JPH02291673A - 多孔性のカソード集電体を有する固態電気化学セル - Google Patents
多孔性のカソード集電体を有する固態電気化学セルInfo
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は,固態の電気化学セルの製造に関するものであ
り、特にリチウムのアノードとカソード組成物/集電体
要素を有する固態の電池に関するものである. (従来の技術) 固態の電気化学的装置は、重要な研究開発の課題である
.それらは特許文献において広く記述されている.例え
ば、Ar+nandの米国特許4.303.748:N
orthの4. 589. 197;Hooper等の
4.547.440:およびChristiansen
の4,228.226を参照のこと.これらのセルは、
典型的にはアルカリ金属箔のアノード(典型的なものは
リチウム箔)、イオン伝導性重合体の電解質、微粒子状
の遷移金属の酸化物のカソードおよびカソードの面には
密着しているが,電解質には接触していないカソード集
電体から構成されている.通常採用される集電体は、ア
ルミニウムやニッケル、またはステンレス鋼のような金
属箔のシートである. 上記のセルは、旧式で伝来の二次型放電電池に対して存
続権を与えることになったが,電池の再充電性とインピ
ーダンスは最適の性能には達していない.問題点の一部
はカソード物質が、集電体と良好な電気的接触をするこ
とが不足していることにある.集電体と良好な電気的接
触を十分に行なわないカソード物質は、セルインピーダ
ンスが全体として増大する.従ってこれは、セルを再充
電するのを困難にしている. 理論的には、カソード物質がカソード集電体と緊密に接
触しておれば最適の性能になり、その場合該カソード集
電体がカソード物質と集電体の間の均一な接触を可能に
する高度の表面積を有する.カソード物質の集電体への
双方の密着性を増加し,また集電体の表面積を増加させ
る技術的な試みが為されてきた.しかしながら固態アル
カリ金属のアノードセルの分野では、このような試みは
行なわれていない. 例えば、UchiyaIIla等の米国特許 第4.7
51.157号や4.751.158号には、リチウム
電気化学セル用のカソード物質が示されている.このカ
ソード物質は、活性物質としての金属酸化物と導電希釈
剤ならびに結着剤と共に混合されたものから成り、これ
はニッケルのスクリーン上で圧縮されて電極とし、真空
下で焼結される.カソード物質は液状電解質を含むセル
、特に蟻酸メチルのような非ブロトン性溶媒中のLiA
sFaを含むセル内で用いられる. Palmer等の米国特許 第4,416.915号に
は、少なくとも一種の挿入積層された遷移金属のカルコ
ゲン化物のカソード活物質,導電性促進剤および結着剤
の媒体中の混合物スラーりを高度に多孔性の集電体基質
,例えば平方インチ当たりの空孔数が10〜1000個
、空孔率が97〜90%で、カソード物質と密着してい
る発泡金属や発泡ガラスの基質に適用することによって
製造されたカルコゲン化物のカソードが示されている,
このカソード物質は.電解質一溶媒混合物から成る電解
質を有する非水溶液リチウムセルに利用されている。
り、特にリチウムのアノードとカソード組成物/集電体
要素を有する固態の電池に関するものである. (従来の技術) 固態の電気化学的装置は、重要な研究開発の課題である
.それらは特許文献において広く記述されている.例え
ば、Ar+nandの米国特許4.303.748:N
orthの4. 589. 197;Hooper等の
4.547.440:およびChristiansen
の4,228.226を参照のこと.これらのセルは、
典型的にはアルカリ金属箔のアノード(典型的なものは
リチウム箔)、イオン伝導性重合体の電解質、微粒子状
の遷移金属の酸化物のカソードおよびカソードの面には
密着しているが,電解質には接触していないカソード集
電体から構成されている.通常採用される集電体は、ア
ルミニウムやニッケル、またはステンレス鋼のような金
属箔のシートである. 上記のセルは、旧式で伝来の二次型放電電池に対して存
続権を与えることになったが,電池の再充電性とインピ
ーダンスは最適の性能には達していない.問題点の一部
はカソード物質が、集電体と良好な電気的接触をするこ
とが不足していることにある.集電体と良好な電気的接
触を十分に行なわないカソード物質は、セルインピーダ
ンスが全体として増大する.従ってこれは、セルを再充
電するのを困難にしている. 理論的には、カソード物質がカソード集電体と緊密に接
触しておれば最適の性能になり、その場合該カソード集
電体がカソード物質と集電体の間の均一な接触を可能に
する高度の表面積を有する.カソード物質の集電体への
双方の密着性を増加し,また集電体の表面積を増加させ
る技術的な試みが為されてきた.しかしながら固態アル
カリ金属のアノードセルの分野では、このような試みは
行なわれていない. 例えば、UchiyaIIla等の米国特許 第4.7
51.157号や4.751.158号には、リチウム
電気化学セル用のカソード物質が示されている.このカ
ソード物質は、活性物質としての金属酸化物と導電希釈
剤ならびに結着剤と共に混合されたものから成り、これ
はニッケルのスクリーン上で圧縮されて電極とし、真空
下で焼結される.カソード物質は液状電解質を含むセル
、特に蟻酸メチルのような非ブロトン性溶媒中のLiA
sFaを含むセル内で用いられる. Palmer等の米国特許 第4,416.915号に
は、少なくとも一種の挿入積層された遷移金属のカルコ
ゲン化物のカソード活物質,導電性促進剤および結着剤
の媒体中の混合物スラーりを高度に多孔性の集電体基質
,例えば平方インチ当たりの空孔数が10〜1000個
、空孔率が97〜90%で、カソード物質と密着してい
る発泡金属や発泡ガラスの基質に適用することによって
製造されたカルコゲン化物のカソードが示されている,
このカソード物質は.電解質一溶媒混合物から成る電解
質を有する非水溶液リチウムセルに利用されている。
Albertoの米国特許 第4,560.632号に
は、非水溶液セルに用いられる成型された多孔性カソー
ド集電体が示されている.この集電体は、砲当な結着剤
と結合し、また機械的強度と取り扱い性を改善するため
にその表面がビニル系高分子膜な有している微粒子状の
炭素質の導電性物質を含んでいる.このカソード集電体
は、液状カソード物質として用いられる. 固態リチウムセルの分野では、Anderman等の米
国特許 第4.735.875号に、ポリエチレン、電
気伝導性かつ電気化学的に活性な物質および可塑剤を含
む微多孔性のシートの形状をしているカソード物質を、
、アルミニウム、ニッケル,w4,鉛または鉄のような
効率的な電子伝導物質から形成されたスクリーン、格子
、膨張金属,織物または不織布のような集電体に積層し
たセルが示されている.カソード集電体の表面積が増加
しているにもかかわらず、Anderman等のセルは
、カソード物質が必ずしも空孔や集電体基質に浸透しな
いことから、カソード物質の集電体への密着性が最適化
されていない. 従って、カソード物質とカソード集電体との高度に均一
な電気的接触が、セルの作動中や再充電中でも保持され
ているような固態アルカリ金属セルに対する技術的要求
が存在するのである.(本発明の要約) 本発明は、セルインピーダンス、従って再充電性が大幅
に改良された固態のアルカリ金属アノードセルを提供す
るものである.該セルはカソードとカソード集電体の間
が強固に密着していることが特徴的である. 具体的に表現すれば、本発明の固態の層状電気化学セル
は下記の構成から成る.すなわちアルカリ金属のアノー
ド層; 固体のイオン伝導性電解質層:および カソード/集電体層: ここで前記電解質層は前記アルカリ金属のアノード層と
前記カソード/集電体層との間に挟まれており,また前
記カソード/集電体層は多数の表面ボードおよび内位添
加化合物、電気伝導性フィラーおよびイオン伝導性電解
質を含む複合カソード組成物を有する導電性基質を含み
,前記カソード組成物は、前記電解質層に面している前
記基質表面上に被覆されており、また前記表面ボード内
に保持されている. 特に具体的に表現すれば、アルカリ金属のアノードはリ
チウム箔、リチウムで被覆された金属箔またはリチウム
合金を含むものである.さらにカソード/集電体層は多
くの異なる形状をとり得る.例えば、カソード/集電体
層は電気伝導性のスクリーン、格子,発泡または膨張金
属、エッチングされた箔、電析されたフィルム、織物ま
たは不織布のうらのいずれかの表面および表面ボード上
に被覆されたカソード組成物を含む.本発明におけるカ
ソード/集電体基質の形状は種々の理由から,本発明の
セルに極めて優れた結果をもたらす.第一に、カソード
物質が集電体基質に直接密着していることから,カソー
ド組成物と集電体との間に緊密な接触をさせており、こ
れは物質間の電気的接触量を増大させ,それ故に電子移
動効率が増大するのである. 加えて、カソード組成物が集電体基質のボード内に含ま
れるとき、カソード組成物によって接触に有効な表面積
が増加する結果、カソード組成物と集電体基質との電気
的接触の増加が起る.このことはまた,電子移動効率が
全体として増加するという結果になる.さらに,セルイ
ンピーダンスの大幅な減少と、その結果としての再充電
性の改良が達成される. 従って、本発明の目的の一つは低位のセルインピーダン
スを維持し、かつ改良された再充電性を有する固態電気
化学セルを提供するものである.以下の好ましい具体例
の詳細な記載を参照すれば,これらは他の目的と同様、
技術的に優れたものであることが容易に明らかである. (好ましい具体例の詳細な記述) 好ましい具体例を記述する際、明確にするために一定の
用語を使用するが、これは引用した具体例のみならず、
同様の方法で、同じ目的のために同様の結果を達成する
ために操作する技術的に同等なもの全てに及ぶことを意
味するものである.本発明の固態セルは第1図に図示さ
れ、構成成分lOによって示されている.セルIOはア
ルカリ金属のアノード層に,固体のイオン伝導性電解質
層l4およびカソード/集電体層l6を含む.該セルは
アルカリ金属のアノード層l2とカソード/集電体l6
の間に挟まれている電解質層l4によって特徴つけられ
ている. カソード/集電体層l6は、多数の表面ボード2oを有
する基質l8を含む.第1図に示されるように基質l8
はスクリーン状または格子状の形をしている.しかしな
がら、発砲状、エッチングされた箔電気メッキされたフ
ィルム、織物または不織布のような他の物理的形状のも
のも基質18として利用可能である.ボード20の内に
保持されているのはカソード組成物22である. 第2図については、電解質層14に面している基質l8
の表面もまたカソード組成物22で被覆されている. アルカリ金属のアノードを含む層状の薄槽バッテリーは
、技術的には公知であり、またこれらの優れた技術から
も、本発明の層状バッテリーがゼリーロールまたは折り
畳んだ扇状の細長いデザインを含むような多《の構成を
とり得ることが認められ、これらは両者とも1988年
8月30日に受理された米国特許出願 第238.07
1号に図示されており、これを参照することによって具
体的になされる.他の構造もまた適用可能である. アルカリ金属のアノード層は、リチウム箔、表面上にリ
チウムが析出した層を有するニッケル箔または銅箔のよ
うなリチウムを被覆した箔またはリチウム合金の形をと
り得る.リチウムは極めて電気的に陽性であり、かつ軽
量であることがら、Jチウムは好ましいアノード物質で
ある.しかしながら、ナトリウムのような他のアルカリ
金属物質も、本発明の範囲内で実用可能である.電解質
層は、イオン伝導性であるが電気伝導性ではな《、固体
物質であり、またアルカリ金属のアノード層並みにカソ
ード/集電体層に積層されている。
は、非水溶液セルに用いられる成型された多孔性カソー
ド集電体が示されている.この集電体は、砲当な結着剤
と結合し、また機械的強度と取り扱い性を改善するため
にその表面がビニル系高分子膜な有している微粒子状の
炭素質の導電性物質を含んでいる.このカソード集電体
は、液状カソード物質として用いられる. 固態リチウムセルの分野では、Anderman等の米
国特許 第4.735.875号に、ポリエチレン、電
気伝導性かつ電気化学的に活性な物質および可塑剤を含
む微多孔性のシートの形状をしているカソード物質を、
、アルミニウム、ニッケル,w4,鉛または鉄のような
効率的な電子伝導物質から形成されたスクリーン、格子
、膨張金属,織物または不織布のような集電体に積層し
たセルが示されている.カソード集電体の表面積が増加
しているにもかかわらず、Anderman等のセルは
、カソード物質が必ずしも空孔や集電体基質に浸透しな
いことから、カソード物質の集電体への密着性が最適化
されていない. 従って、カソード物質とカソード集電体との高度に均一
な電気的接触が、セルの作動中や再充電中でも保持され
ているような固態アルカリ金属セルに対する技術的要求
が存在するのである.(本発明の要約) 本発明は、セルインピーダンス、従って再充電性が大幅
に改良された固態のアルカリ金属アノードセルを提供す
るものである.該セルはカソードとカソード集電体の間
が強固に密着していることが特徴的である. 具体的に表現すれば、本発明の固態の層状電気化学セル
は下記の構成から成る.すなわちアルカリ金属のアノー
ド層; 固体のイオン伝導性電解質層:および カソード/集電体層: ここで前記電解質層は前記アルカリ金属のアノード層と
前記カソード/集電体層との間に挟まれており,また前
記カソード/集電体層は多数の表面ボードおよび内位添
加化合物、電気伝導性フィラーおよびイオン伝導性電解
質を含む複合カソード組成物を有する導電性基質を含み
,前記カソード組成物は、前記電解質層に面している前
記基質表面上に被覆されており、また前記表面ボード内
に保持されている. 特に具体的に表現すれば、アルカリ金属のアノードはリ
チウム箔、リチウムで被覆された金属箔またはリチウム
合金を含むものである.さらにカソード/集電体層は多
くの異なる形状をとり得る.例えば、カソード/集電体
層は電気伝導性のスクリーン、格子,発泡または膨張金
属、エッチングされた箔、電析されたフィルム、織物ま
たは不織布のうらのいずれかの表面および表面ボード上
に被覆されたカソード組成物を含む.本発明におけるカ
ソード/集電体基質の形状は種々の理由から,本発明の
セルに極めて優れた結果をもたらす.第一に、カソード
物質が集電体基質に直接密着していることから,カソー
ド組成物と集電体との間に緊密な接触をさせており、こ
れは物質間の電気的接触量を増大させ,それ故に電子移
動効率が増大するのである. 加えて、カソード組成物が集電体基質のボード内に含ま
れるとき、カソード組成物によって接触に有効な表面積
が増加する結果、カソード組成物と集電体基質との電気
的接触の増加が起る.このことはまた,電子移動効率が
全体として増加するという結果になる.さらに,セルイ
ンピーダンスの大幅な減少と、その結果としての再充電
性の改良が達成される. 従って、本発明の目的の一つは低位のセルインピーダン
スを維持し、かつ改良された再充電性を有する固態電気
化学セルを提供するものである.以下の好ましい具体例
の詳細な記載を参照すれば,これらは他の目的と同様、
技術的に優れたものであることが容易に明らかである. (好ましい具体例の詳細な記述) 好ましい具体例を記述する際、明確にするために一定の
用語を使用するが、これは引用した具体例のみならず、
同様の方法で、同じ目的のために同様の結果を達成する
ために操作する技術的に同等なもの全てに及ぶことを意
味するものである.本発明の固態セルは第1図に図示さ
れ、構成成分lOによって示されている.セルIOはア
ルカリ金属のアノード層に,固体のイオン伝導性電解質
層l4およびカソード/集電体層l6を含む.該セルは
アルカリ金属のアノード層l2とカソード/集電体l6
の間に挟まれている電解質層l4によって特徴つけられ
ている. カソード/集電体層l6は、多数の表面ボード2oを有
する基質l8を含む.第1図に示されるように基質l8
はスクリーン状または格子状の形をしている.しかしな
がら、発砲状、エッチングされた箔電気メッキされたフ
ィルム、織物または不織布のような他の物理的形状のも
のも基質18として利用可能である.ボード20の内に
保持されているのはカソード組成物22である. 第2図については、電解質層14に面している基質l8
の表面もまたカソード組成物22で被覆されている. アルカリ金属のアノードを含む層状の薄槽バッテリーは
、技術的には公知であり、またこれらの優れた技術から
も、本発明の層状バッテリーがゼリーロールまたは折り
畳んだ扇状の細長いデザインを含むような多《の構成を
とり得ることが認められ、これらは両者とも1988年
8月30日に受理された米国特許出願 第238.07
1号に図示されており、これを参照することによって具
体的になされる.他の構造もまた適用可能である. アルカリ金属のアノード層は、リチウム箔、表面上にリ
チウムが析出した層を有するニッケル箔または銅箔のよ
うなリチウムを被覆した箔またはリチウム合金の形をと
り得る.リチウムは極めて電気的に陽性であり、かつ軽
量であることがら、Jチウムは好ましいアノード物質で
ある.しかしながら、ナトリウムのような他のアルカリ
金属物質も、本発明の範囲内で実用可能である.電解質
層は、イオン伝導性であるが電気伝導性ではな《、固体
物質であり、またアルカリ金属のアノード層並みにカソ
ード/集電体層に積層されている。
好ましい電解質は、イオン伝導性重合体中のイオン化可
能なアルカリ金属の塩またはアルカリ土類金属の塩の固
溶体である.さらに好ましい固溶体は、アルカリ金属塩
、イオン伝導性重合体および可塑剤または液状電解質で
ある.有用なイオン伝導性重合体の一般的な例は、Ar
a+andの米国特許4.303.748やCookの
欧州特許出願0145498に記載されている.これら
の重合体は酸素原子または窒素原子のようなペテロ原子
を少なくとも1個含有する繰り返し単位を有する.これ
らは下記の繰り返し単位を有する重合体として表わされ
る.−CH.−CH−0− R ここにRは水素またはRa基、−CH20Ra. −C
HJReRa.−co,Nfcusl−であり、またR
aは炭素原子1〜l6好ましくは炭素原子1〜4のアル
キル基または炭素原子5〜8のシクロアルキル基であり
、またReは式( CH.−Cl{101 pのエーテ
ル基であり、pは1〜lOOの数字、好ましくはlまた
は2である:または繰り返し単位 CH −CH2−N− R゛ ここにR′は上記で定義されたRaまたはReRaであ
る:または繰り返し単位 (:H2−CH r OReRa ここにReおよびRaは上記で定義されている.上記重
合体の共重合体もまた有用である. これらの電解質は、下記の式の単量体を含む放射線硬化
可能な組成物を用いて調製するのが特に望ましいことが
認められている: A+CH.−CI−Oh−A A+CH!−CHI−NhA I R A+CHz−N−(:Hi+−nA R ここにnは大体3〜50であり、Rは水素または01〜
C3のアルキル基であり,Aで表わされる末端がエチレ
ン性不飽和基またはグリシジル基である.この方法は、
1987年10月30日に受理された?国特許出願 第
115,492号に記載されている.特に有用な化合物
の群はボリエチレングリコールとアクリル酸またはメタ
クリン酸との反応によって得られる。ポリエチレングリ
コールジアクリレトは特に好ましい重合体である。さら
に構造的に完全なものにするために、トリアクリレート
の予備重合体を加えてもよい. イオン伝導性重合体物質は、好ましくは分子量が約20
0〜800である.さらに好ましくは、それらは30℃
以下の温度で液状であることである. イオン化可能な塩(式MXIについては、限定されるも
のではないが、下記のタイプである二M″=Li’.N
a”. K”.Ca”,Mg”.NH4”X ”I .
C104.BF. .AsFa ,CF.SO, .C
F3C:0. .B1■H l 2 2− + B I
。Cl,。2.Bφ4(φはC6H..アルキル基また
はアリール基) 固体電解質物質を製造するには、イオン化可能な塩と重
合体との固溶体を放射線硬化可能な組成物と混合し、該
混合物を化学的放射線,好ましくは電子線ビームまたは
紫外線の照射によって硬化させる.紫外線放射を硬化反
応のために用いる際は、紫外線光開始剤を組成物に添加
するとよい.カソード/集電体層は、その表面上や集電
体物質のボード内が被覆されているカソード物質を含ん
でいる.カソード組成物は,技術的には公知である.典
型的には、内位添加化合物,上記のアルカリ金属塩また
はアルカリ土類金属塩の溶液を含むイオン伝導性の固体
重合体および電気伝導性フィラーからなる.代表的な構
成は、内位添加化合物を重量で約25〜75部、電気伝
導性フィラーを約2〜15部、およびイオン伝導性の固
溶液を約15〜75部を含むものである. 下記の化合物が、内位添加化合物として用いるノカヨイ
トサれテイる: VsO+s.MOO*.MnOt.V
xOa.TiSi . iloss . CrsOs
. LimVmOs . VsOa. VSt, Nb
Sei. FeOCICrOBr.TiN(:l.Zr
Nc1,}IfNBr.FeS.NiS.CoO.Cu
OおよびIIOi.VaO+sが特に好ましい.電気伝
導性フィラーとしては、炭素が用いられる, アルカリ金属塩を包み込むためのマトリックスの役割を
するのに加え、イオン伝導性の重合体はさらに、カソー
ド組成物を集電体基質に密着せしめる結着物質としても
機能する.粘着性能の点から、ポリエチレン才キサイド
のアクリレートが好ましいイオン伝導性重合体である。
能なアルカリ金属の塩またはアルカリ土類金属の塩の固
溶体である.さらに好ましい固溶体は、アルカリ金属塩
、イオン伝導性重合体および可塑剤または液状電解質で
ある.有用なイオン伝導性重合体の一般的な例は、Ar
a+andの米国特許4.303.748やCookの
欧州特許出願0145498に記載されている.これら
の重合体は酸素原子または窒素原子のようなペテロ原子
を少なくとも1個含有する繰り返し単位を有する.これ
らは下記の繰り返し単位を有する重合体として表わされ
る.−CH.−CH−0− R ここにRは水素またはRa基、−CH20Ra. −C
HJReRa.−co,Nfcusl−であり、またR
aは炭素原子1〜l6好ましくは炭素原子1〜4のアル
キル基または炭素原子5〜8のシクロアルキル基であり
、またReは式( CH.−Cl{101 pのエーテ
ル基であり、pは1〜lOOの数字、好ましくはlまた
は2である:または繰り返し単位 CH −CH2−N− R゛ ここにR′は上記で定義されたRaまたはReRaであ
る:または繰り返し単位 (:H2−CH r OReRa ここにReおよびRaは上記で定義されている.上記重
合体の共重合体もまた有用である. これらの電解質は、下記の式の単量体を含む放射線硬化
可能な組成物を用いて調製するのが特に望ましいことが
認められている: A+CH.−CI−Oh−A A+CH!−CHI−NhA I R A+CHz−N−(:Hi+−nA R ここにnは大体3〜50であり、Rは水素または01〜
C3のアルキル基であり,Aで表わされる末端がエチレ
ン性不飽和基またはグリシジル基である.この方法は、
1987年10月30日に受理された?国特許出願 第
115,492号に記載されている.特に有用な化合物
の群はボリエチレングリコールとアクリル酸またはメタ
クリン酸との反応によって得られる。ポリエチレングリ
コールジアクリレトは特に好ましい重合体である。さら
に構造的に完全なものにするために、トリアクリレート
の予備重合体を加えてもよい. イオン伝導性重合体物質は、好ましくは分子量が約20
0〜800である.さらに好ましくは、それらは30℃
以下の温度で液状であることである. イオン化可能な塩(式MXIについては、限定されるも
のではないが、下記のタイプである二M″=Li’.N
a”. K”.Ca”,Mg”.NH4”X ”I .
C104.BF. .AsFa ,CF.SO, .C
F3C:0. .B1■H l 2 2− + B I
。Cl,。2.Bφ4(φはC6H..アルキル基また
はアリール基) 固体電解質物質を製造するには、イオン化可能な塩と重
合体との固溶体を放射線硬化可能な組成物と混合し、該
混合物を化学的放射線,好ましくは電子線ビームまたは
紫外線の照射によって硬化させる.紫外線放射を硬化反
応のために用いる際は、紫外線光開始剤を組成物に添加
するとよい.カソード/集電体層は、その表面上や集電
体物質のボード内が被覆されているカソード物質を含ん
でいる.カソード組成物は,技術的には公知である.典
型的には、内位添加化合物,上記のアルカリ金属塩また
はアルカリ土類金属塩の溶液を含むイオン伝導性の固体
重合体および電気伝導性フィラーからなる.代表的な構
成は、内位添加化合物を重量で約25〜75部、電気伝
導性フィラーを約2〜15部、およびイオン伝導性の固
溶液を約15〜75部を含むものである. 下記の化合物が、内位添加化合物として用いるノカヨイ
トサれテイる: VsO+s.MOO*.MnOt.V
xOa.TiSi . iloss . CrsOs
. LimVmOs . VsOa. VSt, Nb
Sei. FeOCICrOBr.TiN(:l.Zr
Nc1,}IfNBr.FeS.NiS.CoO.Cu
OおよびIIOi.VaO+sが特に好ましい.電気伝
導性フィラーとしては、炭素が用いられる, アルカリ金属塩を包み込むためのマトリックスの役割を
するのに加え、イオン伝導性の重合体はさらに、カソー
ド組成物を集電体基質に密着せしめる結着物質としても
機能する.粘着性能の点から、ポリエチレン才キサイド
のアクリレートが好ましいイオン伝導性重合体である。
さらに、結着剤として使用するには、ポリエステルのア
クリレートか選ばれる. 多数の表面ボードを有する有用な集電体基質は炭素、銅
、アルミニウム、ニッケル,鋼、鉛および鉄またはこれ
らを組み合わせた物質のうちのいずれかを含み、以下の
形状である: 発泡ニッケルまたは類似の発泡金属 表面の導電性を増加するために不活性金属または貴金属
をメッキした発泡ガラス 表面導電剤または塊状導電剤 発泡チタンー、二才ブー、ジルコニウムー、タングステ
ンー、タンタルカーバイド 発泡モリブデンニケイ化物 還元金属が反応したモレキュラシーブまたはカルボシー
ブ 化学的にエッチングされた金属箔 電析したフィルム 炭素,黒鉛またはガラス質の炭素繊維または超大表面積
のフィブリル積層物 網状または格子状の発泡金属や化学的にエッチングされ
た金属箔が好ましい基質である.カソード/集電体物質
を製造するには、カソード組成物を形成するために用い
られる物質を一緒に混合し、電解質層に面した集電体基
質の表面上に被覆する.典型的には、集電体基質を23
℃から70℃の温度範囲で加熱し、カソード組成物を基
質上に固体状で適用し,カソード組成物が集電体基質に
強固に密着し、かつ両物質の良好な接触を確保するため
に全体の組成物を冷却することが必要である.あるいは
また、もし固溶体が放射線で硬化可能な組成物中に保持
されている場合は、カソード組成物/集電体基質を化学
線に照射して放射線硬化可能な組成物を集電体基質上で
硬化させる. 特に好ましいことは、カソード組成物が集電体基質の表
面ボードを満たしていることである。これは、カソード
組成物の電気伝導物質と集電体基質との間により多くの
電気的接触面積をもたらすものである.この接触が増す
ことは、セルインピーダンスが大幅に減少する結果,セ
ル全体の効率を増加せしめることになる.改良されたセ
ルの効率は、特にセルの再充電中において顕著である.
この完璧なセルは、多くの異なった方法を用いて製造さ
れる.例えば、アノード層、電解質層およびカソード/
集電体層をそれぞれ一旦製作し、次にこれらを共に積層
して固態セルを形成する.積層は、典型的には熱と圧力
を加λることによって行なう. しかしながら、他の方法として,電気化学装置を「湿式
」で組み立て、次いでそのままの状態で硬化することも
できる.例えば、リチウムで被覆された箔の構成要素を
放射線重合可能な電解質組成物で被覆し、その上をカソ
ード被膜組成物/集電体基質で被覆することも可能であ
る.これらの構造体を電子線あるいは別の化学的放射源
に照射して硬化させ得る. このように、一つの方法として集電体基質を本発明に従
って放射線重合可能なカソード組成物で被覆する.この
構造体を上記の放射線重合可能な電解質組成物の層でそ
の上をさらに被覆し、またリチウム箔構成要素あるいは
リチウムで被覆した二・ンケルまたはアルミニウム構成
要素のようなアノード構成要素と共に組み立てる.この
組立て物を電子線に照射することによって硬化し、電気
化学セルとする.硬化した電解質とカソード組成物は、
アノード並びにカソードに関連した金属構成要素に対す
ると同様,相互に密着している.上記の操作法は、また
逆にすることも可能である.リチウムで被覆した金属箔
のようなアノード金属箔構成要素を、上記の放射線重合
可能な電解質組成物で被覆する。放射線重合可能なカソ
ード組成物を、集電体の上に被覆し、アノードと電解質
層と共に組立てる。該組成物を本発明に従って電気化学
セルを製作するために電子線照射させる. ?の操作法としては,アノード箔構成要素や集電体基質
を適当なカソードまたは電解質組成物で被覆するもので
あり、次に該組成物と、硬化(例えば、放射線硬化可能
である場合は放射線照射によって)する.硬化した組成
物をその後さらに、他の電解質やカソード組成物で被覆
し、その被覆を硬化するか,または残存しているアノー
ド箔構成要素や集電体基質を積層し、次いで被覆を硬化
する. 本発明は、以下の実施例によってさらに詳細に説明され
るが、これに限定されるものではない.比較例 1 ■60■45重量%.炭素4%およびブロビレンカーボ
ネート70%, ポリエチレンオキサイド3%. Li
CF,SOs 6%.放射線硬化可能なアクリレート2
1%を含む電解質51%から成るカソード混合物を最初
につくることによってセルを製作した.該混合物を厚み
15ミクロンの固体ニッケル箔の集電体の上に被覆して
厚みを約75ミクロンとした.次に、上記で規定された
電解質をカソード上に被覆して、約50ミクロンの厚み
とした.次に、厚み100ミクロンのリチウム箔を電解
質上に積層し、全体の構造体を、カソードと電解質とを
硬化させるために電子線照射を行なった.IHzでの初
期のセルインピーダンスの測定値は約110オームであ
った. 実施例 2 比較例lと同じカソード,電解質およびアノードを有す
るセルを.集電体として粗い表面にするためにエッチン
グされた厚み35ミクロンのニッケル箔を用いることに
よって製作した.IHzにおけるインピーダンスの測定
値は12オームであった. 実施例 3 比較例lと同じカソード,電解質およびアノードを有す
るセルを、集電体として多孔性の厚み200ミクロンの
ニッケルフエルトを用いることによって製作した. I
Hzにおけるインピーダンスの測定値は8オームであっ
た. 比較例 4 カソードがV.0.353%.炭素8%および電解質3
9%を含むこと以外は比較例1と同じセルを製作した.
IHzにおけるセルインビーグンスの測定値は15オー
ムであった. 実施例 5 実施例2の集電体を用いて、比較例4と同じカソード、
電解質およびアノードを有するセルを製作した.IHz
におけるインピーダンスは5才一ムであった. 実施Pill 6 実施例3の集電体を用いて、比較例4と同じカソード、
電解質およびアノードを有するセルを製作した.インピ
ーダンスの測定値は5才−ムであった・ 実施例 7 比較例4のセルを200マイクロアンペア/cm”で室
温下、電圧が3Vか61.5 Vまで低下するまで放電
した.放電時間は15時間であった. 実施例 8 実施例7の実験を、実施例5のセルを用いて繰り返した
.放電時間は17,5時間であった.実施例 9 実施例7の実験を,実施例6をセルを用いて繰り返した
.放電時間は21時間であった.本発明の詳細な記述と
それらの優れた具体的な言及から明らかなように、添付
の請求の範囲であれば、種々の修正や変形も可能である
.
クリレートか選ばれる. 多数の表面ボードを有する有用な集電体基質は炭素、銅
、アルミニウム、ニッケル,鋼、鉛および鉄またはこれ
らを組み合わせた物質のうちのいずれかを含み、以下の
形状である: 発泡ニッケルまたは類似の発泡金属 表面の導電性を増加するために不活性金属または貴金属
をメッキした発泡ガラス 表面導電剤または塊状導電剤 発泡チタンー、二才ブー、ジルコニウムー、タングステ
ンー、タンタルカーバイド 発泡モリブデンニケイ化物 還元金属が反応したモレキュラシーブまたはカルボシー
ブ 化学的にエッチングされた金属箔 電析したフィルム 炭素,黒鉛またはガラス質の炭素繊維または超大表面積
のフィブリル積層物 網状または格子状の発泡金属や化学的にエッチングされ
た金属箔が好ましい基質である.カソード/集電体物質
を製造するには、カソード組成物を形成するために用い
られる物質を一緒に混合し、電解質層に面した集電体基
質の表面上に被覆する.典型的には、集電体基質を23
℃から70℃の温度範囲で加熱し、カソード組成物を基
質上に固体状で適用し,カソード組成物が集電体基質に
強固に密着し、かつ両物質の良好な接触を確保するため
に全体の組成物を冷却することが必要である.あるいは
また、もし固溶体が放射線で硬化可能な組成物中に保持
されている場合は、カソード組成物/集電体基質を化学
線に照射して放射線硬化可能な組成物を集電体基質上で
硬化させる. 特に好ましいことは、カソード組成物が集電体基質の表
面ボードを満たしていることである。これは、カソード
組成物の電気伝導物質と集電体基質との間により多くの
電気的接触面積をもたらすものである.この接触が増す
ことは、セルインピーダンスが大幅に減少する結果,セ
ル全体の効率を増加せしめることになる.改良されたセ
ルの効率は、特にセルの再充電中において顕著である.
この完璧なセルは、多くの異なった方法を用いて製造さ
れる.例えば、アノード層、電解質層およびカソード/
集電体層をそれぞれ一旦製作し、次にこれらを共に積層
して固態セルを形成する.積層は、典型的には熱と圧力
を加λることによって行なう. しかしながら、他の方法として,電気化学装置を「湿式
」で組み立て、次いでそのままの状態で硬化することも
できる.例えば、リチウムで被覆された箔の構成要素を
放射線重合可能な電解質組成物で被覆し、その上をカソ
ード被膜組成物/集電体基質で被覆することも可能であ
る.これらの構造体を電子線あるいは別の化学的放射源
に照射して硬化させ得る. このように、一つの方法として集電体基質を本発明に従
って放射線重合可能なカソード組成物で被覆する.この
構造体を上記の放射線重合可能な電解質組成物の層でそ
の上をさらに被覆し、またリチウム箔構成要素あるいは
リチウムで被覆した二・ンケルまたはアルミニウム構成
要素のようなアノード構成要素と共に組み立てる.この
組立て物を電子線に照射することによって硬化し、電気
化学セルとする.硬化した電解質とカソード組成物は、
アノード並びにカソードに関連した金属構成要素に対す
ると同様,相互に密着している.上記の操作法は、また
逆にすることも可能である.リチウムで被覆した金属箔
のようなアノード金属箔構成要素を、上記の放射線重合
可能な電解質組成物で被覆する。放射線重合可能なカソ
ード組成物を、集電体の上に被覆し、アノードと電解質
層と共に組立てる。該組成物を本発明に従って電気化学
セルを製作するために電子線照射させる. ?の操作法としては,アノード箔構成要素や集電体基質
を適当なカソードまたは電解質組成物で被覆するもので
あり、次に該組成物と、硬化(例えば、放射線硬化可能
である場合は放射線照射によって)する.硬化した組成
物をその後さらに、他の電解質やカソード組成物で被覆
し、その被覆を硬化するか,または残存しているアノー
ド箔構成要素や集電体基質を積層し、次いで被覆を硬化
する. 本発明は、以下の実施例によってさらに詳細に説明され
るが、これに限定されるものではない.比較例 1 ■60■45重量%.炭素4%およびブロビレンカーボ
ネート70%, ポリエチレンオキサイド3%. Li
CF,SOs 6%.放射線硬化可能なアクリレート2
1%を含む電解質51%から成るカソード混合物を最初
につくることによってセルを製作した.該混合物を厚み
15ミクロンの固体ニッケル箔の集電体の上に被覆して
厚みを約75ミクロンとした.次に、上記で規定された
電解質をカソード上に被覆して、約50ミクロンの厚み
とした.次に、厚み100ミクロンのリチウム箔を電解
質上に積層し、全体の構造体を、カソードと電解質とを
硬化させるために電子線照射を行なった.IHzでの初
期のセルインピーダンスの測定値は約110オームであ
った. 実施例 2 比較例lと同じカソード,電解質およびアノードを有す
るセルを.集電体として粗い表面にするためにエッチン
グされた厚み35ミクロンのニッケル箔を用いることに
よって製作した.IHzにおけるインピーダンスの測定
値は12オームであった. 実施例 3 比較例lと同じカソード,電解質およびアノードを有す
るセルを、集電体として多孔性の厚み200ミクロンの
ニッケルフエルトを用いることによって製作した. I
Hzにおけるインピーダンスの測定値は8オームであっ
た. 比較例 4 カソードがV.0.353%.炭素8%および電解質3
9%を含むこと以外は比較例1と同じセルを製作した.
IHzにおけるセルインビーグンスの測定値は15オー
ムであった. 実施例 5 実施例2の集電体を用いて、比較例4と同じカソード、
電解質およびアノードを有するセルを製作した.IHz
におけるインピーダンスは5才一ムであった. 実施Pill 6 実施例3の集電体を用いて、比較例4と同じカソード、
電解質およびアノードを有するセルを製作した.インピ
ーダンスの測定値は5才−ムであった・ 実施例 7 比較例4のセルを200マイクロアンペア/cm”で室
温下、電圧が3Vか61.5 Vまで低下するまで放電
した.放電時間は15時間であった. 実施例 8 実施例7の実験を、実施例5のセルを用いて繰り返した
.放電時間は17,5時間であった.実施例 9 実施例7の実験を,実施例6をセルを用いて繰り返した
.放電時間は21時間であった.本発明の詳細な記述と
それらの優れた具体的な言及から明らかなように、添付
の請求の範囲であれば、種々の修正や変形も可能である
.
第1図は、本発明を具体的に教示しているセルの分解図
である. 第2図は、第1回の線2−2に沿った矢視である. FIG.1 (外4名) FtG.2
である. 第2図は、第1回の線2−2に沿った矢視である. FIG.1 (外4名) FtG.2
Claims (12)
- (1)アルカリ金属のアノード層: 固体のイオン伝導性電解質層:および カソード/集電体層: を含む固態の層状電気化学セルであり、ここで前記電解
質層は前記アルカリ金属のアノード層と前記カソード/
集電体層の間に挟まれており、また前記カソード/集電
体層は(a)多数の表面ボードを有する電気伝導性の基
質並に(b)内位添加化合物、電気伝導性フィラーおよ
びイオン伝導性電解質を含む複合カソード組成物を含み
、前記カソード組成物は、電解質層に面している前記基
質の表面上に被覆されており、また前記表面のボード内
に保持されている、層状電気化学セル。 - (2)前記アノード層がリチウム箔、リチウム層で被覆
された金属箔、またはリチウム合金属を含む請求項(1
)に記載のセル。 - (3)前記電解質層が、イオン化可能なアルカリ金属塩
、またはアルカリ土類金属塩およびイオン伝導性重合体
からなる固溶体層を含む請求項(1)に記載のセル。 - (4)前記イオン伝導性重合体が、以下の群から選ばれ
た繰り返し単位を含む請求項(3)に記載のセル。 ▲数式、化学式、表等があります▼ ここにRは水素またはRa基、−CH_2ORa、−C
H_2OReRa−CH_2N(CH_2)_2であり
、Raは炭素原子1〜16、好ましくは炭素原子1〜4
のアルキル基または炭素原子5〜8のシクロアキル基で
あり、またReは式(−CH_2−CH_2O−)pの
エーテル基であり、pは1〜100の数字、好ましくは
1または2である:▲数式、化学式、表等があります▼ ここにR′は上記で定義されたRaまたはReRaであ
る: ▲数式、化学式、表等があります▼ ここにReおよびRaは上記で定義されている。 - (5)前記の塩が、Li^+、Na^+、K^+、Mg
^2^+、Ca^2^+およびNH_4^+から成る群
から選ばれた金属カチオンとI^−、ClO_4^−、
BF_4^−、AsF_6^−、CF_3SO_2^−
、CF_3CO_3^−、B_1_2H_1_2^2^
−、B_1_0Cl_1_0^2^−およびBφ_4^
−(φはC_■H_■、アルキル基またはアリール基で
ある)から成る群から選ばれたアニオンとの塩であり、
前記塩のカチオンとアニオンは化学量論的な量が保たれ
ている請求項(3)に記載のセル。 - (6)前記重合体物質が、ポリエチレンオキサイドであ
る請求項(3)に記載のセル。 - (7)前記が、挿入化合物が、V_2、O_1_2、M
oO_2、MnO_2、V_2O_6、TiS_2、M
oS_2、Cr_2O_■、Li_xV_2O_■、V
_3O_■、VS_2、NbSe_2、FeOCl、C
rOBr、FeS、HiS、CoO、CuOからなる群
から選ばれた請求項(1)に記載のセル。 - (8)前記電気伝導性フィラーが、炭素粒子を含む請求
項(1)に記載のセル。 - (9)前記カソード組成物のイオン伝導性電解質が、イ
オン化可能なアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩
の固溶体を含む重合体から成る請求項(1)に記載のセ
ル。 - (10)前記重合体が、ポリエチレンオキサイドのアク
リレートである請求項(9)に記載のセル。 - (11)前記高導電性の基質が、スクリーン状、格子状
、発泡またはエキスパンデッド基質、エッチングされた
箔電気析出されたフィルム、織物または不織物の形の基
質を含む請求項(1)に記載のセル。 - (12)前記電気伝導性の基質が、炭素、銅、アルミニ
ウム、ニッケル、鋼、鉛、鉄およびこれらの組み合わせ
の群から選ばれた請求項(11)に記載のセル。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/319,434 US4925752A (en) | 1989-03-03 | 1989-03-03 | Solid state electrochemical cell having porous cathode current collector |
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|---|---|
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| EP (1) | EP0385802B1 (ja) |
| JP (1) | JP2914701B2 (ja) |
| CA (1) | CA2009465C (ja) |
| DE (1) | DE69025215T2 (ja) |
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