JP3669944B2

JP3669944B2 - ポリアルキレンオキシド系固体高分子電解質組成物

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Publication number: JP3669944B2
Application number: JP2001196690A
Authority: JP
Inventors: ヨンクカン; チャンジンイ; ソククーキム
Original assignee: Korea Research Institute of Chemical Technology KRICT
Current assignee: Korea Research Institute of Chemical Technology KRICT
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: KR20020072886A; US6727024B2; KR100394077B1; US20030044688A1; JP2002280075A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリアルキレンオキシド系固体高分子電解質組成物に関し、さらに詳細には、連結中心原子の周囲に２個以上のフェニルアルキレングリコールアクリレートの官能基が導入された架橋剤、ポリアルキレングリコールアルキルエーテルアルキル(メタ)アクリレートの柔軟剤、ポリアルキレングリコールジアルキルエーテルの可塑剤および硬化型開始剤が、リチウム塩とともに一定の含量比で含まれているため機械的特性およびイオン伝導度に優れ、従って、携帯電話、ノートブックパソコンなどの携帯用情報端末機およびカムコーダなどの機器に使用される小型リチウム−ポリマー二次電池の電解質としてだけでなく、電力平準化用の電力貯蔵装置および電気自動車に適用可能な大容量リチウム−ポリマー二次電池の電解質にも幅広く適用できるポリアルキレンオキシド系固体高分子電解質組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質を用いた電気化学素子は、従来の液体電解質を用いた電気化学装置に比べて溶液漏れの問題がなく、高い充放電効率をもつ化学電池が提供でき、様々な形態の電池製造が可能で、薄膜化および小型化しうるという長所があることから、これまで集中的に研究および開発されてきた。特に、ポリアルキレンオキシド(ＰＡＯ)系固体高分子電解質を使用したリチウム−高分子電池は、エネルギー密度が大きく向上した電池が製造できるため、その重要性に対する認識が増大しつつある。
【０００３】
ポリアルキレンオキシド(ＰＡＯ)系固体高分子電解質は１９７５年にてP.V Wright [British Polymer Journal 7, p.319] によって初めて開発され、１９７８年にM. Armandがイオン伝導性高分子と名づけた後、電気化学装置への応用範囲が益々広がってきた。典型的な固体高分子電解質は、酸素(Ｏ)、窒素(Ｎ)、燐(Ｐ)などの電子供与性原子をもつ高分子とリチウム塩との錯体から構成されている。その代表的なものはポリエチレンオキシド(ＰＥＯ)とリチウムとの錯体であって、これは常温で１０^−８S／cm程度の低いイオン伝導度を示すため、室温作動型の用途には不向きであるが、高温作動型電気化学装置の電源としては使用可能である。
【０００４】
このようなＰＡＯ系固体高分子電解質は常温で結晶性が高く、分子鎖運動が制限されるため、常温におけるイオン伝導度が極めて低い。固体高分子電解質の分子鎖運動を向上させるためには、できる限り高分子構造内に存在する結晶性領域を最小化して非晶領域を増大させるべきである。このような研究の一環として、分子の長さが比較的短いＰＡＯを分枝として導入し、くし型高分子を製造する方法や、ＰＡＯ末端基に架橋可能な官能基を一つ以上導入した後架橋して、網目構造の固体高分子電解質を製造する方法が研究されてきた。
【０００５】
これらの研究結果として、ポリビスメトキシエトキシエトキシホスファゼン [J. Am. Chem. Soc., 106 (1984) 6845] またはポリビスエトキシエトキシエトキシビニルエーテル [Electrochim. Acta, 34 (1989) 635] などの分枝状固体高分子電解質の応用可能性が報告された。また、不飽和官能基をもつポリアルキレングリコールのアクリレートを含み、イオン伝導性液体および電解質塩が混合された組成物から、ＵＶまたは電子ビーム放射線で硬化させて架橋型高分子電解質を製造する方法が発表された [米国特許第４８３０９３９号；J. Electrochem. Soc., 145, 1521(1998)]。また、日本電池会社のＹＵＡＳＡはＰＥＯ系１官能性アクリロイル単量体とＰＥＯ系２官能性アクリロイル単量体とで架橋された網状固体高分子電解質などを発表した [米国特許第５２４０７９１号]。
【０００６】
しかし、これらの架橋型固体高分子電解質は、主に電子線、紫外線などの高エネルギー線によって硬化するものであって、硬化後も自己形状保持性はあるものの、延伸または曲げ特性に劣るため折れる性質があり、リチウム−ポリマー電池に使用するに際して、直接コーティングなどの方法を導入しない限り応用しにくいという問題があった。
【０００７】
これらの問題点を解決するために、本発明者らは、剛性の六員環分子にポリエチレングリコールアクリレートが３個導入された架橋剤を使用して、機械的物性を一部補強する技術を特許出願した [韓国特許公開第２００１−４１２１号]。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明者らは、従来の一般の架橋型固体高分子電解質が硬化後も自己形状保持性はあるものの、延伸または曲げ特性などに劣り脆い性質があるため、リチウム−ポリマー電池に使用する際、直接コーティングなどの方法を導入しない限り応用しにくいという問題を解決するために鋭意研究してきた。その結果、機械的物性とイオン伝導度とが向上した固体高分子電解質を開発するためには、既存の鎖状または分枝状の炭素鎖からなる２官能性基またはそれ以上の官能基をもつアクリレートまたはビニル系架橋剤とは異なる形態の架橋剤が必要と判断した。すなわち、既存の架橋剤は、鎖状または分枝状の炭素鎖からなるため、十分な機械的強度を与えないものと判断される所、架橋剤の中心構造を改善して固体高分子電解質の機械的強度を向上させると、電池製造などに適用する際、曲げなどに対して脆いという問題を解決できることを見出し本発明を完成するに至った。
【０００９】
従って、本発明は、連結分子中心にフェニルアルキレングリコールアクリレートが２個以上導入された構造をもち、３次元網目構造の固体高分子電解質の製造に有用な新規の架橋剤を提供することにその目的がある。
また、本発明は、機械的強度などの物性補強は勿論、イオン伝導度特性なども向上した、リチウム−ポリマー二次電池に有用に使用できる固体高分子電解質を提供することに他の目的がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、i）リチウム塩３〜３０重量％と、ii）下記一般式（１）で表される架橋剤０．１〜８０重量％と、iii）下記一般式（２）で表されるポリアルキレングリコールアルキルエーテルアルキル(メタ)アクリレート０．１〜７０重量％と、iv）下記一般式（３）で表されるポリアルキレングリコールジアルキルエーテルおよび非水溶液系極性溶媒の中から選択された単独又は２種以上の混合物０．１〜８０重量％と、v）硬化型開始剤０．５〜５重量％とを含むポリアルキレンオキシド系固体高分子電解質組成物をその特徴とする。
【化５】

【化６】

【化７】

（式中、Ｘは
【外５】

を表し、この際、Ｘ ₁ は、各々炭素数１〜１０の鎖状若しくは分枝状アルキル基またはハロゲン原子で置換されたハロアルキル基を表し、Ｒは炭素数１〜１０の鎖状または分枝状アルキル基を表し、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄、Ｒ₅、Ｒ₆およびＲ₇は各々水素原子またはメチル基を表し、Ｒ₈、Ｒ₉およびＲ₁₀は各々炭素数１〜１０の鎖状または分枝状アルキル基を表し、ｊは３であり、ｐ、ｑおよびｒは各々０〜２０の整数であり、但し、一般式（２）及び一般式（３）中のｐ、ｑおよびｒは同時に０となることはない。）
【００１１】
また、本発明は、下記一般式（１ａ）で表されるポリアルキレンオキシド系固体高分子電解質組成物用架橋剤を含む。
【化８】

(式中、Ｘは
【外６】

を表し、Ｘ₁は各々炭素数１〜１０の鎖状若しくは分枝状アルキル基またはハロゲン原子で置換されたハロアルキル基を表し、Ｒ、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄、Ｒ₅、Ｒ₆、Ｒ₇、Ｒ₈、ｊ、ｐ、ｑおよびｒは各々請求項１での定義と同様である。）
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明による固体高分子電解質組成物中に含まれる前記一般式（１）で表される架橋剤は、連結中心原子(Ｘ)の周囲にフェニルアルキレングリコールアクリレートのハードセグメント(hard segment)が３個導入されているため、製造された固体高分子電解質の機械的物性が向上し、鎖状または分枝状ポリマー鎖間の距離が規則的に保持され、且つ、ハードセグメントの末端には２個以上の不飽和官能基が結合しているため、３次元網目構造の固体高分子電解質が製造できる。また、本発明の固体高分子電解質組成物には前記新規の架橋剤とともにソフトセグメントとしてポリアルキレンオキシドが結合されており、前記一般式（２）で表される柔軟剤が含有され、前記ソフトセグメントが架橋剤の末端部分に結合することによって、可塑剤として添加された前記一般式（３）で表される低分子量のポリアルキレングリコールジアルキルエーテルまたは非水溶液系極性溶媒との相溶性が上がり、電解質薄膜の柔軟性が向上する。
【００１３】
本発明による固体高分子電解質組成物中に含有される各組成成分を具体的に説明すれば次の通りである。
イ）本発明の組成物に含有されるリチウム塩は、既存の高分子電解質製造用に使用されるリチウム塩であればいずれでも良い。これまで使用されてきたリチウム塩には、例えばLiCl₄、LiCF₃SO₃、LiBF₄、LiPF₆、LiAsF₆、Li(CF₃SO₂)₂Nなどがある。これらのリチウム塩は、組成物全体に対して３〜３０重量％、好ましくは５〜１５重量％の範囲で使用され、必要に応じて適正混合比率にその量を適宜調節することもできる。
【００１４】
ロ）本発明の組成物に含有される架橋剤は、前記一般式（１）で表されるものであって、架橋中心が延伸及び曲げ特性などの機械的物性を補完し、イオン伝導度を向上させるベンゼン環が導入されている。すなわち、本発明の架橋剤は、前記一般式（１）から分かるように、連結分子にフェニルアルキレングリコールアクリレートが３個導入された構造をもっており、これを導入した固体高分子電解質は３次元網目構造をなすことができる。特に、前記一般式（１）で表される新規の架橋剤が導入された固体高分子電解質は、架橋中心が３個のベンゼン分子をもつハードセグメントで架橋されているため、電解質の機械的物性が向上し、且つ、鎖状または分枝状のポリマー鎖間の距離が規則的に保持される。また、架橋剤の末端には前記一般式（２）で表される柔軟剤がソフトセグメントとして結合するため、前記一般式（３）で表される低分子量のポリアルキレンオキシドや非水溶液系極性溶媒などとの相溶性を増加させる。前記一般式（１）で表される新規の架橋剤において、連結基Ｘの例には、
【外７】

などが含まれる。前記架橋剤は組成物全体中に０．１〜８０重量％含有され、好ましくは５〜６０重量％、さらに好ましくは１０〜５０重量％の範囲で含有される。
【００１５】
ハ）本発明の組成物には、前述したリチウム解離および網目構造形成に役立ち、電解質薄膜の柔軟性を増加させるための柔軟剤として、１官能基をもつ前記一般式（２）で表されるポリアルキレングリコールアルキルエーテルアルキル(メタ)アクリレートが含有される。前記一般式（２）で表される柔軟剤は、イオン伝導性付与および機械的物性調節および可塑剤との相溶性増加などを考慮すると、組成物全体中に０．１〜７０重量％含有され、好ましくは５〜６０重量％、さらに好ましくは１０〜４０％の範囲で含有される。
【００１６】
ニ）本発明の組成物は、リチウム塩解離と伝導度を向上させる可塑剤としてリチウム塩を解離できる前記一般式（３）で表されるポリアルキレングリコールジアルキルエーテルまたは非水溶液系極性溶媒を含有する。一般に、固体高分子電解質の伝導度は添加された可塑剤の含量に大きく依存し、可塑剤の含量が増加するにつれて伝導度が向上すると報告されている。しかし、添加された可塑剤の含量が増加すると、伝導度は向上するが、機械的物性が大きく劣化して薄膜を製造できないか、または電池製造工程に使用しにくくなる。これらの諸般事項を考慮して可塑剤は、組成物全体中に０．１〜７０重量％の範囲で含有され、最大０．１〜８０重量％まで含有可能である。本発明の組成物の場合、可塑剤を７０重量％まで添加しても４０μm以下のフィルムの製造が可能であり、引張り強度は３MPa以上、最大延伸率は３０％以上である。また、９０°や１８０°曲げでも亀裂が生じない、優れた曲げ特性を表した。本発明で可塑剤として用いられる前記一般式（３）で表されるポリアルキレングリコールジアルキルエーテルの例としては、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、ポリエチレングリコールジブチルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジメチルエーテルおよびポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル；ジブチルエーテル末端のポリプロピレングリコール／ポリエチレングリコール共重合体；ポリエチレングリコール／ポリプロピレングリコール／ポリエチレングリコールブロック共重合体がある。他の可塑剤として使用できる非水溶液系極性溶媒の例には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４，４−ジメチル−１，３−ジオキソラン、γ−ブチロラクトン、アセトニトリルなどがある。これらの可塑剤は、製造される固体高分子電解質にイオン伝導性を与えるために、１種または２種以上を混合使用しても良い。
【００１７】
ホ）本発明の組成物には硬化型開始剤が含有されるが、開始剤成分には光開始剤と熱開始剤のいずれも使用できる。光硬化型開始剤の例としては、エチルベンゾインエーテル、イソプロピルベンゾインエーテル、アルファメチルベンゾインエチルエーテル、ベンゾインフェニルエーテル、アルファアシルオキシムエステル、アルファ，アルファ−ジエトキシアセトフェノン、１，１−ジクロロアセトフェノン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン[チバガイギー（Ciba Geigy）社のダロキュア(Darocure)１１７３]、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン[Ciba Geigy社のイルガキュア(Irgacure)１８４]、ダロキュア１１１６、イルガキュア９０７などと、アントラキノン、２−エチルアントラキノン、２−クロロアントラキノン、チオキサントン、イソプロピルチオキサントン、クロロチオキサントン、ベンゾフェノン、ｐ−クロロベンゾフェノン、安息香酸ベンジル、安息香酸ベンゾイル、ミヒラーケトン（Michler’s ketone）などがある。熱硬化型開始剤としてはアゾイソブチロニトリル系、ぺルオキシド系などがある。これらの熱開始剤は、組成物全体中に０．５〜５．０重量％の範囲で含有され、その含有量は、同時に含有される各種オリゴマーまたはポリマーとの混合比率に従って適宜調節できる。
【００１８】
一方、本発明による固体高分子電解質組成物中に含まれる前記一般式（１）で表される架橋剤において、下記一般式（１ａ）で表される架橋剤は固体高分子電解質製造に使用されたことのない新規物質であり、本発明は下記一般式（１ａ）で表される新規架橋剤を含む。
【化９】

（式中、Ｘは
【外８】

を表し、Ｘ₁は各々炭素数１〜１０の鎖状若しくは分枝状アルキル基またはハロゲン原子で置換されたハロアルキル基を表し、Ｒ、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄、Ｒ₅、Ｒ₆、Ｒ₇、Ｒ₈、ｊ、ｐ、ｑおよびｒは各々前記定義した通りである。）
【００１９】
本発明による前記一般式（１ａ）で表される新規の架橋剤は次の反応式（１）の製造方法によって合成できる。
【化１０】

（式中、Ｌはハロゲン原子またはメタンスルホネート基を表し、ｎおよびｍは各々０〜２０の整数を表し、Ｘ、Ｒ、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄、Ｒ₅、Ｒ₆、Ｒ₇、Ｒ₈、ｊ、ｐ、ｑおよびｒは各々前記一般式（１）で定義した通りである）。
【００２０】
前記反応式（１）によれば、まず塩基触媒の存在の下で４−ヒドロキシフェニル誘導体とアルキレンオキシドを開環重合するか、または容易に置換される官能基(Ｌ)で置換されたポリアルキレングリコールと結合反応させて４−ポリアルキレンオキシドフェニル誘導体を合成する。その後、塩基触媒の存在の下で合成した４−ポリアルキレンオキシドフェニル誘導体と塩化アルキルアクリロイルとを反応させて本発明が目的とする前記一般式（１ａ）で表される架橋剤を合成する。前記反応式（１）による製造方法は公知の方法であって、当業者なら容易に合成可能である。
【００２１】
次いで、前述の固体高分子電解質組成物を用いて固体高分子電解質フィルムを製造する工程を説明する。まず、リチウム塩、柔軟剤、可塑剤化合物を適正比率で容器に入れ、攪拌機で攪拌して溶液を製造した後、架橋剤を添加して混合する。この混合液に硬化型開始剤を添加し攪拌すると、固体高分子電解質製造用の組成物混合液が製造される。製造された溶液を適正な厚さで、ガラス板、テフロン（登録商標）、ポリオレフィンまたは商業用Mylarフィルムなどの保持体の上にコーティングして、電子線、紫外線、カンマ線などの照射機または加熱条件で硬化反応させる。一定厚さのフィルムを得るための他の製造方法には、前記保持体上に組成物混合液を塗布し、保持体の両端に厚さ調節用のスペーサ(spacer)を固定した後、その上を他の保持体で覆い、前記硬化用照射機または熱源を用いて硬化反応させて、固体高分子電解質フィルムを製造する。
【００２２】
また、本発明は、前記固体高分子電解質組成物を用いて製造したリチウム−ポリマー二次電池を提供する。陽極 (＋)はリチウムイオンが挿入した金属酸化物／導電材／バインダーから製造し、陰極 (−)はカーボン活物質／導電材／バインダー、リチウムメタルまたはリチウムメタルアロイなどで製造して使用することによって、リチウム−ポリマー二次電池が構成できる。この際、リチウム金属酸化物としてはリチウムマンガン酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムバナジウム酸化物、これらの複合系金属酸化物、遷移金属で一部置換された金属酸化物および活物質内の酸素(Ｏ)やフッ素(Ｆ)が硫黄(Ｓ)などの化合物で置換された形態の化合物が含まれる。そして、カーボン活物質にはコークス系列の非晶質カーボン類、天然黒鉛、微細繊維状またはビーズ状のメソカーボンなどの黒鉛系、スズ系およびこれらを処理した化合物などが含まれる。リチウム−ポリマー二次電池の全製造工程は常温のアルゴン雰囲気の下で行われる。
【００２３】
以上に説明したように、本発明による固体高分子電解質組成物は、架橋剤自体の化学的、構造的特性により機械的物性が補強され、ポリエチレンオキシドのソフトセグメントが架橋剤の末端に導入されることによって、電解質薄膜の柔軟性を増大させる構造を有し、物性補強と伝導度向上の二つの機能が複合された特性を有するため、機械的強度とイオン伝導特性などの物性が向上し、リチウム−ポリマー二次電池に使用する上で好都合である。
【００２４】
【実施例】
このような本発明を次の実施例に基づいてさらに詳しく説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。
（製造例１）：１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタントリアクリレート(EO/phenol=2; TEPTA 2EO)の合成
【化１１】

三口フラスコに１，１，１−トリス(４−ヒドロキシフェニル)エタン(5 g、 0.016mol)、 K₂CO₃(10.15 g、 0.073 mol)と150mlの精製されたDMＦを入れ、窒素雰囲気の下で攪拌しながら、３０mlの精製されたＤＭＦに溶解した２−(２−クロロエトキシ)エタノール(7.32ｇ、0.049mol)を徐々に滴下した。８０〜９０℃の反応温度で約２４時間反応させた後、常温に冷却して残留物をろ過し、反応溶媒のＤＭＦは減圧蒸留して除去した。残った生成物をクロロホルムに溶かして蒸留水で抽出し、クロロホルム層をさらに減圧下で蒸発させた。減圧下で蒸発させた後に残った生成物を、酢酸エチル／メチルアルコール(10／1)を展開溶媒としてシリカカラムで精製し、１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタン6.24ｇを得た(収率６７％)。
¹H-NMR δ(ppm) 2.02(s, 3H), 3.59(q, 6H), 3.68(q, 6H), 3.78(q, 6H), 4.04(t, 6H), 6.70(d, 6H), 6.92(d, 6H); ¹³C-NMR δ(ppm) 30.77, 50.64, 61.82, 67.35, 69.75, 72.59, 113.78, 129.67, 142.12, 156.67
三口フラスコ中で合成された１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタン(1 g、0.00175mol)、トリエチルアミン(0.556 g、0.0055 mol)をクロロホルム100mlに溶解した後、０℃で攪拌しながら、クロロホルムに溶解した塩化アクリロイル(0.476ｇ、0.00526mol)を滴下した。約２時間反応の後、溶媒および未反応トリエチルアミンと塩化アクリロイルを減圧下で蒸発させ完全に除去し、酢酸エチル／へキサン(2／1)の展開溶媒を用いてシリカカラムで精製して0.64ｇの１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタントリアクリレート(EO／phenol=2; TEPTA 2EO)を得た(収率５０％)。
¹H-NMR δ(ppm) 2.09(s, 3H), 3.84(m, 12H), 4.11(q, 6H), 4.34(q, 6H), 5.84(d, 3H), 6.17(q, 3H), 6.40(d, 3H), 6.79(d, 6H), 6.96(m, 6H); 13C-NMR δ(ppm) 31.13, 50.98, 64.05, 67.73, 69.68, 70.12, 114.14, 128.64, 129.98, 131.46, 142.41, 157.09, 166.55
【００２５】
（製造例２）：１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタントリアクリレート(EO/phenol=5) (TEPTA 5EO)の合成
【化１２】

三口フラスコに１，１，１−トリス(４−ヒドロキシフェニル)エタン(5 g、0.016mol)、 KOH(2.69 g、0.048 mol)と150mlの精製されたイソプロパノールを入れ、１００℃、窒素雰囲気の下で反応物が完全に溶けてオレンジ色になるまで攪拌した。常温に冷却して白色の結晶を得た。この結晶をろ過し、ヘプタンで洗浄した後、５０℃で真空乾燥することによって１，１，１−トリス(４−ヒドロキシフェニル)エタンカリウム塩5.9ｇを得た(収率８６％)。
¹H-NMR δ(ppm) 1.07(s,3H), 6.3(d,6H), 6.6(d,6H);¹³C-NMR δ(ppm) 30.03, 50.01, 117.41, 129.98,138.35, 161.86高圧反応器に、合成された１，１，１−トリス(４−ヒドロキシフェニル)エタンカリウム塩(1 g、2.38mmol)、精製されたDMF150mlを入れて攪拌しながら、１００℃、６気圧でエチレンオキシド(1.57g、0.0357mol，ｎ＝５基準)を注入して２時間攪拌した後、常温に冷却した。常温で酢酸(0.428ｇ)により中和した。反応混合物を減圧蒸留してDMFおよび酢酸を除去し、クロロホルムと水で余分の酢酸を除去して１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタン(EO／phenol＝５)2.1ｇを得た(収率９１％)。
¹H-NMR δ(ppm) 2.09(s, 1H), 3.70(m, 30H), 3.84(m, 15H), 4.09(m, 15H),
6.7(d, 6H), 6.95(d, 6H)
三口フラスコ中で１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタン(EO／phenol＝5)(1g、1.0mmol)、トリエチルアミン(0.2138g)をクロロホルム100mlに溶解させた後、０℃で攪拌しながら塩化アクリロイル(0.281g、3.1mmol)を滴下した。約２時間反応させた後、沈澱物をろ過し、酢酸エチル展開溶媒を用いてシリカカラムで精製し、１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタントリアクリレート(EO／phenol＝5)(TEPTA 5EO)0.82ｇを得た(収率７３％)。
¹H-NMR δ(ppm) 2.09(s, 3H), 3.84(m, 41H), 4.11(q, 6H), 4.34(q, 6H), 5.84(d, 3H), 6.17(q, 3H), 6.40(d, 3H), 6.79(d, 6H), 6.96(m, 6H);¹³C-NMR δ(ppm) 31.13, 50.98, 64.05, 67.73, 69.68, 70.12, 114.14, 128.64, 129.98, 131.46, 142.41, 157.09, 166.55
【００２６】
（製造例３）：１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタントリアクリレート(EO/phenol=10) (TEPTA 10EO)の合成
反応物の１，１，１−トリス(ヒドロキシフェニル)エタンカリウム塩とエチレンオキシドの量を調節して前記製造例２と同じ方法で１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタントリアクリレート(EO／phenol＝10)(TEPTA 10EO)を合成した。
¹H-NMR δ(ppm) 2.09(s, 3H), 3.84(m, 112H), 4.11(q, 6H), 4.34(q, 6H), 5.84(d, 3H), 6.17(q, 3H), 6.40(d, 3H), 6.79(d, 6H), 6.96(m, 6H); ¹³C-NMR δ(ppm) 31.13, 50.98, 64.05, 67.73, 69.68, 70.12, 114.14, 128.64, 129.98, 131.46, 142.41, 157.09, 166.55
【００２７】
（製造例４）：１，１，１−トリス(４−ポリプロポキシレートフェニル)エタントリアクリレート(PO/phenol=5) (TPPTA 5PO)の合成
【化１３】

反応物の１，１，１−トリス(４−ヒドロキシフェニル)エタンカリウム塩とプロピレンオキシドを使用して前記製造例２と同じ方法で１，１，１−トリス(プロポキシレートフェニル)エタン(PO／phenol＝5)を合成した後、これを使用してアクリル化し、１，１，１−トリス(４−ポリプロポキシレートフェニル)エタントリアクリレート(PO／phenol＝5)(TPPTA 5PO)を合成した。
¹H-NMR δ(ppm) 1.19(d, 45H), 2.09(s, 3H), 3.42〜3.94(m, 40H), 5.10(s, 3H), 5.79(d, 3H), 6.13(q, 3H), 6.39(d, 3H), 6.79(d, 6H), 6.98(d, 6H)
【００２８】
（製造例５）：４，４’−スルホニルジフェニルポリエトキシレートジアクリレート(EO/Phenol=5)(SPEDA 5EO) の合成
【化１４】

４，４’−スルホニルジフェノルを使用して前記製造例２と同じ方法で４，４’−スルホニルジフェニルポリエトキシレートジアクリレート(EO/Phenol=5) (SPEDA 5EO)を合成した。
¹H-NMR δ(ppm) 2.09(s, 3H), 3.84(m, 30H), 4.11(q, 6H), 4.34(q, 6H), 5.84(d, 3H), 6.17(q, 3H), 6.40(d, 3H),7.25(d, 4H), 8.20(d, 4H); ¹³C-NMR δ(ppm) 31.13, 50.98, 64.05, 67.73, 69.68, 70.12, 114.54, 129.64, 132.98, 131.46, 142.41, 163.09, 166.55
【００２９】
（製造例６）：ビスフェノルＡポリエトキシレートジアクリレート(EO/Phenol=5) (BPADA 5EO)の合成
【化１５】

三口フラスコ中でビスフェノルＡポリエトキシレート(EO／phenol＝５)(1g、15mmol)、トリエチルアミン(0.302 g, 3 mmol)を塩化メチレン１００mlに溶解させた後、０℃で攪拌しながら塩化アクリロイル(0.27 g, 3 mmol)を滴下した。約２時間反応の後、沈殿物をろ過し、溶媒を減圧下で蒸発させた。黄色の粘性を帯びた液体生成物をクロロホルムに溶かして水で数回抽出した。クロロホルム層を分離してMgSO_４で乾燥した後、減圧下で蒸発させ、約1.16ｇのビスフェノールＡポリエトキシレートジアクリレート(EO/Phenol=5) (BPADA 5EO)を得た(収率９３％)。
¹H-NMR δ(ppm) 1.55(s, 6H), 3.65(m, 25H), 3.77(t, 5H), 4.02(t, 5H), 4.24(t, 5H), 5.75(d, 2H), 6.09(q, 2H), 6.35(d, 2H), 6.73(d, 4H), 7.04(d, 4H); ¹³C-NMR δ(ppm) 31.42, 42.05, 64.09, 67.69, 69.49, 70.16, 71.01, 71.18, 114.30, 128.07, 128.67, 131.4, 143.68, 156.95, 166.55
【００３０】
（実施例１）：イオン伝導度実験
（伝導薄膜の製造）
前記製造例２で合成された１，１，１−トリス(４−ポリエトキシレートフェニル)エタントリアクリレート(EO/Phenol=5, "TEPTA 5EO") 1 gと1.551 gのポリエチレングリコールモノメタクリレートモノメチルエーテル(分子量400, "PEGM 400")と2.551 gのポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(分子量250, "PEGDMe 250")および0.06 gのジメトキシフェニルアセトフェノン ("DMPA")を混合した。この混合物に0.71 gのリチウムトリフルオロメタンスルホネート(CF₃SO₃Li)を添加し、混合物をバンド状の伝導性ガラス基板上に塗布した後、窒素気流の下で約３０分間350nmの波長の紫外線を照射した。この光照射で、透明で接着力に優れた高分子薄膜が製造された。
【００３１】
（イオン伝導度実験）
イオン伝導度は、固体高分子電解質組成物をバンド状の伝導性ガラス基板又はリチウム−銅ホイル上にコーティングした後、光硬化して重合させ、十分乾燥した後、窒素雰囲気の下でバンド状又はサンドイッチ状の電極間のＡＣインピーダンスを測定し、測定値を周波数応答分析機で分析して複素インピーダンスを解析する方法で求めた。バンド状の電極は、幅0.5 〜 2 mmの間のマスキングテープを距離0.5 〜 2 mm程度の間隔で伝導性ガラス(ITO)の中央に付着させ、エッチング溶液に入れてエッチングした後、洗浄、乾燥して使用した。
前述の方法によって電解質の組成を変化させて製造した固体高分子電解質薄膜各々に対して、常温におけるイオン伝導度を測定した結果を次の表１に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
可塑剤としてPEGDMeの代わりにエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボーネート(DMC)とが１：１で混合された溶液に1M LiPF₆が溶解した電解質溶液を使用し、前述の方法によって電解質の組成を変化させて製造した固体高分子電解質薄膜各々に対して、常温におけるイオン伝導度を測定した結果を次の表２に示す。
【００３４】
【表２】

【００３５】
架橋剤として１，１，１−トリス(４−エトキシレートフェニル)エタントリアクリレート(EO/Phenol=5) ("TPPEA 5EO")の代わりにビスフェノルＡポリエトキシレートジアクリレート(EO/Phenol=5) ("BPADA 5EO")を使用し、前記方法によって電解質の組成を変化させて製造した固体高分子電解質薄膜各々に対して、常温におけるイオン伝導度を測定した結果を次の表３および表４に各々示す。
【００３６】
【表３】

【００３７】
【表４】

【００３８】
（実験例２）：架橋剤による電解質薄膜の引張り強度および柔軟性
架橋剤として前記製造例１〜６で合成されたTEPTA 2EO、TEPTA 5EO、 TEPTA 10EO、 TPPTA 5PO、 SPEDA 5EO、 BPADA 5EO、およびBPADA 2EOを各々使用して製造した固体高分子電解質薄膜の伝導度、引張り強度および曲げ特性を調べた。電解質組成に使用した混合物は、架橋剤10 gと15.51 gのポリエチレングリコールモノメタクリレートモノメチルエーテル(分子量400、"PEGM 400")と25.51 gのポリ(エチレングリコール)ジメチルエーテル(分子量250、"PEGDMe 250")と0.6 gのジメトキシフェニルアセトフェノン("DMPA") および 7.1 gのリチウムトリフルオロメタンスルホネート(CF₃SO₃Li)を混合した組成物を使用した。引張り強度はInstron社の引張り強度測定機を使用し、使用した薄膜の厚さは約100μmであった。薄膜の柔軟性はφ＝3 mmの棒を90°又は180°曲げて亀裂が生ずるか否かを観察し、この際の薄膜の厚さは約100μmであった。薄膜の伝導度、引張り強度および曲げ特性を次の表５に示す。
【００３９】
【表５】

【００４０】
一方、既知の架橋剤であるポリエチレングリコールジメタクリレート(分子量400, "PEGDMA 400")とトリス(２−アクリロイルオキシエチル)イソシアヌレート("TAcEI")を使用し、PEGDMe 250の使用量を変化させて固体高分子電解質薄膜を製造し、常温における伝導度および引張り強度を測定した。結果を次の表６に示す。表６において、PEGDA 400を架橋剤として使用した場合、PEGDMe 250の含量が50%以下の組成で薄膜が得られたが、それ以上の組成では薄膜が得られなかった。TAcEIを架橋剤として使用した場合にはPEGDMe 250含量が70%までの組成で薄膜が得られたが、引張り強度および柔軟性は本発明の架橋剤を使用した場合に比べて著しく劣化した。
【００４１】
【表６】

【００４２】
架橋剤としてBPADA 2EOを使用し、PEGM 400を添加せず、PEGDMe 250の含量を変化させて固体高分子電解質薄膜を製造し、常温における伝導度および引張り強度を測定した。結果を次の表７に示す。表７によれば、PEGDMe 250の含量が30重量%以下の場合には使用した電解質塩がよく溶解せず、PEGDMe 250含量が70重量%以上の場合には相分離が起こって伝導度が減少した。また、引張り強度および柔軟性もPEGMを添加した場合に比べて劣化した。
【００４３】
【表７】

【００４４】
（実験例３）：電気化学的安定性
1cmｘ1cmの大きさのステンレス電極上に前記実験例１のような方法で直接固体高分子電解質薄膜を製造し、これをリチウム金属の間にサンドイッチした後、真空包装して電気化学的安定性測定用セルを製造した。電気化学的安定性は線形注射電位法を用いて−0.3〜5.5 Vの範囲を1 mV/secの速度で測定した。この結果を図１に示す。測定結果から−0.3〜0.2Vの範囲にリチウムの可逆的酸化／還元が見つかり、また、4.75 V 以下では電解質を分解する電流は殆どなかった。これにより製造された高分子電解質はリチウム基準電極で4.75 Vまで電気化学的に安定であり、リチウム−高分子電池用電解質として十分な電気化学的安定性をもつことが確認された。
【００４５】
【発明の効果】
以上に述べてきたように、本発明が固体高分子電解質組成成分として使用する架橋剤は、連結分子中心にフェニルアルキレングリコールアクリレートが２個以上導入された構造をもっており、このような架橋剤が導入された固体高分子電解質は、３次元網目構造を成し、２個以上のベンゼン分子をもつハードセグメントが架橋中心をなしているため、電解質は延伸又は曲げなどの機械的物性が大きく向上し、且つ、鎖状または分枝状のポリマー鎖間の距離を規則的に保持することができる。また、架橋剤の末端部分にはソフトセグメントとしてポリアルキレンオキシドが結合しており、可塑剤として添加された低分子量のポリアルキレンオキシドや非水溶液系極性溶媒との相溶性が増加し、電解質薄膜の柔軟性を向上させる。要するに、本発明の固体高分子電解質組成物は物性補強と伝導度向上の二つの機能を複合した特性をもっており、機械的強度とイオン伝導特性などの物性が補強されるため、リチウム−ポリマー二次電池に有効に使用できる。
本発明は当分野で通常の知識をもつ者によって単純な変形または変更が可能であり、これらの変形や変更は全て本発明の範囲内に含まれるものと言える。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の架橋型固体高分子電解質の電気化学的安定性を評価したグラフである。

Claims

i）リチウム塩３〜３０重量％と、
ii）下記一般式（１）で表される架橋剤０．１〜８０重量％と、
iii）下記一般式（２）で表されるポリアルキレングリコールアルキルエーテルアルキル(メタ)アクリレート０．１〜７０重量％と、
iv）下記一般式（３）で表されるポリアルキレングリコールジアルキルエーテルおよび非水溶液系極性溶媒の中から選択された単独又は２種以上の混合物０．１〜８０重量％と、
v）硬化型開始剤０．５〜５重量％と
を含むことを特徴とするポリアルキレンオキシド系固体高分子電解質組成物。

（式中、Ｘは
【外１】

を表し、この際、Ｘ ₁ は各々炭素数１〜１０の鎖状若しくは分枝状アルキル基またはハロゲン原子で置換されたハロアルキル基を表し、Ｒは炭素数１〜１０の鎖状または分枝状アルキル基を表し、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄、Ｒ₅、Ｒ₆およびＲ₇は各々水素原子またはメチル基を表し、Ｒ₈、Ｒ₉およびＲ₁₀は各々炭素数１〜１０の鎖状または分枝状アルキル基を表し、ｊは３であり、ｐ、ｑおよびｒは各々０〜２０の整数であり、但し、一般式（２）及び一般式（３）中のｐ、ｑおよびｒは同時に０となることはない。）
前記i）のリチウム塩がLiClO₄、LiCF₃SO₃、LiBF₄、LiPF₆、LiAsF₆およびLi(CF₃SO₂)₂Nからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のポリアルキレンオキシド系固体高分子電解質組成物。
前記請求項１のポリアルキレンオキシド系固体高分子電解質組成物が硬化されてなることを特徴とする固体高分子電解質フィルム。
下記一般式（１ａ）で表されることを特徴とする請求項１に記載のポリアルキレンオキシド系固体高分子電解質組成物用架橋剤。

（式中、Ｘは
【外３】

を表し、Ｘ₁は各々炭素数１〜１０の鎖状若しくは分枝状アルキル基またはハロゲン原子で置換されたハロアルキル基を表し、Ｒ、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄、Ｒ₅、Ｒ₆、Ｒ₇、Ｒ₈、ｊ、ｐ、ｑおよびｒは各々請求項１での定義と同様である。）