JP2004119343A - Molding material for polymer solid electrolyte, polymer solid electrolyte mold body and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池等の電気化学デバイスに好適に用いられる高分子固体電解質用の成形材料並びに該成形材料を成形して成る高分子固体電解質及びその製造方法に関し、特にリチウム電池用として好適な高分子固体電解質用の成形材料並びに該成形材料を成形して成る高分子固体電解質及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電池用電解質は、イオン伝導性の点から液状あるいはゲル状のものが用いられているが、液漏れによる機器の損傷の恐れがあることから強度の高い外装を使用しなければならず、電池の小型軽量化に限界があることなどの問題点が指摘されている。
【0003】
これに対し高分子固体電解質が検討されている。高分子固体電解質は、加工性や柔軟性に優れることから電池形状の自由度が高く、さらには電解液を含まないことから安全性の面でもその開発が期待されている。
【0004】
例えば、エチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体にアルカリ金属塩を含有させてイオン伝導性固体電解質に応用する試みが既に提案されているが(例えば、特許文献1〜3参照)、イオン伝導性、機械的特性ともにより一層の向上が求められている。さらに、高分子固体電解質が電池等に使用される場合、その製造工程においてフィルム状で取り扱われるため、フィルム加工に適した材料であることも必要とされている。また電池出力を向上させるためにはフィルムを出来るだけ薄膜化することが求められている。
【0005】
ところで、薄膜であっても機械的強度に優れる高分子固体電解質フィルムを得るためには、電解質用の成形材料として、引張弾性率等の機械的物性に優れる高分子材料が必要となるが、そのような高分子材料は一般的に成形加工時の溶融粘度が高く流動性が悪い。そこで、溶融粘度を下げる目的で固体電解質用の高分子材料に可塑剤を配合することが通常行われるが、目的とする値まで溶融粘度を低減させるためには可塑剤が多量必要となる。また、多量の可塑剤を使用すると、成形加工時(特に押出成形時)にロール等に粘着し易くなって加工性が悪くなり、得られる高分子固体電解質成形体の機械的強度も低下する。また、高分子固体電解質のイオン伝導性も低下してこれを用いた電池性能も低下する。
【0006】
【特許文献1】
特開昭61−83249号公報
【特許文献2】
特開昭63−136407号公報
【特許文献3】
特開平2−24975号公報等
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、イオン伝導性及び機械的強度に優れる高分子固体電解質成形体を得るのに好適な、成形加工性に優れた高分子固体電解質用成形材料、該成形材料を成形して成る高分子固体電解質成形体及び該成形材料を用いて高分子固体電解質成形体を製造する方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成すべく鋭意研究した結果、特定量の水分を含むポリエーテル重合体を用いて高分子固体電解質フィルムを押出成形すると、水分を含まない場合に比較して溶融粘度が飛躍的に低下して流動性が増す結果、成形加工性に優れ、ロール等からの離型性も向上することを見出した。また、水分を含んでいる成形材料を用いているにもかかわらず、得られる高分子固体電解質成形体は含有水分量が低くイオン伝導性に優れ、機械的強度も優れることを見出し、これらの知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【0009】
かくして本発明によれば、下記1〜7の発明が提供される。
1. 水分含有量が400〜5,000ppmであるポリエーテル重合体から成る高分子固体電解質用成形材料。
2. ポリエーテル重合体が、エチレンオキシド単量体単位(A)を70〜99モル%含有し、10万〜150万の重量平均分子量(Mw)を有するものである上記1記載の成形材料。
3. 上記1又は2記載の成形材料と、ポリエーテル重合体に可溶な電解質塩化合物とを、混合、成形して成る高分子固体電解質成形体。
4. 高分子固体電解質成形体がカソードフィルムである上記3記載の高分子固体電解質成形体。
5. 水分含有量が400〜5,000ppmであるポリエーテル重合体から成る高分子固体電解質用成形材料と、該重合体に可溶な電解質塩化合物とを、混合、成形することを特徴とする高分子固体電解質成形体の製造方法。
6. 高分子固体電解質成形体の水分含有量が50〜1,000ppmである上記5記載の製造方法。
7. 押出成形法により成形する上記5又は6記載の製造方法。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子固体電解質用成形材料は、水分含有量が400〜5,000ppmであるポリエーテル重合体から成る。
高分子固体電解質は、水分を含んでいると電解質塩化合物等と反応して電池性能を低下させるため、その材料となるポリエーテル重合体の水分含有量を極力低減させるのが一般的である。しかし、本発明の成形材料は、高分子固体電解質の材料に通常含まれる水準を超えた水分を含むことを特徴とする。
【0011】
本発明の成形材料のポリエーテル重合体中に含まれる水分量は、好ましくは700〜4,000ppm、より好ましくは1,000〜3,000ppmである。ポリエーテル重合体の水分含有量が過度に少ないと、成形時の溶融粘度の低下が不十分で薄膜の高分子固体電解質フィルムが得られなくなるおそれがある。一方、水分含有量が過度に大きいと、得られる高分子固体電解質フィルムの水分量が多くなり、これを用いた電池の充放電特性等の電池性能が低下するおそれがある。
本発明の高分子固体電解質用成形材料は、それに特定量含まれる水分が顕著な可塑化作用を有し、例えば押出成形の場合には押出機のダイ圧を低く安定化させるので、薄いフィルムを円滑に製造することを可能にする一方、得られるフィルムの水分量は、高分子固体電解質としての許容量よりも少なくなるために、このフィルムを電池に利用することによりイオン導電性の向上した高出力電池を得ることを可能にするものである。
【0012】
本発明に用いるポリエーテル重合体は、オキシラン単量体を開環重合して得られるオキシアルキレン繰り返し単位を主構造単位とするものであれば特に限定されない。オキシラン単量体の種類も特に限定されないが、本発明に用いるポリエーテル重合体は、エチレンオキシド単量体単位(A)を主構造単位とするものが好ましく、該単量体単位(A)を、重合体全繰り返し単位中、好ましくは70〜99モル%含有し、エチレンオキシド単量体単位(A)と共重合可能なオキシラン単量体単位(B)を30〜1モル%含有するものであることが好ましい。
【0013】
ポリエーテル重合体中のエチレンオキシド単量体単位(A)量は、より好ましくは80〜98モル%、特に好ましくは90〜97モル%である。エチレンオキシド単量体単位(A)量が少なすぎると、このポリエーテル重合体を含有してなる高分子固体電解質用成形材料を成形して成る高分子固体電解質成形体の機械的強度が不足し、押出フィルムの場合はロール等に粘着しやすくなるため安定的に薄膜フィルムを成形することが困難になる恐れがある。エチレンオキシド単量体単位(A)量が多すぎると得られる高分子固体電解質成形体のイオン伝導度が低下し低温での電池特性が低下する恐れがある。
【0014】
ポリエーテル重合体中の上記オキシラン単量体単位(B)量は、より好ましくは2〜20モル%、特に好ましくは7〜10モル%である。
前記オキシラン単量体単位(B)の構成成分である、エチレンオキシドと共重合可能なオキシラン単量体(b)としては、炭素数3〜20のアルキレンオキシド、炭素数1〜10のグリシジルエーテル、ビニル化合物オキシド、などが挙げられる。
炭素数3〜20のアルキレンオキシドの具体例としては、プロピレンオキシド、1,2−エポキシブタン、1,2−エポキシ−イソブタン、2,3−エポキシブタン、1,2−エポキシヘキサン、1,2−エポキシオクタン、1,2−エポキシデカン、1,2−エポキシテトラデカン、1,2−エポキシヘキサデカン、1,2−エポキシオクタデカン、1,2−エポキシエイコサンなどの鎖状アルキレンオキシド;1,2−エポキシシクロペンタン、1,2−エポキシシクロヘキサン、1,2−エポキシシクロドデカンなどのシクロアルキレンオキシド;などが挙げられる。炭素数1〜10のグリシジルエーテルの具体例としては、メチルグリシジルエーテル、エチルグリシジルエーテル、ブチルグリシジルエーテルなどのアルキルグリシジルエーテル;フェニルグリシジルエーテルなどのアリールグリシジルエーテル;などが挙げられる。ビニル化合物オキシドの具体例としては、スチレンオキシドなどが挙げられる。これらは2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、鎖状アルキレンオキシドが好ましく、重合反応性の高いプロピレンオキシド、1,2−エポキシブタンが最も好ましい。
【0015】
また、オキシラン単量体(b)は、上記単量体以外に、ビニルシクロヘキセンジオキシド、ブタジエンジオキシド、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテルなどのジエポキシ化合物を含んでいてもよい。オキシラン単量体(b)中にこれらの化合物を含むと、これを用いて得られるオキシラン単量体単位(B)に分岐構造を導入することがきる。ジエポキシ化合物の含有量は、オキシラン単量体(b)とエチレンオキシド単量体との合計量に対して、好ましくは0.1〜5モル%である。
【0016】
本発明の成形材料を架橋成形して架橋成形体として用いる場合には、前記オキシラン単量体(b)は、その少なくとも一部として架橋性官能基を有するオキシラン単量体(c)(架橋性オキシラン単量体(c))を含んでいるのが好ましい。架橋性官能基とは、加熱や活性放射線照射などにより架橋構造を形成し得る官能基である。オキシラン単量体(b)の一部として架橋性オキシラン単量体(c)を使用すると、本発明の成形材料を架橋成形して架橋成形体として用いる場合に、その架橋が容易になり、強度の高い高分子固体電解質フィルムを容易に得ることができる。その場合、架橋性オキシラン単量体(c)の含有量は、ポリエーテル重合体の重合に用いる全オキシラン単量体に対し、通常9モル%以下、好ましくは7モル%以下、より好ましくは5モル%以下である。その含有量が多すぎると、成形前に成形材料がゲル化反応等起こし易くなって成形加工性が低下するおそれがある。
【0017】
架橋性オキシラン単量体(c)としては、エポキシ化合物のハロゲン化物、ビニル基を有するエポキシ化合物などが挙げられる。エポキシ化合物のハロゲン化物としては、例えば、エピクロロヒドリン、エピブロモヒドリン、エピヨードヒドリン、エピフルオロヒドリン、β−メチルエピクロルヒドリンなどのエピハロヒドリンなどのハロゲン化アルキレンオキシド;p−クロロスチレンオキシド;ジブロモフェニルグリシジルエーテル;などが挙げられる。
また、ビニル基を有するエポキシ化合物としては、例えば、ビニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、ブテニルグリシジルエーテル、o−アリルフェニルグリシジルエーテルなどのエチレン性不飽和グリシジルエーテル;ブタジエンモノエポキシド、クロロプレンモノエポキシド、4,5−エポキシ−2−ペンテン、3,4−エポキシ−1−ビニルシクロヘキセン、1,2−エポキシ−5,9−シクロドデカジエンなどのジエンまたはポリエンのモノエポキシド;3,4−エポキシ−1−ブテン、1,2−エポキシ−5−ヘキセン、1,2−エポキシ−9−デセンなどのアルケニルエポキシド;グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート、グリシジルクロトネート、グリシジル−4−ヘプテノエート、グリシジルソルベート、グリシジルリノレート、グリシジル−4−メチル−3−ペンテノエート、3−シクロヘキセンカルボン酸のグリシジルエステル、4−メチル−3−シクロヘキセンカルボン酸のグリシジルエステルなどエチレン性不飽和カルボン酸のグリシジルエステル類;などが挙げられる。
架橋性オキシラン単量体(c)は一種類のみを用いても、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ハロゲン化アルキレンオキシドやエチレン性不飽和グリシジルエーテルが好ましく、アリルグリシジルエーテル、エピクロロヒドリンが特に好ましい。
【0018】
上記オキシラン単量体を開環重合するための重合触媒としては、特に限定されず、例えば、有機アルミニウムに水とアセチルアセトンとを反応させた触媒(特公昭35−15797号公報)、トリイソブチルアルミニウムにリン酸とトリエチルアミンとを反応させた触媒(特公昭46−27534号公報)、トリイソブチルアルミニウムにジアザビアシクロウンデセンの有機酸塩とリン酸とを反応させた触媒(特公昭56−51171号公報)、アルミニウムアルコキサイドの部分加水分解物と有機亜鉛化合物とからなる触媒(特公昭43−2945号公報)、有機亜鉛化合物と多価アルコールとからなる触媒(特公昭45−7751号公報)、ジアルキル亜鉛と水とからなる触媒(特公昭36−3394号公報)などの、オキシラン化合物の開環重合触媒として従来公知の重合触媒を用いることができる。
中でも、トリイソブチルアルミニウムにジアザビアシクロウンデセンの有機酸塩とリン酸とを反応させた触媒を用いると、フィルム強度を低下させる要因となるトルエン不溶分の生成が少なくなり好ましい。
【0019】
重合溶媒は、重合触媒を失活させないものであれば特に限定されない。例えば、ベンゼン、トルエンなどの芳香族炭化水素;n−ペンタン、n−へキサンなどの鎖状飽和炭化水素類;シクロペンタン、シクロヘキサンなどの脂環式炭化水素;などが用いられる。
重合方法としては、溶液重合法または溶媒スラリー重合法などの重合法を用いることができるが、n−ペンタン、n−ヘキサン、シクロペンタンなどの溶媒を用いた溶媒スラリー重合法を用いるのが好ましい。
溶媒スラリー重合においては、重合に使用する単量体のうち、溶媒に不溶な重合体を与える単量体と溶媒に可溶な重合体を与える単量体とで予め触媒を処理しておくことが、重合反応系の安定性の観点から好ましい。触媒の処理は、触媒成分と少量の上記各単量体とを混合し、0〜100℃、好ましくは30〜50℃の温度で3〜30分熟成させればよい。このようにして熟成した触媒の使用によって重合缶への重合体の付着を防止することができる。
重合反応は、0〜100℃、好ましくは30〜70℃で、回分式、半回分式、連続式などの任意の方法で行うことができる。
【0020】
本発明で使用するポリエーテル重合体の水分含有量の調整方法としては、(1)重合終了時の重合反応混合物に所定量の水分を添加し、次いで重合体を回収し、水分含有量が目的とする量になるまで乾燥する方法、(2)重合体を重合反応混合物から回収して乾燥する際に、一定濃度の水分を含む不活性ガスを乾燥器内に導入したり、乾燥条件を制御したりして重合体中の水分含有量が目的とする量になるまで乾燥する方法、(3)重合体を回収後に、水分含有量が400ppm未満になるまで一旦乾燥し、次いで、一定濃度の水分を含む不活性ガスや大気などと一定時間接触させて水分含有量が目的となる量になるまで吸湿させる方法、などが挙げられるが、これらの方法に限定されない。また、これらの方法は組み合わせてもよい。
例えば上記(1)の方法においては、重合に用いる単量体、重合溶媒及び重合触媒を全て脱水処理し、無水の不活性ガスで置換した反応器中で重合した後、得られる重合反応混合物に蒸留水を添加し、ポリエーテル重合体を回収する。この際、最終的に得られるポリエーテル重合体中の水分含有量を目的値にするために必要な、重合反応混合物に添加する水分量は、予め実験により求めておき、ポリエーテル重合体の回収条件(乾燥条件等)も決めておけばよい。
【0021】
本発明で使用するポリエーテル重合体は、その重量平均分子量(Mw)が好ましくは10万〜150万、より好ましくは15万〜100万、特に好ましくは20万〜60万で、分子量分布(Mw/Mn、ここでMnは数平均分子量)が好ましくは1.5〜13、より好ましくは1.6〜12、特に好ましくは1.7〜11の重合体である。
Mwが上記範囲であると、これを用いた高分子固体電解質用成形材料のフィルム押出成形加工時の流動性および形状保持性並びに得られる高分子固体電解質フィルムの柔軟性および機械的強度に優れる。Mwが大きすぎると溶融粘度が高く、成形機のトルクやダイ圧が上昇するため成形加工が困難となる恐れがある。Mwが小さすぎると得られる高分子固体電解質フィルムの機械的強度が不足してフィルムが破れ易く、フィルムが粘着し易くなるため、薄膜フィルムを安定的に成形することが困難になる。また、Mw/Mnの値が大きすぎると、フィルム成形時の溶融粘度が高いため、押出成形時にダイ圧力が上昇して加工困難になったり、押出成形の後にフィルムがロールに粘着しやすくなったりするおそれがある。
【0022】
本発明の成形材料には、必要に応じて、老化防止剤、光安定剤、滑剤、滑剤、難燃剤、防黴剤、帯電防止剤、着色剤、補強材、充填剤などの添加剤を加えてもよい。
老化防止剤は特に限定されないが、フェノール系老化防止剤が好ましく、ヒンダードフェノール系老化防止剤が特に好ましい。
補強剤は特に限定されないが、通常、アルミニウム、珪素、チタン、亜鉛、マグネシウム、カルシウム等の酸化物が用いられる。特に、シリカが補強効果が高く、加工性の改善効果が大きいので好ましい。シリカの表面積は特に制限されないが、窒素吸着比表面積(BET法)で、通常、50〜400m2/g、好ましくは70〜250m2/g、より好ましくは90〜150m2/gである。一般的にシリカ表面を覆っているシラノール基はリチウム金属やリチウム塩と反応して電池性能を損なう原因となるため、シリカとしては表面のシラノール基をメチル基等の疎水基に置き換えた疎水性シリカが特に好ましい。補強剤の配合量はポリエーテル重合体に対して0〜50重量%、好ましくは0.5〜30重量%、より好ましくは1〜20重量%である。補強剤量が多すぎると高分子固体電解質フィルムあるいはカソードフィルムの柔軟性が損なわれ、イオン伝導性が低くなる恐れがある。
【0023】
本発明の高分子固体電解質成形体は、上記本発明の成形材料と、ポリエーテル重合体に可溶な電解質塩化合物とを、混合、成形して成るものである。
電解質塩化合物としては、高分子固体電解質を用いた電池に使用され、カソードで生成した陽イオンをアノードで生成した陰イオンと結合させるために、該陽イオンを移動させ得る化合物であって、本発明に用いるポリエーテル重合体に可溶のものであれば特に限定されない。また、本発明の成形材料を架橋成形して架橋成形体として用いる場合には架橋後も可溶である必要がある。このような電解質塩化合物の具体例としては、例えば、フッ素イオン、塩素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、過塩素酸イオン、チオシアン酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ヘプタフルオロプロピルスルホン酸イオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン、ビス(ヘプタフルオロプロピルスルホニル)イミドイオン、トリフルオロスルホンイミドイオン、テトラフルオロホウ素酸イオン、硝酸イオン、AsF6 −、PF6 −、ステアリルスルホン酸イオン、オクチルスルホン酸イオン、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン、ナフタレンスルホン酸イオン、ドデシルナフタレンスルホン酸イオン、及び7,7,8,8−テトラシアノ−p−キノジメタンイオンからなる群から選ばれた陰イオンと、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、CaおよびBaからなる群から選ばれた金属の陽イオンとからなる塩が挙げられる。特に、高分子固体電解質成形体をリチウムポリマー電池に用いる場合には、LiBF4、LiPF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2がより好ましい。
【0024】
これらアルカリ金属塩は2種以上併用してもよい。ポリエーテル重合体に対する電解質塩化合物の使用量は、(電解質塩化合物のモル数)/(共重合体中のエーテル酸素の総モル数)が通常0.001〜5、好ましくは0.005〜3、より好ましくは0.01〜1となる量である。電解質塩化合物の使用量が多すぎると加工性、成形性および得られた高分子固体電解質フィルムの機械的強度が低下したり、イオン伝導性が低下する場合がある。また、電解質塩化合物の量が少なすぎると、高分子固体電解質成形体のイオン伝導性が低くなり電池性能が低下する。
【0025】
本発明の高分子固体電解質成形体は、電池の、カソード材料及びイオン伝導性電解質などとして用いることができるが、特にイオン伝導性電解質として用いる場合には、本発明の成形材料を架橋成形して架橋成形体として用いるのが好ましい。
本発明の成形材料を架橋成形して架橋成形体として用いる場合、成形材料を成形後に、又は成形と同時に架橋する。架橋方法としては特に限定されず、例えば、ラジカル開始剤、硫黄、メルカプトトリアジン類、チオウレア類などの架橋剤を配合して加熱により架橋する方法や、活性放射線によって架橋する方法が挙げられる。中でも、有機過酸化物、アゾ化合物等のラジカル開始剤を用いて架橋する方法や、紫外線、可視光線、電子線等の活性放射線によって架橋する方法が好ましい。これらの方法で架橋する場合には、前述の架橋性オキシラン単量体(c)を共重合させたポリエーテル重合体を用いるのが好ましい。
【0026】
有機過酸化物としては、メチルエチルケトンパーオキサイド、シクロヘキサノンパーオキサイド等のケトンパーオキサイド類;1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、2,2−ビス(t−ブチルパーオキシ)オクタン、n−ブチル−4,4−ビス(t−ブチルパーオキシ)バレレート等のパーオキシケタール類;t−ブチルハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド、2,5−ジメチルヘキサン−2,5−ジハイドロパーオキサイド等のハイドロパーオキサイド類;ジ−t−ブチルパーオキサイド、t−ブチルクミルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、α,α’−ビス(t−ブチルパーオキシ−m−イソプロピル)ベンゼン、2,5−ジメチル−2,5−ビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン、2,5−ジメチル−2,5−ビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキシン等のジアルキルパーオキサイド類;ベンゾイルパーオキサイド等のジアシルパーオキサイド類;t−ブチルパーオキシアセテート等のパーオキシエステル類などが挙げられる。
【0027】
アゾ化合物としては、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、1,1’−アゾビス(シクロヘキサン−1−カルボニトリル)、2−(カルバモイルアゾ)イソブチロニトリル、2−フェニルアゾ−4−メトキシ−2,4−ジメチル−バレロニトリル等のアゾニトリル化合物;
2,2’−アゾビス{2−メチル−N−[1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル]プロピオンアミド}、2,2’−アゾビス{2−メチル−N−[1,1−ビス(ヒドロキシメチル)エチル]プロピオンアミド}、2,2’−アゾビス[2−メチル−N−(2−ヒドロキシエチル)プロピオンアミド]等のアゾアミド化合物;
2,2’−アゾビス(2−メチル−N−フェニルプロピオンアミジン)二塩酸塩、2,2’−アゾビス[N−(4−クロロフェニル)−2−メチルプロピオンアミジン]二塩酸塩、2,2’−アゾビス[N−(ヒドロキシフェニル)−2−メチルプロピオンアミジン]二塩酸塩、2,2’−アゾビス[2−メチル−N−(フェニルメチル)プロピオンアミジン]二塩酸塩、2,2’−アゾビス[2−メチル−N−(2−プロペニル)プロピオンアミジン]二塩酸塩、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミジン)二塩酸塩、2,2’−アゾビス[N−(2−ヒドロキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン]二塩酸塩等のアゾアミジン化合物などが挙げられる。
【0028】
架橋剤の配合量は、ポリエーテル重合体100重量部あたり、通常0.1〜10重量部、好ましくは0.2〜7重量部、より好ましくは0.3〜5重量部である。
【0029】
架橋剤を用いる場合には、必要により、架橋助剤を併用することができる。
有機過酸化物架橋剤やアゾ化合物架橋剤と組み合わせて用いる架橋助剤としては、酸化亜鉛、酸化マグネシウムなどの金属酸化物;水酸化カルシウムなどの金属水酸化物;炭酸亜鉛、塩基性炭酸亜鉛などの金属炭酸塩;ステアリン酸、オレイン酸などの脂肪酸;ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウムなどの脂肪酸金属塩などが挙げられる。また、有機過酸化物を使用した場合には、分子内に少なくとも2つの架橋性の不飽和結合を有する化合物を使用できる。その具体例としては、エチレンジメタクリレート、ジアリルフタレート、N,N−m−フェニレンジマレイミド、トリアリルイソシアヌレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、液状ビニルポリブタジエンなどが挙げられる。これら架橋助剤を2種類以上組み合わせて使用することもできる。架橋助剤の使用量の上限は、ポリエーテル重合体100重量部あたり、好ましくは20重量部、より好ましくは15重量部、特に好ましくは10重量部である。架橋助剤が多すぎると、架橋時に架橋速度が早くなりすぎたり、架橋物の表面ヘのブルームが生じたり、架橋物が硬くなりすぎたりする場合がある。
【0030】
紫外線、電子線などの活性放射線による架橋を行う場合は、必要に応じて光架橋剤を添加してもよい。光架橋剤としては、例えば、ベンジルジメチルケタール、トリメチルシリルベンゾフェノン、ベンゾイン、4−メトキシベンゾフェノン、ベンゾインメチルエーテルアントラキノン、ビス(2.4.6−トリメチルベンゾイル)フェニルホスフィンオキシド等が挙げられる。
【0031】
イオン伝導性を向上させる目的で、本発明の成形材料に有機溶媒や可塑剤を添加してもよい。有機溶媒としては、非プロトン性のエステル類やエーテル類が好ましい。また可塑剤としては、分子量5000以下のポリアルキレングリコールが好ましい。これらの具体例としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、テトラヒドロフラン、エチレングリコールジエチルエーテルが挙げられる。
【0032】
本発明の高分子固体電解質成形体を成形する際には、上記ポリエーテル重合体、電解質塩化合物及び必要に応じてその他の上記配合剤を、予め、ロールやバンバリーミキサー等により公知の方法で混合してから成形してもよいし、成形時に、例えば押出機中で混合、成形してもよい。混合の際の上記各成分の配合順序は、特に限定されないが、熱で分解しにくい成分を充分に混合した後、熱により反応・分解しやすい成分(例えば架橋剤、架橋促進剤など)を短時間に混合することが好ましい。有機溶媒や可塑剤を添加する場合は成形架橋した後に長時間かけて含浸させてもよいし、混合時に同時に添加してもよい。
【0033】
高分子固体電解質成形体の形状としては、板状、シート状及びフィルム状などが挙げられるが、電池の高分子固体電解質として用いる場合にはフィルム状で用いるのが好ましい。また、成形法としては、押出成形法、プレス成形法、射出成形法及び溶液キャスト法などを用いることができるが、本発明の高分子固体電解質成形体は、その表面精度、生産性等の観点より、押出成形法により得られたものが好ましい。特に押出成形によりフィルム状に成形した場合に、押出時の流動性や押出しフィルムのロール離型性に優れ好適である。また、押出成形法によりフィルム成形を行う場合は、二軸押出機を用いたダイ押出法によるのが最も好ましい。本発明の成形材料を架橋成形して架橋成形体として用いる場合には、成形方法、架橋方法、架橋物の形状などに応じて、成形と架橋を同時に行ってもよいし、成形後に架橋してもよい。
【0034】
二軸押出成形法により本発明の高分子固体電解質フィルムを成形する場合に、その成形方法は特に限定されないが、ゴムの加工に一般的に採用されている押出成形法を用いることができる。すなわち、本発明の成形材料を、押出機のホッパからフィードしてスクリューに巻き込ませ、バレルからの加熱によりポリエーテル重合体を軟化させつつスクリューの回転でヘッド部に送り、これをヘッド部に設置したフィルムダイスに通すことにより、目的のフィルム状成形体を得る。電解質塩化合物、及び後述するカソードとして用いる場合に配合する活物質やカーボン、必要に応じて配合する可塑剤等の他の配合剤は、成形時に配合する場合は二軸押出機のホッパー入口からポリエーテル重合体と一緒に供給しても良いし、バレルの途中から供給しても良い。バレルの長さ(L)と内径(D)との比は、通常10/1〜30/1、バレル温度は、通常50〜120℃、ヘッド温度は、通常60〜130℃、ダイス温度は、通常70〜130℃で行われる。
【0035】
押出成形して得られる高分子固体電解質フィルム厚さは、通常10〜50μm、好ましくは15〜30μmである。カソードフィルムの厚さは、通常20〜150μm、好ましくは30〜100μmである。厚さが過度に薄いと製造の安定性に欠けるおそれがあり、逆に過度に厚いとイオン伝導性が低下して電池の出力を上げられない可能性がある。
【0036】
本発明の高分子固体電解質成形体は、電池の、カソード及びイオン伝導性電解質として好適に用いることができる。
本発明の高分子固体電解質成形体を好適に適用できる電池の種類は特に限定されないが、例えば、リチウム、カリウム、ナトリウム等のアルカリ金属系電池、亜鉛−塩化銀、マグネシウム−塩化銀、マグネシウム−塩化銅等のハロゲン塩電池、ニッケル−水素電池等のプロトン伝導型電池等が挙げられる。中でも、高電圧、高エネルギーで且つイオン伝導度が固体電解質中で高いリチウム電池が好ましい。また、電池の形態としては、電解質が電解液を含まずに、高分子固体電解質のみからなる電池が最も好ましい。
【0037】
上記電池がリチウム電池である場合には、カソードフィルム、アノードフィルム及びイオン伝導性電解質フィルムを備えてなることが好ましく、カソードフィルム及びイオン伝導性電解質フィルムの少なくともいずれかが本発明の高分子固体電解質成形体から成るものである。
本発明の高分子固体電解質成形体をイオン伝導性電解質として用いる場合には前述の如く架橋成形体を用いるのが好ましい。イオン伝導性電解質は、主としてカソードとアノードとの間において電解液に代替するイオン伝導性の電解質膜として機能するとともに、カソードとアノードのセパレーターとしても機能するものである。
【0038】
本発明の高分子固体電解質成形体を上記の電池のカソードとして使用する場合には、本発明の高分子固体電解質用成形材料を成形する際に、活物質微粒子及び導電性微粒子を配合する。活物質としては、LiCoO2、リチウムマンガン複合酸化物、LiNiO2、V2O5、V6O13、リチウムバナジウム複合酸化物等が使用できる。これらの平均粒子径は特に限定されないが、成形体をフィルム状で使用する場合には、好ましくは0.5〜30μ、より好ましくは0.6〜20μである。これらの粒子径が大きすぎると、成形体の表面平滑性が低下する場合があり、また小さすぎると分散が困難になる。これらの配合量としては、ポリエーテル重合体に対して重量基準で好ましくは0.1〜50倍、より好ましくは0.3〜20倍、特に好ましくは0.5〜10倍である。活物質量が少なすぎると、カソードの電極機能が不十分になることがあり、逆に多すぎると、分散性が低下して加工困難となるおそれがある。
導電性微粒子の例としてはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、グラファイト等があげられ、好ましくはケッチェンブラックが用いられる。これらの配合量は好ましくは活物質100重量部あたり1〜20重量部、好ましくは2〜15重量部である。導電性微粒子の量が少なすぎるとカソードの導電性が不十分になり、逆に多すぎると分散が困難になる。
上記の場合において、活物質及び導電性微粒子のバインダーとしても本発明の高分子固体電解質組成物を用いることが好ましい。
アノード材料としては、金属リチウムやリチウムの吸蔵、放出が可能な合金、酸化物及びカーボン材料を使用することができる。
【0039】
【実施例】
以下に実施例、比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。使用した溶媒、単量体などは、全て脱気脱水処理を行ったものを用いた。比較例及び実施例におけるすべての操作は不活性ガス中、無水の条件で行った。なお、実施例および比較例中の部および%は、断りのない限り重量基準である。
【0040】
(1)重合体組成
ポリエーテル重合体のポリマー組成は、500MHz H−NMR、及びC13−NMRを用いて測定した。
【0041】
(2)水分含有量
ポリエーテル重合体の水分含有量は、該重合体のトルエン溶液中の水分をカールフィッシャー水分測定器で測定し、溶解に使用した溶媒トルエンの水分測定値をブランクとして引き算した上で、トルエン溶液の濃度で換算してポリマー中の水分値を算出した。
【0042】
(3)重量平均分子量(Mw)及び分子量分布(Mw/Mn)
MwおよびMw/Mnは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて以下の条件により測定した。
装置:東ソー株式会社製GPCシステム
カラム:東ソー株式会社製G7000HHR+GMHHR−H
溶媒:DMF(リチウムブロマイド5mmol/L)
流速:1ml/min カラム温度:40℃
分子量標準物質:ポリマーラボラトリー社製標準ポリスチレン
【0043】
(4)バレル圧
フィルム押出成形時に、ダイ先端より15mm手前のバレル部に設置した圧力計(Dynisco社製)を用いて、成形材料のバレル通過時の圧力(バレル圧力)を測定した。圧力が変動する場合は、その変動する圧力領域の平均値とした。単位MPa。
【0044】
(5)フィルム強度
ブラベンダー混練機でポリエーテル重合体100部とビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム22部を混練し、これを用いて、JIS K6251にしたがい、厚み2mmの3号ダンベル試料片を作成し、引張強度を測定して評価した。
【0045】
(6)フィルム粘着性
以下の方法により、ポリプロピレン(以下、PPと記すことがある。)フィルムからの試料の剥離性を試験することによりフィルムの粘着性を評価した。ブラベンダー混練機で混練したカソード用組成物(ポリエーテル重合体100部、コバルト酸リチウム330部、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム21部、ケッチェンブラック14部)を2枚のPPフィルムの間に挟み、100℃、2分、5MPaでプレス処理した。これを幅1インチの短冊状に打ち抜いてから片面のPPフィルムを一部剥がし、剥がした両方の端部を引張試験機にセットして正極用組成物フィルムのPPフィルムからの剥離強度を23℃において500mm/分の引張速度で測定した。
【0046】
(7)イオン伝導度
イオン伝導度の測定は、ポリエーテル重合体100部にビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム20部をブラベンダー混練機で練り込んだ組成物を厚さ2mmのシートにプレス加工し、温度30℃、圧力1mmHg以下で72時間真空乾燥して得たシートを白金電極ではさみ、電圧0.5V、周波数範囲5Hz〜13MHzの交流法を用い、複素インピーダンス法により算出した。
【0047】
(8)電池のサイクル特性
ポリエーテル重合体3000部にビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウムを電解質塩のモル数/ポリエーテル重合体の酸素原子のモル数の比が0.05となるように添加し、光架橋剤ベンジルジメチルケタールを3部加えてよく混合して高分子固体電解質用組成物を得た。この組成物を二軸押し出し機に供給し、スクリュー温度80℃、回転数150rpm、ダイ温度155℃で押し出した。押し出されたフィルムをポリプロピレン(PP)フィルムに連続的に張り付け、UV照射によって架橋した。PPフィルム上の高分子固体電解質薄膜を剥離して得られた平均厚さ50μmの高分子固体電解質フィルムを各実施例、比較例で得られたカソードフィルムをリチウム金属箔で挟み込み、張り合わせることで電池を組み立てた。20mm×20mmの大きさの電池の充放電特性を調べた。
4.2Vまで0.2mAで充電し、2.7Vまで0.2mAで放電する定電流充放電試験を行った。3サイクル目の放電容量を100%とするときの、10サイクル目および50サイクル目放電容量の割合(百分率)を調べた。この値が大きいほど放電容量減が少なく、良い結果である。
【0048】
参考例1(成形材料Aの製造)
攪拌機付きオートクレーブを乾燥して窒素置換し、トリイソブチルアルミニウム65.1部、トルエン217.9部、及びジエチルエーテル121.6部を仕込んだ。内温を30℃に設定して攪拌しながらリン酸11.26部を10分間かけて一定速度で添加した。これにトリエチルアミン4.97部を添加し、60℃で2時間熟成反応し、触媒溶液を得た。
【0049】
攪拌機付きオートクレーブを乾燥して窒素置換し、n−ヘキサン1514部と上記触媒溶液63.3部を仕込んだ。内温を30℃に設定して、攪拌しながら、エチレンオキシドを7.4部加えて反応させ、次いで、エチレンオキシドとプロピレンオキシドの等重量混合単量体を14.7部加えて反応させ、シードを形成した。
【0050】
内温を60℃に設定して、シードを形成した重合反応液に、エチレンオキシド439.6部(92モル%)、プロピレンオキシド50.4部(8モル%)、n−ヘキサン427.4部からなる混合溶液を5時間かけて連続的に等速度で添加した。添加終了後、反応を2時間継続した。重合反応率は98%であった。得られたスラリーに、老化防止剤として4,4’−チオビス(6−tert−ブチル−3−メチルフェノール)の5%のトルエン溶液42.4部を添加攪拌した。その後、水分調整のため攪拌しているスラリー中に蒸留水を0.4部添加した。ポリマークラムをろ過後、40℃で真空乾燥して粉体状の重合体を得た。
【0051】
このようにして得られたポリエーテル重合体Aの組成(各単量体単位の含有量)は、エチレンオキシド単位(EO)91.5モル%、プロピレンオキシド単位(PO)8.5モル%であった。また、この重合体のMwは350,000、Mw/Mnは10.2、水分は650ppmであった。
【0052】
参考例2(成形材料B〜Eの製造)
蒸留水添加量を、それぞれ、0.8部、1.5部、0.1部及び2.7部に代えた以外は、実施例1と同様に操作し、水分含有量がそれぞれ、1,550ppm、3,000ppm、200ppm及び5,500ppmであるポリエーテル重合体から成る成形材料B、C、D及びEを得た。それぞれのポリエーテル重合体のエチレンオキシド単量体(EO)単位量、Mw及びMw/Mnを表1に示した。
【0053】
参考例3(成形材料Fの製造)
触媒調製時、リン酸添加量を14.5部、トリエチルアミン添加量を3.31部、蒸留水添加量を0.1部に代えた以外は参考例1と同様に操作し、水分含有量が200ppmであるポリエーテル重合体から成る成形材料Fを得た。ポリエーテル重合体のエチレンオキシド単量体(EO)単位量、Mw、Mw/Mnを表1に示した。
【0054】
実施例1
100部の成形材料Aにビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム22部を混合して高分子固体電解質用組成物を得た。この組成物を二軸押出機に供給し、バレルの途中からコバルト酸リチウム330部、ケッチェンブラック13部を供給してスクリュー温度80℃、回転数150rpm、ダイ温度155℃で押し出した。押し出されたフィルムはロール上で連続的にポリプロピレンフィルムとアルミ箔で挟み込んで巻き取った。
上記方法により押出機内のバレル圧を測定し、押出成形加工性の指標として評価した。
また、フィルムの機械強度、粘着性(ポリプロピレンフィルムからの離型性)、イオン伝導度及び電池のサイクル特性を上記方法で評価した。結果を表1に記す。
【0055】
実施例2、実施例3
成形材料Aに代えてそれぞれ成形材料B及び成形材料Cを用いたこと以外は、実施例1と同様にしてカソード用フィルムを押出成形して評価した。結果を表1に記載した。
【0056】
比較例1、比較例2、比較例4
成形材料Aに代えてそれぞれ成形材料D、E及びFを用いたこと以外は、実施例1と同様にしてカソードフィルムを押出成形して評価した。結果を表1に記載した。
【0057】
比較例3
参考例1で成形材料Aに使用したポリエーテル重合体に代えて参考例2の成形材料Dに使用したポリエーテル重合体を用い、押出機入口にテトラエチレングリコールジメチルエーテル20部を供給したこと以外は実施例1と同様にしてカソードフィルムを押出成形して評価した。結果を表1に記載した。
【0058】
【表1】
【0059】
表1が示すように、本発明の成形材料A、B及びCを用いると、押出成形時の押出機のバレル圧が低くなり、薄いフィルムを効率よく押し出すことができる。
また、得られるフィルムは、機械的強度が高く粘着性が小さい。このフィルムをリチウムポリマー電池のカソードに使用するといずれもサイクル特性の優れた電池が与えられる(実施例1〜3)。
一方、水分含有量が200ppmであるポリエーテル重合体から成る成形材料D及び成形材料Fを用いた比較例1及び比較例4は、押出機のバレル圧力が高すぎてフィルムを安定的に成形することが困難であったり、フィルムの機械的強度が低下したりする。また、水分含有量が5,500ppmであるポリエーテル重合体から成る成形材料Eを用いた比較例2においては、フィルムの引張強度が弱く、得られたフィルムをリチウムポリマー電池のカソードに使用するとサイクル特性に劣っていた。また、水分含有量が200ppmであるポリエーテル重合体に可塑剤としてテトラエチレングリコールジメチルエーテルを混練時に用いた比較例3においては、樹脂圧力の低下が十分でないばかりでなく、フィルムの引張強度が低下し、粘着性も強いため取り扱いが困難であった。
【0060】
【発明の効果】
本発明の成形材料は、高分子固体電解質成形体に成形する際に成形加工性に優れ、得られた高分子固体電解質成形体は、イオン伝導度が高く、薄くても機械的強度及び離型性に優れる。また、前記高分子固体電解質成形体を有して成る電池は、高出力且つ繰り返し充放電可能である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a molding material for a polymer solid electrolyte suitably used for an electrochemical device such as a battery, a polymer solid electrolyte formed by molding the molding material, and a method for producing the same. The present invention relates to a molding material for a molecular solid electrolyte, a polymer solid electrolyte formed by molding the molding material, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a battery electrolyte is used in a liquid or gel form from the viewpoint of ionic conductivity.However, since there is a risk of damage to equipment due to liquid leakage, a high-strength exterior must be used. Problems have been pointed out, such as the limitation in reducing the size and weight of batteries.
[0003]
On the other hand, polymer solid electrolytes have been studied. The solid polymer electrolyte is expected to be developed in terms of safety because it has excellent flexibility in battery shape because of its excellent workability and flexibility, and because it does not contain an electrolytic solution.
[0004]
For example, attempts have been made to add an alkali metal salt to an ethylene oxide-propylene oxide copolymer and apply it to an ion-conductive solid electrolyte (for example, see Patent Documents 1 to 3). Further improvement in both characteristics is required. Furthermore, when a polymer solid electrolyte is used in a battery or the like, it is handled in a film form in a manufacturing process thereof, and thus it is necessary that the polymer solid electrolyte be a material suitable for film processing. Further, in order to improve the battery output, it is required to make the film as thin as possible.
[0005]
By the way, in order to obtain a polymer solid electrolyte film having excellent mechanical strength even in the form of a thin film, a polymer material having excellent mechanical properties such as tensile modulus is required as a molding material for the electrolyte. Such a polymer material generally has a high melt viscosity at the time of molding and has poor fluidity. Therefore, a plasticizer is usually added to a polymer material for a solid electrolyte for the purpose of lowering the melt viscosity, but a large amount of the plasticizer is required to reduce the melt viscosity to a target value. Also, when a large amount of plasticizer is used, it tends to stick to a roll or the like during molding (particularly during extrusion molding), thereby deteriorating the processability and lowering the mechanical strength of the obtained polymer solid electrolyte molded article. In addition, the ionic conductivity of the polymer solid electrolyte is reduced, and the battery performance using the same is also reduced.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-61-83249
[Patent Document 2]
JP-A-63-136407
[Patent Document 3]
JP-A-2-24975
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to obtain a polymer solid electrolyte molded body having excellent ionic conductivity and mechanical strength, and to obtain a polymer solid electrolyte molding material having excellent moldability, which is formed by molding the molding material. An object of the present invention is to provide a polymer solid electrolyte molded article and a method for producing a polymer solid electrolyte molded article using the molding material.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, when a polymer solid electrolyte film is extruded using a polyether polymer containing a specific amount of water, it is melted as compared with a case without water. It has been found that as a result of a drastic decrease in viscosity and an increase in fluidity, the moldability is excellent and the releasability from a roll or the like is also improved. In addition, despite the fact that a molding material containing water was used, the obtained polymer solid electrolyte molded body was found to have a low water content, excellent ionic conductivity, and excellent mechanical strength. Based on the above, the present invention has been completed.
[0009]
Thus, according to the present invention, the following inventions 1 to 7 are provided.
1. (4) A molding material for a solid polymer electrolyte comprising a polyether polymer having a water content of 400 to 5,000 ppm.
2. {Circle around (2)} The molding material according to the above item 1, wherein the polyether polymer contains 70 to 99 mol% of ethylene oxide monomer units (A) and has a weight average molecular weight (Mw) of 100,000 to 1.5 million.
3. (4) A polymer solid electrolyte molded article obtained by mixing and molding the molding material according to (1) or (2) above and an electrolyte salt compound soluble in a polyether polymer.
4. (4) The polymer solid electrolyte molded product according to the above (3), wherein the polymer solid electrolyte molded product is a cathode film.
5. A polymer characterized in that a molding material for a solid polymer electrolyte comprising a polyether polymer having a water content of 400 to 5,000 ppm and an electrolyte salt compound soluble in the polymer are mixed and molded. A method for producing a solid electrolyte molded article.
6. {Circle around (5)} The production method according to the above item 5, wherein the water content of the molded solid polymer electrolyte is 50 to 1,000 ppm.
7. (7) The production method according to the above (5) or (6), which is formed by an extrusion molding method.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The molding material for a solid polymer electrolyte of the present invention comprises a polyether polymer having a water content of 400 to 5,000 ppm.
When the solid polymer electrolyte contains water, it reacts with an electrolyte salt compound or the like to lower the battery performance, so that the water content of the polyether polymer used as the material is generally reduced as much as possible. However, the molding material of the present invention is characterized in that it contains water exceeding a level normally contained in the material of the polymer solid electrolyte.
[0011]
The amount of water contained in the polyether polymer of the molding material of the present invention is preferably from 700 to 4,000 ppm, more preferably from 1,000 to 3,000 ppm. If the water content of the polyether polymer is too low, the melt viscosity during molding may be insufficiently reduced, and a thin polymer solid electrolyte film may not be obtained. On the other hand, when the water content is excessively large, the water content of the obtained solid polymer electrolyte film increases, and the battery performance such as the charge / discharge characteristics of the battery using the same may be deteriorated.
The molding material for a polymer solid electrolyte of the present invention has a remarkable plasticizing effect of water contained in a specific amount thereof.For example, in the case of extrusion molding, a die pressure of an extruder is stabilized at a low level. While the film can be manufactured smoothly, the water content of the obtained film is smaller than the allowable amount as a polymer solid electrolyte. This makes it possible to obtain an output battery.
[0012]
The polyether polymer used in the present invention is not particularly limited as long as it has an oxyalkylene repeating unit obtained by ring-opening polymerization of an oxirane monomer as a main structural unit. The type of the oxirane monomer is not particularly limited, but the polyether polymer used in the present invention preferably has an ethylene oxide monomer unit (A) as a main structural unit. The polymer preferably contains 70 to 99 mol% of all repeating units, and contains 30 to 1 mol% of an oxirane monomer unit (B) copolymerizable with an ethylene oxide monomer unit (A). Is preferred.
[0013]
The amount of the ethylene oxide monomer unit (A) in the polyether polymer is more preferably 80 to 98 mol%, particularly preferably 90 to 97 mol%. If the amount of the ethylene oxide monomer unit (A) is too small, the mechanical strength of the polymer solid electrolyte molded body obtained by molding the polymer solid electrolyte molding material containing the polyether polymer becomes insufficient, In the case of an extruded film, it tends to stick to a roll or the like, so that it may be difficult to form a thin film stably. If the amount of the ethylene oxide monomer units (A) is too large, the ionic conductivity of the obtained polymer solid electrolyte molded article may be reduced, and the battery characteristics at low temperatures may be reduced.
[0014]
The amount of the oxirane monomer unit (B) in the polyether polymer is more preferably 2 to 20 mol%, particularly preferably 7 to 10 mol%.
The oxirane monomer (b) copolymerizable with ethylene oxide, which is a component of the oxirane monomer unit (B), includes alkylene oxide having 3 to 20 carbon atoms, glycidyl ether having 1 to 10 carbon atoms, and vinyl. Compound oxide, and the like.
Specific examples of the alkylene oxide having 3 to 20 carbon atoms include propylene oxide, 1,2-epoxybutane, 1,2-epoxy-isobutane, 2,3-epoxybutane, 1,2-epoxyhexane, and 1,2-epoxyhexane. Chain alkylene oxides such as epoxy octane, 1,2-epoxydecane, 1,2-epoxytetradecane, 1,2-epoxyhexadecane, 1,2-epoxyoctadecane, and 1,2-epoxyeicosane; 1,2-epoxy Cycloalkylene oxides such as cyclopentane, 1,2-epoxycyclohexane, and 1,2-epoxycyclododecane; Specific examples of the glycidyl ether having 1 to 10 carbon atoms include alkyl glycidyl ethers such as methyl glycidyl ether, ethyl glycidyl ether and butyl glycidyl ether; and aryl glycidyl ethers such as phenyl glycidyl ether. Specific examples of the vinyl compound oxide include styrene oxide. These may be used in combination of two or more.
Among these, a chain alkylene oxide is preferable, and propylene oxide and 1,2-epoxybutane having high polymerization reactivity are most preferable.
[0015]
Further, the oxirane monomer (b) may contain a diepoxy compound such as vinylcyclohexene dioxide, butadiene dioxide, ethylene glycol diglycidyl ether, and polyethylene glycol diglycidyl ether, in addition to the above monomers. When these compounds are contained in the oxirane monomer (b), a branched structure can be introduced into the oxirane monomer unit (B) obtained by using these compounds. The content of the diepoxy compound is preferably 0.1 to 5 mol% based on the total amount of the oxirane monomer (b) and the ethylene oxide monomer.
[0016]
When the molding material of the present invention is crosslinked and used as a crosslinked molded article, the oxirane monomer (b) is an oxirane monomer (c) having a crosslinkable functional group as at least a part thereof (crosslinkable monomer). It preferably contains an oxirane monomer (c)). The crosslinkable functional group is a functional group capable of forming a crosslinked structure by heating, irradiation with actinic radiation, or the like. When the crosslinkable oxirane monomer (c) is used as a part of the oxirane monomer (b), when the molding material of the present invention is crosslinked and used as a crosslinked molded article, the crosslinking is facilitated, and the strength is increased. High polymer solid electrolyte film can be easily obtained. In this case, the content of the crosslinkable oxirane monomer (c) is usually 9 mol% or less, preferably 7 mol% or less, more preferably 5 mol% or less, based on all oxirane monomers used for the polymerization of the polyether polymer. Mol% or less. If the content is too large, the molding material tends to undergo a gelling reaction or the like before molding, and the molding processability may be reduced.
[0017]
Examples of the crosslinkable oxirane monomer (c) include a halide of an epoxy compound and an epoxy compound having a vinyl group. Examples of the halide of the epoxy compound include halogenated alkylene oxides such as epichlorohydrin, epibromohydrin, epiiodohydrin, epifluorohydrin and epihalohydrin such as β-methylepichlorohydrin; p-chlorostyrene oxide; Dibromophenyl glycidyl ether; and the like.
Examples of the epoxy compound having a vinyl group include ethylenically unsaturated glycidyl ethers such as vinyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether, butenyl glycidyl ether, and o-allylphenyl glycidyl ether; butadiene monoepoxide, chloroprene monoepoxide, 3,4-epoxy-1-pentene, 3,4-epoxy-1-vinylcyclohexene, 1,2-epoxy-5,9-cyclododecadiene and other diene or polyene monoepoxides; 3,4-epoxy-1- Alkenyl epoxides such as butene, 1,2-epoxy-5-hexene, 1,2-epoxy-9-decene; glycidyl acrylate, glycidyl methacrylate, glycidyl crotonate, glycidyl-4-heptenoate, glycidylso Glycidyl esters of ethylenically unsaturated carboxylic acids such as beate, glycidyl linoleate, glycidyl-4-methyl-3-pentenoate, glycidyl esters of 3-cyclohexenecarboxylic acid, glycidyl esters of 4-methyl-3-cyclohexenecarboxylic acid; Is mentioned.
One type of the crosslinkable oxirane monomer (c) may be used alone, or two or more types may be used in combination. Among these, halogenated alkylene oxides and ethylenically unsaturated glycidyl ethers are preferable, and allyl glycidyl ether and epichlorohydrin are particularly preferable.
[0018]
The polymerization catalyst for ring-opening polymerization of the oxirane monomer is not particularly limited. For example, a catalyst obtained by reacting organic aluminum with water and acetylacetone (JP-B-35-15797), triisobutylaluminum, etc. A catalyst obtained by reacting phosphoric acid with triethylamine (Japanese Patent Publication No. 46-27534), a catalyst obtained by reacting triisobutylaluminum with an organic acid salt of diazabiacycloundecene and phosphoric acid (Japanese Patent Publication No. 56-51171) ), A catalyst comprising a partial hydrolyzate of aluminum alkoxide and an organic zinc compound (Japanese Patent Publication No. 43-2945), a catalyst comprising an organic zinc compound and a polyhydric alcohol (Japanese Patent Publication No. 45-7751), Oxirane compounds such as catalysts comprising dialkylzinc and water (JP-B-36-3394). It may be a conventionally known polymerization catalyst as ring-opening polymerization catalyst.
Above all, it is preferable to use a catalyst obtained by reacting triisobutylaluminum with an organic acid salt of diazabiacycloundecene and phosphoric acid, because the amount of toluene-insoluble components which causes a decrease in film strength is reduced.
[0019]
The polymerization solvent is not particularly limited as long as it does not deactivate the polymerization catalyst. For example, aromatic hydrocarbons such as benzene and toluene; linear saturated hydrocarbons such as n-pentane and n-hexane; alicyclic hydrocarbons such as cyclopentane and cyclohexane;
As the polymerization method, a polymerization method such as a solution polymerization method or a solvent slurry polymerization method can be used, but a solvent slurry polymerization method using a solvent such as n-pentane, n-hexane, or cyclopentane is preferably used.
In solvent slurry polymerization, the catalyst must be treated in advance with a monomer that gives a polymer that is insoluble in the solvent and a monomer that gives a polymer that is soluble in the solvent. Is preferred from the viewpoint of the stability of the polymerization reaction system. The treatment of the catalyst may be performed by mixing the catalyst component and a small amount of each of the above monomers, and aging at a temperature of 0 to 100 ° C, preferably 30 to 50 ° C for 3 to 30 minutes. The use of the aged catalyst can prevent the polymer from adhering to the polymerization can.
The polymerization reaction can be carried out at 0 to 100 ° C, preferably 30 to 70 ° C, by any method such as a batch system, a semi-batch system, and a continuous system.
[0020]
The method for adjusting the water content of the polyether polymer used in the present invention is as follows: (1) A predetermined amount of water is added to the polymerization reaction mixture at the end of polymerization, and then the polymer is recovered. (2) When the polymer is recovered from the polymerization reaction mixture and dried, an inert gas containing a certain concentration of water is introduced into the dryer, and the drying conditions are controlled. Or (3) once the polymer is recovered, once dried until the water content is less than 400 ppm, and then dried. A method of contacting with an inert gas containing water, the atmosphere, or the like for a certain period of time to absorb moisture until the water content reaches a target amount, and the like, but is not limited to these methods. Further, these methods may be combined.
For example, in the above method (1), the monomers, polymerization solvent and polymerization catalyst used for the polymerization are all dehydrated, polymerized in a reactor replaced with an inert gas, and then added to the obtained polymerization reaction mixture. Distilled water is added to recover the polyether polymer. At this time, the amount of water to be added to the polymerization reaction mixture, which is necessary to bring the water content in the finally obtained polyether polymer to the target value, is determined in advance by experiments, and the recovery of the polyether polymer is performed. Conditions (drying conditions, etc.) may be determined.
[0021]
The polyether polymer used in the present invention has a weight average molecular weight (Mw) of preferably 100,000 to 1,500,000, more preferably 150,000 to 1,000,000, particularly preferably 200,000 to 600,000, and a molecular weight distribution (Mw). / Mn, where Mn is a number average molecular weight) is preferably a polymer having a molecular weight of 1.5 to 13, more preferably 1.6 to 12, and particularly preferably 1.7 to 11.
When the Mw is within the above range, the flowability and shape retention of the molding material for polymer solid electrolyte using the molding material during film extrusion processing, and the flexibility and mechanical strength of the obtained polymer solid electrolyte film are excellent. If Mw is too large, the melt viscosity is high, and the torque of the molding machine and the die pressure are increased, so that the molding may be difficult. If the Mw is too small, the resulting polymer solid electrolyte film will have insufficient mechanical strength and the film will be easily broken and the film will be sticky, making it difficult to form a thin film stably. On the other hand, if the value of Mw / Mn is too large, the melt viscosity at the time of film forming is high, so that the die pressure increases at the time of extrusion forming, which makes processing difficult, or the film tends to stick to rolls after extrusion. There is a possibility that.
[0022]
To the molding material of the present invention, if necessary, additives such as an antioxidant, a light stabilizer, a lubricant, a lubricant, a flame retardant, a fungicide, an antistatic agent, a coloring agent, a reinforcing material, and a filler are added. You may.
The antioxidant is not particularly limited, but a phenolic antioxidant is preferable, and a hindered phenolic antioxidant is particularly preferable.
The reinforcing agent is not particularly limited, but usually, an oxide such as aluminum, silicon, titanium, zinc, magnesium, and calcium is used. In particular, silica is preferable since it has a high reinforcing effect and a large effect of improving workability. Although the surface area of silica is not particularly limited, it is usually 50 to 400 m2 in terms of a nitrogen adsorption specific surface area (BET method).2/ G, preferably 70-250 m2/ G, more preferably 90 to 150 m2/ G. In general, silanol groups covering the silica surface react with lithium metal or lithium salts and cause battery performance to be impaired. Therefore, silica that is a silica in which the silanol groups on the surface are replaced with hydrophobic groups such as methyl groups Is particularly preferred. The amount of the reinforcing agent is from 0 to 50% by weight, preferably from 0.5 to 30% by weight, more preferably from 1 to 20% by weight, based on the polyether polymer. If the amount of the reinforcing agent is too large, the flexibility of the polymer solid electrolyte film or the cathode film may be impaired, and the ionic conductivity may be reduced.
[0023]
The polymer solid electrolyte molded article of the present invention is obtained by mixing and molding the above-mentioned molding material of the present invention and an electrolyte salt compound soluble in a polyether polymer.
The electrolyte salt compound is a compound that is used in a battery using a solid polymer electrolyte and is capable of moving a cation generated at a cathode in order to combine the cation with an anion generated at an anode. There is no particular limitation as long as it is soluble in the polyether polymer used in the present invention. Further, when the molding material of the present invention is crosslinked and used as a crosslinked molded article, it must be soluble after crosslinking. Specific examples of such an electrolyte salt compound include, for example, fluorine ion, chloride ion, bromide ion, iodine ion, perchlorate ion, thiocyanate ion, trifluoromethanesulfonic acid ion, heptafluoropropylsulfonic acid ion, bis ( Trifluoromethanesulfonyl) imide ion, bis (heptafluoropropylsulfonyl) imide ion, trifluorosulfonimide ion, tetrafluoroboronate ion, nitrate ion, AsF6 −, PF6 −Selected from the group consisting of stearylsulfonate, octylsulfonate, dodecylbenzenesulfonate, naphthalenesulfonate, dodecylnaphthalenesulfonate, and 7,7,8,8-tetracyano-p-quinodimethane ion A salt comprising a selected anion and a cation of a metal selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca and Ba. In particular, when the polymer solid electrolyte molded body is used for a lithium polymer battery, LiBF4, LiPF6, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN (CF3SO2)2, LiN (C2F5SO2)2Is more preferred.
[0024]
Two or more of these alkali metal salts may be used in combination. The amount of the electrolyte salt compound to be used with respect to the polyether polymer is such that (the number of moles of the electrolyte salt compound) / (the total number of moles of ether oxygen in the copolymer) is usually 0.001 to 5, preferably 0.005 to 3 , More preferably 0.01 to 1. If the amount of the electrolyte salt compound is too large, processability, moldability, and mechanical strength of the obtained polymer solid electrolyte film may be reduced, or ion conductivity may be reduced. On the other hand, if the amount of the electrolyte salt compound is too small, the ionic conductivity of the molded solid polymer electrolyte decreases, and the battery performance decreases.
[0025]
The polymer solid electrolyte molded article of the present invention can be used as a cathode material and an ion conductive electrolyte of a battery, and particularly when used as an ion conductive electrolyte, the molding material of the present invention is cross-linked and molded. It is preferably used as a crosslinked molded article.
When the molding material of the present invention is crosslinked and used as a crosslinked molded article, the molding material is crosslinked after or simultaneously with molding. The crosslinking method is not particularly limited, and includes, for example, a method of blending a crosslinking agent such as a radical initiator, sulfur, mercaptotriazines, and thioureas and crosslinking by heating, and a method of crosslinking by actinic radiation. Among them, a method of crosslinking using a radical initiator such as an organic peroxide and an azo compound, and a method of crosslinking by actinic radiation such as ultraviolet light, visible light, and electron beam are preferable. In the case of crosslinking by these methods, it is preferable to use a polyether polymer obtained by copolymerizing the above-mentioned crosslinkable oxirane monomer (c).
[0026]
Examples of the organic peroxide include ketone peroxides such as methyl ethyl ketone peroxide and cyclohexanone peroxide; 1,1-bis (t-butylperoxy) -3,3,5-trimethylcyclohexane, 2,2-bis (t Peroxy ketals such as -butylperoxy) octane and n-butyl-4,4-bis (t-butylperoxy) valerate; t-butyl hydroperoxide, cumene hydroperoxide, 2,5-dimethylhexane- Hydroperoxides such as 2,5-dihydroperoxide; di-t-butyl peroxide, t-butylcumyl peroxide, dicumyl peroxide, α, α′-bis (t-butylperoxy-m- Isopropyl) benzene, 2,5-dimethyl-2,5-bis (t-butyl Dioxy peroxides such as -oxy) hexane and 2,5-dimethyl-2,5-bis (t-butylperoxy) hexine; diacyl peroxides such as benzoyl peroxide; peroxy such as t-butylperoxyacetate Esters and the like.
[0027]
As the azo compound, 2,2'-azobisisobutyronitrile, 2,2'-azobis (2-methylbutyronitrile), 2,2'-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile) ), 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), 1,1'-azobis (cyclohexane-1-carbonitrile), 2- (carbamoylazo) isobutyronitrile, 2-phenylazo-4- Azonitrile compounds such as methoxy-2,4-dimethyl-valeronitrile;
2,2′-azobis {2-methyl-N- [1,1-bis (hydroxymethyl) -2-hydroxyethyl] propionamide}, 2,2′-azobis {2-methyl-N- [1,1 Azoamide compounds such as -bis (hydroxymethyl) ethyl] propionamide} and 2,2'-azobis [2-methyl-N- (2-hydroxyethyl) propionamide];
2,2′-azobis (2-methyl-N-phenylpropionamidine) dihydrochloride, 2,2′-azobis [N- (4-chlorophenyl) -2-methylpropionamidine] dihydrochloride, 2,2 ′ -Azobis [N- (hydroxyphenyl) -2-methylpropionamidine] dihydrochloride, 2,2′-azobis [2-methyl-N- (phenylmethyl) propionamidine] dihydrochloride, 2,2′-azobis [2-Methyl-N- (2-propenyl) propionamidine] dihydrochloride, 2,2′-azobis (2-methylpropionamidine) dihydrochloride, 2,2′-azobis [N- (2-hydroxyethyl ) -2-Methylpropionamidine] azoamidine compounds such as dihydrochloride.
[0028]
The compounding amount of the crosslinking agent is usually 0.1 to 10 parts by weight, preferably 0.2 to 7 parts by weight, more preferably 0.3 to 5 parts by weight, per 100 parts by weight of the polyether polymer.
[0029]
When a cross-linking agent is used, a cross-linking aid can be used in combination, if necessary.
Examples of the crosslinking auxiliary used in combination with the organic peroxide crosslinking agent or the azo compound crosslinking agent include metal oxides such as zinc oxide and magnesium oxide; metal hydroxides such as calcium hydroxide; zinc carbonate and basic zinc carbonate. Metal carbonates; fatty acids such as stearic acid and oleic acid; fatty acid metal salts such as zinc stearate and magnesium stearate. When an organic peroxide is used, a compound having at least two crosslinkable unsaturated bonds in the molecule can be used. Specific examples thereof include ethylene dimethacrylate, diallyl phthalate, N, Nm-phenylenedimaleimide, triallyl isocyanurate, trimethylolpropane trimethacrylate, and liquid vinyl polybutadiene. Two or more of these crosslinking assistants can be used in combination. The upper limit of the amount of the crosslinking aid to be used is preferably 20 parts by weight, more preferably 15 parts by weight, particularly preferably 10 parts by weight, per 100 parts by weight of the polyether polymer. If the amount of the crosslinking aid is too large, the crosslinking rate may be too high during crosslinking, bloom may occur on the surface of the crosslinked product, or the crosslinked product may be too hard.
[0030]
When cross-linking is performed with actinic radiation such as ultraviolet rays or electron beams, a photo-crosslinking agent may be added as necessary. Examples of the photocrosslinking agent include benzyldimethylketal, trimethylsilylbenzophenone, benzoin, 4-methoxybenzophenone, benzoinmethyletheranthraquinone, and bis (2.4.6-trimethylbenzoyl) phenylphosphine oxide.
[0031]
For the purpose of improving the ion conductivity, an organic solvent or a plasticizer may be added to the molding material of the present invention. As the organic solvent, aprotic esters and ethers are preferable. As the plasticizer, a polyalkylene glycol having a molecular weight of 5000 or less is preferable. Specific examples of these include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, tetrahydrofuran, and ethylene glycol diethyl ether.
[0032]
When the polymer solid electrolyte molded article of the present invention is molded, the above-mentioned polyether polymer, electrolyte salt compound and, if necessary, other compounding agents are mixed in advance by a known method using a roll, a Banbury mixer, or the like. It may be molded after forming, or may be mixed and molded at the time of molding, for example, in an extruder. The mixing order of the above components at the time of mixing is not particularly limited, but after sufficiently mixing components that are hardly decomposed by heat, components that are easily reacted and decomposed by heat (such as a crosslinking agent and a crosslinking accelerator) are shortened. It is preferred to mix on time. When an organic solvent or a plasticizer is added, it may be impregnated for a long time after molding and crosslinking, or may be added at the same time as mixing.
[0033]
Examples of the shape of the polymer solid electrolyte molded body include a plate shape, a sheet shape, a film shape, and the like. As the molding method, an extrusion molding method, a press molding method, an injection molding method, a solution casting method, or the like can be used. However, the polymer solid electrolyte molded article of the present invention has a surface accuracy, a productivity, etc. More preferred are those obtained by extrusion molding. In particular, when the film is formed into a film by extrusion, the fluidity during extrusion and the roll release property of the extruded film are excellent, which is preferable. When the film is formed by an extrusion method, it is most preferable to use a die extrusion method using a twin screw extruder. When the molding material of the present invention is used as a cross-linked molded article by cross-linking molding, depending on the molding method, the crosslinking method, the shape of the cross-linked product, etc., molding and crosslinking may be performed at the same time, or crosslinking may be performed after molding. Is also good.
[0034]
When the polymer solid electrolyte film of the present invention is formed by a twin-screw extrusion method, the forming method is not particularly limited, but an extrusion method generally used for processing rubber can be used. That is, the molding material of the present invention is fed from a hopper of an extruder, wound into a screw, and sent to a head portion by rotation of a screw while softening a polyether polymer by heating from a barrel, and this is installed in a head portion. By passing the film through a film die, an intended film-shaped molded product is obtained. Other compounding agents such as an electrolyte salt compound, an active material and carbon to be compounded when used as a cathode described later, and a plasticizer to be compounded as needed, are mixed through a hopper inlet of a twin-screw extruder when compounded at the time of molding. It may be supplied together with the ether polymer or may be supplied from the middle of the barrel. The ratio of the length (L) of the barrel to the inner diameter (D) is usually 10/1 to 30/1, the barrel temperature is usually 50 to 120 ° C, the head temperature is usually 60 to 130 ° C, and the die temperature is Usually, it is carried out at 70 to 130 ° C.
[0035]
The thickness of the polymer solid electrolyte film obtained by extrusion is usually 10 to 50 μm, preferably 15 to 30 μm. The thickness of the cathode film is usually 20 to 150 μm, preferably 30 to 100 μm. If the thickness is excessively small, the stability of the production may be lacked. On the other hand, if the thickness is excessively large, the ion conductivity may decrease and the output of the battery may not be increased.
[0036]
The polymer solid electrolyte molded article of the present invention can be suitably used as a cathode and an ion-conductive electrolyte of a battery.
The type of battery to which the polymer solid electrolyte molded article of the present invention can be suitably applied is not particularly limited. For example, lithium, potassium, sodium and other alkali metal batteries, zinc-silver chloride, magnesium-silver chloride, magnesium-chloride Examples thereof include a halogen salt battery such as copper, and a proton conductive battery such as a nickel-hydrogen battery. Among them, a lithium battery having high voltage, high energy, and high ionic conductivity in a solid electrolyte is preferable. In addition, the most preferable form of the battery is a battery including only a solid polymer electrolyte without an electrolyte.
[0037]
When the battery is a lithium battery, the battery preferably comprises a cathode film, an anode film and an ion-conductive electrolyte film, and at least one of the cathode film and the ion-conductive electrolyte film is the polymer solid electrolyte of the present invention. It consists of a molded body.
When the polymer solid electrolyte molded article of the present invention is used as an ion conductive electrolyte, it is preferable to use a crosslinked molded article as described above. The ion-conductive electrolyte mainly functions as an ion-conductive electrolyte membrane that substitutes for an electrolyte between the cathode and the anode, and also functions as a separator between the cathode and the anode.
[0038]
When the polymer solid electrolyte molded article of the present invention is used as a cathode of the above-mentioned battery, the active material fine particles and the conductive fine particles are blended when forming the polymer solid electrolyte molding material of the present invention. As the active material, LiCoO2, Lithium manganese composite oxide, LiNiO2, V2O5, V6OThirteenAnd a lithium-vanadium composite oxide. The average particle size is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 30 μm, more preferably 0.6 to 20 μm when the molded article is used in the form of a film. If the particle size is too large, the surface smoothness of the molded article may decrease, and if it is too small, dispersion becomes difficult. The amount of these compounds is preferably 0.1 to 50 times, more preferably 0.3 to 20 times, particularly preferably 0.5 to 10 times the weight of the polyether polymer. When the amount of the active material is too small, the electrode function of the cathode may be insufficient. On the other hand, when the amount is too large, the dispersibility may be reduced and processing may be difficult.
Examples of the conductive fine particles include acetylene black, Ketjen black, graphite and the like, and preferably Ketjen black is used. The amount of these is preferably 1 to 20 parts by weight, preferably 2 to 15 parts by weight per 100 parts by weight of the active material. When the amount of the conductive fine particles is too small, the conductivity of the cathode becomes insufficient, and when it is too large, dispersion becomes difficult.
In the above case, it is preferable to use the solid polymer electrolyte composition of the present invention also as a binder for the active material and the conductive fine particles.
As the anode material, metallic lithium, alloys, oxides and carbon materials capable of inserting and extracting lithium can be used.
[0039]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto. All solvents, monomers, and the like used were those subjected to degassing and dehydration treatment. All operations in Comparative Examples and Examples were performed in an inert gas under anhydrous conditions. Parts and% in Examples and Comparative Examples are based on weight unless otherwise specified.
[0040]
(1) Polymer composition
The polymer composition of the polyether polymer is 500 MHz @ H-NMR and CThirteen-Measured using NMR.
[0041]
(2) Water content
The water content of the polyether polymer was determined by measuring the water content of a toluene solution of the polymer with a Karl Fischer moisture meter and subtracting the water measurement value of the solvent toluene used for dissolution as a blank. The water value in the polymer was calculated by conversion with the concentration.
[0042]
(3) Weight average molecular weight (Mw) and molecular weight distribution (Mw / Mn)
Mw and Mw / Mn were measured using gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions.
Equipment: GPC system manufactured by Tosoh Corporation
Column: G7000HHR + GMHHR-H manufactured by Tosoh Corporation
Solvent: DMF (lithium bromide 5 mmol / L)
Flow rate: 1 ml / min Column temperature: 40 ° C
Molecular weight standard: Standard polystyrene manufactured by Polymer Laboratory
[0043]
(4) Barrel pressure
At the time of film extrusion molding, the pressure (barrel pressure) at which the molding material passed through the barrel was measured using a pressure gauge (manufactured by Dynisco) installed in the barrel portion 15 mm before the die tip. When the pressure fluctuated, the average value of the fluctuating pressure region was used. Unit MPa.
[0044]
(5) Film strength
Using a Brabender kneader, 100 parts of the polyether polymer and 22 parts of lithium bistrifluoromethylsulfonylimide are kneaded, and a 2 mm-thick No. 3 dumbbell sample is prepared using the kneaded material according to JIS K6251, and the tensile strength is measured. Was evaluated.
[0045]
(6) Film adhesion
The adhesion of the film was evaluated by testing the releasability of a sample from a polypropylene (hereinafter sometimes referred to as PP) film by the following method. A cathode composition (100 parts of polyether polymer, 330 parts of lithium cobaltate, 21 parts of lithium bistrifluoromethylsulfonylimide, 21 parts of Ketjen black) kneaded with a Brabender kneader is sandwiched between two PP films. At 100 ° C. for 2 minutes and 5 MPa. This was punched into a 1-inch-wide strip, and the PP film on one side was partially peeled off. Both peeled ends were set on a tensile tester, and the peel strength of the positive electrode composition film from the PP film was 23 ° C. At a tensile speed of 500 mm / min.
[0046]
(7) Ionic conductivity
The ionic conductivity was measured by pressing a composition obtained by kneading 20 parts of lithium bistrifluoromethylsulfonylimide in 100 parts of a polyether polymer with a Brabender kneader into a sheet having a thickness of 2 mm, at a temperature of 30 ° C. and a pressure of 1 mmHg. A sheet obtained by vacuum drying in the following for 72 hours was sandwiched between platinum electrodes, and the voltage was 0.5 V and the frequency range was 5 Hz to 13 MHz.
[0047]
(8) Battery cycle characteristics
Lithium bistrifluoromethylsulfonylimide was added to 3000 parts of the polyether polymer such that the ratio of the number of moles of the electrolyte salt to the number of moles of the oxygen atom of the polyether polymer was 0.05, and a photocrosslinking agent benzyldimethylketal was added. Three parts were added and mixed well to obtain a composition for a solid polymer electrolyte. This composition was supplied to a twin screw extruder, and extruded at a screw temperature of 80 ° C., a rotation speed of 150 rpm, and a die temperature of 155 ° C. The extruded film was continuously adhered to a polypropylene (PP) film and crosslinked by UV irradiation. The polymer solid electrolyte film having an average thickness of 50 μm obtained by peeling off the polymer solid electrolyte thin film on the PP film is sandwiched between lithium metal foils of the cathode films obtained in each of the examples and comparative examples, and laminated. The battery was assembled. The charge / discharge characteristics of a battery having a size of 20 mm × 20 mm were examined.
A constant current charge / discharge test was performed in which the battery was charged at 0.2 mA to 4.2 V and discharged at 0.2 mA to 2.7 V. When the discharge capacity at the third cycle was set to 100%, the ratio (percentage) of the discharge capacity at the 10th cycle and the 50th cycle was examined. The larger the value, the smaller the decrease in discharge capacity, which is a good result.
[0048]
Reference Example 1 (Production of molding material A)
The autoclave with a stirrer was dried and purged with nitrogen, and charged with 65.1 parts of triisobutylaluminum, 217.9 parts of toluene, and 121.6 parts of diethyl ether. While the internal temperature was set at 30 ° C., 11.26 parts of phosphoric acid was added at a constant rate over 10 minutes while stirring. To this, 4.97 parts of triethylamine was added, and an aging reaction was performed at 60 ° C. for 2 hours to obtain a catalyst solution.
[0049]
The autoclave with a stirrer was dried and purged with nitrogen, and 1514 parts of n-hexane and 63.3 parts of the above catalyst solution were charged. With the internal temperature set at 30 ° C., while stirring, 7.4 parts of ethylene oxide was added and reacted, then 14.7 parts of an equal weight mixed monomer of ethylene oxide and propylene oxide was added and reacted, and the seed was added. Formed.
[0050]
The internal temperature was set at 60 ° C., and 439.6 parts (92 mol%) of ethylene oxide, 50.4 parts (8 mol%) of propylene oxide, and 427.4 parts of n-hexane were added to the polymerization reaction solution in which the seed was formed. The resulting mixed solution was continuously added at a constant rate over 5 hours. After the addition was completed, the reaction was continued for 2 hours. The polymerization reaction rate was 98%. To the obtained slurry, 42.4 parts of a 5% toluene solution of 4,4'-thiobis (6-tert-butyl-3-methylphenol) as an antioxidant was added and stirred. Thereafter, 0.4 parts of distilled water was added to the slurry which was being stirred to adjust the water content. After filtering the polymer crumb, it was vacuum-dried at 40 ° C. to obtain a powdery polymer.
[0051]
The composition (content of each monomer unit) of the polyether polymer A thus obtained was 91.5 mol% of ethylene oxide units (EO) and 8.5 mol% of propylene oxide units (PO). Was. Further, Mw of the polymer was 350,000, Mw / Mn was 10.2, and water content was 650 ppm.
[0052]
Reference Example 2 (Production of molding materials B to E)
Except that the amount of distilled water added was changed to 0.8 part, 1.5 part, 0.1 part and 2.7 parts, respectively, the same operation as in Example 1 was carried out. Molding materials B, C, D and E comprising polyether polymers of 550 ppm, 3,000 ppm, 200 ppm and 5,500 ppm were obtained. Table 1 shows the ethylene oxide monomer (EO) unit amount, Mw, and Mw / Mn of each polyether polymer.
[0053]
Reference Example 3 (Production of molding material F)
At the time of catalyst preparation, the same operation as in Reference Example 1 was carried out except that the addition amount of phosphoric acid was changed to 14.5 parts, the addition amount of triethylamine was changed to 3.31 parts, and the addition amount of distilled water was changed to 0.1 parts. A molding material F comprising a polyether polymer at 200 ppm was obtained. Table 1 shows the ethylene oxide monomer (EO) unit amount, Mw, and Mw / Mn of the polyether polymer.
[0054]
Example 1
100 parts of molding material A and 22 parts of lithium bistrifluoromethylsulfonylimide were mixed to obtain a composition for a polymer solid electrolyte. This composition was supplied to a twin-screw extruder, and 330 parts of lithium cobaltate and 13 parts of Ketjen black were supplied from the middle of the barrel and extruded at a screw temperature of 80 ° C., a rotation speed of 150 rpm, and a die temperature of 155 ° C. The extruded film was continuously sandwiched between a polypropylene film and an aluminum foil on a roll and wound up.
The barrel pressure in the extruder was measured by the above method, and evaluated as an index of extrusion processability.
In addition, the mechanical strength, adhesiveness (releasability from the polypropylene film), ionic conductivity, and battery cycle characteristics of the film were evaluated by the above methods. The results are shown in Table 1.
[0055]
Example 2 and Example 3
Except for using molding material B and molding material C in place of molding material A, a cathode film was extruded and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
[0056]
Comparative Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 4
Except that molding materials D, E and F were used instead of molding material A, a cathode film was extruded and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
[0057]
Comparative Example 3
Except that 20 parts of tetraethylene glycol dimethyl ether were supplied to the extruder inlet using the polyether polymer used for the molding material D of Reference Example 2 instead of the polyether polymer used for the molding material A of Reference Example 1. Extrusion molding of the cathode film was performed in the same manner as in Example 1 and evaluated. The results are shown in Table 1.
[0058]
[Table 1]
[0059]
As shown in Table 1, when the molding materials A, B and C of the present invention are used, the barrel pressure of the extruder at the time of extrusion molding is reduced, and a thin film can be extruded efficiently.
Further, the obtained film has high mechanical strength and low adhesiveness. When this film is used as a cathode of a lithium polymer battery, batteries having excellent cycle characteristics are obtained (Examples 1 to 3).
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 4 using the molding materials D and F made of a polyether polymer having a water content of 200 ppm, the barrel pressure of the extruder is too high to form a film stably. Or the mechanical strength of the film is reduced. Further, in Comparative Example 2 using the molding material E composed of a polyether polymer having a water content of 5,500 ppm, the tensile strength of the film was low, and when the obtained film was used as a cathode of a lithium polymer battery, the cycle was reduced. The properties were inferior. Further, in Comparative Example 3 in which tetraethylene glycol dimethyl ether was used as a plasticizer at the time of kneading a polyether polymer having a water content of 200 ppm, not only the resin pressure was not sufficiently lowered, but also the tensile strength of the film was lowered. Also, handling was difficult due to strong adhesiveness.
[0060]
【The invention's effect】
The molding material of the present invention is excellent in molding processability when molded into a polymer solid electrolyte molded body, and the obtained polymer solid electrolyte molded body has high ionic conductivity, mechanical strength and mold release even when thin. Excellent in nature. In addition, a battery having the polymer solid electrolyte molded body has high output and can be repeatedly charged and discharged.
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