JP2000021406A - 電極用結着剤及びその用途 - Google Patents

電極用結着剤及びその用途

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JP2000021406A
JP2000021406A JP10184067A JP18406798A JP2000021406A JP 2000021406 A JP2000021406 A JP 2000021406A JP 10184067 A JP10184067 A JP 10184067A JP 18406798 A JP18406798 A JP 18406798A JP 2000021406 A JP2000021406 A JP 2000021406A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高容量、大電流で作動でき、耐久性、信頼性
に優れた電池及び電気二重層コンデンサ用の電極用結着
剤、その電極用結着剤を利用した性能のよい電池及び電
気二重層コンデンサを提供する。 【解決手段】 一般式(1)で示されるポリまたはオリ
ゴカーボネート基を有する少なくとも一種の高分子化合
物からなる電極用結着剤、その結着剤を用いた電極及び
その製造方法、その電極を用いた電池並びに電気二重層
コンデンサ。 [式中、R1は炭素数が1〜10の鎖状、分岐状及び/
または環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基
を表わし、mは1〜10の整数であり、nは2〜1000の
整数である。但し、同一分子中に複数存在するR1、m
及びnは、それぞれ同一でもよいし異なってもよい。]

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種電気化学素子
の電極に有用な結着剤に関する。さらに詳しく言えば、
ポリまたはオリゴカーボネート基を主成分とする高分子
化合物からなる電極用結着剤、その結着剤を用いた電極
及びその製造方法、その電極を用いた電池並びに電気二
重層コンデンサに関する。
【0002】
【従来の技術】最近、LiCoO2、LiNiO2、Li
MnO2、MoS2等の金属酸化物や、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あるいは高分子化合
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。これらは、重量当りもしくは体積当りの容量が高
く、高エネルギー密度二次電池として注目されている。
【0003】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、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
されている。
【0004】電極は一般的に電極活物質粉体あるいはさ
らにカーボンブラックのような導電助剤粉体を加えた混
合粉体を高分子結着剤を用いて、金属箔やカーボンシー
トのような集電体上に結着成形したものが用いられてい
る。特に近年注目されているリチウム二次電池や電気二
重層コンデンサは電解液として、カーボネートのような
極性の大きい有機溶媒に解離度の高いフッ素系アニオン
電解質を溶解した溶液が使われるので、高分子結着剤は
これら電解液となじみがよく、さらに溶解や反応をしな
いことが必要である。またLi電位に対して0〜4.5V
と広い電位域での使用となるので酸化還元に安定なもの
が求められる。また、充放電に伴い活物質の膨張収縮が
起こり、結着剤としてはこれに対するクッション作用も
求められ、ある程度弾性のあるものが使われる。また、
電極乾燥を高温で行うため、耐熱性も求められる。
【0005】高分子結着剤として、Ni/Cd、Ni/
水素二次電池のような水系電池ではポリ塩化ビニル(P
VC)、カルボキシメチルセルロース(CMC)のよう
な各種水溶性高分子、ポリテトラフルオロエチレン(P
TFE)水系ディスパージョンが使用されてきた。ま
た、リチウム二次電池、有機系電気二重層コンデンサで
はポリフッ化ビニリデン(PVDF)及びその共重合体
やPTFEの様なフッ素系高分子が主に用いられてい
る。他に変性ラテックスやポリイミド、ポリプロピレン
(PP)やポリエチレン(PE)のようなポリオレフィ
ン類、各種熱硬化性樹脂、ポリウレタンなどが一部使用
または検討されている。しかしながら、現在用いられて
いる結着剤は電気化学的安定性、耐電解液性等の耐久性
を重要視しているため、電解液との親和性が十分ではな
く、電解液を包含できず、従って多量に用いると、電極
の抵抗増加や部分的不活性化を引き起こす。また活物質
間の接着性、活物質と集電材料との接着性も十分ではな
い。特にフッ素系高分子やポリオレフィン類は耐久性は
よいが、親和性、接着性が問題である。ポリイミドやラ
テックス等で親和性、接着性を高めたものは耐久性でや
や問題となる場合もある。ポリアミドやポリエステルは
接着性、耐熱性は良好であるが、電気化学的安定性、耐
電解液性等が不十分で実用化には至っていない。水系で
用いられているPVCやCMCも安定性の面で有機電解
液系には使用できない。
【0006】また現在用いられている結着剤は電極活物
質粉体と混合する際に、基本的に未架橋の各種溶剤に溶
解または分散した状態の高分子が使用されるために、高
温で融解や溶解を引き起こし耐熱性に問題があった。そ
こでモノマー状態で活物質粉体と混合後に熱硬化するこ
とにより、架橋高分子化することができる各種熱硬化樹
脂も検討されているが、硬化性や安定性で充分なものは
得られていなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、電気化学的
安定性、耐電解液性、耐熱性等の耐久性にすぐれ、活物
質粉体や集電材料との接着性が良好で、さらに電解液を
含浸し、高イオン伝導度化しやすい、各種電気化学素子
に有用な電極用結着剤及びそれを用いた電極、その製造
法を提供すること目的とする。特に耐久性等で要求性能
の高い有機電解液系の電気化学素子に有用な電極用結着
剤及びそれを用いた電極を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記電極を用いた高容量、大電流で作
動でき、耐久性、信頼性に優れた電池及び電気二重層コ
ンデンサを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ポリまたはオリゴ
カーボネート基を主成分とする架橋及び/または側鎖基
を有する高分子化合物が、電気化学的安定性、耐電解液
性、耐熱性等の耐久性にすぐれ、活物質粉体や集電材料
との接着性が良好で、さらに電解液を含浸し、高イオン
伝導度化しやすいことを見出した。特に、一般式(2)
及び/または一般式(3)
【0009】
【化6】
【0010】[式中の記号は後記と同じ意味を表わ
す。]で示される重合性官能基を有し、ポリまたはオリ
ゴカーボネート基を主成分とする重合性化合物が硬化性
が良好で、容易に架橋できることから、各種電極活物質
粉体との混合が容易で耐熱性に優れた電極用結着剤であ
ることを見出した。さらに上記電極用結着剤から得られ
る電極を用いた電池や電気二重層コンデンサは高エネル
ギー密度で、取り出し電流が大きく、耐久性、信頼性に
優れていることを見出した。
【0011】以上の知見に基づいて本発明者らは、以下
の(1)電極用結着剤、(2)その電極用結着剤から得られる
電極とその製造方法、並びに(3)その電極を用いた電
池、電気二重層コンデンサを提供する。
【0012】(1)一般式(1)
【化7】 [式中、R1は炭素数が1〜10の鎖状、分岐状及び/
または環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基
を表わし、mは1〜10の整数であり、nは2〜1000の
整数である。但し、同一分子中に複数存在するR1、m
及びnは、それぞれ同一でもよいし異なってもよい。]
で示されるポリまたはオリゴカーボネート基を有する少
なくとも一種の高分子化合物からなる電極用結着剤。
【0013】(2)高分子化合物が、一般式(1)
【化8】 [式中の記号は前記と同じ意味を表わす。]で示される
ポリまたはオリゴカーボネート基と、下記一般式(2)
及び/または一般式(3)
【化9】 [式中、R2及びR3は、水素原子または炭素数1〜6の
アルキル基を表わし、R4は炭素数1〜10の鎖状、分
岐状及び/または環状の、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、同一分子中に複数存在するR2、R3、R4
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と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からなる前記(1)記
載の電極用結着剤。
【0014】(3) リチウム合金、炭素材料、無機酸
化物、無機硫化物、電導性高分子化合物から選ばれる少
なくとも一つの電池用電極材料と前記(1)または
(2)記載の少なくとも一種の電極用結着剤の重合物を
含む電池用電極。 (4) 炭素材料、無機酸化物、無機硫化物、無機ハロ
ゲン化物、金属から選ばれる少なくとも一種の分極性電
極材料と前記(1)または(2)記載の少なくとも一種
の電極用結着剤の重合物を含む電気二重層コンデンサ用
分極性電極。 (5) 前記(3)記載の電極を用いることを特徴とす
る電池。 (6) 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、前記(4)記載の分
極性電極を用いることを特徴とする電気二重層コンデン
サ。
【0015】(7) 一般式(1)
【化10】 [式中の記号は前記の記載と同じ意味を表わす。]で示
されるポリまたはオリゴカーボネート基と、一般式
(2)及び/または一般式(3)
【化11】 [式中の記号は前記と同じ意味を表わす。]で示される
重合性官能基とを有する少なくとも一種の重合性化合物
と電極粉体とを混合、あるいはさらに少なくとも一種の
有機溶媒を添加した後、混合物を成形し、該重合性化合
物を重合することを特徴とする電極の製造方法。
【0016】
【発明の実施の態様】以下に本発明を詳細に説明する。 [電極用結着剤]本発明の電極用結着剤に用いる高分子
化合物は電極活物質や集電体と接着性が良好で、弾性が
あり、電気化学的安定性や耐電解液性、耐熱性が良好で
あり、各種有機極性溶媒を吸液、保持できるものであ
り、下記一般式(1)で示されるポリまたはオリゴカー
ボネート構造を有する架橋及び/または側鎖基を含むも
のである。
【0017】
【化12】 式中、R1は炭素数が1〜10の鎖状、分岐状及び/ま
たは環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基を
表わし、mは1〜10の整数であり、nは2〜1000の整
数である。
【0018】上記一般式(1)でmが10を越えると、
高分子化合物中のカーボネート基が少なくなり、耐熱性
が低下し、また誘電率が低下し各種極性溶媒と相溶性が
低下するため好ましくない。好ましいmは1〜5であ
る。上記一般式でのR1の炭素数が多すぎると、高分子
化合物中のカーボネート基が少なくなり、同様に耐熱性
が低下し好ましくない。また、高分子化合物の疎水性が
増加し、各種極性溶媒との相溶性が低下し、好ましくな
い。好ましいR1の炭素数は1〜4である。本発明の電
極用結着剤に用いられる高分子中の一般式(1)で示さ
れるポリまたはオリゴカーボネート基の繰り返し数nは
2〜1000の範囲であり、3〜100の範囲が好ましく、
特に5〜50が好ましい。
【0019】本発明の高分子固体電解質に用いられる高
分子としては、一般式(1)で示されるポリまたはオリ
ゴカーボネート基を有し、かつ下記一般式(2)及び/
または(3)で示される重合性官能基
【化13】 [式中、R2及びR3は、水素原子または炭素数1〜6の
アルキル基を表わし、R4は炭素数1〜10の鎖状、分
岐状及び/または環状の、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、同一分子中に複数存在するR2、R3、R4
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(以下、単に「重合性化合物」と略す。)の重合
体が、各種電気化学素子に用いられる電極との複合が容
易であり、また耐熱性も向上するので好ましい。
【0020】具体的な重合性化合物としては、例えば以
下の一般式(4)あるいは(5)で示される化合物が挙
げられる。
【化14】
【化15】 式中、R5は炭素数1〜20の鎖状、分岐状及び/また
は環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい基を表わし、
その他の記号は前記と同じ意味を表わす。
【0021】一般式(1)で示される基と一般式(2)
で示される基とを有する重合性化合物を合成する方法に
特に制限はないが、例えば、酸クロライドと末端にヒド
ロキシル基を有するポリまたはオリゴカーボネートオー
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。
【0022】
【化16】 式中、R1、m、n及びR2は前記と同じ意味を表わす。
【0023】一般式(1)で示される基と一般式(3)
で示される基とを有する重合性化合物を合成する方法に
特に制限はないが、例えば、
【化17】 で示されるイソシアネート化合物と末端にヒドロキシル
基を有するポリまたはオリゴカーボネートオールとを反
応させることにより容易に得ることができる。
【0024】具体的方法として、一般式(3)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。)とモノアルキルポリまた
はオリゴカーボネートオールとを、以下の反応の様に
1:1のモル比で反応させることにより容易に得ること
ができる。
【0025】
【化18】 式中、R6は炭素数1〜10の有機基を表わし、R1
m、n、R3、R4及びxは前記と同じ意味を表わす。
【0026】また、一般式(3)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類とポ
リまたはオリゴカーボネートジオールとを以下のように
2:1のモル比で反応させることにより容易に得られ
る。
【0027】
【化19】 式中、R1、m、n、R3、R4及びxは前記と同じ意味
を表わす。また一般式(3)で示される官能基を三つ有
する化合物は、例えば、MI類あるいはAI類とポリま
たはオリゴカーボネートトリオールとを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】ここで一般式(2)あるいは(3)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できる
高分子は、架橋構造を有しておらず、弾性が低く、耐熱
性も低い。従って、一般式(2)あるいは(3)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(2)あるいは(3)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
子と併用することが好ましい。
【0029】また前記一般式(3)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、各種
溶媒との相溶性が高くなり、好ましい。さらに一般式
(3)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、各種電極と複合後の硬化が容易であり好まし
い。
【0030】本発明の電極用結着剤の構成成分として好
ましい高分子化合物は、前記重合性化合物の単独重合体
であっても、同一カテゴリーに属する2種以上の共重合
体であっても、あるいは前記重合性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。
【0031】前記重合性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、メタク
リル酸メチル、アクリル酸n−ブチル等の(メタ)アク
リル酸アルキルエステル、各種ウレタン(メタ)アクリ
レート、オキシアルキレン及び/またはオキシフルオロ
カーボン鎖を有する(メタ)アクリル酸エステル及び/
またはウレタン(メタ)アクリレート、(メタ)アクリ
ル酸フッ素化アルキルエステル、アクリルアミド、メタ
クリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,
N−ジメチルメタクリルアミド、炭酸ビニレン、(メ
タ)アクリロイルカーボネート、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。
【0032】これらの中で、好ましくは(メタ)アクリ
ル酸エステル、ウレタン(メタ)アクリレート、または
オキシアルキレン及び/またはオキシフルオロカーボン
鎖を有する(メタ)アクリル酸エステル及び/またはウ
レタン(メタ)アクリレートが用いられる。これらの中
で、ウレタン(メタ)アクリレートが重合性という観点
で特に好ましい。
【0033】また、本発明の電極用結着剤に用いる高分
子化合物としては、前記重合性化合物の少なくとも一種
から得られる重合体及び/または前記重合性化合物を共
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】前記一般式(1)で示されるポリまたはオ
リゴカーボネート基を有する高分子由来の構造単位の量
は、前記重合性化合物を単独重合するか、その他の共重
合成分と共重合するか、さらに他の高分子化合物を混合
するかにより、あるいはそれらの種類により異なるた
め、一概にはいえないが、電極用結着剤に用いたときの
接着性、電気化学的安定性、耐熱性、電解液との相溶性
を考慮すると、高分子成分全量に対し50重量%以上含
有することが好ましく、さらには70重量%以上含有す
ることが好ましい。
【0035】前記重合性化合物の重合は、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、前記重合性化合物単独、あるいは重合性化合物と他
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加
熱ラジカル重合触媒、ベンジルメチルケタール等の活性
光線ラジカル重合触媒CF3COOH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。
【0036】重合させる温度としては、前記重合性化合
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、前記重合性化合物の
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。
【0037】[電極及びその製造方法]本発明の電極は
各種電気化学素子に用いる電極材料粉体を本発明の電極
用結着剤で結着し成形したものである。本発明の電池用
電極の正極材料としては、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
正極活物質の中では、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。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4357
215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。
【0038】また柔軟で、薄膜化しやすいという点で
は、導電性高分子が正極活物質として好ましい。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。これら導電性高分子は、一般的な化学的あるいは電
気化学的酸化重合方法、あるいはその他の公知の方法に
従って製造される。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。
【0039】本発明の電池用電極の負極活物質として
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。
【0040】本発明の電気二重層コンデンサ用分極性電
極に用いる分極性材料としては、各種炭素材料が挙げら
れる。炭素材料としては、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。これらを水蒸気処理や酸処理等でさら
に比表面積を上げたものが好ましい。
【0041】これら電極材料を電極に成形する方法とし
ては、本発明のポリまたはオリゴカーボネート基を有す
る重合性化合物と電極材料粉末とを適当な割合で混合
後、あるいはさらにカーボンブラック等の導電助剤や少
なくとも一種の溶媒を添加した後、これら混合物を塗布
及びまたは成形し、さらに該重合性化合物を加熱や活性
光線照射等で重合することにより電極全体を硬化させる
方法が推奨される。
【0042】溶媒は電極材料粉末と重合性化合物との混
合を均一にするためや、その後の塗布成形を容易にする
ように混合物の粘度を低下させるために使用されること
がある。用いる溶媒としては、本発明のポリまたはオリ
ゴカーボネート基を有する重合性化合物や電極材料との
相溶性が良好であるものが適している。これら溶媒は電
極製造後の乾燥等で除去されることが多いが、電極内に
残存した場合には電気化学的安定範囲が広く、用いる電
気化学素子に悪影響を及ぼさな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、カーボネート類が特に好ま
しい。
【0043】[電池の構成]本発明の電池は電極用結着
剤にポリまたはオリゴカーボネート基を有する重合性化
合物を用いた電極を使用するものであり、取り出し電流
が大きく、あるいは加工性、信頼性に優れるという特徴
がある。本発明の電池の一例として、薄膜電池の概略断
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、4a,4bは集電体、5a,5bは絶
縁性樹脂封止剤である。
【0044】特にアルカリ金属イオンをキャリアーとす
る電池は出力電圧が高く、エネルギー密度が高い。この
場合、電解質層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LiCF3
3、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiSC
N、LiAsF6、LiN(CF3SO22、LiN(C
3CF2SO22、NaCF3SO3、LiI、NaPF
6、NaClO4、NaI、NaBF4、NaAsF6、K
CF3SO3、KPF6、KI等を挙げることができる。
【0045】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。
【0046】[電気二重層コンデンサの構成]次に本発
明の電気二重層コンデンサについて説明する。本発明の
電気二重層コンデンサは電極用結着剤にポリまたはオリ
ゴカーボネート基を有する重合性化合物を用いた電極を
使用するものであり、取り出し電流が大きく、あるいは
加工性、信頼性に優れているという特徴がある。
【0047】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×1c
m、厚み約0.5mmの薄型セルで、7a,7bは集電体
であり、集電体の内側には一対の分極性電極6a,6b
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。集電体7a,7b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。
【0048】本発明の電気二重層コンデンサの場合の電
解質層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、電解質層中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、(CH34
BF4、(CH3CH24NClO4等の4級アンモニウ
ム塩、ピリジニウム塩、AgClO4等の遷移金属塩、
(CH34PBF4等の4級ホスホニウム塩、LiCF3
SO3、LiPF6、LiClO4、LiI、LiBF4
LiSCN、LiAsF6、LiN(CF3SO22、L
iN(CF3CF2SO22、NaCF3SO3、NaPF
6、NaClO4、NaI、NaBF4、NaAsF6、K
CF3SO3、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。
【0049】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。
【0050】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良い。
【0051】
【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。
【0052】実施例1:化合物1、2及び3の合成
【化20】 上式(a)、(b)及び(c)に従い、常法で各種アル
キレングリコールに窒素下、10℃以下で過剰のホスゲ
ンガスを吹き込み、約5時間反応させ、各種アルキレン
グリコールのビスクロロホルメート体、化合物1、化合
物2、化合物3を合成した。これらの同定はGC−MS
で行なった。
【0053】実施例2:化合物1、2、3のオリゴマー
化(化合物4、5、6の合成)
【化21】 上式(d)、(e)及び(f)に従い、常法で実施例1
で合成した各種アルキレングリコールビスクロロホルメ
ート体(化合物1、2、3)と各種アルキレングリコー
ルとを、ピリジン存在下、25℃以下、ジクロロメタン
中で約6時間反応させた後、過剰の水を加え、残クロロ
ホルメート末端を水酸基化し、両末端に水酸基を有する
オリゴカーボネート(化合物4、化合物5、化合物6)
を合成した。GPC分析により求めた、各オリゴカーボ
ネートの重量平均分子量(Mw)、繰り返し数x、y、
zの平均は以下の通りであった。 化合物4 Mw 〜約 800、x:〜約8、 化合物5 Mw 〜約1500、y:〜約10、 化合物6 Mw 〜約1200、z:〜約10。
【0054】実施例3:重合性化合物7の合成
【化22】 化合物4(平均分子量800)(40.0g)及びMOI
(メタクリロイルオキシエチルイソシアネート)(15.5
g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF(200m
l)に溶解した後、ジブチルチンジラウレート(0.44
g)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4とMOIは1対
2で反応し、MOI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、重合性化合物7が生成してい
ることがわかった。
【0055】実施例4:重合性化合物8の合成
【化23】 化合物5(平均分子量1500)(75.0g)及びMOI(1
5.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF(200
ml)に溶解した後、ジブチルチンジラウレート(0.44
g)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5とMOIは1対
2で反応し、MOI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、重合性化合物8が生成してい
ることがわかった。
【0056】実施例5:重合性化合物9の合成
【化24】 化合物6(平均分子量1200)(60.0g)及びMOI(1
5.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF(200
ml)に溶解した後、ジブチルチンジラウレート(0.44
g)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6とMOIは1対
2で反応し、MOI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、重合性化合物9が生成してい
ることがわかった。
【0057】実施例6:コバルト酸リチウム正極の製造 11gのLi2CO3と24gのCo34をよく混合し、
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、実施例3、4、5で製造した重
合性化合物7、8、9の10wt%ジエチルカーボネー
ト溶液(1000ppmの過酸化ベンゾイル添加)を重量比
90:3:70で混合し、各ゲル状組成物を得た。これ
ら各組成物を約25μmのアルミ箔上に約180μmの
厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で6時間加熱
硬化後、100℃で8時間真空加熱乾燥することによ
り、コバルト酸リチウム/重合性化合物7及びコバルト
酸リチウム/重合性化合物8及びコバルト酸リチウム/
重合性化合物9複合正極シートを得た。これら各シート
をポンチで14mmφに打ち抜き、電池用正極を得た。
【0058】実施例7: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、2.0μ
m、2700℃熱処理品)、実施例3、4、5で製造した重
合性化合物7、8、9の10wt%ジエチルカーボネー
ト溶液(1000ppmの過酸化ベンゾイル添加)を重
量比86:4:100で混合し、各ゲル状組成物を得
た。これら各組成物を約15μmの銅箔上に、約250
μmの厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で6時
間加熱硬化後、100℃で8時間真空加熱乾燥すること
により、黒鉛/重合性化合物7及び黒鉛/重合性化合物
8及び黒鉛/重合性化合物9複合負極シートを得た。こ
れら各シートをポンチで15mmφに打ち抜き、電池用
負極を得た。
【0059】比較例1:コバルト酸リチウム正極の製造 実施例6で製造したLiCoO2粉末とアセチレンブラ
ック、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)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25μ
mのアルミ箔上に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シートを得た。このシート
をポンチで14mmφに打ち抜き、電池用正極を得た。
【0060】比較例2: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、2.0μ
m、2700℃熱処理品)、ポリフッ化ビニリデン(PVD
F)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、黒鉛負極を得た。このシートをポンチ
で15mmφに打ち抜き、電池用負極を得た。
【0061】実施例8〜10:Liイオン二次電池の製
造 実施例6、7で製造した各複合正極、負極を、表1に示
す組み合わせで用い、以下に示す方法で、表1に示す3
種類の黒鉛/コバルト酸リチウム系Liイオンコイン電
池を得た(実施例8〜10)。アルゴン雰囲気グローブ
ボックス中で各複合負極(15mmφ)にLiイオン電
池用に脱水した電解液(1M LiPF6/EC(エチ
レンカーボネート)+EMC(エチルメチルカーボネー
ト)(重量比3:7))を含浸させた。この複合負極上
に旭化成製ポリオレフィンマイクロポーラスフィルム:
ハイポア(開孔率65%、厚み25μm)に上記電解液
を含浸させたものを貼り合わせ、さらに、各複合正極に
上記電解液を含浸したものを貼り合わせ、2016コイン型
缶(直径20mm、厚み1.6mm)に封印し、黒鉛/コ
バルト酸リチウム系Liイオンコイン電池を得た。これ
ら電池を25℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.8mA、
放電6.0mAで充放電を繰り返した場合の最大放電容量
及び容量が最大容量の50%に低下するまでのサイクル
数を表1に示す。
【0062】比較例3:Liイオン二次電池の製造 比較例1、2で製造した正極、負極を用いた以外は実施
例8〜10と同様の方法で表1に示す黒鉛/コバルト酸
リチウム系Liイオンコイン電池を得た。この電池を2
5℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.8mA、放電6.0m
Aで充放電を繰り返した場合の最大放電容量及び容量が
最大容量の50%に低下するまでのサイクル数を表1に
示す。
【0063】
【表1】 表1:各種黒鉛/コバルト酸リチウム系コイン電池の特性 実施例 負極結着剤 正極結着剤 最大放電容量 サイクル (mAh) (50%低下時) 8 重合性化合物7 重合性化合物7 10.3 360 9 重合性化合物8 重合性化合物8 10.7 410 10 重合性化合物9 重合性化合物9 11.0 335 比較例3 PVDF PVDF 9.5 280
【0064】実施例11:活性炭複合電極の製造 フェノール樹脂焼成品の水蒸気賦活活性炭(比表面積20
10m2/g、平均粒径8μm、細孔容積0.7cm3
g)、アセチレンブラック、実施例3、4、5で製造し
た重合性化合物7、8、9の10wt%ジエチルカーボ
ネート溶液(1000ppmの過酸化ベンゾイル添加)を重
量比86:4:100で混合し、各ゲル状組成物を得
た。これら各組成物を約25μmのアルミ箔上に、約2
50μmの厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で
6時間加熱硬化後、100℃で8時間真空加熱乾燥する
ことにより、活性炭/重合性化合物7及び活性炭/重合
性化合物8、活性炭/重合性化合物9複合シートを得
た。これら各シートをポンチで15mmφに打ち抜き、
活性炭複合電極を得た。
【0065】比較例4:活性炭電極の製造 フェノール樹脂焼成品の水蒸気賦活活性炭(比表面積20
10m2/g、平均粒径8μm、細孔容積0.7cc/g)、
アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVD
F)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25μmのアルミ箔上に、約150μmの厚さ
に塗布成形した。さらに約100℃で10時間真空乾燥
することにより、活性炭電極シートを得た。これら各シ
ートをポンチで15mmφに打ち抜き、活性炭電極を得
た。
【0066】実施例12〜14:コイン型電気二重層コ
ンデンサの製造 実施例11で製造した各活性炭複合電極2個を表2に示
す組み合わせで用い、以下に示す方法で、表2に示す3
種類のコイン型電気二重層コンデンサ(実施例12〜1
4)を得た。アルゴン雰囲気グローブボックス中で複合
電極(15mmφ)にLiイオン電池用に脱水した電解
液(1.5M TEAB(テトラエチルアンモニウムテト
ラフルオロボレート/PC(プロピレンカーボネー
ト))を含浸させた。この複合電極上にゴアテックス製
テフロンマイクロポーラスフィルム(開孔率60%、厚
み25μm)に上記電解液を含浸させたものを貼り合わ
せ、さらに、もう一つの同様の複合電極に上記電解液を
含浸したものを貼り合わせ、2016コイン型缶(直径20
mm、厚み1.6mm)に封印し、コイン型電気二重層コ
ンデンサを得た。これらコンデンサを25℃、作動電圧
0〜2.5V、電流9mAで充放電を行なった場合の最大
放電容量及び充放電200サイクル後の放電容量を表2
に示す。
【0067】比較例5:コイン型電気二重層コンデンサ
の製造 比較例4で製造した活性炭電極2個を用いた以外は実施
例12〜14と同様の方法で表2に示すコイン型電気二
重層コンデンサを得た。このコンデンサを25℃、作動
電圧0〜2.5V、電流9mAで充放電を行なった場合の
最大放電容量及び充放電500サイクル後の放電容量を
表2に示す。
【0068】
【表2】 表2:各種コイン型電気二重層コンデンサの特性 実施例 電極用結着剤 最大放電容量 200サイクル後の (mF) 放電容量(mF) 12 重合性化合物7 1100 1050 13 重合性化合物8 1200 1100 14 重合性化合物9 1050 1000 比較例5 PVDF 950 800
【0069】
【発明の効果】本発明のポリまたはオリゴカーボネート
基を主成分とする架橋及び/または側鎖基を有する高分
子化合物からなる電極用結着剤は、各種電極活物質や集
電体との接着性が良好であり、弾性があり、電気化学的
安定性や耐電解液性、耐熱性が良好であり、各種有機極
性溶液を吸液、保持し、高イオン伝導性となり、これま
でのフッ素系高分子を代表とする熱可塑性高分子からな
る電極用結着剤に比較して、電極抵抗を低減でき、長寿
命である。また、硬化性に優れるために硬化前のプレポ
リマーとして電極材料と混合後、容易に硬化できるの
で、従来の熱可塑性高分子からなる電極用結着剤に比較
して加工面でも有利である。本発明の電極用結着剤で成
形された電極を用いることにより、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。さらに、本発明の
電極用結着剤で成形された電極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、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。従って、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。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による電池の一態様を示す薄型固体電
池の模式的断面図である。
【図2】 本発明による固体電気二重層コンデンサの一
態様を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
1 正極 2 高分子固体電解質 3 負極 4a,4b 集電体 5a,5b 絶縁性樹脂封止剤 6a,6b 分極性電極 7a,7b 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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C08F 20/36 C08F 299/02 5H014 299/02 C08L 69/00 C08L 69/00 H01G 9/00 301A Fターム(参考) 4J002 BE02X BG05X BG06X BG07X BG08X BG13X BJ00X BM00Y BQ00X BQ00Y CE00Y CG01W CG011 CG02W CG021 CM01Y DE096 DG026 FA086 FD11Y FD116 GQ00 4J011 GA05 GB03 GB08 4J027 AB10 AB18 AB28 AB32 AC02 AC06 AG01 AJ02 AJ08 BA01 BA04 BA05 BA07 BA13 BA14 BA15 CA02 CA03 CA04 CA08 CA09 CA10 CB08 CB09 CB10 CC02 CC05 CC06 CC08 CD09 4J100 AB02Q AB03Q AE04Q AL03Q AL08P AL08Q AL66P AM15Q AM19Q AM21Q AN02Q AN04Q AQ08Q AR32Q BA02Q BA07P BA07Q BA08P BA08Q BA11Q BA13Q BA14Q BA22P BA31Q BA38P BA39Q BB11Q CA01 CA04 FA17 JA43 5H003 AA01 AA02 AA04 BA07 BB01 BB02 BB04 BB05 BB06 BB11 BB32 BD00 5H014 AA02 BB11 EE02 EE05 EE08 EE10 HH00

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式(1) 【化1】 [式中、R1は炭素数が1〜10の鎖状、分岐状及び/
    または環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基
    を表わし、mは1〜10の整数であり、nは2〜1000の
    整数である。但し、同一分子中に複数存在するR1、m
    及びnは、それぞれ同一でもよいし異なってもよい。]
    で示されるポリまたはオリゴカーボネート基を有する少
    なくとも一種の高分子化合物からなる電極用結着剤。
  2. 【請求項2】 高分子化合物が、一般式(1) 【化2】 [式中の記号は請求項1の記載と同じ意味を表わす。]
    で示されるポリまたはオリゴカーボネート基と、下記一
    般式(2)及び/または一般式(3) 【化3】 [式中、R2及びR3は、水素原子または炭素数1〜6の
    アルキル基を表わし、R4は炭素数1〜10の鎖状、分
    岐状及び/または環状の、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、同一分子中に複数存在するR2、R3、R4
    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と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からなる請求項1記載
    の電極用結着剤。
  3. 【請求項3】 リチウム合金、炭素材料、無機酸化物、
    無機硫化物及び電導性高分子化合物から選ばれる少なく
    とも一つの電池用電極材料と請求項1または2記載の少
    なくとも一種の電極用結着剤の重合物を含む電池用電
    極。
  4. 【請求項4】 炭素材料、無機酸化物、無機硫化物、無
    機ハロゲン化物及び金属から選ばれる少なくとも一種の
    分極性電極材料と請求項1または2記載の少なくとも一
    種の電極用結着剤の重合物を含む電気二重層コンデンサ
    用分極性電極。
  5. 【請求項5】 請求項3記載の電極を用いることを特徴
    とする電池。
  6. 【請求項6】 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、請求項4記載
    の分極性電極を用いることを特徴とする電気二重層コン
    デンサ。
  7. 【請求項7】 一般式(1) 【化4】 [式中の記号は請求項1の記載と同じ意味を表わす。]
    で示されるポリまたはオリゴカーボネート基と、一般式
    (2)及び/または一般式(3) 【化5】 [式中の記号は請求項2の記載と同じ意味を表わす。]
    で示される重合性官能基とを有する少なくとも一種の重
    合性化合物と電極粉体とを混合、あるいはさらに少なく
    とも一種の有機溶媒を添加した後、混合物を成形し、該
    重合性化合物を重合することを特徴とする電極の製造方
    法。
JP18406798A 1998-06-30 1998-06-30 リチウム二次電池用電極、電気二重層コンデンサ用分極性電極、及びこれらの電極のための結着剤 Expired - Fee Related JP3685296B2 (ja)

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