JP2015222666A - 非水系蓄電デバイス用表面処理材料 - Google Patents

非水系蓄電デバイス用表面処理材料 Download PDF

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Abstract

【課題】非水系蓄電デバイス材料の表面を処理することにより、正極活物質、負極活物質、セパレータ、導電材及び集電体と非水電解液との濡れ性を向上させ、低抵抗化が可能な表面処理材料の提供。【解決手段】正極材、負極材、セパレータ及び集電体など非水系蓄電デバイス材料の表面処理を行う表面処理剤として、ケイ素系官能基で修飾された修飾金属酸化物ナノ粒子を含む表面処理材料。好ましくは前記金属酸化物ナノ粒子は、オルガノシリカゾルである。【選択図】なし

Description

本発明は、リチウムイオン電池、キャパシタなどの非水系蓄電デバイス材料用の表面処理剤に係り、特に、正極、負極、セパレーター、導電材および集電体などの非水系蓄電デバイス材料と非水電解液との濡れ性を向上させる表面処理剤である修飾金属酸化物ナノ粒子に関する 。
近年、二酸化炭素削減などの環境問題の観点から、ハイブリッド自動車や電気自動車に対する期待が高まり、一部実用化されている。ハイブリッド自動車等に搭載する電源として、リチウム二次電池やキャパシタ等の電源装置の開発が盛んに進められている。
ハイブリッド自動車のような車載用途の電源装置では、高入出力密度化が重要な課題となっている。すなわち、自動車の発進時等における加速性能を確保するために電源装置のより一層の高出力化が重要視されており、さらには、回生によるエネルギーの有効活用を図るために入力特性の向上も要求されている。また、ハイブリッド自動車では、電気だけの動力源により都市部での走行が可能な、いわゆるデュアルモードの要望も高まりつつある。従って、入出力特性を向上させる電池技術は、このようなハイブリッド自動車の分野のみならず、種々の分野での実用化を図る上で、極めて重要な課題である。
従来リチウム二次電池では、活物質を含む合剤を集電体に塗工することで正負極板が形成されており、正負極板がセパレーターを介して捲回または積層された電極群が電池容器内に収容されている。車載用等の電源に用いられるリチウム二次電池では、入出力特性を向上させるために、携帯電話機器に使用される電池と比較して、正負極板の膜厚が薄くされ、かつ、大面積化が測られている。また、捲回式の電極群では、正負極板ともに帯状に形成され、合剤を塗工しない集電体露出部が少なくとも一側の長辺に連続して設けられている。正負極板の集電体露出部をそれぞれ電極群の互いに反対側に位置するようにし、双方の集電体露出部を集合溶接する集電手法が採用されている。帯状の正負極板に対して万遍なく電子の伝達経路を確保することにより、出力特性の向上を図ることができるものである。
また、正負極板の大面積化が図られたことで、携帯機器用途と比較して、電極表面での非水電解液の分布を均一化することが充放電特性の向上のために重要となる。例えば、正極合剤、負極合剤およびセパレーターのいずれかに耐熱多孔相を設けることで入出力のバランスのとれた電池を提供する技術が開示されている(特許文献1)。また、負極板やセパレーターと非水電解液との濡れ性を向上させる技術として、例えば、負極合剤中に界面活性剤の添加する技術(特許文献2)、セパレーターに界面活性剤を塗布する技術(特許文献3)、セパレーター表面をコロナ処理等することで電解液との濡れ性を向上させる技術(特許文献4)等が開示されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、耐熱多孔層が発電に寄与しないため、耐熱多孔層を形成した分で体積や重量あたりの充放電量を低下させることとなる。また、特許文献2〜特許文献3の技術では、負極合剤やセパレーターに添加された界面活性剤が短時間で溶出してしまい、十分な効果を得ることが難しくなる。特許文献4の技術では、コロナ処理等のために工程上煩雑な操作を要することとなる。従って、正負極板やセパレーターの非水電解液に対する濡れ性を簡便な手法で確実に向上させることができれば、入出力特性をバランスよく向上させることが期待される。
特開2007−200795号公報 特開2008−21415号公報 WO2006/123811公報 特開2007−179758号公報
本発明は上記事案に鑑み、非水電解液に対し濡れ性が高い表面処理材料で蓄電デバイス材料の表面を処理することにより、正極活物質、負極活物質、セパレーター、導電材及び集電体と非水電解液との濡れ性を向上させ、正極活物質、負極活物質及びセパレーターなどの低抵抗化を図り、これら材料を用いることにより、入出力特性に優れたリチウムイオン電池、キャパシタなどの非水系蓄電デバイスを提供することが可能な非水系蓄電デバイス用表面処理材料を提供することを目的とする
本発明者は、上記の様な従来技術の問題点に留意しつつ研究を進めた結果、非水電解液に対し濡れ性が高い特定の官能基で修飾された修飾金属酸化物ナノ粒子で、正極材、負極材、セパレーター、導電材及び集電体など非水系蓄電デバイス材料の表面処理を行うことにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明に至った。
すなわち本発明は、以下の構成からなることを特徴とし、上記課題を解決するものである。
非水系蓄電デバイス用表面処理材料であって、下記式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基で修飾された修飾金属酸化物ナノ粒子を含む非水系蓄電デバイス用表面処理材料。
{式中、Rは炭素数1〜20のアルキル基、Rは炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のエーテル結合を含むアルキル基又はテトラハイドロフルフリル基、Rは炭素数1〜6のアルキル基、Xは炭素数1〜5のアルキレン基、kは1〜30の整数、m及びnは0または1を表す。}
さらに本発明は、前記修飾金属酸化物ナノ粒子が、下記式(26)で表されるケイ素系官能基で、さらに修飾された非水系蓄電デバイス用表面処理材料である。
−X−Si(CH(−O−)3−m (26)
{式中、Rは、炭素数1〜20の直鎖又は分岐アルキル基、ビニル基、チオール基、アミノ基、塩素原子、アクリル基、メタクリル基、スチリル基、フェニル基、グリシドキシ基、3,4-エポキシシクロヘキシル基及びブロック化イソシアネート基からなる群から選ばれる官能基であり、Xは炭素数1〜5のアルキレン基あるいは直接結合であり、mは0又は1を表す。}
さらに本発明は、前記修飾金属酸化物ナノ粒子が、オルガノシリカゾルである非水系蓄電デバイス用表面処理材料である。
本発明の修飾金属酸化物ナノ粒子から誘導される表面処理剤で表面処理された非水系蓄電デバイス用材料を用いることで、非水電解液との濡れ性が向上して、低抵抗、かつ、信頼性の高い非水系蓄電デバイスを構築可能できる効果を奏する。
本発明において、非水系蓄電デバイス用表面処理材料は、下記式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基で修飾される修飾金属酸化物ナノ粒子を含む非水系蓄電デバイス用表面処理材料である。
{式中、Rは炭素数1〜20のアルキル基、Rは炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のエーテル結合を含むアルキル基又はテトラハイドロフルフリル基、Rは炭素数1〜6のアルキル基、Xは炭素数1〜5のアルキレン基、kは1〜30の整数、m及びnは0または1を表す。}
式(1)中、Rの炭素数1〜20のアルキル基としては、メチル基、エチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基などが挙げられる。
式(1)中、kは1〜30の整数である。
式(1)、(2)及び(3)中、Xは炭素数1〜5のアルキレン基としては、メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基が挙げられる。これらのうち、原料の入手のし易さを考慮するとトリメチレン基が好ましい。
式(1)、(2)及び(3)中、mは0または1である。
式(2)及び(3)中、Rの炭素数1〜10のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基など、炭素数1〜10のエーテル結合を含むアルキル基としては、メトキシエチル基、エトキシエチル基、メトキシエトキシエチル基、エトキシエトキシエチル基などが挙げられる。
式(2)及び(3)中、nは0または1である。
式(4)〜(25)中、Xは炭素数1〜5のアルキレン基としては、メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基が挙げられる。これらのうち、原料の入手のし易さを考慮するとトリメチレン基が好ましい。
式(18)及び(20)〜(22)中、Rの炭素数1〜6のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec‐ブチル基、tert‐ブチル基、ペンチル基などが挙げられる。
式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基の具体例としては、以下のものが挙げられる。
CH(OCHCHOCONHCHCHCHSi(−O−) (1−1)
(OCHCHOCONHCHCHCHSi(−O−) (1−2)
CH(OCHCHOCONHCHCHCHSi(−O−) (1−3)
CH(OCHCHOCONHCHCHCHSi(−O−) (1−4)
1225(OCHCHOCONHCHCHCHSi(−O−) (1−5)
1225(OCHCH11OCONHCHCHCHSi(−O−) (1−6)
1633(OCHCH15OCONHCHCHCHSi(−O−) (1−7)
1633(OCHCH29OCONHCHCHCHSi(−O−) (1−8)
1835(OCHCH10OCONHCHCHCHSi(−O−) (1−9)
1835(OCHCH20OCONHCHCHCHSi(−O−) (1−10)
CHOCOCH(CH)CHSCHCHCHSi(−O−) (2−1)
CHOCOCHCHSCHCHCHSi(−O−) (2−2)
CHOCHCHOCOCHCHSCHCHCHSi(−O−) (2−3)
CHOCHCHOCOCH(CH)CHSCHCHCHSi(−O−) (2−4)
CH(OCHCHOCOCH(CH)CHSCHCHCHSi(−O−) (2−5)
CH(OCHCHOCOCHCHSCHCHCHSi(−O−) (2−6)
CH(OCHCH3OCOCH(CH)CHSCHCHCHSi(−O−) (2−7)
CHOCOCH(CH)CHSOCHCHCHSi(−O−) (3−1)
CHOCOCHCHSOCHCHCHSi(−O−) (3−2)
CHOCHCHOCOCHCHSOCHCHCHSi(−O−) (3−3)
CHOCHCHOCOCH(CH)CHSOCHCHCHSi(−O−) (3−4)
CH(OCHCHOCOCH(CH)CHSOCHCHCHSi(−O−) (3−5)
CH(OCHCHOCOCHCHSOCHCHCHSi(−O−) (3−6)
CH(OCHCH3OCOCH(CH)CHSOCHCHCHSi(−O−) (3−7)
金属酸化物ナノ粒子としては、シリカ系ナノ粒子、アルミナ系ナノ粒子、チタニア系ナノ粒子、ジルコニア系ナノ粒子が挙げられる。好ましくは、それらのゾルである。即ち、シリカ系ゾル、アルミナ系ゾル、チタニア系ゾル、ジルコニア系ゾル等である。さらに好ましいのはシリカ系ゾルであり、特に好ましくはオルガノシリカ系ゾルである。
なお、オルガノゾルとは、表面改質をしたコロイダルシリカを有機溶媒にナノレベルで安定的に分散させたコロイド溶液であり、アルコール、ケトン、エーテル、トルエン等の各種有機溶媒に分散可能である。
具体的には日産化学社製のオルガノシリカゾル(メタノールシリカゾル、IPA−ST、IPA−ST、IPA−ST−UP、IPA−ST−ZL、EG−ST、NPC−ST−30、DMAC−ST、MEK−ST、MIBK−ST、PMA−ST及びPGM−ST)や扶桑化学社製の高純度オルガノシリカゾル(PL−1−IPA、PL−2L−PGME及びPL−2L−MEK)等が挙げられる。
これらは単独のみならず、複数で用いても良い。
本発明の修飾金属酸化物ナノ粒子は以下の製造方法により得られる。
すなわち、前記金属酸化物ナノ粒子に、前記式(1)〜(25)のケイ素系官能基を有するシランカップリング剤を添加して金属酸化物ナノ粒子上の水酸基と前記シランカップリング剤を反応させることによって得られる。また、チオエーテル基を有するシランカップリング剤の場合、酸化剤(例えば過酸化水素水など)を添加することにより、金属酸化物ナノ粒子上の水酸基と上記シランカップリング剤が結合すると同時に、チオエーテル基がスルホン基に酸化されて本発明の修飾金属酸化物ナノ粒子を得ることが出来る。
本発明の式(1)〜(25)に示されるケイ素系官能基を有するシランカップリング剤(SC1)は、以下の製造方法により得られる。
すなわち、水酸基やアミノ基を有する化合物とイソシアネート基を有するシランカップリング剤{例えば化合物(A)〜(B)}とを反応させることにより得ることが出来る。
3−イソシアナトプロピルトリエトキシシラン (A)
3−イソシアナトプロピルトリメトキシシラン (B)
あるいは、二重結合を有する化合物とチオール基を有するシランカップリング剤{例えば化合物(C)〜(E)}と反応させることにより得ることが出来る。
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン (C)
3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン (D)
3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン (E)
イソシアネート基を有するシランカップリング剤{例えば化合物(A)〜(B)}と水酸基やアミノ基を反応させる場合の溶媒としては、芳香族系溶媒:トルエン、キシレン等、エーテル系溶媒:ジエチルエーテル、テトラハイドロフラン及びジオキサン等、ケトン系溶媒:アセトン及びメチルエチルケトン等、エステル系溶媒:酢酸エチル、酢酸ブチル等、非プロトン溶媒:ジメチルスルホキサイド、N,N−ジメチルホルムアミド等及びこれらの混合溶媒等が挙げられる。
これらのうち好ましいのは、エステル系溶媒であり、これらの溶媒は1種又は2種以上で使用できる。また無溶媒でも良い。
チオール基を有するシランカップリング剤{例えば化合物(C)〜(E)}と二重結合を有する化合物を反応させる場合の溶媒としては、アルコール系溶媒:メタノール、エタノール、イソプロパンール、n−ブタノール、t−ブタノール、ペンタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール及び1,4−ブタンジオール等、芳香族系溶媒:トルエン、キシレン等、エーテル系溶媒:ジエチルエーテル、テトラハイドロフラン及びジオキサン等、ケトン系溶媒:アセトン及びメチルエチルケトン等、エステル系溶媒:酢酸エチル、酢酸ブチル等、非プロトン溶媒:ジメチルスルホキサイド、N,N−ジメチルホルムアミド等及びこれらの混合溶媒等が挙げられる。
これらのうち好ましいのは、エステル系溶媒、エーテル系溶媒であり、これらの溶媒は1種又は2種以上で使用できる。また無溶媒でも良い。
式(1)に示されるケイ素系官能基を有するシランカップリング剤(SC1)は、水酸基を有する化合物とイソシアネート基を有するシランカップリング剤とを反応させることにより得ることが出来る。
式(1)で表される化合物の原料である水酸基を持つ化合物の具体的な例としては、例えば、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールイソプロピルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル及びテトラエチレングリコールモノメチルエーテルなどが挙げられる。
また、三洋化成工業株式会社製の以下の商品:エマルミンCC−100、エマルミンCC−130、エマルミンCC−150、エマルミンCC−200、エマルミンCC−290、エマルミンCO−50、エマルミンCO−100、エマルミンCC−200、エマルミン40、エマルミン50、エマルミン110、エマルミン140、エマルミン180、エマルミン200、エマルミン240、エマルミンL−90−S、エマルミンL−380、エマルミンNL−70、エマルミンLS−80、エマルミンLS−90、エマルミンLS−100、エマルミンLS−110、サンノニックSS−70、サンノニックSS−90及びサンノニックSS−120なども挙げられる。
式(2)及び(3)に示されるケイ素系官能基を有するシランカップリング剤(SC1)は、二重結合を有する化合物とチオール基を有するシランカップリング剤と反応させることにより得ることが出来る。
式(2)及び(3)で表される化合物の原料である二重結合を持つ化合物の具体的な例としては、例えば、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、エチレングリコールモノメチルエーテルアクリレート、エチレングリコールモノメチルエーテルメタクリレート、エチレングリコールモノエチルエーテルアクリレート、エチレングリコールモノエチルメタクリレート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアクリレート、ジエチレングリコールモノメチルエーテルメタクリレート、テトラハイドロフルフリルアクリレート、テトラハイドロフルフリルメタクリレート、γ‐ブチロラクトンアクリレート及びγ‐ブチロラクトンメタアクリレートなどが挙げられる。
式(4)〜(25)に示されるケイ素系官能基を有するシランカップリング剤(SC1)は、水酸基又はアミノ基を有する化合物とイソシアネート基を有するシランカップリング剤とを反応させること又は二重結合を有する化合物とチオール基を有するシランカップリング剤と反応させることにより得ることが出来る。
式(4)〜(25)で表される化合物の原料である水酸基やアミノ基あるいは二重結合を持つ化合物としては、例えば、グリセロール1,2−カーボネート、ビニレンカーボネート、4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、α−ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、3−ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、テトラヒドロ−3−フランメタノール、2,3−ジヒドロフラン、2,5−ジヒドロフラン、テトラハイドロピラン−2−メタノール、テトラハイドロフルフリルアミン、フルフリルアルコール、フルフリルアミン、フラン−3−メタノール、1−メチル−2−ピペリジンメタノール、1−メチル−3−ピペリジンメタノール、3−ヒドロキシ−1−メチルピペリジン、1−エチル−3−ヒドロキシピペリジン、4−ヒドロキシ−1−メチルピペリジンなどが挙げられる。
上記ケイ素系官能基を有するシランカップリング剤(SC1)の例としては以下のものが挙げられる。
CH(OCHCHOCONHCHCHCHSi(OC (1−1’)
(OCHCHOCONHCHCHCHSi(OC (1−2’)
CH(OCHCHOCONHCHCHCHSi(OC (1−3’)
CH(OCHCHOCONHCHCHCHSi(OC (1−4’)
1225(OCHCHOCONHCHCHCHSi(OC (1−5’)
1225(OCHCH11OCONHCHCHCHSi(OC (1−6’)
1633(OCHCH15OCONHCHCHCHSi(OC (1−7’)
1633(OCHCH29OCONHCHCHCHSi(OC (1−8’)
1835(OCHCH10OCONHCHCHCHSi(OC (1−9’)
1835(OCHCH20OCONHCHCHCHSi(OC (1−10’)
CHOCOCH(CH)CHSCHCHCHSi(OCH (2−1’)
CHOCOCHCHSCHCHCHSi(OCH (2−2’)
CHOCHCHOCOCHCHSCHCHCHSi(OCH (2−3’)
CHOCHCHOCOCH(CH)CHSCHCHCHSi(OCH (2−4’)
CH(OCHCHOCOCH(CH)CHSCHCHCHSi(OCH (2−5’)
CH(OCHCHOCOCHCHSCHCHCHSi(OCH (2−6’)
CH(OCHCH3OCOCH(CH)CHSCHCHCHSi(OCH (2−7’)
金属酸化物ナノ粒子に式(1)〜(25)のケイ素系官能基を有するシランカップリング剤を反応させる場合の溶媒としては、アルコール系溶媒:メタノール、エタノール、イソプロパンール、n−ブタノール、t−ブタノール、ペンタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール及び1,4−ブタンジオール等、エーテル系溶媒:ジエチルエーテル、テトラハイドロフラン及びジオキサン等、ケトン系溶媒:アセトン及びメチルエチルケトン等、非プロトン溶媒:ジメチルスルホキサイド、N,N−ジメチルホルムアミド等及びこれらの混合溶媒等が挙げられる。
これらのうち好ましいのは、アルコール系溶媒であり、これらの溶媒は1種又は2種以上で使用できる。
溶媒に対する原料の金属酸化物ナノ粒子の濃度は1〜50重量%であり、好ましくは1〜30重量%である。
金属酸化物ナノ粒子に対する式(1)〜(25)のケイ素系官能基を有するシランカップリング剤の量は金属酸化物ナノ粒子1gに対して0.1〜12mmolであり、好ましくは2.0〜11mmolである。
0.1mmol未満であると式(1)〜(25)のケイ素系官能基の濃度が低すぎ、非水電解液に対する濡れ性効果が低下し、12mmolを超えると金属酸化物上のシラノールが不足して前記シランカップリング剤どうしが自己縮合する化合物が生成する可能性があり好ましくない。
式(1)〜(25)のケイ素系官能基を有するカップリング剤を添加する際の温度は限定されないが、常温(約20℃)から沸点が好ましい。
反応温度も限定されないが、常温(約20℃)から沸点が好ましい。
反応時間も限定されないが、10分から48時間が好ましく、6時間から24時間が特に好ましい。
本発明の修飾金属酸化物ナノ粒子は、下記式(26)で表されるケイ素系官能基で、さらに修飾されてもよい。
−X−Si(CH(−O−)3−m (26)
{式中、Rは、炭素数1〜20の直鎖又は分岐アルキル基、ビニル基、チオール基、アミノ基、塩素原子、アクリル基、メタクリル基、スチリル基、フェニル基、グリシドキシ基、3,4-エポキシシクロヘキシル基及びブロック化イソシアネート基からなる群から選ばれる官能基であり、Xは炭素数1〜5のアルキレン基あるいは直接結合であり、mは0又は1を表す。}
また、本発明の修飾金属酸化物ナノ粒子は、式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基で修飾された修飾金属酸化物ナノ粒子と式(26)で表されるシリカ系官能基で修飾された修飾金属酸化物ナノ粒子との混合組成物として用いることもできる。
上記式(26)において、Rの炭素数1〜20の直鎖又は分岐アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、オクチル基及びオクタデシル基等が挙げられる。これらのうちコスト及び原料入手の点を考慮すると、好ましくはメチル基、オクチル基及びオクタデシル基である。
の炭素数1〜5のアルキレン基としてはメチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基等が挙げられる。これらのうちコスト及び原料入手の点を考慮すると、好ましくは、プロピレン基である。
式(26)で表されるケイ素系官能基の具体例としては、以下のものが挙げられる。
CHSi(−O−) (SC2−1)
CHSi(−O−) (SC2−2)
17Si(−O−) (SC2−3)
17Si(−O−) (SC2−4)
1837Si(−O−) (SC2−5)
1837Si(−O−) (SC2−6)
CH=CHSi(−O−) (SC2−7)
CH=CHSi(−O−) (SC2−8)
NCHCHCHSi(−O−) (SC2−9)
NCHCHCHSi(−O−) (SC2−10)
ClCHCHCHSi(−O−) (SC2−11)
SHCHCHCHSi(−O−) (SC2−12)
SHCHCHCHSi(CH)(−O−) (SC2−13)
CH=CHCOOCHCHCHSi(−O−) (SC2−14)
CH=C(CH)COOCHCHCHSi(−O−) (SC2−15)
Si(−O−) (SC2−16)
(COOC)CH−CONHCHCHCHSi(−O−) (SC2−18)

さらに式(26)で表されるケイ素系官能基で修飾された修飾金属酸化物ナノ粒子は、以下の製造方法により得られる。
すなわち、式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基で修飾された修飾金属酸化物ナノ粒子に、シランカップリング剤(SC2)を添加して金属酸化物ナノ粒子上のシラノールとシランカップリング剤(SC2)を反応させることによって得られる。シランカップリング剤(SC2)は、金属酸化物ナノ粒子の水酸基と縮合反応する。
また、金属酸化物ナノ粒子に式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基を有するシランカップリング剤(SC1)とシランカップリング剤(SC2)を同時に反応させることもできる。
また、式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基を有するシランカップリング剤(SC1)とシランカップリング剤(SC2)をそれぞれ個別に金属酸化物ナノ粒子と反応させた後、それらを混合することによっても得ることが出来る。
シランカップリング剤(SC2)の例としては以下のものが挙げられる。
CHSi(OCH (SC2−1’)
CHSi(OC (SC2−2’)
17Si(OCH (SC2−3’)
17Si(OC (SC2−4’)
1837Si(OCH (SC2−5’)
1837Si(OC (SC2−6’)
CH=CHSi(OCH (SC2−7’)
CH=CHSi(OC (SC2−8’)
NCHCHCHSi(OCH (SC2−9’)
NCHCHCHSi(OC (SC2−10’)
ClCHCHCHSi(OCH (SC2−11’)
SHCHCHCHSi(OCH (SC2−12’)
SHCHCHCHSi(CH)(OCH (SC2−13’)
CH=CHCOOCHCHCHSi(OCH (SC2−14’)
CH=C(CH)COOCHCHCHSi(OCH (SC2−15’)
Si(OCH (SC2−16’)
Si(OC (SC2−17’)
(COOC)CH−CONHCHCHCHSi(OC (SC2−18’)

式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基で修飾された修飾金属酸化物ナノ粒子に、シランカップリング剤(SC2)を添加して金属酸化物ナノ粒子上のシラノールとシランカップリング剤(SC2)を反応させる場合、金属酸化物ナノ粒子に式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基を有するシランカップリング剤(SC1)とシランカップリング剤(SC2)を同時に反応させる場合、式(26)で表されるケイ素系官能基を有するシランカップリング剤(SC2)を金属酸化物ナノ粒子と反応さる場合の反応条件は以下のとおりである。
シランカップリング剤(SC2)の添加量は、原料の金属酸化物ナノ粒子1gに対して通常0.01〜12.0mmolであり、好ましくは、0.1〜12.0mmolである。
上記範囲であると、ケイ素系化合物が有する特性(例えば、非水系蓄電デバイス材料に対する分散性、濡れ性や定着性)がより発揮できる。
シランカップリング剤(SC2)を添加する際の温度は限定されないが、常温(約20℃)から沸点が好ましい。
反応温度も限定されないが、常温(約20℃)から沸点が好ましい。
反応時間も限定されないが、2〜48時間が好ましく、8〜24時間が特に好ましい。
式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基で又は式(1)〜(25)及び式(26)で表されるケイ素系官能基で修飾された本発明の修飾金属酸化物ナノ粒子は、上記製造方法により製造した場合、ゾル溶液として得られる。
以下に実施例を示し、本発明を具体的に説明する。実施例は、本発明を説明するものであり、制限を加えるものではない。以下特記しない限り、部は重量部を意味する。
〔実施例1〕
SC1化合物(1−3’)1.03g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.22gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No1−3の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例2〕
実施例1で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No1−3とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例3〕
SC1化合物(1−5’)2.08g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール43.17gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No1−5の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例4〕
実施例3で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No1−5とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例5〕
SC1化合物(2−1’)0.74g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.51gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No2−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例6〕
実施例5で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No2−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例7〕
SC1化合物(2−1’)0.74g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール43.01gに溶解及び分散させ水1.75g及び過酸化水素水1.5gを加えて24時間加熱還流させることにより、No3−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例8〕
実施例7で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No3−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例9〕
SC1化合物(2−8’)0.88g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.37gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No2−8の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例10〕
実施例9で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No2−8とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例11〕
SC1化合物(2−8’)0.88g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール42.87gに溶解及び分散させ水1.75g及び過酸化水素水1.5gを加えて24時間加熱還流させることにより、No3−8の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例12〕
実施例11で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No3−8とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例13〕
SC1化合物(4−1’)0.71g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.54gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No4−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例14〕
実施例13で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No4−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例15〕
SC1化合物(4−1’)0.71g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール43.04gに溶解及び分散させ水1.75g及び過酸化水素水1.5gを加えて24時間加熱還流させることにより、No6−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例16〕
実施例15で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No6−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例17〕
SC1化合物(5−1’)0.78g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.47gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No5−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例18〕
実施例17で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No5−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例19〕
SC1化合物(5−1’)0.78g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール42.97gに溶解及び分散させ水1.75g及び過酸化水素水1.5gを加えて24時間加熱還流させることにより、No7−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例20〕
実施例19で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No7−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例21〕
SC1化合物(8−1’)0.92g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール94.33gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No8−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例22〕
実施例21で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液50.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No8−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例23〕
SC1化合物(9−1’)0.87g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.38gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No9−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例24〕
実施例23で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No9−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例25〕
SC1化合物(10−1’)0.67g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.58gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No10−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例26〕
実施例25で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No10−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例27〕
SC1化合物(10−1’)0.67g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール43.08gに溶解及び分散させ水1.75g及び過酸化水素水1.5gを加えて24時間加熱還流させることにより、No12−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例28〕
実施例27で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No12−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例29〕
SC1化合物(13−1’)0.87g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.38gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No13−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例30〕
実施例29で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No13−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例31〕
SC1化合物(14−1’)0.87g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.38gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No14−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例32〕
実施例31で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No14−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例33〕
SC1化合物(13−1’)0.87g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール42.88gに溶解及び分散させ水1.75g及び過酸化水素水1.5gを加えて24時間加熱還流させることにより、No15−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例34〕
実施例33で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No15−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例35〕
SC1化合物(17−1’)0.91g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.34gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No17−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例36〕
実施例35で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No17−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例37〕
SC1化合物(19−1’)0.87g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.38gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No19−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例38〕
実施例37で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No19−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例39〕
SC1化合物(21−1’)0.94g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.31gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No21−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例40〕
実施例39で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No21−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例41〕
SC1化合物(23−1’)0.86g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.39gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No23−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例42〕
実施例41で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No23−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例43〕
SC1化合物(24−1’)0.86g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.39gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No24−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例44〕
実施例43で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No24−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例45〕
SC1化合物(25−1’)0.86g、シリカゾル(日産化学工業株式会社製、オルガノシリカゾル:IPA−ST)3.0gをエタノール44.39gに溶解及び分散させ水1.75gを加えて24時間加熱還流させることにより、No25−1の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
〔実施例46〕
実施例43で得た修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液25.0gにSC2化合物(SC2−23)0.25gを加え24時間加熱還流することにより、No25−1とのNoSC2−23の官能基が結合した修飾金属酸化物ナノ粒子分散エタノール溶液を得た。
[濡れ性評価]
(1)濡れ性向上液の調整:実施例1〜46で得たエタノール溶液をそのまま濡れ性向上液として使用した。
(2)スライドガラス{76mm、26mm、1.2mm;水酸化ナトリウムの2−プロパノール飽和溶液に24時間浸漬した後、水洗し、乾燥(60℃、2時間)したもの}を実施例1〜46で得た溶液(濡れ性向上溶液)をフローコーティング法により塗布し、150℃、1間加熱処理して濡れ性向上スライドガラスを得た。
水の代わりに非水電解液(組成:1.4Mトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート/プロピレンカーボネート)を用いた接触角測定装置{協和界面化学株式会社、DROP MASTER 500、液適量2μL、測定間隔1000ms、測定回数30回}で、濡れ性向上スライドガラス及び未処理スライドガラスの表面の任意の5箇所について、接触角(度)を測定し、平均値を算出した。結果を表1に示した。
電気自動車、瞬時停電バックアップ等の大電流負荷用途に向けた非水系蓄電デバイスに関し、本発明の化合物による、非水系蓄電池用材料の表面処理効果により、非水電解液との濡れ性が向上(接触角が低下)することにより、低抵抗且つ信頼性の高い非水系二次電池を提供する。

Claims (3)

  1. 非水系蓄電デバイス用表面処理材料であって、下記式(1)〜(25)で表されるケイ素系官能基で修飾された修飾金属酸化物ナノ粒子を含む非水系蓄電デバイス用表面処理材料。
    {式中、Rは炭素数1〜20のアルキル基、Rは炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のエーテル結合を含むアルキル基又はテトラハイドロフルフリル基、Rは炭素数1〜6のアルキル基、Xは炭素数1〜5のアルキレン基、kは1〜30の整数、m及びnは0または1を表す。}
  2. 前記修飾金属酸化物ナノ粒子が、下記式(26)で表されるケイ素系官能基で、さらに修飾された請求項1に記載の非水系蓄電デバイス用表面処理材料。
    −X−Si(CH(−O−)3−m (26)
    {式中、Rは、炭素数1〜20の直鎖又は分岐アルキル基、ビニル基、チオール基、アミノ基、塩素原子、アクリル基、メタクリル基、スチリル基、フェニル基、グリシドキシ基、3,4-エポキシシクロヘキシル基及びブロック化イソシアネート基からなる群から選ばれる置換基であり、Xは炭素数1〜5のアルキレン基あるいは直接結合であり、mは0又は1を表す。}
  3. 前記修飾金属酸化物ナノ粒子が、オルガノシリカゾルである請求項1又は請求項2に記載の非水系蓄電デバイス用表面処理材料。




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