JPH04147571A - リチウム電池 - Google Patents

リチウム電池

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JPH04147571A
JPH04147571A JP2272858A JP27285890A JPH04147571A JP H04147571 A JPH04147571 A JP H04147571A JP 2272858 A JP2272858 A JP 2272858A JP 27285890 A JP27285890 A JP 27285890A JP H04147571 A JPH04147571 A JP H04147571A
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素行 山田
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修 渡辺
Noboru Nakanishi
暢 中西
Minoru Takamizawa
高見沢 稔
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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】 (産業上の利用分野) 本発明はリチウムまたはリチウム合金を負極とするリチ
ウム電池、とくにはその電池要素である正極集電板と負
極集電板との間の正極間に介在する電解質として、ブロ
ック−グラフト共重合体のリチウムイオン塩とポリアル
キレンオキサイドとの複合物を使用したリチウム電池に
関する。
(従来の技術) 従来、リチウム電池に利用される電解質としてはリチウ
ム塩を非水系溶媒に溶解させてなる高流動性の液体のほ
か、この液にゲル化剤を加えてゲル状とした液体電解質
が知られている。
しかし、最近のマイクロエレクトロニクス化の進展はメ
モリーバックアップ電源に代表されるように、電池の機
器内収納、素子、回路との一体化に伴って電池の小型化
、薄型化、軽量化が望まれてきている。このような要望
にも拘らず、液体電解質(電解液)を使用する電池では
、電極と電極との接触を防止するため電極間にセパレー
タが必要で、電池の小型化、薄型化に制約があるほか、
液漏れの心配や使用温度範囲が狭いなどの問題がある。
これらの問題に対して電解液を固体化する方法として高
分子固体電解質を用いる試みがなされている。これまで
にも、このような高分子固体電解質として、ポリエチレ
ンオキサイド、ポリエチレンイミン、ポリフォスフアゼ
ンなどのポリマーとリチウム塩との組合せを用いた系が
報告されている。
(発明が解決しようとする課題) しかし、これらの高分子固体電解質には、1)イオン伝
導率が十分でない、2)強度に欠ける、3)成形性が悪
い、4)電極に対して不安定であるなどの欠点があるた
めに、放電特性面で満足できず、また経時的に性能低下
が大きく寿命面でも難があることから現段階では実用化
までには至っていない。
したがって、本発明の目的はイオン伝導度が高く成形性
のよい高分子固体電解質を用いて、上記の高性能化およ
び長寿命化の要望に十分に対応できるリチウム電池を提
供することにある。
帽1を解決するための手段) 本発明によるリチウム電池は、一般式(I)(ここに、
R1は水素原子、メチル基またはエチル基、R2は水素
原子またはメチル基、R3はアルキル基、アリール基、
アシル基またはシリル基、nは1〜45の整数であり1
式中の数平均分子量は45以上z、ooo未満である。
)で表される繰返し単位からなる少なくとも1種の重合
体のブロック鎖Aと、一般式(II)(ここに、R4は
水素原子、メチル基またはエチル基、Mは式 −CH=
CH。
−C(CH3)=CH,、−COOCH3または−CO
OC2Hsで表される基、フェニル基もしくは置換フェ
ニル基である。) で表される繰返し単位からなる少なくとも1種の重合体
のブロック鎖Bとから構成されるブロックグラフト共重
合体に、リチウムイオン塩と一般式(m) (ここに、R5およびR’はそれぞれ同じが、または異
なる水素原子または炭素原子数1〜3のアルキル基、R
7は水素原子またはメチル基1mは1〜45の整数で数
平均分子量が45以上2,000未満である。) で表される繰返し単位からなるポリアルキレンオキサイ
ドを添加してなる複合物を、電解質として内蔵してなる
ものとしたことを要旨とするものである。
本発明のリチウム電池で用いられる上記ブロック−グラ
フト共重合体とリチウムイオン塩およびポリアルキレン
オキサイトリとの複合物は高分子固体電解質であって、
後述する実施例の結果から明らかなように従来のものに
比べてイオン伝導度が高いため、これを用いたリチウム
電池は内部抵抗が低く、結果としてその放電特性が改善
される。
また、この高分子固体電解質では高いイオン伝導度に加
えて成形性がよく、強度が大きく、正極および負極との
密着性がよく、またこの両極との反応性がないために経
時変化による内部抵抗の増大および漏液が防止される結
果、長時間の使用によっても性能低下が少な〈従来のも
のに比べて寿命が長いという利点が与えられる。
ここで用いられるブロック−グラフト共重合体は、それ
ぞれ一般式(f)および(II)で表される同種または
異種の繰返し単位からなる、少なくとも1種の重合体の
ブロック鎖A、Bが、例えばA1B1、B1A1、B”
A1B1、BLA1B2.B’A”B’Ai B1とい
うように、任意に配列されてなるものである。
重合体のブロック鎖Aの重合度は10以上、同じくBの
重合度は300以上であることが好ましく。
またこの両ブロック鎖A、Bの成分比は1:30〜30
:1であることが好ましい。これは1:30以下ではグ
ラフト成分が少なすぎて高分子電解質としての機能、ア
ルキレンオキサイドとのミクロ相分離構造を保持した上
での相溶性を保つことが菫しくなり、また30:1以上
ではブロック鎖の幹分子としての機械的強度が保持しに
くくなるからである。
本発明のリチウム電池の電解質に使用するブロック−グ
ラフト共重合体複合物は、例えば上記ブロック−グラフ
ト共重合体にリチウムイオン塩を混合して、そのリチウ
ムイオン塩複合物とした後、これにさらに一般式(II
I) (ここに、R′″およびR′″はそれぞれ同じか、また
は異なる水素原子または炭素原子数1〜3のアルキル基
、R7は水素原子またはメチル基1mは1〜45の整数
で数平均分子量が45以上2.oo。
未満である。) で表される繰返し単位からなるポリアルキレンオキサイ
ドを添加することによって得ることができる。
ここで用いられるリチウムイオン塩には、これまでリチ
ウム電池用電解質成分として知られている種々のものを
選択使用することができるが、とくに好適なものとして
、1ipF4.LiCl0.。
LiBF、、LiB$、、LiCF、S、LiAsaな
どが挙げられ、これらはその1種または2種以上の組合
せで使用される。また、これのブロック−グラフト共重
合体に対する割合は、この共重合体のフルキレンオキサ
イドユニットに対して0.05〜80モル%、好ましく
は0.1〜50モル%が適当である。
また、前記一般式(m)で示されるポリアルキレンオキ
サイドには、ジエチレングリコール、トリエチレングリ
コール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリ
コール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ポ
リエチレングリコールモノエチルエーテル、ポリエチレ
ングリコールモノプロビルエーテル、ジエチレングリコ
ールジメチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチ
ルエーテル、ポリエチレングリコールジエチルエーテル
、ポリエチレングリコールジプロピルエーテル、および
これらの化合物のエチレングリコール構造をプロピレン
グリコール構造に置き換えた化合物が挙げられ、その1
種または2種以上の組合せで使用される。
このポリアルキレンオキサイドの上記ブロック−グラフ
ト共重合体のリチウムイオン塩複合物に対する添加割合
は、この共重合体のアルキレンオキサイドユニットに対
して0.05〜200モル%、好ましくは20〜150
モル%が適当である。
また、このポリアルキレンオキサイドは分子量が130
〜2,000のものが好ましい。これが2,000より
も高いと、イオン伝導率が低下し、また130より低い
と、沸点が低下して組成物が徐々に気化するという問題
がある。
前述したブロック−グラフト共重合体を得るには、例え
ば一般式(IV) (式中、R1は前記に同じ)で表される繰返し単位から
なる少なくとも1種の重合体のブロック鎖Cと、前記一
般式(■)で表される繰返し単位からなる少なくとも1
種の重合体のブロック鎖Bとから構成されている。幹分
子鎖となるブロック共重合体Tを合成し、次にこのブロ
ック共重合体が持つ側鎖のヒドロキシル基に、一般式R
Me(ここにRはt−ブチルエーテル、ジフェニルエチ
レン、ベンジル、ナフタレン、またはクミル基、Meは
ナトリウム、カリウム、またはセシウム原子である)で
表される有機アルカリ金属を反応させてカルバニオン化
し、これに一般式(V) (ここに、R2は前記に同じ) で表されるアルキレンオキサイドを加えてグラフト鎖を
成長させる。グラフト反応の停止はグラフト鎖を予定の
長さ成長させた後に、停止剤として酢酸、有機ハロゲン
化物等を加えることでグラフト鎖の末端を式(I)のR
3に示す有機基とすることで行なわれる。
この際、出発原料として用いられるブロック鎖B、Cか
らなる幹分子鎖としてのブロック共重合体Tは、まず4
−ヒドロキシスチレン、4−(I−メチルエチニル)フ
ェノールなどで例示される。
般式(IV)で示される残基を含有する千ツマー化合物
について、そのフェノール性水酸基をトリアルキル基や
トリアルキルシリル基で保護しておき、これと、スチレ
ン、α−メチルスチレン等のビニル化合物:ブタジエン
、イソプレン等のジエン化合物;メチルアクリレ〜ト、
エチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメ
タクリレート等のアクリル酸エステル、メタクリル酸エ
ステルまたはアクリル酸化合物;等で例示される千ツマ
ー化合物より合成された、一般式(■)で表される繰返
し単位を有するブロック重合体を、リビングアニオン重
合法により重合し、次に酸などで加水分解することによ
って得ることができる。
この重合に用いられる開始剤には、n−ブチルリチウム
、5ec−ブチルリチウム、 tert−ブチルリチウ
ム、2−メチルブチルリチウム等の有機金属化合物系の
ものが例示されるが、これらの内では特にn−ブチルリ
チウムが好ましい。この使用量は仕込み化合物量と共に
、得られる重合体の分子量を決定するので、所望の分子
量に応じて選択される。得られたブロック共重合体Tを
構成するブロック#ICの重合度は10以上あるものが
好ましいので、通常は反応溶液中で10−2〜10−’
mol/ Qのオーダーの濃度になるようにする。
重合は一般に有機溶媒中で行なわれるが、これに使用で
きる有機溶媒の例としては、ベンゼン、トルエン、n−
ヘキサン、テトラヒドロフラン等のアニオン重合用の溶
媒が好ましい。重合に供するモノマー化合物の反応溶液
中の濃度は1〜lO重量%が適切であり、重合反応は圧
力10−’Torr以下の高真空下、または精製して水
分等の反応に対する有害物質を除去したアルゴン、窒素
等の不活性ガス雰囲気中で、室温において攪拌下に行な
うのが好ましい。
保護基の脱離反応はジオキサン、アセトン、メチルエチ
ルケトン、アセトニトリル等の溶媒中で加熱下、塩酸ま
たはよう化水素酸等の酸を滴下することによって容易に
行なうことができる。
このようにして得られたブロック共重合体Tは。
つぎにグラフト反応に供される。グラフト反応はブロッ
ク共重合体Tのヒドロキシル基のカルバニオン化とグラ
フト成長、グラフト反応の停止反応に大別される。
ブロック共重合体Tのヒドロキシル基のカルバニオン化
は、濃度1〜30重量%、好ましくは1〜IO重量%の
テトラヒドロフラン等のアニオン重合用溶媒に溶解し、
さらに有機アルカリ金属をテトラヒドロフラン等の適当
な溶媒に溶かして加え、0〜25℃で30分〜4時間攪
拌することにより行われる。
この反応に用いられる有機アルカリ金属としては、例え
ばt−ブトキシカリウム、ナフタレンカリウム、ジフェ
ニルエチレンカリウム、ベンジルカリウム、クミルカリ
ウム、ナフタレンナトリウム、クミルセシウム等が挙げ
られるが、これらの内ではとくにt−ブトキシカリウム
が好ましい。
この反応の確認は、生成物をトリメチルシリルクロライ
ドと反応させた後、メタノール中で沈殿、精製後、乾燥
して単離して得られた試料を、1H−NMHによってヒ
ドロキシル基の消滅、トリメチルシリル基の増加量を測
定することにより行うことができ、有機アルカリ金属の
ヒドロキシル基への反応を定量的に把握することができ
る。またGPCによってブロック鎖が架橋や分解反応を
受けていないことも確認できる。
カルバニオン化したブロック共重合体Tは、次に一般式
(V)で示されるアルキレンオキサイド。
例えばエチレンオキサイド、プロピレンオキサイドなど
を蒸気状あるいは液状で加え、量にもよるが0〜80℃
で1〜48時間攪拌すると、ブロック−グラフト共重合
体にすることができる。
アルキレンオキサイドを加えた重合溶液は水中に注ぐと
沈殿し、それをろ過して乾燥すると単離できる。キャラ
クタリゼーションは膜浸透圧計で数平均分子量を測定し
、赤外吸収スペクトル、lH−NMRで構造や組成を決
定し、その結果からグラフト鎖の長さ、数を決定できる
。またGPC溶出曲線で目的物が単離できているか否か
の判断と分子量分布を推聞することができる。
この幹分予調となるブロック共重合体Tの重合およびこ
れの枝分予調成長のための反応は通常有機溶媒中で行わ
れるが、これに使用できる有機溶媒の例としては、テト
ラヒドロフラン、ジオキサン、テトラヒドロピラン、ベ
ンゼン等の、アニオン重合または開環重合用の溶媒が好
ましい。
重合の停止に用いられる化合物には、例えば酢酸等の酸
類;メチルブロマイド、ベンジルクロライド等のハロゲ
ン化物;トリメチルシリルクロライド、t−ブチルジメ
チルシリルクロライド等のシリル化合物;等が挙げられ
る。
グラフト鎖の長さの制御は、ブロック−グラフト共重合
体に含まれるブロック鎖Cのモル数と、カルバニオン化
するときの有機アルカリ金属の量と、アルキレンオキサ
イドの量とで決定される。
すなわち有機アルカリ金属の量はブロック鎖Cのモル数
を超えてはならず、またグラフト鎖の長さは で表される。
例えば、グラフト鎖の長さが数平均分子量で2 、00
0のブロック−グラフト共重合体を製造するには、ブロ
ック鎖Cを7X10−3モル含むブロック−グラフト共
重合体に、有機アルカリ金属を5×10−3モル加えれ
ばよい。また数平均分子量が45のブロック−グラフト
共重合体を製造するには、上記の各成分をすべて等モル
にすればよい。さらに数平均分子量が45〜2,000
のものでは、その中間のモル数を任意に選択することに
より達成される。
このようにして得られたブロック−グラフト共重合体は
、次にリチウムイオン塩とポリアルキレンオキサイドと
を添加してブロック−グラフト共重合体複合物とするの
であるが、この方法には特に制限はなく、例えばブロッ
ク−グラフト共重合体にリチウムイオン塩とポリアルキ
レンオキサイドとを必要に応じて1,4−ジオキサンな
どの溶媒に溶かして均一に混合する方法、ブロック−グ
ラフト共重合体にリチウムイオン塩を添加して常温また
は加熱下に機械的に混練する方法など、任意に選択する
ことができる。
本発明によるリチウム電池は、正極集電板と負極集電板
との間に、リチウムまたはリチウム合金からなる負極と
両極間に介在する上記固体電解質を収容したものであり
、種々の大きさ、形状のものとすることができるが、特
に薄型構造の電池として好適である。
以下、この薄型構造のリチウム電池の詳細を、その一実
施態様を示した第1図により説明する。
図において、1はステンレス鋼からなる方形平板状の正
極集電板、2は同様にステンレス鋼からなる方形皿状の
負極集電板で、この周縁部は段状に折り曲げられてツバ
状の平坦部2aを形成している。3は両極集電板1.2
をそれぞれの相対する周縁部1a、2aにおいて結合・
封止するための接着剤層、4は両極集電板1.2によっ
て包囲形成される空隙である。この空隙4内には正極集
電板1側に正極5が、負極集電板2側にリチウムまたは
リチウム合金からなる負極6が、それぞれ高分子固体電
解質7を介して配設されている。8は正極5の周りに設
けられたポリプロピレンなどからなる方形状の枠体であ
る。
上記構成のリチウム電池において、接着剤層3の形成に
は汎用の塗料溶液型接着剤を利用してもよいが、熱融着
性材料からなる環状シートを用いた方が好ましい。すな
わち1両極集電板1,2の周縁部1a、2aの幅に対応
する幅を有する環状の熱融着性材料からなるシートを予
め準備し、これを周縁部1a、2g間に挿着し、内周縁
部を圧接した後、このままの状態で所定温度に加熱する
ことによって内周縁部を結合させることができる。
この方法では固体の熱融着性材料を用いるので取扱いお
よび取付は操作が極めて容易になることのほか、塗料溶
液型接着剤のように空隙4内に流入して電解質、電極と
混じり合う恐れがない。なお、この熱融着性材料にはホ
ットメルト型接着剤、ハーメチックシールの可能なセラ
ミックスを始め種々のものを適用することができる。
正極5としては、従来リチウム電池用の正極活物質とし
て適用された種々のものを使用することができるが、特
に好適なものとしてはMnO2、TiS2、MoS、、
Vr、01.、V2O5、N1PS、などのほか、ポリ
アニリン、ポリアセチレンなどの導電性高分子が挙げら
れ、これらは2種以上を併用してもよい。
負極6としては、リチウムまたはリチウム合金のいずれ
でも使用可能である。
なお、本発明によるリチウム電池では両極集電板1.2
の構造を、前記図示のもの以外に、両方を皿状にしたも
の、両方を平板状としてそれぞれの周縁部間にセラミッ
クス製などのスペーサを介在させたものなどとすること
もできる。
また、電池の外形は方形以外の多角形、円形など用途に
応じて種々の形状とすることができる。
さらに電池の総厚は1.01以下にするのが好ましく、
これにより本発明の適用効果が大となる。
(実施例) 以下、本発明の具体的実施態様を実施例および比較例に
基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこの実施例
の記載に限定・されるものではない。
なお、例中のブロック共重合体は、各成分をr−11−
Jでつないで1例えば[ポリスチレン、ポリ−p−ヒド
ロキシスチレン、ポリスチレンの三成分三元ブロック共
重合体)を、[ポリ(スチレン−b−p−ヒドロキシス
チレン−b−スチレン)」と表記し、グラフト共重合体
は、各成分をr−g−Jでつないで、例えば「ポリスチ
レン、ポリ−p−ヒドロキシスチレン、ポリスチレンの
三成分三元ブロック共重合体とポリエチレンオキサイド
とのブロック−グラフト共重合体」を、「ポリ〔スチレ
ンb−(p−ヒドロキシスチレン−g−エチレンオキサ
イド)−b−スチレン〕」と表記する。
実施例 1 ポリエチレンオキサイド成分が重量比で30%、分子量
が200 、000であるポリ〔スチレン−b−(p−
ヒドロキシスチレン−g−エチレンオキサイド)−b−
スチレン〕3gとLiCl0.O,15gと平均分子量
350のジメトキシポリエチレンオキサイド2.1gと
を30m1のテトラヒドロフランとメタノールの混合溶
媒に溶解し、テフロン膜上に流延した。この膜を60℃
で24時間減圧乾燥して均一な固体電解質を得た。この
電解質のイオン伝導率は4.OX 1O−3S/aIで
あった。
一方、結晶質V2O,を800℃で溶解した後、急冷法
でアモルファス化したアモルファスV2O,を作成し、
これを純水で溶解してから放置してゲル化させた。この
ものを、厚さが20.で−辺の長さが15■の正方形の
ステンレス製平板からなる正極集電板上に塗布乾燥し、
−辺の長さがlOmで厚さ約201のアモルファス72
01層を得た。
この上に厚さが1001の上記の固体電解質を置き、さ
らにこの上に厚さが80.で−辺の長さが9閣の正方形
の金属リチウム箔を重ねて積層加圧した。
次に、正極集電板の周縁部にアプリケーターによりポリ
オレフィン系ホットメルト接着剤を塗布し、その上に厚
さが20−で−辺の長さが15mの負極集電板を被せ、
両極集電板の周縁部を圧接した後、185℃に加熱して
熱融着封止し、薄型のリチウム電池を試作した。
このリチウム電池は開路電圧3.89Vであった。
この薄型リチウム電池を20マイクロアンペア/jの電
流密度で放電した。放電カーブを第2図に示した。放電
容量は185mAH/ g V2O,であった。また2
V−4Vの充放電カーブを繰り返す際の比容量の低下(
サイクル特性)を第6図に示した。
実施例 2 原料としてポリエチレンオキサイド成分が重量比で25
%、分子量が150.000であるポリ〔スチレンb−
(p−ヒドロキシスチレン−g−エチレンオキサイド)
−b−スチレン〕の2gとL i B F4の0.5g
とを使用したほかは、実施例1と同様にして薄型のリチ
ウム電池を製作した。この電池の開路電圧は3.88V
であり、実施例1と同様の条件で放電したときの放電カ
ーブを第3図に、そのサイクル特性を第6図にそれぞれ
示した。
比較例 1 数平均分子量が600,000のポリエチレンオキサイ
ドを1gとLiCF35○、を0.236 gとをアセ
トニトリル5mlに溶解し、スタータで均一に攪拌した
。次に、この溶液をテフロン基板上に流延し、常圧下ア
ルゴンガス中で放置した後、温度130℃で真空乾燥し
てアセトニトリルを蒸発除去し、厚みが20pの高分子
固体電解質を得た。このイオン伝導率は1.0 X 1
0−’であった。
これを用いて実施例1と同様の方法でリチウム電池を製
作し、充放電を行い、その放電カーブを第4図に、サイ
クル特性を第6図に示した。
比較例 2 実施例1のポリ〔スチレン−b−(p−ヒドロキシスチ
レン−g−エチレンオキサイド)−b−スチレン〕の3
gとLiCl0.の0.15gとをジオキサン、エタノ
ール混合溶液に溶解し、実施例1と同様の方法で製膜、
電池化した。膜のイオン伝導率は3×10−’S/as
であった。放電カーブとサイクル特性を第5図および第
6図に示した。
(発明の効果) 本発明によるリチウム電池はイオン伝導度が高く、成形
性のよい高分子固体電解質を用いるため、充放電特性に
優れ経時的な性能低下が少なく、高性能化および長寿命
化の要望に十分に対応できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるリチウム電池の一実施態様につい
ての縦断面図、第2〜5図はそれぞれ実施例1〜2およ
び比較例1〜2で得られたリチウム電池の放電カーブを
示すグラフ、第6図は同様のリチウム電池についてサイ
クル特性を測定した結果を示すグラフである。 a じ a V田 w 田 第4 図 第5図 放電6鳳 +1All/(V2O51 第6図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、一般式(I) ▲数式、化学式、表等があります▼・・・・・・(I) (ここに、R^1は水素原子、メチル基またはエチル基
    、R^2は水素原子またはメチル基、R^3はアルキル
    基、アリール基、アシル基またはシリル基、nは1〜4
    5の整数であり、式中の ▲数式、化学式、表等があります▼で示されるグラフト
    鎖の数平均分子量は45以上2,000未満である。)
    で表される繰返し単位からなる少なくとも1種の重合体
    のブロック鎖Aと、 一般式(II) ▲数式、化学式、表等があります▼・・・・・・(II) (ここに、R^4は水素原子、メチル基またはエチル基
    、Mは式−CH=CH_2、−C(CH_3)=CH_
    2、−COOCH_3または−COOC_2H_sで表
    される基、フェニル基もしくは置換フェニル基である。 ) で表される繰返し単位からなる少なくとも1種の重合体
    のブロック鎖Bとから構成されるブロック−グラフト共
    重合体に、リチウムイオン塩と 一般式(III) ▲数式、化学式、表等があります▼・・・・・・(III
    ) (ここに、R^5およびR^5はそれぞれ同じか、また
    は異なる水素原子または炭素原子数1〜3のアルキル基
    、R^7は水素原子またはメチル基、mは1〜45の整
    数で数平均分子量が45以上2,000未満である。) で表される繰返し単位からなるポリアルキレンオキサイ
    ドを添加してなる複合物を、電解質として内蔵してなる
    リチウム電池。
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