JP2005093376A - Solid polyelectrolyte film and battery made by using this - Google Patents

Solid polyelectrolyte film and battery made by using this Download PDF

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豊 岸井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polyelectrolyte film of a superior quality in both of ion conductivity and cation mobility, and provide a battery made by using it. <P>SOLUTION: This is a solid polyelectrolyte film containing electrolyte salt, an ion conductive polymer, and a compound having anion capturing ability. In a preferable embodiment, this solid electrolyte film has a layer composed of the electrolyte salt and the compound having anion capturing ability, preferably a polymer having boroxine ring on the surface of the film composed of a composition of the electrolyte salt and the ion conductive polymer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高分子固体電解質フィルムとこれを用いてなる電池に関する。   The present invention relates to a polymer solid electrolyte film and a battery using the same.

固体電解質とは、固体状態においてイオン伝導性の高い物質をいい、なかでも、高分子物質を固体として用いる高分子固体電解質は、有機高分子特有の性質である柔軟性と屈曲性に由来して、加工上の自由度にすぐれると共に、電極界面との密着性にすぐれることから、近年、次世代リチウム二次電池用電解質として、特に注目されており、世界的に研究が推進されている。   A solid electrolyte is a substance having high ion conductivity in a solid state. Among them, a polymer solid electrolyte using a polymer substance as a solid is derived from flexibility and flexibility, which are unique properties of organic polymers. In recent years, it has attracted much attention as an electrolyte for next-generation lithium secondary batteries because it has excellent flexibility in processing and adhesion to the electrode interface, and research is being promoted worldwide. .

このような高分子固体電解質は、従来の電解質溶液に比べて、液漏れのおそれがなく、また、薄膜にすることができる等、その形状も、自由度が大きい。しかしながら、従来、知られている非水系の高分子固体電解質は、電解質溶液に比べて、電導度が著しく低いという問題がある。例えば、従来、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリホスファゼン、ポリシロキサン等の高分子物質と電解質塩とを複合化してなる非水系高分子固体電解質が知られているが、従来、電導度が室温で10-3S/cmを上回るものは見出されていない(例えば、特許文献1参照)。 Such a polymer solid electrolyte has a high degree of freedom in its shape, such as no risk of liquid leakage and can be made into a thin film, as compared with a conventional electrolyte solution. However, conventionally known non-aqueous polymer solid electrolytes have a problem that their electrical conductivity is remarkably lower than that of an electrolyte solution. For example, a non-aqueous polymer solid electrolyte obtained by combining a polymer substance such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyphosphazene, and polysiloxane with an electrolyte salt is conventionally known. Nothing exceeding 10 −3 S / cm at room temperature has been found (for example, see Patent Document 1).

従来、これら高分子固体電解質は、多くの場合、高分子主鎖に側鎖を有せしめた分岐構造や、更には、その側鎖にも分岐を有せしめた多分岐構造からなる。このように、従来の高分子固体電解質が分岐構造を有するのは、多分岐ポリエチレンオキサイド等の側鎖の速い分子運動が高分子固体電解質としてのイオン輸送能を著しく向上させるからである。   Conventionally, these polymer solid electrolytes often have a branched structure in which a polymer main chain has a side chain, and further, a multi-branched structure in which the side chain also has a branch. Thus, the conventional polymer solid electrolyte has a branched structure because fast molecular motion of a side chain such as multi-branched polyethylene oxide remarkably improves the ion transport ability as the polymer solid electrolyte.

一般に、高分子固体電解質は、リチウム塩を高分子物質に均一に混合して調製される。従って、このような高分子固体電解質は、これを組み込んだ電池の充放電に際しては、カチオンとアニオンの両方が電解液中を移動する。アニオンの移動は電池反応には関与しない。   Generally, a polymer solid electrolyte is prepared by uniformly mixing a lithium salt with a polymer material. Therefore, in such a polymer solid electrolyte, both a cation and an anion move in the electrolytic solution when charging and discharging a battery incorporating the polymer solid electrolyte. Anion migration does not participate in battery reactions.

特に、リチウム電池においては、所要の電池反応を行わせるには、カチオンであるリチウムイオンの移動のみが必要であるが、しかし、同時に、アニオンも移動し、このアニオンの移動によって、電解質内で濃度分極が生じる。その結果、充電時に電解質抵抗が徐々に上昇して、所定の充電電圧まで直ぐに到達し、負極に所定量のリチウムイオンを導入できないという問題が生じる。他方、放電時には、電解質抵抗による電圧降下が徐々に大きくなり、所定の電圧までの低下が速やかに起こって、充電されたリチウムイオンを取り出し難くなるという欠点がある。このことは、特に急速な充放電を行う際に顕著になる。   In particular, in a lithium battery, only the movement of a lithium ion, which is a cation, is necessary to perform a required battery reaction. However, at the same time, an anion also moves, and the concentration of the anion in the electrolyte is moved by the movement of the anion. Polarization occurs. As a result, the electrolyte resistance gradually increases at the time of charging, and immediately reaches a predetermined charging voltage, causing a problem that a predetermined amount of lithium ions cannot be introduced into the negative electrode. On the other hand, at the time of discharging, there is a drawback that the voltage drop due to the electrolyte resistance gradually increases and the voltage drop to a predetermined voltage occurs quickly, making it difficult to take out the charged lithium ions. This is particularly noticeable when performing rapid charge / discharge.

これら高分子固体電解質のアニオンよる濃度分極を防ぐ方法として、従来、アニオン種を高分子中に固定して、イオン交換膜の態様にした固体電解質フィルム(例えば、特許文献2参照)、カチオンのみが伝導する無機電解質を高分子固体電解質に添加する方法(例えば、特許文献3参照)、電解質塩をイオン伝導性ポリマーに配合すると共に、電解質塩のアニオンを捕捉する能力を有する添加剤を添加し、又はイオン伝導性ポリマーに組み込む方法(例えば、特許文献4参照)等が知られている。このような方法は、固体電解質の伝導率をカチオンの寄与のみにする試みであり、カチオン輸率という指標で評価されている。
特開平10−204172号公報 特開平08−259698号公報 特開2001−316583号公報 特開2000−080265号公報
As a method of preventing concentration polarization due to anions of these polymer solid electrolytes, conventionally, a solid electrolyte film in which an anion species is fixed in a polymer to form an ion exchange membrane (for example, see Patent Document 2), only cations are used. A method of adding a conducting inorganic electrolyte to a polymer solid electrolyte (see, for example, Patent Document 3), adding an electrolyte salt to an ion conductive polymer, and adding an additive having the ability to trap anions of the electrolyte salt, Or the method (for example, refer patent document 4) etc. which incorporate in an ion conductive polymer is known. Such a method is an attempt to make only the contribution of the cation the conductivity of the solid electrolyte, and is evaluated by an index called a cation transport number.
JP-A-10-204172 Japanese Patent Laid-Open No. 08-259698 JP 2001-316583 A JP 2000-080265 A

このような高分子固体電解質によれば、いずれもカチオン輸率の向上はみられるが、しかし、いずれも伝導率が低下し、かくして、高いカチオン輸率を保持しつつ、高い伝導率を有する高分子固体電解質は、従来、得られていない。   According to such a polymer solid electrolyte, all have an improvement in cation transport number, but all have low conductivity, and thus a high conductivity having a high conductivity while maintaining a high cation transport number. A molecular solid electrolyte has not been obtained conventionally.

本発明は、従来の高分子固体電解質における上述したような問題を解決するためになされたものであって、イオン伝導率とカチオン輸率のいずれにもすぐれる高分子固体電解質フィルムとこれを用いてなる電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in conventional polymer solid electrolytes, and uses a polymer solid electrolyte film excellent in both ionic conductivity and cation transport number, and the same. It aims at providing the battery which becomes.

本発明による高分子固体電解質フィルムは、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとアニオン捕捉能を有する化合物を含有することを特徴とする高分子固体電解質フィルムが提供される。   The polymer solid electrolyte film according to the present invention provides a polymer solid electrolyte film comprising an electrolyte salt, an ion conductive polymer, and a compound having an anion scavenging ability.

本発明の好ましい態様によれば、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムの表面に電解質塩とアニオン捕捉能を有する化合物との組成物からなる層を有せしめたことを特徴とする高分子固体電解質フィルムが提供される。   According to a preferred aspect of the present invention, a layer made of a composition of an electrolyte salt and a compound having an anion scavenging ability is provided on the surface of a film made of the composition of an electrolyte salt and an ion conductive polymer. A solid polymer electrolyte film is provided.

また、本発明の別の好ましい態様によれば、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムにアニオン捕捉能を有する化合物を粒子状で分散させたことを特徴とする高分子固体電解質フィルムが提供される。   According to another preferred embodiment of the present invention, a polymer solid electrolyte characterized in that a compound having an anion scavenging ability is dispersed in the form of particles in a film comprising a composition of an electrolyte salt and an ion conductive polymer. A film is provided.

本発明による高分子固体電解質フィルムは、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとアニオン捕捉能を有する化合物を含有してなり、伝導度を低下させることなく、高いカチオン輸率を有し、また、界面抵抗が小さく、かくして、本発明による高分子固体電解質フィルムは、例えば、リチウム二次電池等における固体電解質として好適に用いることができる。   The solid polymer electrolyte film according to the present invention contains an electrolyte salt, an ion conductive polymer and a compound having an anion scavenging ability, has a high cation transport number without lowering the conductivity, and has an interface resistance. Thus, the polymer solid electrolyte film according to the present invention can be suitably used as a solid electrolyte in, for example, a lithium secondary battery.

本発明による高分子固体電解質フィルムにおいて、イオン伝導性ポリマーとしては、従来より知られているものが制約なく用いられるが、そのようなイオン伝導性ポリマーとして、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリシロキサン、ポリホスファゼン等の直鎖状や分岐状のポリマーやこれらの架橋体を挙げることができる。   In the polymer solid electrolyte film according to the present invention, any conventionally known ion conductive polymer can be used without limitation. Examples of such ion conductive polymers include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and polyethylene oxide. -A linear or branched polymer such as a propylene oxide copolymer, polyacrylonitrile, polysiloxane, polyphosphazene, or a cross-linked product thereof.

また、本発明による高分子固体電解質フィルムにおいて、電解質塩としてはアルカリ金属塩が好ましく用いられ、なかでも、例えぱ、LiPF6、LiBF4、LiN(C25SO2)2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlF4、LiGaF4、LiInF4、LiClO4、LiN(CF3SO2 )2、LiCF3SO3、LiSiF6、LiN(CF3SO2)(C49SO2) 等のリチウム塩が好ましく用いられる。 Further, in the polymer solid electrolyte film according to the present invention, an alkali metal salt is preferably used as the electrolyte salt. Among them, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlF 4 , LiGaF 4 , LiInF 4 , LiClO 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiSiF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ) and other lithium A salt is preferably used.

本発明によれば、アニオン捕捉能を有する化合物として、ホウ素化合物、アルミニウム化合物及びガリウム化合物から選ばれる少なくとも1種が用いられる。ホウ素化合物としては、例えば、酸化ホウ素、窒化ホウ素、フッ化ホウ素、トリ(s−ブチル)ボラン、9−(イソプロピル)−9−ボラビシクロ〔3.3.1〕ノナン、クロロメチルボロン酸ジイソプロピル、〔(3,3,4,4−テトラメチル−2,5,1−ジオキサボリル)メチル〕マロン酸ジエチル、2−(シクロペンチル)−1,3,2−ベンゾジオキサボロール、2−(2,2−ジメチルシクロプロピル)−1,3,2−ベンゾジオキサボロール、(S)−2−ブチルボロン酸ジメチル、トリフェニルボラン、3−ピリジルジエチルボラン、ジメシチシルフルオロボラン、ジメシチルエチルボラン、トリス(ジメトキシボリル)メタン、トリス(エチレンジオキシボリル)メタン、9−トリフルオロメタンスルホニルオキシ−9−ボラビシクロ〔3.3.1〕ノナン、ジブチルボリルトリフラート、9−ブロモボラビシクロ〔3.3.1〕ノナン、9−メトキシ−9−ボラビシクロ〔3.3.1〕ノナン等を好ましい具体例として挙げることができる。   According to the present invention, at least one selected from a boron compound, an aluminum compound, and a gallium compound is used as the compound having anion scavenging ability. Examples of the boron compound include boron oxide, boron nitride, boron fluoride, tri (s-butyl) borane, 9- (isopropyl) -9-borabicyclo [3.3.1] nonane, diisopropyl chloromethylboronate, [ (3,3,4,4-tetramethyl-2,5,1-dioxaboryl) methyl] diethyl malonate, 2- (cyclopentyl) -1,3,2-benzodioxaborole, 2- (2,2 -Dimethylcyclopropyl) -1,3,2-benzodioxaborol, dimethyl (S) -2-butylboronate, triphenylborane, 3-pyridyldiethylborane, dimesitylfluoroborane, dimesitylethylborane, Tris (dimethoxyboryl) methane, tris (ethylenedioxyboryl) methane, 9-trifluoromethanesulfonyloxy-9 Borabicyclo [3.3.1] nonane, dibutylboryltriflate, 9-bromoborabicyclo [3.3.1] nonane, 9-methoxy-9-borabicyclo [3.3.1] nonane and the like are listed as preferred specific examples. be able to.

また、ボロキシンリング(ボロキシン環)を有するポリマー(以下、単に、ボロキシンポリマーということとする。)も好ましい具体例として挙げることができる。特に、本発明によれば、ボロキシンポリマーは、既に知られているように、ボロキシンリングがトリアルコキシボロキシン構造を有するものであることが好ましい。このように、ボロキシンリングがトリアルコキシボロキシン構造を有するボロキシンポリマー(以下、単に、トリアルコキシボロキシンポリマーということとする。)は、例えば、文献(Chemistry Letters、The Chemical Society of Japan (ケミストリー・レターズ、ザ・ケミカル・ソサイアティ・オブ・ジャパン)1997年第915頁)や特開平11−54151号公報等に記載されているように、テトラエチレングリコールとポリエチレングリコールモノメチルエーテルと酸化ホウ素とから合成することができる。   A polymer having a boroxine ring (boroxine ring) (hereinafter simply referred to as a boroxine polymer) can also be mentioned as a preferred specific example. In particular, according to the present invention, the boroxine polymer preferably has a boroxine ring having a trialkoxyboroxine structure as already known. Thus, a boroxin polymer having a trialkoxyboroxine structure in a boroxine ring (hereinafter simply referred to as trialkoxyboroxin polymer) is described in, for example, literature (Chemistry Letters, The Chemical Society of Japan (Chemistry).・ Letters, The Chemical Society of Japan (1997, page 915) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-54151, etc., synthesized from tetraethylene glycol, polyethylene glycol monomethyl ether, and boron oxide. can do.

アルミニウム化合物としては、トリ−n−プロピルアルミニウム、トリシクロプロピルアルミニウム、トリ−t−ブチルアルミニウム、トリベンジルアルミニウム、シクロペンタジエニルエチルアルミニウム、トリフェニルアルミニウム、ジメチルフェニルアルミニウム、水素化ジエチルアルミニウム、水素化ホウ素ジメチルアルミニウム、ブロモジエチルアルミニウム、ジヨードメチルアルミニウム、アジドジエチルアルミニウム、メトキシジメチルアルミニウム、ジメチル(フェノキシ)アルミニウム、ジエチル(プロパノアート)アルミニウム、ジメチル(1,3−ジフェニル−1,3−プロパンジオナート)アルミニウム、テトラエチル−μ−オキソジアルミニウム、エタンチオラートジエチルアルミニウム、(エチルアミノ)ジメチルアルミニウム、ジエチル(ジメチルアミノ)アルミニウム、(ジエチルアミノ)ジフェニルアルミニウム等を好ましい具体例として挙げることができる。また、これらを構造中に含むポリマーも好ましい具体例として挙げることができる。   Aluminum compounds include tri-n-propylaluminum, tricyclopropylaluminum, tri-t-butylaluminum, tribenzylaluminum, cyclopentadienylethylaluminum, triphenylaluminum, dimethylphenylaluminum, diethylaluminum hydride, hydrogenated Boron dimethylaluminum, bromodiethylaluminum, diiodomethylaluminum, azidodiethylaluminum, methoxydimethylaluminum, dimethyl (phenoxy) aluminum, diethyl (propanoate) aluminum, dimethyl (1,3-diphenyl-1,3-propanedionate) aluminum Tetraethyl-μ-oxodialuminum, ethanethiolate diethylaluminum, (ethylamino) dimethyl Le aluminum, diethyl (dimethylamino) aluminum, may be mentioned as preferred examples of (diethylamino) diphenyl aluminum. Moreover, the polymer which contains these in a structure can also be mentioned as a preferable specific example.

更に、ガリウム化合物としては、トリエチルガリウム、トリフェニルガリウム、クロロジエチルガリウム、クロロジフェニルガリウム、エトキシジエチルガリウム、アセチジノメチルガリウム、ジメチル(テトラヒドロボラート)ガリウム等を好ましい具体例として挙げることができる。また、これらを構造中に含むポリマーも好ましい具体例として挙げることができる。   Further, preferred examples of the gallium compound include triethyl gallium, triphenyl gallium, chlorodiethyl gallium, chlorodiphenyl gallium, ethoxydiethyl gallium, acetylidinomethyl gallium, dimethyl (tetrahydroborate) gallium, and the like. Moreover, the polymer which contains these in a structure can also be mentioned as a preferable specific example.

上述した種々の化合物のなかでも、本発明においては、アニオン捕捉能を有する化合物として、特に、ボロキシンポリマー又は酸化ホウ素が好ましく用いられる。   Among the various compounds described above, in the present invention, a boroxin polymer or boron oxide is particularly preferably used as the compound having an anion scavenging ability.

本発明による固体電解質フィルムは、イオン伝導性能を一層向上させるために、必要に応じて、非水系有機溶媒を含んでいてもよい。この非水系有機溶媒としては、前述したイオン伝導性ポリマーと電解質塩に対して相溶性のよいものであれぱ、特に限定されるものではないが、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等の環状エステル類、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状エステル類等を挙げることができる。これらは単独で、又は2種以上の混合物として用いることができる。   The solid electrolyte film according to the present invention may contain a non-aqueous organic solvent as necessary in order to further improve the ion conduction performance. The non-aqueous organic solvent is not particularly limited as long as it is compatible with the above-described ion conductive polymer and electrolyte salt. For example, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ -Cyclic esters such as butyrolactone, ethers such as tetrahydrofuran and dimethoxyethane, and chain esters such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. These can be used alone or as a mixture of two or more.

本発明による高分子固体電解質フィルムにおいて、電解質塩の配合量は、用いるイオン伝導性ポリマーに応じて、適宜に決定されるが、通常、得られる高分子電解質の10〜40重量%の範囲である。   In the solid polymer electrolyte film according to the present invention, the amount of the electrolyte salt is appropriately determined according to the ion conductive polymer to be used, but is usually in the range of 10 to 40% by weight of the obtained polymer electrolyte. .

本発明による高分子固体電解質フィルムは、上述したような電解質塩とイオン伝導性ポリマーとアニオン捕捉能を有する化合物を含有してなり、ここに、アニオン捕捉能を有する化合物は、フィルムの表面に例えば、層状に局在していてもよく、また、フィルム中に粒子状に均一に分散されていてもよい。   The polymer solid electrolyte film according to the present invention comprises the above-described electrolyte salt, an ion conductive polymer, and a compound having an anion scavenging ability, where the compound having an anion scavenging ability is, for example, on the surface of the film. It may be localized in a layered manner, or may be uniformly dispersed in the film in the form of particles.

本発明による好ましい一態様としての高分子固体電解質フィルムは、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムの表面に電解質塩とアニオン捕捉能を有する化合物との組成物からなる層を有し、ここに、好ましくは、上記電解質塩はリチウム塩であり、上記アニオン捕捉能を有する化合物は、ボロキシンポリマーである。   A solid polymer electrolyte film as a preferred embodiment according to the present invention has a layer comprising a composition of an electrolyte salt and a compound having an anion scavenging ability on the surface of a film comprising a composition of an electrolyte salt and an ion conductive polymer. Preferably, the electrolyte salt is a lithium salt, and the compound having an anion scavenging ability is a boroxine polymer.

特に、本発明によれば、上記ボロキシンポリマーとして、前述したように、トリアルコキシボロキシンポリマーであることが好ましい。ここに、このようなリチウム塩とトリアルコキシボロキシンポリマーからなる組成物は、それ自体が固体電解質である。   In particular, according to the present invention, the boroxin polymer is preferably a trialkoxy boroxine polymer as described above. Here, the composition comprising such a lithium salt and a trialkoxyboroxin polymer is itself a solid electrolyte.

即ち、本発明による好ましい一態様としての高分子固体電解質フィルムは、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムの表面にリチウム塩とボロキシンポリマー、好ましくは、トリアルコキシボロキシンポリマーからなる固体電解質の層を有するものである。このような高分子固体電解質フィルムにおいては、本発明によれば、リチウム塩とトリアルコキシボロキシンポリマーからなる固体電解質の層を有するリチウム塩数とボロキシンリング数の比率は、リチウム塩1に対して、ボロキシンリング数は、通常、1〜20の範囲であることが好ましい。   That is, the polymer solid electrolyte film as a preferred embodiment according to the present invention is formed from a lithium salt and a boroxine polymer, preferably a trialkoxyboroxine polymer on the surface of a film comprising a composition of an electrolyte salt and an ion conductive polymer. A solid electrolyte layer. In such a polymer solid electrolyte film, according to the present invention, the ratio of the number of lithium salts and the number of boroxine rings having a solid electrolyte layer composed of a lithium salt and a trialkoxyboroxine polymer is In general, the number of boroxine rings is preferably in the range of 1-20.

このように、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムの表面にリチウム塩とボロキシンポリマー、好ましくは、トリアルコキシボロキシンポリマーとからなる固体電解質の層をを有する高分子固体電解質フィルムは、例えば、次のようにして得ることができる。即ち、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとを適宜の揮発性有機溶媒に溶解させて溶液とし、この溶液を適宜の基材上に展開、加熱して、上記溶媒を揮散させることによって、先ず、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムを調製する。別に、リチウム塩とトリアルコキシボロキシンポリマーとを適宜の揮発性有機溶媒に溶解して溶液とし、この溶液を上記フィルムの表面に塗布した後、加熱し、上記溶媒を揮発させて、フィルムの表面に上記リチウム塩とトリアルコキシボロキシンポリマーからなる固体電解質の層を形成させる。   Thus, a solid polymer electrolyte having a solid electrolyte layer comprising a lithium salt and a boroxine polymer, preferably a trialkoxyboroxine polymer, on the surface of a film comprising a composition of an electrolyte salt and an ion conductive polymer The film can be obtained, for example, as follows. That is, an electrolyte salt and an ion conductive polymer are dissolved in an appropriate volatile organic solvent to form a solution, and this solution is spread on an appropriate substrate and heated to volatilize the solvent. A film comprising a composition of a salt and an ion conductive polymer is prepared. Separately, a lithium salt and trialkoxyboroxine polymer are dissolved in an appropriate volatile organic solvent to form a solution, and this solution is applied to the surface of the film, and then heated to volatilize the solvent, To form a solid electrolyte layer composed of the lithium salt and trialkoxyboroxine polymer.

電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムの表面にリチウム塩とトリアルコキシボロキシンポリマーとからなる固体電解質の層を有する高分子固体電解質フィルムは、特に、伝導率とカチオン輸率がいずれも高いうえに、界面抵抗が低く、従って、電池における固体電解質として有利に用いることができる。   A polymer solid electrolyte film having a solid electrolyte layer composed of a lithium salt and a trialkoxyboroxine polymer on the surface of a film composed of a composition of an electrolyte salt and an ion conductive polymer, in particular, has a conductivity and a cation transport number. Both of them are high and the interface resistance is low. Therefore, they can be advantageously used as a solid electrolyte in a battery.

また、本発明による別の好ましい一態様としての高分子固体電解質フィルムは、電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムにアニオン捕捉能を有する化合物を粒子状で分散させてなるものであり、このような高分子固体電解質フィルムは、例えば、電解質塩とイオン伝導性ポリマーと酸化ホウ素のようなアニオン捕捉能を有する化合物の粒子とを適宜の揮発性有機溶媒に加え、混合、攪拌して、電解質塩とイオン伝導性ポリマーの溶液中にアニオン捕捉能を有する化合物の粒子を分散させ、これを適宜の基材上に展開、加熱した後、上記溶媒を揮散させることによって得ることができる。このように、酸化ホウ素をリチウム塩とイオン伝導性ポリマーとからなるフィルム中に分散させた高分子固体電解質フィルムにおいては、リチウム塩とホウ素原子の比率は、リチウム塩1に対して、ホウ素原子数は、通常、1〜4の範囲である。   The polymer solid electrolyte film according to another preferred embodiment of the present invention is obtained by dispersing a compound having an anion scavenging ability in a particulate form in a film comprising a composition of an electrolyte salt and an ion conductive polymer. Such a polymer solid electrolyte film is prepared by adding, for example, an electrolyte salt, an ion conductive polymer, and particles of a compound having an anion capturing ability such as boron oxide to an appropriate volatile organic solvent, and mixing and stirring. Then, the particles of a compound having an anion scavenging ability are dispersed in a solution of an electrolyte salt and an ion conductive polymer, and this is spread on an appropriate substrate, heated, and then volatilized out of the solvent. . Thus, in the polymer solid electrolyte film in which boron oxide is dispersed in a film made of a lithium salt and an ion conductive polymer, the ratio of the lithium salt to the boron atom is the number of boron atoms relative to the lithium salt 1. Is usually in the range of 1-4.

本発明による高分子固体電解質フィルムは、不織布、多孔質膜、割布、メッシュ等の芯材を有することができる。このような高分子固体電解質フィルムは、例えば、前述したように、イオン伝導性ポリマーと電解質塩とを適宜の揮発性有機溶媒に溶解させて溶液とし、この溶液を上記芯材に含浸させた後、加熱し、上記溶媒を揮散させて、イオン伝導性ポリマーと電解質塩とからなるフィルムを調製した後、このフィルムの表面に、前述したように、リチウム塩とボロキシンポリマーとの組成物からなる層を形成させればよい。   The polymer solid electrolyte film according to the present invention can have a core material such as a nonwoven fabric, a porous membrane, a split fabric, and a mesh. For example, as described above, such a polymer solid electrolyte film is obtained by dissolving an ion conductive polymer and an electrolyte salt in an appropriate volatile organic solvent to form a solution, and impregnating the core material with the solution. After heating, volatilizing the solvent to prepare a film made of an ion conductive polymer and an electrolyte salt, the surface of the film is made of a composition of a lithium salt and a boroxine polymer as described above. A layer may be formed.

別の方法として、電解質塩とイオン伝導性ポリマーと酸化ホウ素のようなアニオン捕捉能を有する化合物の粒子とを適宜の揮発性有機溶媒に加え、混合、攪拌して、電解質塩とイオン伝導性ポリマーの溶液中にアニオン捕捉能を有する化合物の粒子を分散させ、この溶液を上記芯材に含浸させた後、加熱し、上記溶媒を揮散させればよい。   As another method, an electrolyte salt, an ion conductive polymer, and particles of a compound having an anion capturing ability such as boron oxide are added to an appropriate volatile organic solvent, mixed and stirred, and then the electrolyte salt and the ion conductive polymer are mixed. In this solution, particles of a compound having an anion scavenging ability are dispersed, and the core material is impregnated with the solution, followed by heating to volatilize the solvent.

本発明によるこのような高分子固体電解質フィルムは、例えば、電池やコンデンサの製造に有利に用いることができる。図1は、このような高分子固体電解質フィルムを用いるコイン型リチウム二次電池の縦断面図である。このリチウム二次電池においては、正極端子を兼ねる正極缶1は、例えば、ニッケルめっきを施したステンレス鋼板からなり、絶縁体2を介して、この正極缶と絶縁された負極端子を兼ねる負極缶3と組合わされて、電池缶(容器)を構成している。負極缶も、例えば、ニッケルめっきを施したステンレス鋼板からなる。   Such a polymer solid electrolyte film according to the present invention can be advantageously used, for example, in the production of batteries and capacitors. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a coin-type lithium secondary battery using such a polymer solid electrolyte film. In this lithium secondary battery, the positive electrode can 1 also serving as a positive electrode terminal is made of, for example, a nickel-plated stainless steel plate, and the negative electrode can 3 also serving as a negative electrode terminal insulated from the positive electrode can via an insulator 2. In combination with a battery can (container). The negative electrode can is also made of, for example, a stainless steel plate plated with nickel.

このようにして形成される電池缶の内部には、正極4が正極集電体5を介して正極缶に接触して配設されている。正極4は、例えば、リチウムマンガン複合酸化物のような正極活物質と黒鉛のような導電性物質をポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンのような結着樹脂と混合し、これを加圧成形して得ることができる。同様に、負極6が負極集電体7を介して負極缶に接触して配設されている。負極は、例えば、リチウム板からなる。これら正極と負極との間に、本発明による高分子固体電解質フィルム8が配設されて、電池を構成している。かくして、このような電池によれば、その正極缶と負極缶を端子として電気エネルギーを取り出すことができる。   Inside the battery can thus formed, the positive electrode 4 is disposed in contact with the positive electrode can via the positive electrode current collector 5. For example, the positive electrode 4 is prepared by mixing a positive electrode active material such as lithium manganese composite oxide and a conductive material such as graphite with a binder resin such as polyethylene, polypropylene, and polytetrafluoroethylene, and then pressing the mixture. Can be obtained. Similarly, the negative electrode 6 is disposed in contact with the negative electrode can via the negative electrode current collector 7. The negative electrode is made of, for example, a lithium plate. A polymer solid electrolyte film 8 according to the present invention is disposed between the positive electrode and the negative electrode to constitute a battery. Thus, according to such a battery, electric energy can be taken out using the positive electrode can and the negative electrode can as terminals.

以下に参考例と実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。以下において、高分子固体電解質フィルムの厚み、伝導率、カチオン輸率及び界面抵抗は以下のようにして測定した。   The present invention will be described below with reference examples and examples, but the present invention is not limited to these examples. In the following, the thickness, conductivity, cation transport number and interface resistance of the polymer solid electrolyte film were measured as follows.

(高分子固体電解質フィルムの厚み)
1/10000mmダイヤルゲージを用いて測定した。
(伝導率)
得られた高分子固体電解質フィルムをアルゴングローブボックス内で直径10mmの白金板で挟み込み、インピーダンス測定装置(プリンストン・アプライド・リサーチ社製263Aポテンショスタットと5210ロック・イン・アンプ)を用い、室温(23℃)にて複素インピーダンス法により高周波数側の円弧と低周波数側の直線との交点の実数成分インピーダンスを求め、以下の式により伝導率σ(S/cm)を算出した。
(Thickness of polymer solid electrolyte film)
Measurement was performed using a 1/10000 mm dial gauge.
(Conductivity)
The obtained polymer solid electrolyte film was sandwiched between platinum plates having a diameter of 10 mm in an argon glove box, and an impedance measuring device (263A potentiostat and 5210 lock-in amplifier manufactured by Princeton Applied Research) was used at room temperature (23 (° C.), the real component impedance at the intersection of the arc on the high frequency side and the straight line on the low frequency side was determined by the complex impedance method, and the conductivity σ (S / cm) was calculated by the following equation.

σ=d/(R・A)                               σ = d / (R · A)

ここに、dは試料の厚み(cm)、Rはインピーダンス(Ω)、Aは白金板の面積(cm2)である。 Here, d is the thickness (cm) of the sample, R is the impedance (Ω), and A is the area (cm 2 ) of the platinum plate.

(カチオン輸率)
直径15mm、厚み1mmのリチウム金属板を電極として使用し、この電極間に各実施例で得た高分子固体電解質フィルムを挟んだ。集電体(アルミニウムネット)をそれぞれ電極側に用いて、2016型コイン電池を作製した。この後、±10mVの交流電圧を印加し、複素インピーダンス法により電解質バルク抵抗Rbと界面抵抗Reに分離した。その後、10mVの直流電圧を印加し、電池を流れる電流の経時変化を測定して、初期電流値I(0)と定常状態電流値I(∞)を求め、以下の式によりカチオン輸率t+ を求めた。尚、測定は23℃でアルゴンゲローブボックス中で行った。
(Cation transport number)
A lithium metal plate having a diameter of 15 mm and a thickness of 1 mm was used as an electrode, and the polymer solid electrolyte film obtained in each example was sandwiched between the electrodes. A 2016-type coin battery was manufactured by using a current collector (aluminum net) on the electrode side. Thereafter, an AC voltage of ± 10 mV was applied, and the electrolyte bulk resistance Rb and the interface resistance Re were separated by a complex impedance method. Thereafter, a DC voltage of 10 mV is applied, the change with time of the current flowing through the battery is measured, the initial current value I (0) and the steady state current value I (∞) are obtained, and the cation transport number t + Asked. The measurement was performed at 23 ° C. in an argon glove box.

+ =〔I(∞){ΔV−I(0)Re}〕/〔I(0){ΔV−I(∞)Re}〕 t + = [I (∞) {ΔV−I (0) Re}] / [I (0) {ΔV−I (∞) Re}]

(界面抵抗)
カチオン輸率測定時の界面抵抗をそのまま用いた。
(Interface resistance)
The interface resistance at the time of measuring the cation transport number was used as it was.

参考例1
(トリアルコキシボロキシンポリマーの合成)
文献(Chemistry Letters、The Chemical Society of Japan (ケミストリー・レターズ、ザ・ケミカル・ソサイアティ・オブ・ジャパン)1997年第915頁)に記載の方法に従って、トリアルコキシボロキシンポリマーを合成した。即ち、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル(アルドリッチ社製)10gとテトラエチレングリコール(アルドリッチ社製)7.63gをテトラヒドロフラン75gに溶解させて溶液とし、これに酸化ホウ素(アルドリッチ社製)373gを加えた後、窒素気流下、120℃にて6時間加熱して、反応生成物として、透明で粘稠な液体を得た。次いで、この液体を減圧下に120℃で4時間攪拌して、テトラヒドロフランと生成水を除去して、トリアルコキシボロキシンポリマーを極めて粘稠な液体として得た。このようにして得られたトリアルコキシボロキシンポリマーについて、赤外線吸収スペクトルを測定すると共に、元素分析を行って、構造を確認した。即ち、ボロキシンリングが形成されており、このボロキシンリングにポリエチレンゲリコールモノメチルエーテルとテトラエチレングリコールがほぼ定量的に結合されていることを確認した。
Reference example 1
(Synthesis of trialkoxyboroxin polymer)
Trialkoxyboroxine polymers were synthesized according to the method described in the literature (Chemistry Letters, The Chemical Society of Japan, 1997, page 915). That is, 10 g of polyethylene glycol monomethyl ether (manufactured by Aldrich) and 7.63 g of tetraethylene glycol (manufactured by Aldrich) were dissolved in 75 g of tetrahydrofuran to obtain a solution. After adding 373 g of boron oxide (manufactured by Aldrich), It heated at 120 degreeC under airflow for 6 hours, and obtained the transparent and viscous liquid as a reaction product. Subsequently, this liquid was stirred at 120 ° C. under reduced pressure for 4 hours to remove tetrahydrofuran and generated water to obtain a trialkoxyboroxine polymer as a very viscous liquid. The trialkoxyboroxine polymer thus obtained was measured for an infrared absorption spectrum and subjected to elemental analysis to confirm the structure. That is, a boroxine ring was formed, and it was confirmed that polyethylene gericol monomethyl ether and tetraethylene glycol were almost quantitatively bound to this boroxine ring.

(トリアルコキシボロキシンポリマーとリチウム塩とからなる固体電解質(以下、トリアルコキシボロキシンポリマー電解質ということとする。)の調製)
上記トリアルコキシボロキシンポリマー1gとリチウム塩LiN(CF3SO2 )20.15gをテトラヒドロフラン9gに室温にて溶解させた後、テトラヒドロフランを減圧留去し、更に、40℃で12時間真空乾燥して、トリアルコキシボロキシンポリマー電解質を軟質の固体として得た。これはアルゴングローブボックス内に保存した。
(Preparation of solid electrolyte comprising trialkoxyboroxin polymer and lithium salt (hereinafter referred to as trialkoxyboroxin polymer electrolyte))
1 g of the above trialkoxyboroxine polymer and 0.15 g of the lithium salt LiN (CF 3 SO 2 ) 2 were dissolved in 9 g of tetrahydrofuran at room temperature, and then the tetrahydrofuran was distilled off under reduced pressure, followed by vacuum drying at 40 ° C. for 12 hours. Thus, a trialkoxyboroxin polymer electrolyte was obtained as a soft solid. This was stored in an argon glove box.

実施例1
リチウム塩LiN(CF3SO2 )25重量部、ポリエチレンオキサイド(アルドリッチ社製、分子量10万、直鎖状構造)20重量部及びアセトニトリル75重量部を混合し、60℃で攪拌して溶液を得た。この溶液をシャーレに展開し、その後、80℃にて3時間加熱乾燥し、60℃にて12時間真空乾燥を行って、厚み約80μmのフィルムを得た。
Example 1
5 parts by weight of a lithium salt LiN (CF 3 SO 2 ) 2, 20 parts by weight of polyethylene oxide (manufactured by Aldrich, molecular weight 100,000, linear structure) and 75 parts by weight of acetonitrile are mixed, and the solution is stirred at 60 ° C. Obtained. This solution was spread on a petri dish, and then heat-dried at 80 ° C. for 3 hours and vacuum-dried at 60 ° C. for 12 hours to obtain a film having a thickness of about 80 μm.

参考例1で得たトリアルコキシボロキシンポリマー電解質をテトラヒドロフランに溶解させ、これをワイヤーバーにて上記フィルムの両面に塗布し、40℃にて12時間真空乾燥して、本発明による高分子固体電解質フィルムを得た。これはアルゴングローブボックス内にて保存した。上記高分子固体電解質フィルムを透過型電子顕微鏡にてその表面を観察したところ、フィルムのいずれの表面にも、上記トリアルコキシボロキシンポリマー電解質からなる層が約1μm厚みに形成されていた。この高分子固体電解質フィルムについて、伝導率とカチオン輸率を測定した。結果を表1に示す。   The trialkoxyboroxine polymer electrolyte obtained in Reference Example 1 was dissolved in tetrahydrofuran, applied to both sides of the film with a wire bar, and vacuum-dried at 40 ° C. for 12 hours to obtain a polymer solid electrolyte according to the present invention. A film was obtained. This was stored in an argon glove box. When the surface of the polymer solid electrolyte film was observed with a transmission electron microscope, a layer made of the trialkoxyboroxine polymer electrolyte was formed to a thickness of about 1 μm on any surface of the film. About this polymer solid electrolyte film, the conductivity and the cation transport number were measured. The results are shown in Table 1.

実施例2
実施例1と同様にして、リチウム塩とポリエチレンオキサイドとからなるフィルムを調製した。参考例1で得たトリアルコキシボロキシンポリマー電解質をテトラヒドロフランに溶解させ、これをワイヤーバーにて上記フィルムの両面に塗布し、40℃にて12時間真空乾燥して、本発明による高分子固体電解質フィルムを得た。これはアルゴングローブボックス内にて保存した。上記高分子固体電解質フィルムを透過型電子顕微鏡にてその表面を観察したところ、フィルムのいずれの表面にも、上記トリアルコキシボロキシンポリマー電解質からなる層が約5μm厚みに形成されていた。この高分子固体電解質フィルムについて、伝導率とカチオン輸率を測定した。結果を表1に示す。
Example 2
In the same manner as in Example 1, a film composed of a lithium salt and polyethylene oxide was prepared. The trialkoxyboroxine polymer electrolyte obtained in Reference Example 1 was dissolved in tetrahydrofuran, applied to both sides of the film with a wire bar, and vacuum-dried at 40 ° C. for 12 hours to obtain a polymer solid electrolyte according to the present invention. A film was obtained. This was stored in an argon glove box. When the surface of the polymer solid electrolyte film was observed with a transmission electron microscope, a layer made of the trialkoxyboroxine polymer electrolyte was formed to a thickness of about 5 μm on any surface of the film. About this polymer solid electrolyte film, the conductivity and the cation transport number were measured. The results are shown in Table 1.

実施例3
リチウム塩LiN(CF3SO2 )25重量部、ポリエチレンオキサイド(アルドリッチ社製、分子量10万、直鎖状構造)20重量部及び粒状酸化ボラン(アルドリッチ社製)2重量部をアセトニトリル75重量部に加え、60℃で攪拌して、酸化ボラン粒子を分散させた溶液を得た。この溶液をシャーレに展開し、その後、80℃で3時間加熱乾燥し、60℃にて12時間真空乾燥させて、厚み約100μmの高分子固体電解質フィルムを得た。この高分子固体電解質フィルムについて、伝導率とカチオン輸率を測定した。結果を表1に示す。
Example 3
Lithium salt LiN (CF 3 SO 2 ) 2 5 parts by weight, polyethylene oxide (Aldrich, molecular weight 100,000, linear structure) 20 parts by weight and granular borane oxide (Aldrich) 2 parts by weight acetonitrile 75 parts by weight In addition, the solution was stirred at 60 ° C. to obtain a solution in which borane oxide particles were dispersed. This solution was spread on a petri dish, then heated and dried at 80 ° C. for 3 hours, and vacuum dried at 60 ° C. for 12 hours to obtain a polymer solid electrolyte film having a thickness of about 100 μm. About this polymer solid electrolyte film, the conductivity and the cation transport number were measured. The results are shown in Table 1.

比較例1
リチウム塩LiN(CF3SO2 )25重量部とポリエチレンオキサイド(アルドリッチ社製、粘度平均分子量10万、直鎖状構造)20重量部をアセトニトリル75重量部に加え、80℃で加温しながら攪拌して、溶液を得た。この溶液をシャーレに展開し、その後80℃にて3時間加熱乾燥し、60℃にて12時間真空乾燥して、厚み約20μmの高分子固体電解質フィルムを得た。その後、アルゴングローブボックス内に室温で保存した。この高分子固体電解質フィルムについて、伝導率とカチオン輸率を測定した。結果を表1に示す。
Comparative Example 1
While adding 5 parts by weight of a lithium salt LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and 20 parts by weight of polyethylene oxide (manufactured by Aldrich, viscosity average molecular weight 100,000, linear structure) to 75 parts by weight of acetonitrile, heating at 80 ° C. Stir to obtain a solution. This solution was spread on a petri dish, then dried by heating at 80 ° C. for 3 hours, and then vacuum dried at 60 ° C. for 12 hours to obtain a polymer solid electrolyte film having a thickness of about 20 μm. Then, it preserve | saved at room temperature in the argon glove box. About this polymer solid electrolyte film, the conductivity and the cation transport number were measured. The results are shown in Table 1.

比較例2
参考例1で得たトリアルコキシボロキシンポリマー電解質をテトラヒドロフランに溶解させて、溶液とし、この溶液をシャーレに展開し、その後80℃にて3時間加熱乾燥し、60℃にて12時間真空乾燥して、厚み約100μmのトリアルコキシボロキシンポリマー電解質フィルムを得た。その後、アルゴングローブボックス内に室温で保存した。このトリアルコキシボロキシンポリマー電解質フィルムについて、伝導率とカチオン輸率を測定した。結果を表1に示す。
Comparative Example 2
The trialkoxyboroxine polymer electrolyte obtained in Reference Example 1 is dissolved in tetrahydrofuran to form a solution. This solution is developed in a petri dish, then heated and dried at 80 ° C. for 3 hours, and then vacuum dried at 60 ° C. for 12 hours. Thus, a trialkoxyboroxine polymer electrolyte film having a thickness of about 100 μm was obtained. Then, it preserve | saved at room temperature in the argon glove box. The trialkoxyboroxine polymer electrolyte film was measured for conductivity and cation transport number. The results are shown in Table 1.

Figure 2005093376
Figure 2005093376

コイン型固体電解質二次電池の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of a coin type solid electrolyte secondary battery.

符号の説明Explanation of symbols

1…正極缶
2…絶縁体
3…負極缶
4…正極
5…正極集電体
6…負極
7…負極集電体
8…高分子固体電解質フィルム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode can 2 ... Insulator 3 ... Negative electrode can 4 ... Positive electrode 5 ... Positive electrode collector 6 ... Negative electrode 7 ... Negative electrode collector 8 ... Polymer solid electrolyte film

Claims (10)

電解質塩とイオン伝導性ポリマーとアニオン捕捉能を有する化合物を含有することを特徴とする高分子固体電解質フィルム。   A solid polymer electrolyte film comprising an electrolyte salt, an ion conductive polymer, and a compound having an anion scavenging ability. 電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムの表面に電解質塩とアニオン捕捉能を有する化合物との組成物からなる層を有せしめたことを特徴とする高分子固体電解質フィルム。   A polymer solid electrolyte film comprising a layer made of a composition of an electrolyte salt and a compound having an anion scavenging ability on the surface of the film made of a composition of an electrolyte salt and an ion conductive polymer. 電解質塩とイオン伝導性ポリマーとの組成物からなるフィルムにアニオン捕捉能を有する化合物を粒子状で分散させたことを特徴とする高分子固体電解質フィルム。   A polymer solid electrolyte film, wherein a compound having an anion scavenging ability is dispersed in the form of particles in a film comprising a composition of an electrolyte salt and an ion conductive polymer. アニオン捕捉能を有する化合物がホウ素化合物、アルミニウム化合物及びガリウム化合物から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載の高分子固体電解質フィルム。   The polymer solid electrolyte film according to claim 1, wherein the compound having an anion scavenging ability is at least one selected from a boron compound, an aluminum compound, and a gallium compound. アニオン捕捉能を有する化合物がボロキシンリングを有するポリマーである請求項1又は2に記載の高分子固体電解質フィルム。   The polymer solid electrolyte film according to claim 1 or 2, wherein the compound having an anion scavenging ability is a polymer having a boroxine ring. ボロキシンリングを有するポリマーがトリアルコキシボロキシン構造を有するものである請求項5に記載の高分子固体電解質フィルム。   The polymer solid electrolyte film according to claim 5, wherein the polymer having a boroxine ring has a trialkoxyboroxine structure. アニオン捕捉能を有する化合物が酸化ホウ素である請求項1又は3に記載の高分子固体電解質フィルム。   The polymer solid electrolyte film according to claim 1 or 3, wherein the compound having an anion scavenging ability is boron oxide. 電解質塩がアルカリ金属塩である請求項1から3のいずれかに記載の高分子固体電解質フィルム。   The polymer solid electrolyte film according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolyte salt is an alkali metal salt. 電解質塩がリチウム塩である請求項8に記載の高分子固体電解質フィルム。   The polymer solid electrolyte film according to claim 8, wherein the electrolyte salt is a lithium salt. 請求項1から9のいずれかに記載の高分子電解質フィルムを用いてなる電池。

A battery comprising the polymer electrolyte film according to claim 1.

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