JP2003249265A - ポリマー電解質電池 - Google Patents
ポリマー電解質電池Info
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Abstract
断面における破損や内部短絡を防ぎ、製造中の不良率を
低減することを目的とする。 【解決手段】一組の正極層、ポリマー電解質層及び負極
層からなる単電池が複数組積層されて発電要素を構成し
ているポリマー電解質電池において、前記発電要素の積
層断面が樹脂材料で覆うことで、上記課題を解決でき
る。前記樹脂材料は、流動性モノマーを前記発電要素の
積層断面に塗布後、硬化させることにより形成すること
ができ、前記樹脂材料は、前記ポリマー電解質を構成し
ているポリマー材料と同一の繰り返し単位を有する材料
からなることとすれば効果が増大する。また、ソルベン
トを含まない全固体型ポリマー電解質電池に適用した場
合、特に効果が大きい。
Description
解質電池に関し、特に積層断面における短絡を防止した
ポリマー電解質電池に関する。
装体を軽量化できるといった利点があり、開発が盛んに
行われている。なかでも、ソルベントを含まない全固体
型ポリマー電解質電池は高度な安全性が要求される電気
自動車や電力貯蔵用電源等の用途に大容量電池として開
発が進められている。しかし、ポリマー電解質は一般に
電解液に比べてイオン伝導度がやや低く、なかでも全固
体型ポリマー電解質は液体電解液に比べてイオン伝導度
が約一桁低い。
料が粉体から構成される場合、前記正極層や負極層は電
極材料とポリマー電解質を混合して形成した複合電極と
することが望ましい。このとき、前記複合電極の厚さが
厚いと、ポリマー電解質のイオン伝導度が電解液に比べ
て低いため、電極表面から深い部分に位置する電極材料
の活物質利用率が低いものとなる虞がある。そこで、電
池のエネルギー密度を充分なものとするため、ポリマー
電解質電池に用いる前記複合電極は薄型化することが望
ましい。
成するには、一組の正極層、ポリマー電解質層及び負極
層からなる単電池シートを複数枚重ね合わせるか、又は
帯状の単電池シートを捲回して構成することによって積
層することが有効である。このうち、電池の大型化、高
エネルギー密度化に鑑みれば、電槽内に発電要素を効率
よく配置させる観点から、単電池シートを複数枚重ね合
わせる方式が好ましい。
大容量電池とするためには積層数が多くなることから、
発電要素の単位体積あたりに占める集電体の割合が大き
なものとなっている。例えば、一般的な全固体型高分子
電解質を用いた電池では、発電要素のうち集電体が占め
る割合が25%以上となっている。また、該集電体の厚さ
は10〜15μmと薄く、柔軟であるため、発電要素の中で
も積層断面部分の取り扱いには細心の注意を要してい
た。即ち、集電体に積層断面に沿ったわずかな曲がりや
バリが生じるだけで内部短絡の原因となりやすかった。
また、多数枚の単電池を積層する際、積層時や積層後に
わずかな単電池同士のずれが生じるだけでも、周囲の電
池用部材等との接触の虞が生じていた。また、積層され
た発電要素への緊圧印加時や電槽等の外装体への発電要
素挿入時、さらには外装体が柔軟な材質で構成されてい
る場合には電池の使用時等にも、外力によって積層断面
部の電極の変形等によって内部短絡が発生する虞があっ
た。
に鑑みなされたものであり、ポリマー電解質電池におい
て、発電要素の積層断面における破損や内部短絡を防
ぎ、製造中の不良率を低減することを目的とする。
に、本発明は、請求項1に記載したように、一組の正極
層、ポリマー電解質層及び負極層からなる単電池が複数
組積層されて発電要素を構成しているポリマー電解質電
池において、前記発電要素の積層断面が樹脂材料で覆わ
れていることを特徴とするポリマー電解質電池である。
ントを含んだゲル電解質であっても良く、ソルベントを
含まない全固体型ポリマー電解質であってもよい。
状の単電池を複数枚重ね合わせる方法によってもよく、
帯状の単電池シートを捲回して構成することによっても
よいが、電槽内に発電要素を効率よく配置させる観点か
ら、シート状の単電池を複数枚重ね合わせる方式が好ま
しい。
示す。積層型ポリマー固体電解質電池は、集電体同士の
距離が狭く、発電要素が柔軟であるため短絡が発生する
虞が高いところ、本発明によれば、このような積層断面
に樹脂材料で被覆することにより、発電要素の短絡を防
ぐことができる。前記樹脂材料は電子伝導性を有さない
ものでなければならないことは言うまでもない。前記樹
脂材料はイオン伝導性を有していてもよいが、高電圧を
取り出す事のできる電池とするために単セルを直列に積
層して構成する場合には共通電解質効果を避けるために
イオン伝導性を有さないものとしなければならない。
ではなく、電池作動電圧において分解や反応を起こすこ
とがないものであればよい。例えば、ポリエチレン、ポ
リフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポ
リエーテル等が挙げられる。
積層断面が樹脂材料で覆われ固定されているので、上記
した積層断面における短絡の防止することができる。
に、前記樹脂材料は、流動性モノマーを前記発電要素の
積層断面に塗布後、硬化させることにより形成されたこ
とを特徴としている。
ては限定されるものではなく、熱可塑性樹脂を適用する
方法や、反応性モノマーを適用し、熱・電子線・紫外線
等のエネルギーを付与することにより硬化させる方法
や、化学架橋による方法等が挙げられる。熱エネルギー
により硬化させる方法を採れば、深部まで充分に硬化さ
せることができる点で好ましい。電子線照射による方法
を採れば、生産速度が大幅に向上できる点で好ましい。
化学架橋による方法を採れば、別途エネルギーを付与す
る設備も用いる必要がなく、電池を安価に提供できる点
で好ましい。
層及び負極層を多数組積層したエッジ面に樹脂材料を隅
々まで行き渡らせることができる。
モノマーの選択に当たっては、モノマーの塗布時におい
ては発電要素の積層断面に生じている隙間空間を隅々ま
で埋めることができる程度に粘度が低いことが好まし
く、前記モノマーの重合後においては外圧等によっても
樹脂材料が破壊し集電体近傍に短絡が発生することがな
い程度に強度を有した物性となることが好ましい。前記
流動性モノマーの粘度は、具体的には0.4Pa・s以
上であることが好ましい。
ノマーの重合後においては外圧等により樹脂材料が破壊
し集電体近傍に短絡が発生することがない程度に強度を
有した物性となることが求められることはいうまでもな
い。しかしながら、ポリマー電解質が持つ硬度(柔軟
性)と前記樹脂材料が持つ硬度とが大きく乖離している
場合には異種の問題が生じる。即ち、ポリマー電解質が
含有された柔軟性を有する積層電極の積層断面に対し
て、硬度の高い樹脂材料が応用された場合、発電要素に
外圧が加わったとき、該積層電極と該樹脂材料との間に
変形の程度の差による歪みが生じ、該樹脂材料の該積層
電極からの剥離や積層断面近傍の変形が生じる虞があ
り、これによって積層断面部分における短絡が生じる虞
がある。
うに、前記樹脂材料は、前記ポリマー電解質を構成して
いるポリマー材料と同一の繰り返し単位を有する材料か
らなることを特徴としている。
が有する硬度(柔軟性)と、積層電極の積層断面に応用
される前記樹脂材料が有する硬度(柔軟性)とを近接さ
せることができるため、発電要素が変形を受けるような
外力を受けた場合においても、両者が同程度に該変形に
追随できるので、積層断面部分における短絡が生じる虞
をさらに低減できる。
8000程度の3官能ポリエーテルモノマーを用いる場
合には、それと同じモノマーをそのまま用いて樹脂材料
の原料とすることができる。ここで、前記モノマーには
電解質塩を含んでいても含んでいなくてもよい。このよ
うな構成によれば、異種の原料を用いた場合に懸念され
るコンタミネーションの問題を回避することができる。
また、樹脂材料用材料を別途用意する必要がなく、ポリ
マー電解質電池を簡便且つ安価に製造することができ
る。
の高い外装体に覆われて固定されている場合には、前記
樹脂材料の柔軟性に対する配慮はさほど必要とされず、
この場合には樹脂材料部分は硬度が高いものであっても
よい。具体的には、分子量10万以上のモノマー(例えば
分子量10万以上の重合性ポリエーテル)とすれば、発
電要素を外装体へ挿入する際にも振動等に耐え、絶縁を
保持できる強度が得られ、さらに電池の使用時において
も外装体と発電要素が該樹脂材料によって固定される効
果が生まれるため、好ましい。
に、前記ポリマー電解質は、ソルベントを含まない全固
体型ポリマー電解質であることを特徴としている。
る必要性が特に高い全固体型ポリマー電解質電池におい
て、本発明の効果が極めて効率的に発揮できる。
ために無機フィラー等を添加してもよい。無機フィラー
としては、電子伝導性を有さないものであればよく、中
でもガラス、TiO2、BaTiO3、SiO2、Si等
が好ましい。
いられる負極材料には、例えばリチウム電池であれば、
リチウムを吸蔵・放出可能な金属リチウム、リチウム合
金、炭素材料、その他の材料を1種又は2種以上混合し
て用いることができる。例えば、熱分解炭素類、コーク
ス類(ピッチコークス、ニードルコークス、石油コーク
ス等)、人造黒鉛や天然黒鉛等のグラファイト類、フッ
化黒鉛、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体(フ
ェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素
化したもの)、炭素繊維、活性炭素等の炭素材料、ポリ
アセチレン、ポリピロール、ポリアセン等のポリマー、
Li4/3Ti5/3O4、TiS2等のリチウム含有遷移金属
酸化物又は遷移金属硫化物、アルミニウム、インジウム
等のリチウムと合金化可能な金属、シリコン化合物、珪
化物等の金属間化合物等が挙げられる。なかでも、炭素
材料が適しており、例えば、(002)面の面間隔d
002が0.340nm以下の炭素材料、すなわちグラフ
ァイトを用いると、電池のエネルギー密度が向上するた
め好ましい。
目的で導電剤がさらに添加されていてもよい。例えば、
鱗片状黒鉛等の天然黒鉛や人造黒鉛等のグラファイト
類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャン
ネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、
サーマルブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、
金属繊維等の導電性繊維類、フッ化カーボン、銅、ニッ
ケル等の金属粉末類およびポリフェニレン誘導体等の有
機導電性材料等を単独又は2種以上混合して含ませるこ
とができる。これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、アセ
チレンブラック、炭素繊維が特に好ましい。導電剤の添
加量は、特に限定されないが、1〜50重量%が好まし
く、特に1〜30重量%が好ましい。
は、構成された電池において化学変化を起こさない電子
伝導体であればよく、例えば、材料としてステンレス
鋼、ニッケル、銅、チタン、炭素、導電性樹脂等の他
に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケルある
いはチタンを処理させたもの等を用いることができる。
特に、銅あるいは銅合金が好ましい。これらの材料の表
面を酸化して用いることもできる。また、表面処理によ
り集電体表面に凹凸を付けることが望ましい。形状は、
フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチング
されたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形
体等が用いられる。厚さは、特に限定されないが、1〜
500μmのものが用いられる。
いられる正極材料には、リチウム含有または非含有の化
合物を用いることができる。例えば、LixCoO2、L
ixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1-yO2、L
ixCoyM1-yOz、LixNi1-yMyOz、LixMn2O
4、LixMn2-yMyOのうち少なくとも一種)、(ここ
でx=0〜1.2、y=0〜0.9、z=2.0〜2.
3)が挙げられる。ここで、上記のx値は、充放電開始
前の値であり、充放電により増減する。ただし、二硫化
チタン等の遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物
およびそのリチウム化合物、ニオブ酸化物およびそのリ
チウム化合物、有機導電性物質を用いた共役系ポリマ
ー、シェブレル相化合物等の他の正極活物質を用いるこ
とも可能である。また、複数の異なった正極活物質を混
合して用いることも可能である。正極活物質粒子の平均
粒径は、特に限定されないが、1〜30μmであること
が好ましい。
目的で導電剤がさらに添加することが好ましい。正極用
導電剤は、用いる正極材料の充放電電位において、化学
変化を起こさない電子伝導性材料であればよく、例え
ば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等のグラファ
イト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チ
ャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラッ
ク、サーマルブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊
維、金属繊維等の導電性繊維類、フッ化カーボン、銅、
ニッケル、アルミニウム、銀等の金属粉末類、酸化亜
鉛、チタン酸カリウム等の導電性ウィスカー類、酸化チ
タン等の導電性金属酸化物あるいはポリフェニレン誘導
体等の有機導電性材料等を単独又は2種以上混合して含
ませることができる。これらの導電剤のなかで、人造黒
鉛、アセチレンブラック、ニッケル粉末が特に好まし
い。導電剤の添加量は、特に限定されないが、1〜50
重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ましい。カ
ーボンやグラファイトを用いる場合には、2〜15重量
%が特に好ましい。
は、用いる正極材料の充放電電位において化学変化を起
こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、材料
としてステンレス鋼、アルミニウム、チタン、炭素、導
電性樹脂等の他に、アルミニウムやステンレス鋼の表面
にカーボン、あるいはチタンを処理させたものが用いら
れる。特に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金が
好ましい。これらの材料の表面を酸化して用いることも
できる。また、表面処理により集電体表面に凹凸を付け
ることが望ましい。形状は、フォイルの他、フィルム、
シート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質
体、発泡体、繊維群、不織布体の成形体等が用いられ
る。厚さは、特に限定されないが、1〜500μmのも
のが用いられる。
ィラー、分散剤、イオン伝導剤、圧力増強剤及びその他
の各種添加剤を用いることができる。フィラーは、構成
された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料
であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピ
レン、ポリエチレン等のオレフィン系ポリマー、ガラ
ス、炭素等の繊維が用いられる。フィラーの添加量は特
に限定されないが、0〜30重量%が好ましい。
正極層の表面の全面が負極層の表面と対向していること
が好ましい。
LiCoO2に導電材としてのアセチレンブラック及び
結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)を加
え、希釈剤としてのN−メチルピロリドンを加え、混練
してペースト状とし、正極集電体1としての矩形状のア
ルミニウム箔状に塗布し、乾燥し正極層2となる正極板
とした。
してポリフッ化ビニリデン(PVdF)を加え、希釈剤
としてのN−メチルピロリドンを加え、混練してペース
ト状とし、負極集電体5としての矩形状の銅箔上に塗布
し、乾燥し負極層4となる負極板とした。
モノマーには、アクリレート基を末端に有し、エチレン
オキシド(EO)とプロピレンオキシド(PO)がE
O:PO=8:1の割合でランダム共重合した分子量8
000の3官能性ポリエーテルを用いた。電解質塩とし
てLiN(CF3SO2)2を該モノマーの体積に対して
1mol/lの濃度で溶解し、電解質モノマー液とし
た。
ノマー液を用いて単電池を構成した。モノマー液の硬化
にあたっては電子線を照射することにより行った。この
とき、正極層2の正極材料部分が有する空隙及び負極層
4の負極材料部分が有する空隙にはポリマー電解質3が
入り込み、複合正極及び複合負極が形成されると共に、
ポリマー電解質3のみからなる層が正極層2と負極層4
との間に介在するように構成した。
を80組用意し、積層した。
水平な机上に設置し、上部に平板を重ね、前記平板の上
部に錘を載せ、常温で積層方向に3〜5kg/cm2の
緊圧を約30分間印加した。
積層断面に、樹脂材料6を構成する原料として、アクリ
レート基を末端に有しエチレンオキシド(EO)とプロ
ピレンオキシド(PO)がEO:PO=8:1の割合で
ランダム共重合した分子量8000の3官能性ポリエー
テルを塗布し、積層された電極群の積層断面に生じてい
る隙間空間に該モノマーが隅々まで入り込むように、十
分に含浸を行った後、積層体全体を加熱することにより
該モノマーを硬化させ、前記積層断面に樹脂材料6を形
成させた。このようにして発電要素7を得た。
7を角形の電槽に積層方向と直交する方向に挿入し、密
閉して電池を構成した。
して、アクリレート基を末端に有する分子量8000の
3官能性ポリプロピレンオキシドを用いたことを除いて
は、実施例1と同様にして電池を構成した。
して、円柱状のポリプロピレン棒を熱融解しながら、積
層された電極群の積層断面に生じている隙間空間にポリ
プロピレンを注入した。このようにして発電要素を得た
ことを除いては、実施例1と同様にして電池を構成し
た。
して、アクリレート基を末端に有する分子量8000の
3官能性ポリシロキサンを用いたことを除いては、実施
例1と同様にして電池を構成した。
エチレンオキシド(EO)とプロピレンオキシド(P
O)がEO:PO=8:1の割合でランダム共重合した
分子量8000の3官能性ポリエーテルに無機フィラー
として二酸化珪素を5重量%添加して混練したものを樹
脂材料6を構成する原料として、用いたことを除いて
は、実施例1と同様にして電池を構成した。
かったことを除いては、実施例1と同様にして電池を構
成した。
それぞれ20個の電池を試作し、前記積層体形成工程、
緊圧印加工程及び電槽挿入工程の各工程後における積層
体の短絡発生頻度を調査した。なお、前工程で短絡発生
が認められたセルは取り除き、後工程に供した。結果を
表1に示す。
で覆った実施例1〜5は、積層断面を樹脂で覆わなかっ
た比較例1に比べ、短絡発生頻度を大幅に低減できるこ
とがわかった。
ー電解質層及び負極層からなる単電池が複数組積層され
た発電要素の積層断面が樹脂材料で覆われているので、
発電要素周縁部の短絡を防ぐことができる。
前記発電要素の積層断面に塗布後、硬化させることによ
り形成されたことを特徴としているので、積層断面部分
の微細な凹凸に樹脂材料を充分に行き渡らすことができ
る。
モノマーと、前記ポリマー電解質を構成する高分子のモ
ノマーとが同一材料からなることを特徴としているの
で、ポリマー電解質が有する硬度(柔軟性)と、積層電
極の積層断面に応用される前記樹脂材料が有する硬度
(柔軟性)とが極めて近接したものとなるため、発電要
素が変形を受けるような外力を受けた場合においても、
両者が同程度に該変形に追随でき、積層断面部分におけ
る短絡が生じる虞をさらに低減できる。
を含まない全固体型ポリマー電解質であることを特徴と
しているので、特に電極を薄型化する必要度の高い全固
体型ポリマー電解質電池において、本発明の効果を効率
的に発揮できる。のポリマー電解質電池。
示した模式図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 一組の正極層、ポリマー電解質層及び負
極層からなる単電池が複数組積層されて発電要素を構成
しているポリマー電解質電池において、前記発電要素の
積層断面が樹脂材料で覆われていることを特徴とするポ
リマー電解質電池。 - 【請求項2】 前記樹脂材料は、流動性モノマーを前記
発電要素の積層断面に塗布後、硬化させることにより形
成されたことを特徴とする請求項1記載のポリマー電解
質電池。 - 【請求項3】 前記樹脂材料は、前記ポリマー電解質を
構成しているポリマー材料と同一の繰り返し単位を有す
る材料からなることを特徴とする請求項1または2記載
のポリマー電解質電池。 - 【請求項4】 前記ポリマー電解質は、ソルベントを含
まない全固体型ポリマー電解質である請求項1〜3のい
ずれかに記載のポリマー電解質電池。
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|---|---|---|---|
| JP2002045887A JP4092620B2 (ja) | 2002-02-22 | 2002-02-22 | ポリマー電解質電池 |
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