm2の電流密度で求めたところ、表1に
示すような結果が得られた。
【0051】
【表1】
【0052】この表においては、正極活物質および負極
活物質の充填量(mg)と、充放電容量(mAh)の特
性とを示す。
【0053】同表から明らかなとおり、本発明に係るリ
チウム二次電池A〜Fが高い充放電容量を示している。
【0054】しかるに、類似の組成の高分子ではある
が、本発明の請求範囲から外れる高分子を用いて作製し
たリチウム二次電池Gにおいては、電極および固体電解
質の形状保持が十分でなく、内部短絡を起こして、充放
電できなかった。また、結着剤の分子量が本発明の請求
範囲から外れるリチウム二次電池H、および、粉体と結
着剤との重量比が本発明の請求範囲から外れるリチウム
二次電池Iは、充放電容量が大幅に低下した。さらに、
スチレンブタジエンゴムを用いて結着した従来のリチウ
ム二次電池Jでは充放電容量がゼロとなっている。
【0055】かくして、本発明の如き、活物質および固
体電解質の粒子を、((NC(CH 2nxSiOym
[n:整数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦1.5、5
00≦m≦500,000]で結着したリチウム二次電
池においては、粒子を結着する高分子がホッピングサイ
トを高密度に有することから、このような高分子が粒子
の接触点近傍に存在することで、粒子間のイオン伝導に
対する抵抗を低減でき、その結果、良好な充放電容量特
性を有するリチウム二次電池となる。
【0056】また、固体電解質の粒子の粒子径は0.5
μmであり、この粒子径に対して20μmと厚い固体電解
質層を形成したことで、上述の実施例の各サンプルを作
製するに当たり、正負極間の短絡を起こすことがなかっ
た。
【0057】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、活物質
および固体電解質の粒子を、((NC(CH2nx
iOym[n:整数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦
1.5、500≦m≦500,000]で表される高分
子で結着したことから、ホッピングサイトを高密度に有
する結着剤が、活物質および固体電解質の粒子の接触点
近傍に存在することで、粒子間のイオン伝導に対する抵
抗を低減でき、その結果、良好な電池特性を有するリチ
ウム二次電池を容易に製造し、提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のリチウム二次電池の実施の形態の一例
を示す断面図である。
【符号の説明】
1:正極側集電体、2:正極、3:固体電解質、4:負
極、5:負極側集電体、 6:電槽

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムイオンの可逆的な吸蔵放出が可能
    な活物質からなる正極と負極との間にリチウムイオン伝
    導性を有する固体電解質を配設してなるリチウム二次電
    池であって、前記活物質および固体電解質の粒子を、
    ((NC(CH2nxSiOym[n:整数、1≦x
    ≦1.4、1.3≦y≦1.5、500≦m≦500,
    000]で表される高分子で結着したことを特徴とする
    リチウム二次電池。
  2. 【請求項2】前記((NC(CH2nxSiOy
    m[n:整数、1≦x≦1.4、1.3≦y≦1.5、
    500≦m≦500,000]で表される高分子の電極
    中または固体電解質中に含まれる重量比が、1重量%〜
    15重量%であることを特徴とする請求項1記載のリチ
    ウム二次電池。
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