説明

リチウムポリマー電池

【課題】リチウムポリマー電池のエネルギー密度を上げる場合の、レート特性、サイクル特性の向上、セルの膨れ防止等に対して、簡便な方法でリチウムポリマー電池の特性を向上させる。
【解決手段】少なくとも正極、負極、セパレータ、ゲル電解質により構成されるリチウムポリマー電池であって、前記ゲル電解質が溶媒と架橋型高分子と重合開始剤とスルホン酸エステルを含有しており、また、前記負極活物質に黒鉛を用い活物質の密度が1.35g/cm3以上、1.65g/cm3以下とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ゲル電解質にスルホン酸エステルを含有するリチウムポリマー電池に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムポリマー電池は、薄型化が可能であること、形状選択の自由度の高さ、電解液を用いないことに依る安全性の高さなどから、モバイル機器用の電源などとして注目されている。最近では、用いられるモバイル機器の機能の増加に伴い、高エネルギー化とそれに伴う電池特性の改善が技術開発の目標となっている。
【0003】
こうした中で重要な技術課題として、1.安全性の向上、2.サイクル特性の改善、3.高エネルギー密度化などが挙げられる。このなかで、安全性の向上については、材料の耐熱性の高いマンガン系正極や、液漏れの起こらないゲル電解質が採用された電池が種々の機器に用いられている。サイクル特性の改善については、スルホン酸エステルを添加剤として加えることが本出願人により、特願2006−64049号として出願されている。高エネルギー密度化については、特許文献1において、物理ゲルを用いたリチウムポリマー電池において、ゲル電解質−活物質複合電極の多孔度を適切に規定することで容量密度が向上することが提案されている。このように、ゲル電解質を用いたリチウムポリマー電池においては、ゲル電解質の材質だけでなく、電極材料、セル形状、セル作製条件、電解液材料などの選択が極めて重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平11−307100号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記従来技術を用いたリチウムポリマー電池において、エネルギー密度を上げるために電極密度を上げる場合、物理ゲルを用いる場合は電極シート中に物理ゲルを混合し、それに電解液を吸収させるという工法を採るため、電極密度を上げることが難しく、化学ゲルを用いる場合は、ポリマー前駆体溶液の粘度が通常の電解液と比較して高いために電極への浸透性が低く、特性が低下するという問題がある。
【0006】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものである。本発明の課題は、リチウムポリマー電池のエネルギー密度を上げる場合の、レート特性、サイクル特性の向上、セルの膨れ防止等に対して、簡便な方法でリチウムポリマー電池の特性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記課題を解決するため、本発明のリチウムポリマー電池は、少なくとも正極、負極、セパレータ、ゲル電解質により構成されるリチウムポリマー電池であって、前記ゲル電解質が溶媒と架橋型高分子とスルホン酸エステルを含有しており、前記負極における活物質が黒鉛材料を主剤とし、前記負極において活物質を含む層の電極密度が1.35g/cm3以上、1.65g/cm3以下である。また、前記負極における活物質が非晶質炭素材料を主剤とした場合、前記負極において活物質を含む層の電極密度が0.80g/cm3以上、1.35g/cm3以下であり、前記負極における活物質がSiまたはSi化合物材料を主剤とした場合は、前記負極において活物質を含む層の電極密度が0.70g/cm3以上、1.30g/cm3以下である。
【0008】
なお、架橋型高分子は、アクリル系高分子が好ましく、重合開始剤として過酸化物を用いて重合されることが好ましく、溶媒は少なくとも鎖状カーボネート及び環状カーボネートを含有することが好ましく、スルホン酸エステルが環状スルホン酸エステル、環状ジスルホン酸エステル又は鎖状ジスルホン酸エステルの少なくとも一種で構成されることが好ましく、正極が活物質としてマンガン酸リチウム又はコバルト酸リチウムを含有することが好ましい。
【0009】
ゲル電解質を含むリチウムポリマー電池では、そのゲル電解質の前駆体であるプレゲル溶液に、種々の官能基数を有するアクリル系高分子、重合開始剤、及びレート特性、サイクル特性を向上させるためスルホン酸エステルを含有させることにより、初期充電時のガス発生を抑制でき、かつゲル電解質と正極、負極、及びセパレータとの間の相乗効果により、リチウムの正極、負極との受け渡しがスムーズになり、電解液同等のレート特性、サイクル特性を提供することができる。ここでいう相乗効果とは以下のことを指す。すなわち、初期の充電により有機硫黄化合物が反応し負極表面に一般的にSEI(Solid Electrolyte Interface)膜と呼ばれる皮膜が形成される。皮膜が形成されることにより、負極活物質と電子との受け渡しがスムーズになる。また、種々の官能基数を有するアクリル系高分子(具体的には鎖の短いもの、長いもの、重合基数が多いが鎖の短いもの)を混ぜることにより、セパレータと各電極との密着性が向上する。具体的にはセパレータの細孔には鎖の短いものが存在することにより含浸性が向上し、また重合基数が多いものが存在するとゲル化能力が向上し、かつセパレータの細孔にある高分子と反応することにより部材の密着性が向上する。以上の要素が相乗し特性が向上することになる。また、エネルギー密度を上げるためには、活物質を含む層の電極密度を上げるのが有効であるが、負極においては、密度を上げすぎると、リチウムの受け入れ特性の低下、ポリマー前駆体溶液の電極への浸透性の低下により、特性が低下する。逆に密度を下げた場合は、前記問題点は発生しないが、エネルギー密度の低下、活物質同士の電気的接触不良によるレート特性の低下が起こる。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、リチウムポリマー電池において、そのゲル電解質成分としてスルホン酸エステルを含み、負極活物質が黒鉛材料を主剤とした場合、前記負極において活物質を含む層の電極密度が1.35g/cm3以上、1.65g/cm3以下であり、また、前記負極における活物質が非晶質炭素材料を主剤とした場合、前記負極において活物質を含む層の電極密度が0.80g/cm3以上、1.35g/cm3以下であり、前記負極における活物質がSiまたはSi化合物材料を主剤とした場合は、前記負極において活物質を含む層の電極密度が0.70g/cm3以上、1.30g/cm3以下であることにより、サイクル特性の向上、セル膨れの抑制が図れる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明のリチウムポリマー電池の正極の構成を説明する図。
【図2】本発明のリチウムポリマー電池の負極の構成を説明する図。
【図3】本発明のリチウムポリマー電池の巻回後の電池要素の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明のリチウムポリマー電池で使用される正極は、アルミニウム箔等の金属からなる集電体に正極活物質層を塗布、乾燥したものを圧縮し成型したものであり、負極は、銅箔等の金属からなる集電体に負極活物質を含む層を塗布、乾燥したものを圧縮し成型したものである。負極の活物質を含む層の電極密度(以下、負極電極密度と記載)は負極活物質として黒鉛材料を使用した場合は1.35g/cm3以上、1.65g/cm3以下が好ましく、更に好ましくは1.40〜1.60g/cm3である。1.65g/cm3より大きい場合は、サイクル後のセル膨れが大きく、サイクル特性も悪化する。1.35g/cm3より小さい場合は、活物質同士の接触が不十分となりレート特性が低下し、また、エネルギー密度を上げることが難しい。同様に負極活物質として非晶質炭素材料を使用した場合の負極電極密度は0.80g/cm3以上、1.35g/cm3以下が好ましく、更に好ましくは0.90〜1.30g/cm3である。また、負極活物質としてSiまたはSi化合物材料を使用した場合は0.70g/cm3以上、1.30g/cm3以下が好ましく、更に好ましくは0.80〜1.20g/cm3である。セパレータは、不織布、ポリオレフィン微多孔膜などリチウムポリマー電池で一般的に使用されるものであれば特に限定はされない。正極と負極をセパレータを介して積み重ねて積層体を製作し、あるいは正極と負極をセパレータを介して扁平に巻回した後成型した巻回体を製作し、積層体あるいは巻回体をラミネート材等の外装材に入れた後、ゲル電解質を注入し処理することによりリチウムポリマー電池を作製する。
【0013】
ゲル電解質に含まれるゲル化成分として、たとえば熱重合可能な重合基を一分子あたり2個以上有するモノマー、またはオリゴマー、共重合オリゴマーなどが挙げられる。このゲル化成分としては、アクリル系高分子を形成する、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、プロピレンジアクリレート、ジプロピレンジアクリレート、トリプロピレンジアクリレート、1,3−ブタンジオールジアクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレートなどの2官能アクリレート、また、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレートなどの3官能アクリレート、また、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレートなどの4官能アクリレート、および、上記メタクリレートモノマーなどが挙げられる。これらの他に、ウレタンアクリレート、ウレタンメタクリレートなどのモノマー、これらの共重合体オリゴマーやアクリロニトリルとの共重合体オリゴマーが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0014】
また、ポリフッ化ビニリデンやポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリルなどの、可塑剤に溶解させ、ゲル化させることのできるポリマーも使用できる。
【0015】
ゲル成分としては、上述のモノマー、オリゴマー、またはポリマーに限定されるものではなく、ゲル化可能なものであれば、使用できる。また、ゲル化には一種類のモノマー、オリゴマーまたはポリマーに限定されるものではなく、必要に応じて2〜数種のゲル化成分を混合しても使用できる。
【0016】
ゲル電解質に含まれる溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンスルトン、アニソール、N−メチルピロリドン、フッ素化カルボン酸エステルなどの非プロトン性有機溶媒を一種又は二種以上を混合して使用できるが、これらに限定されるものではない。
【0017】
ゲル電解質に含ませるスルホン酸エステルとしては、環状モノスルホン酸エステル、環状ジスルホン酸エステル、鎖状スルホン酸エステルなどが適宜使用できる。環状モノスルホン酸エステルとしては1,3−プロパンスルトン(1,3−PS)、α−トリフルオロメチル−γ−スルトン、β−トリフルオロメチル−γ−スルトン、γ−トリフルオロメチル−γ−スルトン、α−メチル−γ−スルトン、α,β−ジ(トリフルオロメチル)−γ−スルトン、α,α−ジ(トリフルオロメチル)−γ−スルトン、α−ウンデカフルオロペンチル−γ−スルトン、α−ヘプタフルオロプロピル−γ−スルトン、1,4−ブタンスルトン(1,4−BS)などがあげられる。環状ジスルホン酸エステルとしてはメチレンメタンジスルホネート(MMDS)、エチレンメタンジスルホネート(EMDS)、プロピレンメタンジスルホネート(PMDS)等があげられる。鎖状スルホン酸エステルとしては、メタンスルホン酸メチルエステル、メタンスルホン酸エチルエステル、ブスルファン、ジメチル−メタンジスルホネートなどが挙げられる。
【0018】
これらスルホン酸エステルの中でも1,3−PSやMMDSを使用することが特に好ましい。1,3−PSやMMDSはリチウムイオン二次電池の電極上での分解皮膜を形成すると考えられている。例えば、1,3−PSの最低空軌道エネルギー(LUMO)は0.07eVであり、1,3−PSが溶媒分子であるEC(LUMO:1.18eV)やDEC(LUMO:1.26eV)よりも先に分解し皮膜を形成することが考えられる。その結果、溶媒分子の分解が抑制され、ガス発生による電池の膨れの抑制やレート特性改善が期待できる。また、例えば正極にマンガン酸リチウムを含む場合には1,3−PSの添加によってゲル中に溶出したMnが負極表面に吸着することを防止し、結果として抵抗上昇によるレート特性の低下の抑制やサイクル特性向上に有効であると考えられる。
【0019】
これらのゲル電解質中に含まれるスルホン酸エステルの濃度は、特に限定されるものではないが、正極活物質としてマンガン酸リチウムを含む正極を使用した二次電池の場合には、0.1質量%以上3.0質量%以下が好ましく、更に好ましくは0.5質量%以上1.0質量%以下が特に好ましい。0.1質量%未満では電極表面に十分な皮膜が形成されず、サイクルト特性やレート特性の改善効果が小さい。3.0質量%を越えると、抵抗が高くなってレート特性が悪くなる。
【0020】
本発明においては、ゲル電解質に更にビニレンカーボネートを適宜含有させることも有効である。ビニレンカーボネートは特に、正極にコバルト酸リチウムを用いた場合に効果が大きく、含有するビニレンカーボネートの濃度は、0.1質量%以上3.0質量%以下が好ましく、特に好ましくは0.1質量%以上1.0質量%以下である。
【0021】
正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いる場合には、ゲル電解質中に含まれるスルホン酸エステルの濃度は、特に限定されるものではないが、0.5質量%以上5.0質量%以下が好ましい。0.5質量%未満では電極表面に十分な皮膜が形成されず、サイクル特性やレート特性の改善効果が小さい。5.0質量%を越えると、抵抗が高くなってレート特性が悪くなる。
【0022】
ゲル電解質に含まれる支持塩としては、特に限定されないがLiPF6、LiBF4、LiAsPF6、LiCF3SO3、LiN(CF322など一般的にリチウムポリマー電池に用いられる電解質が使用できる。
【0023】
本発明において、必要に応じて、熱重合開始剤としてベンゾイン類、パーオキサイド類などが使用できるが、これらに限定されるものではない。
【0024】
また、正極活物質として、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiNi1-xCox2、LiNixMn2-x4(0<x<1)、LiNi1/3Co1/3Mn1/32、LiMn24、LiFePO4などのLi複合酸化物正極材料が挙げられ、これらのLi含有複合酸化物の遷移金属部分を他の元素で置換させたものでもよく、また、これらの混合物でも良いが、これらに限定されるものではない。
【0025】
負極活物質としてのSiまたはSi化合物材料とは、Siを主体とする材料、例えば結晶性Si、非晶質Si、またはSiとFe、Co、Ni、Cuなどとの化合物など、前記SiまたはSi化合物を炭素材料などで被覆を行ったSi−炭素複合材料などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0026】
セパレータとして、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、フッ素樹脂等の多孔性フィルムがなどが使用できるが、これに限定されるものではない。
【実施例】
【0027】
実施例により本発明を図面を参照して詳細に説明するが、本発明は、この実施例に限定されるものではない。
【0028】
図1は本発明のリチウムポリマー電池の正極の構成を説明する図であり、図2は本発明のリチウムポリマー電池の負極の構成を説明する図であり、図3は本発明のリチウムポリマー電池の巻回後の電池要素の構成を説明する図である。
【0029】
(実施例1)
先ず、図1により正極の作製について説明する。LiMn24を85質量%、導電補助材としてアセチレンブラックを7質量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン8質量%とを混合したものに、N−メチルピロリドンを加えてさらに混合して正極スラリーを作製した。これをドクターブレード法により集電体となる厚さ20μmのAl箔2の両面にロールプレス処理後の厚さが160μmになるように塗布し、正極活物質塗布部3を形成した。なお、両端部にはいずれの面にも正極活物質が塗布されていない正極活物質非塗布部4を設け、一方の正極活物質非塗布部4に正極導電タブ6を設け隣り合わせて片面のみ塗布した正極活物質片面塗布部5を設けて正極1とした。
【0030】
次に、図2により負極の作製について説明する。黒鉛90質量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン10質量%とを混合し、N−メチルピロリドンを加えてさらに混合して負極スラリーを作製した。これを集電体となる厚さ10μmのCu箔8両面にロールプレス処理後の厚さが120μm、電極密度が1.50g/cm3になるように塗布し、負極活物質塗布部9を形成した。なお、両端部の一方の端面には片面のみ塗布した負極活物質片面塗布部10と負極活物質が塗布されていない負極活物質非塗布部11を設け、負極導電タブ12を取り付け負極7とした。
【0031】
図3により電池要素の作製について説明する。膜厚12μm、気孔率35%のポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータ13を二枚溶着して切断した部分を巻回装置の巻き芯に固定し巻きとり、正極1(図1)、及び負極7(図2)の先端を導入する。正極1は正極導電タブ6の接続部の反対側を、負極7は負極導電タブ12の接続部側を先端側として、負極は二枚のセパレータの間に、正極電極はセパレータの上面にそれぞれ配置して巻き芯を回転させ巻回し、電池要素(以下ジェリーロール(J/R)と表記)を形成した。
【0032】
このJ/Rをエンボス加工したラミネート外装体に収容し、正極導電タブ6と負極導電タブ12を引き出しラミネート外装体の辺を折り返し、プレゲル溶液注液用の部分を残して熱融着を行った。
【0033】
プレゲル溶液は、エチレンカーボネート(EC)30質量%とジエチルカーボネート(DEC)58質量%に、リチウム塩としてLiPF612質量%からなる電解液に対して、1,3−PSを1質量%、ゲル化剤としてトリプロピレングリコールジアクリレートとトリメチロールプロパントリアクリレートをそれぞれ3.8質量%、1.0質量%を加え、よく混合した後に、重合開始剤として、t−ブチルパーオキシピバレートを0.5質量%混合することで作製した。
【0034】
次に、プレゲル溶液を注液部分から注液し真空含浸を行い、リチウムポリマー電池を得た。
【0035】
得られたリチウムポリマー電池を、電池電圧4.2Vまで充電し(充電条件:電流0.2C、時間6.5時間、温度20℃)、0.2Cで電池電圧3.0Vまで放電し、そのときの放電容量を初期容量とした。
【0036】
得られたリチウムポリマー電池のレート特性は、電池電圧4.2Vまで充電された電池を放電レート(0.2C)で電池電圧3.0Vまで放電し得られた放電容量を100とし、放電レート(1.0C)で放電し得られた放電容量との比で表1に表した。
【0037】
得られたリチウムポリマー電池のサイクル後のセル体積変化率は、初期充電後のセル体積を1.0とし、サイクル後のセル体積との比で表1に表した。なお、サイクルの条件は、充電:上限電圧4.2V、電流1.0C、時間2.5時間、放電:下限電圧3.0V、電流1.0Cとし、いずれも20℃で実施した。容量維持率は、1サイクル目の放電容量(1.0C)に対する100サイクル目の放電容量(1.0C)の割合で示した。
【0038】
(実施例2)
負極電極密度を1.65g/cm3にする以外は実施例1と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0039】
(実施例3)
負極電極密度を1.60g/cm3にする以外は実施例1と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0040】
(実施例4)
負極電極密度を1.40g/cm3にする以外は実施例1と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0041】
(実施例5)
負極電極密度を1.35g/cm3にする以外は実施例1と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0042】
(比較例1)
負極電極密度を1.70g/cm3にする以外は実施例1と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0043】
(比較例2)
負極電極密度を1.30g/cm3にする以外は実施例1と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0044】
実施例1〜5および比較例1、2についてのレート特性、容量維持率、セル体積変化率について表1に示した。
【0045】
【表1】

【0046】
本発明のリチウムポリマー電池において、表1の実施例1〜5に示すように、負極電極密度が1.35g/cm3以上、1.65g/cm3以下の場合、レート特性等において、それ以上の電極密度とした比較例1よりも明らかに特性が良好であることがわかった。
【0047】
(実施例6)
1,3−PSの代わりにMMDSを用いる以外、実施例1と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0048】
(実施例7)
1,3−PSの代わりにMMDSを用いる以外、実施例2と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0049】
(実施例8)
1,3−PSの代わりにMMDSを用いる以外、実施例3と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0050】
(実施例9)
1,3−PSの代わりにMMDSを用いる以外、実施例4と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0051】
(実施例10)
1,3−PSの代わりにMMDSを用いる以外、実施例5と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0052】
(比較例3)
1,3−PSの代わりにMMDSを用いる以外、比較例1と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0053】
(比較例4)
1,3−PSの代わりにMMDSを用いる以外、比較例2と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0054】
実施例6〜実施例10および比較例3、比較例4についてのレート特性、容量維持率、セル体積変化率について表2に示した。
【0055】
【表2】

【0056】
本発明のリチウムポリマー電池において、表2の実施例6〜実施例10に示すように、負極活物質が黒鉛の場合、負極電極密度が1.35g/cm3以上、1.65g/cm3以下の場合、レート特性等においてそれ以上の電極密度とした比較例3よりも明らかに特性が良好であることがわかった。
【0057】
(実施例11)
正極コバルト酸リチウムを用いた本実施例における正極は次のように作製した。LiCoO2を87質量%、導電補助材としてアセチレンブラックを5質量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン8質量%を混合したものに、N−メチルピロリドンを加えてさらに混合して正極スラリーを作製した。それ以外は実施例1と同様に正極、負極を作製しセルを作製した。また、プレゲル溶液は、VC:0.5質量%、1,3−PS:1.0質量%とした以外は実施例1と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0058】
(実施例12)
負極電極密度を1.65g/cm3にする以外は実施例11と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0059】
(実施例13)
負極電極密度を1.60g/cm3にする以外は実施例11と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0060】
(実施例14)
負極電極密度を1.40g/cm3にする以外は実施例11と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0061】
(実施例15)
負極電極密度を1.35g/cm3にする以外は実施例11と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0062】
(比較例5)
負極電極密度を1.70g/cm3にする以外は実施例11と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0063】
(比較例6)
負極電極密度を1.30g/cm3にする以外は実施例11と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0064】
実施例11〜実施例15および比較例3についてのレート特性、容量維持率、セル体積変化率について表3に示した。
【0065】
【表3】

【0066】
本発明のリチウムポリマー電池において、表3の実施例11〜実施例15に示すように、負極活物質が黒鉛の場合、負極電極密度が1.35g/cm3以上、1.65g/cm3以下の場合、レート特性等においてそれ以上の電極密度とした比較例5よりも明らかに特性が良好であることがわかった。
【0067】
(実施例16)
負極活物質に非晶質炭素を用いた本実施例における負極は次のように作製した。非晶質炭素を85質量%、導電補助材としてアセチレンブラックを5質量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン10質量%を混合したものに、N−メチルピロリドンを加えてさらに混合して負極スラリーを作製した。また、負極電極密度を1.00g/cm3とし、それ以外は実施例1と同様に正極、負極を作製してリチウムポリマー電池を得た。
【0068】
得られたリチウムポリマー電池を、電池電圧4.3Vまで充電し(充電条件:電流0.2C、時間6.5時間、温度20℃)、0.2Cで電池電圧2.5Vまで放電し、そのときの放電容量を初期容量とした。
【0069】
得られたリチウムポリマー電池のサイクル後のセル体積変化率は、初期充電後のセル体積を1.0とし、500サイクル後のセル体積との比で表4に表した。なお、サイクルの条件は、充電:上限電圧4.3V、電流1.0C、時間2.5時間、放電:下限電圧2.5V、電流1.0Cとし、いずれも20℃で実施した。容量維持率は、1サイクル目の放電容量(1.0C)に対する500サイクル目の放電容量(1.0C)の割合で表4に示した。
【0070】
(実施例17)
負極電極密度を1.35g/cm3にする以外は実施例16と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0071】
(実施例18)
負極電極密度を1.30g/cm3にする以外は実施例16と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0072】
(実施例19)
負極電極密度を0.90g/cm3にする以外は実施例16と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0073】
(実施例20)
負極電極密度を0.80g/cm3にする以外は実施例16と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0074】
(比較例7)
負極電極密度を1.40g/cm3にする以外は実施例16と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0075】
(比較例8)
負極電極密度を0.70g/cm3にする以外は実施例16と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0076】
実施例16〜実施例20および比較例7、8についての容量維持率、セル体積変化率について表4に示した。
【0077】
【表4】

【0078】
本発明のリチウムポリマー電池において、表4の実施例16〜実施例20に示すように、負極活物質が非晶質炭素の場合、負極電極密度が0.80g/cm3以上、1.35g/cm3以下の場合、容量維持率等においてそれ以上の電極密度とした比較例7よりも明らかに特性が良好であることがわかった。
【0079】
(実施例21)
負極活物質に非晶質Siを用いた本実施例における負極は次のように作製した。非晶質Siを85質量%、導電補助材としてアセチレンブラックを5質量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン10質量%を混合したものに、N−メチルピロリドンを加えてさらに混合して負極スラリーを作製した。また、負極電極密度を1.00g/cm3とし、それ以外は実施例1と同様に正極、負極を作製してリチウムポリマー電池を得た。
【0080】
得られたリチウムポリマー電池を、電池電圧4.2Vまで充電し(充電条件:電流0.2C、時間6.5時間、温度20℃)、0.2Cで電池電圧2.5Vまで放電し、そのときの放電容量を初期容量とした。
【0081】
得られたリチウムポリマー電池のサイクル後のセル体積変化率は、初期充電後のセル体積を1.0とし、100サイクル後のセル体積との比で表5に表した。なお、サイクルの条件は、充電:上限電圧4.2V、電流1.0C、時間2.5時間、放電:下限電圧2.5V、電流1.0Cとし、いずれも20℃で実施した。容量維持率は、1サイクル目の放電容量(1.0C)に対する100サイクル目の放電容量(1.0C)の割合で表5に示した。
【0082】
(実施例22)
負極電極密度を1.30g/cm3にする以外は実施例21と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0083】
(実施例23)
負極電極密度を1.20g/cm3にする以外は実施例21と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0084】
(実施例24)
負極電極密度を0.80g/cm3にする以外は実施例21と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0085】
(実施例25)
負極電極密度を0.70g/cm3にする以外は実施例21と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0086】
(比較例9)
負極電極密度を1.40g/cm3にする以外は実施例21と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0087】
(比較例10)
負極電極密度を0.60g/cm3にする以外は実施例21と同様にセルを作製し、評価を行った。
【0088】
実施例21〜実施例25および比較例9、10についての容量維持率、セル体積変化率について表5に示した。
【0089】
【表5】

【0090】
本発明のリチウムポリマー電池において、表5の実施例21〜実施例25に示すように、負極活物質が非晶質Siの場合、負極電極密度が0.70g/cm3以上、1.30g/cm3以下の場合、容量維持率等においてそれ以上の電極密度とした比較例9よりも明らかに特性が良好であることがわかった。
【符号の説明】
【0091】
1 正極
2 Al箔
3 正極活物質塗布部
4 正極活物質非塗布部
5 正極活物質片面塗布部
6 正極導電タブ
7 負極
8 Cu箔
9 負極活物質塗布部
10 負極活物質片面塗布部
11 負極活物質非塗布部
12 負極導電タブ
13 セパレータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極、セパレータ、負極からなり、かつ、ゲル電解質を含むリチウムポリマー電池において、前記ゲル電解質が溶媒と架橋型高分子とスルホン酸エステルとを含み、前記架橋型高分子が、熱重合可能な重合基を一分子あたり2個以上有する種々の官能基数のモノマー、オリゴマー、または共重合オリゴマーの共重合体であるアクリル系高分子であり、前記負極における活物質が黒鉛材料を主剤とし、前記負極において活物質を含む層の電極密度が1.35g/cm3以上、1.65g/cm3以下であることを特徴とするリチウムポリマー電池。
【請求項2】
正極、セパレータ、負極からなり、かつ、ゲル電解質を含むリチウムポリマー電池において、前記ゲル電解質が溶媒と架橋型高分子とスルホン酸エステルとを含み、前記架橋型高分子が、熱重合可能な重合基を一分子あたり2個以上有する種々の官能基数のモノマー、オリゴマー、または共重合オリゴマーの共重合体であるアクリル系高分子であり、前記負極における活物質が非晶質炭素材料を主剤とし、前記負極において活物質を含む層の電極密度が0.80g/cm3以上、1.35g/cm3以下であることを特徴とするリチウムポリマー電池。
【請求項3】
正極、セパレータ、負極からなり、かつ、ゲル電解質を含むリチウムポリマー電池において、前記ゲル電解質が溶媒と架橋型高分子とスルホン酸エステルとを含み、前記架橋型高分子が、熱重合可能な重合基を一分子あたり2個以上有する種々の官能基数のモノマー、オリゴマー、または共重合オリゴマーの共重合体であるアクリル系高分子であり、前記負極における活物質がSiまたはSi化合物材料を主剤とし、前記負極において活物質を含む層の電極密度が0.70g/cm3以上、1.30g/cm3以下であることを特徴とするリチウムポリマー電池。
【請求項4】
前記架橋型高分子が、2官能アクリレートと3官能アクリレートとの共重合体であるアクリル系高分子である請求項1から3のいずれか1項に記載のリチウムポリマー電池。
【請求項5】
前記架橋型高分子が、重合開始剤として過酸化物を用いて重合されることを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載のリチウムポリマー電池。
【請求項6】
前記スルホン酸エステルが環状スルホン酸エステル、環状ジスルホン酸エステル又は鎖状ジスルホン酸エステルの少なくとも一種で構成される請求項1からのいずれか1項に記載のリチウムポリマー電池。
【請求項7】
前記環状ジスルホン酸エステルが、メチレンメタンジスルホネート、エチレンメタンジスルホネート及びプロピレンメタンジスルホネートから選ばれる少なくとも一種である請求項に記載のリチウムポリマー電池。
【請求項8】
前記環状スルホン酸エステルが、1,3−プロパンスルトン又は1,4−ブタンスルトンの少なくとも一種で構成される請求項に記載のリチウムポリマー電池。
【請求項9】
前記溶媒が少なくとも鎖状カーボネート又は環状カーボネートを含有する請求項1からのいずれか1項に記載のリチウムポリマー電池。
【請求項10】
前記正極が活物質としてマンガン酸リチウム又はコバルト酸リチウムを含有する請求項1からのいずれか1項に記載のリチウムポリマー電池。
【請求項11】
前記正極がコバルト酸リチウムを含有し、前記ゲル電解質がビニレンカーボネートを含有する溶媒を含有する請求項1から10のいずれか1項に記載のリチウムポリマー電池。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−248544(P2012−248544A)
【公開日】平成24年12月13日(2012.12.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−184351(P2012−184351)
【出願日】平成24年8月23日(2012.8.23)
【分割の表示】特願2007−238100(P2007−238100)の分割
【原出願日】平成19年9月13日(2007.9.13)
【出願人】(310010081)NECエナジーデバイス株式会社 (112)
【Fターム(参考)】