JP3748995B2 - Polymer solid electrolyte and use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子を含む高分子固体電解質及びその製造方法、該高分子固体電解質を用いた非水電池及びその製造方法、並びに該高分子固体電解質を用いた非水電気二重層コンデンサ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
アイオニクス分野でのダウンサイジング、全固体化という流れの中で、従来の電解質溶液にかわる新しいイオン伝導体として、固体電解質を用いた全固体一次電池や二次電池及び電気二重層コンデンサ等の電気化学素子への応用が盛んに試みられている。
すなわち、電解質溶液を用いた電気化学素子では、部品外部への液漏れあるいは電極活物質の溶出などが発生しやすいために長期信頼性に問題があるのに対して、固体電解質を用いた製品はそのような問題がなく、また薄型化することも容易である。さらに固体電解質は耐熱性にも優れており、電池などの製品の作製工程においても有利である。
特に高分子化合物を主成分とした高分子固体電解質を使用したものは、無機物に比較して、電池の柔軟性が増し、種々の形状に加工できるというメリットがある。しかしながら、これまで検討されてきたものは、高分子固体電解質のイオン伝導度が低いため、取り出し電流が小さいという問題を残していた。
【0003】
最近、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、MoS2等の金属酸化物、金属硫化物を正極に用い、リチウム、リチウム合金、リチウムイオンを吸蔵放出できる炭素材料や無機化合物、高分子化合物を負極に用いたリチウム二次電池が多く研究されている。例えば、ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサイエティ(J. Electrochem. Soc.),第138巻(第3号),665頁(1991年)にはMnO2あるいはNiO2を正極とする電池が報告されている。これらは、重量当りもしくは体積当りの容量が高く、注目されている。
さらに、近年、メモリーバックアップ電源用などに、活性炭、カーボンブラックなど比表面積の大きい炭素材料を分極性電極として、その間にイオン伝導性溶液を配置する電気二重層コンデンサが多用されてきている。例えば、機能材料,1989年2月号33頁には、炭素系分極性電極と有機電解液を用いたコンデンサが記載され、第173回エレクトロケミカルソサイエティ・ミーティング・アトランタ・ジョージア,1988年5月号(第18号)には、硫酸水溶液を用いた電気二重層コンデンサが記載されている。
また、特開昭 63-244570号公報には、高電気伝導性を有するRb2Cu3I3 Cl7を無機系固体電解質として用いるコンデンサが開示されている。
【0004】
しかしながら、現在の電解質溶液を用いた電池や電気二重層コンデンサでは、長期間の使用や高電圧が印加される場合などの異常時には、電池やコンデンサの外部への液漏れなどが発生し易いために長期使用や信頼性に問題がある。一方、従来の無機系イオン伝導性物質を用いた電池や電気二重層コンデンサは、イオン伝導性物質の分解電圧が低く、出力電圧が低いという問題や、電解質と電極との界面形成が難しく、製造加工等の問題があった。
【0005】
さらに、特開平4-253771号には、ポリホスファゼン系高分子化合物を電池や電気二重層コンデンサのイオン伝導性物質として用いることを提示しており、このような高分子化合物を主成分とした固体イオン伝導性物質を使用したものは、無機系イオン伝導性物質に比較して出力電圧が高く、種々の形状に加工でき、封止も簡単であるというメリットがある。しかしながら、この場合では、高分子固体電解質のイオン伝導度が10-4〜10-6S/cm程度と充分なものではなく、取り出し電流が小さいという欠点があった。また、固体電解質を分極性電極とともにコンデンサに組み立てる場合には、固体同士の混合であることから、比表面積の大きい炭素材料に均一に複合するのが難しいという問題もあった。
【0006】
一般的に検討されている高分子固体電解質のイオン伝導度は、室温における値で10-4〜10-5S/cm位まで改善されたものの、液体系イオン伝導性物質に比較するとなお2桁以上低いレベルにとどまっている。また、0℃以下の低温になると、一般に極端にイオン伝導性が低下する。さらに、これらの固体電解質を電気二重層コンデンサ等の素子の電極と複合して組み込む場合や、これらの固体電解質を薄膜にして電池に組み込む場合、電極との複合化や接触性確保等の加工技術が難しく製造法でも問題点があった。
これら高分子固体電解質の例として、ブリティッシュ・ポリマー・ジャーナル(Br. Polym. J.),第319巻,137頁(1975年)には、ポリエチレンオキサイドと無機アルカリ金属塩との複合物がイオン伝導性を示すことが記載されているが、その室温でのイオン伝導度は10-7S/cmと低い。
【0007】
最近、オリゴオキシエチレンを側鎖に導入した櫛型高分子化合物が、イオン伝導性を担っているオキシエチレン鎖の熱運動性を高め、イオン伝導性が改良されることが多数報告されている。例えば、ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリイ(J. Phys. Chem.),第89巻,987頁(1984年)には、ポリメタクリル酸の側鎖にオリゴオキシエチレンを付加したものにアルカリ金属塩を複合化した例が記載されている。
さらに、ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ(J. Am. Chem. Soc.),第106巻,6854頁(1984年)には、オリゴオキシエチレン側鎖を 有するポリホスファゼンにアルカリ金属塩を複合化した例が記載されているが、イオン伝導度は10-5S/cm程度とまだ不十分であった。
【0008】
米国特許4357401号には、ヘテロ原子を含有する架橋ポリマーとイオン化可能 な塩からなる高分子固体電解質が、結晶性が低下しガラス転移点が低く、イオン伝導度を改善することが報告されているが、10-5S/cm程度とまだ不十分であった。
ジャーナル・オブ・アプライド・エレクトロケミストリィ(J. Appl. Electrochem.),第5巻,63〜69頁(1975年)に記載されているように、ポリアクリロニトリルやポリフッ化ビニリデンゲル等の架橋高分子化合物に溶媒及び電解質を加えた、いわゆる高分子ゲル電解質は高イオン伝導度となることが報告されている。また、特公昭58-36828号にはポリメタクリル酸アルキルエステルに溶媒及び電解質を加えた同様の高分子ゲル電解質は高イオン伝導度となることが報告されている。
【0009】
しかしながら、これら高分子ゲル電解質は高イオン伝導度であるが、流動性を付与することとなるため完全な固体としては取り扱えず、膜強度や成膜性に劣り、電気二重層コンデンサや電池に応用すると短絡が起こり易いうえ、液体系イオン伝導性物質同様に封止上の問題が発生する。
【0010】
一方、米国特許4792504号には、ポリ酸化エチレンの連続ネットワーク中に金 属塩及び非プロトン性溶剤からなる電解液が含浸された架橋系高分子固体電解質を用いることにより、イオン伝導度が改善されることが提案されている。しかしながら、イオン伝導度は10-4S/cmとまだ不十分であり、溶剤が添加されたため、膜強度が低下するという問題が生じた。
特公平3-73081号、米国特許4908283号には、ポリエチレングリコールジアクリレート等のアクリロイル変性ポリアルキレンオキシド/電解質塩/有機溶媒からなる組成物に紫外線等の活性光線を照射することにより、高分子固体電解質を形成する方法が開示され、重合時間を短縮する試みがなされている。
【0011】
また、米国特許4830939号、特開平5-109310号にも架橋性のポリエチレン性不 飽和化合物/電解質塩/活性光線不活性溶媒からなる組成物を紫外線や電子線等の放射線照射することにより、電解液を含んだ高分子固体電解質を形成する同様の方法が開示されている。これらの系では高分子固体電解質中の電解液を増量したため、イオン伝導度は向上したが、まだ不十分であり、また膜強度は悪化する傾向にある。
【0012】
ソリッド・ステート・アイオニクス,1982年第7号,75頁には高分子固体電解質であるLiClO4/ポリエチレンオキサイド複合体にさらにアルミナ粒子 を複合させることにより、イオン伝導度が低下することなく高分子固体電解質の強度改善が達成できることが報告されている。
また、特開平4-245170号には表面を疎水化処理した無機化合物を含む高分子固体電解質薄膜は強度が改善され、大面積化による微短絡を生じないことが開示され、特開平5-314995号には絶縁性無機粉体を5〜60%の体積分率で含むリチウム系高分子固体電解質はイオン伝導度及びカチオン輸率に優れ、加工性、薄型化および大面積化が容易であることが記載されている。
さらに、特開平6-140052号には、ポリアルキレンオキサイド/イソシアネート架橋体/無機酸化物複合体に非水電解液を含浸させた固体電解質が提案されており、電解液含有高分子固体電解質の強度アップが図られている。
しかしながら、これら複合高分子固体電解質では、無機化合物の適正化、及び高分子自身の特性が不十分であり、イオン伝導度、加工性、安定性の点で実用化にはまだ問題が残っていた。
【0013】
本発明者らはすでにウレタン結合を有するオキシアルキレン基を含有する(メタ)アクリレートプレポリマーから得られる重合体及び電解質からなる複合体を用いたイオン伝導性の高分子固体電解質を提案した (特開平6-187822号)。この高分子固体電解質のイオン伝導度は、溶媒未添加で10-4S/cm(室温)と高いレベルであり、さらに溶媒を添加すると、室温またはそれより低温であっても10-3S/cm以上となり、また膜質も良好で自立膜として得られる程度に改善された。また、このプレポリマーは重合性が良好で、電池に応用する場合、プレポリマー状態で電池に組込んだ後に重合し、固体化できるという加工上のメリットもあった。
【0014】
しかしながら、これらの系も電池等のセパレータとして使用するには膜強度が不十分で、工業的に取扱いにくいという問題があった。また、水分、電解質塩の分解物、電極材料不純物等の電池系内の微量の不純物により高分子化合物、特に高温でオキシアルキレン部位が劣化しやすく、電池寿命に影響するという問題点もあった。
また、電池や電気二重層コンデンサに応用すると高電流放電時の容量低下が大きいという問題点を有していた。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、溶媒添加系で数十μm程度の薄膜とした場合にも強度が良好で、室温、低温でのイオン伝導度が高く、加工性、耐熱性、大電流特性に優れた高分子固体電解質及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記高分子固体電解質を使用することにより、薄膜化が容易であり、高容量、高電流で作動でき、信頼性に優れた一次電池及び二次電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、前記高分子固体電解質を利用することにより、出力電圧が高く、取り出し電流が大きく、加工性、信頼性に優れた電気二重層コンデンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、高比表面積で低含水量のマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子を添加することにより、高分子固体電解質の強度及び安定性、特に高温安定性、電流特性が向上することを見出した。また、上記高分子固体電解質を使用することにより、薄膜化が容易であり、高容量、高電流で作動でき、信頼性、安定性に優れた非水一次電池及び二次電池とすることができることを見出した。さらに、上記高分子固体電解質を用いることによって、出力電圧が高く、取り出し電流が大きく、加工性、信頼性、安定性に優れた電気二重層コンデンサが得られることを見出した。
【0017】
以上の知見に基づいて本発明者らは、以下の(1)高分子固体電解質及びその製 造方法、並びに(2)その高分子固体電解質を用いた電池、電気二重層コンデンサ 、及びそれらの製造方法を提供する。
【0018】
1)少なくとも一種の高分子化合物、及び少なくとも一種の電解質塩を含む高分子固体電解質、あるいはさらに少なくとも一種の有機溶媒を含む高分子固体電解質に、BET比表面積が30m2/g以上で、最大粒径が10μm以下、含水量が3000ppm以下であるマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子が0.5重量%から50重量%の範囲で添加されていることを特徴とする高分子固体電解質。
2)高分子化合物が、一般式(1)及び/または一般式(2)
【化8】
(式中、R1及びR2は水素原子またはアルキル基を表わし、R3は炭素数1〜10の直鎖状、分岐状、環状構造のヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基を表わし、xは0または1〜10の整数である。但し、同一分子に複数存在するR1、R2、R3及びxは、それぞれ同一でもよいし、異なってもよい。)で示される重合性官能基を有する少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物の重合体である前記1に記載の高分子固体電解質。
3)電解質塩が、アルカリ金属塩、4級アンモニウム塩、4級ピリジニウム塩、4級ホスホニウム塩から選ばれる前記1または2に記載の高分子固体電解質。
4)有機溶媒がカーボネート系化合物である前記1〜3のいずれかに記載の高分子固体電解質。
5)電解質塩が、LiPF6及び/またはLiBF4及び/またはLiN(CF3SO3)2である前記3に記載の高分子固体電解質。
6)前記1〜5のいずれかに記載の高分子固体電解質を用いることを特徴とする電池。
7)電池の負極として、リチウム、リチウム合金またはリチウムイオンを吸蔵放出できる炭素材料、リチウムイオンを吸蔵放出できる無機酸化物、リチウムイオンを吸蔵放出できる無機カルコゲナイド、リチウムイオンを吸蔵放出できる電導性高分子化合物から選ばれる少なくとも一つの材料を用いることを特徴とする前記6に記載のリチウム電池。
8)イオン伝導性物質を介して分極性電極を配置した電気二重層コンデンサにおいて、イオン伝導性物質が、前記1〜5のいずれかに記載の高分子固体電解質であることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
9)一般式(1)及び/または一般式(2)で示される重合性官能基を有する少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物と、BET比表面積が30m2/g以上で、最大粒径が10μm以下、含水量が3000ppm以下であるマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子と、少なくとも一種の電解質塩とを含む重合性混合物、またはこれに少なくとも一種の有機溶媒が添加された重合性混合物を基材上に配置後、前記重合性混合物を加熱及び/または活性光線照射により硬化させることを特徴とする高分子固体電解質の製造方法。
10)一般式(1)及び/または一般式(2)で示される重合性官能基を有する少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物と、BET比表面積が30m2/g以上で、最大粒径が10μm以下、含水量が3000ppm以下であるマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子と、少なくとも一種の有機溶媒とを含む重合性混合物を基材上に配置後、前記重合性混合物を加熱及び/または活性光線照射により硬化させ、得られた硬化物を電解液と接触させることにより電解質塩を含浸させることを特徴とする高分子固体電解質の製造方法。
11)一般式(1)及び/または一般式(2)で示される重合性官能基を有する少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物と、BET比表面積が30m2/g以上で、最大粒径が10μm以下、含水量が3000ppm以下であるマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子と、少なくとも一種の電解質塩とを含む重合性混合物、またはこれに少なくとも一種の有機溶媒が添加された重合性混合物を電池構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置した後、前記重合性混合物を硬化することを特徴とする電池の製造方法。
12)一般式(1)及び/または一般式(2)で示される重合性官能基を有する少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物と、BET比表面積が30m2/g以上で、最大粒径が10μm以下、含水量が3000ppm以下であるマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子と、少なくとも一種の有機溶媒とを含む重合性混合物を電池構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置した後、前記重合性混合物を硬化させ、得られた硬化物を電解液と接触させることにより電解質塩を含浸させることを特徴とする電池の製造方法。
13)一般式(1)及び/または一般式(2)で示される重合性官能基を有する少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物と、BET比表面積が30m2/g以上で、最大粒径が10μm以下、含水量が3000ppm以下であるマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子と、少なくとも一種の電解質塩とを含む重合性混合物、またはこれに少なくとも一種の有機溶媒が添加された重合性混合物を電気二重層コンデンサ構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置した後、前記重合性混合物を硬化することを特徴とする電気二重層コンデンサの製造方法。
14)一般式(1)及び/または一般式(2)で示される重合性官能基を有する少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物と、BET比表面積が30m2/g以上で、最大粒径が10μm以下、含水量が3000ppm以下であるマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子と、少なくとも一種の有機溶媒とを含む重合性混合物を電気二重層コンデンサ構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置した後、前記重合性混合物を硬化させ、得られた硬化物を電解液と接触させることにより電解質塩を含浸させることを特徴とする電気二重層コンデンサの製造方法。
【0019】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を詳細に説明する。
[高分子固体電解質]本発明の高分子固体電解質は、基本的には主要構成成分である(a)高分子化合物、(b)電解質塩、及び(c)マグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子を含んでなり、さらに(d)有機溶媒を含んでもよい。以下、各成分について詳述する。
【0020】
(a)高分子化合物
本発明の高分子固体電解質の主要構成成分である高分子化合物は非電子伝導性で各種有機極性溶媒を吸液、保持できるものでなければならない。
そのような高分子化合物としては、ポリアルキレンオキシド、ポリアルキルイミン、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ポリフォスファゼン、ポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、ポリアミド、ポリエステル、ポリシロキサン等のヘテロ原子を有する極性の熱可塑性高分子化合物や架橋高分子化合物が挙げられる。特に架橋高分子化合物が、溶媒吸液後の強度が高く、溶媒保持力も高く、さらに粘弾性体であることから、本発明の高分子固体電解質には適している。ここでいう架橋とは、架橋鎖が共有結合で形成されているもの以外に、側鎖がイオン結合や水素結合等で架橋されているもの、各種添加物を介して物理架橋されたものをも含む。
【0021】
上記高分子化合物の中ではポリアルキレンオキシド、ポリウレタン、ポリカーボネート等のオキシアルキレン、ウレタン、カーボネート構造を分子構造内に含むものが、各種極性溶媒との相溶性が良好で、しかも電気化学的安定性も良好であるので好ましい。安定性の面からポリフッ化ビニリデン等のフルオロカーボン基を分子構造内に有するものも好ましい。また、オキシアルキレン、ウレタン、カーボネート、フルオロカーボン基が同一高分子化合物中に含まれていても良い。これらの基の繰り返し数は各々1〜1000の範囲であればよく、5〜100の範囲が好ましい。
【0022】
本発明の高分子固体電解質に用いられる高分子化合物としては、上記高分子化合物の中で一般式(1)及び/または(2)で示される重合性官能基
【0023】
【化9】
(式中、R1及びR2は水素原子またはアルキル基を表わし、R3は炭素数1〜1 0の直鎖状、分岐状、環状構造のヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基を表わし、xは0または1〜10の整数である。但し、同一分子に複数存在するR1、 R2、R3及びxは、それぞれ同一でもよいし、異なってもよい。)
を有する少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物を加熱及び/または活性光線照射により硬化させて得られる高分子化合物が、溶媒や無機酸化物微粒子を含んだ状態で高分子固体電解質を成膜しやすく、膜強度が良好であり、また、各種電気化学素子に用いられる電極との複合が容易で有り好ましい。
【0024】
一般式(1)で示される基を有する重合性化合物を合成する方法に特に限定はないが、例えば、酸クロライドと末端にヒドロキシル基を有するオリゴオキシアルキレンオールとを以下の工程で反応させることにより容易に得られる。
【化10】
式中、R4は水素原子または炭素数10以下のアルキル基を表わし、R5は炭素数10以下のアルキル基を表わし、mは1〜1000、好ましくは1〜50の範囲の整数である。その他の記号は前記と同じ意味を表わす。
【0025】
一般式(2)で示される基を有する重合性化合物を合成する方法に特に限定はないが、例えば、
【化11】
(式中の記号は前記と同じ意味を表わす。)
で表わされるイソシアネート化合物と末端にヒドロキシル基を有するオリゴオキシアルキレンオールとを反応させることにより容易に得ることができる。
【0026】
具体的方法として、一般式(2)で示される官能基を一つ有する化合物は、例えば、メタクリロイルイソシアナート系化合物(以下、MI類と略記する。)あるいはアクリロイルイソシアナート系化合物(以下、AI類と略記する。)とモノアルキルアルキレングリコールとを、以下の反応式により1:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
【化12】
(式中の記号は前記と同じ意味を表わす。)
【0027】
また、一般式(2)で示される官能基を二つ有する化合物は、例えば、MI類あるいはAI類とオリゴアルキレングリコールとを、2:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
また、一般式(2)で示される官能基を三つ有する化合物は、例えばMI類及び/またはAI類と、グリセリン等の3価アルコールにオリゴアルキレングリコールを付加重合させたトリオールとを、3:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
【0028】
また、一般式(2)で示される官能基を四つ有する化合物は、例えばMI類及び/またはAI類と、ペンタエリスリトール等の4価アルコールにオリゴアルキレングリコールを付加重合させたテトラオールとを4:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
また、一般式(2)で示される官能基を五つ有する化合物は、例えばMI類及び/またはAI類と、α−D−グルコピラノースにオリゴアルキレングリコールを付加重合させたペンタオールとを、5:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
また、一般式(2)で示される官能基を六つ有する化合物は、例えばMI類及び/またはAI類と、マンニットにオリゴアルキレングリコールを付加重合させたヘキサオールとを6:1のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
【0029】
ここで一般式(1)あるいは(2)で示される官能基を1つしか有さない化合物を重合して得られる高分子化合物は、架橋構造を有しておらず、膜強度不足のため、薄膜にすると短絡する危険が大きい。従って、一般式(1)あるいは(2)で示される官能基を2つ以上有する重合性化合物と共重合し、架橋させるか、一般式(1)あるいは(2)で示される官能基を2つ以上有する重合性化合物から得られる高分子化合物と併用する方が好ましい。
これら高分子化合物を薄膜として使用する場合、その強度から考慮して、1分子中に含まれる一般式(1)あるいは(2)で示される官能基の数は、3つ以上がより好ましい。
【0030】
また前記一般式(2)で示される重合性官能基を有する化合物を重合して得られる高分子化合物は、ウレタン基を含んでおり、誘電率が高くなり、高分子固体電解質とした場合のイオン伝導度が高くなるため好ましい。さらに一般式(2)で示される重合性官能基を有する化合物は重合性が良好で、薄膜にしたときの膜強度も大きく電解液の包含量が多くなり好ましい。
【0031】
本発明の高分子固体電解質の構成成分として好ましい高分子化合物は、一般式(1)及び/または一般式(2)で示される官能基を有する化合物の単独重合体であっても、該カテゴリーに属する2種以上の共重合体であっても、あるいは該化合物の少なくとも一種と他の重合性化合物との共重合体であってもよい。
【0032】
前記一般式(1)及び/または一般式(2)で示される官能基を有する化合物と共重合可能な他の重合性化合物としては、特に制限はないが、例えば、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N−ジメチルメタクリルアミド、炭酸ビニレン、N−ビニルピロリドン、アクリロイルモルホリン、メタクリロイルモルホリン、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド系化合物、スチレン、α−メチルスチレン等のスチレン系化合物、N−ビニルアセトアミド、N−ビニルホルムアミド等のN−ビニルアミド系化合物、エチルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテルを挙げることができる。
【0033】
本発明の高分子固体電解質に用いる好ましい高分子化合物は、前記一般式(1)及び/または一般式(2)で示される官能基を有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体と、他の高分子化合物との混合物であってもよい。混合する他の高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリブタジエン、ポリメタクリル(またはアクリル)酸エステル類、ポリスチレン、ポリホスファゼン類、ポリシロキサンあるいはポリシラン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のポリマーが挙げられる。
【0034】
共重合体または混合物としたとき前記一般式(1)及び/または一般式(2)で示される官能基を有する化合物由来の構造単位の量は、その他の共重合成分あるいは重合体混合物成分の種類によって異なるが、高分子固体電解質に用いたときのイオン伝導度および膜強度、耐熱性、電流特性を考慮すると、この共重合体または重合体混合物全量に対し40重量%以上含有することが好ましく、さらには60重量%以上含有することが好ましい。
【0035】
一般式(1)及び/または一般式(2)で示される官能基を有する化合物の重合は、官能基であるアクリロイル基もしくはメタクリロイル基の重合性を利用した一般的な方法により行なうことができる。すなわち、これら化合物単独、あるいはこれら化合物と他の前記共重合可能な重合性化合物の混合物に、アゾビスイソブチロニトリル、ベンゾイルパーオキサイド等のラジカル重合触媒、CF3C OOH等のプロトン酸、BF3、AlCl3等のルイス酸等のカチオン重合触媒、あるいはブチルリチウム、ナトリウムナフタレン、リチウムアルコキシド等のアニオン重合触媒を用いて、ラジカル重合、カチオン重合あるいはアニオン重合させることができる。また、重合性化合物によっては無酸素状態で加熱のみでラジカル重合することも可能である。また、重合性化合物あるいは重合性混合物は膜状等の形に成形後、重合させることも可能である。
【0036】
(b)電解質塩
本発明で用いる電解質塩の種類は特に限定されるものではなく、電荷でキャリアーとしたいイオンを含んだ電解質塩を用いればよいが、高分子固体電解質中での解離定数が大きいことが望ましく、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、 LiPF6、LiClO4、LiI、LiBF4、LiSCN、LiAsF6、NaCF3SO3、NaPF6、NaClO4、NaI、NaBF4、NaAsF6、KCF3SO3、KPF6、KI等のアルカリ金属塩、(CH3)4NBF4等の4級アンモニウム塩、(CH3)4PBF4等の4級ホスホニウム塩、AgClO4等の遷移金属塩あるいは塩酸、過塩素酸、ホウフッ化水素酸等のプロトン酸が好ましい。
本発明の高分子固体電解質中の電解質塩は複合して用いることができ、その複合比は、高分子化合物の重量に対し、0.1〜50重量%が好ましく、1〜30重 量%が特に好ましい。複合に用いる電解質塩が50重量%以上の比率で存在すると、イオンの移動が大きく阻害され、逆に0.1重量%以下の比率では、イオンの 絶対量が不足となってイオン伝導度が小さくなる。
【0037】
(c)マグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)
本発明の高分子固体電解質はマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子が添加されることに特徴がある。この添加により、高分子固体電解質フィルムの強度、膜厚均一性が改善されるばかりでなく、酸化物微粒子と高分子間に微細な空孔が生じることになり、電解液中に浸漬した場合には空孔を通じて高分子固体電解質内にフリーの電解液が分散し、強度の改善効果を損ねることなく、逆にイオン伝導度、移動度を増加させることもできる。また、マグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子を添加することにより、重合性組成物の粘度が上昇し、高分子化合物と溶媒の相溶性が不十分な場合にもその分離を抑える効果も現われる。
【0038】
また添加するマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子としては、高比表面積で吸着水が低減された表面活性の高いものを使用するので、非水系の電池やコンデンサ系内の不純物(水分、遊離酸、遊離塩基等)を非常によく吸着することができ、封止材料や他の電池材料の劣化を低減することに大きな効果を発揮でき、結果として素子の寿命を改善できる。
【0039】
高分子固体電解質中の電解液の保有量を多くし、イオン伝導性、移動度を増加させるという目的では、無機酸化物の比表面積はできるだけ大きいことが好ましく、BET法で10m2/g以上、さらには30m2/g以上が好ましい。
このような無機酸化物の結晶粒子径としては、重合性組成物と混合できれば特に限定はないが、大きさとしては0.001μm〜10μmが好ましく、0.005μm〜5μmが特に好ましい。
また、形状としては球形、卵形、立方体状、直方体状、円筒ないし棒状等の種々の形状のものを用いることができる。
【0040】
本発明で使用するマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)の具体例としては、キョーワード(協和化学製)等が挙げられる。これらの中でも、マグネシウムとアルミニウムの複合酸化物であるハイドロタルサイト(キョーワード(KW)2000、2200等)が安定性、不純物吸着能の点で優れており、好ましい。無機酸化物の添加量は多すぎると高分子固体電解質の強度やイオン伝導性を低下させたり、成膜がしにくくなるという問題を生じる。従って好ましい添加量は、高分子固体電解質に対して50重量%以下であり、0.1から30重量%の範囲が特に好ましい。
【0041】
本発明のマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子は高分子固体電解質に添加する前に熱処理することが好ましい。熱処理により、酸化物微粒子の表面吸着水を低減し、他材料に拡散する遊離水分を抑えるばかりでなく、逆に他材料の不純物を吸着することができ、素子内の安定性が向上する。熱処理の温度、時間は用いるマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子の形状や種類によって異なるが、100〜1200℃の範囲で2時間〜300時間行なえば良く、200〜800℃の範囲が特に好ましい。
【0042】
熱処理温度はできるだけ高い方が好ましいが、1200℃を越えるとマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子の焼結が進み、また表面の活性も低下するので好ましくない。熱処理時の雰囲気は減圧、空気中、不活性雰囲気中と特に限定されないが、熱処理後は水分等の再吸着を防止するため、露点−30℃以下の雰囲気で取り扱うことが必要で、露点−50℃以下が特に好ましい。このようにして熱処理したマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子の含水量はカールフィッシャー法で定量した場合、3000ppm以下の値になることが必要である。
【0043】
(d)有機溶媒
本発明の高分子固体電解質中に有機溶媒を添加すると、高分子固体電解質のイオン伝導度がさらに向上するので好ましい。使用できる溶媒としては、本発明の高分子固体電解質に用いる高分子化合物との相溶性が良好で、誘電率が大きく、沸点が60℃以上であり、電気化学的安定範囲が広い化合物が適している。
そのような溶媒としては、1,2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、クラウンエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のカーボネート類、ベンゾニトリル、トルニトリル等の芳香族ニトリル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、N−ビニルピロリドン、スルホラン等の硫黄化合物、リン酸エステル類等が挙げられる。これらの中で、エーテル類及びカーボネート類が好ましく、特にカーボネート類が好ましい。
有機溶媒の添加量は、多いほど高分子固体電解質のイオン伝導度が向上する。このため、一般的にはその添加量を増やすことが望ましいが、反面、添加量が多過ぎると高分子固体電解質の機械的強度が低下する。好ましい添加量としては、本発明の高分子固体電解質に用いる高分子重量の2倍から15倍量で、3倍から10倍量以下が特に好ましい。
【0044】
[高分子固体電解質の製造方法]
本発明の高分子固体電解質は、一般式(1)及び/または一般式(2)で示される官能基を有する化合物とその他の成分とからなる重合性混合物を調製し、例えばフィルム状に形成した後、重合することにより製造することができる。具体的には、前記一般式(1)及び/または一般式(2)で示される官能基を有する化合物の少なくとも一種と、マグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子と、アルカリ金属塩、4級アンモニウム塩、4級ホスホニウム塩または遷移金属塩のごとき少なくとも一種の電解質塩とを混合し、所望により他の重合性化合物、可塑剤及び/または有機溶媒を添加混合し重合性組成物を調製した後、フィルム状等に成形して、前記触媒の存在下あるいは非存在下に、加熱及び/または活性光線の照射により重合させ、本発明の高分子固体電解質を得る。この方法によれば、加工面での自由度が広がり、応用上の大きなメリットとなる。また、電解質塩は重合性混合物を重合させた後に移行させることも可能である。すなわち、電解質塩を除いた上記重合性組成物を調製して重合させた後、得られた重合物(硬化物)を電解液と接触させることにより電解質塩を含浸させる方法によっても製造可能である。なお、電解液と接触させる方法としては、直接電解液に浸漬する以外にも、電解液を含浸させた電極などと接触させる方法をとることもできる。
【0045】
重合時に溶媒を用いる場合には、重合性化合物の種類や重合触媒の有無にもよるが、重合を阻害しない溶媒であればいかなる溶媒でも良く、例えば、テトラヒドロフラン(THF)、アセトニトリル、トルエン等を用いることができる。
重合させる温度としては、前記一般式(1)及び/または一般式(2)で示される官能基を有する化合物の種類によるが、重合が起こる温度であれば良く、通常は、0℃から200℃の範囲で行なえばよい。
活性光線照射により重合させる場合には、前記一般式(1)及び/または一般式(2)で示される官能基を有する化合物の種類によるが、例えば、ベンジルメチルケタール、ベンゾフェノン等の開始剤を使用して、数mW以上の紫外光またはγ線、電子線等を照射して重合させることができる。
【0046】
また、本発明の高分子固体電解質を薄膜フィルムとして使用する場合、フィルム強度を向上させるために、他の多孔性フィルムとの複合フィルムとすることもできる。ただし、複合するフィルムの種類あるいは量によっては伝導度の低下や安定性の悪化を招くので、適したものを選ぶ必要がある。使用するフィルムとしては、ポリプロピレン製不織布やポリエチレン製ネットのような網状ポリオレフィンシート等の多孔性ポリオレフィンシート、セルガード(商品名)等のポリオレフィン製マイクロポーラスフィルム、ナイロン不織布等が挙げられ、中でも多孔性ポリオレフィンフィルムが好ましい。また、その空孔率としては、10〜95%程度あればよいが、強度の許す限りできるだけ空孔率の大きいものが良く、好ましい空孔率は40〜95%の範囲である。
複合方法には特に制限はないが、例えば、一般式(1)及び/または一般式(2)で表わされる官能基を有する化合物の少なくとも一種と高比表面積で低含水量の特定のマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子の混合物に少なくとも一種の電解質塩、場合によっては、さらに他の重合性化合物及び/または可塑剤及び/または溶媒を添加混合した重合性組成物を多孔性ポリマーフィルムに含浸後、(メタ)アクリロイル系化合物を重合する方法に付すことにより、均一に複合でき、膜厚の制御も簡便である。
【0047】
[電池及びその製造方法]
本発明の電池として、薄膜二次電池の一例の概略断面図を図1に示す。図中、1は正極、2は高分子固体電解質、3は負極、4は集電体、5は絶縁性樹脂封止剤である。
本発明の非水電池の構成において、正極1に金属酸化物、金属硫化物、導電性高分子あるいは炭素材料のような高酸化還元電位の電極活物質(正極活物質)を用いることにより、高電圧、高容量の電池が得られるので好ましい。このような電極活物質の中では、充填密度が高く体積容量密度が高くなるという点で、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化バナジウム、酸化ニッケル、酸化モリブデン等の金属酸化物、硫化モリブデン、硫化チタン、硫化バナジウム等の金属硫化物が好ましく、特に酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルト等が高容量、高電圧という点から好ましい。
【0048】
この場合の金属酸化物や金属硫化物を製造する方法は特に限定されず、例えば、電気化学,第22巻,574頁(1954年)に記載されているような、一般的な電解法や加熱法によって製造される。また、これらを電極活物質としてリチウム電池に使用する場合、電池の製造時に、例えば、LixCoO2やLixMnO2等の形でリチウム元素を金属酸化物あるいは金属硫化物に挿入(複合)した状態で用いることが好ましい。リチウム元素を挿入する方法は特に限定されず、例えば、電気化学的にリチウムイオンを挿入する方法や、米国特許第4357215号に記載 されているように、Li2CO3の塩と金属酸化物を混合、加熱処理することによって実施できる。
【0049】
また柔軟で、薄膜化しやすいという点では、導電性高分子が好ましい。導電性高分子の例としては、ポリアニリン、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリパラフェニレン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリチエニレン及びその誘導体、ポリピリジンジイル及びその誘導体、ポリイソチアナフテニレン及びその誘導体、ポリフリレン及びその誘導体、ポリセレノフェン及びその誘導体、ポリパラフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリフリレンビニレン、ポリナフテニレンビニレン、ポリセレノフェンビニレン、ポリピリジンジイルビニレン等のポリアリーレンビニレン及びそれらの誘導体等が挙げられる。中でも有機溶媒に可溶性のアニリン誘導体の重合体が特に好ましい。これらの電池あるいは電極において電極活物質として用いられる導電性高分子は、後述のような化学的あるいは電気化学的方法、あるいはその他の公知の方法に従って製造される。
【0050】
また、炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法黒鉛、石油コークス、石炭コークス、フッ化黒鉛、ピッチ系炭素、ポリアセン等が挙げられる。
【0051】
本発明の非水電池の負極3に用いる負極活物質としては、アルカリ金属、アルカリ金属合金、炭素材料、金属酸化物や導電性高分子化合物のようなアルカリ金属イオンをキャリアーとする低酸化還元電位のものを用いることにより、高電圧、高容量の電池が得られるので好ましい。このような負極活物質の中では、リチウム金属あるいはリチウム/アルミニウム合金、リチウム/鉛合金、リチウム/アンチモン合金等のリチウム合金類が最も酸化還元電位が低く、かつ薄膜化が可能である点から特に好ましい。また炭素材料もリチウムイオンを吸蔵した場合、低酸化還元電位となり、しかも安定、安全であるという点で特に好ましい。リチウムイオンを吸蔵放出できる材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法黒鉛、石油コークス、石炭コークス、ピッチ系炭素、ポリアセン、C60、C70等のフラーレン類等が挙げられられる。
【0052】
上記負極活物質を用い、アルカリ金属イオンをキャリアーとする電池に用いる場合、高分子固体電解質中の電解質塩としてはアルカリ金属塩を使用する。アルカリ金属塩としては例えば、LiCF3SO3、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiSCN、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、NaCF3SO3、L iI、NaPF6、NaClO4、NaI、NaBF4、NaAsF6、KCF3S O3、KPF6、KI等を挙げることができる。
【0053】
本発明の電極及び電池の製造方法の一例について説明する。正負極をお互いに接触しないように電池構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置する。例えば、電極の端に適当な厚みのスペーサーまたは予め調製しておいた高分子固体電解質フィルムを介して正極と負極をはり合せて、前記構造体内に入れ、次に、正極と負極の間に、一般式(1)及び/または一般式(2)で表わされる官能基を有する化合物の少なくとも一種と、高比表面積で低含水量の特定のマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子の混合物に少なくとも一種の電解質塩、場合によっては、さらに他の重合性化合物及び/または可塑剤及び/または溶媒を添加混合した重合性組成物を注入した後、例えば、加熱及び/または活性光線照射により重合することにより、あるいは、更に、重合後必要に応じてポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂で封止することにより、電極と電解質が良好に接触した電池が得られる。
【0054】
また、これ以外にも、重合性化合物の少なくとも一種、溶媒及び高比表面積で低含水量の特定のマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子、あるいはこれに他の重合性化合物及び/または可塑剤を添加混合した重合性組成物を重合して得られた重合物を介して正極と負極を貼り合わせて、予め電極に含浸させておいた電解液から電解質塩の一部を重合物に移行させることにより、電池を製造することも可能である。
【0055】
なお、前記電池構成用構造体あるいは前記支持体はSUS等の金属、ポリプロピレン、ポリイミド等の樹脂、あるいは導電性あるいは絶縁性ガラス等のセラミックス材料であればよいが、特にこれらの材料からなるものに限定されない。また、その形状は、筒状、箱状、シート状その他いかなる形状でもよい。
捲回型電池を製造する場合は、予め調製しておいた高分子固体電解質フィルムを介して、上記正極及び負極をはりあわせ、捲回し、電池構成用構造体内に挿入後に更に前記重合性組成物を注入し、重合させるという方法も可能である。
【0056】
[電気二重層コンデンサ及びその製造方法]
次に本発明の電気二重層コンデンサについて説明する。
本発明によれば、前記高分子固体電解質を用いることにより、出力電圧が高く、取り出し電流が大きく、あるいは加工性、信頼性に優れた電気二重層コンデンサが提供される。
本発明の電気二重層コンデンサの一例の概略断面図を図2に示す。この例は、大きさ1cm×1cm、厚み約0.5mmの薄型セルであり、集電体7の内側には 一対の分極性電極6が配置されており、その間に高分子固体電解質膜8が配置されている。9は絶縁性樹脂封止剤、10はリード線である。
【0057】
分極性電極6は、通常電気二重層コンデンサに用いられる炭素材料等の分極性材料からなる電極であればよい。分極性材料としての炭素材料は、比表面積が大きければ特に制限はないが、比表面積の大きいほど電気二重層の容量が大きくなり好ましい。例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック(アセチレンブラックを含む)、チャンネルブラック等のカーボンブラック類や、椰子がら炭等の活性炭、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法で製造したいわゆる熱分解黒鉛、ポリアセン及びC60、C70を挙げることができる。
集電体7は電子伝導性で電気化学的に耐食性があり、できるだけ比表面積の大きい材料を用いることが好ましい。例えば、各種金属及びその焼結体、電子伝導性高分子、カーボンシート等を挙げることができる。
【0058】
本発明の電気二重層コンデンサの場合に複合に用いる電解質塩の種類は、特に限定されるものではなく、電荷キャリアーとしたいイオンを含んだ化合物を用いればよいが、高分子固体電解質中での解離定数が大きく、分極性電極と電気二重層を形成しやすいイオンを含むことが望ましい。
このような化合物としては、(CH3)4NBF4、(CH3CH2)4NClO4等の4級アンモニウム塩、アルキルピリジニウムテトラフルオロボレート等のピリジニウム塩、AgClO4等の遷移金属塩、(CH3)4PBF4等の4級ホスホニウム塩、LiCF3SO3、LiPF6、LiClO4、LiI、LiBF4、Li SCN、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、NaCF3SO3、NaPF6、NaClO4、NaI、NaBF4、NaAsF6、KCF3SO3、KPF6、KI等のアルカリ金属塩、パラトルエンスルホン酸等の有機酸及びその塩、塩酸、硫酸等の無機酸等が挙げられる。これらの中で、出力電圧が高く取れ、解離定数が大きいという点から、4級アンモニウム塩、ピリジニウム塩、4級ホスホニウム塩、アルカリ金属塩が好ましい。4級アンモニウム塩の中では、(CH3CH2)(CH3CH2CH2CH2)3NBF4のような、アンモニウムイオンの窒素上の置換基が異なっているものが、高分子固体電解質への溶解性あるいは解離定数が大きいという点から好ましい。
【0059】
次に本発明の電気二重層コンデンサの製造方法の一例について説明する。分極性電極2枚をお互いに接触しないようにコンデンサ構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置する。例えば、電極の端に適当な厚みのスペーサーまたは予め調製しておいた高分子固体電解質フィルムを介して分極性電極をはり合せて、前記構造体内に入れ、一般式(1)及び/または一般式(2)で表わされる官能基を有する化合物の少なくとも一種と高比表面積で低含水量の特定のマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子の混合物に少なくとも一種の電解質塩、場合によっては、さらに他の重合性化合物及び/または可塑剤及び/または溶媒を添加混合した重合性組成物を注入した後、重合することにより、あるいは、さらに、重合後必要に応じてポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂で封止することにより、電極と電解質が良好に接触した電気二重層コンデンサが得られる。本法により、特に薄型電気二重層コンデンサを製造することができる。
【0060】
また、これ以外にも、重合性化合物の少なくとも一種、溶媒及び高比表面積で低含水量の特定のマグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子、あるいはこれに他の重合性化合物及び/または可塑剤を添加混合した重合性組成物を重合して得られた重合物を介して2枚の分極性電極を貼り合わせて、予め分極性電極に含浸させておいた電解液から電解質塩の一部を重合物に移行させることにより、電気二重層コンデンサを製造することも可能である。
【0061】
なお、前記コンデンサ構成用構造体あるいは前記支持体は、SUS等の金属、ポリプロピレン、ポリイミド等の樹脂、あるいは導電性あるいは絶縁性ガラス等のセラミックス材料であればよいが、特にこれらの材料からなるものに限定されるものではなく、また、その形状は、筒状、箱状、シート状その他いかなる形状でもよい。
【0062】
電気二重層コンデンサの形状としては、図2のようなシート型のほかに、コイン型、あるいは分極性電極及び高分子固体電解質のシート状積層体を円筒状に捲回し、円筒管状のコンデンサ構成用構造体に入れ、封止して製造された円筒型等であってもよい。
捲回型コンデンサを製造する場合は、予め調製しておいた高分子固体電解質フィルムを介して、上記分極性電極をはりあわせ、捲回し、コンデンサ構成用構造体内に挿入後に更に前記重合性組成物を注入し、重合させるという方法も可能である。
【0063】
【実施例】
以下に本発明について代表的な例を示しさらに具体的に説明する。なお、これらは説明のための単なる例示であって、本発明はこれらに何等制限されるものではない。
【0064】
実施例1:化合物3の合成
【化13】
化合物1(KOH価34.0mg/g、s/t=7/3)(50.0g)及び化合物2(4.6g)を窒素雰囲気中でよく精製したテトラヒドロフラン(THF)(10 0ml)に溶解した後、ジブチルチンジラウレート(0.44g)を添加した。その後、25℃で約15時間反応させることにより、無色生成物を得た。その1H− NMR、IR及び元素分析の結果から、化合物1と化合物2は1対3で反応し、さらに、化合物2のイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成しており、化合物3が生成していることがわかった。
【0065】
実施例2:高分子固体電解質複合膜の製造
化合物3(1.0g)、500℃熱処理したハイドロタルサイト粒子(協和化学 製、KW2200、平均粒子径約1.0μm、BET比表面積135m2/g、含水量1000ppm)(0.33g)、エチレンカーボネート(EC)(1.8g)、エチル メチルカーボネート(EMC)(4.2g)、LiPF6(橋本化成製電池グレード)(0.60g)、及びルシリンTPO(BASF社製)(0.005g)をアルゴン雰 囲気中でよく混合し、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量(カールフィッシャー法)は35ppmであった。
この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプ(三共電気社製FL20S.BL)を10分照射したところ、EC/EMC電解液を含浸した化合物3の重合体/KW2200複合フィルムが約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、5.5×10-3、1.4×10-3S/cmであった。
【0066】
実施例3:高分子固体電解質複合膜の製造
開始剤としてルシリンTPO(0.005g)の代りに、パーロイルTCP(日本 油脂社製)(0.01g)を添加した以外は実施例2と同様にして、熱重合性組成物を得た。この組成物の含水量(カールフィッシャー法)は35ppmであった。
この熱重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、ポリプロピレン(PP)フィルムを被覆して、ホットプレート上で60℃、30分加熱したところ、EC/EMC電解液を含浸した化合物3の重合体/KW2200複合フィルムが約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、5.3×10-3、1.0×10-3S/cmであった。
【0067】
実施例4:高分子固体電解質複合膜の製造
LiPF6に代えて橋本化成製電池グレードLiBF4(0.50g)を用いた以外は実施例2と同様にして、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量(カールフィッシャー法)は45ppmであった。
この光重合性組成物を実施例2と同様に塗布、光照射することにより、電解液を含浸した化合物3の重合体/KW2200複合フィルムを約30μmの自立フィルムとして得た。この固体電解質の25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、4.3×10-3、0.8×10-3S/cmであった。
【0068】
実施例5:高分子固体電解質複合膜の製造
LiPF6に代えて橋本化成製高純度テトラエチルアンモニウムテトラフルオ ロボレート(TEAB)(1.00g)、溶媒をEC、EMCに代えてプロピレンカーボネート(PC)(6.0g)を用いた以外は実施例2と同様にして、光重合性 組成物を得た。この組成物の含水量(カールフィッシャー法)は110ppmであった。この光重合性組成物を実施例2と同様に塗布、光照射することにより、PC系電解液を含浸した化合物3の重合体/KW2200複合フィルムを約30μmの自立フィルムとして得た。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、9.0×10-3、1.5×10-3S/cmであった。
【0069】
実施例6:化合物5の合成
【化14】
【0070】
化合物4(平均分子量550)(55g)、化合物2(15.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF(100ml)に溶解した後、ジブチルチンジラウレート(0.66g)を添加した。その後、25℃で約15時間反応させることにより、無色粘ちょう液体を得た。その1H−NMR、IR及び元素分析の結果から、化 合物4と化合物2は1対1で反応し、さらに、化合物3のイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成しており、化合物5が生成していることがわかった。
【0071】
比較例1:高分子固体電解質複合膜の製造
化合物3(0.5g)、化合物5(0.5g)、500℃熱処理酸化マグネシウム粒子(協和化学製、ミクロマグ3−30、平均粒子径3.1μm、BET比表面積105m2/g、含水量1200ppm)(0.66g)、EC(1.8g)、EMC(4.2g)、LiPF6(橋本化成製電池グレード)(0.60g)及びルシリンTPO(0.005g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量(カールフィッシャー)は30ppmであった。この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプを10分照射したところ、EC/EMC系電解液を含浸した共重合体(化合物3+化合物5)/ミクロマグ3−30複合フィルムが約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、4.8×10-3、1.2×10-3S/cmであった。
【0072】
比較例2:高分子固体電解質複合膜の製造
化合物3(0.5g)、化合物5(0.5g)、100℃熱処理酸化マグネシウム粒子(協和化学製、ミクロマグ3−30、平均粒子径3.1μm、BET比表面積105m2/g、含水量8000ppm)(0.66g)、EC(1.8g)、EMC(4.2g)、LiPF6(橋本化成製電池グレード)(0.60g)及びルシリンTPO(0.005g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量(カールフィッシャー)は400ppmであった。この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプを10分照射したところ、EC/EMC系電解液を含浸した共重合体(化合物3+化合物5)/ミクロマグ3−30複合フィルムが約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、4.3×10-3、0.8×10-3S/cmであった。
【0073】
比較例3:高分子固体電解質複合膜の製造
化合物6;
【化15】
【0074】
(日本油脂、ブレンマーAE−400,Mw400)(0.3g)、化合物3(0.7g)、500℃熱処理ミクロマグ3−30(0.66g)、EC(1.8g)、ジエチ ルカーボネート(DEC)(4.2g)、LiBF4(橋本化成製電池グレード)(0.40g)及びルシリンTPO(0.005g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、光 重合性組成物を得た。この組成物の含水量(カールフィッシャー)は80ppmであった。
この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプを10分照射したところ、EC/DEC系電解液を含浸した共重合体(化合物3+化合物6)/ミクロマグ3−30複合フィルムが約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、3.8×10-3、0.6×10-3S/cmであった。
【0075】
実施例7:高分子固体電解質複合膜の製造
開始剤としてルシリンTPO(0.005g)の代りに、パーロイルTCP(日本油脂製)(0.04g)を添加した以外は実施例5と同様にして、熱重合性組成物を得た。この組成物の含水量(カールフィッシャー法)は120ppmであった。この熱重合性組成物をアルゴン雰囲気下、PETフィルム上に塗布後、PPフィルムを被覆して、ホットプレート上で80℃、1時間加熱したところ、PC系電解液を含浸した化合物3の重合体/KW2200複合フィルムが約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、8.8×10-3、1.6×10-3S/cmであった。
【0076】
実施例8:コバルト酸リチウム正極の製造
Li2CO3(11g)とCo3O4(24g)を良く混合し、酸素雰囲気下、800℃で24時間加熱後、粉砕することによりLiCoO2粉末を得た。このLiCoO2粉末とアセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデンを重量比8:1:1で混合し、さらに過剰のN−メチルピロリドン溶液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物を約25μmのアルミ箔上に10mm×10mm、約180μmの厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で24時間加熱真空乾燥することにより、コバルト酸リチウム正極(75mg)を得た。
【0077】
実施例9:黒鉛負極の製造
MCMB黒鉛(大阪ガス製)、気相法黒鉛繊維(昭和電工(株)製:平均繊維径、0.3μm、平均繊維長、2.0μm、2700℃熱処理品)、ポリフッ化ビニリデンの重量比8.6:0.4:1.0の混合物に過剰のN−メチルピロリドン溶液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物を約15μmの銅箔上に10mm×10mm、約250μmの厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で24時間加熱真空乾燥することにより、黒鉛負極(35mg)を得た。
【0078】
実施例10:Liイオン二次電池の製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例9で製造した黒鉛負極(10mm×10mm)に電解液(1M LiPF6/EC+EMC(3:7))を含浸させたものに、実施例2で調製した高分子固体電解質(化合物3)/KW2200複合フィルム(12mm×12mm)を貼り合わせ、さらに実施例8で製造したコバルト酸リチウム正極(10mm×10mm)に電解液(1M LiPF6/EC+EMC(3:7))を含浸させたものを貼り合わせ、電池端部をエポキシ樹脂で封印し、図1に示される構造の黒鉛/酸化コバルト系Liイオン二次電池を得た。この電池を、60℃、25℃、−10℃で作動電圧2.75〜4.1V、電流0.5mAで充放電を行ったところ、最大放電容量は各々7.2mAh、7.2mAh、5.6mAhであった。また、60℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.5mA、放電3.0mAで充放電を繰返したところ、最大放電容量は7.0mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は350回であった。
【0079】
比較例4:Liイオン二次電池の製造
高分子固体電解質(化合物3)/KW2200複合フィルムの代りに、比較例1で製造した高分子固体電解質(化合物3+化合物5)/ミクロマグ3−30フィルムを用いた以外は実施例10と同様にして図1に示される構造のLiイオン二次電池を製造した。この電池を、60℃、25℃、−10℃で作動電圧2.75〜4.1V、電流0.5mAで充放電を行ったところ、最大放電容量は各々7.2mAh、7.2mAh、4.8mAhであった。また、60℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.5mA、放電3.0mAで充放電を繰返したところ、最大放電容量は7.2mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は280回であった。
【0080】
比較例5:Liイオン二次電池の製造
高分子固体電解質(化合物3)/KW2200複合フィルムの代りに、比較例2で製造した高分子固体電解質(化合物3+化合物5)/ミクロマグ3−30フィルムを用いた以外は実施例10と同様にして図1に示される構造のLiイオン二次電池を製造した。この電池を、60℃、25℃、−10℃で作動電圧2.75〜4.1V、電流0.5mAで充放電を行ったところ、最大放電容量は各々7.0mAh、6.8mAh、4.0mAhであった。また、60℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.5mA、放電3.0mAで充放電を繰り返したところ、最大放電容量は6.6mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は125回であった。
【0081】
実施例11:Liイオン二次電池の製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例9で製造した黒鉛負極(10mm×10mm)に電解液(1M LiPF6/EC+EMC(3:7))を含浸させた上に、実施例2で調製した化合物3/KW2200系光重合性組成物を厚み30μmとなるように塗布し、アルゴン雰囲気下、ケミカル蛍光ランプを10分照射したところ、電解液を含浸した高分子固体電解質(化合物3)/KW2200複合フィルムを黒鉛負極上に直接形成した。さらに実施例8で製造したコバルト酸リチウム正極(10mm×10mm)に電解液(1M LiPF6/EC+EMC(3:7))を含浸させたものを貼り合わせ、電池端部をエポキシ樹脂で封印し、図1に示される構造の黒鉛/酸化コバルト系Liイオン二次電池を得た。この電池を、60℃、25℃、−10℃で作動電圧2.75〜4.1V、電流0.5mAで充放電を行ったところ、最大放電容量は各々7.2mAh、7.2mAh、6.0mAhであった。また、60℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.5mA、放電3.0mAで充放電を繰返したところ、最大放電容量は7.2mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は330回であった。
【0082】
実施例12:全固体Liイオン二次電池の製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例9で製造した黒鉛負極(10mm×10mm)に実施例3で調製した熱重合性組成物を含浸させたものに、実施例2で調製した高分子固体電解質(化合物3)/KW2200複合フィルム(12mm×12mm)を貼り合わせ、さらに実施例8で製造したコバルト酸リチウム正極(10mm×10mm)に実施例3で調製した熱重合性組成物を含浸させたものを貼り合わせ、電池端部をエポキシ樹脂で封印し、さらに、70℃で1時間熱重合性組成物を硬化させ、図1に示される構造の黒鉛/酸化コバルト系全固体Liイオン二次電池を得た。この電池を、60℃、25℃、−10℃で作動電圧2.75〜4.1V、電流0.5mAで充放電を行ったところ、最大放電容量は各々7.2mAh、6.8mAh、2.5mAhであった。また、60℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.5mA、放電3.0mAで充放電を繰返したところ、最大放電容量は6.8mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は410回であった。
【0083】
実施例13:活性炭電極の製造
椰子がら活性炭とポリフッ化ビニリデンの重量比9.0:1.0の混合物に過剰のN−メチルピロリドン溶液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物をステンレス箔上に10mm×10mmの大きさで約150μmの厚さに塗布した。約100℃で10時間真空乾燥し、活性炭電極(14.0mg)を得た。
【0084】
実施例14:電気二重層コンデンサの製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例13で製造した活性炭電極(14mg)10mm×10mmに、電解液(1M TEAB/PC)を含浸させた電極を2個用意した。次に、実施例5で製造した高分子固体電解質(化合物3)/KW2200複合フィルム(12mm×12mm)を一方の電極に貼り合わせ、さらにもう一枚の電極をはり合わせ、コンデンサ端部をエポキシ樹脂で封止することにより、図2に示される構造の電気二重層コンデンサを製造した。このコンデンサを、60℃、25℃で作動電圧0〜2.5V、電流0.2mAで充放電を行なったところ、最大容量は470mF、470mFであった。また、60℃、2.5mAでの最大容量は430mFで、充放電を50回繰り返しても殆ど容量に変化はなかった。
【0085】
実施例15:全固体電気二重層コンデンサの製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例13で製造した活性炭電極(14mg)10mm×10mmに、実施例7で調製した熱重合性組成物を含浸させた電極を2個用意した。次に、実施例5で製造した高分子固体電解質(化合物3)/KW2200複合フィルム(12mm×12mm)を一方の電極に貼り合わせ、さらにもう一枚の電極をはり合わせ、コンデンサ端部をエポキシ樹脂で封止し、熱重合性組成物を70℃で1時間加熱重合させることにより、図2に示すような全固体電気二重層コンデンサを製造した。このコンデンサを、60℃、25℃で作動電圧0〜2.5V、電流0.2mAで充放電を行なったところ、最大容量は460mF、410mFであった。また、60℃、2.5mAでの最大容量は410mFで、充放電を50回繰り返しても殆ど容量に変化はなかった。
【0086】
実施例16:高分子固体電解質複合膜の製造
化合物3(1.0g)、500℃熱処理したハイドロタルサイト粒子(協和化学製、KW2200、平均粒子径約1.0μm、BET比表面積135m2/g、含水量1000ppm)(0.33g)、エチレンカーボネート(EC)(1.8g)、エチルメチルカーボネート(EMC)(4.2g)、及びルシリンTPO(BASF社製)(0.005g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、光重合性組成物を得た。この組成物の含水量(カールフィッシャー法)は30ppmであった。この光重合性組成物をアルゴン雰囲気下、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に塗布後、ケミカル蛍光ランプ(三共電気社製FL20S.BL)を10分照射したところ、EC/EMC溶媒を含浸した化合物3の重合体/KW2200複合フィルムが約30μmの自立フィルムとして得られた。このフィルムを電解液(1.2M LiPF6/EC+EMC(重量比3:7))中に約1時間浸漬することにより、フィルム中にLiPF6塩を後添加した。このフィルムの25℃、−20℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ、6.1×10-3、1.6×10-3S/cmであった。
【0087】
実施例17:Liイオン二次電池の製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例9で製造した黒鉛負極(10mm×10mm)に電解液(1.2M LiPF6/EC+EMC(3:7))を含浸させたものに、実施例16で調製したEC/EMC溶媒を含浸した化合物3の重合体/KW2200複合フィルム(12mm×12mm)を貼り合わせ、さらに実施例8で製造したコバルト酸リチウム正極(10mm×10mm)に電解液(1.2M LiPF6/EC+EMC(3:7))を含浸させたものを貼り合わせ、電池端部をエポキシ樹脂で封印し、図1に示される構造の黒鉛/酸化コバルト系Liイオン二次電池を得た。
この電池を、60℃、25℃、−10℃で作動電圧2.75〜4.1V、電流0.5mAで充放電を行ったところ、最大放電容量は各々7.2mAh、7.2mAh、6.0mAhであった。また、60℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.5mA、放電3.0mAで充放電を繰返したところ、最大放電容量は7.1mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は320回であった。
【0088】
実施例18:電気二重層コンデンサの製造
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例13で製造した活性炭電極(14mg)10mm×10mmに、電解液(1.2M TEAB/PC)を含浸させた電極を2個用意した。次に、実施例16で製造したEC/EMC溶媒を含浸した化合物3の重合体/KW2200複合フィルム(12mm×12mm)を一方の電極に貼り合わせ、さらにもう一枚の電極をはり合わせ、コンデンサ端部をエポキシ樹脂で封止することにより、図2に示される構造の電気二重層コンデンサを製造した。このコンデンサを、60℃、25℃で作動電圧0〜2.5V、電流0.2mAで充放電を行なったところ、最大容量は470mF、470mFであった。また、60℃、2.5mAでの最大容量は450mFで、充放電を50回繰り返しても殆ど容量に変化はなかった。
【0089】
【発明の効果】
本発明の高分子化合物、マグネシウムと他の金属との複合酸化物(ハイドロタルサイト)微粒子及び電解質塩を含む高イオン伝導性の高分子固体電解質は、膜強度が良好で、イオン伝導度が高く、加工性に優れ、さらに従来の高分子固体電解質に比較して大電流特性、高温耐久性に優れている。本発明の高分子固体電解質を用いた電池及び電気二重層コンデンサはイオン伝導性物質が固体であるため液漏れの危険はなく長期間安定して使用できるものであり、また、この固体電解質を用いることにより薄型の電池やコンデンサを製造することができる。
【0090】
また、本発明の高分子固体電解質を使用することにより、薄膜化が容易であり、高容量で作動でき、長寿命で、大電流特性、高温耐久性、信頼性、安定性、加工性に優れた二次電池が得られる。この二次電池は、全固体型としては高容量、高電流で作動でき、あるいはサイクル性が良好で、安全性、信頼性に優れた電池であり、ポータブル機器用主電源、バックアップ電源をはじめとする電気製品用電源、電気自動車用、ロードレベリング用大型電源として使用可能である。薄膜化が容易に行なえるため、身分証明書用カード等のペーパー電池としても使用できる。
【0091】
さらに、本発明の高分子固体電解質を用いることによって、出力電圧が高く、取り出し電流が大きく、長寿命で、高温耐久性、加工性、信頼性、安定性に優れた電気二重層コンデンサが得られる。本発明の電気二重層コンデンサは、従来のコンデンサと比較しても、高電圧、高容量、高電流で作動でき、あるいはサイクル性が良好で、安全性、信頼性に優れており、このためバックアップ電源だけでなく、小型電池との併用で、各種電気製品用電源として使用可能である。また、薄膜化等の加工性に優れているため、従来の電気二重層コンデンサの用途以外の用途にも期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による電池の一例である薄型電池の実施例の概略断面図。
【図2】 本発明による電気二重層コンデンサの実施例の概略断面図。
【符号の説明】
1 正極
2 高分子固体電解質
3 負極
4 集電体
5 絶縁性樹脂封止剤
6 分極性電極
7 集電体
8 高分子固体電解質膜
9 絶縁性樹脂封止剤
10 リード線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer solid electrolyte containing composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals, a method for producing the same, a nonaqueous battery using the polymer solid electrolyte, a method for producing the same, and the high The present invention relates to a non-aqueous electric double layer capacitor using a molecular solid electrolyte and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
In the flow of downsizing and total solidification in the field of ionics, as a new ion conductor that replaces the conventional electrolyte solution, all-solid primary batteries, secondary batteries and electric double layer capacitors using solid electrolytes are used. Application to chemical elements has been actively attempted.
In other words, electrochemical elements using an electrolyte solution have problems with long-term reliability because liquid leakage to the outside of the part or elution of the electrode active material is likely to occur, whereas products using solid electrolytes There is no such problem, and it is easy to reduce the thickness. Furthermore, the solid electrolyte is excellent in heat resistance and is advantageous in the manufacturing process of products such as batteries.
In particular, those using a polymer solid electrolyte mainly composed of a polymer compound have the advantage that the flexibility of the battery is increased and it can be processed into various shapes as compared with inorganic materials. However, what has been studied so far has left the problem that the extraction current is small because the ionic conductivity of the polymer solid electrolyte is low.
[0003]
Recently, LiCoO 2 , LiNiO 2 LiMnO 2 , MoS 2 Many researches have been made on lithium secondary batteries using metal oxides and metal sulfides such as lithium ions, lithium alloys, carbon materials capable of occluding and releasing lithium ions, inorganic compounds, and polymer compounds as negative electrodes. For example, J. Electrochem. Soc., Volume 138 (No. 3), page 665 (1991) contains MnO 2 Or NiO 2 Has been reported. These are attracting attention because of their high capacity per weight or volume.
Furthermore, in recent years, an electric double layer capacitor in which an ion conductive solution is placed between a carbon material having a large specific surface area such as activated carbon or carbon black as a polarizable electrode has been widely used for a memory backup power source or the like. For example, in Functional Materials, February 1989, page 33, a capacitor using a carbon-based polarizable electrode and an organic electrolyte is described. 173th Electrochemical Society Meeting Atlanta Georgia, May 1988 (No. 18) describes an electric double layer capacitor using a sulfuric acid aqueous solution.
JP-A 63-244570 discloses Rb having high electrical conductivity. 2 Cu Three I Three Cl 7 Capacitors using as an inorganic solid electrolyte are disclosed.
[0004]
However, current batteries and electric double-layer capacitors that use electrolyte solutions are prone to liquid leakage to the outside of the battery or capacitor during abnormal conditions such as long-term use or when a high voltage is applied. There are problems with long-term use and reliability. On the other hand, conventional batteries and electric double layer capacitors using inorganic ion conductive materials have problems that the decomposition voltage of the ion conductive material is low and the output voltage is low, and it is difficult to form the interface between the electrolyte and the electrode. There was a problem such as processing.
[0005]
Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. H4-253771 proposes that a polyphosphazene polymer compound is used as an ion conductive material for a battery or an electric double layer capacitor, and a solid containing such a polymer compound as a main component. A material using an ion conductive material has an advantage that the output voltage is higher than that of an inorganic ion conductive material, it can be processed into various shapes, and sealing is easy. However, in this case, the ionic conductivity of the polymer solid electrolyte is 10 -Four -10 -6 There was a drawback that the extraction current was small because the S / cm level was not sufficient. Further, when assembling a solid electrolyte together with a polarizable electrode into a capacitor, there is also a problem that it is difficult to uniformly combine with a carbon material having a large specific surface area because it is a mixture of solids.
[0006]
The ionic conductivity of a polymer solid electrolyte that is generally studied is 10 at room temperature. -Four -10 -Five Although improved to about S / cm, the level is still at least two orders of magnitude lower than that of liquid ion conductive materials. Moreover, when it becomes low temperature of 0 degrees C or less, generally ionic conductivity will fall extremely. Furthermore, when these solid electrolytes are combined with electrodes of elements such as electric double layer capacitors, or when these solid electrolytes are incorporated into batteries as thin films, processing technologies such as compounding with electrodes and ensuring contact However, there were problems with the manufacturing method.
As an example of these polymer solid electrolytes, the British Polymer Journal (Br. Polym. J.), 319, 137 (1975) describes a composite of polyethylene oxide and an inorganic alkali metal salt as an ion conducting material. The ionic conductivity at room temperature is 10 -7 S / cm is low.
[0007]
Recently, many reports have shown that comb polymer compounds having oligooxyethylene introduced in the side chain enhance the thermal mobility of the oxyethylene chain responsible for ionic conductivity and improve the ionic conductivity. For example, in Journal of Physical Chemistry (J. Phys. Chem.), 89, 987 (1984), an alkali metal salt is added to the side chain of polymethacrylic acid to which oligooxyethylene is added. A composite example is described.
Furthermore, Journal of American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc.), Vol. 106, p. 6854 (1984), compounded polyphosphazenes with oligooxyethylene side chains with alkali metal salts. The ionic conductivity is 10 -Five It was still insufficient with about S / cm.
[0008]
US Pat. No. 4,435,401 reports that a solid polymer electrolyte consisting of a cross-linked polymer containing a heteroatom and an ionizable salt has improved crystallinity, low glass transition point, and improved ionic conductivity. 10 -Five It was still insufficient with about S / cm.
Cross-linked polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride gel as described in Journal of Applied Electrochem. Vol. 5, pp. 63-69 (1975) It has been reported that a so-called polymer gel electrolyte obtained by adding a solvent and an electrolyte to a compound has high ionic conductivity. JP-B-58-36828 reports that a similar polymer gel electrolyte obtained by adding a solvent and an electrolyte to polymethacrylic acid alkyl ester has high ionic conductivity.
[0009]
However, these polymer gel electrolytes have high ionic conductivity, but because they impart fluidity, they cannot be handled as complete solids, have poor film strength and film formability, and are applied to electric double layer capacitors and batteries. Then, a short circuit is likely to occur, and a sealing problem occurs like the liquid ion conductive material.
[0010]
On the other hand, US Pat. No. 4,792,504 improves ionic conductivity by using a cross-linked solid polymer electrolyte in which a continuous network of poly (ethylene oxide) is impregnated with an electrolyte composed of a metal salt and an aprotic solvent. Has been proposed. However, the ionic conductivity is 10 -Four Since S / cm was still insufficient and the solvent was added, there was a problem that the film strength was lowered.
Japanese Patent Publication No. 3-73081 and U.S. Pat. No. 4908283 disclose a polymer solid by irradiating a composition comprising acryloyl-modified polyalkylene oxide / electrolyte salt / organic solvent such as polyethylene glycol diacrylate with ultraviolet rays or the like. Methods for forming the electrolyte have been disclosed and attempts have been made to shorten the polymerization time.
[0011]
Also, US Pat. No. 4,830,939 and Japanese Patent Laid-Open No. 5-109310 disclose that a composition comprising a crosslinkable polyethylenically unsaturated compound / electrolyte salt / active light inert solvent is irradiated with radiation such as ultraviolet rays and electron beams to perform electrolysis. A similar method for forming a solid polymer electrolyte containing a liquid is disclosed. In these systems, since the amount of the electrolyte in the polymer solid electrolyte was increased, the ionic conductivity was improved, but it was still insufficient, and the membrane strength tends to deteriorate.
[0012]
Solid State Ionics, 1982, No. 7, p. 75, LiClO, a polymer solid electrolyte Four / It has been reported that by further combining alumina particles with a polyethylene oxide composite, the strength of the polymer solid electrolyte can be improved without lowering the ionic conductivity.
Japanese Patent Laid-Open No. 4-245170 discloses that a solid polymer electrolyte thin film containing an inorganic compound whose surface has been hydrophobized has improved strength and does not cause a short-circuit due to an increase in area. The lithium-based polymer solid electrolyte containing insulating inorganic powder at a volume fraction of 5 to 60% is excellent in ionic conductivity and cation transport number, and easy to process, thin and increase in area. Is described.
Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-140052 has proposed a solid electrolyte obtained by impregnating a polyalkylene oxide / isocyanate crosslinked / inorganic oxide composite with a nonaqueous electrolytic solution. Up is planned.
However, in these composite polymer solid electrolytes, the optimization of inorganic compounds and the characteristics of the polymer itself are insufficient, and there are still problems in practical use in terms of ionic conductivity, processability, and stability. .
[0013]
The inventors of the present invention have already proposed an ion conductive polymer solid electrolyte using a composite comprising a polymer and an electrolyte obtained from a (meth) acrylate prepolymer containing an oxyalkylene group having a urethane bond. 6-187822). The ionic conductivity of this polymer solid electrolyte is 10 when no solvent is added. -Four S / cm (room temperature) is a high level, and when a solvent is further added, it is 10 at room temperature or lower. -3 S / cm or more, the film quality was good, and the film was improved to the extent that it could be obtained as a free-standing film. In addition, this prepolymer has a good polymerizability, and when applied to a battery, it has a processing advantage that it can be polymerized and solidified after being incorporated in the battery in a prepolymer state.
[0014]
However, these systems also have a problem that the film strength is insufficient for use as a separator for batteries and the like, and it is difficult to handle industrially. In addition, there is a problem in that the polymer compound, particularly the oxyalkylene moiety is easily deteriorated at a high temperature due to a small amount of impurities in the battery system such as moisture, electrolyte salt decomposition products, electrode material impurities, etc., which affects the battery life.
In addition, when applied to a battery or an electric double layer capacitor, there is a problem that the capacity drop during high current discharge is large.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is a polymer solid having good strength, high ionic conductivity at room temperature and low temperature, excellent workability, heat resistance, and large current characteristics even when a solvent addition system is used to form a thin film of about several tens of μm. An object of the present invention is to provide an electrolyte and a method for manufacturing the electrolyte.
In addition, the present invention provides a primary battery and a secondary battery that can be easily formed into a thin film by using the solid polymer electrolyte, can be operated with a high capacity and a high current, and have excellent reliability, and a method for manufacturing the same. The purpose is to do.
Furthermore, an object of the present invention is to provide an electric double layer capacitor having a high output voltage, a large extraction current, excellent workability and reliability, and a method for producing the same, by using the polymer solid electrolyte. To do.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in view of the above-mentioned problems, the present inventors have added a composite oxide (hydrotalcite) fine particle of magnesium and another metal having a high specific surface area and a low water content. It has been found that strength and stability, particularly high temperature stability and current characteristics are improved. In addition, by using the above polymer solid electrolyte, it is easy to make a thin film, can be operated with a high capacity and a high current, and can be a non-aqueous primary battery and a secondary battery excellent in reliability and stability. I found. Furthermore, it has been found that by using the polymer solid electrolyte, an electric double layer capacitor having a high output voltage, a large extraction current, and excellent workability, reliability, and stability can be obtained.
[0017]
Based on the above knowledge, the present inventors have the following (1) polymer solid electrolyte and method for producing the same, and (2) battery, electric double layer capacitor using the polymer solid electrolyte, and production thereof. Provide a method.
[0018]
1) A polymer solid electrolyte containing at least one polymer compound and at least one electrolyte salt, or a polymer solid electrolyte further containing at least one organic solvent has a BET specific surface area of 30 m. 2 / G or more, a composite oxide (hydrotalcite) fine particle of magnesium and another metal having a maximum particle size of 10 μm or less and a water content of 3000 ppm or less is added in a range of 0.5 wt% to 50 wt%. A solid polymer electrolyte characterized by the above.
2) The polymer compound is represented by the general formula (1) and / or the general formula (2)
[Chemical 8]
(Wherein R 1 And R 2 Represents a hydrogen atom or an alkyl group, R Three Represents a divalent group which may contain a straight, branched or cyclic hetero atom having 1 to 10 carbon atoms, and x is 0 or an integer of 1 to 10. However, multiple Rs exist in the same molecule. 1 , R 2 , R Three And x may be the same or different. 2. The polymer solid electrolyte according to 1 above, which is a polymer of at least one heat and / or actinic ray polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by
3) The polymer solid electrolyte according to 1 or 2, wherein the electrolyte salt is selected from an alkali metal salt, a quaternary ammonium salt, a quaternary pyridinium salt, and a quaternary phosphonium salt.
4) The polymer solid electrolyte according to any one of 1 to 3, wherein the organic solvent is a carbonate compound.
5) The electrolyte salt is LiPF 6 And / or LiBF Four And / or LiN (CF Three SO Three ) 2 4. The solid polymer electrolyte as described in 3 above.
6) A battery using the solid polymer electrolyte according to any one of 1 to 5 above.
7) Lithium, lithium alloy or carbon material capable of occluding and releasing lithium ions, inorganic oxide capable of occluding and releasing lithium ions, inorganic chalcogenide capable of occluding and releasing lithium ions, conductive polymer capable of occluding and releasing lithium ions as the negative electrode of the
8) An electric double layer capacitor in which a polarizable electrode is disposed via an ion conductive material, wherein the ion conductive material is the polymer solid electrolyte according to any one of 1 to 5 above. Multilayer capacitor.
9) At least one heat and / or actinic ray polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by formula (1) and / or formula (2), and a BET specific surface area of 30 m 2 / G or more, a polymerizable mixture containing composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals having a maximum particle size of 10 μm or less and a water content of 3000 ppm or less, and at least one electrolyte salt, or A method for producing a solid polymer electrolyte, comprising: placing a polymerizable mixture to which at least one organic solvent is added on a substrate; and curing the polymerizable mixture by heating and / or actinic ray irradiation.
10) At least one heat and / or actinic ray polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), and a BET specific surface area of 30 m 2 / G or more, based on a polymerizable mixture containing composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals having a maximum particle size of 10 μm or less and a water content of 3000 ppm or less, and at least one organic solvent. A polymer solid electrolyte characterized in that after being placed on a material, the polymerizable mixture is cured by heating and / or actinic ray irradiation, and the resulting cured product is impregnated with an electrolyte salt by contacting with the electrolytic solution. Production method.
11) At least one heat and / or actinic ray polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), and a BET specific surface area of 30 m 2 / G or more, a polymerizable mixture containing composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals having a maximum particle size of 10 μm or less and a water content of 3000 ppm or less, and at least one electrolyte salt, or A method for producing a battery, wherein a polymerizable mixture to which at least one organic solvent is added is placed in a structure for battery construction or placed on a support, and then the polymerizable mixture is cured.
12) At least one heat and / or actinic ray polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), and a BET specific surface area of 30 m 2 A polymerizable mixture containing magnesium / other metal complex oxide (hydrotalcite) particles having a maximum particle size of 10 μm or less, a water content of 3000 ppm or less, and at least one organic solvent. After being placed in a structural structure or placed on a support, the polymerizable mixture is cured, and the resulting cured product is impregnated with an electrolyte salt by contacting with the electrolytic solution. Method.
13) At least one heat and / or actinic ray polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), and a BET specific surface area of 30 m 2 / G or more, a polymerizable mixture containing magnesium and other metal composite oxide (hydrotalcite) particles having a maximum particle size of 10 μm or less and a water content of 3000 ppm or less, and at least one electrolyte salt, or An electric double layer characterized in that a polymerizable mixture to which at least one organic solvent is added is placed in a structure for constituting an electric double layer capacitor or disposed on a support, and then the polymerizable mixture is cured. Capacitor manufacturing method.
14) At least one heat and / or actinic ray polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by formula (1) and / or formula (2), and a BET specific surface area of 30 m 2 / G or more, a polymerizable mixture containing magnesium and other metal composite oxide (hydrotalcite) particles having a maximum particle size of 10 μm or less and a water content of 3000 ppm or less, and at least one organic solvent. After being placed in a structure for constituting a double-layer capacitor or disposed on a support, the polymerizable mixture is cured, and the resulting cured product is impregnated with an electrolyte solution to be impregnated with an electrolyte salt. Manufacturing method of electric double layer capacitor.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention is described in detail below.
[Polymer Solid Electrolyte] The polymer solid electrolyte of the present invention basically comprises (a) a polymer compound, (b) an electrolyte salt, and (c) composite oxidation of magnesium and another metal, which are main constituent components. The product (hydrotalcite) fine particles may be included, and (d) an organic solvent may be further included. Hereinafter, each component will be described in detail.
[0020]
(a) polymer compound
The polymer compound that is the main constituent of the polymer solid electrolyte of the present invention must be non-electron-conducting and capable of absorbing and holding various organic polar solvents.
Such high molecular compounds include heteroatoms such as polyalkylene oxide, polyalkylimine, polyacrylonitrile, polycarbonate, poly (meth) acrylate, polyphosphazene, polyvinylidene fluoride, polyurethane, polyamide, polyester, polysiloxane, etc. And a polar thermoplastic polymer compound and a crosslinked polymer compound. In particular, the crosslinked polymer compound is suitable for the polymer solid electrolyte of the present invention because it has high strength after solvent absorption, high solvent retention, and is a viscoelastic body. The term “crosslinking” as used herein includes, in addition to those in which the crosslinking chain is formed by a covalent bond, those in which the side chain is crosslinked by an ionic bond, a hydrogen bond, or the like, Including.
[0021]
Among the above polymer compounds, those containing oxyalkylene, urethane, carbonate structures such as polyalkylene oxide, polyurethane, and polycarbonate in the molecular structure have good compatibility with various polar solvents, and also have electrochemical stability. It is preferable because it is good. From the viewpoint of stability, those having a fluorocarbon group such as polyvinylidene fluoride in the molecular structure are also preferred. Moreover, the oxyalkylene, urethane, carbonate, and fluorocarbon group may be contained in the same polymer compound. The repeating number of these groups should just be the range of 1-1000, respectively, and the range of 5-100 is preferable.
[0022]
Examples of the polymer compound used in the polymer solid electrolyte of the present invention include a polymerizable functional group represented by the general formula (1) and / or (2) among the polymer compounds.
[0023]
[Chemical 9]
(Wherein R 1 And R 2 Represents a hydrogen atom or an alkyl group, R Three Represents a divalent group which may contain a straight, branched or cyclic hetero atom having 1 to 10 carbon atoms, and x is 0 or an integer of 1 to 10. However, multiple Rs exist in the same molecule. 1 , R 2 , R Three And x may be the same or different. )
A polymer compound obtained by curing at least one kind of heat and / or actinic ray polymerizable compound having a heat and / or actinic ray irradiation forms a polymer solid electrolyte in a state containing a solvent and inorganic oxide fine particles. The film is easy to form, has good film strength, and can be easily combined with electrodes used in various electrochemical devices, which is preferable.
[0024]
The method for synthesizing the polymerizable compound having the group represented by the general formula (1) is not particularly limited. For example, by reacting an acid chloride with an oligooxyalkylene ol having a hydroxyl group at the terminal in the following steps. Easy to get.
[Chemical Formula 10]
Where R Four Represents a hydrogen atom or an alkyl group having 10 or less carbon atoms, and R Five Represents an alkyl group having 10 or less carbon atoms, and m is an integer in the range of 1 to 1000, preferably 1 to 50. Other symbols have the same meaning as described above.
[0025]
The method for synthesizing the polymerizable compound having the group represented by the general formula (2) is not particularly limited.
Embedded image
(The symbols in the formula have the same meaning as described above.)
It can be easily obtained by reacting an isocyanate compound represented by the following with an oligooxyalkylene ol having a hydroxyl group at the terminal.
[0026]
As a specific method, the compound having one functional group represented by the general formula (2) is, for example, a methacryloyl isocyanate compound (hereinafter abbreviated as MI) or an acryloyl isocyanate compound (hereinafter referred to as AI). And a monoalkylalkylene glycol can be easily obtained by reacting at a molar ratio of 1: 1 according to the following reaction formula.
Embedded image
(The symbols in the formula have the same meaning as described above.)
[0027]
In addition, the compound having two functional groups represented by the general formula (2) can be easily obtained by reacting MI or AI with oligoalkylene glycol at a molar ratio of 2: 1, for example.
In addition, the compound having three functional groups represented by the general formula (2) includes, for example, MIs and / or AIs and a triol obtained by addition-polymerizing an oligoalkylene glycol with a trihydric alcohol such as glycerin: It can be easily obtained by reacting at a molar ratio of 1.
[0028]
The compound having four functional groups represented by the general formula (2) is, for example, a mixture of MIs and / or AIs and tetraol obtained by addition polymerization of oligoalkylene glycol with a tetrahydric alcohol such as pentaerythritol. It can be easily obtained by reacting at a molar ratio of 1: 1.
In addition, the compound having five functional groups represented by the general formula (2) includes, for example, MI and / or AI and pentaol obtained by addition polymerization of α-D-glucopyranose with oligoalkylene glycol. It can be easily obtained by reacting at a molar ratio of 1: 1.
The compound having six functional groups represented by the general formula (2) is, for example, a 6: 1 molar ratio of MIs and / or AIs and hexaol obtained by addition-polymerization of oligoalkylene glycol to mannitol. It can be easily obtained by reacting with
[0029]
Here, the polymer compound obtained by polymerizing the compound having only one functional group represented by the general formula (1) or (2) does not have a cross-linked structure, and the film strength is insufficient. There is a greater risk of short-circuiting if a thin film is used. Therefore, it is copolymerized with a polymerizable compound having two or more functional groups represented by the general formula (1) or (2) and crosslinked, or two functional groups represented by the general formula (1) or (2). It is preferable to use in combination with a polymer compound obtained from the polymerizable compound.
When these polymer compounds are used as thin films, the number of functional groups represented by the general formula (1) or (2) contained in one molecule is more preferably 3 or more in consideration of the strength.
[0030]
In addition, the polymer compound obtained by polymerizing the compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (2) contains a urethane group, has a high dielectric constant, and is an ion in the case of a polymer solid electrolyte. This is preferable because of high conductivity. Furthermore, the compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (2) is preferable because it has good polymerizability, has high film strength when formed into a thin film, and increases the amount of electrolyte contained.
[0031]
A polymer compound preferable as a constituent of the solid polymer electrolyte of the present invention is a homopolymer of a compound having a functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), and falls into this category. It may be a copolymer of two or more types to which it belongs, or a copolymer of at least one of the compounds and another polymerizable compound.
[0032]
The other polymerizable compound copolymerizable with the compound having the functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2) is not particularly limited, and examples thereof include acrylamide, methacrylamide, N, N-dimethylmethacrylamide, vinylene carbonate, N-vinylpyrrolidone, acryloylmorpholine, methacryloylmorpholine, (meth) acrylamide compounds such as N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylamide, styrenes such as styrene and α-methylstyrene Examples thereof include N-vinylamide compounds such as compounds, N-vinylacetamide and N-vinylformamide, and alkyl vinyl ethers such as ethyl vinyl ether.
[0033]
A preferred polymer compound used for the polymer solid electrolyte of the present invention is a polymer obtained from at least one of the compounds having a functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2) and / or the compound. It may be a mixture of a copolymer having a copolymer component with other polymer compound. Other polymer compounds to be mixed include, for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polybutadiene, polymethacrylic (or acrylic) esters, polystyrene, polyphosphazenes, polysiloxane or polysilane, polyvinylidene fluoride, polytetra Examples thereof include polymers such as fluoroethylene.
[0034]
When the copolymer or mixture is used, the amount of the structural unit derived from the compound having the functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2) is the type of other copolymer component or polymer mixture component. Depending on the ionic conductivity and membrane strength, heat resistance, and current characteristics when used in the polymer solid electrolyte, it is preferable to contain 40% by weight or more based on the total amount of the copolymer or polymer mixture, Furthermore, it is preferable to contain 60 weight% or more.
[0035]
The polymerization of the compound having a functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2) can be performed by a general method utilizing the polymerizability of the acryloyl group or methacryloyl group which is a functional group. That is, a radical polymerization catalyst such as azobisisobutyronitrile, benzoyl peroxide, CF, etc., alone or in a mixture of these compounds and other copolymerizable polymerizable compounds. Three Protic acids such as COOH, BF Three AlCl Three It is possible to carry out radical polymerization, cationic polymerization or anionic polymerization using a cationic polymerization catalyst such as Lewis acid or the like, or an anionic polymerization catalyst such as butyl lithium, sodium naphthalene or lithium alkoxide. Further, depending on the polymerizable compound, radical polymerization can be performed only by heating in an oxygen-free state. In addition, the polymerizable compound or polymerizable mixture can be polymerized after being formed into a film-like shape.
[0036]
(b) Electrolyte salt
The type of the electrolyte salt used in the present invention is not particularly limited, and an electrolyte salt containing an ion desired to be a carrier by charge may be used, but it is desirable that the dissociation constant in the polymer solid electrolyte is large, and LiCF Three SO Three , LiN (CF Three SO 2 ) 2 , LiPF 6 LiClO Four , LiI, LiBF Four , LiSCN, LiAsF 6 , NaCF Three SO Three , NaPF 6 , NaClO Four , NaI, NaBF Four , NaAsF 6 , KCF Three SO Three , KPF 6 , Alkali metal salts such as KI, (CH Three ) Four NBF Four Quaternary ammonium salts such as (CH Three ) Four PBF Four Quaternary phosphonium salts such as AgClO Four Transition metal salts such as, or protonic acids such as hydrochloric acid, perchloric acid, and borohydrofluoric acid are preferred.
The electrolyte salt in the polymer solid electrolyte of the present invention can be used in combination, and the composite ratio is preferably from 0.1 to 50% by weight, particularly preferably from 1 to 30% by weight, based on the weight of the polymer compound. . If the electrolyte salt used in the composite is present in a ratio of 50% by weight or more, the ion migration is greatly inhibited. Conversely, if the ratio is 0.1% by weight or less, the absolute amount of ions is insufficient and the ionic conductivity is decreased.
[0037]
(c) Magnesium and other metal complex oxides (hydrotalcite)
The polymer solid electrolyte of the present invention is characterized by the addition of composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals. This addition not only improves the strength and film thickness uniformity of the polymer solid electrolyte film, but also creates fine pores between the oxide microparticles and the polymer. On the other hand, free electrolyte is dispersed in the polymer solid electrolyte through the pores, and the ion conductivity and mobility can be increased without impairing the strength improvement effect. Further, by adding fine particles of composite oxide (hydrotalcite) of magnesium and other metals, the viscosity of the polymerizable composition increases, and the compatibility between the polymer compound and the solvent is insufficient. The effect of suppressing separation also appears.
[0038]
Also, as the composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals to be added, those with high specific surface area and high surface activity with reduced adsorbed water are used. It can adsorb impurities (water, free acid, free base, etc.) very well, and can be very effective in reducing the deterioration of sealing materials and other battery materials, resulting in improved device life. it can.
[0039]
For the purpose of increasing the amount of electrolyte in the polymer solid electrolyte and increasing the ionic conductivity and mobility, the specific surface area of the inorganic oxide is preferably as large as possible. 2 / G or more, or 30m 2 / G or more is preferable.
The crystal particle diameter of such an inorganic oxide is not particularly limited as long as it can be mixed with the polymerizable composition, but the size is preferably 0.001 μm to 10 μm, particularly preferably 0.005 μm to 5 μm.
In addition, various shapes such as a spherical shape, an oval shape, a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, a cylindrical shape or a rod shape can be used.
[0040]
Specific examples of the composite oxide (hydrotalcite) of magnesium and other metals used in the present invention include Kyoward (manufactured by Kyowa Chemical). Among these, hydrotalcite (Kyoward (KW) 2000, 2200, etc.), which is a composite oxide of magnesium and aluminum, is preferable because of its excellent stability and impurity adsorption ability. When the amount of the inorganic oxide added is too large, there arises a problem that the strength and ionic conductivity of the polymer solid electrolyte are lowered or film formation is difficult. Therefore, the preferable addition amount is 50% by weight or less with respect to the solid polymer electrolyte, and the range of 0.1 to 30% by weight is particularly preferable.
[0041]
The composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals of the present invention are preferably heat-treated before being added to the polymer solid electrolyte. The heat treatment not only reduces the surface adsorbed water of the oxide fine particles and suppresses free moisture that diffuses to other materials, but also can adsorb impurities of other materials, and improves the stability in the device. The temperature and time of the heat treatment vary depending on the shape and type of the composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals to be used, but it may be 2 to 300 hours in the range of 100 to 1200 ° C., 200 to 800 A range of ° C is particularly preferred.
[0042]
The heat treatment temperature is preferably as high as possible. However, if the temperature exceeds 1200 ° C., sintering of composite oxide (hydrotalcite) particles of magnesium and other metals proceeds and the surface activity also decreases, which is not preferable. The atmosphere during the heat treatment is not particularly limited to reduced pressure, air, or inert atmosphere. However, after the heat treatment, it is necessary to handle in an atmosphere having a dew point of −30 ° C. or less in order to prevent resorption of moisture, etc. A temperature of not higher than ° C is particularly preferred. The water content of the composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals thus heat-treated needs to be a value of 3000 ppm or less when determined by the Karl Fischer method.
[0043]
(d) Organic solvent
It is preferable to add an organic solvent to the polymer solid electrolyte of the present invention because the ionic conductivity of the polymer solid electrolyte is further improved. As a solvent that can be used, a compound having good compatibility with the polymer compound used in the polymer solid electrolyte of the present invention, a large dielectric constant, a boiling point of 60 ° C. or more, and a wide electrochemical stability range is suitable. Yes.
Examples of such solvents include ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, crown ether, triethylene glycol methyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl Examples thereof include carbonates such as methyl carbonate, aromatic nitriles such as benzonitrile and tolunitrile, sulfur compounds such as dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, N-vinylpyrrolidone and sulfolane, and phosphate esters. Among these, ethers and carbonates are preferable, and carbonates are particularly preferable.
The greater the amount of organic solvent added, the better the ionic conductivity of the polymer solid electrolyte. For this reason, it is generally desirable to increase the amount of addition, but on the other hand, if the amount is too large, the mechanical strength of the polymer solid electrolyte is lowered. The preferred addition amount is 2 to 15 times the weight of the polymer used in the solid polymer electrolyte of the present invention, and particularly preferably 3 to 10 times the amount.
[0044]
[Production method of solid polymer electrolyte]
The polymer solid electrolyte of the present invention was prepared by preparing a polymerizable mixture comprising a compound having a functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2) and other components, for example, in the form of a film. Thereafter, it can be produced by polymerization. Specifically, at least one compound having a functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), composite oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and another metal, At least one electrolyte salt such as an alkali metal salt, quaternary ammonium salt, quaternary phosphonium salt or transition metal salt is mixed, and if desired, other polymerizable compounds, plasticizers and / or organic solvents are added and mixed to be polymerizable. After preparing the composition, it is formed into a film or the like and polymerized by heating and / or irradiation with actinic rays in the presence or absence of the catalyst to obtain the polymer solid electrolyte of the present invention. According to this method, the degree of freedom in processing is widened, which is a great merit in application. In addition, the electrolyte salt can be transferred after the polymerizable mixture is polymerized. That is, it can also be produced by a method in which the polymerizable composition excluding the electrolyte salt is prepared and polymerized, and then the obtained polymer (cured product) is brought into contact with the electrolytic solution to impregnate the electrolyte salt. . In addition, as a method of contacting with the electrolytic solution, a method of contacting with an electrode or the like impregnated with the electrolytic solution can be used besides direct immersion in the electrolytic solution.
[0045]
When a solvent is used at the time of polymerization, depending on the type of polymerizable compound and the presence or absence of a polymerization catalyst, any solvent that does not inhibit the polymerization may be used. For example, tetrahydrofuran (THF), acetonitrile, toluene, etc. are used. be able to.
The polymerization temperature depends on the type of the compound having the functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), but may be any temperature at which the polymerization occurs, and is usually 0 ° C to 200 ° C. It may be performed in the range of.
When polymerizing by actinic ray irradiation, depending on the type of the compound having the functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), for example, an initiator such as benzylmethyl ketal or benzophenone is used. Then, it can be polymerized by irradiation with ultraviolet light of several mW or more, γ ray, electron beam or the like.
[0046]
Moreover, when using the polymer solid electrolyte of this invention as a thin film, in order to improve film strength, it can also be set as a composite film with another porous film. However, depending on the type or amount of the film to be combined, the conductivity may be lowered and the stability may be deteriorated, so it is necessary to select a suitable one. Examples of the film to be used include porous polyolefin sheets such as reticulated polyolefin sheets such as polypropylene nonwoven fabric and polyethylene net, polyolefin microporous films such as Celgard (trade name), nylon nonwoven fabrics, etc. A film is preferred. The porosity should be about 10 to 95%, but it should be as large as possible as long as the strength permits, and the preferable porosity is in the range of 40 to 95%.
The compounding method is not particularly limited, but for example, at least one compound having a functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2), a specific magnesium having a high specific surface area and a low water content, and the like. A polymerizable composition obtained by adding and mixing at least one electrolyte salt, and in some cases, another polymerizable compound and / or a plasticizer and / or a solvent, to a mixture of fine metal oxide (hydrotalcite) particles. By impregnating the porous polymer film and then subjecting it to a method of polymerizing the (meth) acryloyl-based compound, it can be uniformly combined and the film thickness can be easily controlled.
[0047]
[Battery and manufacturing method thereof]
As a battery of the present invention, a schematic cross-sectional view of an example of a thin film secondary battery is shown in FIG. In the figure, 1 is a positive electrode, 2 is a polymer solid electrolyte, 3 is a negative electrode, 4 is a current collector, and 5 is an insulating resin sealant.
In the configuration of the non-aqueous battery of the present invention, a high oxidation-reduction potential electrode active material (positive electrode active material) such as a metal oxide, metal sulfide, conductive polymer, or carbon material is used for the positive electrode 1. Since a battery having a high voltage and voltage is obtained, it is preferable. Among such electrode active materials, metal oxides such as cobalt oxide, manganese oxide, vanadium oxide, nickel oxide, molybdenum oxide, molybdenum sulfide, titanium sulfide, Metal sulfides such as vanadium sulfide are preferable, and manganese oxide, nickel oxide, cobalt oxide, and the like are particularly preferable in terms of high capacity and high voltage.
[0048]
The method for producing the metal oxide or metal sulfide in this case is not particularly limited. For example, a general electrolysis method or heating as described in Electrochemistry, Vol. 22, page 574 (1954). Manufactured by law. In addition, when these are used as an electrode active material in a lithium battery, for example, Li x CoO 2 Or Li x MnO 2 The lithium element is preferably used in a state of being inserted (composited) into a metal oxide or metal sulfide. The method for inserting the lithium element is not particularly limited. For example, a method for electrochemically inserting lithium ions or a method described in US Pat. No. 4,357,215 may be used. 2 CO Three This can be carried out by mixing and heat-treating a salt of the above and a metal oxide.
[0049]
Moreover, a conductive polymer is preferable in that it is flexible and easily thinned. Examples of the conductive polymer include polyaniline, polyacetylene and derivatives thereof, polyparaphenylene and derivatives thereof, polypyrrole and derivatives thereof, polythienylene and derivatives thereof, polypyridinediyl and derivatives thereof, polyisothianaphthenylene and derivatives thereof, polyfurylene. And its derivatives, polyselenophene and its derivatives, polyparaphenylene vinylene, polythienylene vinylene, polyfurylene vinylene, polynaphthenylene vinylene, polyselenophene vinylene, polypyridinediyl vinylene, and their derivatives, etc. Is mentioned. Among them, a polymer of an aniline derivative that is soluble in an organic solvent is particularly preferable. The conductive polymer used as an electrode active material in these batteries or electrodes is produced according to a chemical or electrochemical method as described later, or other known methods.
[0050]
Further, examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite, gas phase method graphite, petroleum coke, coal coke, fluorinated graphite, pitch-based carbon, and polyacene.
[0051]
As a negative electrode active material used for the
[0052]
When the negative electrode active material is used for a battery using an alkali metal ion as a carrier, an alkali metal salt is used as an electrolyte salt in the polymer solid electrolyte. Examples of the alkali metal salt include LiCF Three SO Three , LiPF 6 LiClO Four , LiBF Four , LiSCN, LiAsF 6 , LiN (CF Three SO 2 ) 2 , NaCF Three SO Three , LiI, NaPF 6 , NaClO Four , NaI, NaBF Four , NaAsF 6 , KCF Three S O Three , KPF 6 , KI and the like.
[0053]
An example of the manufacturing method of the electrode and battery of this invention is demonstrated. The positive and negative electrodes are placed in the battery structure so as not to contact each other, or are arranged on a support. For example, the positive electrode and the negative electrode are bonded to each other through a spacer having an appropriate thickness at the end of the electrode or a polymer solid electrolyte film prepared in advance, and then placed in the structure, and then between the positive electrode and the negative electrode, A complex oxide (hydrotalcite) of at least one compound having a functional group represented by the general formula (1) and / or the general formula (2) with a specific magnesium having a high specific surface area and a low water content and another metal ) After injecting a polymerizable composition in which at least one electrolyte salt, and in some cases, other polymerizable compounds and / or plasticizers and / or solvents are added and mixed into the mixture of fine particles, for example, heating and / or activity Electrode can be electrolyzed by polymerization by irradiation with light or by sealing with an insulating resin such as polyolefin resin or epoxy resin as necessary after polymerization. Battery is good contact is obtained.
[0054]
In addition to this, at least one kind of polymerizable compound, solvent and high specific surface area and low water content of specific magnesium and other metal complex oxide (hydrotalcite) fine particles, or other polymerizable compounds Part of the electrolyte salt from the electrolytic solution in which the positive electrode and the negative electrode are bonded together via a polymer obtained by polymerizing a polymerizable composition in which a compound and / or a plasticizer is added and mixed, and the electrode is impregnated in advance. It is also possible to produce a battery by transferring the polymer to a polymer.
[0055]
The battery structure or the support may be made of a metal such as SUS, a resin such as polypropylene or polyimide, or a ceramic material such as conductive or insulating glass. It is not limited. Moreover, the shape may be any shape such as a cylinder, a box, a sheet or the like.
When manufacturing a wound battery, the above-mentioned polymerizable composition is further bonded after the positive electrode and the negative electrode are bonded and wound through a polymer solid electrolyte film prepared in advance and inserted into the structure for battery construction. It is also possible to inject and polymerize.
[0056]
[Electric double layer capacitor and manufacturing method thereof]
Next, the electric double layer capacitor of the present invention will be described.
According to the present invention, by using the polymer solid electrolyte, an electric double layer capacitor having a high output voltage, a large extraction current, or excellent workability and reliability is provided.
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an example of the electric double layer capacitor of the present invention. This example is a thin cell having a size of 1 cm × 1 cm and a thickness of about 0.5 mm, and a pair of
[0057]
The
The
[0058]
The type of electrolyte salt used for the composite in the case of the electric double layer capacitor of the present invention is not particularly limited, and a compound containing an ion desired to be a charge carrier may be used, but dissociation in a polymer solid electrolyte It is desirable to include ions that have a large constant and easily form a polarizable electrode and an electric double layer.
Such compounds include (CH Three ) Four NBF Four , (CH Three CH 2 ) Four NClO Four Quaternary ammonium salts such as alkyl pyridinium tetrafluoroborate, AgClO Four Transition metal salts such as (CH Three ) Four PBF Four Quaternary phosphonium salts such as LiCF Three SO Three , LiPF 6 LiClO Four , LiI, LiBF Four , Li SCN, LiAsF 6 , LiN (CF Three SO 2 ) 2 , NaCF Three SO Three , NaPF 6 , NaClO Four , NaI, NaBF Four , NaAsF 6 , KCF Three SO Three , KPF 6 And alkali metal salts such as KI, organic acids such as p-toluenesulfonic acid and salts thereof, and inorganic acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid. Of these, quaternary ammonium salts, pyridinium salts, quaternary phosphonium salts, and alkali metal salts are preferred from the viewpoints of high output voltage and a large dissociation constant. Among quaternary ammonium salts, (CH Three CH 2 ) (CH Three CH 2 CH 2 CH 2 ) Three NBF Four Those having different substituents on the nitrogen of the ammonium ion are preferable from the viewpoint of high solubility in the polymer solid electrolyte or high dissociation constant.
[0059]
Next, an example of the manufacturing method of the electric double layer capacitor of the present invention will be described. The two polarizable electrodes are placed in the capacitor structure so as not to contact each other, or placed on the support. For example, a polarizable electrode is bonded to the end of the electrode via a spacer having an appropriate thickness or a polymer solid electrolyte film prepared in advance, and placed in the structure, and the general formula (1) and / or the general formula At least one electrolyte salt in a mixture of at least one compound having a functional group represented by (2) and a composite oxide (hydrotalcite) fine particle of a specific magnesium and other metal having a high specific surface area and a low water content; In some cases, after injecting a polymerizable composition in which another polymerizable compound and / or a plasticizer and / or a solvent are added and mixed, and then polymerizing, or further after polymerization, a polyolefin resin, if necessary. By sealing with an insulating resin such as an epoxy resin, an electric double layer capacitor in which the electrode and the electrolyte are in good contact can be obtained. In particular, a thin electric double layer capacitor can be manufactured by this method.
[0060]
In addition to this, at least one kind of polymerizable compound, solvent and high specific surface area and low water content of specific magnesium and other metal complex oxide (hydrotalcite) fine particles, or other polymerizable compounds From an electrolyte solution in which two polarizable electrodes are bonded together through a polymer obtained by polymerizing a polymerizable composition to which a compound and / or a plasticizer is added and mixed, and the polarizable electrode is impregnated in advance. It is also possible to manufacture an electric double layer capacitor by transferring a part of the electrolyte salt to a polymer.
[0061]
The capacitor structure or the support may be a metal such as SUS, a resin such as polypropylene or polyimide, or a ceramic material such as conductive or insulating glass. The shape is not limited to the above, and the shape may be any shape such as a cylinder, a box, a sheet or the like.
[0062]
As the shape of the electric double layer capacitor, in addition to the sheet type as shown in FIG. 2, a coin type, or a sheet-like laminate of a polarizable electrode and a polymer solid electrolyte is wound into a cylindrical shape to form a cylindrical tubular capacitor. It may be a cylindrical type manufactured by sealing in a structure.
When manufacturing a wound type capacitor, the above-mentioned polymerizable composition is further bonded after the polarizable electrodes are bonded and wound through a polymer solid electrolyte film prepared in advance and inserted into the capacitor structure. It is also possible to inject and polymerize.
[0063]
【Example】
The present invention will be described in more detail below with typical examples. Note that these are merely illustrative examples, and the present invention is not limited thereto.
[0064]
Example 1 Synthesis of
Embedded image
Compound 1 (KOH value 34.0 mg / g, s / t = 7/3) (50.0 g) and Compound 2 (4.6 g) were dissolved in well-purified tetrahydrofuran (THF) (100 ml) in a nitrogen atmosphere. Dibutyltin dilaurate (0.44 g) was added. Then, the colorless product was obtained by making it react at 25 degreeC for about 15 hours. That 1 From the results of 1 H-NMR, IR, and elemental analysis, compound 1 and
[0065]
Example 2: Production of polymer solid electrolyte composite membrane
Compound 3 (1.0 g), hydrotalcite particles heat treated at 500 ° C. (Kyowa Chemical Co., Ltd., KW2200, average particle size of about 1.0 μm, BET specific surface area of 135 m) 2 / G, water content 1000 ppm) (0.33 g), ethylene carbonate (EC) (1.8 g), ethyl methyl carbonate (EMC) (4.2 g), LiPF 6 (Hashimoto Kasei Battery Grade) (0.60 g) and Lucillin TPO (BASF) (0.005 g) were mixed well in an argon atmosphere to obtain a photopolymerizable composition. The water content (Karl Fischer method) of this composition was 35 ppm.
This photopolymerizable composition was coated on a polyethylene terephthalate (PET) film under an argon atmosphere, and then irradiated with a chemical fluorescent lamp (FL20S.BL, manufactured by Sankyo Electric Co., Ltd.) for 10 minutes. A compound impregnated with an EC /
[0066]
Example 3: Production of polymer solid electrolyte composite membrane
A thermopolymerizable composition was obtained in the same manner as in Example 2 except that peroyl TCP (manufactured by NOF Corporation) (0.01 g) was added instead of lucillin TPO (0.005 g) as an initiator. The water content (Karl Fischer method) of this composition was 35 ppm.
A compound impregnated with an EC / EMC electrolyte solution after coating the thermopolymerizable composition on a PET film under an argon atmosphere, coating a polypropylene (PP) film, and heating on a hot plate at 60 ° C. for 30 minutes. 3 polymer / KW2200 composite film was obtained as a free standing film of about 30 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. and −20 ° C. was measured by the impedance method, it was 5.3 × 10 5 respectively. -3 , 1.0 × 10 -3 S / cm.
[0067]
Example 4: Production of solid polymer electrolyte composite membrane
LiPF 6 Instead of Hashimoto Kasei Battery Grade LiBF Four A photopolymerizable composition was obtained in the same manner as in Example 2 except that (0.50 g) was used. The water content of this composition (Karl Fischer method) was 45 ppm.
This photopolymerizable composition was applied and irradiated with light in the same manner as in Example 2 to obtain a polymer / KW2200 composite film of
[0068]
Example 5: Production of polymer solid electrolyte composite membrane
LiPF 6 Instead of Hashimoto Kasei high-purity tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEAB) (1.00 g), the solvent was EC, and propylene carbonate (PC) (6.0 g) was used instead of EMC. A photopolymerizable composition was obtained. The water content of this composition (Karl Fischer method) was 110 ppm. The photopolymerizable composition was applied and irradiated with light in the same manner as in Example 2 to obtain a polymer / KW2200 composite film of
[0069]
Example 6: Synthesis of
Embedded image
[0070]
Compound 4 (average molecular weight 550) (55 g) and compound 2 (15.5 g) were dissolved in well-purified THF (100 ml) in a nitrogen atmosphere, and then dibutyltin dilaurate (0.66 g) was added. Then, the colorless viscous liquid was obtained by making it react at 25 degreeC for about 15 hours. That 1 From the results of 1 H-NMR, IR, and elemental analysis,
[0071]
Comparative Example 1: Production of polymer solid electrolyte composite membrane
Compound 3 (0.5 g), Compound 5 (0.5 g), heat-treated magnesium oxide particles at 500 ° C. (manufactured by Kyowa Chemical, Micromag 3-30, average particle size 3.1 μm, BET specific surface area 105 m 2 / G, water content 1200ppm) (0.66g), EC (1.8g), EMC (4.2g), LiPF 6 (Hashimoto Kasei Battery Grade) (0.60 g) and Lucillin TPO (0.005 g) were mixed well in an argon atmosphere to obtain a photopolymerizable composition. The water content (Karl Fischer) of this composition was 30 ppm. When this photopolymerizable composition was applied on a PET film in an argon atmosphere and then irradiated with a chemical fluorescent lamp for 10 minutes, a copolymer impregnated with an EC / EMC electrolyte (
[0072]
Comparative Example 2: Production of polymer solid electrolyte composite membrane
Compound 3 (0.5 g), Compound 5 (0.5 g), 100 ° C. heat-treated magnesium oxide particles (manufactured by Kyowa Chemical, Micromag 3-30, average particle size 3.1 μm, BET specific surface area 105 m 2 / G, water content 8000 ppm) (0.66 g), EC (1.8 g), EMC (4.2 g), LiPF 6 (Hashimoto Kasei Battery Grade) (0.60 g) and Lucillin TPO (0.005 g) were mixed well in an argon atmosphere to obtain a photopolymerizable composition. The water content (Karl Fischer) of this composition was 400 ppm. When this photopolymerizable composition was applied on a PET film in an argon atmosphere and then irradiated with a chemical fluorescent lamp for 10 minutes, a copolymer impregnated with an EC / EMC electrolyte (
[0073]
Comparative Example 3: Production of polymer solid electrolyte composite membrane
Embedded image
[0074]
(Japanese fats and oils, Bremer AE-400, Mw400) (0.3 g), compound 3 (0.7 g), 500 ° C. heat treated micromag 3-30 (0.66 g), EC (1.8 g), diethyl carbonate (DEC) (4.2 g ), LiBF Four (Hashimoto Kasei Battery Grade) (0.40 g) and Lucillin TPO (0.005 g) were mixed well in an argon atmosphere to obtain a photopolymerizable composition. The water content (Karl Fischer) of this composition was 80 ppm.
When this photopolymerizable composition was applied on a PET film in an argon atmosphere and then irradiated with a chemical fluorescent lamp for 10 minutes, a copolymer (
[0075]
Example 7: Production of polymer solid electrolyte composite membrane
A thermopolymerizable composition was obtained in the same manner as in Example 5 except that peroyl TCP (manufactured by NOF Corporation) (0.04 g) was added as an initiator instead of lucillin TPO (0.005 g). The water content of this composition (Karl Fischer method) was 120 ppm. After applying this heat-polymerizable composition onto a PET film in an argon atmosphere, coating the PP film, and heating on a hot plate at 80 ° C. for 1 hour, a polymer of
[0076]
Example 8: Production of lithium cobaltate positive electrode
Li 2 CO Three (11g) and Co Three O Four (24 g) was mixed well, heated at 800 ° C. for 24 hours in an oxygen atmosphere, and then pulverized to thereby produce LiCoO. 2 A powder was obtained. This LiCoO 2 The powder, acetylene black, and polyvinylidene fluoride were mixed at a weight ratio of 8: 1: 1, and an excess N-methylpyrrolidone solution was added to obtain a gel composition. This composition was applied and molded on an aluminum foil of about 25 μm to a thickness of 10 mm × 10 mm and about 180 μm. Furthermore, by heating and vacuum drying at about 100 ° C. for 24 hours, a lithium cobaltate positive electrode (75 mg) was obtained.
[0077]
Example 9: Production of graphite negative electrode
MCMB graphite (manufactured by Osaka Gas), gas phase method graphite fiber (manufactured by Showa Denko KK: average fiber diameter, 0.3 μm, average fiber length, 2.0 μm, heat treated product at 2700 ° C.), weight ratio of polyvinylidene fluoride 8.6: 0.4 : An excess N-methylpyrrolidone solution was added to the 1.0 mixture to obtain a gel composition. This composition was applied and molded on a copper foil of about 15 μm to a thickness of 10 mm × 10 mm and about 250 μm. Furthermore, a graphite negative electrode (35 mg) was obtained by heating and vacuum drying at about 100 ° C. for 24 hours.
[0078]
Example 10: Production of Li-ion secondary battery
In the argon atmosphere glove box, the graphite negative electrode (10 mm × 10 mm) produced in Example 9 was applied to the electrolyte (1M LiPF). 6 / EC + EMC (3: 7)) impregnated with the polymer solid electrolyte (compound 3) / KW2200 composite film (12 mm × 12 mm) prepared in Example 2, and cobalt produced in Example 8 Lithium acid positive electrode (10mm x 10mm) and electrolyte (1M LiPF 6 / EC + EMC (3: 7)) impregnated with each other and the ends of the battery were sealed with an epoxy resin to obtain a graphite / cobalt oxide Li ion secondary battery having the structure shown in FIG. When this battery was charged and discharged at 60 ° C., 25 ° C., and −10 ° C. with an operating voltage of 2.75 to 4.1 V and a current of 0.5 mA, the maximum discharge capacities were 7.2 mAh, 7.2 mAh, and 5.6 mAh, respectively. Moreover, when charging / discharging was repeated at 60 ° C., operating voltage 2.75 to 4.1 V, charging 0.5 mA, discharging 3.0 mA, the maximum discharge capacity was 7.0 mAh, and the cycle life until the capacity decreased to 50% was 350 times. there were.
[0079]
Comparative Example 4: Production of Li-ion secondary battery
Instead of the polymer solid electrolyte (compound 3) / KW2200 composite film, the polymer solid electrolyte (
[0080]
Comparative Example 5: Production of Li-ion secondary battery
Instead of the polymer solid electrolyte (compound 3) / KW2200 composite film, the same procedure as in Example 10 was used, except that the polymer solid electrolyte (
[0081]
Example 11: Production of Li-ion secondary battery
In the argon atmosphere glove box, the graphite negative electrode (10 mm × 10 mm) produced in Example 9 was applied to the electrolyte (1M LiPF). 6 / EC + EMC (3: 7)), the
[0082]
Example 12: Production of an all-solid-state Li-ion secondary battery
In an argon atmosphere glove box, a graphite negative electrode (10 mm × 10 mm) produced in Example 9 was impregnated with the thermopolymerizable composition prepared in Example 3, and the polymer solid electrolyte prepared in Example 2 ( Compound 3) / KW2200 composite film (12 mm × 12 mm) was bonded, and the lithium cobaltate positive electrode (10 mm × 10 mm) produced in Example 8 was impregnated with the thermopolymerizable composition prepared in Example 3. The battery ends are sealed with an epoxy resin, and the thermopolymerizable composition is cured at 70 ° C. for 1 hour to obtain a graphite / cobalt oxide-based all solid Li ion secondary battery having the structure shown in FIG. It was. When this battery was charged and discharged at an operating voltage of 2.75 to 4.1 V and a current of 0.5 mA at 60 ° C., 25 ° C. and −10 ° C., the maximum discharge capacities were 7.2 mAh, 6.8 mAh and 2.5 mAh, respectively. Moreover, when charging / discharging was repeated at 60 ° C., operating voltage 2.75 to 4.1 V, charging 0.5 mA, discharging 3.0 mA, the maximum discharge capacity was 6.8 mAh, and the cycle life until the capacity decreased to 50% was 410 times. there were.
[0083]
Example 13: Production of activated carbon electrode
An excess N-methylpyrrolidone solution was added to a mixture of coconut shell activated carbon and polyvinylidene fluoride in a weight ratio of 9.0: 1.0 to obtain a gel composition. This composition was applied on a stainless steel foil in a size of 10 mm × 10 mm to a thickness of about 150 μm. It vacuum-dried at about 100 degreeC for 10 hours, and obtained the activated carbon electrode (14.0 mg).
[0084]
Example 14: Production of an electric double layer capacitor
In an argon atmosphere glove box, two electrodes were prepared by impregnating the activated carbon electrode (14 mg) 10 mm × 10 mm produced in Example 13 with an electrolyte (1M TEAB / PC). Next, the polymer solid electrolyte (compound 3) / KW2200 composite film (12 mm × 12 mm) produced in Example 5 was bonded to one electrode, and another electrode was bonded, and the capacitor end was bonded to an epoxy resin. The electric double layer capacitor having the structure shown in FIG. 2 was manufactured. When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V and a current of 0.2 mA at 60 ° C. and 25 ° C., the maximum capacity was 470 mF and 470 mF. Further, the maximum capacity at 60 ° C. and 2.5 mA was 430 mF, and there was almost no change in capacity even when charging and discharging were repeated 50 times.
[0085]
Example 15: Production of an all-solid-state electric double layer capacitor
In an argon atmosphere glove box, two electrodes were prepared by impregnating the activated carbon electrode (14 mg) 10 mm × 10 mm produced in Example 13 with the thermopolymerizable composition prepared in Example 7. Next, the polymer solid electrolyte (compound 3) / KW2200 composite film (12 mm × 12 mm) produced in Example 5 was bonded to one electrode, and another electrode was bonded, and the capacitor end was bonded to an epoxy resin. Then, the thermopolymerizable composition was heated and polymerized at 70 ° C. for 1 hour to produce an all-solid electric double layer capacitor as shown in FIG. When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V and a current of 0.2 mA at 60 ° C. and 25 ° C., the maximum capacity was 460 mF and 410 mF. Further, the maximum capacity at 60 ° C. and 2.5 mA was 410 mF, and the capacity was hardly changed even after repeated charging and discharging 50 times.
[0086]
Example 16: Production of polymer solid electrolyte composite membrane
Compound 3 (1.0 g), hydrotalcite particles heat-treated at 500 ° C. (Kyowa Chemical, KW2200, average particle size of about 1.0 μm, BET specific surface area of 135 m 2 / G, water content 1000 ppm) (0.33 g), ethylene carbonate (EC) (1.8 g), ethyl methyl carbonate (EMC) (4.2 g), and Lucillin TPO (BASF) (0.005 g) in an argon atmosphere. Mix well to obtain a photopolymerizable composition. The water content of this composition (Karl Fischer method) was 30 ppm. This photopolymerizable composition was applied on a polyethylene terephthalate (PET) film under an argon atmosphere, and then irradiated with a chemical fluorescent lamp (FL20S.BL manufactured by Sankyo Electric Co., Ltd.) for 10 minutes. As a result,
[0087]
Example 17: Production of Li-ion secondary battery
In an argon atmosphere glove box, the graphite negative electrode (10 mm × 10 mm) produced in Example 9 was applied to the electrolyte (1.2 M LiPF). 6 / EC + EMC (3: 7)) and the polymer / KW2200 composite film (12 mm × 12 mm) of
When this battery was charged and discharged at 60 ° C., 25 ° C., and −10 ° C. with an operating voltage of 2.75 to 4.1 V and a current of 0.5 mA, the maximum discharge capacities were 7.2 mAh, 7.2 mAh, and 6.0 mAh, respectively. Moreover, when charging / discharging was repeated at 60 ° C., operating voltage 2.75 to 4.1 V, charging 0.5 mA, discharging 3.0 mA, the maximum discharge capacity was 7.1 mAh, and the cycle life until the capacity decreased to 50% was 320 times. there were.
[0088]
Example 18: Production of an electric double layer capacitor
In an argon atmosphere glove box, two electrodes were prepared by impregnating the activated carbon electrode (14 mg) 10 mm × 10 mm produced in Example 13 with an electrolytic solution (1.2 M TEAB / PC). Next, the polymer / KW2200 composite film (12 mm × 12 mm) of the
[0089]
【The invention's effect】
The polymer compound of the present invention, a high solid electrolyte polymer electrolyte including fine oxide (hydrotalcite) fine particles of magnesium and other metals and an electrolyte salt has good membrane strength and high ionic conductivity. It has excellent processability, and also has high current characteristics and high temperature durability compared to conventional solid polymer electrolytes. The battery and the electric double layer capacitor using the polymer solid electrolyte of the present invention can be used stably for a long period of time without risk of liquid leakage because the ion conductive material is solid, and this solid electrolyte is used. Thus, a thin battery or capacitor can be manufactured.
[0090]
In addition, by using the solid polymer electrolyte of the present invention, thinning is easy, it can operate at high capacity, has a long life, high current characteristics, high temperature durability, reliability, stability, and excellent workability. A secondary battery is obtained. This secondary battery is a battery that can operate at high capacity and high current as an all-solid-state battery, has good cycleability, and is excellent in safety and reliability. It can be used as a power source for electric products, an electric vehicle, and a large power source for road leveling. Since it can be easily thinned, it can also be used as a paper battery such as an ID card.
[0091]
Furthermore, by using the solid polymer electrolyte of the present invention, an electric double layer capacitor having a high output voltage, a large take-out current, a long life, excellent high temperature durability, workability, reliability, and stability can be obtained. . The electric double layer capacitor of the present invention can operate at a high voltage, a high capacity, and a high current, or has a good cycleability, safety and reliability compared to conventional capacitors. It can be used not only as a power source but also as a power source for various electric products when used in combination with a small battery. Moreover, since it is excellent in workability, such as thin film formation, it can be expected for uses other than those of conventional electric double layer capacitors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a thin battery which is an example of a battery according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of an electric double layer capacitor according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Positive electrode
2 Polymer solid electrolyte
3 Negative electrode
4 Current collector
5 Insulating resin sealant
6-polar electrode
7 Current collector
8 Polymer solid electrolyte membrane
9 Insulating resin sealant
10 Lead wire
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