质子传导聚合物电池制造技术

本发明专利技术的一个目的是提供一种包含含有质子传导导电化合物作为活性材料的电极和电解质水溶液的质子传导聚合物电池，所述电池在回流处理以后具有良好的电池性能和更高的安全性以及更高的可靠性。本发明专利技术提供一种质子传导聚合物电池，其中在充电／放电中只涉及质子，所述电池包含阴极、阳极、隔板和电解质溶液；其中：在所述电解质溶液中将所述阴极和所述阳极通过所述隔板相互面对安置；在所述阴极和／或所述阳极中的电极活性材料选自π－共轭聚合物和含羟基聚合物；并且所述电解质溶液是包含作为电解质的硫酸以及包含磷酸和焦磷酸中的至少一种的水溶液，其中包含的水的浓度等于或小于６５重量％，并且所述硫酸的浓度为３重量％至３５重量％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及质子传导聚合物电池。特别是，本专利技术涉及允许回流(reflow)焊接的具有电解质水溶液的电池。
技术介绍
通常使用用于移动通讯装置存储器等的备用电源如锂二次电池和双电层电容器，其中将它连到印刷线路板上。通常，将这种装置封装在作为外壳的硬币式金属壳中，所述的外壳焊接有用于焊接的端子，并且常常与存储器元件一起被焊接到印刷线路板上。常规上，使用烙铁单独进行在印刷线路板上的焊接，但棘手的是，由于与电子设备中的尺寸减小和性能提高相关的互连密度增加，造成产量低并且成本更高。因此，尝试了称为回流处理的自动焊接，其中将膏状焊料涂覆到印刷线路板中的装配区域上，将装配的元件放置在膏状焊料涂覆的表面上，并且使配置有所述元件的印刷线路板通过在设定为约230至270℃的高温气氛下的炉中以熔化用于焊接的焊料。在回流处理中，同样将基板上的锂二次电池和双电层电容器暴露于230至270℃的极高温度下。累积热可能导致在电极材料和电解质溶液之间的反应，并且可能由于电解质溶液的膨胀而导致内阻和内压的提高。结果，可能发生锂二次电池或双电层电容器的裂开或液体泄漏，从而导致电池性能劣化。作为备用电源，除锂二次电池和双电层电容器以外，还提出了质子传导聚合物电池。图1是质子传导聚合物电池的基本元件的横截面图。在质子传导聚合物电池中的基本元件具有如下构造：其中，如图1所示，在阴极集电极1和阳极集电极4上分别形成包含质子传导化合物作为活性材料的阴极2和阳极3，并且通过隔板5将它们层叠，并且其中只涉及质子作为-->载荷子。此外，通过充有包含质子源的水性或非水性溶液作为电解质溶液，并且使用衬垫6密封，形成基本元件″a″。使用通过将粘合剂剂加入到掺杂或未掺杂的质子传导化合物粉末和导电助剂中而制备的浆液，形成阴极2和阳极3。用于制备电极的方法包括：通过将浆液置于具有适宜的尺寸的模具中，并且将其压制以形成固体电极的方法；和通过将浆液在集电极上进行丝网印刷，并且干燥它以形成沉积电极的方法。将由此形成的阴极2和阳极3通过隔板5相互面对安置。用作电极活性材料的质子传导化合物的实例包括：π-共轭聚合物如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔、聚对亚苯基、聚亚苯基-亚乙烯基、聚周萘、聚呋喃、聚亚噻吩基、聚吡啶-二基、聚异硫茚、聚喹喔啉、聚吡啶、聚嘧啶、聚吲哚、吲哚三聚体、聚氨基蒽醌、聚咪唑和它们的衍生物；其中通过共轭将醌氧转化为羟基的含羟基聚合物，如聚蒽醌和聚苯醌；和通过两种或两种以上单体的共聚合而制备的质子传导聚合物。这些聚合物可以被掺杂以形成氧化还原对，从而可以具有电导性。可以选择这些聚合物作为阴极或阳极活性材料，以适当地调节氧化还原电势差。作为电解质溶液，已知为酸水溶液的电解质水溶液和包含有机溶剂作为基本溶剂(base solvent)的电解质非水溶液。对于质子传导化合物，只使用前一种电解质水溶液，因为它可以提供特别高容量的电池。作为所述酸，可以使用有机酸或无机酸；所述无机酸包括硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、四氟硼酸、六氟磷酸和六氟硅酸；并且所述有机酸包括饱和单羧酸、脂族羧酸、羟基羧酸、对甲苯磺酸、聚乙烯磺酸和月桂酸。在日本专利申请公开号11-288717和2003-123834中公开了根据现有技术的质子传导聚合物电池的实例。日本专利申请公开号11-288717公开了一种包含阴极、阳极和固体电解质或凝胶状固体电解质的聚合物电池，其中从至少伴随化合物的氧化还原反应的电子转移得到电能，其中：作为用于电极的主要组分的活性材料选自含氮π-共轭聚合物；所述固体电解质或所述凝胶状固体电解质包含质子，并且用阴离子作为阴极活性材料的掺杂剂进行掺杂，所述阴离子具有与构成所述固体电解质或所述凝胶状固体电解质的聚合物基质相同或类似的结构；并且在伴随阴极和阳极活性材料的氧化还原反应的电子转移中-->只涉及质子在活性材料中的吸附和脱附。这可以减少阳极活性材料的洗脱并且可以提高它的循环性能。在日本专利申请公开号11-288717的技术中，可以使用硫酸水溶液作为电解质溶液，但是在回流处理以后，单独的硫酸水溶液可以导致显著的电池溶胀，从而导致ESR(等效串联电阻)的极大增加。因此，不能得到具有良好的电池性能的电池。尽管当通过极大地增加硫酸的浓度来降低电解质溶液的蒸气压时，可以减少电池溶胀，但是高于预定限度的硫酸的浓度加速电极活性材料的劣化，从而导致电池性能的下降。因此，该技术不是有效的。日本专利申请公开号2003-123834公开了包含水溶性含氮杂环化合物如咪唑、三唑、吡唑或它的衍生物的电解质溶液和使用该电解质溶液的电化学电池。特别是，在包含质子传导聚合物作为活性材料的电化学电池中，通过在不降低其表观容量的情况下防止电极活性材料的氧化降解，可以提高其循环性能。在日本专利申请公开号2003-123834的技术中，在回流处理的过程中，由于包含的水的蒸发，至少降低溶于水中的咪唑的绝对量，使得咪唑会析出，从而导致电池性能的劣化。尽管当咪唑的量相当低时咪唑的析出可以不明显，但是，相应增加包含的水的浓度使得在回流处理中电池溶胀和ESR的增加变得显著，从而导致电池性能的劣化。因此，该技术不是有效的。日本专利申请公开号11-288717和2003-123834没有描述回流处理并且对电解质溶液的组成比率或沸点、在回流温度的电池组成构件的耐热性等没有具体描述或限制。此外，对进行回流处理应该需要的添加剂或其性能没有描述。在根据现有技术的质子传导聚合物电池中，回流处理导致如在锂二次电池或双电层电容器中的电池性能的下降，从而为了允许回流处理提供具有令人不满意的构造的电池，从而导致诸多问题。具体而言，在包含含有质子传导导电化合物作为活性材料的电极和电解质水溶液的质子传导聚合物电池中，在回流处理以后电池溶胀并且它的ESR增加，从而导致电池性能的劣化。本专利技术的一个目的是提供在回流处理以后具有良好的电池性能和更-->高的安全性以及更高的可靠性的质子传导聚合物电池。
技术实现思路
本专利技术提供一种质子传导聚合物电池，其中在充电/放电中只涉及质子，所述电池包含阴极、阳极、隔板和电解质溶液；其中：在电解质溶液中将阴极和阳极通过隔板相互面对安置；在阴极和/或阳极中的电极活性材料选自π-共轭聚合物和含羟基聚合物；并且电解质溶液是包含作为电解质的硫酸以及包含磷酸和焦磷酸中的至少一种的水溶液，其中包含的水的浓度等于或小于65重量％，并且硫酸的浓度为3重量％至35重量％；并且适宜地，电解质溶液包含水溶性咪唑化合物和/或三唑化合物。在本专利技术的质子传导聚合物电池中，电解质溶液包含磷酸和焦磷酸中的至少一种，从而因为如下的三种作用而允许回流处理并且提供良好的电池性能。首先，在电解质溶液中包含的水的绝对量的减少和磷酸化合物的加入导致溶剂化并且沸点的升高，这可以减小电解质溶液在回流处理过程中的膨胀，从而减小电池内压的增加，导致电池溶胀的减小。这些可以使阻力分量(resistance component)如接触电阻的增加最小化。此外，它使得防止电池裂开或液体泄漏，从而提供安全的电池。第二，当加热时，磷酸的两个分子在约150℃的温度脱去一分子水，在等于或高于200℃转化为焦磷酸，在等于或高于300℃进一步转化为偏磷酸，并且在230℃至270℃的回流温度范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子传导聚合物电池，其中在充电／放电中只涉及质子，所述电池包含阴极、阳极、隔板和电解质溶液；其中：在所述电解质溶液中将所述阴极和所述阳极通过所述隔板相互面对安置；在所述阴极和／或所述阳极中的电极活性材料选自π－共轭聚合物和含羟基聚合物；并且所述电解质溶液是包含作为电解质的硫酸以及包含磷酸和焦磷酸中的至少一种的水溶液，其中包含的水的浓度等于或小于６５重量％，并且所述硫酸的浓度为３重量％至３５重量％。

【技术特征摘要】
JP 2006-1-20 2006-0121191.一种质子传导聚合物电池，其中在充电/放电中只涉及质子，所述电池包含阴极、阳极、隔板和电解质溶液；其中：在所述电解质溶液中将所述阴极和所述阳极通过所述隔板相互面对安置；在所述阴极和/或所述阳极中的电极活性...

【专利技术属性】
技术研发人员：信田知希，水越崇，高桥直树，吉成哲也，西山利彦，
申请(专利权)人：NEC东金株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]