JP3398057B2 - 高分子電解質二次電池 - Google Patents

高分子電解質二次電池

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、正極と、非水電解
液を含有した高分子電解質と、リチウムイオンを吸蔵・
放出可能な材料を主材とする負極とを備える高分子電解
質二次電池の充放電サイクル特性の向上に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来、リチウム二次電池の電解質として
は、リチウムイオン導電性に優れる液体電解質が使用さ
れているが、液体電解質には、漏液、電極活物質の溶出
などの問題がある。
【0003】そこで近年、このような問題がない固体電
解質、とくに薄膜形成が容易な高分子固体電解質がリチ
ウム二次電池の電解質として注目され、その実用化のた
めの研究が盛んに行われている。例えば、イオン導電性
高分子に非水系溶媒及びリチウム塩を加えゲル状高分子
電解質とし、これを用いた二次電池(特開昭62-219469
号公報)が提案されている。
【0004】しかしながら、高分子電解質においてリチ
ウムイオンといった小さなカチオンは、高分子鎖中の酸
素原子等との相互作用が大きい。そのため、通常の無機
リチウム塩(例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3
等)を使用した場合、カチオンの輸率が低くなる。よっ
て、アノード近傍において経時的なアニオン濃縮が生
じ、電池の充放電サイクル特性が悪化するという問題が
あった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑みなされたものであって、その目的は充放電サイクル
特性に優れた高分子固体電解質を電解質とする高分子電
解質二次電池を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、正極と、非水
電解液を含有する高分子電解質と、負極とを備える高分
子電解質二次電池において、前記高分子電解質が、ポリ
スチレンブロック鎖とポリエチレンオキシドブロック鎖
からなる共重合体であるイオン導電性高分子と高分子酸
リチウム塩とを混合した複合高分子電解質であることを
特徴とする。
【0007】ここで、前記高分子酸リチウム塩として
は、ポリメタクリル酸リチウム塩もしくはポリスチレン
スルホン酸リチウム塩であることを特徴とする。
【0008】そして、前記高分子酸リチウム塩の分子量
としては、好ましくは5万〜500万、最適なものとして
は20万〜200万である。
【0009】更に、前記高分子電解質において、前記非
水電解液がイオン導電性高分子の重量に対して、重量比
で0.1〜1.9含有されていることを特徴とするものであ
る。
【0010】イオン導電性高分子としてポリスチレンブ
ロック鎖とポリエチレンオキシドブロック鎖からなる共
重合体(以下、『共重合体A』と呼ぶ)を用いると、高
分子単体でのイオン導電度・機械的強度が優れているた
めに、充放電容量が向上すると共に放電サイクル特性が
更に向上する。
【0011】さらに、イオン導電性高分子に混合する電
解質塩として、高分子酸リチウム塩を用いることによ
り、対アニオンが固定されるため、カチオンであるリチ
ウムイオンの輸率が向上する。高分子酸リチウム塩とし
ては、ポリメタクリル酸リチウム塩、ポリスチレンスル
ホン酸リチウム塩が挙げられる。
【0012】また、高分子酸リチウム塩の分子量が5万
〜500万であると、複合高分子電解質としたときの相溶
性が良いために相分離を起こしにくく、そのため充放電
サイクル特性が向上する。
【0013】更に、前記分子量を20万〜200万とするの
が、最適条件である。
【0014】そして、非水電解液を、イオン導電性高分
子に対して、重量比で0.1〜1.9添加するとゲル状高分子
電解質のバルク導電率が高くなり、大きな充放電容量が
実現すると共に充放電サイクル特性に優れた高分子固体
電解質二次電池が得られる。但し、重量比が2以上では
高分子電解質の機械的強度が低下するため、充放電サイ
クル特性が劣化する。
【0015】尚、本発明において、正極としては、LiCo
O2、LiNiO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiFeO2等のリチウム含
有遷移金属酸化物を例示することができる。
【0016】また、負極としては、天然黒鉛及び人造黒
鉛に代表される黒鉛、コークス、有機物焼成体等の炭素
材料や、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグ
ネシウム合金、リチウム−インジウム合金、リチウム−
タリウム合金、リチウム−鉛合金、リチウム−ビスマス
合金等のリチウム合金や、チタン、錫、鉄、モリブデ
ン、ニオブ、バナジウム及び亜鉛の一種または二種以上
を含む金属酸化物及び金属硫化物を例示することができ
る。
【0017】また、高分子に含浸させる非水電解液とし
ては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネー
ト、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の
環状炭酸エステル、または、環状炭酸エステルと、ジメ
チルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチ
ルカーボネート、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジメト
キシエタン、エトキシメトキシエタン等の低沸点溶媒と
の混合溶媒に、上述の高分子酸リチウム塩からなる電解
質塩を溶かしたものを例示することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の理解を助けるため
の参考例及び本発明の実施例について更に詳細に説明す
るが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではな
く、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実
施することが可能なものである。
【0019】[実験] 《参考例1》 この参考例1では、高分子電解質中に添加するリチウム
塩の種類を変化させ、その傾向を調べ、高分子酸リチウ
ム塩の優位性を検証する。以下に、正極の作製、負極の
作製、高分子電解質の作製、電池の作製、電池の特性比
較という項目に分けて、説明していく。
【0020】[正極の作製] 正極活物質としてのLiCoO2粉末85重量部と、導電剤とし
ての炭素粉末10重量部と、結着剤としてのポリフッ化ビ
ニリデン粉末5重量部のNMP(N-メチル-2-ピロリド
ン)溶液とを混合してスラリーを調製した。このスラリ
ーをフェライト系ステンレス鋼からなる厚さ20μmの集
電体の片面にドクターブレード法により塗布して活物質
層を形成した。その後、150℃で乾燥して、直径10mmの
円板状の正極を作製した。活物質層の乾燥後の厚みは約
80μmであった。
【0021】[負極の作製] 黒鉛粉末95重量部と、ポリフッ化ビニリデン粉末5重量
部のNMP溶液とを混合して負極スラリーを調製した。こ
の負極スラリーをフェライト系ステンレス鋼からなる厚
さ20μmの集電体の片面にドクターブレード法により塗
布して炭素層を形成した。その後、150℃で乾燥して、
直径10mmの円板状の負極を作製した。
【0022】炭素層の乾燥後の厚みは約60μmであっ
た。
【0023】[高分子電解質の作製] まず、以下に示す4種類の非水電解液を調整した。
【0024】溶媒としてエチレンカーボネートとジエチ
ルカーボネートの等モル混合溶液を用い、次に示す4種
類のリチウム塩LiPF6、LiClO4、ポリメタクリル
酸リチウム塩(分子量20万)、ポリスチレンスルホン
酸リチウム塩(分子量20万)を、リチウムイオン濃度が
1Mとなるように、添加溶解させた。尚、前記ポリメタ
クリル酸リチウム塩、ポリスチレンスルホン酸リチウム
塩とは、高分子酸リチウム塩である。
【0025】次に、分子量500万のポリエチレンオキシ
ドをアセトニトリルに溶解させた溶液を正極活物質上に
ドクターブレード法により塗布した後に静置し、溶媒を
蒸発させることにより、ポリエチレンオキシドの高分子
膜を正極活物質上に形成した。その後、この高分子膜に
上記の4種類の非水電解液を加え、ゲル状高分子電解質
(複合高分子電解質)とした。尚、高分子電解質中の有
機高分子と非水電解液の重量比はすべて1:1である。
【0026】[電池の作製] 上記の正極、負極及び高分子電解質を用いて、扁平形の
高分子電解質二次電池を作製した。
【0027】図1は作製した二次電池の断面模式図であ
り、図示の電池は、正極1、負極2、正極1と一体化して
いる高分子電解質3、正極缶4、負極缶5、正極集電体
6、負極集電体7及びポリプロピレン製の絶縁パッキン
グ8などからなる。
【0028】上記正極1及び負極2は、高分子電解質3
を介して対向して正極缶4及び負極缶5が形成する電池
ケース内に収納されており、正極1は正極集電体6を介
して正極缶4に、また負極2は負極集電体7を介して負
極缶5に接続されている。このようにして、電池内部に
生じた化学エネルギーを正極缶4及び負極缶5の両端子
から電気エネルギーとして外部へ取り出し得るようにな
っている。
【0029】[電池の特性比較] 各電池(4種類)を用い、1サイクル目の放電容量と、2
00サイクル目の放電容量を測定した。この時の実験条件
は、各電池を25℃にて、電流密度100μA/cm2で4.2V
まで充電した後、電流密度100μA/cm2で2.75Vまで放
電して、各電池の1サイクル目及び200サイクル目の正
極1cm2当たりの放電容量(mAh/cm2)を求めるというも
のである。
【0030】この結果を、表1に示す。
【0031】
【表1】
【0032】上記表1に示すとおり、電解質塩としてポ
リメタクリル酸リチウム塩及びポリスチレンスルホン酸
リチウム塩に代表される高分子酸リチウム塩を用いた場
合に、容量のサイクル劣化が抑制されることが分かる。
【0033】《参考例2》 この参考例2では、高分子酸リチウム塩の分子量が電池
特性に与える影響について、検討を行った。
【0034】具体的には、イオン導電性高分子としてポ
リエチレンオキシドを用い、電解液として、エチレンカ
ーボネートとジエチルカーボネートの等モル混合溶液に
電解質塩としてポリメタクリル酸リチウム塩及びポ
リスチレンスルホン酸リチウム塩を溶解したものを用い
た高分子電解質二次電池において、これらの高分子酸リ
チウム塩の分子量を種々変化させた高分子電解質二次電
池を作製した。尚、高分子電解質中の有機高分子と非水
電解液の重量比は1:1である。そして、上記実施例1
と同様にして、各電池の1サイクル目及び200サイクル
目の放電容量を求めた。
【0035】この結果を、表2及び表3に示す。
【0036】
【表2】
【0037】
【表3】
【0038】表2、表3より、ポリメタクリル酸リチウ
ム塩、ポリスチレンスルホン酸リチウム塩の分子量が5
万〜500万の場合に、放電容量が大きく、且つ容量のサ
イクル劣化も抑制されることが分かる。この結果、高分
子酸リチウム塩の分子量は、5万〜500万が適する。
【0039】そして、上記の中でも、高分子酸リチウム
塩の分子量が20万〜200万のときに特に良好な結果が
られた
【0040】《実施例1》 この実施例1では、高分子電解質を構成するイオン導電
性高分子の種類が電池特性に及ぼす影響を調べ、好適な
材料を検討した。
【0041】具体的には、高分子酸リチウム塩(電解質
塩)として分子量20万のポリスチレンスルホン酸リチウ
ム塩を用い、これをエチレンカーボネートとジエチルカ
ーボネートの等モル混合溶液に溶解した電解液をイオン
導電性高分子に含浸させた高分子電解質二次電池におい
て、正極活物質上に形成するイオン導電性高分子とし
て、ポリアクリロニトリル、ポリスチレンブロック
鎖とポリエチレンオキシドブロック鎖からなる共重合体
A、ポリジメチルシロキサンを用いた、3種類の高分
子電解質二次電池を作製した。そして、上記実施例1と
同様にして、各電池の1サイクル目及び200サイクル目
の放電容量を求めた。尚、高分子電解質中の有機高分子
と非水電解液の重量比は1:1である。
【0042】この結果を、表4に示す。
【0043】
【表4】
【0044】この表4より、イオン導電性高分子として
共重合体Aを用いた場合に放電容量が大きく、且つ容量
のサイクル劣化も抑制されることが分かる。この結果、
ポリスチレンブロック鎖とポリエチレンオキシドブロッ
ク鎖からなる共重合体Aの秀逸性が伺える。
【0045】《実施例2》 この実施例2では、高分子電解質中の非水電解液量が電
池特性に及ぼす影響を調べ、非水電解液量の好適な範囲
を調べた。
【0046】具体的には、上記実施例1において良好な
特性が得られた、イオン導電性高分子として共重合体A
を用い、高分子酸リチウム塩(電解質塩)としては分子
量20万のポリスチレンスルホン酸リチウム塩を用いた高
分子電解質二次電池において、これをゲル状高分子電解
質とするための非水電解液の量を種々変化させた高分子
電解質二次電池を作製した。そして、上記参考例1と同
様にして、各電池の1サイクル目及び200サイクル目の
放電容量を求めた。
【0047】この結果を、表5に示す。 尚、非水電解
液量はイオン導電性高分子の重量に対する重量比で表し
ており、電解液は上記の電解質塩をエチレンカーボネー
トとジエチルカーボネートの等モル混合溶液に溶解した
ものである。
【0048】
【表5】
【0049】これより、非水電解液量がイオン導電性高
分子の重量に対して重量比で0.1〜1.9の場合に放電容量
が大きく、且つ容量のサイクル劣化も抑制されることが
分かる。
【0050】
【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明によれば、
高分子電解質二次電池において、高分子電解質が、ポリ
スチレンブロック鎖とポリエチレンオキシドブロック鎖
からな る共重合体であるイオン導電性高分子と高分子酸
リチウム塩とを混合した複合高分子電解質であることに
より、充放電サイクル特性に優れた高分子電解質二次電
池を提供することができ、その工業的価値は極めて大き
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明電池の断面図である。
【符号の説明】
1 正極 2 負極 3 高分子電解質 4 正極缶 5 負極缶 6 正極集電体 7 負極集電体 8 絶縁パッキング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−282619(JP,A) 特開 平10−125134(JP,A) 特開 平10−50345(JP,A) 特開 平7−99060(JP,A) 特開 平5−299119(JP,A) 特開 平5−303905(JP,A) 特開 昭61−47713(JP,A) 特開 平8−241734(JP,A) 特開 平2−230667(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40 H01B 1/06 - 1/12

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極と、非水電解液を含有する高分子電
    解質と、負極とを備える高分子電解質二次電池におい
    て、前記高分子電解質が、ポリスチレンブロック鎖とポ
    リエチレンオキシドブロック鎖からなる共重合体である
    イオン導電性高分子と高分子酸リチウム塩とを混合した
    複合高分子電解質であることを特徴とする高分子電解質
    二次電池。
  2. 【請求項2】 前記高分子酸リチウム塩が、ポリメタク
    リル酸リチウム塩もしくはポリスチレンスルホン酸リチ
    ウム塩であることを特徴とする請求項1記載の高分子電
    解質二次電池。
  3. 【請求項3】 前記高分子酸リチウム塩の分子量が、5
    万〜500万であることを特徴とする請求項1記載の高分
    子電解質二次電池。
  4. 【請求項4】 前記高分子酸リチウム塩の分子量が、20
    万〜200万であることを特徴とする請求項1記載の高分
    子電解質二次電池。
  5. 【請求項5】 前記高分子電解質において、前記非水電
    解液がイオン導電性高分子の重量に対して、重量比で0.
    1〜1.9含有されていることを特徴とする請求項1記載の
    高分子電解質二次電池。
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