JP2000119473A - 高分子固体電解質 - Google Patents

高分子固体電解質

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JP2000119473A
JP2000119473A JP29322598A JP29322598A JP2000119473A JP 2000119473 A JP2000119473 A JP 2000119473A JP 29322598 A JP29322598 A JP 29322598A JP 29322598 A JP29322598 A JP 29322598A JP 2000119473 A JP2000119473 A JP 2000119473A
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JP
Japan
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copolymer
ionic conductivity
imidazoline
metal salt
formula
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JP29322598A
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English (en)
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Yasushi Hara
靖 原
Shuichi Okuzono
修一 奥園
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Tosoh Corp
Original Assignee
Tosoh Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高いイオン伝導性を有すると共に、電気化学
素子を形成する材料を劣化させず、電気化学素子の薄型
化、積層化が可能な液漏れのない固体電解質を提供す
る。 【解決手段】 下記一般式(1)で示される構造単位と
下記一般式(2)又は一般式(3)で示される構造単位
を含むビニルイミダゾリン共重合体、並びに金属塩を高
分子固体電解質として用いる。 【化1】 (Rは水素又はメチル基を示す。) 【化2】 (R1〜R5は各々独立して水素又は炭素数1〜4のア
ルキル基を示す。) 【化3】 (R1〜R4は各々独立して水素又は炭素数1〜4のア
ルキル基を示す。)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子固体電解質
に関する。
【0002】
【従来の技術】電気化学デバイス材料、その中でも特に
電池に固体電解質を使用すると、液漏れが無くなり、電
池の信頼性が向上するとともに、電池の薄型化、積層化
が可能となる。そこで、固体電解質として種々の化合物
が提案されている。無機材料からなる固体電解質は、比
較的イオン伝導性は高いが、結晶体であるため、機械強
度が乏しく、可撓性に欠ける。一方、有機材料からなる
固体電解質は可撓性のある膜に成形する事が可能である
ため、特に薄型電池の固体電解質材料として有望視され
ている。
【0003】有機材料からなる固体電解質として、ポリ
エチレンオキサイドとLi,Na塩の複合体が高いアル
カリ金属イオン伝導性を示すことが知られている。これ
は真性ポリマー電解質と呼ばれ、溶媒を使用していない
ため、液漏れの恐れは無い。しかしながら、この複合体
は結晶性であるため、60℃以下の低温ではイオン伝導
率が低下し、室温における電池の材料としては不十分で
ある。
【0004】室温で高い伝導性を示す材料系としては、
ゲルポリマー電解質が知られている。これはポリマーに
電解液を添加したものであり、比較的高いイオン伝導性
を示すが、これは溶媒を使用しているため、先に記した
様に、電池の液漏れ防止には不十分であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述のとおり、従来提
案されてきた電解質は、真性ポリマー電解質の場合、液
漏れの恐れはないもののイオン伝導性が低く、ゲルポリ
マー電解質の場合は、イオン伝導性は高いものの、液漏
れを完全に防ぐことはできない。そのため電気化学素子
の薄型化、積層化が可能で液漏れのない固体であって、
且つ高いイオン伝導性を有する固体電解質の開発が望ま
れていた。
【0006】本発明は、高いイオン伝導性を有すると共
に、電気化学素子を形成する材料を劣化させず、電気化
学素子の薄型化、積層化が可能な液漏れのない固体電解
質を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、固体電解
質について鋭意検討した結果、特定の構造単位を含有す
るビニルイミダゾリン共重合体に金属塩を添加した電解
質が、高いイオン伝導性を示す固体電解質であるという
新規な事実を見出し、本発明を完成させるに至った。
【0008】すなわち、本発明は、下記一般式(1)で
示される構造単位と下記一般式(2)又は一般式(3)
で示される構造単位を含むビニルイミダゾリン共重合
体、並びに金属塩からなる高分子固体電解質である。
【0009】
【化4】
【0010】(Rは水素又はメチル基を示す。)
【0011】
【化5】
【0012】(R1〜R5は、各々独立して、水素又は
炭素数1〜4のアルキル基を示す。)
【0013】
【化6】
【0014】(R6〜R9は、各々独立して、水素又は
炭素数1〜4のアルキル基を示す。) 以下に本発明をさらに詳細に説明する。
【0015】本発明の高分子固体電解質において使用さ
れるビニルイミダゾリン共重合体は、上記一般式(1)
で示される構造単位と上記一般式(2)又は一般式
(3)で示される構造単位からなる共重合体である。
【0016】上記一般式(2)又は一般式(3)におい
て、アルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、
イソプロピル、ブチル、イソブチル、セカンダリーブチ
ル、ターシャリーブチル基が例示される。
【0017】本発明の高分子固体電解質に使用されるビ
ニルイミダゾリン共重合体において、ビニルイミダゾリ
ンの部分はビニルイミダゾリニウム塩であってもよい。
ビニルイミダゾリニウム塩は、公知の方法で容易に本発
明のビニルイミダゾリン共重合体から誘導することがで
きる。
【0018】本発明の高分子固体電解質に使用されるビ
ニルイミダゾリン共重合体において、上記一般式(1)
で示される構造単位と上記一般式(2)又は一般式
(3)の構造単位との比はニトリル基の数とイミダゾリ
ン環の数の比として999:1〜1:999が好まし
く、99:1〜1:99がさらに好ましい。前記の範囲
を外れて、ニトリル基が多くてなっても、イミダゾリン
環が多くなっても、ポリマーの結晶性が高くなり、イオ
ン伝導度が低下する。
【0019】本発明において、ビニルイミダゾリン共重
合体に第三成分として他のモノマーを共重合させても良
い。共重合できるモノマーとしては、塩化ビニル、臭化
ビニル、フッ化ビニル等のハロゲン化ビニル類、塩化ビ
ニリデン等のハロゲン化ビニリデン類、アクリル酸、メ
タクリル酸、イタコン酸、無水マレイン酸等の不飽和カ
ルボン酸、及びこれらの塩類、(メタ)アクリル酸メチ
ル、(メタ)アクリル酸エチル等の(メタ)アクリル酸
エステル類、メチルビニルケトン、メチルイソプロペニ
ルケトン等の不飽和ケトン類、酢酸ビニル、安息香酸ビ
ニル等のビニルエステル類、メチルビニルエーテル、エ
チルビニルエーテル等のビニルエーテル類、(メタ)ア
クリルアミド及びそのアルキル置換体、ビニルスルホン
酸、(メタ)アリルスルホン酸、p−スチレンスルホン
酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン
酸、(メタ)アクリロイルオキシエチルスルホン酸等の
不飽和スルホン酸等及びこれらの塩類、スチレン、α−
メチルスチレン、クロロスチレン等のスチレン及びその
アルキル又はハロゲン置換体、アリルアルコール及びそ
のエステル又はエーテル類、ビニルピリジン、ビニルピ
リミジン、ビニルイミダゾール、ジメチルアミノエチル
メタクリレート、ビニルベンジルジメチルアミン等の塩
基性ビニル化合物類などが挙げられる。
【0020】本発明において、ビニルイミダゾリン共重
合体は架橋していても良いし、架橋していなくても良
い。
【0021】本発明の高分子固体電解質においては、ビ
ニルイミダゾリン共重合体に金属塩を添加して使用する
が、添加する金属塩は電解質、電解液に使用される公知
の金属塩なら特に問題なく使用できる。ただしリチウム
イオン電池用途に使用される場合は、リチウム塩を添加
する事が好ましい。リチウム塩としては、ハロゲン化リ
チウム、過塩素酸リチウム、ヘキサフロロ燐酸リチウ
ム、LiC(SO2CF33,LiN(CF3SO22
LiN(SO2252,LiCF3SO3,LiB
4,LiAsF6など一般に使用される塩を使用する事
ができる。
【0022】金属塩の添加量は、ビニルイミダゾリン共
重合体がイオン伝導性を示す量添加すれば良く、また金
属塩の種類によって異なるため限定することは困難であ
るが、あえて例示すると、過塩素酸リチウムを使用した
場合には、ビニルイミダゾリン共重合体に対して1〜5
00重量%が好ましい。金属塩の量が少なすぎても、多
すぎても電解質の結晶性が高くなり、イオン伝導性は低
下する。
【0023】本発明の高分子固体電解質は、そのままで
もイオン伝導性を示すが、溶媒を添加し、イオン伝導度
を高めることができる。使用できる溶媒としては、アセ
トニトリル、ガンマブチロラクトン、ジエチルエーテ
ル、ジメトキシエタン、ジメチルスルホキシド、ジオキ
ソラン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネー
ト、蟻酸メチル、2−メチルテトラヒドロフラン、3−
メチル−1,3−オキサゾリジン−2−オン、スルホラ
ン、テトラヒドロフラン、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、メチル
プロピルカーボネートなどが例示されるが、この他の溶
媒を使用しても一向に差し支えない。
【0024】
【発明の効果】本発明は液漏れしない高分子固体電解質
を提供するものであり、極めて有意義である。
【0025】
【実施例】以下、本発明を実施例にて説明するが、本発
明はこれらに限定されるものではない。
【0026】実施例1 ポリアクリロニトリル(重量平均分子量8万6千)40
g,エチレンジアミン40g,塩化アンモニウム2.3
g,1−プロパノール320gを1Lのフラスコに入
れ、窒素置換した後、昇温を開始した。95℃で13時
間加熱した後、これを冷却し、溶媒を留去すると黄色固
体のアクリロニトリル−ビニルイミダゾリン共重合体が
得られた。シアノ基とイミダゾリン環の比は1:4であ
った。このアクリロニトリル−ビニルイミダゾリン共重
合体2gに過塩素酸リチウム2.4gを添加したとこ
ろ、粘性のある褐色固体になった。このイオン伝導度を
33℃で測定したところ、2.9×10-5S/cmとな
った。
【0027】実施例2 ポリアクリロニトリル(重量平均分子量8万6千)20
g,エチレンジアミン12g,塩化アンモニウム1g,
1−プロパノール100gを300mlのフラスコに入
れ、窒素置換した後、昇温を開始した。100℃で8時
間加熱した後、これを冷却し、溶媒を留去すると淡黄色
粉末のアクリロニトリル−ビニルイミダゾリン共重合体
が得られた。シアノ基とイミダゾリン環の比は1:1で
あった。このアクリロニトリル−ビニルイミダゾリン共
重合体2gに過塩素酸リチウム2.3gを添加したとこ
ろ、黄色粘調体になった。このイオン伝導度を33℃で
測定したところ、1.6×10-5S/cmとなった。
【0028】実施例3 ポリアクリロニトリル(重量平均分子量8万6千)20
g,N−メチルエチレンジアミン15g,塩化アンモニ
ウム1g,1−プロパノール100gを300mlのフ
ラスコに入れ、窒素置換した後、昇温を開始した。11
0℃で20時間加熱した後、これを冷却し、溶媒を留去
すると淡黄色粉末のアクリロニトリル−ビニルイミダゾ
リン共重合体が得られた。シアノ基とイミダゾリン環の
比は95:5であった。このアクリロニトリル−ビニル
イミダゾリン共重合体に50gのクロロホルム、38g
のヨードメタンを加え、60℃で一晩反応させたとこ
ろ、アクリロニトリル−ビニルイミダゾリニウム共重合
体が得られた。このアクリロニトリル−ビニルイミダゾ
リニウム共重合体1gに過塩素酸リチウム1gを添加し
たところ、橙色の粘調体になった。このイオン伝導度を
33℃で測定したところ、7.0×10-5S/cmとな
った。
【0029】実施例4 ポリアクリロニトリル(重量平均分子量8万6千)10
g,N−メチルエチレンジアミン15g,塩化アンモニ
ウム1g,1−プロパノール100gを300mlのフ
ラスコに入れ、窒素置換した後、昇温を開始した。95
℃で24時間加熱した後、これを冷却し、溶媒を留去す
ると淡黄色粉末のアクリロニトリル−ビニルイミダゾリ
ン共重合体が得られた。シアノ基とイミダゾリン環の比
は2:3であった。このアクリロニトリル−ビニルイミ
ダゾリン共重合体に80gのクロロホルム、37gのヨ
ードメタンを加え、60℃で一晩反応させたところ、ア
クリロニトリル−ビニルイミダゾリニウム共重合体が得
られた。このアクリロニトリル−ビニルイミダゾリニウ
ム共重合体2gに過塩素酸リチウム2gを添加したとこ
ろ、黄色の粘調体になった。このイオン伝導度を33℃
で測定したところ、1.9×10-4S/cmとなった。
【0030】実施例5 実施例4で製造したアクリロニトリル−ビニルイミダゾ
リニウム共重合体2gに過塩素酸リチウム0.2gを添
加したところ、黄色粉末となった。このイオン伝導度を
33℃で測定したところ、10-7S/cm以下であっ
た。これに2gのプロピレンカーボネートを添加する
と、黄色粘調体となった。このイオン伝導度を33℃で
測定したところ、2.7×10-4S/cmとなった。
【0031】実施例6 実施例4で製造したアクリロニトリル−ビニルイミダゾ
リニウム共重合体2gに過塩素酸リチウム4gを添加し
たところ、黄色粘調体となった。このイオン伝導度を3
3℃で測定したところ、このイオン伝導度を33℃で測
定したところ、2.7×10-4S/cmとなった。
【0032】実施例7 実施例4で製造したアクリロニトリル−ビニルイミダゾ
リニウム共重合体2gにヘキサフロロリン酸リチウム2
gを添加したところ、黄色粉末となった。このイオン伝
導度を33℃で測定したところ、10-7S/cm以下で
あった。これに0.2gのプロピレンカーボネートを添
加すると、黄色粘調体となった。このイオン伝導度を3
3℃で測定したところ、2.2×10-4S/cmとなっ
た。
【0033】比較例1 実施例1で使用した原料のポリアクリロニトリル2gに
過塩素酸リチウム2gを添加したところ、白色固体とな
った。このイオン伝導度を33℃で測定したところ、1
-7S/cm以下であった。
【0034】比較例2 ポリアクリロニトリル(重量平均分子量8万6千)5
g,エチレンジアミン13.4g,塩化アンモニウム6
g,1−プロパノール40gを200mlのフラスコに
入れ、窒素置換した後、昇温を開始した。95℃で6時
間加熱した後、これを冷却し、アセトンに注ぎ、淡黄色
のポリビニルイミダゾリンを得た。ポリビニルイミダゾ
リン2gに過塩素酸リチウム2gを添加したところ、黄
色固体になった。このイオン伝導度を33℃で測定した
ところ、10-7S/cm以下であった。
───────────────────────────────────────────────────── 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) H01M 10/40 H01M 10/40 B

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記一般式(1)で示される構造単位と
    下記一般式(2)又は一般式(3)で示される構造単位
    を含むビニルイミダゾリン共重合体、並びに金属塩から
    なる高分子固体電解質。 【化1】 (Rは水素又はメチル基を示す。) 【化2】 (R1〜R5は各々独立して水素又は炭素数1〜4のア
    ルキル基を示す。) 【化3】 (R6〜R9は各々独立して水素又は炭素数1〜4のア
    ルキル基を示す。)
  2. 【請求項2】 金属塩がリチウム塩である請求項1に記
    載の高分子固体電解質。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003535940A (ja) * 2000-06-02 2003-12-02 エスアールアイ インターナショナル 高分子組成物
WO2006019213A1 (en) * 2004-08-18 2006-02-23 Korea Institute Of Science And Technology Copolymer containing imidazolium groups, method for preparing the same, electrolyte for dye-sensitized solar cell containing the same, and dye-sensitized solar cell
JP2008123732A (ja) * 2006-11-09 2008-05-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解質二次電池

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