JP2011211834A - Electrode film composed of carbon nanotube, alkali metal salt and/or alkaline earth metal salt, ionic liquid and polymer, solid electrolytic film, and actuator element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導電性及び高キャパシターを有する電極膜、高導電性を有する固体電解質膜及びアクチュエータ素子に関する並びにその製造法に関する。ここでアクチュエータ素子は、電気化学反応や電気二重層の充放電などの電気化学プロセスを駆動力とするアクチュエータ素子である。 The present invention relates to an electrode film having conductivity and a high capacitor, a solid electrolyte film having high conductivity, an actuator element, and a manufacturing method thereof. Here, the actuator element is an actuator element whose driving force is an electrochemical process such as electrochemical reaction or charge / discharge of an electric double layer.
空気中、あるいは真空中で作動可能なアクチュエータ素子として、カーボンナノチューブとイオン液体とのゲルを導電性があり、かつ伸縮性のある活性層として用いるアクチュエータが提案されている(特許文献1)。
しかし、アクチュエータの高速応答性や伸縮率に問題があり、高キャパシタンスの電極膜、高導電率の固体電解質膜を作製する技術が必要であった。
As an actuator element operable in air or in vacuum, an actuator using a carbon nanotube and ionic liquid gel as a conductive and stretchable active layer has been proposed (Patent Document 1).
However, there is a problem in the high-speed response and expansion / contraction rate of the actuator, and a technique for producing a high capacitance electrode film and a high conductivity solid electrolyte film is required.
本発明は、さらに性能の向上したアクチュエータを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide an actuator with further improved performance.
本発明は以上の問題点を解決するものであって、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩を用いることにより、キャスト法という簡便な方法でカーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体及びポリマーから構成される高キャパシタンスの電極膜を得ることが可能なことを発見し、またキャスト法という簡便な方法でアルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体及びポリマーから構成される固体電解質膜を得ることが可能なことを発見し、さらにアクチュエータの伸縮率が飛躍的に大きくなり、高速応答性が向上することを見出した。 The present invention solves the above-mentioned problems, and by using an alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, a carbon nanotube, an alkali metal salt and / or an alkaline earth metal can be obtained by a simple method called a casting method. It was discovered that a high capacitance electrode film composed of a metal salt, an ionic liquid and a polymer can be obtained, and an alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid and It has been found that a solid electrolyte membrane composed of a polymer can be obtained, and further, it has been found that the expansion / contraction ratio of the actuator is dramatically increased and the high-speed response is improved.
本発明は、以下の電極膜、固体電解質膜、アクチュエータ素子、またはその製造法を提供するものである。
項1. カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体及びポリマーから構成される電極膜。
項2. アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体及びポリマーから構成される固体電解質膜。
項3. 前記アルカリ金属塩がリチウム塩であり、前記アルカリ土類金属塩がカルシウム塩および/またはマグネシウム塩である、項1に記載の電極膜または項2に記載の固体電解質膜。
項4. 項1に記載の電極膜層と項2に記載の固体電解質膜層を有する積層体。
項5. 項4に記載の積層体を含むアクチュエータ素子。
項6. 項2に記載の固体電解質膜層の表面に、項1に記載の電極膜層が互いに絶縁状態で少なくとも2個形成され、当該電極膜層に電位差を与えることにより変形可能に構成されている項5に記載のアクチュエータ素子
項7. 以下の工程を含むことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法:
工程1:カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イ
オン液体、ポリマーおよび溶媒を含む分散液を調製する工程;
工程2:ポリマーおよび溶媒、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、必要に応じてさらにイオン液体を含む溶液を調製する工程;
工程3:工程1の分散液を用いる電極膜の形成と工程2の溶液を用いる固体電解質膜の形成を同時にあるいは順次行い、電極膜と固体電解質膜の積層体を形成する工程。
項8. 以下の工程を含むことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法:
工程1:カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む分散液を調製する工程;
工程2:ポリマーおよび溶媒、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、必要に応じてさらにイオン液体を含む溶液を調製する工程;
工程3:工程1の分散液を用いキャスト、印刷、塗布、押し出しまたは射出により、電極膜を形成、その後、必要に応じて、作製した電極膜の熱厚密化を行い、密度を大きくする工程、あるいは数枚の電極膜を熱圧着すると同時に厚密化し、密度を大きくする工程
工程4:工程2の分散液を用いキャスト、印刷、塗布、押し出しまたは射出により、固体電解質膜を形成する工程;
工程5:工程3で形成した電極膜と工程4で形成した固体電解質膜を、圧着により積層し、積層体を形成する工程。
項9. 以下の工程を含むことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法:
工程1:カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む分散液を調製する工程;
工程2:ポリマーおよび溶媒、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、必要に応じてさらにイオン液体を含む溶液を調製する工程;
工程3:工程1の分散液を用いキャスト後加熱により、電極膜を形成する工程
工程4:工程2の分散液を用いキャスト後加熱により、固体電解質膜を形成する工程;
工程5:工程3で形成した電極膜と工程4で形成した固体電解質膜を、圧着により積層し、積層体を形成する工程。
The present invention provides the following electrode membrane, solid electrolyte membrane, actuator element, or manufacturing method thereof.
Item 4. A laminate having the electrode film layer according to
Item 5. Item 5. An actuator element including the laminate according to Item 4.
Item 6. Item wherein at least two electrode film layers according to
Step 1: preparing a dispersion containing carbon nanotubes, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid, polymer and solvent;
Step 2: preparing a solution containing a polymer and a solvent, an alkali metal salt and / or an alkaline earth metal salt, and if necessary, an ionic liquid;
Step 3: A step of forming a laminated body of an electrode membrane and a solid electrolyte membrane by simultaneously or sequentially forming an electrode membrane using the dispersion liquid of
Item 8. An actuator element manufacturing method comprising the following steps:
Step 1: preparing a dispersion containing carbon nanotubes, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid, polymer and solvent;
Step 2: preparing a solution containing a polymer and a solvent, an alkali metal salt and / or an alkaline earth metal salt, and if necessary, an ionic liquid;
Process 3: A process of forming an electrode film by casting, printing, coating, extrusion, or injection using the dispersion liquid of
Step 5: A step of laminating the electrode film formed in
Item 9. An actuator element manufacturing method comprising the following steps:
Step 1: preparing a dispersion containing carbon nanotubes, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid, polymer and solvent;
Step 2: preparing a solution containing a polymer and a solvent, an alkali metal salt and / or an alkaline earth metal salt, and if necessary, an ionic liquid;
Step 3: Step of forming an electrode film by heating after casting using the dispersion of
Step 5: A step of laminating the electrode film formed in
本発明によれば、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩を用いることにより従来よりすぐれた高キャパシタンスの電極膜、高導電率の固体電解質膜を得ることができるため、キャパシタンス、イオン伝導性が向上し、応答が速やかになるとともに、素子の軽量化、あるいは素子の変形をより容易に行なうことができ、効率のよい変形応答のアクチュエータ素子を提供することができるようになった。 According to the present invention, by using an alkali metal salt and / or an alkaline earth metal salt, an electrode film having a higher capacitance and a solid electrolyte film having a higher conductivity can be obtained. As a result, the response becomes quicker, the element can be reduced in weight or the element can be more easily deformed, and an actuator element with an efficient deformation response can be provided.
本発明において、アクチュエータ素子の電極膜層に使用する電極膜には、カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体及びポリマーが使用される。 In the present invention, carbon nanotubes, alkali metal salts and / or alkaline earth metal salts, ionic liquids and polymers are used for the electrode films used for the electrode film layers of the actuator elements.
本発明に用いられるカーボンナノチューブは、グラフェンシートが筒形に巻いた形状から成る炭素系材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ(SWNT)と多層ナ
ノチューブ(MWNT)とに大別され、また、グラフェンシートの構造の違いからカイラル(らせん)型、ジグザグ型、およびアームチェア型に分けられるなど、各種のものが知られている。本発明には、このような所謂カーボンナノチューブと称されるものであれば、いずれのタイプのカーボンナノチューブも用いることができる。
The carbon nanotube used in the present invention is a carbon-based material having a shape in which a graphene sheet is wound into a cylindrical shape, and is roughly classified into single-walled nanotubes (SWNT) and multi-walled nanotubes (MWNT) based on the number of peripheral walls. Also, various types are known, such as being divided into a chiral type, a zigzag type, and an armchair type due to the difference in the structure of the graphene sheet. Any type of carbon nanotube can be used in the present invention as long as it is referred to as such a so-called carbon nanotube.
本発明で使用するカーボンナノチューブのアスペクト比は、104以上が好ましい。アスペクト比は大きければ大きいほど好ましいが、上限は、例えば106程度、107程度或いは108程度、である。カーボンナノチューブの長さは、通常1μm以上、好ましく
は50μm以上、さらに好ましくは200μm以上、特に500μm以上である。カーボンナノチューブの長さの上限は、特に限定されないが、例えば3mm程度である。
The aspect ratio of carbon nanotubes used in the present invention is preferably 10 4 or more. The larger the aspect ratio, the better. However, the upper limit is, for example, about 10 6, about 10 7, or about 10 8 . The length of the carbon nanotube is usually 1 μm or more, preferably 50 μm or more, more preferably 200 μm or more, and particularly 500 μm or more. The upper limit of the length of the carbon nanotube is not particularly limited, but is about 3 mm, for example.
実用に供されるカーボンナノチューブの好適な例として、一酸化炭素を原料として比較的量産が可能なHiPco(カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製)が挙げられるが、勿論、これに限定されるものではない。 A suitable example of carbon nanotubes for practical use is HiPco (manufactured by Carbon Nanotechnology Inc.), which can be relatively mass-produced using carbon monoxide as a raw material. Of course, it is limited to this. is not.
本発明の電極膜は、カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体及びポリマーから基本的に構成されるが、活性炭素繊維や補強材などを導電性などの特性をあまり損なわない範囲で加えることもできる。 The electrode film of the present invention is basically composed of carbon nanotubes, alkali metal salts and / or alkaline earth metal salts, ionic liquids, and polymers, but has characteristics such as activated carbon fibers and reinforcing materials that are less conductive. It can also be added as long as it is not impaired.
本発明で使用するアルカリ金属塩は、アルカリ金属とアニオンとの塩が挙げられ、アルカリ土類金属塩は、アルカリ土類金属とアニオンとの塩が挙げられる。アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムなどが挙げられ、リチウムが特に好ましい。アルカリ金属塩は単独でも2種以上を混合して用いてもよい。アルカリ土類金属としてはカルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウムが挙げられ、カルシウム、マグネシウムが好ましい。アルカリ土類金属塩は単独でも2種以上を混合して用いてもよい。また、アルカリ金属とアルカリ土類金属は、一方のみを用いてもよく、カチオンおよび/またはアニオンが異なる2種以上のアルカリ金属/アルカリ土類金属を混合して用いてもよい。アルカリ金属塩とアルカリ土類金属塩のアニオン成分は、イオン液体と同一であるか、或いは、イオン液体を形成し得るアニオンが好ましい。アルカリ金属塩とアルカリ土類金属塩のアニオン成分としては、テトラフルオロホウ酸イオン(BF4 -)、BF3CF3 -、BF3C2F5 -、BF3C3F7 -、BF3C4F9 -、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 -)、
ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン((CF3SO2)2N-)、ビス(フルオロメタンスルホニル)イミドイオン((FSO2)2N-)、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドイオン((CF3CF2SO2)2N-)、過塩素酸イオン(ClO4 -)、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)炭素酸イオン(CF3SO2)3C-)、トリフルオロメタンスルホン酸イオン
(CF3SO3 -)、ジシアンアミドイオン((CN)2N-)、トリフルオロ酢酸イオン(CF3COO-)
、有機カルボン酸イオンおよびハロゲンイオンが例示できる。
Examples of the alkali metal salt used in the present invention include a salt of an alkali metal and an anion, and examples of the alkaline earth metal salt include a salt of an alkaline earth metal and an anion. Examples of the alkali metal include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium and the like, and lithium is particularly preferable. Alkali metal salts may be used alone or in admixture of two or more. Examples of the alkaline earth metal include calcium, magnesium, strontium, and barium, and calcium and magnesium are preferable. Alkaline earth metal salts may be used alone or in admixture of two or more. Further, only one of the alkali metal and the alkaline earth metal may be used, or two or more kinds of alkali metal / alkaline earth metal having different cations and / or anions may be used in combination. The anion component of the alkali metal salt and the alkaline earth metal salt is preferably the same as the ionic liquid or an anion capable of forming the ionic liquid. The anionic component of the alkali metal salt and alkaline earth metal salts, tetrafluoroborate ion (BF 4 -), BF 3 CF 3 -, BF 3 C 2 F 5 -, BF 3 C 3 F 7 -, BF 3 C 4 F 9 -, hexafluorophosphate ion (PF 6 -),
Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ion ((CF 3 SO 2 ) 2 N − ), bis (fluoromethanesulfonyl) imide ion ((FSO 2 ) 2 N − ), bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide ion ((CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N − ), perchlorate ion (ClO 4 − ), tris (trifluoromethanesulfonyl) carbonic acid ion (CF 3 SO 2 ) 3 C − ), trifluoromethanesulfonic acid ion (CF 3 SO 3 − ) , dicyanamide ion ((CN) 2 N -) , trifluoroacetate ion (CF 3 COO -)
And organic carboxylate ions and halogen ions.
本発明に用いられるイオン液体(ionic liquid)とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温(室温)を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩であり、例えば0℃、好ましくは−20℃、さらに好ましくは−40℃で溶融状態を呈する塩である。また、本発明で使用するイオン液体はイオン導電性が高いものが好ましい。 The ionic liquid used in the present invention is also called a room temperature molten salt or simply a molten salt, and is a salt that exhibits a molten state in a wide temperature range including room temperature (room temperature). It is a salt that exhibits a molten state at ℃, preferably -20 ℃, more preferably -40 ℃. The ionic liquid used in the present invention preferably has a high ionic conductivity.
本発明においては、各種公知のイオン液体を使用することができるが、常温(室温)または常温に近い温度において液体状態を呈する安定なものが好ましい。本発明において用いられる好適なイオン液体としては、下記の一般式(I)〜(IV)で表わされるカチオン(好ましくは、イミダゾリウムイオン、第4級アンモニウムイオン)と、アニオン(X−)より成るものが挙げられる。 In the present invention, various known ionic liquids can be used, but a stable one that exhibits a liquid state at normal temperature (room temperature) or a temperature close to normal temperature is preferable. A suitable ionic liquid used in the present invention comprises a cation (preferably an imidazolium ion or a quaternary ammonium ion) represented by the following general formulas (I) to (IV) and an anion (X − ). Things.
[NRxH4−x]+ (III)
[PRxH4−x]+ (IV)
[NR x H 4-x ] + (III)
[PR x H 4-x ] + (IV)
上記の式(I)〜(IV)において、Rは炭素数1〜12の直鎖又は分枝を有するアルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が3〜12の直鎖又は分枝を有するアルキル基を示し、式(I)においてR1は炭素数1〜4の直鎖又は分枝を有するアルキル基または水素原子を示す。式(I)において、RとR1は同一ではないことが好ましい。式(III)および(IV)において、xはそれぞれ1〜4の整数である。式(III)および(IV)において、2つのR基は一緒になって3〜8員環、好ましくは5員環又は6員環の脂肪族飽和環式基を形成してもよい。 In the above formulas (I) to (IV), R is a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or a branched alkyl group or an ether bond, and the total number of carbon and oxygen is 3 to 12 In formula (I), R 1 represents a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or a hydrogen atom. In the formula (I), R and R 1 are preferably not the same. In formulas (III) and (IV), x is an integer of 1 to 4, respectively. In formulas (III) and (IV), the two R groups may be taken together to form a 3- to 8-membered, preferably 5- or 6-membered aliphatic saturated cyclic group.
炭素数1〜12の直鎖又は分枝を有するアルキル基としては、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシルなどの基が挙げられる。炭素数は好ましくは1〜8,より好ましくは1〜6である。 Examples of the linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, Examples include nonyl, decyl, undecyl, dodecyl and the like. Preferably carbon number is 1-8, More preferably, it is 1-6.
炭素数1〜4の直鎖又は分枝を有するアルキル基としては、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチルが挙げられる。 Examples of the linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, and t-butyl.
エーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が3〜12の直鎖又は分枝を有するアルキル基としては、CH2OCH3、CH2CH2OCH3、CH2OCH2CH3、CH2CH2OCH2CH3、(CH2)p(OCH2CH2)qOR2(
ここで、pは1〜4の整数、qは1〜4の整数、R2はCH3又はC2H5を表す)が挙げられる
。
Examples of the alkyl group having an ether bond and having a straight chain or a branched chain having a total number of carbon and oxygen of 3 to 12 include CH 2 OCH 3 , CH 2 CH 2 OCH 3 , CH 2 OCH 2 CH 3 and CH 2 CH 2. OCH 2 CH 3 , (CH 2 ) p (OCH 2 CH 2 ) q OR 2 (
Here, p is an integer of 1 to 4, q is an integer of 1 to 4, and R 2 represents CH 3 or C 2 H 5 .
アニオン(X−)としては、テトラフルオロホウ酸イオン(BF4 -)、BF3CF3 -、BF3C2F5 -、BF3C3F7 -、BF3C4F9 -、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 -)、ビス(トリフルオロメ
タンスルホニル)イミドイオン((CF3SO2)2N-)、ビス(フルオロメタンスルホニル)イミドイオン((FSO2)2N-)、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドイオン((CF3CF2SO2)2N-)、過塩素酸イオン(ClO4 -)、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)炭素酸イオン(CF3SO2)3C-)、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF3SO3 -)、ジシアンアミドイオン((CN)2N-)、トリフルオロ酢酸イオン(CF3COO-)、有機カルボン酸イオンおよびハロゲンイオンが例示できる。
As anions (X − ), tetrafluoroborate ion (BF 4 − ), BF 3 CF 3 − , BF 3 C 2 F 5 − , BF 3 C 3 F 7 − , BF 3 C 4 F 9 − , hexa Fluorophosphate ion (PF 6 − ), bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ion ((CF 3 SO 2 ) 2 N − ), bis (fluoromethanesulfonyl) imide ion ((FSO 2 ) 2 N − ), bis (pentafluoro Ethanesulfonyl) imide ion ((CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N − ), perchlorate ion (ClO 4 − ), tris (trifluoromethanesulfonyl) carbonic acid ion (CF 3 SO 2 ) 3 C − ), trifluoromethane Examples include sulfonate ions (CF 3 SO 3 − ), dicyanamide ions ((CN) 2 N − ), trifluoroacetate ions (CF 3 COO − ), organic carboxylate ions, and halogen ions.
これらのうち、イオン液体としては、例えば、カチオンが1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、[N(CH3)(CH3)(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、[N(CH3)(C2H5)(C2H5)(C2H4OCH3)]+、アニオンがハロゲンイオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン((CF3SO2)2N-)のものが、具体的に例示でき、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオンとビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン((CF3SO2)2N-)からなるイオン液体が特に好ましい。なお、カチオン及び/又はアニオンを2種以上使用し、融点をさらに下げることも可能である。 Among these, as the ionic liquid, for example, the cation is 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, [N (CH 3 ) (CH 3 ) (C 2 H 5 ) (C 2 H 4 OC 2 H 4 OCH 3 )] + , [N (CH 3 ) (C 2 H 5 ) (C 2 H 5 ) (C 2 H 4 OCH 3 )] + , anion is halogen ion, tetrafluoroborate ion, bis (trifluoromethanesulfonyl ) Imide ion ((CF 3 SO 2 ) 2 N − ) can be specifically exemplified, and 1-ethyl-3-methylimidazolium ion and bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ion ((CF 3 SO 2 ) 2 N - ) Is particularly preferred. In addition, it is possible to use two or more kinds of cations and / or anions to further lower the melting point.
ただし、これらの組み合わせに限らず、イオン液体であって、導電率が0.1Sm-1以上の
ものであれば、使用可能である。
However, the present invention is not limited to these combinations, and any ionic liquid that has a conductivity of 0.1 Sm −1 or more can be used.
本発明の電極膜は、カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体、ポリマー及び溶媒を含む溶液を調製し、得られた溶液をキャスト、印刷、塗布、押し出しまたは射出により行うことができる。必要に応じて、作製した電極膜の熱厚密化を行い、密度を大きくするか、あるいは数枚の電極膜を熱圧着すると同時に厚密化し、密度を大きくしてもよい。 The electrode film of the present invention is prepared by preparing a solution containing carbon nanotubes, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid, polymer and solvent, and casting, printing, applying, extruding or injecting the resulting solution. It can be carried out. If necessary, the produced electrode film may be thermally densified to increase the density, or several electrode films may be thermocompression bonded and simultaneously densified to increase the density.
固体電解質膜の形成は、ポリマーおよび溶媒、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、必要に応じてさらにイオン液体を含む分散液を用いキャスト、印刷、塗布、押し出しまたは射出により行うことができる。 Formation of the solid electrolyte membrane can be performed by casting, printing, coating, extrusion, or injection using a dispersion containing a polymer and a solvent, an alkali metal salt and / or an alkaline earth metal salt, and if necessary, an ionic liquid. .
ここで、電極膜及び固体電解質膜の形成に使用する前記溶媒は親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒を用いてもよい。 Here, the solvent used for forming the electrode membrane and the solid electrolyte membrane may be a mixed solvent of a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent.
親水性溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどのカーボネート類、テトラヒドロフランなどのエーテル類、アセトン、メタノール、エタノールなどの炭素数1〜3の低級アルコール、アセトニトリル等が挙げられる。疎水性溶媒としては、4−メチルペンタン−2−オンなどの炭素数5〜10のケトン類、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類、トルエン、ベンゼン、キシレンなどの芳香族炭化水素類、ヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族又は脂環式炭化水素類が挙げられる。
Examples of the hydrophilic solvent include carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate, ethers such as tetrahydrofuran,
本発明において、電極膜、固体電解質膜に用いられるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体[PVDF(HFP)]などの水素原子を有するフッ素化オレフィンとパーフッ素化オレフィンの共重合体、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの水素原子を有するフッ素化オレフィンのホモポリマー、パーフルオロスルホン酸(Nafion,ナフィオン)、ポリ−2−ヒドロキシエチルメタクリレート(poly-HEMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのポリ(メタ)アクリ
レート類、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)などが挙げられる。
In the present invention, the polymer used for the electrode membrane and the solid electrolyte membrane is a copolymer of a fluorinated olefin having a hydrogen atom and a perfluorinated olefin such as polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer [PVDF (HFP)]. Copolymers, homopolymers of fluorinated olefins having hydrogen atoms such as polyvinylidene fluoride (PVDF), perfluorosulfonic acid (Nafion), poly-2-hydroxyethyl methacrylate (poly-HEMA), polymethyl methacrylate (PMMA) And poly (meth) acrylates such as polyethylene oxide (PEO) and polyacrylonitrile (PAN).
アクチュエータ素子の電極膜層に使用される電極膜は、カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体ポリマー及びから構成される。電極膜層中のこれらの成分の好ましい配合割合は:
カーボンナノチューブ:
1〜98重量部、好ましくは33〜66重量部、より好ましくは17〜50重量部;
イオン液体:
1〜98重量部、好ましくは17〜50重量部、より好ましくは17〜50重量部;
アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩:
1〜98重量部、好ましくは33〜66重量部、より好ましくは5〜30重量部;
ポリマー:1〜98重量部、好ましくは33〜66重量部、より好ましくは17〜50重量部;
である。
The electrode film used for the electrode film layer of the actuator element is composed of carbon nanotubes, alkali metal salts and / or alkaline earth metal salts, ionic liquid polymers, and the like. The preferred blending ratio of these components in the electrode membrane layer is:
carbon nanotube:
1 to 98 parts by weight, preferably 33 to 66 parts by weight, more preferably 17 to 50 parts by weight;
Ionic liquid:
1 to 98 parts by weight, preferably 17 to 50 parts by weight, more preferably 17 to 50 parts by weight;
Alkali metal salts and / or alkaline earth metal salts:
1 to 98 parts by weight, preferably 33 to 66 parts by weight, more preferably 5 to 30 parts by weight;
Polymer: 1 to 98 parts by weight, preferably 33 to 66 parts by weight, more preferably 17 to 50 parts by weight;
It is.
電極膜の調製は、カーボンナノチューブ(CNT)、アルカリ金属塩および/またはアル
カリ土類金属塩、イオン液体、ポリマーを任意の割合で混合して実施することが可能である。得られた電極膜の強度の問題から、CNTは一定以上含まれるのがよい。
The electrode film can be prepared by mixing carbon nanotubes (CNT), alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid, and polymer in an arbitrary ratio. From the problem of the strength of the obtained electrode film, it is preferable that CNT is contained in a certain amount or more.
CNTとアルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体とポリマーを任
意の割合で攪拌などにより混合し、超音波処理を行うのが好ましい。超音波処理時間は、30分から15時間程度、好ましくは1時間〜7時間程度が挙げられる。
It is preferable to perform sonication by mixing CNT and alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid and polymer at an arbitrary ratio by stirring. The sonication time is about 30 minutes to 15 hours, preferably about 1 to 7 hours.
本発明の方法で製造するアクチュエータ素子としては、例えば、固体電解質膜層1を、
その両側から、カーボンナノチューブとイオン液体とポリマー及びアルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩を含む電極膜層(電極膜)2,2で挟んだ3層構造のものが挙
げられる(図2A) 。また、電極の表面伝導性を増すために、電極膜層2,2の外側にさらに固体電解質膜層3,3が形成された5層構造のアクチュエータ素子であってもよい(図2B) 。
As an actuator element manufactured by the method of the present invention, for example, the solid
From both sides, there is a three-layer structure sandwiched between electrode membrane layers (electrode membranes) 2 and 2 containing carbon nanotubes, ionic liquid, polymer, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt (Fig. 2A). . Further, in order to increase the surface conductivity of the electrode, it may be a five-layer actuator element in which solid
固体電解質膜層の表面に電極膜層を形成してアクチュエータ素子を得るには、固体電解質膜層の表面に電極膜を熱圧着すればよい。
固体電解質膜層の厚さは、5〜200μmであるのが好ましく、10〜100μmであるのがより
好ましい。電極膜層の厚さは、10〜500μmであるのが好ましく、50〜300μmであるのがより好ましい。また、各層の製膜にあたっては、スピンコート、印刷、スプレー等も用いることができる。さらに、押し出し法、射出法等も用いることができる。
In order to obtain an actuator element by forming an electrode film layer on the surface of the solid electrolyte membrane layer, the electrode film may be thermocompression bonded to the surface of the solid electrolyte membrane layer.
The thickness of the solid electrolyte membrane layer is preferably 5 to 200 μm, and more preferably 10 to 100 μm. The thickness of the electrode film layer is preferably 10 to 500 μm, and more preferably 50 to 300 μm. Moreover, spin coating, printing, spraying, etc. can also be used for film formation of each layer. Furthermore, an extrusion method, an injection method, or the like can also be used.
電極膜層の厚さは、10〜50nmであるのが好ましい。電極膜層は、CNT、アルカリ金属塩
および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体、ポリマーを構成される複数の薄膜を熱圧着などにより積層することもでき、1枚の薄膜からなっていてもよい。
The thickness of the electrode film layer is preferably 10 to 50 nm. The electrode film layer can be formed by laminating a plurality of thin films composed of CNT, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid, polymer, etc. by thermocompression bonding. Good.
このようにして得られたアクチュエータ素子は、電極間(電極は導電性薄膜層に接続されている)に0.5〜4Vの直流電圧を加えると、数秒以内に素子長の0.5〜1倍程度の変位を得ることができる。また、このアクチュエータ素子は、空気中あるいは真空中で、柔軟に作動することができる。 The actuator element thus obtained has an element length of 0.5 to 1 within a few seconds when a DC voltage of 0.5 to 4 V is applied between the electrodes (the electrodes are connected to the conductive thin film layer). Double displacement can be obtained. The actuator element can be flexibly operated in air or in vacuum.
このようなアクチュエータ素子の作動原理は、図3に示すように、固体電解質膜層1の表面に相互に絶縁状態で形成された電極膜層2,2に電位差がかかると、電極膜層2,2内のカーボンナノチューブ相とイオン液体相の界面に電気二重層が形成され、それによる界面応力によって、電極膜層2,2が伸縮するためである。図3に示すように、プラス極
側に曲がるのは、量子化学的効果により、カーボンナノチューブがマイナス極側でより大きくのびる効果があることと、現在よく用いられるイオン液体では、カチオン4のイオン半径が大きく、その立体効果によりマイナス極側がより大きくのびるからであると考えられる。図3において、4はイオン液体のカチオンを示し、5はイオン液体のアニオンを示
す。
As shown in FIG. 3, the operating principle of such an actuator element is that when a potential difference is applied to the electrode film layers 2 and 2 formed on the surface of the solid
上記の方法で得ることのできるアクチュエータ素子によれば、カーボンナノチューブとイオン液体とのゲルの界面有効面積が極めて大きくなることから、界面電気二重層におけるインピーダンスが小さくなり、カーボンナノチューブの電気伸縮効果が有効に利用される効果に寄与する。また、機械的には、界面の接合の密着性が良好となり、素子の耐久性が大きくなる。その結果、空気中、真空中で、応答性がよく変位量の大きい、且つ耐久性
のある素子を得ることができる。しかも、構造が簡単で、小型化が容易であり、小電力で作動することができる。
According to the actuator element that can be obtained by the above method, since the effective area of the interface between the gel of the carbon nanotube and the ionic liquid is extremely large, the impedance in the interfacial electric double layer is reduced, and the electrical stretching effect of the carbon nanotube is reduced. Contributes to effective use. Also, mechanically, the adhesion at the interface is good, and the durability of the device is increased. As a result, it is possible to obtain a durable element having a high responsiveness and a large amount of displacement in air or vacuum. Moreover, the structure is simple, the size can be easily reduced, and the apparatus can be operated with low power.
本発明のアクチュエータ素子は、空気中、真空中で耐久性良く作動し、しかも低電圧で柔軟に作動することから、安全性が必要な人と接するロボットのアクチュエータ(例えば、ホームロボット、ペットロボット、アミューズメントロボットなどのパーソナルロボットのアクチュエータ)、また、宇宙環境用、真空チェンバー内用、レスキュー用などの特殊環境下で働くロボット、また、手術デバイスやマッスルスーツなどの医療、福祉用ロボット、さらにはマイクロマシーンなどのためのアクチュエータとして最適である。 The actuator element of the present invention operates with durability in air and vacuum, and operates flexibly at a low voltage. Therefore, an actuator of a robot that contacts a person who needs safety (for example, a home robot, a pet robot, Actuators for personal robots such as amusement robots), robots that work in special environments such as space environments, in vacuum chambers and rescue, medical and welfare robots such as surgical devices and muscle suits, and micro Ideal as an actuator for machines.
特に、純度の高い製品を得るために、真空環境下、超クリーンな環境下での材料製造において、純度の高い製品を得るために、試料の運搬や位置決め等のためのアクチュエータの要求が高まっており、全く蒸発しないイオン液体を用いた本発明のアクチュエータ素子は、汚染の心配のないアクチュエータとして、真空環境下でのプロセス用アクチュエータとして有効に用いることができる。 In particular, in order to obtain high-purity products, in the production of materials in a vacuum environment and in an ultra-clean environment, there is an increasing demand for actuators for sample transportation and positioning in order to obtain high-purity products. In addition, the actuator element of the present invention using an ionic liquid that does not evaporate at all can be effectively used as an actuator for a process in a vacuum environment as an actuator that does not cause contamination.
なお、イオン伝導層表面への導電性薄膜層の形成は少なくとも2層必要であるが、図4
に示すように、平面状の固体電解質膜層1の表面に多数の電極膜層2を配置することにより、複雑な動きをさせることも可能である。このような素子により、蠕動運動による運搬や、マイクロマニピュレータなどを実現可能である。また、本発明のアクチュエータ素子の形状は、平面状とは限らず、任意の形状の素子が容易に製造可能である。例えば、図4に示すものは、径が1mm程度の固体電解質膜層1のロッドの周囲に4本の電極膜層2を形成したものである。この素子により、細管内に挿入できるようなアクチュエータが実現可能である。
Note that at least two conductive thin film layers are required on the surface of the ion conductive layer.
As shown in FIG. 2, it is possible to make a complicated movement by arranging a large number of electrode film layers 2 on the surface of the planar solid
以下、本発明を実施例に基づきより詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことは言うまでもない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these Examples.
<実験法の共通の説明>
1. 使用した薬品、材料
エチルメチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMITFSI)エチルメチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート(EMIBF4)
<Common explanation of experimental methods>
1. Chemicals and materials used Ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMITFSI) Ethylmethylimidazolium tetrafluoroborate (EMIBF 4 )
使用したカーボンナノチューブ:
実施例および比較例で用いたカーボンナノチューブは、一酸化炭素を原料として比較的量産が可能なHiPco(カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製)も使
用した。
使用したイオン伝導体用ベースポリマー:ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF(HFP)) (III)
Carbon nanotubes used:
As the carbon nanotubes used in Examples and Comparative Examples, HiPco (manufactured by Carbon Nanotechnology Inc.) capable of relatively mass production using carbon monoxide as a raw material was also used.
Base polymer for ionic conductor used: Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF (HFP)) (III)
使用した溶媒
N,N’-ジメチルアセトアミド(DMAc)
プロピレンカーボネート(PC)
メチルペンタノン(MP)
アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩:
Li[BF4], Li[TFSI], Mg[TFSI], Ca[TFSI]
Solvent used
N, N'-dimethylacetamide (DMAc)
Propylene carbonate (PC)
Methyl pentanone (MP)
Alkali metal salts and / or alkaline earth metal salts:
Li [BF4], Li [TFSI], Mg [TFSI], Ca [TFSI]
2.電極膜/固体電解質膜/電極膜の3層構造からなるアクチュエータ素子の変位測定方
法
2. Displacement measuring method of actuator element having three-layer structure of electrode membrane / solid electrolyte membrane / electrode membrane
図1に示す様にレーザー変位計を用い、素子を1mmx10mmの短冊状に切り取り、電圧を
加えた時の5mmの位置の変位を測定した。また伸縮率(ε)は
As shown in FIG. 1, a laser displacement meter was used to cut the element into 1 mm × 10 mm strips, and the displacement at a position of 5 mm when a voltage was applied was measured. The expansion / contraction rate (ε) is
L :電圧を印加しない時の素子長
D:素子の厚さ
δ:変位
L: Element length when no voltage is applied
D: Element thickness δ: Displacement
3.固体電解質導電率測定法
作成した固体電解質膜を直径7mmに切り取り、ステンレス製の電極で挟み込んで、インピーダンス測定を行った。
4.キャパシタンス測定
3. Solid Electrolyte Conductivity Measurement Method The prepared solid electrolyte membrane was cut into a diameter of 7 mm and sandwiched between stainless steel electrodes, and impedance measurement was performed.
4). Capacitance measurement
作成した電極フィルムを直径7mmに切り取り、ステンレス製の電極で挟み込んで、サイクリックボルタンメトリ法により、±0.5V、0.001V/sの条件で測定を行った。測定値は
電極フィルム中のカーボンナノチューブのグラム当りの容量値として(Fg-1)表した。
The prepared electrode film was cut to a diameter of 7 mm, sandwiched between stainless steel electrodes, and measured by the cyclic voltammetry method under the conditions of ± 0.5 V and 0.001 V / s. The measured value was expressed as a capacitance value per gram of carbon nanotubes in the electrode film (Fg −1 ).
5.電極、固体電解質、アクチュエータ素子フィルム厚測定
作成した電極フィルム、固体電解質膜、およびそれらの積層体からなるアクチュエータ素子フィルムの厚みは、マイクロメーターを用いて測定した。
5. Electrode, Solid Electrolyte, Actuator Element Film Thickness Measurement The thickness of the prepared electrode film, solid electrolyte membrane, and actuator element film composed of a laminate thereof was measured using a micrometer.
実施例1
電極膜の作製
CNT50mg、 PVdF(HFP) 80 mg EMIBF4 120 mg LiBF45.68mgを試料瓶にとり、溶媒DMAc 4mlを入れマグネティックスターラーで撹拌を3日間行う。さらに試料瓶を超音波分散(20KHz)1時間、その後、溶媒DMAc 5mlを入れマグネティックスターラーで撹拌を1日間行
い、超音波分散(20KHz)4時間してキャスト液を得た。その後、試料瓶を逆さまにしても
流れない程度に固化した。CNTが分散し、ネットワークを作ることによってゲル状になり
、固化したものと思われる。25mm角のテフロン(登録商標)型に上記キャスト液をそれぞれ2.4mlキャストし、温度55℃で一昼夜乾燥した。その後、温度を80℃にして減圧乾燥一
昼夜行い、電極膜を得た。
固体電解質膜の作製
PVdF(HFP) 200 mg EMIBF4 200 mg, LiBF4 9.47mgを試料瓶にとり、溶媒PC 500mg, MP 6mlを入れ、80℃で、撹拌を3時間行い、キャスト液を得た。25mm角のテフロン(
登録商標)型に上記キャスト液をそれぞれ0.5mlキャストし、室温で一昼夜乾燥した。そ
の後、温度を80℃にして減圧乾燥一昼夜行い、電解質膜を得た。共通実験法に従い測定した。この膜の特性を表1に示す。固体電解質膜は比較例1と比べて、導電率が飛躍的に上昇していることがわかる。
Example 1
Preparation of electrode film 50 mg of CNT, 80 mg of PVdF (HFP) EMIBF 4 120 mg LiBF 4 5.68 mg is put in a sample bottle, and 4 ml of solvent DMAc is put in it and stirred with a magnetic stirrer for 3 days. Further, the sample bottle was subjected to ultrasonic dispersion (20 KHz) for 1 hour, and then 5 ml of the solvent DMAc was added and stirred with a magnetic stirrer for 1 day, followed by ultrasonic dispersion (20 KHz) for 4 hours to obtain a cast solution. Thereafter, the sample bottle was solidified so as not to flow even if it was turned upside down. It seems that CNTs are dispersed and formed into a gel and solidified by forming a network. 2.4 ml of the cast solution was cast into 25 mm square Teflon (registered trademark) molds, and dried at a temperature of 55 ° C. for a whole day and night. Thereafter, the temperature was set to 80 ° C., and drying under reduced pressure was performed all day and night to obtain an electrode film.
Production of solid electrolyte membrane
PVdF (HFP) 200 mg EMIBF 4 200 mg, LiBF 4 9.47 mg was placed in a sample bottle, solvent PC 500 mg and MP 6 ml were added, and stirring was performed at 80 ° C. for 3 hours to obtain a casting solution. 25mm square Teflon (
0.5 ml of the cast solution was cast into a registered trademark mold and dried at room temperature for a whole day and night. Thereafter, the temperature was set to 80 ° C., and drying under reduced pressure was performed all day and night to obtain an electrolyte membrane. Measurements were made according to common experimental methods. The properties of this film are shown in Table 1. It can be seen that the conductivity of the solid electrolyte membrane is dramatically increased as compared with Comparative Example 1.
また2枚の電極膜と1枚の固体電解質膜を用い、共通実験法2による方法により作成したゲル電解質膜をサンドイッチにして70℃、60Nの圧力で1分間プレスすることによ
り、電極/固体電解質/電極複合体素子を作成した。電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表2に示す。また素子のキャパシタンスの結果を表1に示す。素子のキャパシタンス及び応答性能(高速応答)は比較例1と比べて飛躍的に上昇していることがわかる。
Also, by using two electrode membranes and one solid electrolyte membrane, sandwiching the gel electrolyte membrane prepared by the method of the common
実施例2
電極膜の作製
実施例1のうち、LiBF4 5.68mgを28.4mgに変更して行った。
固体電解質膜の作製
実施例1のうち、LiBF4 9.47mgを47.4mgに変更して行った。この膜の特性を表3に示す。固体電解質膜の導電率は比較例1と比べて、飛躍的に大きくなっていることがわかる。
電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表4に示す。また素子のキャパシタンスの結果を表3に示す。素子のキャパシタンス及び応答性能(高速応答)が比較例1と比べて飛躍的に上昇していることがわかる。
Example 2
Production of electrode film In Example 1, LiBF4 5.68 mg was changed to 28.4 mg.
Production of solid electrolyte membrane
In Example 1, 9.47 mg of LiBF4 was changed to 47.4 mg. Table 3 shows the characteristics of this film. It can be seen that the conductivity of the solid electrolyte membrane is dramatically increased as compared with Comparative Example 1.
Table 4 shows the displacement observed when a triangular wave voltage of ± 2.0 V having a different frequency was applied between the electrodes. Table 3 shows the result of the capacitance of the element. It can be seen that the capacitance and response performance (high-speed response) of the element are dramatically increased as compared with Comparative Example 1.
実施例3
電極膜の作製
実施例1のうち、LiBF4 5.68mgを56.8mgに変更して行った。
固体電解質膜の作製
実施例1のうち、LiBF4 9.47mgを94.7mgに変更して行った。
電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表6に示す。また素子のキャパシタンスの結果を表5に示す。素子のキャパシタンス及び応答性能が比較例1と比べて飛躍的に上昇していることがわかる。
Example 3
Production of electrode film In Example 1, LiBF4 5.68 mg was changed to 56.8 mg.
Production of solid electrolyte membrane
In Example 1, 9.47 mg of LiBF4 was changed to 94.7 mg.
Table 6 shows the displacement observed when a triangular wave voltage of ± 2.0 V having a different frequency was applied between the electrodes. Table 5 shows the result of the capacitance of the element. It can be seen that the capacitance and response performance of the device are dramatically increased as compared with Comparative Example 1.
比較例 1
電極膜の作製
実施例1のうち、LiBF4 5.68mgを0mgに変更して行った。
固体電解質膜の作製
実施例1のうち、LiBF4 9.47mgを0mgに変更して行った。この膜の特性を表7に示
す。実施例1―2の結果から、比較例1と比べ導電率が飛躍的も大きくなっていることがわかる。
電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表8に示す。また素子のキャパシタンスの結果を表7に示す。実施例1―2の結果から、素子のキャパシタンス及び応答性能(高速応答)が飛躍的に上昇していることがわかる。また実施例3の結果から、比較例1と比べて素子のキャパシタンス及び応答性能が飛躍的に上昇していることがわかる。
Comparative Example 1
Production of electrode film In Example 1, LiBF4 5.68 mg was changed to 0 mg.
Production of solid electrolyte membrane
In Example 1, 9.47 mg of LiBF4 was changed to 0 mg. The properties of this film are shown in Table 7. From the results of Example 1-2, it can be seen that the conductivity is dramatically increased as compared with Comparative Example 1.
Table 8 shows the displacement observed when a triangular wave voltage of ± 2.0 V having a different frequency was applied between the electrodes. Table 7 shows the result of the capacitance of the element. From the results of Example 1-2, it can be seen that the capacitance of the element and the response performance (high-speed response) are dramatically increased. From the results of Example 3, it can be seen that the capacitance and response performance of the device are dramatically increased as compared with Comparative Example 1.
実施例4
電極膜の作製
CNT50mg、 PVdF(HFP) 80 mg EMITFSI 237.2 mg LiTFSI 17.4mgを試料瓶にとり、
溶媒DMAc4mlを入れマグネティックスターラーで撹拌を3日間行った。さらに試料瓶を超音波分散(20KHz)1時間、その後、溶媒DMAc5mlを入れマグネティックスターラーで撹拌を1
日間行い、超音波分散(20KHz)4時間してキャスト液を得た。その後、試料瓶を逆さまに
しても流れない程度に固化した。CNTが分散し、ネットワークを作ることによってゲル状
になり、固化したものと思われる。25mm角のテフロン(登録商標)型に上記キャスト液をそれぞれ2.4mlキャストし、温度55℃で一昼夜乾燥した。その後、温度を80℃にして減圧
乾燥一昼夜行い、電極膜を得た。
固体電解質膜の作製
PVdF(HFP) 200 mg EMITFSI 395.3 mg LiTFSI 29.0mgを試料瓶にとり、溶媒PC 500mg, MP 6mlを入れ、80℃で、撹拌を3時間行い、キャスト液を得た。25mm角のテフロン(登録
商標)型に上記キャスト液をそれぞれ0.5mlキャストし、室温で一昼夜乾燥した。その後
、温度を80℃にして減圧乾燥一昼夜行い、電解質膜を得た。共通実験法に従い測定した、この膜の特性を表9に示す。固体電解質膜は比較例2と比べて、導電率が飛躍的に大きく
なっていることがわかる。
Example 4
Preparation of electrode film CNT 50mg, PVdF (HFP) 80mg EMITFSI 237.2mg LiTFSI 17.4mg in a sample bottle,
The solvent DMAc (4 ml) was added and stirring was performed with a magnetic stirrer for 3 days. Furthermore, the sample bottle was ultrasonically dispersed (20 KHz) for 1 hour, and then 5 ml of solvent DMAc was added and stirred with a magnetic stirrer.
The casting liquid was obtained by performing ultrasonic dispersion (20 KHz) for 4 hours. Thereafter, the sample bottle was solidified so as not to flow even if it was turned upside down. It seems that CNTs are dispersed and formed into a gel and solidified by forming a network. 2.4 ml of the cast solution was cast into 25 mm square Teflon (registered trademark) molds, and dried at a temperature of 55 ° C. for a whole day and night. Thereafter, the temperature was set to 80 ° C., and drying under reduced pressure was performed all day and night to obtain an electrode film.
Production of solid electrolyte membrane
PVdF (HFP) 200 mg EMITFSI 395.3 mg LiTFSI 29.0 mg was placed in a sample bottle, the solvent PC 500 mg and MP 6 ml were added, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours to obtain a casting solution. 0.5 ml of the above cast solution was cast into a 25 mm square Teflon (registered trademark) mold and dried at room temperature all day and night. Thereafter, the temperature was set to 80 ° C., and drying under reduced pressure was performed all day and night to obtain an electrolyte membrane. Table 9 shows the characteristics of this film measured according to the common experimental method. It can be seen that the conductivity of the solid electrolyte membrane is significantly higher than that of Comparative Example 2.
また2枚の電極膜及び1枚の固体電解質膜を用い、共通実験法2による方法により作成した固体電解質膜をサンドイッチにして70℃、60Nの圧力で1分間プレスすることに
より、電極/固体電解質/電極複合体素子を作成した。電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表10に示す。また素子のキャパシタンスの結果を表9に示す。また素子のキャパシタンス及び応答性能(高速応答)が比較例2と比べて飛躍的に上昇していることがわかる。
Also, by using two electrode membranes and one solid electrolyte membrane, sandwiching the solid electrolyte membrane prepared by the method of the common
実施例5
電極膜の作製
実施例4のうち、LiTFSI 17.4mgを52.2mgに変更して行った。
固体電解質膜の作製
実施例4のうち、LiTFSI 29.0mgを87.0mgに変更して行った。この膜の特性を表11に
示す。電解質膜は比較例2と比べて、導電率が飛躍的に大きくなっていることがわかる。電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表12に示す。また素子のキャパシタンスの結果を表11に示す。素子のキャパシタンス及び応答性能(高速応答)が飛躍的に上昇していることがわかる。
Example 5
Production of electrode film In Example 4, LiTFSI 17.4 mg was changed to 52.2 mg.
Production of solid electrolyte membrane
In Example 4, LiTFSI 29.0 mg was changed to 87.0 mg. The properties of this film are shown in Table 11. It can be seen that the conductivity of the electrolyte membrane is dramatically higher than that of Comparative Example 2. Table 12 shows the displacement observed when a triangular wave voltage of ± 2.0 V having a different frequency was applied between the electrodes. Table 11 shows the result of the capacitance of the element. It can be seen that the capacitance of the element and the response performance (high-speed response) are dramatically increased.
実施例6
電極膜の作製
実施例4のうち、LiTFSI 17.4mgを87.0mgに変更して行った。
固体電解質膜の作製
実施例4のうち、LiTFSI 29.0mgを145.0mgに変更して行った。
電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表14に示す。また素子のキャパシタンスの結果を表13に示す。素子のキャパシタンス及び応答性能が比較例2と比べて飛躍的に上昇していることがわかる。
Example 6
Production of electrode film In Example 4, LiTFSI 17.4 mg was changed to 87.0 mg.
Production of solid electrolyte membrane
In Example 4, LiTFSI 29.0 mg was changed to 145.0 mg.
Table 14 shows the displacement observed when a triangular wave voltage of ± 2.0 V having a different frequency was applied between the electrodes. Table 13 shows the result of the capacitance of the element. It can be seen that the capacitance and response performance of the device are dramatically increased as compared with Comparative Example 2.
実施例7
電極膜の作製
実施例4のうち、LiTFSI 17.4mgを174.0mgに変更して行った。
固体電解質膜の作製
実施例4のうち、LiTFSI 29.0mgを290.0mgに変更して行った。
電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表16に示す。また素子のキャパシタンスの結果を表15に示す。素子のキャパシタンス及び応答性能が比較例2と比べて飛躍的に上昇していることがわかる。
Example 7
Preparation of electrode film In Example 4, LiTFSI 17.4 mg was changed to 174.0 mg.
Production of solid electrolyte membrane
In Example 4, LiTFSI 29.0 mg was changed to 290.0 mg.
Table 16 shows the displacement observed when a triangular wave voltage of ± 2.0 V having a different frequency was applied between the electrodes. Table 15 shows the result of the capacitance of the element. It can be seen that the capacitance and response performance of the device are dramatically increased as compared with Comparative Example 2.
比較例 2
電極膜の作製
実施例2のうち、LiTFSI 17.4mgを0mgに変更して行った。
固体電解質膜の作製
実施例2のうち、LiTFSI 29.0mgを0mgに変更して行った。
この膜の特性を表17に示す。実施例4―5の結果から、固体電解質導電率が飛躍的も大きくなっていることがわかる。
Comparative Example 2
Production of electrode film In Example 2, LiTFSI 17.4 mg was changed to 0 mg.
Production of solid electrolyte membrane
In Example 2, LiTFSI 29.0 mg was changed to 0 mg.
The properties of this film are shown in Table 17. From the results of Example 4-5, it can be seen that the solid electrolyte conductivity is dramatically increased.
電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表18に示す。また素子のキャパシタンスの結果を表17に示す。
実施例5の結果から、素子のキャパシタンス及び応答性能(高速応答)が飛躍的に上昇していることがわかる。また実施例6−7の結果から、素子のキャパシタンス及び応答性能が飛躍的に上昇していることがわかる。
Table 18 shows the displacement observed when a triangular wave voltage of ± 2.0 V having a different frequency was applied between the electrodes. Table 17 shows the result of the capacitance of the element.
From the results of Example 5, it can be seen that the capacitance and response performance (high-speed response) of the device are dramatically increased. In addition, it can be seen from the results of Examples 6-7 that the capacitance and the response performance of the device are dramatically increased.
実施例8
電極膜の作製
CNT50mg、 PVdF(HFP) 80 mg EMITFSI 237.2 mg MgTFSI 35.4mgを試料瓶にとり、
溶媒DMAc4mlを入れマグネティックスターラーで撹拌を3日間行った。さらに試料瓶を超音波分散(20KHz)1時間、その後、溶媒DMAc5mlを入れマグネティックスターラーで撹拌を1
日間行い、超音波分散(20KHz)4時間してキャスト液を得た。その後、試料瓶を逆さまに
しても流れない程度に固化した。CNTが分散し、ネットワークを作ることによってゲル状
になり、固化したものと思われる。25mm角のテフロン(登録商標)型に上記キャスト液をそれぞれ2.4mlキャストし、温度55℃で一昼夜乾燥した。その後、温度を80℃にして減圧
乾燥一昼夜行い、電極膜を得た。
固体電解質膜の作製
PVdF(HFP) 200 mg EMITFSI 395.3 mg MgTFSI 59.1mgを試料瓶にとり、溶媒PC 500mg, MP 6mlを入れ、80℃で、撹拌を3時間行い、キャスト液を得た。25mm角のテフロン(登録
商標)型に上記キャスト液をそれぞれ0.5mlキャストし、室温で一昼夜乾燥した。その後
、温度を80℃にして減圧乾燥一昼夜行い、固体電解質膜を得た。共通実験法に従い測定した、この膜の特性を表19にまとめる。固体電解質膜は比較例2と比べて、導電率が飛躍
的も大きくなっていることがわかる。
Example 8
Preparation of electrode film CNT 50mg, PVdF (HFP) 80mg EMITFSI 237.2mg MgTFSI 35.4mg in a sample bottle,
The solvent DMAc (4 ml) was added and stirring was performed with a magnetic stirrer for 3 days. Furthermore, the sample bottle was ultrasonically dispersed (20 KHz) for 1 hour, and then 5 ml of solvent DMAc was added and stirred with a magnetic stirrer.
The casting liquid was obtained by performing ultrasonic dispersion (20 KHz) for 4 hours. Thereafter, the sample bottle was solidified so as not to flow even if it was turned upside down. It seems that CNTs are dispersed and formed into a gel and solidified by forming a network. 2.4 ml of the cast solution was cast into 25 mm square Teflon (registered trademark) molds, and dried at a temperature of 55 ° C. for a whole day and night. Thereafter, the temperature was set to 80 ° C., and drying under reduced pressure was performed all day and night to obtain an electrode film.
Production of solid electrolyte membrane
PVdF (HFP) 200 mg EMITFSI 395.3 mg MgTFSI 59.1 mg was placed in a sample bottle, the solvent PC 500 mg and MP 6 ml were added, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours to obtain a casting solution. 0.5 ml of the above cast solution was cast into a 25 mm square Teflon (registered trademark) mold and dried at room temperature all day and night. Thereafter, the temperature was set to 80 ° C., and drying under reduced pressure was performed all day and night to obtain a solid electrolyte membrane. The properties of this membrane, measured according to common experimental methods, are summarized in Table 19. It can be seen that the conductivity of the solid electrolyte membrane is dramatically higher than that of Comparative Example 2.
また2枚の電極膜及び1枚の固体電解質膜を用い、共通実験法2による方法により作成した固体電解質膜をサンドイッチにして70℃、60Nの圧力で1分間プレスすることに
より、電極/電解質/電極複合体素子を作成した。電極間に周波数の異なる±2.0Vの三角波電圧を加えた時に観測された変位を表20にまとめる。また素子のキャパシタンス及び応答性能(高速応答を含む)が比較例2と比べて飛躍的に上昇していることわかる。
Also, by using two electrode membranes and one solid electrolyte membrane, sandwiching the solid electrolyte membrane prepared by the method of the common
実施例9
電極膜の作製
CNT50mg、 PVdF(HFP) 80 mg EMITFSI 237.2 mg CaTFSI 18.2mgを試料瓶にとり、
溶媒DMAc4mlを入れマグネティックスターラーで撹拌を3日間行った。さらに試料瓶を超音波分散(20KHz)1時間、その後、溶媒DMAc5mlを入れマグネティックスターラーで撹拌を1
日間行い、超音波分散(20KHz)4時間してキャスト液を得た。その後、試料瓶を逆さまに
しても流れない程度に固化した。CNTが分散し、ネットワークを作ることによってゲル状
になり、固化したものと思われる。25mm角のテフロン(登録商標)型に上記キャスト液をそれぞれ2.4mlキャストし、温度55℃で一昼夜乾燥した。その後、温度を80℃にして減圧
乾燥一昼夜行い、電極膜を得た。
固体電解質膜の作製
PVdF(HFP) 200 mg EMITFSI 395.3 mg CaTFSI 30.3mgを試料瓶にとり、溶媒PC 500mg, MP 6mlを入れ、80℃で、撹拌を3時間行い、キャスト液を得た。25mm角のテフロン(登録
商標)型に上記キャスト液をそれぞれ0.5mlキャストし、室温で一昼夜乾燥した。その後
、温度を80℃にして減圧乾燥一昼夜行い、固体電解質膜を得た。共通実験法に従い測定した。この膜の特性を表21にまとめる。固体電解質膜は比較例2と比べて、導電率が飛躍
的も大きくなっていることがわかる。
Example 9
Preparation of electrode film CNT 50mg, PVdF (HFP) 80mg EMITFSI 237.2mg CaTFSI 18.2mg was put in a sample bottle,
The solvent DMAc (4 ml) was added and stirring was performed with a magnetic stirrer for 3 days. Furthermore, the sample bottle was ultrasonically dispersed (20 KHz) for 1 hour, and then 5 ml of solvent DMAc was added and stirred with a magnetic stirrer.
The casting liquid was obtained by performing ultrasonic dispersion (20 KHz) for 4 hours. Thereafter, the sample bottle was solidified so as not to flow even if it was turned upside down. It seems that CNTs are dispersed and formed into a gel and solidified by forming a network. 2.4 ml of the cast solution was cast into 25 mm square Teflon (registered trademark) molds, and dried at a temperature of 55 ° C. for a whole day and night. Thereafter, the temperature was set to 80 ° C., and drying under reduced pressure was performed all day and night to obtain an electrode film.
Production of solid electrolyte membrane
PVdF (HFP) 200 mg EMITFSI 395.3 mg CaTFSI 30.3 mg was placed in a sample bottle, the solvent PC 500 mg and MP 6 ml were added, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours to obtain a casting solution. 0.5 ml of the above cast solution was cast into a 25 mm square Teflon (registered trademark) mold and dried at room temperature all day and night. Thereafter, the temperature was set to 80 ° C., and drying under reduced pressure was performed all day and night to obtain a solid electrolyte membrane. Measurements were made according to common experimental methods. The properties of this film are summarized in Table 21. It can be seen that the conductivity of the solid electrolyte membrane is dramatically higher than that of Comparative Example 2.
また2枚の電極膜を用い、共通実験法3による方法により作成したゲル電解質膜をサンドイッチにして70℃、60Nの圧力で1分間プレスすることにより、電極/電解質/電
極複合体素子を作成した。電極間に周波数の異なる±2.0Vの方形波電圧を加えた時に観測された変位を表22にまとめる。また素子のキャパシタンスの結果を表21に示す。素子のキャパシタンス及び応答性能(高速応答を含む)が比較例2と比べて飛躍的に上昇していることがわかる。
In addition, an electrode / electrolyte / electrode composite element was prepared by sandwiching the gel electrolyte membrane prepared by the method according to the common
実施例10
電極膜の作製
実施例9のうち、CaTFSI 18.2mgを36.4mgに変更して行った。
電解質膜の作製
実施例9のうち、CaTFSI 30.3mgを60.6mgに変更して行った。この膜の特性を表23に
まとめる。電解質膜は比較例2と比べて、導電率が飛躍的に大きくなっていることがわかる。
電極間に周波数の異なる±2.0Vの方形波電圧を加えた時に観測された変位を表24にまとめる。また素子のキャパシタンスの結果を表23に示す。素子のキャパシタンス及び応答性能(高速応答を含む)が比較例2と比べて飛躍的に上昇していることがわかる。
Example 10
Preparation of electrode film In Example 9, CaTFSI was changed from 18.2 mg to 36.4 mg.
Preparation of electrolyte membrane
In Example 9, CaTFSI 30.3 mg was changed to 60.6 mg. The properties of this film are summarized in Table 23. It can be seen that the conductivity of the electrolyte membrane is dramatically higher than that of Comparative Example 2.
Table 24 summarizes the displacements observed when square wave voltages of ± 2.0 V with different frequencies were applied between the electrodes. Table 23 shows the result of the capacitance of the element. It can be seen that the capacitance and response performance (including the high-speed response) of the device are dramatically increased as compared with Comparative Example 2.
Claims (9)
工程1:カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む分散液を調製する工程;
工程2:ポリマーおよび溶媒、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、必要に応じてさらにイオン液体を含む溶液を調製する工程;
工程3:工程1の分散液を用いる電極膜の形成と工程2の溶液を用いる固体電解質膜の形成を同時にあるいは順次行い、電極膜と固体電解質膜の積層体を形成する工程。 An actuator element manufacturing method comprising the following steps:
Step 1: preparing a dispersion containing carbon nanotubes, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid, polymer and solvent;
Step 2: preparing a solution containing a polymer and a solvent, an alkali metal salt and / or an alkaline earth metal salt, and if necessary, an ionic liquid;
Step 3: A step of forming a laminated body of an electrode membrane and a solid electrolyte membrane by simultaneously or sequentially forming an electrode membrane using the dispersion liquid of Step 1 and a solid electrolyte membrane using the solution of Step 2.
工程1:カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む分散液を調製する工程;
工程2:ポリマーおよび溶媒、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、必要に応じてさらにイオン液体を含む溶液を調製する工程;
工程3:工程1の分散液を用いキャスト、印刷、塗布、押し出しまたは射出により、電極膜を形成、その後、必要に応じて、作製した電極膜の熱厚密化を行い、密度を大きくする工程、あるいは数枚の電極膜を熱圧着すると同時に厚密化し、密度を大きくする工程
工程4:工程2の分散液を用いキャスト、印刷、塗布、押し出しまたは射出により、固体電解質膜を形成する工程;
工程5:工程3で形成した電極膜と工程4で形成した固体電解質膜を、圧着により積層し、積層体を形成する工程。 An actuator element manufacturing method comprising the following steps:
Step 1: preparing a dispersion containing carbon nanotubes, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid, polymer and solvent;
Step 2: preparing a solution containing a polymer and a solvent, an alkali metal salt and / or an alkaline earth metal salt, and if necessary, an ionic liquid;
Process 3: A process of forming an electrode film by casting, printing, coating, extrusion, or injection using the dispersion liquid of Process 1, and then increasing the density by thermally densifying the produced electrode film as necessary. Alternatively, several electrode films are thermocompression-bonded and simultaneously densified to increase the density. Step 4: Step of forming a solid electrolyte membrane by casting, printing, coating, extruding, or injection using the dispersion liquid of Step 2;
Step 5: A step of laminating the electrode film formed in Step 3 and the solid electrolyte membrane formed in Step 4 by pressure bonding to form a laminate.
工程1:カーボンナノチューブ、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む分散液を調製する工程;
工程2:ポリマーおよび溶媒、アルカリ金属塩および/またはアルカリ土類金属塩、必要に応じてさらにイオン液体を含む溶液を調製する工程;
工程3:工程1の分散液を用いキャスト後加熱により、電極膜を形成する工程
工程4:工程2の分散液を用いキャスト後加熱により、固体電解質膜を形成する工程;
工程5:工程3で形成した電極膜と工程4で形成した固体電解質膜を、圧着により積層し、積層体を形成する工程。 An actuator element manufacturing method comprising the following steps:
Step 1: preparing a dispersion containing carbon nanotubes, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid, polymer and solvent;
Step 2: preparing a solution containing a polymer and a solvent, an alkali metal salt and / or an alkaline earth metal salt, and if necessary, an ionic liquid;
Step 3: Step of forming an electrode film by heating after casting using the dispersion of Step 1 Step 4: Step of forming a solid electrolyte membrane by heating after casting using the dispersion of Step 2;
Step 5: A step of laminating the electrode film formed in Step 3 and the solid electrolyte membrane formed in Step 4 by pressure bonding to form a laminate.
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