JP2001323069A - ゲル状組成物、それをベースとするイオン伝導性組成物及びそれを用いた電池 - Google Patents

ゲル状組成物、それをベースとするイオン伝導性組成物及びそれを用いた電池

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JP2001323069A
JP2001323069A JP2000146385A JP2000146385A JP2001323069A JP 2001323069 A JP2001323069 A JP 2001323069A JP 2000146385 A JP2000146385 A JP 2000146385A JP 2000146385 A JP2000146385 A JP 2000146385A JP 2001323069 A JP2001323069 A JP 2001323069A
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Kazuchiyo Takaoka
和千代 高岡
Koshiro Ikegami
幸史郎 池上
Kenji Hyodo
建二 兵頭
Hiroaki Watanabe
宏明 渡邉
Kenichi Hino
賢一 日野
Naoki Kano
直樹 鹿野
Eiji Ando
英治 安藤
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Mitsubishi Paper Mills Ltd
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Mitsubishi Paper Mills Ltd
Nippon Unicar Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゲル状組成物、それをベースとするイオン伝
導性組成物及びそれを用いた電池を提供する。 【解決手段】 式(A): 【化1】 により表される化合物と、式(B): 【化2】 により表される化合物との線状共重合体であってヒドロ
シリル基を2つ有する重合体に、アルケニル基を3つ以
上有する式(D): 【化3】 により表される化合物を反応させることによって得られ
る重合体及び溶媒を含んでなるゲル状組成物、それをベ
ースとするイオン伝導性組成物及びそれを用いた電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ゲル状組成物、それを
ベースとするイオン伝導性組成物及びこれを用いた電池
に関する。より詳しくは、本発明は、ブロック重合体を
含むゲル状組成物、それをベースとするイオン伝導性組
成物及びこれを用いた電池に関する。
【0002】
【従来の技術】イオン伝導性材料は、一次電池、二次電
池、太陽電池、電解コンデンサー、センサー、エレクト
ロクロミック表示素子など各種の電池や素子に用いられ
ている。近年の電子工業分野では、各種電子部品の高性
能化が更に追求されると共に、その小型化や薄層化が益
々進行しているため、電池や素子に使用されるイオン伝
導性材料自体についても、それに即した改良が望まれて
いる。また、従来から液体又は流体の形態で使用される
イオン伝導性材料には、液漏れによる周辺部の損傷など
の問題が存在している。
【0003】このような課題に対処するため、最近では
高分子電解質やゲル電解質などといった固体電解質材料
が提案されている。これらは、比較的高いイオン伝導
性、広い電位窓、良好な薄膜形成性、柔軟性、軽量性、
弾性、透明性等の優れた特徴を持っている。これらのう
ち、高分子電解質に特有な柔軟性や弾性などの特性は、
多くの電極活物質が作動中にその体積を変化させるリチ
ウム2次電池では、その体積変化を吸収し得るので、特
に重要である。また、高分子電解質やゲル電解質には、
電極材料の脱離に起因する繰り返し使用時の電池容量の
低下や正負極材料の短絡を防止する能力もあると言われ
ている。
【0004】特公昭61−23944号公報には、この
ような高分子電解質に使用するための有機高分子化合物
として、一次元構造のポリアミド系樹脂が言及されてい
るが、具体的にはいかなるポリアミド系樹脂も開示され
ていない。また、Advanced Materials, 10, 439 (1998)
には、ポリオキシエチレン;ポリオキシエチレンとポリ
シロキサンとの複合物;ポリオキシエチレンとポリフォ
スファゼンとの複合物;ポリオキシエチレンを構造単位
に持ちかつエポキシ基やイソシアナート基、更にはシロ
キサン構造を有する架橋構造のポリマー;などが紹介さ
れている。特に、ポリオキシアルキレン基とポリシロキ
サン構造を有する架橋構造のポリマーは低温特性が優れ
ていることから、注目される高分子電解質である。この
ようなポリオキシアルキレン基とポリシロキサン構造単
位を有する高分子電解質用のポリマーとして、J. Poly
m. Sci. Polym. Lett. Ed., 22, 659 (1984) には、
【0005】
【化9】 が開示されている。また、Solid State Ionics, 15, 23
3 (1985)には、
【0006】
【化10】 が開示され、特開昭63−136409号公報には、
【0007】
【化11】 が開示され、そして特開平8−78053号公報には、
式:
【0008】
【化12】
【0009】で表されるシリコーン系化合物であって、
A及びA' がアルキル基であり、B及び/又はB' がオ
キシアルキレン鎖である化合物が開示されている。これ
らポリマーは、いずれもポリシロキサン主鎖の側鎖にポ
リオキシアルキレン鎖を有するに過ぎない。特公平8−
21389号公報には、オキシアルキレン基又はポリオ
キシアルキレン基を有する有機基を側鎖として及び/又
は架橋部として有するポリシロキサン架橋硬化体が開示
され、特公平6−35545号公報には、
【0010】
【化13】
【0011】で表されるポリシロキサン架橋硬化体であ
って、R1 、R2 、R3 、R11及びR 11' がアルキル
基、アルコキシル基又はアリール基であり、R4 がアル
キレン基、オキシアルキレン基又はオキシカルボニルア
ルキレン基であり、R5 が水素原子又はアルキル基であ
り、Yがオキシアルキレン基又はポリオキシアルキレン
基であり、Zが両末端がオキシアルキレン基、ポリオキ
シアルキレン基又はポリシロキサン構造を有する基であ
る硬化体が開示されている。しかしながら、これらはい
ずれも、ポリマー自体の安定性に問題があったり、電極
材料の脱離を抑えかつ薄層化を可能とする架橋構造体が
得られなかったり、十分なイオン伝導性が得られないな
どの問題があり、未だ実用化には至っていない。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ゲル
状組成物、それをベースとするイオン伝導性組成物及び
それを用いた電池を提供することにある。
【0013】
【解決を課題するための手段】本発明は、式(A):
【0014】
【化14】
【0015】〔式中、R1 は、互いに独立して、水素原
子、置換若しくは無置換の炭素数1〜18のアルキル
基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリー
ル基を示し、R2 は、互いに独立して、炭素数1〜18
のアルキレン基、置換若しくは無置換の炭素数6〜20
のアリーレン基、炭素数7〜21のアリールアルキレン
基、ジアルキル(ポリ)シリレン基、ジアリール(ポ
リ)シリレン基、又は直接結合を示し、そしてZ1 は、
ポリオキシアルキレン、(ポリ)カーボネート、(ポ
リ)エステル、ポリアクリレート、ポリメタクリレー
ト、アルキレンから誘導される2価基、又は直接結合を
示す。〕により表される化合物〔以下、化合物(A)と
いう〕と、式(B):
【0016】
【化15】
【0017】〔式中、R3 は、互いに独立して、置換若
しくは無置換の炭素数1〜18のアルキル基、炭素数7
〜21のアラルキル基、又は置換若しくは無置換の炭素
数6〜20のアリール基を示し、n1 は0〜500の整
数を示す。〕により表される化合物〔以下、化合物
(B)という〕との付加反応によって得られる線状共重
合体であって末端にヒドロシリル基を2つ有する式
(C):
【0018】
【化16】
【0019】(式中、R1 、R2 、R3 、Z1 、及び各
々のn1 は上で定義した通りであり、pは1〜100の
整数である。)により表される線状共重合体〔以下、線
状共重合体(C)という〕に、前記化合物(A)及び/
又は前記化合物(B)の存在下又は不存在下で、アルケ
ニル基を3つ以上有する式(D):
【0020】
【化17】
【0021】〔式中、R4 は、互いに独立して、水素原
子、置換若しくは無置換の炭素数1〜18のアルキル
基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリー
ル基を示し、R5 は、互いに独立して、ヘテロ原子数1
〜50で炭素数13〜100のヘテロ原子含有アルキレ
ン基、(ポリ)カーボネート、(ポリ)エステル、ポリ
アクリレート、又はポリメタクリレートから誘導される
2価の基を示し、n2 は3以上の整数であり、そして、
2 はn2 と同じ価数を持つ連結基であって、炭素原
子、ケイ素原子、一置換3価ケイ素原子、炭素数1〜3
0の脂肪族基、ヘテロ原子数1〜6で炭素数1〜30の
ヘテロ原子含有有機基、ベンゼンポリカルボキシ基、リ
ン酸基、ケイ素原子数2〜50の直鎖状、分枝状若しく
は環状のアルキルポリシロキサン基、又はアルキルアリ
ールポリシロキサン基を示す。〕により表される化合物
〔以下、化合物(D)という〕を付加反応させることに
よって得られる、線状共重合体(C)を基本単位とする
架橋型共重合体及び溶媒を含んでなるゲル状組成物を提
供する。
【0022】別の態様では、本発明は、化合物(A)、
化合物(B)及び化合物(D)を同時に付加反応させて
得られる重合体及び溶媒を含んでなるゲル状組成物を提
供する。更に別の態様では、本発明は、化合物(B)と
化合物(D)を付加反応させることによって得られる重
合体及び溶媒を含んでなるゲル状組成物も提供する。本
発明は、このゲル状組成物をベースとするイオン伝導性
組成物も提供する。本発明は、更に、このイオン伝導性
組成物を含んでなる電池も提供する。
【0023】式(A)において、R1 により示されるア
ルキル基には、例えば、メチル基、エチル基、プロピル
基、ブチル基、オクチル基、ドデシル基等が含まれ、そ
して、アリール基には、例えば、フェニル基、トルイル
基、ナフチル基等が含まれる。R2 により示されるアル
キレン基には、例えば、メチレン基、エチレン基、プロ
ピレン基、ブチレン基、オクチレン基、ドデシレン基等
が含まれ、アリーレン基には、例えば、フェニレン、ト
ルイレン基、ナフチレン基等が含まれ、そして、アリー
ルアルキレン基には、例えば、フェニルメチレン基、フ
ェニルエチレン基、フェニルエチリデン基等が含まれ
る。Z1 により示されるアルキレン基には、R2 につい
て示したものと同様である。好ましくは、R1 は水素原
子又はメチル基であり、R2 は炭素数1〜4のアルキレ
ン基又は直接結合であり、そして、Z1 はアルキレン又
は、ポリオキシアルキレン、(ポリ)カーボネート、
(ポリ)エステル、ポリアクリレート、ポリメタクリレ
ート若しくはポリシロキサンから誘導される2価の鎖で
ある。より好ましくは、R1 は水素原子であり、R2
メチレン基又は直接結合であり、そして、Z1 は、ポリ
オキシアルキレン鎖であるか又は(ポリ)カーボネート
鎖若しくは(ポリ)エステル鎖であってオキシアルキレ
ン基を含有するものであり、最も好ましくは、Z1 はポ
リオキシアルキレン鎖である。ポリオキシアルキレン鎖
には、ポリ(オキシメチレン)鎖、ポリ(オキシエチレ
ン)鎖、ポリ(オキシプロピレン)鎖、ポリ(オキシブ
チレン)鎖、ポリ(オキシペンチレン)鎖、及びそれら
の共重合体が含まれる。 そのようなポリオキシアルキレ
ン鎖、(ポリ)カーボネート鎖又は(ポリ)エステル鎖
は、60〜30,000、好ましくは100〜5,00
0の分子量を有する。
【0024】 これら化合物における末端アルケニル基と
1 との結合は、Z1 の鎖の種類により決定される。例
えば、Z1 がポリオキシアルキレン鎖の場合は、末端ア
ルケニル基はエーテル結合で結合し、Z1 がポリエステ
ル鎖の場合は、末端アルケニル基はエーテル結合又はエ
ステル結合で結合している。
【0025】式(B)において、R3 により示されるア
ルキル基には、例えば、メチル基、エチル基、プロピル
基、ブチル基、オクチル基、ドデシル基等が含まれ、ア
ラルキル基には、例えば、ベンジル基、フェネチル基等
が含まれ、そして、アリール基には、例えば、フェニル
基、トルイル基、ナフチル基等が含まれる。R3 により
示される置換アルキル基には、例えば、トリフルオロプ
ロピル基、クロロプロピル基等のハロゲン化アルキル
基、及び2−シアノエチル基のようなシアノアルキル基
が含まれる。好ましくは、R3 はメチル基であり、n1
は1〜50の整数である。
【0026】化合物(A)と化合物(B)は、交互に付
加反応して線状共重合体(C)を形成する。特に、化合
物(A)と化合物(B)の双方がポリマーである場合
は、線状ブロック共重合体が形成される。これら2種の
化合物を反応させる際に、化合物(B)を過剰に加え
て、末端に2つのヒドロシリル基を有するようにする。
例えば、化合物(A)を1モル、化合物(B)を2モル
反応させると、BABの平均構造を有する線状共重合体
(C)が1モル生成する。更に化合物(A)を2モル、
化合物(B)を3モル反応させるとBABABの平均構
造を有する線状共重合体(C)が1モル生成する。化合
物(A)を3モル、化合物(B)を4モル反応させると
BABABABの平均構造を有する線状共重合体(C)
が1モル生成する。化合物(A)の具体例としては、
【0027】
【化18】 などの、両末端にアルケニル基を有するポリオキシアル
キレン;
【0028】
【化19】 などの、両末端にアルケニル基を有するポリカーボネー
ト;
【0029】
【化20】 などの、両末端にアルケニル基を有するポリエステル;
【0030】
【化21】 などの、両末端にアルケニル基を有するアルキレン;
【0031】
【化22】 などの、両末端にアルケニル基を有するポリアクリレー
ト;そして
【化23】
【0032】などの、両末端にアルケニル基を有するポ
リメタクリレートがある。式(B)で表されるポリシロ
キサン化合物の具体例としては、
【0033】
【化24】
【0034】などの化合物がある。これら具体的な化合
物(A)と化合物(B)とを反応させると、それらが交
互に並んだ線状ポリシロキサンブロック共重合体が形成
される。
【0035】化合物(A)と化合物(B)の間の付加反
応(ヒドロシリル化反応)は、反応速度の温度依存性が
大きいことから、室温以下で混合し、加熱して反応を促
進させることができる。これはヒドロシリル化反応の大
きな利点であって、反応物を適当な粘性で混合し、成形
した後加熱すれば、一挙に所望の形状の重合物が得られ
る。この場合の加熱温度としては室温から150℃程
度、好ましくは40℃から120℃程度である。このヒ
ドロシリル化反応には触媒が使用される。触媒として
は、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミ
ウム、イリジウム等の化合物が知られている。しかし、
電池用には、迅速に反応が進行するための高い活性を有
すること、反応生成物と2次反応を起こさないこと、電
池特性に影響を与えないこと等の条件が必要なので、特
に白金化合物が有用である。白金化合物の例としては、
塩化白金酸、白金の単体、アルミナ、シリカ、カーボン
ブラック等の坦体に固体白金を坦持させたもの、白金−
ビニルシロキサン錯体、白金−ホスフィン錯体、白金−
ホスファイト錯体、白金アルコラート触媒等が使用でき
る。ヒドロシリル化反応の際、白金触媒は白金として
0. 0001重量%から0. 1重量%程度添加される。
得られる線状共重合体(C)の分子量は、1000以上
であり、好ましくは3,000〜100, 000であ
る。
【0036】式(D)において、R4 により示されるア
ルキル基には、例えば、メチル基、エチル基、プロピル
基、ブチル基、オクチル基、ドデシル基等が含まれ、そ
して、アリール基には、例えば、フェニル基、トルイル
基、ナフチル基等が含まれる。R5 について使用される
“へテロ原子含有アルキレン基”という用語は、ヘテロ
原子として、酸素、硫黄又は窒素原子を含有する基であ
って、それらへテロ原子を炭素原子とみなすことによ
り、全体をアルキレン基とみなすことができる基を意味
する。そのような基には、ポリ(オキシメチレン)基、
ポリ(オキシエチレン)基、ポリ(オキシプロピレン)
基、ポリ(オキシブチレン)基、ポリ(オキシペンチレ
ン)基、及びそれらの共重合体、それらの酸素原子が硫
黄又は窒素原子で置き換えられたもの、及びそれらの酸
素原子の一部が硫黄及び/又は窒素原子で置き換えられ
たものが含まれる。そのような基は、これらヘテロ原子
のいずれかの数が1で炭素数が13の場合を下限とし、
ヘテロ原子の数が50で炭素数が400、好ましくは1
00の場合を上限とする分子量を有する。Z2 により示
される一置換3価ケイ素原子には、例えば、式・Si−
アルキルが含まれ、具体例としては・Si−CH3 を挙
げることができる。Z2 により示される脂肪族基には、
3価以上の直鎖状又は分枝状のアルキル基が含まれ、例
えば、メチニル基、エチニル基、プロピニル基、ブチニ
ル基、オクチニル基、ドデシニル基等が含まれる。Z2
について使用される“へテロ原子含有有機基”という用
語は、ヘテロ原子として、酸素、硫黄又は窒素原子を含
有する脂肪族又は芳香族の基を意味する。そのような基
には、メチレンオキシメチニル基、メチレンオキシエチ
ニル基、メチレンオキシプロピニル基、エチレンオキシ
プロピニル基、メチレンオキシエチレンオキシメチニル
基、エメチレンオキシエチレンオキシエチニル基、プロ
ピレンオキシエチレンオキシプロピニル基、フェニレン
ビス(メチルオキシエチニル)基、それらの酸素原子が
硫黄又は窒素原子で置き換えられたもの、及びそれらの
酸素原子の一部が硫黄及び/又は窒素原子で置き換えら
れたものが含まれる。Z2 により示されるアルキルポリ
シロキサン基及びアルキルアリールポリシロキサン基の
アルキル基には、炭素数1〜18のアルキル基が含ま
れ、アリール基には、炭素数6〜20のアリール基が含
まれる。これら基の具体例には、式(A)のR1 につい
て挙げたものが含まれる。好ましくは、R4 は水素原子
又はメチルであり、R5 は−CH2 OCH2 −、−CH
2 OCH2 CH2 −、又は−CH2 OCH2 CH2 OC
2 −である。具体例的な化合物(D)には次のような
ものがある。
【0037】
【化25】
【0038】
【化26】
【0039】
【化27】
【0040】この重合体は、線状共重合体(C)を基本
単位として、アルケニルを3個以上有する化合物を介し
てネットワーク構造を形成できる重合体であり、溶媒を
含むのでゲル状組成物となる。更に、電解質を含むとゲ
ル状イオン伝導性組成物となる。本発明の架橋型共重合
体の架橋密度は、線状共重合体(C)の分子量によりあ
る程度決定されるが、線状共重合体(C)と化合物
(D)が、式:
【0041】
【数1】 0. 5≦[(Dのモル数×Dの価数) /(Cのモル数×2)]≦1. 5 (I)
【0042】に従う場合、特に、式(I)の下限が0.
8で上限が1. 2である場合に好ましい架橋密度の共重
合体が得られる。また、化合物(A)、化合物(B)、
及び化合物(D)を一挙に反応させることにより線状共
重合体(C)を経由しないで本発明の架橋型共重合体を
得る場合には、それら化合物が、式:
【0043】
【数2】 0. 4≦〔Aのモル数/Bのモル数〕≦1. 2 (II) 及び
【0044】
【数3】 0. 05≦[(Dのモル数×Dの価数) /(Bのモル数×2)]≦1. 0 (III)
【0045】に同時に従う場合、特に、式(II)の下限
が0. 6で上限が1. 0でありかつ式(III) の下限が
0. 1で上限が0. 6である場合に好ましい架橋密度の
共重合体が得られる。化合物(A)、化合物(B)、及
び化合物(D)はそれぞれ2種以上用いても良い。ま
た、線状共重合体(C)に化合物(D)を反応させる際
に、化合物(A)及び/又は化合物(B)を追加しても
よい。
【0046】得られる架橋型共重合体中に存在する溶媒
としては、水、塩化チオニル、塩化スルフリル、液体ア
ンモニア等の無機溶媒、チオフェン、硫化ジエチル等の
硫黄化合物、アセトニトリル、ジエチルアミン、アニリ
ン等の窒素化合物、酢酸、酪酸等の脂肪酸、及びこれら
の酸無水物、エーテル、アセタール、シクロヘキサノン
などのケトン、エステル、フェノール、アルコール、炭
化水素、ハロゲン化炭化水素、ジメチルポリシロキサン
などが使用できる。特に、リチウム二次電池用には、精
製したジメチルスルホキシド、スルホラン等の硫黄化合
物、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、
γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチル
カーボネート等のカルボニル結合を有するエステル系化
合物、テトラヒドロフラン、2−メトキシテトラヒドロ
フラン、1, 3−ジオキソラン、1, 2−ジメトキシエ
タン、1, 2−エトキシエタン、1, 3−ジオキサン等
のエーテル系化合物等を単独で或いは混合して使用する
ことができる。これら溶媒は、本発明のゲル状組成物中
に、1〜99重量%、好ましくは50〜99重量%、よ
り好ましくは80〜97重量%の量で存在する。これら
溶媒のうちヒドロシリル化反応を阻害しないものは、ゲ
ル状組成物の製造時に加えるのが好ましい。なお、ヒド
ロシリル化反応を阻害する溶媒として、水やアルコール
等を挙げることができる。
【0047】 ゲル状組成物をゲル状イオン伝導性組成物
の成分として使用する場合、力学的特性やイオン伝導性
を良好な状態に保つには、溶媒の量は50〜95重量%
が好ましい。この時、ゲル電解質の貯蔵弾性率は300
0パスカル以上が好ましく、特に5000パスカル以上
が好ましい。貯蔵弾性率とは、ゲルの力学的挙動を示す
量であるが、勿論この周波数特性が大きくは変化せず、
良好な形状安定特性と示すものがより好ましい。
【0048】本発明のゲル状イオン伝導性組成物は、上
記重合体に電解質を混合し、必要に応じて、変性シリコ
ーン、及びイオン伝導性組成物に慣用的に配合されるそ
の他の成分を混合又は含浸させることにより製造され
る。また、重合体を得る前に、これら成分の全部又は一
部を、重合反応体に配合し、残りを重合反応後に配合し
てもよい。例えば、線状共重合体(C)と化合物(D)
との反応前に配合しても良いし反応後に配合しても良
い。また、配合前に一部を配合してから残りを配合する
こともできる。本発明のイオン伝導性組成物中には、本
発明の重合体は1〜99重量%、好ましくは2〜49重
量%の量で存在する。
【0049】変性シリコーンとは、ジメチルポリシロキ
サンのメチル基の一部をポリエーテル基、ポリエステル
基、アルコキシ基、アルコール基、カルボキシ基、エポ
キシ基含有基、アミノ基含有基、アルキル基、フェニル
基等で置換したものを言う。変性基は、ペンダント状、
直鎖状、片末端変性、両末端変性、両末端及び側鎖変性
等の形で付加される。また、2種以上の置換基を持って
いても良い。これらの粘性は40℃で10000cP以
下であるが、好ましくは2000cP以下、更に好まし
くは1000cP以下である。これら変性シリコーン
は、本発明のイオン伝導性組成物中に0. 01〜50重
量%、好ましくは0. 1〜10重量%の量で混合され
る。用いられる変性シリコーンとしては、特に、次式で
示されるペンダント状に変性したポリエーテル変性シリ
コーン(X):
【0050】
【化28】
【0051】〔式中、Rは、互いに独立して、炭素数2
〜4のアルキル基(例えば、エチル基、プロピル基、ブ
チル基)を示し、R' は、水素原子又は炭素数1〜4の
アルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル
基、ブチル基)を示し、n2 は1〜30の整数を示し、
3 は0〜20の整数を示し、aは1〜20の整数を示
し、そしてbは0〜20までの整数を示す。〕が好まし
い。具体的には、
【0052】
【化29】
【0053】などの化合物が挙げられる。化合物(X−
1)の粘度は回転粘度計であるB型粘度計(ローター番
号2、回転数60rpm,(株)東京計器製)で測定し
たところ、40℃で173cPであった。イオン伝導性
組成物を構成するための電解質としては、フッ化リチウ
ム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化カルシ
ウムなどの各種フッ化物、塩化リチウム、塩化ナトリウ
ム、塩化カルシウムなどの各種塩化物、金属臭化物、金
属ヨウ化物、金属過塩素化物、金属次亜塩素化物、金属
酢酸塩、金属蟻酸塩、金属過マンガン酸物、金属リン酸
塩、金属硫酸塩、金属硝酸塩、金属チオ硫酸塩、金属チ
オシアン塩、更には、硫酸アンモニウム、過塩素酸テト
ラ−n−ブチルアンモニウムなどのアンモニウム塩が含
まれる。更にリチウム電池などでは、LiAlCl4
LiClO4 、LiBF4 、LiPF6 、LiAs
6 、LiCF3SO3 、LiN(CF3 SO2 2
LiC(CF3 SO2 3 、及び/又はLiBPh
4 (ここでPhはフェニル基を示す)等のリチウム塩が
使用できる。これら電解質は、本発明のイオン伝導性組
成物中に、0. 1〜60重量%、好ましくは1. 0〜4
0重量%で存在する。
【0054】更に、テトラエチレングリコールジメチル
エーテル、テトラプロピレングリコールジメチルエーテ
ル等のポリアルキレンオキサイド化合物、ポリアルキレ
ンオキサイドを構造単位に持つ変性ポリアクリレート、
ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリア
ルキレンオキサイドを構造単位に持つ変性ポリフォスフ
ァゼン等のイオン導電性ポリマーも配合できる。
【0055】得られるゲル状イオン伝導性組成物は、形
状安定性やイオン伝導性が優れかつ液漏れがないことが
望ましく、この為にゲル強度の指標である高い貯蔵弾性
率を有するのが好ましい。貯蔵弾性率とは、ゲルの力学
的挙動を示す量であって、一定の大きさのゲルに周波数
の異なる動的応力 (dynamic stress) を加えて、周波数
の幅に対応する変位 (ひずみ、strain) の幅を測定する
か、又は一定の変位幅をもたらす動的応力を測定するこ
とにより求められる。変位の測定は、例えば、レオメト
リック社のRSA−IIで行なうことができ、動的応力の
測定は、例えば、パーキンエルマー社のDMA−7で行
なうことができる。貯蔵弾性率が大きいほどそのゲルは
硬いとされる。例えば、水では10-2、ポリスチレンで
は1010、そしてタングステンでは1012のオーダーで
ある。
【0056】電池として動作するためには、イオン伝導
性は、室温で10-3S/cm程度必要であると言われて
おり、電解液自身のイオン伝導度の50%以上のイオン
伝導性を保持するのが好ましい。特に−20℃程度の低
温時にそのイオン伝導性が低下すると、使用環境が制限
されたりして好ましくない。理論に拘束されることを望
まないが、本発明の重合体は、従来のポリマーよりも規
則正しい均一な分子構造により、電解質又は電解質と溶
媒の両方を従来のものよりも安定に分散保持することが
可能なため、良好な形状安定性とイオン伝導性を有する
組成物を提供するものと考えられる。
【0057】上記のイオン伝導性組成物を用いる電池の
製造方法としては、予め電池の外殻を作製し、その後に
その外殻内で加熱反応させてイオン伝導性組成物とする
方法や、イオン伝導性組成物を得てから電池を組み立て
る方法など各種の方法がある。また、更にイオン伝導性
組成物の形状保持性やシャットダウン効果を向上させる
ために、熱可塑性樹脂から製造される多孔質フィルム、
不織布、又は熱可塑性樹脂の粒子などを併用しても構わ
ない。熱可塑性樹脂の多孔質フィルム又は不織布を使用
する場合には、本発明のイオン伝導性組成物でこれらフ
ィルム又は不織布を含浸する。
【0058】熱可塑性樹脂から製造される多孔質フィル
ムとは、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のフィ
ルムを一軸延伸等に多孔質化したフィルムである。重量
としては5g/m2 から30g/m2 程度のものが利用
される。熱可塑性樹脂から製造される不織布シートとし
ては、まず電解質の保持性が優れており、更に作製され
る高分子或いはゲル電解質のイオン伝導性に対する抵抗
性が低く、かつ電解質の保持性に優れたものが使用でき
る。不織布の製造方法としては湿式あるいは乾式のいず
れも用いることができ、その目付量は100g/m2
下で、好ましくは5から50g/m2 である。使用され
る繊維材としては、ポリエステル、ポリプロピレン、ポ
リエチレン、テフロン(登録商標)などであるが、特に
これらに限定される訳ではない。
【0059】熱可塑性樹脂の粒子とは、ポリエチレン、
ポリプロピレン、テフロン等の材料を微粒子化したもの
で、その径は20μm以下、好ましくは10μm以下で
ある。このような微粒子は、乳化重合によって合成され
たり、粉砕によって作製される。粒子の混合比率は5%
から50%程度が好ましい。またゲル状物中に粒子が存
在している際に、熱圧にて一定形状に変形させてから、
イオン伝導性組成物として利用することもできる。
【0060】リチウム一次電池では、金属リチウムを負
極として用い、正極として、フッ化黒鉛、γ−β型二酸
化マンガン、二酸化硫黄、塩化チオニル、ヨウ素/ポリ
(2−ビニルピリジン) 、Ag2 CrO4 、五酸化バナ
ジウム、CuO、MoO3 などを用いることができる。
一次電池の電解液の代用として本発明のイオン伝導性組
成物が用いられる。電池の形状としては、コイン型、円
筒型、シート(ペーパー)型にして用いられる。
【0061】また、リチウム二次電池では、用いられる
正極材料は、LiCoO2 、LiNiO2 、スピネル型
LiMn2 4 、アモルファス状V2 5 、β−MnO
2 とLi2 MnO3 の混合物、スピネル超格子構造のL
4/3 Mn5/3 4 、2, 5−ジメルカプト−3, 4−
チアジアゾール等の有機ジスルフィド化合物などを正極
活物質として、これを粉末状にして、アセチレンブラッ
クなどの導電剤、有機高分子化合物からなる増粘剤を加
え正極材料となる。正極材料は正極集電体であるアルミ
ニウム上に塗布され多孔質として用いられる。
【0062】負極材料は、金属リチウム、リチウム・ア
ルミニウム合金、Li・Pb・Cd・In合金や、リチ
ウム・黒鉛化合物、リチウム・難黒鉛化炭素化合物、リ
チウム・非晶質錫複合酸化物、非晶質コバルト置換窒化
リチウムなどの負極活物質を、それらが金属の場合はニ
ッケル板などにメッキして、他の場合は正極材料と同様
に粉末状にし、アセチレンブラックなどの導電剤、有機
高分子からなる増粘剤を加えることにより調製される。
後者のようにペースト状の場合は、銅などの集電板上に
塗布され、多孔質となる。本発明のイオン伝導性組成物
は、二次電池の電解液の代用として用いられる。二次電
池の形状は、一次電池と同様にコイン型、円筒型、シー
ト型にして用いられる。以下、実施例により本発明を更
に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。
【0063】
【実施例】実施例1 次の各材料を次のように混合した。 化合物(B−1) 1.186g 化合物(D−2) 2.814g 0.25%Pt触媒 0.60g LiPF6 7.0g エチレンカーボネート 12.68g ジエチルカーボネート 25.74g この混合物を50℃で30分間加熱してゲル状イオン伝
導性組成物1を得た。このゲル状イオン伝導性組成物1
のイオン伝導度は2.2×10-3S/cmでありった。
【0064】実施例2 次の各材料を次のように混合した。 化合物(B−1) 1.073g 化合物(D−1) 2.927g 0.25%Pt触媒 0.60g LiN(CF3 SO2)2 8.2g エチレンカーボネート 12.26g ジエチルカーボネート 24.90g これを平面上に展開して、50℃で30分間加熱して、
厚み40μmのゲル状イオン伝導性組成物2を得た。こ
のゲル状イオン伝導性組成物2のイオン伝導度は2.0
×10-3S/cmであった。一方、市販のリチウム2次
電池より正極層と負極層を取り出し、金属アルミニウ
ム、正極層、ゲル状イオン伝導性組成物2、負極層、金
属銅を積層して、リチウム2次電池を作製した。この電
池を0.1mAの電流値で充放電を行ったところ、その
容量は1.5mAh/cm2 であった。
【0065】実施例3 次の各材料を混合し、窒素雰囲気下、80℃で反応させ
た後にトルエンを除去することで、両末端にヒドロシリ
ル基を有する線状ブロック共重合体(C−1)を合成し
た。 化合物(A−2) 593.9g 化合物(B−1) 406.1g トルエン 1000g 0.25%Pt触媒 4.00g 上記ブロック重合体(C−1)と各化合物を次のように混合した。 ブロック重合体(C−1) 0.838g 化合物(D−2) 0.162g 0.25%Pt触媒 0.32g LiPF6 2.89g エチレンカーボネート 5.21g プロピレンカーボネート 10.78g これを目付量15g/m2 で平面状に展開して、50℃
で30分間加熱して、厚み40μmのゲル状イオン伝導
性組成物3を得た。このゲル状イオン伝導性組成物3の
貯蔵弾性率は3.0×103 Pa、イオン伝導度は5.
0×10-3S/cmであった。一方、市販のリチウム2
次電池より正極層と負極層を取り出し、金属アルミニウ
ム、正極層、ゲル状イオン伝導性組成物3、負極層、金
属銅を積層して、リチウム2次電池を作製した。この電
池を0.2mAの電流値で充放電を行ったところ、その
容量は1.7mAh/cm2 であった。
【0066】実施例4 次の各材料を混合し、窒素雰囲気下、80℃で反応させ
た後にトルエンを除去することで、両末端にヒドロシリ
ル基を有する線状ブロック共重合体(C−2)を合成し
た。 化合物(A−3) 702.3g 化合物(B−2) 297.7g トルエン 1000g 0.25%Pt触媒 4.00g 上記ブロック重合体(C−2)と各化合物を次のように混合した。 ブロック重合体(C−2) 0.918g 化合物(D−1) 0.282g 0.25%Pt触媒 0.32g LiN(CF3 SO2)2 3.37g エチレンカーボネート 4.99g ジエチルカーボネート 10.12g これを厚さ2mmの密閉容器中でゲル化させることによ
りゲル状イオン伝導性組成物4を得た。このゲル状イオ
ン伝導性組成物4の貯蔵弾性率は4.0×10 3 Pa、
イオン伝導度は4.0×10-3S/cmであった。
【0067】実施例5 次の各材料を混合し、窒素雰囲気下、80℃で反応させ
た後にトルエンを除去することで、両末端にヒドロシリ
ル基を有する線状ブロック共重合体(C−3)を合成し
た。 化合物(A−1) 679.0g 化合物(B−2) 321.0g トルエン 1000g 0.25%Pt触媒 4.00g 上記ブロック重合体(C−3)と各化合物を次のように混合した。 ブロック重合体(C−3) 0.919g 化合物(D−3) 0.081g 0.25%Pt触媒 0.32g LiPF6 2.88g エチレンカーボネート 5.31g ジエチルカーボネート 10.79g これを厚さ2mmの密閉容器中でゲル化させることによ
りゲル状イオン伝導性組成物5を得た。このゲル状イオ
ン伝導性組成物5の貯蔵弾性率は4.0×10 3 Pa、
イオン伝導度は5.0×10-3S/cmであった。一
方、市販のリチウム2次電池より正極層と負極層を取り
出し、金属アルミニウム、正極層、ゲル状イオン伝導性
組成物5、負極層、金属銅を積層して、リチウム2次電
池を作製した。この電池を0.1mAの電流値で充放電
を行ったところ、その容量は1.4mAh/cm2 であ
った。
【0068】実施例6 次の各材料を次のように混合した。 化合物(B−1) 1.483g 化合物(D−2) 3.517g 0.25%Pt触媒 0.60g エチレンカーボネート 6.0g ジエチルカーボネート 12.18g この混合物を50℃で30分間加熱してゲル状組成物1
を得た。次に、このゲル状組成物1に次の各化合物を加
えて膨潤させ、ゲル状イオン伝導性組成物6を得た。 LiN(CF3 SO2)2 7.0g エチレンカーボネート 6.0g ジエチルカーボネート 12.18g このゲル状イオン伝導性組成物6のイオン伝導度は1.
0×10-3S/cmであった。
【0069】実施例7 次の各材料を混合し、窒素雰囲気下、80℃で反応させ
た後にトルエンを除去することで、両末端にヒドロシリ
ル基を有する線状ブロック共重合体(C−4)を合成し
た。 化合物(A−1) 687.8g 化合物(B−2) 312.2g トルエン 1000g 0.25%Pt触媒 4.00g 上記ブロック重合体(C−4)と各化合物を次のように
混合した。 ブロック重合体(C−4) 1.646g 化合物(D−1) 0.354g 0.25%Pt触媒 0.32g エチレンカーボネート 2.0g ジエチルカーボネート 3.0g これを厚さ2mmの密閉容器中でゲル化させることによ
りゲル状組成物2を得た。次に、以下の各化合物を加え
て膨潤させ、ゲル状イオン伝導性組成物7を得た。 LiPF6 2.73g エチレンカーボネート 2.93g ジエチルカーボネート 7.01g このゲル状イオン伝導性組成物7の貯蔵弾性率は2.0
×103 Pa、イオン伝導度は1.0×10-3S/cm
であった。一方、市販のリチウム2次電池より正極層と
負極層を取り出し、金属アルミニウム、正極層、ゲル状
イオン伝導性組成物7、負極層、金属銅を積層して、リ
チウム2次電池を作製した。この電池を0.2mAの電
流値で充放電を行ったところ、その容量は1.3mAh
/cm2 であった。
【0070】実施例8 次の各材料を混合し、窒素雰囲気下、80℃で反応させ
た後にトルエンを除去することで、両末端にヒドロシリ
ル基を有する線状ブロック共重合体(C−5)を合成し
た。 化合物(A−4) 756.8g 化合物(B−1) 243.2g トルエン 1000g 0.25%Pt触媒 4.00g 上記ブロック重合体(C−5)と各化合物を次のように
混合した。 ブロック重合体(C−5) 1.677g 化合物(D−2) 0.323g 0.25%Pt触媒 0.32g エチレンカーボネート 1.0g ジエチルカーボネート 4.0g これを厚さ2mmの密閉容器中でゲル化させることによ
りゲル状組成物3を得た。次に、以下の各化合物を加え
て膨潤させ、ゲル状イオン伝導性組成物8を得た。 LiN(CF3 SO2)2 3.22g エチレンカーボネート 3.77g ジエチルカーボネート 5.68g このゲル状イオン伝導性組成物8のイオン伝導度は0.
8×10-3S/cmであった。
【0071】実施例9 次の各材料を混合し、窒素雰囲気下、80℃で反応させ
た後にトルエンを除去することで、両末端にヒドロシリ
ル基を有する線状ブロック共重合体(C−6)を合成し
た。 化合物(A−2) 549.3g 化合物(B−1) 450.7g トルエン 1000g 0.25%Pt触媒 4.00g 上記ブロック重合体(C−6)と各化合物を次のように混合した。 ブロック重合体(C−6) 1.475g 化合物(D−2) 0.525g 0.25%Pt触媒 0.32g エチレンカーボネート 2.0g ジエチルカーボネート 3.0g これを厚さ2mmの密閉容器中でゲル化させることによ
りゲル状組成物4を得た。次に、以下の各化合物を加え
て膨潤させ、ゲル状イオン伝導性組成物9を得た。 LiPF6 2.73g エチレンカーボネート 2.93g ジエチルカーボネート 7.01g このゲル状イオン伝導性組成物9のイオン伝導度は0.
9×10-3S/cmであった。一方、市販のリチウム2
次電池より正極層と負極層を取り出し、金属アルミニウ
ム、正極層、ゲル状イオン伝導性組成物9、負極層、金
属銅を積層して、リチウム2次電池を作製した。この電
池を0.2mAの電流値で充放電を行ったところ、その
容量は1.1mAh/cm2 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) C08J 5/04 CFH C08J 5/04 CFH 5H029 C08L 83/04 C08L 83/04 83/10 83/10 83/12 83/12 83/14 83/14 101/00 101/00 H01B 1/06 H01B 1/06 A H01M 6/18 H01M 6/18 E 6/22 6/22 C 10/40 10/40 B (72)発明者 池上 幸史郎 東京都千代田区丸の内3丁目4番2号 三 菱製紙株式会社内 (72)発明者 兵頭 建二 東京都千代田区丸の内3丁目4番2号 三 菱製紙株式会社内 (72)発明者 渡邉 宏明 東京都千代田区丸の内3丁目4番2号 三 菱製紙株式会社内 (72)発明者 日野 賢一 神奈川県横浜市中区野毛町4−173−2− 609 (72)発明者 鹿野 直樹 神奈川県横浜市港南区最戸1−17−1− 402 (72)発明者 安藤 英治 神奈川県横浜市青葉区鴨志田町553−3− 205 Fターム(参考) 4F072 AA02 AB02 AB04 AB05 AD47 AE08 AF02 AH06 AK05 AL11 4J002 AA01Y BB02Y BB11Y BD144 BD15Y BG104 BQ004 CF00Y CH054 CP05X CP06X CP09X CP17W CP17X CP18W CP18X CP19W CQ014 DD036 DD056 DD066 DD086 DE186 DE196 DF036 DG036 DG046 DH046 EG016 FA04Y FD01Y FD114 FD116 GQ02 HA00 4J035 BA02 GA02 GA03 GA04 GB01 HA01 HB01 LA07 LB20 5G301 CA30 CD01 5H024 AA02 AA03 AA12 FF15 FF16 FF17 FF18 FF20 FF21 GG01 HH00 5H029 AJ01 AK03 AL12 AM03 AM04 AM05 AM07 AM16 EJ12 HJ02

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 式(A): 【化1】 〔式中、R1 は、互いに独立して、水素原子、置換若し
    くは無置換の炭素数1〜18のアルキル基、又は置換若
    しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を示し、R
    2 は、互いに独立して、炭素数1〜18のアルキレン
    基、置換若しくは無置換の炭素数6〜20のアリーレン
    基、炭素数7〜21のアリールアルキレン基、ジアルキ
    ル(ポリ)シリレン基、ジアリール(ポリ)シリレン
    基、又は直接結合を示し、そしてZ1 は、ポリオキシア
    ルキレン、(ポリ)カーボネート、(ポリ)エステル、
    ポリアクリレート、ポリメタクリレート、アルキレンか
    ら誘導される2価基、又は直接結合を示す。〕により表
    される化合物と、式(B): 【化2】 〔式中、R3 は、互いに独立して、置換若しくは無置換
    の炭素数1〜18のアルキル基、炭素数7〜21のアラ
    ルキル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20の
    アリール基を示し、n1 は0〜500の整数を示す。〕
    により表される化合物との付加反応によって得られる線
    状共重合体であって末端にヒドロシリル基を2つ有する
    重合体に、前記式(A)により表される化合物及び/又
    は前記式(B)により表される化合物の存在下又は不存
    在下で、アルケニル基を3つ以上有する式(D): 【化3】 〔式中、R4 は、互いに独立して、水素原子、置換若し
    くは無置換の炭素数1〜18のアルキル基、又は置換若
    しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を示し、R
    5 は、互いに独立して、ヘテロ原子数1〜50で炭素数
    13〜400のヘテロ原子含有アルキレン基、(ポリ)
    カーボネート、(ポリ)エステル、ポリアクリレート、
    又はポリメタクリレートから誘導される2価の基を示
    し、n2 は3以上の整数であり、そして、Z2 はn2
    同じ価数を持つ連結基であって、炭素原子、ケイ素原
    子、一置換3価ケイ素原子、炭素数1〜30の脂肪族
    基、ヘテロ原子数1〜6で炭素数1〜30のヘテロ原子
    含有有機基、ベンゼンポリカルボキシ基、リン酸基、ケ
    イ素原子数2〜50の直鎖状、分枝状若しくは環状のア
    ルキルポリシロキサン基、又はアルキルアリールポリシ
    ロキサン基を示す。〕により表される化合物を付加反応
    させることによって得られる重合体、及び溶媒を含んで
    なるゲル状組成物。
  2. 【請求項2】 式(A)により表される化合物及び式
    (B)により表される化合物の不存在下で式(D)によ
    り表される化合物を反応させる、請求項1記載の組成
    物。
  3. 【請求項3】 式(A)により表される化合物の存在下
    で式(D)により表される化合物を反応させる、請求項
    1記載の組成物。
  4. 【請求項4】 式(B)により表される化合物の存在下
    で式(D)により表される化合物を反応させる、請求項
    1記載の組成物。
  5. 【請求項5】 式(A)により表される化合物及び式
    (B)により表される化合物の存在下で式(D)により
    表される化合物を反応させる、請求項1記載の組成物。
  6. 【請求項6】 Z1 が、ポリオキシアルキレン、(ポ
    リ)カーボネート、(ポリ)エステル、ポリアクリレー
    ト、ポリメタクリレート、又はアルキレンから誘導され
    る2価の鎖である、請求項1記載の組成物。
  7. 【請求項7】 式(A): 【化4】 (式中、R1 、R2 、及びZ1 は請求項1で定義した通
    りである。)により表される化合物、式(B): 【化5】 (式中、R3 及びn1 は請求項1で定義した通りであ
    る。)により表される化合物、及び、式(D): 【化6】 (式中、R4 、R5 、n2 、及びZ2 は請求項1で定義
    した通りである。)により表される化合物を同時に付加
    反応させて得られる重合体、及び溶媒を含んでなるゲル
    状組成物。
  8. 【請求項8】 Z1 が、ポリオキシアルキレン、(ポ
    リ)カーボネート、(ポリ)エステル、ポリアクリレー
    ト、ポリメタクリレート、又はアルキレンから誘導され
    る2価の鎖である、請求項7記載の組成物。
  9. 【請求項9】 式(B): 【化7】 〔式中、R3 は、互いに独立して、置換若しくは無置換
    の炭素数1〜18のアルキル基、炭素数7〜21のアラ
    ルキル基、又は置換若しくは無置換の炭素数6〜20の
    アリール基を示し、n1 は0〜500の整数を示す。〕
    により表される化合物とアルケニル基を3つ以上有する
    式(D): 【化8】 〔式中、R4 は、互いに独立して、水素原子、置換若し
    くは無置換の炭素数1〜18のアルキル基、又は置換若
    しくは無置換の炭素数6〜20のアリール基を示し、R
    5 は、互いに独立して、ヘテロ原子数1〜50で炭素数
    13〜100のヘテロ原子含有アルキレン基、(ポリ)
    カーボネート、(ポリ)エステル、ポリアクリレート、
    又はポリメタクリレートから誘導される2価の基を示
    し、n2 は3以上の整数であり、そして、Z2 はn2
    同じ価数を持つ連結基であって、炭素原子、ケイ素原
    子、一置換3価ケイ素原子、炭素数1〜30の脂肪族
    基、ヘテロ原子数1〜6で炭素数1〜30のヘテロ原子
    含有有機基、ベンゼンポリカルボキシ基、リン酸基、ケ
    イ素原子数2〜50の直鎖状、分枝状若しくは環状のア
    ルキルポリシロキサン基、又はアルキルアリールポリシ
    ロキサン基を示す。〕により表される化合物をヒドロシ
    リル化反応させることによって得られる重合体、及び溶
    媒を含んでなるゲル状組成物。
  10. 【請求項10】 溶媒の含有率が50〜99重量%であ
    る、請求項1〜9のいずれか1項に記載の組成物。
  11. 【請求項11】 請求項1〜10のいずれか1項に記載
    の組成物と電解質を含んでなるゲル状イオン伝導性組成
    物。
  12. 【請求項12】 電解質が請求項1〜10のいずれか1
    項に記載の組成物を製造する際に既に存在している、請
    求項11記載の組成物。
  13. 【請求項13】 貯蔵弾性率が3000パスカル以上で
    ある、請求項11又は12記載の組成物。
  14. 【請求項14】 40℃に於いてその粘度が10000
    cP以下である変性シリコーンを更に含んでなる、請求
    項11〜13のいずれか1項に記載の組成物。
  15. 【請求項15】 −20℃におけるイオン伝導度が電解
    質と溶媒よりなる電解液の50%以上である、請求項1
    1〜14のいずれか1項に記載の組成物。
  16. 【請求項16】 粒子状、繊維状、又は多孔質フィルム
    状の熱可塑性樹脂を更に含んでなる、請求項11〜15
    のいずれか1項に記載の組成物。
  17. 【請求項17】 請求項11〜16のいずれか1項に記
    載のゲル状イオン伝導性組成物を含んでなる電池。
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