JP2004172346A - Polymer solid electrolyte and electric double-layer capacitor using the same - Google Patents

Polymer solid electrolyte and electric double-layer capacitor using the same Download PDF

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JP2004172346A JP2002336154A JP2002336154A JP2004172346A JP 2004172346 A JP2004172346 A JP 2004172346A JP 2002336154 A JP2002336154 A JP 2002336154A JP 2002336154 A JP2002336154 A JP 2002336154A JP 2004172346 A JP2004172346 A JP 2004172346A
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electrolyte
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Nozomi Sugo
望 須郷
Hideji Iwasaki
秀治 岩崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer solid electrolyte with excellent mechanical strength and film forming properties, and also to provide an electric double-layer capacitor using the same with excellent safety. <P>SOLUTION: The polymer solid electrolyte is constituted of: the polymer solid electrolyte comprising a polymer compound containing syndiotactic poly-methylmethacrelate, and isotactic poly-methylmethacrelate; at least one kind of electrolyte salt compound selected from a group comprising nitrogen-containing phloroborates, nitrogen-containing perchlorates, and nitrogen-containing phlorophosphates; and an organic electrolyte solvent, and the electric double-layer capacitor uses the electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子固体電解質およびこれを用いた電気二重層キャパシタに関する。さらに詳しくは、ポリメチルメタクリレート、電解質塩化合物及び有機系電解質溶媒から構成される、機械的強度・製膜性に優れた高分子固体電解質およびそれを用いた電気二重層キャパシタに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、バックアップ電源、補助電源などとして電気二重層キャパシタが注目を集めており、活性炭の電気二重層キャパシタ用の電極としての性能に着目した開発が広くなされている。活性炭を分極性電極として使用した電気二重層キャパシタは一般的に静電容量に優れるため、エレクトロニクス分野の発展と共に、従来の吸着用途の他、電気デバイス用途などの需要も急成長している。さらに、最近では、従来のメモリーバックアップ電源等の小型化に加え、モーター等の電源に使われるような大容量製品の開発なども行われている。
【0003】
電気二重層キャパシタは前記したように広く使用されており、各々の用途において信頼性の高いキャパシタが求められている。しかし、電気二重層キャパシタにおいて、電気化学的に安定な電解質塩を溶解した有機溶剤を用いた場合、電解液の液漏れがしやすく、発火の危険性があった。このような問題に対して、近年高分子と電解質と有機溶媒との複合物である高分子固体電解質(ゲル状電解質とも呼ぶ)が注目されており、例えば、森田、MAT.RES.Soc.Symp.Prc.Vol.575(2000)、P423に、ポリ弗化ビニリデン(以後PVdFと略す)と電解質と電解質溶媒との組み合わせによる高分子固体電解質が例示されている。
【0004】
しかしながら、このような高分子固体電解質は、機械的強度にやや劣るため、高分子固体電解質の厚みを薄くすることができず、したがって、活物質のセルあたりの容量を大きく増加させることができない。また、高分子固体電解質の機械的強度が小さいと高分子固体電解質が潰れる可能性があり、正極と負極が接触してショートする可能性も高くなる。
【0005】
また、ポリメチルメタクリレート(以後PMMAと略す)を構成単位に含む高分子固体電解質の例として、松田ら、J.Electrochem.Soc.,Vol.141,No.7(1994)、P1730−1734に、ポリオキシエチレンを通じて化学架橋した高分子固体電解質が開示されている。
【0006】
さらに、アイソタクチックポリメチルメタクリレート(以後、i−PMMAと略す)とシンジオポリメチルメタクリレート(以後、s−PMMAと略す)を用いた例として、軽金属を活物質とする負極と、i−PMMAとs−PMMAにてゲル化した有機電解質と正極を有する有機電解質電池への応用例が特開昭55−21862号公報に記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記した松田らのPMMAを構成単位に含む高分子固体電解質は、化学架橋した高分子固体電解質であるため製膜性に難点がある。また、特開昭55−21862号公報に記載の有機電解質電池にはi−PMMAとs−PMMAにてゲル化した有機電解質が記載されているが、これはリチウム電池に適用した例であって、電解質塩化合物及び有機系電解質溶媒と組み合わせてキャパシタとすることは勿論、適用できるか否かの記載や示唆はない。したがって、本発明の目的は、機械的強度、製膜性に優れた、高分子固体電解質およびこのような高分子固体電解質を用いた電気二重層キャパシタを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、PMMAの優れた特性に着目して鋭意検討を重ねた結果、s−PMMAとi−PMMAからなるステレオコンプレックスの高分子物質、電解質塩化合物及び有機系電解質溶媒とから構成される高分子固体電解質とそれを用いた電気二重層キャパシタによって、上記目的が達成されることを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は、s−PMMA及びi−PMMAからなる高分子化合物、並びに含窒素系フロロボレート類、含窒素系過塩素酸塩類及び含窒素系フロロホスフェート類からなる群より選ばれた少なくとも1種の電解質塩化合物と有機系電解質溶媒とから構成される高分子固体電解質である。
【0009】
本発明のもう一つの発明は、このような高分子固体電解質を用いた電気二重層キャパシタである。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子固体電解質を構成する高分子化合物は、s−PMMAとi−PMMAからなる。i−PMMAとs−PMMAとは、MMAを合成し、重合して生じるi−PMMAとs−PMMAとを含有するPMMAを使用してもよいが、高分子固体電解質の力学特性と耐熱性が高く、かつ入手容易なi−PMMAとs−PMMAとのポリマー混合物を使用するのが容易であり好ましい。
【0011】
i−PMMAのアイソタクチシティーは50%〜100%の範囲内であるのが好ましく、s−PMMAのシンジオタクチシティーは50%〜100%の範囲内であるのが好ましい。i−PMMAのアイソタクチシティーは70%以上、好ましくは80%以上、最も好ましくは90%以上とし、s−PMMAのシンジオタクチシティーは50%〜70%の範囲とするのが、合成が容易であり、安価であることからさらに好ましい。
【0012】
i−PMMAとs−PMMAの混合比率は、 高分子鎖同士の疑似架橋の起こりやすさ、すなわち機械的強度の観点から決めるのがよく、i−PMMAとs−PMMAの合計重量中のs−PMMAの混合割合が20〜90重量%の範囲内とするのが好ましい。さらに好ましくは30〜80重量%、さらに好ましくは40〜70重量%である。
【0013】
s−PMMAは一般的なラジカル重合や、トリエチルアルミニウムの存在下、有機リチウムを開始剤とするアニオン重合などによって合成することができるが、市販品も容易に入手可能である。i−PMMAは、グリニヤ試薬を開始剤に用いたアニオン重合、重合開始剤として Yb[C(SiMeを用いて配位アニオン重合などすることによって得ることができる。
【0014】
高分子化合物の分子量は、加工性、成形性、機械的強度、柔軟性の点から数平均分子量で5×10〜10の範囲のものが好適である。また、強度向上、柔軟性の向上などの目的に応じて、高分子固体電解質のイオン伝導率を低下させない範囲で、他のモノマーと共重合させたり、架橋処理したりしてもよく、SiO、TiOなどのフィラーを添加してもよい。
【0015】
本発明に使用される電解液は、電解質塩化合物と有機系電解質溶媒から構成される。電解質塩化合物としては、テトラエチルアンモニウムテトラフロロボレート、テトラメチルアンモニウムテトラフロロボレート、テトラプロピルアンモニウムテトラフロロボレート、テトラブチルアンモニウムテトラフロロボレート、トリメチルエチルアンモニウムテトラフロロボレート、トリエチルメチルアンモニウムテトラフロロボレート、ジエチルジメチルアンモニウムテトラフロロボレート、N−エチル−N−メチルピロリジニウムテトラフロロボレート、N,N−テトラメチレンピロリジニウムテトラフロロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフロロボレートのようなアンモニウムテトラフロロボレート類、テトラエチルアンモニウムパークロレート、テトラメチルアンモニウムパークロレート、テトラプロピルアンモニウムパークロレート、テトラブチルアンモニウムパークロレート、トリメチルエチルパークロレート、トリエチルメチルアンモニウムパークロレート、ジエチルジメチルアンモニウムパークロレート、N−エチル−N−メチルピロリジニウムパークロレート、N,N−テトラメチレンピロリジニウムパークロレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムパークロレートのようなアンモニウム過塩素酸塩類、テトラエチルアンモニウムヘキサフロロホスフェート、テトラメチルアンモニウムヘキサフロロホスフェート、テトラプロピルアンモニウムヘキサフロロホスフェート、テトラブチルアンモニウムヘキサフロロホスフェート、トリメチルエチルアンモニウムヘキサフロロホスフェート、トリエチルメチルアンモニウムヘキサフロロホスフェート、ジエチルジメチルアンモニウムヘキサフロロホスフェートのようなアンモニウムヘキサフロロホスフェート類などが挙げられる。
【0016】
有機系電解質溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート類、アセトニトリル、プロピオニトリルなどのニトリル類、γ−ブチロラクトン、α−メチル−γ−ブチロラクトン、β−メチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、3−メチル−γ−バレロラクトンなどのラクトン類、ジメチルスルフォキシド、ジエチルスルフォキシドなどのスルフォキシド類、ジメチルフォルムアミド、ジエチルフォルムアミドなどのアミド類、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどのエーテル類、ジメチルスルホラン、スルホランなどを挙げることができる。これらの有機溶媒は、通常単独で使用されるが、二種以上の混合溶媒として使用してもよい。
【0017】
本発明において、上記電解質塩化合物の濃度は、高分子固体電解質を調製した段階で、電解質塩結晶が析出しない範囲であれば、特に限定はないが、電解質濃度が低いと、イオン不足による静電容量低下を招くことがあるため、有機系電解質溶媒に対する濃度として0.1モル/リットル(M/L)以上、更に好ましくは0.5M/L以上とするのが好ましい。
【0018】
本発明において、高分子固体電解質中の高分子化合物との割合はとくに限定されないが、あまり少ないと機械的な強度を保持できないことがあり、またあまり多いとイオン伝導率が低下する傾向にあるため、通常、2重量%以上50重量%以下、好ましくは3重量%以上20重量%以下、更に好ましくは4重量%以上15重量%以下で実施される。
【0019】
本発明の高分子固体電解質を調製する方法は特に制約されないが、s−PMMAとi−PMMAの混合物は、60℃〜120℃程度に加熱した電解液中で均一な溶液となり、室温に冷却後はゲル状形態を有するため、製膜などの加工が容易である。
【0020】
高分子固体電解質を調製する方法としては、高分子化合物を電解質塩化合物および有機系電解質溶媒からなる電解液に含浸させる方法、電解質塩化合物、有機系電解質溶媒および高分子化合物をニーダー類やオープンロール、押出し機などで不活性ガス雰囲気下で機械的に混合する方法、高分子化合物と電解質塩化合物を有機系電解質溶媒に溶解させる方法、溶解後、有機系電解質溶媒を部分的に蒸発させて濃度を調整する方法、高分子化合物を他の溶剤に溶かした後、電解質塩化合物および有機系電解質溶媒に混合させる方法などをあげることができる。混合に使用した有機溶媒は高分子固体電解質を調製した後に除去する。
【0021】
具体的には、高分子化合物と電解質塩を有機系電解質溶媒に溶解させた溶液を平滑な基板上や電極上に塗布する方法がある。塗布する手法としては、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、グラビアコート法、ロールコート法、スプレーコート法、ディップコート法、メタルマスク印刷法、静電塗装法などを用いることができる。必要に応じて平板プレス、カレンダーロールなどによって圧延処理を行ってもよい。塗布後に、有機系電解質溶媒を一部蒸発させたり、加温した状態で塗布後、室温に戻すことによりゲル状電解質にすることができる。
【0022】
本発明の高分子固体電解質は、機械的強度と製膜性に優れ、イオン伝導率に優れているので電気二重層キャパシタ用として好適であり、例えば、高分子固体電解質を含まない電気二重層キャパシタを組上げた後、加熱して流動性を持たせた高分子固体電解質を電気二重層キャパシタに導入し、室温まで冷却することによって高分子固体電解質を用いた電気二重層キャパシタを製造することができる。
【0023】
電気二重層キャパシタとしては、コイン型、シリンダー型、角型、更にはラミネート型などに類別することができるが、一般的に、ケースの中に一対の分極性電極とその間にセパレーターを有する構造をしており、分極性電極およびセパレーターは電解質溶液で濡れた構造をしている。更に集電体が分極性電極のケース側にあり、ケースは電解質溶液が漏れないように上蓋と下ケースとの間が封止材で封口されている。
【0024】
電気二重層キャパシタの一例を示す概略図を図1に示す。図1において、1および2はアルミメッシュなどで構成される集電部材、3および4は分極性電極、5はポリプロピレン不織布などで構成されるセパレーター、6はポリプロピレンなどの素材で構成されるガスケット、7はステンレス製のケースである。
【0025】
分極性電極間には、高分子固体電解質が単独で存在していればよいが、高分子固体電解質と不織布や多孔質膜のセパレーターとの組み合わせからなるものを使用してもよい。セパレーターの素材としては、特に限定はなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステルなどが使用される。分極性電極間の厚みは、通常10μm〜2mm程度に設定される。
【0026】
分極性電極材料としては活性炭を用いるのが好ましく、このような活性炭の原料としては、ヤシガラや竹などの植物材料、フェノール樹脂やポリビニルアルコールなどの合成樹脂材料、合成メソフェーズピッチ、石炭、天然ピッチ、等方性ピッチなどのピッチ系材料などがあげられる。このような材料をガス賦活や、水酸化カリウム、塩化亜鉛などで化学賦活することによって製造した活性炭を分極性材料として用いることができる。活性炭の形状は、粒状、布状、繊維を破砕したもの、繊維状など任意である。
【0027】
このような活性炭は、布状形状の場合にはそのままで使用することができ、粒状、繊維を破砕したものの場合は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンのようなバインダー、カーボンブラックのような導電性材料および有機溶剤との混合物を集電部材の上に塗布し、乾燥すればよい。また、混合物を混錬後延伸し、シート状にすることによって分極性電極としてもよい。分極性電極の厚みは通常20μm〜1mm程度である。
【0028】
分極性電極と高分子固体電解質の重量比は、例えば、5/95〜95/5とされる。集電部材としては、例えばアルミニウムやニッケルなどを挙げることができる。集電部材の抵抗を低減化するために、合成樹脂と導電性材料の混合物で集電部材である金属箔と分極性電極を接着したり、アルミニウムを分極性電極上に溶射してもよい。封止材としては、例えば、ポリプロピレン、ブチルゴム、ポリアミド、ポリエステルなどの絶縁体が用いられる。以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0029】
【実施例】
i−PMMAの合成例1:
300mlの三つ口フラスコを窒素置換した後、トルエン(28ml)、シクロヘキサン(112ml)、フェニルマグネシウムブロマイド(エーテル溶液0.77M、7.4ml)を投入し、10℃に冷却した。
【0030】
メチルメタクリレート(30ml)を90分間かけて滴下し、6時間攪拌した後メタノール(0.5ml)を加え反応を停止させた。反応液をろ過後、残渣をメタノールで洗浄し、次いで乾燥させてi−PMMAを得た。GPC測定の結果i−PMMAのMwは10万であった。H−NMR測定の結果、アイソタクチシチィーは93%であった。
【0031】
i−PMMAの合成例2:
10℃に冷却するのを40℃に加温することに変更した以外は合成例1と同じようにしてi−PMMAを合成した。GPC測定の結果i−PMMAのMwは10万であり、H−NMR測定の結果、アイソタクチシチィーは80%であった。
【0032】
分極性電極の作製
活性炭1.6g(クラレケミカル株式会社BP−20)と0.2gのカーボンブラックと0.2gのポリテトラフロロエチレンを混合し、延伸することによって厚さ300μmの分極性電極を得た。分極性電極を直径13mmに打ち抜き、アルミ集電体と導電性ペーストを用いて貼り付け、260℃にて15分乾燥後、更に200℃の真空乾燥機で12時間乾燥した後、露点温度−70℃以下のドライボックスに持ち込んだ。
【0033】
実施例1
露点温度−70℃以下のドライボックス中、合成例1で得たi−PMMA1g、s−PMMA(クラレ製パラペットLW−500、Mw3.8万、シンジオタクチシティ60%)2g、テトラエチルアンモニウムテトラフロロボレート4.5g及びプロピレンカーボネート22.5gをガラスチューブに導入し、120℃まで加熱して溶解し、高分子電解質を得た。i−PMMA及びs−PMMAの重量比は1:2とした。得られた高分子電解質は室温で薄白色透明なゲル状物であった。
【0034】
引張り強度の測定:
120℃に加熱した高分子固体電解質をポリエステルフィルム上に厚みが3mmになるように流延し、製膜した。長さ5cm、幅1cmで5枚切り出し、島津製作所製のオートグラフを用いて冶具間2cm、引張り速度5mm/分の条件で最大引張り強度を測定した。試験片5枚の平均値を最大引張り強度とし、結果を表1に示した。
【0035】
電気二重層キャパシタの作製:
ドライボックス中で、100℃に加熱した図1に示したようなCR2032タイプのコイン型電気二重層キャパシタにアルミ集電体を貼り付けた分極性電極、ガラス製ろ紙のセパレータを導入し、その上から120℃に加熱した実施例1の高分子固体電解質を注入し、更にアルミ集電体を貼り付けた分極性電極を重ねた後、封缶した。
【0036】
キャパシタ性能の評価:
電気二重層キャパシタを室温にて72時間放置後、3mAの定電流で2.7Vまで定電流充電を行い、更に2.7Vにて30分間定電圧充電を行った。次いで3mAの定電流にて放電した。この充電と放電のサイクルを繰り返し、11サイクル目の放電時において、端子間電圧が1.2Vから1.0Vに至るまでの時間を測定し、放電容量を求めた。放電容量の結果を表1に示す。
【0037】
放電容量の評価:
電気二重層キャパシタを室温にて24時間放置後、3mAの定電流で2.7Vまで定電流充電を行い、更に2.7Vにて30分間定電圧充電を行った。次いで3mAの定電流にて放電した。この充電と放電のサイクルを繰り返し、3サイクル目の放電時において、端子間電圧が1.2Vから1.0Vに至るまでの時間を測定し、放電容量を求めた。結果を表1に示す。
【0038】
実施例2
合成例2で作製したi−PMMAを用いた以外は、実施例1と同様にして高分子固体電解質を作製し、引張り強度、静電容量を測定した。結果を表1に示す。
【0039】
実施例3
i−PMMAとs−PMMAの重量比が6:4のものを用いる以外は、実施例1と同様にして高分子固体電解質を作製し、引張り強度、静電容量を測定した。結果を表1に示す。
【0040】
実施例4
i−PMMAとs−PMMAの重量比が7:3のものを用いる以外は、実施例1と同様にして高分子固体電解質を作製し、引張り強度、静電容量を測定した。結果を表1に示す。
【0041】
実施例5
i−PMMAとs−PMMAの重量比が2:8のものを用いる以外は、実施例1と同様にして高分子固体電解質を作製し、引張り強度、静電容量を測定した。結果を表1に示す。
【0042】
実施例6
i−PMMAとs−PMMAの重量比が8:2のものを用いる以外は、実施例1と同様にして高分子固体電解質を作製し、引張り強度、静電容量を測定した。結果を表1に示す。
【0043】
実施例7
i−PMMAとs−PMMAの重量比が1:9のものを用いる以外は、実施例1と同様にして高分子固体電解質を作製し、引張り強度、静電容量を測定した。結果を表1に示す。
【0044】
比較例1
実施例1と同じs−PMMAのみを使用する以外は実施例1と同様にして高分子固体電解質を作製した。得られた電解質は粘状液体であり、引張り強度の測定は不可能であった。また、実施例1と同様の方法にて静電容量を測定した結果を表1に示す。
【0045】
比較例2
露点温度−70℃以下のドライボックス中、ポリフッ化ビニリデン2g(アルドリッチ製)、テトラエチルアンモニウムテトラフロロボレート3g、プロピレンカーボネート15gをガラスチューブに導入し、120℃まで加熱して溶解して高分子電解質を得た。作製した高分子電解質は室温では透明なゲル状物であった。得られた高分子固体電解質を実施例1と同様の方法で静電容量値を求めた。実施例1と同様に引張り強度測定用の試験片の作製を試みたが、脆く、試験片を切り出すことはできなかった。 結果を表1に示す。
【0046】
【表1】

Figure 2004172346
【0047】
【発明の効果】
本発明により、機械的強度及び製膜性に優れた高分子固体電解質を提供することができる。本発明の高分子固体電解質を、電気二重層キャパシタに適用すると、キャパシタの静電容量を低下させることなく、また、電解質溶液がゲル化され、さらに機械的強度に優れていることから電解液の漏れ性を低減化、ショートの可能性を少なくすることができる。
【0048】
【図面の簡単な説明】
【図1】電気二重層キャパシタの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
1 集電部材
2 集電部材
3 分極性電極
4 分極性電極
5 セパレーター
6 ガスケット
7 ケース[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer solid electrolyte and an electric double layer capacitor using the same. More specifically, the present invention relates to a polymer solid electrolyte comprising polymethyl methacrylate, an electrolyte salt compound, and an organic electrolyte solvent and having excellent mechanical strength and film-forming properties, and an electric double layer capacitor using the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, electric double-layer capacitors have attracted attention as backup power supplies, auxiliary power supplies, and the like, and developments that focus on the performance of activated carbon as electrodes for electric double-layer capacitors have been made widely. An electric double layer capacitor using activated carbon as a polarizable electrode generally has excellent capacitance. Therefore, with the development of the electronics field, demand for electric devices in addition to conventional adsorption applications is rapidly growing. Further, recently, in addition to the miniaturization of the conventional memory backup power supply and the like, development of a large-capacity product used for a power supply of a motor and the like has been performed.
[0003]
As described above, electric double layer capacitors are widely used, and a highly reliable capacitor is required for each application. However, when an organic solvent in which an electrochemically stable electrolyte salt is dissolved is used in an electric double layer capacitor, the electrolyte solution easily leaks, and there is a risk of ignition. In response to such a problem, a polymer solid electrolyte (also referred to as a gel electrolyte), which is a composite of a polymer, an electrolyte, and an organic solvent, has recently attracted attention. RES. Soc. Symp. Prc. Vol. 575 (2000), p. 423 exemplifies a polymer solid electrolyte obtained by combining polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PVdF), an electrolyte and an electrolyte solvent.
[0004]
However, since such a solid polymer electrolyte has a somewhat poor mechanical strength, the thickness of the solid polymer electrolyte cannot be reduced, and therefore the capacity of the active material per cell cannot be greatly increased. Further, if the mechanical strength of the solid polymer electrolyte is low, the solid polymer electrolyte may be crushed, and the possibility that the positive electrode and the negative electrode come into contact and short-circuit increases.
[0005]
Matsuda et al., J. Mol. Electrochem. Soc. , Vol. 141, No. 7 (1994), P1730-1734, discloses a polymer solid electrolyte chemically crosslinked through polyoxyethylene.
[0006]
Further, as an example using isotactic polymethyl methacrylate (hereinafter abbreviated as i-PMMA) and syndiopolymethyl methacrylate (hereinafter abbreviated as s-PMMA), a negative electrode using a light metal as an active material, an i-PMMA An example of application to an organic electrolyte battery having an organic electrolyte gelled with s-PMMA and a positive electrode is described in JP-A-55-21862.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The above-mentioned Matsuda et al. Polymer solid electrolyte containing PMMA as a constituent unit is a chemically cross-linked polymer solid electrolyte and thus has a problem in film-forming properties. Further, the organic electrolyte battery described in JP-A-55-21862 describes an organic electrolyte gelled with i-PMMA and s-PMMA, but this is an example applied to a lithium battery. Of course, there is no description or suggestion as to whether or not the capacitor can be used in combination with an electrolyte salt compound and an organic electrolyte solvent to form a capacitor. Therefore, an object of the present invention is to provide a polymer solid electrolyte excellent in mechanical strength and film forming property and an electric double layer capacitor using such a polymer solid electrolyte.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies focusing on the excellent characteristics of PMMA, and as a result, have been composed of a polymer material of a stereocomplex comprising s-PMMA and i-PMMA, an electrolyte salt compound, and an organic electrolyte solvent. It has been found that the above object can be achieved by a solid polymer electrolyte and an electric double layer capacitor using the same, and the present invention has been accomplished. That is, the present invention provides a polymer compound comprising s-PMMA and i-PMMA, and at least one selected from the group consisting of nitrogen-containing fluoroborates, nitrogen-containing perchlorates and nitrogen-containing fluorophosphates. It is a polymer solid electrolyte composed of various kinds of electrolyte salt compounds and an organic electrolyte solvent.
[0009]
Another invention of the present invention is an electric double layer capacitor using such a polymer solid electrolyte.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The polymer compound constituting the polymer solid electrolyte of the present invention comprises s-PMMA and i-PMMA. For i-PMMA and s-PMMA, PMMA containing i-PMMA and s-PMMA generated by synthesizing and polymerizing MMA may be used, but the mechanical properties and heat resistance of the solid polymer electrolyte are not limited. It is easy and preferred to use a high and readily available polymer mixture of i-PMMA and s-PMMA.
[0011]
Preferably, the isotacticity of i-PMMA is in the range of 50% to 100%, and the syndiotacticity of s-PMMA is in the range of 50% to 100%. The isotacticity of i-PMMA is 70% or more, preferably 80% or more, and most preferably 90% or more, and the syndiotacticity of s-PMMA is 50% to 70%. And it is more preferable because it is inexpensive.
[0012]
The mixing ratio of i-PMMA and s-PMMA is preferably determined from the viewpoint of the possibility of pseudo-crosslinking between polymer chains, that is, mechanical strength, and s-PM in the total weight of i-PMMA and s-PMMA. It is preferable that the mixing ratio of PMMA is in the range of 20 to 90% by weight. More preferably, it is 30 to 80% by weight, more preferably 40 to 70% by weight.
[0013]
s-PMMA can be synthesized by general radical polymerization or anionic polymerization using organolithium as an initiator in the presence of triethylaluminum, but commercially available products are also readily available. i-PMMA can be obtained by anionic polymerization using a Grignard reagent as an initiator, or coordination anionic polymerization using Yb [C (SiMe 3 ) 3 ] 2 as a polymerization initiator.
[0014]
The molecular weight of the polymeric compound, processability, moldability, mechanical strength, is in the range of 5 × 10 3 ~10 7 the number average molecular weight in terms of flexibility is preferred. Moreover, strength improvement, according to the purpose, such as increased flexibility, without compromising the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte, or be copolymerized with other monomers, may also be or crosslinking treatment, SiO 2 And a filler such as TiO 2 may be added.
[0015]
The electrolyte used in the present invention is composed of an electrolyte salt compound and an organic electrolyte solvent. Examples of the electrolyte salt compound include tetraethylammonium tetrafluoroborate, tetramethylammonium tetrafluoroborate, tetrapropylammonium tetrafluoroborate, tetrabutylammonium tetrafluoroborate, trimethylethylammonium tetrafluoroborate, triethylmethylammonium tetrafluoroborate, and diethyldimethylammonium Ammonium tetrafluoroborate such as tetrafluoroborate, N-ethyl-N-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate, N, N-tetramethylenepyrrolidinium tetrafluoroborate, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate , Tetraethyl ammonium perchlorate, tetramethyl ammonium perchlorate, tetrapro Luammonium perchlorate, tetrabutylammonium perchlorate, trimethylethyl perchlorate, triethylmethylammonium perchlorate, diethyldimethylammonium perchlorate, N-ethyl-N-methylpyrrolidinium perchlorate, N, N-tetramethylenepyrrolidinium Perchlorate, ammonium perchlorates such as 1-ethyl-3-methylimidazolium perchlorate, tetraethylammonium hexafluorophosphate, tetramethylammonium hexafluorophosphate, tetrapropylammonium hexafluorophosphate, tetrabutylammonium hexafluorophosphate, Trimethylethylammonium hexafluorophosphate, triethylmethylammonium Sa fluoroalkyl phosphate, ammonium hexafluorophosphate, such as diethyl dimethyl ammonium hexafluoro phosphate.
[0016]
Examples of the organic electrolyte solvent include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate, carbonates such as propylene carbonate, acetonitrile, nitriles such as propionitrile, γ-butyrolactone, α-methyl-γ-butyrolactone, β-methyl Lactones such as -γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 3-methyl-γ-valerolactone, sulfoxides such as dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide, amides such as dimethylformamide and diethylformamide, and tetrahydrofuran And ethers such as dimethoxyethane, dimethylsulfolane, sulfolane and the like. These organic solvents are usually used alone, but may be used as a mixed solvent of two or more kinds.
[0017]
In the present invention, the concentration of the electrolyte salt compound is not particularly limited as long as the electrolyte salt crystals do not precipitate at the stage of preparing the polymer solid electrolyte. Since the capacity may be reduced, the concentration with respect to the organic electrolyte solvent is preferably 0.1 mol / L (M / L) or more, more preferably 0.5 M / L or more.
[0018]
In the present invention, the proportion of the polymer compound in the polymer solid electrolyte is not particularly limited, but if it is too small, the mechanical strength may not be maintained, and if it is too large, the ionic conductivity tends to decrease. Usually, it is carried out at 2% by weight to 50% by weight, preferably 3% by weight to 20% by weight, more preferably 4% by weight to 15% by weight.
[0019]
Although the method for preparing the polymer solid electrolyte of the present invention is not particularly limited, a mixture of s-PMMA and i-PMMA becomes a uniform solution in an electrolytic solution heated to about 60 ° C to 120 ° C, and cooled to room temperature. Since has a gel-like form, processing such as film formation is easy.
[0020]
As a method for preparing a polymer solid electrolyte, a method of impregnating a polymer compound with an electrolyte solution comprising an electrolyte salt compound and an organic electrolyte solvent, a method of kneading an electrolyte salt compound, an organic electrolyte solvent and a polymer compound with a kneader or an open roll A method of mechanically mixing under an inert gas atmosphere with an extruder, a method of dissolving a polymer compound and an electrolyte salt compound in an organic electrolyte solvent, and a method of partially evaporating the organic electrolyte solvent after dissolution to obtain a concentration. And a method in which a polymer compound is dissolved in another solvent and then mixed with an electrolyte salt compound and an organic electrolyte solvent. The organic solvent used for the mixing is removed after preparing the solid polymer electrolyte.
[0021]
Specifically, there is a method in which a solution in which a polymer compound and an electrolyte salt are dissolved in an organic electrolyte solvent is applied on a smooth substrate or an electrode. As a coating method, a doctor blade method, a screen printing method, a gravure coating method, a roll coating method, a spray coating method, a dip coating method, a metal mask printing method, an electrostatic coating method, or the like can be used. Rolling may be performed by a flat plate press, a calender roll, or the like, if necessary. After the application, the organic electrolyte solvent is partially evaporated, or after application in a heated state, and then returned to room temperature, whereby a gel electrolyte can be obtained.
[0022]
The polymer solid electrolyte of the present invention is excellent in mechanical strength and film-forming properties, and is excellent in ionic conductivity, so that it is suitable for electric double layer capacitors, for example, an electric double layer capacitor containing no polymer solid electrolyte. After assembling, the polymer solid electrolyte heated and fluidized is introduced into the electric double layer capacitor, and cooled to room temperature, whereby the electric double layer capacitor using the polymer solid electrolyte can be manufactured. .
[0023]
Electric double layer capacitors can be classified into coin type, cylinder type, square type, and even laminate type, but generally, a structure having a pair of polarizable electrodes in a case and a separator between them is used. The polarizable electrode and the separator have a structure wetted with the electrolyte solution. Further, a current collector is provided on the case side of the polarizable electrode, and the case is sealed with a sealing material between the upper lid and the lower case so that the electrolyte solution does not leak.
[0024]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the electric double layer capacitor. In FIG. 1, 1 and 2 are current collecting members made of aluminum mesh or the like, 3 and 4 are polarizable electrodes, 5 is a separator made of a polypropylene nonwoven fabric or the like, 6 is a gasket made of a material such as polypropylene, 7 is a stainless steel case.
[0025]
As long as the solid polymer electrolyte is present alone between the polarizable electrodes, a solid polymer electrolyte and a separator made of a nonwoven fabric or a porous membrane may be used. The material of the separator is not particularly limited, and for example, polyethylene, polypropylene, polyamide, polyester and the like are used. The thickness between the polarizable electrodes is usually set to about 10 μm to 2 mm.
[0026]
Activated carbon is preferably used as the polarizable electrode material, and as a raw material of such activated carbon, plant materials such as coconut shell and bamboo, synthetic resin materials such as phenolic resin and polyvinyl alcohol, synthetic mesophase pitch, coal, natural pitch, Pitch-based materials such as isotropic pitch are exemplified. Activated carbon produced by gas activation of such a material or chemical activation with potassium hydroxide, zinc chloride or the like can be used as a polarizable material. The shape of the activated carbon is arbitrary, such as granular, cloth, crushed fiber, or fibrous.
[0027]
Such activated carbon can be used as it is in the case of a cloth-like shape, and in the case of granulated or crushed fibers, for example, a binder such as polytetrafluoroethylene, or a conductive material such as carbon black. And a mixture with an organic solvent may be applied on the current collecting member and dried. Alternatively, the mixture may be kneaded and then stretched to form a sheet, thereby forming a polarizable electrode. The thickness of the polarizing electrode is usually about 20 μm to 1 mm.
[0028]
The weight ratio between the polarizable electrode and the solid polymer electrolyte is, for example, 5/95 to 95/5. Examples of the current collecting member include aluminum and nickel. In order to reduce the resistance of the current collecting member, a metal foil serving as the current collecting member and the polarizable electrode may be bonded with a mixture of a synthetic resin and a conductive material, or aluminum may be sprayed on the polarizable electrode. As the sealing material, for example, an insulator such as polypropylene, butyl rubber, polyamide, or polyester is used. Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
[0029]
【Example】
Synthesis Example 1 of i-PMMA
After purging with nitrogen in a 300 ml three-necked flask, toluene (28 ml), cyclohexane (112 ml), and phenylmagnesium bromide (0.77 M in ether solution, 7.4 ml) were added, and the mixture was cooled to 10 ° C.
[0030]
Methyl methacrylate (30 ml) was added dropwise over 90 minutes. After stirring for 6 hours, methanol (0.5 ml) was added to stop the reaction. After filtering the reaction solution, the residue was washed with methanol and then dried to obtain i-PMMA. As a result of GPC measurement, Mw of i-PMMA was 100,000. As a result of 1 H-NMR measurement, the isotacticity was 93%.
[0031]
Synthesis Example 2 of i-PMMA:
I-PMMA was synthesized in the same manner as in Synthesis Example 1, except that cooling to 10 ° C was changed to heating to 40 ° C. As a result of GPC measurement, Mw of i-PMMA was 100,000, and as a result of 1 H-NMR measurement, isotacticity was 80%.
[0032]
Preparation of Polarized Electrode 1.6 g of activated carbon (Kuraray Chemical Co., Ltd. BP-20), 0.2 g of carbon black and 0.2 g of polytetrafluoroethylene were mixed and stretched to obtain a polarizable electrode having a thickness of 300 μm. Obtained. The polarizable electrode was punched out to a diameter of 13 mm, attached using an aluminum current collector and a conductive paste, dried at 260 ° C. for 15 minutes, further dried at 200 ° C. in a vacuum drier for 12 hours, and then subjected to a dew point temperature of −70. Brought to a dry box below ℃.
[0033]
Example 1
1 g of i-PMMA obtained in Synthesis Example 1, 2 g of s-PMMA (Kuraray Parapet LW-500, Mw 38,000, syndiotacticity 60%), and 2 g of tetraethylammonium tetrafluorocarbon in a dry box having a dew point of -70 ° C. or less 4.5 g of borate and 22.5 g of propylene carbonate were introduced into a glass tube and dissolved by heating to 120 ° C. to obtain a polymer electrolyte. The weight ratio of i-PMMA and s-PMMA was 1: 2. The obtained polymer electrolyte was a thin white transparent gel at room temperature.
[0034]
Measurement of tensile strength:
A polymer solid electrolyte heated to 120 ° C. was cast on a polyester film so as to have a thickness of 3 mm to form a film. Five pieces were cut out at a length of 5 cm and a width of 1 cm, and the maximum tensile strength was measured using an autograph manufactured by Shimadzu Corporation under the conditions of 2 cm between jigs and a pulling speed of 5 mm / min. The average value of five test pieces was defined as the maximum tensile strength, and the results are shown in Table 1.
[0035]
Fabrication of electric double layer capacitor:
In a dry box, a polarizable electrode having an aluminum current collector attached to a CR2032 type coin-type electric double layer capacitor as shown in FIG. 1 heated to 100 ° C. and a glass filter paper separator are introduced. Then, the solid polymer electrolyte of Example 1 heated to 120 ° C. was injected, and a polarizable electrode to which an aluminum current collector was attached was further laminated, followed by sealing.
[0036]
Evaluation of capacitor performance:
After leaving the electric double layer capacitor at room temperature for 72 hours, constant current charging was performed at a constant current of 3 mA to 2.7 V, and further constant voltage charging was performed at 2.7 V for 30 minutes. Then, the battery was discharged at a constant current of 3 mA. This cycle of charge and discharge was repeated, and at the time of discharging in the eleventh cycle, the time required for the inter-terminal voltage to rise from 1.2 V to 1.0 V was measured to determine the discharge capacity. Table 1 shows the results of the discharge capacity.
[0037]
Evaluation of discharge capacity:
After allowing the electric double layer capacitor to stand at room temperature for 24 hours, the capacitor was charged at a constant current of 3 mA to a constant current of 2.7 V, and further charged at a constant voltage of 2.7 V for 30 minutes. Then, the battery was discharged at a constant current of 3 mA. This cycle of charge and discharge was repeated, and at the time of discharge in the third cycle, the time required for the inter-terminal voltage to rise from 1.2 V to 1.0 V was measured to determine the discharge capacity. Table 1 shows the results.
[0038]
Example 2
A polymer solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1 except that the i-PMMA prepared in Synthesis Example 2 was used, and the tensile strength and the capacitance were measured. Table 1 shows the results.
[0039]
Example 3
A solid polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight ratio of i-PMMA to s-PMMA was 6: 4, and the tensile strength and the capacitance were measured. Table 1 shows the results.
[0040]
Example 4
A solid polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight ratio of i-PMMA to s-PMMA was 7: 3, and the tensile strength and the capacitance were measured. Table 1 shows the results.
[0041]
Example 5
A solid polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1, except that the weight ratio of i-PMMA to s-PMMA was 2: 8, and the tensile strength and the capacitance were measured. Table 1 shows the results.
[0042]
Example 6
A solid polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1 except that the weight ratio of i-PMMA to s-PMMA was 8: 2, and the tensile strength and the capacitance were measured. Table 1 shows the results.
[0043]
Example 7
A solid polymer electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1 except that the weight ratio of i-PMMA to s-PMMA was 1: 9, and the tensile strength and the capacitance were measured. Table 1 shows the results.
[0044]
Comparative Example 1
A solid polymer electrolyte was produced in the same manner as in Example 1, except that only the same s-PMMA as in Example 1 was used. The obtained electrolyte was a viscous liquid, and it was impossible to measure the tensile strength. Table 1 shows the results of measuring the capacitance by the same method as in Example 1.
[0045]
Comparative Example 2
In a dry box having a dew point of −70 ° C. or less, 2 g of polyvinylidene fluoride (manufactured by Aldrich), 3 g of tetraethylammonium tetrafluoroborate, and 15 g of propylene carbonate are introduced into a glass tube, and heated to 120 ° C. to dissolve the polymer electrolyte. Obtained. The prepared polymer electrolyte was a transparent gel at room temperature. The capacitance value of the obtained solid polymer electrolyte was determined in the same manner as in Example 1. An attempt was made to produce a test piece for measuring tensile strength in the same manner as in Example 1, but the test piece was brittle and could not be cut out. Table 1 shows the results.
[0046]
[Table 1]
Figure 2004172346
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention, a solid polymer electrolyte having excellent mechanical strength and film-forming properties can be provided. When the polymer solid electrolyte of the present invention is applied to an electric double layer capacitor, the electrolyte solution is gelled without lowering the capacitance of the capacitor, and the electrolyte solution is excellent in mechanical strength. Leakage can be reduced, and the possibility of a short circuit can be reduced.
[0048]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an electric double layer capacitor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Current collection member 2 Current collection member 3 Polarized electrode 4 Polarized electrode 5 Separator 6 Gasket 7 Case

Claims (5)

シンジオタクチックポリメチルメタクリレート及びアイソタクティックポリメチルメタクリレートからなる高分子化合物、並びに含窒素系フロロボレート類、含窒素系過塩素酸塩類及び含窒素系フロロホスフェート類からなる群より選ばれた少なくとも1種の電解質塩化合物と有機系電解質溶媒とから構成される高分子固体電解質。A polymer compound comprising syndiotactic polymethyl methacrylate and isotactic polymethyl methacrylate; and at least one selected from the group consisting of nitrogen-containing fluoroborate, nitrogen-containing perchlorate, and nitrogen-containing fluorophosphate A solid polymer electrolyte composed of various kinds of electrolyte salt compounds and an organic electrolyte solvent. 請求項1記載の高分子固体電解質において、アイソタクチックポリメチルメタクリレートのアイソタクチシティーが50〜100%である高分子固体電解質。The solid polymer electrolyte according to claim 1, wherein the isotactic polymethyl methacrylate has an isotacticity of 50 to 100%. 請求項1又は2記載の高分子固体電解質において、シンジオタクチックポリメチルメタクリレートのシンジオタクチシティーが50〜100%である高分子固体電解質。3. The solid polymer electrolyte according to claim 1, wherein the syndiotactic polymethyl methacrylate has a syndiotacticity of 50 to 100%. 請求項1〜3いずれかに記載の高分子化合物において、シンジオタクチックポリメチルメタクリレートとアイソタクチックポリメチルメタクリレートの合計重量に占めるシンジオタクチックポリメチルメタクリレートの重量割合が20重量%〜90重量%である高分子固体電解質。The polymer compound according to any one of claims 1 to 3, wherein a weight ratio of the syndiotactic polymethyl methacrylate to the total weight of the syndiotactic polymethyl methacrylate and the isotactic polymethyl methacrylate is 20% by weight to 90% by weight. Is a solid polymer electrolyte. 請求項1〜3いずれかに記載の高分子固体電解質を用いた電気二重層キャパシタ。An electric double layer capacitor using the solid polymer electrolyte according to claim 1.
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