JPH01319268A - 二次電池 - Google Patents

二次電池

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JPH01319268A
JPH01319268A JP63151110A JP15111088A JPH01319268A JP H01319268 A JPH01319268 A JP H01319268A JP 63151110 A JP63151110 A JP 63151110A JP 15111088 A JP15111088 A JP 15111088A JP H01319268 A JPH01319268 A JP H01319268A
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electrolyte
electrode
polymer
solt
battery
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JP63151110A
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English (en)
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Sachiko Yoneyama
米山 祥子
Toshiyuki Osawa
大沢 利幸
Okitoshi Kimura
興利 木村
Toshiyuki Kahata
利幸 加幡
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004Details
    • H01G9/022Electrolytes; Absorbents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G61/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/12Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/122Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides
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    • HELECTRICITY
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    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は、二次電池に関する。
[従来技術] 共役二重結合を有する有機高分子化合物は、電気化学的
にClO4−、BR4−、PF6−1^Sドロ″″など
のアニオン又はL11アンモニウム類等のカチオンをド
ーピングすることにより、P型あるいはn型の導電性高
分子になることが知られており、[J、CJ、Chem
、Coma、(1979)P594−595] 、これ
らの高分子化合物を用いた電気化学系の機能デバイスが
種々検討されている。
中でも導電性高分子を電極活物質に用いた電池の開発が
進んでいる。これら導電性高分子を電極に用いた電池は
電解質中のイオンが、電極にドーピング−脱ドーピング
する反応を利用しているため、電解質塩の種類や、濃度
により、電池特性が大き(異なる。
電解液濃度に関しては例えば特開昭62−195861
号では電解液の塩濃度を1mol/I 〜[1mol/
1とすることによりポリマー電池のくり返し特性の改善
を行う提案がなされている。しかしながら、上記の電池
の電解液は液体であるためこの電解液は両極間に配置さ
れたセパレータ等に含浸させた状態で使用される。
一般に、正極、負極とセパレータとは単に外部圧力によ
り接触しているため、薄型電池、特に広面積の薄型電池
を作成した場合電極とセパレータとの密着を均一に保つ
ことは難しく、特に充放電を繰返すに従い、部分的に電
極とセパレータとに間隔が生じ、電解液の欠如した部分
が生じやすい。そのため高エネルギー密度を安定して維
持し得る電池を得ることは困難であった。
[目 的] 本発明は、こうした欠点がなく充放電の繰返しによって
もエネルギー密度を高水準に維持できる二次電池を提供
することを目的とするものである。
[構 成] 本発明者らは従来より電池の薄型化、電池内部での部分
的な電解液の欠如を改善するため電解液とセパレータの
代りに薄膜化が可能で電極との密着性に優れる高分子電
解質を用いた全固体ポリマー電池について種々検討を重
ねた結果、特定の電解質塩を高濃度に複合させた高分子
固体電解質を用いることにより二次電池のエネルギー密
度を高水準にして保つことを見い出し本発明に至った。
すなわち、本発明は、高分子固体電解質と少なくとも一
方が導電性高分子を活物質とする電極からなる二次電池
において、該高分子固体電解質を構成する電解質塩が、
格子エネルギ−750kJ/mol以下となるBR4−
(Rはアルキル、フェニル、ハロゲンを表わす)で表さ
れるアニオンとこの対カチオンから形成された塩を含有
し、塩濃度が電解質のイオン解離基1ユニットあたり、
0.04個以上であることを特徴とする該二次電池であ
る。
導電性高分子を電極に用いた電池は、充放電により、ド
ーピング、脱ドーピングがおこり、電解質中のイオンは
、電解質のキャリアーとしてのみでなく、電極のドーパ
ントとしても作用する。そのため、該電池の電解質は、
イオン伝導度が最大となる組成のみを考慮して選択して
も良好な電池特性は得られない。導電性高分子の導電率
は、ドーパントの量が多い程高い値を示すため、高いエ
ネルギー容量を維持するためには、ドープ、脱ドープが
容易におこるアニオンを用い、かつ高濃度のドーパント
を常に供給できる塩濃度が必要である。我々は上記条件
を十分に満たす電解質の組成を見い出した。
我々は、導電性高分子電極を用いた固体二次電池におい
て、高分子固体電解質に溶解させる塩として式BR4−
(R−アルキル基、フェニル基、ハロゲン)であられさ
れるアニオンからなる塩を用いるとドープ、脱ドープの
くり返し特性が優れていることを見いだした。
電解質塩の解離性は塩の種類により大きく異なるため、
カチオンの種類を変えると、同塩濃度に調製しても、キ
ャリアーイオンの濃度は同じにならず、イオン伝導度が
異なる。すなわち、BR4−はカチオンと塩を形成した
ときにその格子エネルギーが750kJ/sol以下と
なるような組み合わせにおいて高分子固体電解質のイオ
ン伝導度を高く保ちまた、イオン伝導度の塩濃度依存性
を小さくすることがわかった。
導電性高分子電極を用いた電池においてはドープ、脱ド
ープ反応により電極と電解質の界面で局所的に塩濃度の
差が生じる。特に高分子固体電解質はイオンの移動が通
常の電解液に比べ遅いため、このような現象は著しいと
考えられる。
安定な電池特性を得るためには、イオン伝導度の塩濃度
依存性が小さい電解質が望ましい。
本発明者らは、充放電特性の優れた高エネルギー密度を
何する電池を得るには、電解質塩の組み合わせとして、
アニオンがBR4″″でかつカチオンがBR4−との塩
の格子エネルギーが750kJ/++ol以下であるも
のが良いことを見いだしてきたがさらに電解質の塩濃度
も電池のエネルギー容量に°大きく影響することを見い
だした。すなわち導電性高分子電極に高濃度のドーパン
トを常に供給できる電解質塩濃度はポリマーのイオン解
離基1ユニットあたり0,04個以上であった。
また、クロミック素子等地の素子においても塩濃度が上
記範囲よりも薄いと膜厚を大きくしたときの応答速度が
非常に小さかった。
以下、本発明について詳しく説明する。
本発明で用いられる高分子固体電解質、即ちイオン伝導
性高分子は、少なくとも、マトリックスとなる高分子と
キャリアとなる電解質塩とから構成されている。イオン
伝導は高分子マトリックス中へ溶媒和された電解質が、
解離してマトリックス中を電界にそった拡散移動をする
ことによって実現される。
高分子固体電解質は、高分子マトリックスと電解質塩の
みから構成される2成分系とこれらに高沸点を有する第
3成分を添加した3成分系に分類できる。前者のポリマ
ーマトリックスとしては に2         R2 (R+、R2がポリアルキレンオキシド、ポリエチレン
イシン) を主鎖、または側鎖に有したポリマーがあげられる。さ
らにこれらくり返し単位をブロックあるいはランダムに
共重合したものや架橋体でも良い。本発明においてこれ
ら2成分系固体電解質のうち特にポリアルキレンオキシ
ド架橋体を用いたとき良好な特性が得られた。
また、3成分系固体電解質のポリマーマトリックスの例
としては、上記のポリマーの他、ポリアクリロニトリル
、ポリビニリデンフルオライド等があげられる。これら
ポリマーに添加する高沸点、高誘電率を有する化合物と
しては、ポリエチレングリコール、モノメトキシポリエ
チレングリコール、ジメトキシポリエチレングリコール
、ポリプロピレングリコール、プロピレンカーボネート
、エチレンカーボネートくジメチルホルムアミド、ジメ
チルアセトアミ“ド等が挙げられる。これら化合物を添
加することにより、イオン伝導性は著しく増大した。
キャリアとなる電解質塩のアニオンとしては、−数式B
R4−(R+アルキル基、フェニル基、ハロゲン)であ
られされるイオン、例えばBF2−1B(Ph) 4−
等が挙げられる。これらアニオンと塩を形成したときに
、塩の格子エネルギーが750kJ/molとなるカチ
オンとしてはアルカリ金属カチオン、Ll+、K+、N
a+等があげられる。
高分子固体電解質、すなわち、ポリマーマトリックスと
電解質塩の複合体を作成するには、電解質を溶解せしめ
たポリマーが不溶の溶液に高分子マトリックスフィルム
を浸漬して含浸させる方法;ポリマーと電解質塩とを溶
かした溶液からキャスティング法によって成膜と同時に
電解質塩を複合化させる方法などが挙げられる。
本発明で用いられる導電性高分子はピロール、チオフェ
ン、フラン、ベンゼン、アズレン、アニリン、ジフェニ
ルベンジン、ジフェニルアミン、トリフェニルアミンあ
るいはこれら誘導体を重合した導電性あるいは半導電性
高分子があげられる。これら重合体は、重合と同時に電
解質アニオンと錯体を形成し、酸化還元反応にともなっ
てアニオンが出入りするが、カチオンと錯体を形成する
ポリマーとしてはポリチオフェン、ポリフェニレンの他
ポリフェニレンビニレン、ポリフェニレンキシリレンな
どがあげられる。
導電性高分子と錯体を形成するイオンとしては例”えば
、 ClO4−、PF6″″、 ASF&−1BF4−
、パラトルエンスルホン酸アニオン、ニトロベンゼンス
ルホン酸アニオン、Fe(CN)i−1CP(CN)S
−などの錯アニオンあるいはAlCl 3、) ccI
 3 、GaCl 3などのルイス酸等をあげることが
できる。
本発明において、素子を構成する導電性高分子のドーパ
ントとしては高分子固体電解質中のイオンと同種のもの
が望ましい。したがって、固体電解質中のイオンと同種
のドーパントを用いて導電性高分子を合成し、そのまま
素子に用いるか、または−旦異種のイオンを用いて重合
し、脱ドーピング処理を行ってから素子を組立てるのが
好ましい。さらに、脱ドーピング処理後固体電解質中の
イオンと同種のイオンをドーピングして素子に使用する
のが好ましい。
脱ドーピング処理は化学的脱ドーピングと電気化学的脱
ドーピングがあるが、本発明では重合膜を電解液に浸し
、膜が破壊しない範囲でより卑な電位をかけ電気化学的
脱ドーピングが行われる。また、ドーピング処理とはド
ーパントとして用いるイオンが存在する電解質溶液中に
膜を浸漬し、ドーピングが始まる責な電位をかけること
によって行われる。
これら導電性高分子は化学重合あるいは電解重合により
得られるが、特に電解重合法によれば、導電性高分子は
電解用電極上に膜状に析出するため、電解用集電体とな
りうる。この導電性高分子の析出した電極をそのまま電
池用電極に用いることができ好ましい。
電解重合法は、一般には例えば、 J、EIecLroches、Soc、、Vol、13
0.No、7,1508〜1509(1983)、 E
!ectrochem、AcLa、、Vol 、27 
、No、1.81〜85(1982)、J、Chem、
Soc、、Ches、Coml1un、、1199 〜
(!H4)などに示されているが、単量体と電解質塩と
を溶媒に溶解した液を所定の電解槽に入れ、電極を浸漬
し、陽極酸化あるいは陰極還元による電解重合反応を起
こさせることによって行うことができる。
また電解質と溶媒の代りに固体電解質中で電解重合を行
うことにより固体電解質と導電性高分子の複合体を得る
ことも可能である。電解重合に用いる電極は、導電性高
分子を電極上に形成させたのち、そのまま電池用電極と
して用いるため、両者の密着性を向上させる方がよい。
たとえば、研磨材、研磨機等による機械的方法、化学的
あるいは電気化学的方法により電極を粗面化して、表面
積を増大させ、電極と導電性高分子の密着性を向上させ
ることができる。さらに機械的方法、化学的あるいは電
気化学的方法により電極に孔を設け、電極両面より成長
してきた導電性高分子を孔を通して一体化させることに
より電極と導電性高分子の密着性を向上させることがで
きる。これらの方法により導電性高分子の電極からの脱
離、欠落は生じ難(、また集電効率は増大した。
電極を構成する材料としてはNl5Pts Aus A
t、Cu等の金属ステンレス鋼等の合金、Sn02、I
n2O3等の金属酸化物あるいは炭素体をポリエステル
、ポリ塩化ビニル等のプラスチック上に蒸着あるいは塗
布した導電性を持たせたコーティング電極あるいはこれ
らの複合体が用いられる。
電極の形態としてはシート状であることが好ましく面積
は1 cj以上、厚さ5μm〜300μmが好ましい。
本発明の電池は基本的には正極、負極および高分子固体
電解質より構成され、少なくとも一方の電極活物質には
導電性高分子材料が用いられる。
本発明の電池は、アニオンまたはカチオンによって導電
性高分子がドープされてエネルギーを貯え、脱ドープに
よって外部回路を通じてエネルギーを放出するものであ
る。また、本発明の電池においては、このドープ−脱ド
ープが可逆的に行われるので、二次電池として使用する
ことができる。
負極としては、カチオンをドープすることのできるポリ
アセチレン、ポリチオフェン、ポリパラフェニレンの他
、ポリフェニレンビニレン、ポリフェニレンキシリレン
等の導電性性高分子、LI% Nas  K% Ags
 Zn5AISCu等の金属、あるいは、LiとAI、
Mg5Sis Pbq Gas Inとのリチウム合金
等を挙げることができる。
本発明にかかる二次電池の構成の一例を第1図に示す。
lは正極集電体、2は正極活物質、3は負極集電体、4
は負極活物質、5は高分子固体電解質、6は外装である
以下に、実施例を挙げ本発明をさらに詳細に説明する。
正極の作成例1 アニリン0.5Mを含む1.5N硫酸水溶液中で反応極
として20μmのニッケルシート(反応面積3x 3c
m)対極も同様にニッケルを用い、1IIAlc−の定
電流によりアニリンの重合を行った。通電量は3c/c
dとした。このニッケルポリアニリン電極を流水にて十
分洗浄したのち、0.2N硫酸中で対極としてニッケル
、参照極として飽和甘こう電極(SCE)を用い、−0
,4VvsSCEまで電位をかけて充分に脱ドーピング
操作を行った。流水にて充分洗浄した後、3.5M電解
質塩を溶かしたプロピレンカーボネート/1.2−ジメ
トキシエタンの7:3溶液中で参照極に対して4.4v
まで電位をかけて、ドーピングを行った。用いた電解質
塩は、素子を構成する固体電解質中の電解質塩と同種の
ものを用いた。これを十分に乾燥させニッケルポリアニ
リン複合電極を得た。
正極の作成例2 作成例1において反応極として60μmのアルミニウム
シートを用い、対極として白金、参照極としてSCEを
用い0.8VvsSCEの電位にてアニリンの重合を行
った以外は作成例1と同様に操作した。
実施例1 正極の作成例で示したニッケルーポリアニリン複合電極
上にディッピング法により高分子固体電解質層を添塗し
た。デイピング液はポリエチレンオキシドトリオール(
PEO)loog、LIBF+8.5g (イオン解離
基1ユニットあたり0.04個)ジブチルすずジラウレ
ート0.08g 、  トリレン−2,4−ジイソシア
ネート(TDI)8.5gをメチルエチルケトン(ME
K)100gに溶解して調製した。次に高分子固体電解
質を添塗した複合電極を70℃で5分間加熱し、PEO
を架橋体として電極上に固定化したのち、(固体電解質
層片面約30μm)電極の両面に60μmのLl−A1
合金を圧着、第1図に示すような電池を作成し、充放電
特性を測定した。
実施例2 実施例1のディッピング液に代えて1.プロピレンカー
ボネイト(PC)100gl:Liar+ 4.7g 
(イオン解M基1ユニットあたり0.04個)を溶かし
、ニーにポリビニリデンフルオライド(PVDP)15
gを混合し80℃とした溶液を用いた。
該溶液を添塗した電極2を室温まで放冷したのち(固体
電解質層片面約30μ目)両極両面に80μmリチウム
アルミニウム合金を圧着し第1図に示す電池を作成し、
充放電特性を測定した。
実施例3 正極の作成例2で示したアルミニウムポリアニリン複合
電極上にディッピングにより高分子固体電解質層を添塗
した。ディッピング溶液は実施例1で示したものと同じ
ものを用い、同様に第1図に示した電池を作成し、充放
電特性を測定した。
実施例4 正極の作成例1で示したニッケルーポリアニリン複合電
極上にディッピングにより、高分子固体電解質層を添塗
した。ディッピング溶液は、PEO100g、 LiB
F421g  (イオン解M基1ユニットあたり0.1
個)ジブチルすずジラウレート0.08g%TD18.
5gをNEW 100gに溶解して調製した。次に高分
子固体電解質を添塗した複合電極を70℃で5分間加熱
し、PEOを架橋体として電極上に固定化したのち電極
の両面に60μmのLi−Al合金を圧着して第1図に
示すような電池を作成し、充放電特性を測定した。
実施例5 正極の作成例1で示したニッケルーポリアニリン複合電
極上にディッピングにより高分子固体電解質を添塗した
。ディッピング溶液はPE0100g、 LiBF42
5g−ジブチルすずジラウレート0.0Bg 、 TD
I 8.5g、プロピレンカーボネート(PC)40g
をMEK 100gに溶解して調製した。次に高分子固
体電解質を添塗した複合電極を70℃で5分間加熱し、
PEO架橋体として電極上に片面約30μsAなるよう
に固定したのち、電極の両面に60μmのLl−A1合
金を圧着して第1図に示、すような電池を作成し、充放
電特性を測定した。
実施例6 正極の作成例1で示したニッケルーポリアニリン複合電
極上にディッピングにより高分子固体重解質を添塗した
。ディッピング溶液はPE0100g、 Lil)F4
30g  (イオン解離基1ユニットあたり0.1 M
Y) 、ジブチルすずジラウレート0.06g 、 T
DI 8.5g、平均分子量が800であるポリエチレ
ングリコール40gを14HK 100gに溶解して調
製した。次に高分子固体電解質を添塗した複合電極を7
0℃で5分間加熱し、PEO架橋体として電極上に片面
的30μmとなるように固定したのち、電極の両面に6
0μmのLl−A1合金を圧着して第1図に示すような
電池を作成し、充放電特性を測定した。
実施例7 正極の作成例1で示したニッケルーポリアニリン複合電
極上にディッピングにより高分子固体電解質を添塗した
。ディッピング溶液はPEO]、00g、 LiB(P
h) 429g  (イオン解jii11基1ユニット
あたり0,04個)、ジブチルすずジラウレート0.0
6g 、 TDI 8.5g、をMEK 100gに溶
解して調製した。次に高分子固体電解質を添塗した複合
電極を70℃で5分間加熱し、PEO架橋体として電極
上に片面的30μmとなるように固定したのち、電極の
両面に80μmのLl−A1合金を圧着して第1図に示
すような電池を作成し、充放電特性を測定した。
実施例8 正極の作成例1で示したニッケルーポリアニリン複合電
極上にディッピングにより高分子固体電解質を添塗した
。ディッピング溶液はPE0100g、 LIB(Ph
) 441gを溶かしくイオン解離基1ユニットあたり
0.1個) 、コニ l:PVDP15gを混合して8
0℃とした溶液を用いた。既溶液を片面的30μmとな
るように添塗して室温まで放冷したのち、電極の両面に
60μmのLl−A1合金を圧着して第1図に示すよう
な電池を作成し、充放電特性を測定した。
実施例9 正極の作成例1で示したニッケルーポリアニリン複合電
極上にディッピングにより高分子固体電解質を添塗した
。ディッピング溶液はPIFoloog、 I、Ir3
(Ph) 472.5g  (イオン解AIM 1 !
=ニットたり0.1個)、ジブチルすずジラウレート0
.0(ig 、 TDl 8.58をMEK 100g
に溶解して調製した。次に高分子固体電解質を添塗した
複合電極を70℃で5分間加熱し、PEO架橋体として
電極上に片面的lioμmのLl−A1合金を圧着して
第1図に示すような電池を作成し、充放電特性を測定し
た。
比較例1 実施例1においてディッピング溶液はPEOlong、
 LIBF44.2g (イオン解離2i!i1ユニッ
トあたり0.02個)ジブチルすずジラウレート0.0
6g 。
TDI&、りgをMEKloogに溶解して調製し、以
下同様に電池を作成し充放電特性を測定した。
比較例2 実施例1においてディッピング溶液はPEOlongS
LICIO40,88g  (イオン解離基1ユニット
あたり0.04個)ジブチルジラウレートo、oag 
TDl8.5gをMEに100gに溶解して調製し、以
下同様に電池を作成して充放電特性を測定した。
比較例3 実施例1においてディッピング溶液はPE0100g、
 LiBH42,口g(イオン解離基1ユニットあたり
0.04個)ジブチルすずジラウレート0.06g 。
TD l 8 、5gをMEKloogに溶解して調製
し、以下同様に電池を作成して充放電特性をCI定した
[効 果] 以上説明したように、本発明に係る二次電池は、高分子
固体電解質における電解質とその濃度の選択によって、
エネルギー密度を著しく高 ゛めることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の二次電池の一例の構成を説明する図。 l・・・正極集電体、2・・・正極活物質、3・・・負
極集電体、4・・・負極活物質、5・・・高分子固体電
解質、6・・・外装。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  高分子固体電解質と少なくとも一方が導電性高分子を
    活物質とする電極からなる二次電池において、該高分子
    固体電解質を構成する電解質塩が、格子エネルギー75
    0kJ/mol以下となるBR_4^−(Rはアルキル
    、フェニル、ハロゲンを表わす)で表されるアニオンと
    この対カチオンから形成された塩を含有し、塩濃度が電
    解質のイオン解離基1ユニットあたり0.04個以上で
    あることを特徴とする該二次電池。
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