JP2019057425A - Gel electrolyte, hard gel electrolyte, and electrochemical device - Google Patents

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Abstract

To provide a gel electrolyte capable of improving efficiency in manufacture of an electrochemical device and realizing an excellent device performance in the obtained electrochemical device.SOLUTION: A gel electrolyte is a gel body consisting of at least a matrix material and an electrolyte and contains a cross-linkable reactive group and is hardened by performing a crosslinking reaction of the reactive group, thereby being used as an electrolyte that an electrochemical device includes. The electrolyte consists of at least an ionic material and an electrolyte solvent. A mass of the reactive group contained in the gel body ranges from 0.03 mass% or more to 6.5 mass% or less with respect to a mass of the electrolyte solvent and in a state where the reactive group is non-reactive, a shear elastic modulus of the gel body is 1 MPa or more.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、架橋可能な反応基を含むゲル状体であって、当該反応基を架橋反応させて硬化することにより電気化学デバイスが備える電解質として用いることが可能なゲル電解質と、当該ゲル電解質の硬化させた硬質ゲル電解質と、当該硬質ゲル電解質を備える電気化学デバイスと、に関する。   The present invention relates to a gel-like body containing a crosslinkable reactive group, a gel electrolyte that can be used as an electrolyte provided in an electrochemical device by crosslinking and curing the reactive group, and the gel electrolyte. The present invention relates to a cured hard gel electrolyte and an electrochemical device including the hard gel electrolyte.

電気化学反応を用いた電気化学デバイスとしては、例えば、各種の電池、太陽電池の一部、キャパシタ(コンデンサ)等が知られている。これら電気化学デバイスに用いられる電解質は、従来から液体(電解液)が用いられている。ただし、電解質が一般的な電解液であれば、電気化学デバイスから電解質の液漏れが生じる可能性を否定できない。そこで、近年では、例えば、特許文献1に開示される電気化学電池およびその製造方法のように、電解液をゲル化したゲル電解質を用いる構成が提案されている。   As an electrochemical device using an electrochemical reaction, for example, various batteries, a part of a solar battery, a capacitor (capacitor), and the like are known. Conventionally, liquids (electrolytic solutions) have been used as electrolytes used in these electrochemical devices. However, if the electrolyte is a common electrolyte, the possibility of electrolyte leakage from the electrochemical device cannot be denied. Therefore, in recent years, for example, a configuration using a gel electrolyte obtained by gelling an electrolytic solution has been proposed, such as an electrochemical cell disclosed in Patent Document 1 and a manufacturing method thereof.

特表2011−519116号公報Special table 2011-519116 gazette

ここで、電気化学デバイスの電解質としてゲル電解質を用いる構成では、電解液を注液する工程(電解液注液工程)が必要となる。また、電解液をゲル化するためには、一般的にプレポリマーが用いられる。プレポリマーは電解液に予め溶解させておくが、このような電解液(プレポリマー電解液)は、通常の電解液より粘度が高い。   Here, in the structure using a gel electrolyte as the electrolyte of the electrochemical device, a step of injecting an electrolytic solution (electrolytic solution injection step) is required. Moreover, in order to gelatinize electrolyte solution, a prepolymer is generally used. The prepolymer is dissolved in advance in the electrolytic solution. Such an electrolytic solution (prepolymer electrolytic solution) has a higher viscosity than a normal electrolytic solution.

それゆえ、電解液注液工程においては、高粘度のプレポリマー電解液を電気化学デバイスに注液する必要があるため、電解液注液工程の要する時間が長時間化する可能性がある。それゆえ、電気化学デバイスの製造工程を十分に効率化できないおそれがある。   Therefore, in the electrolytic solution pouring step, it is necessary to inject a high-viscosity prepolymer electrolytic solution into the electrochemical device, so that the time required for the electrolytic solution pouring step may be prolonged. Therefore, there is a possibility that the manufacturing process of the electrochemical device cannot be made sufficiently efficient.

また、例えば、電気化学デバイスが大型である場合には、電解液注液工程において、プレポリマー電解液を注液する量が大量になる。そのため、プレポリマー電解液の注液不足が生じやすくなる可能性がある。プレポリマー電解液の注液不足が生じると、電気化学デバイスにおいて十分なデバイス性能を実現できないおそれがある。   For example, when the electrochemical device is large, the amount of the prepolymer electrolyte solution injected in the electrolyte solution injection step becomes large. Therefore, there is a possibility that insufficient infusion of the prepolymer electrolyte is likely to occur. When insufficient injection of the prepolymer electrolyte solution occurs, there is a possibility that sufficient device performance cannot be realized in an electrochemical device.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、電気化学デバイスの製造の効率化を図ることが可能になるとともに、得られる電気化学デバイスにおいて良好なデバイス性能を実現することが可能なゲル電解質を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and it is possible to improve the efficiency of the production of electrochemical devices and to realize good device performance in the obtained electrochemical devices. An object of the present invention is to provide a gel electrolyte that can be used.

本発明に係るゲル電解質は、前記の課題を解決するために、少なくともマトリクス材および電解液により構成されるゲル状体であり、かつ、架橋可能な反応基を含み、当該反応基を架橋反応させて硬化することにより、電気化学デバイスが備える電解質として用いられ、前記電解液は、イオン性物質および電解液溶媒から少なくとも構成され、前記ゲル状体に含まれる前記反応基の質量が、前記電解液溶媒の質量に対して0.03質量%以上6.5質量%以下の範囲であるとともに、前記反応基が未反応の状態における前記ゲル状体のせん断弾性率が1MPa以上である構成である。   In order to solve the above-mentioned problems, the gel electrolyte according to the present invention is a gel-like body composed of at least a matrix material and an electrolytic solution, and contains a crosslinkable reactive group, and causes the reactive group to undergo a crosslinking reaction. The electrolyte solution is used as an electrolyte provided in an electrochemical device by being cured, and the electrolyte solution is composed of at least an ionic substance and an electrolyte solution solvent, and the mass of the reactive group contained in the gel is determined by the electrolyte solution. The range is from 0.03 mass% to 6.5 mass% with respect to the mass of the solvent, and the shear elastic modulus of the gel-like body in the unreacted state of the reactive group is 1 MPa or more.

前記構成によれば、未硬化状態のゲル電解質には、適量の反応基が含まれることになる。それゆえ、反応基の架橋反応が十分に進行したゲル電解質(硬質ゲル電解質)になっても、当該硬質ゲル電解質は十分な量の電解液を保持することができる。また、架橋反応の進行に伴ってマトリクス材から電解液の一部を漏出させることも可能になる。それゆえ、硬化が十分に進行していない状態(未硬化状態)のゲル電解質を用いて電気化学デバイスを作製してから、架橋反応を進行させれば、当該電気化学デバイスが備える電極の接触面に、漏出した電解液を良好に接触させることができる。これにより、電気化学デバイスにおいて良好な電気化学反応の実現が可能になる。   According to the above configuration, the uncured gel electrolyte contains an appropriate amount of reactive groups. Therefore, even when the gel electrolyte (hard gel electrolyte) in which the crosslinking reaction of the reactive groups has sufficiently progressed, the hard gel electrolyte can hold a sufficient amount of the electrolytic solution. It is also possible to leak a part of the electrolyte from the matrix material as the crosslinking reaction proceeds. Therefore, if an electrochemical device is produced using a gel electrolyte that is not sufficiently cured (uncured) and then the crosslinking reaction proceeds, the contact surface of the electrode provided in the electrochemical device In addition, the leaked electrolyte can be satisfactorily contacted. This makes it possible to realize a favorable electrochemical reaction in the electrochemical device.

また、未硬化状態であってもゲル電解質のせん断弾性率が1MPa以上であるので、当該ゲル電解質は良好な強度を有していることになる。それゆえ、ゲル電解質において良好な取扱性を実現することができるので、電気化学デバイスの作製の非効率化を抑制することができる。しかも、前記の通り、未硬化状態のゲル電解質を用いて電気化学デバイスを作製してから、架橋反応を進行させればよいので、電気化学デバイスの製造過程において注液工程が不要となる。それゆえ、注液が不十分になるおそれ、あるいは、注液が不十分になることに由来する性能低下等のおそれを回避することができる。   Moreover, since the shear modulus of the gel electrolyte is 1 MPa or more even in an uncured state, the gel electrolyte has a good strength. Therefore, good handling properties can be realized in the gel electrolyte, so that inefficiency in the production of the electrochemical device can be suppressed. In addition, as described above, the cross-linking reaction may be advanced after the electrochemical device is produced using the uncured gel electrolyte, so that a liquid injection step is not necessary in the production process of the electrochemical device. Therefore, it is possible to avoid the possibility of insufficient liquid injection or the risk of performance degradation due to insufficient liquid injection.

その結果、電気化学デバイスの製造の効率化を図ることが可能になるとともに、得られる電気化学デバイスにおいて良好なデバイス性能を実現することができる。   As a result, it is possible to increase the efficiency of manufacturing the electrochemical device, and it is possible to realize good device performance in the obtained electrochemical device.

前記構成のゲル電解質においては、前記ゲル状体は、前記マトリクス材および前記電解液に加えて、さらに、前記反応基を有する後硬化剤を含有している構成であってもよい。   In the gel electrolyte having the above-described configuration, the gel-like body may further include a post-curing agent having the reactive group in addition to the matrix material and the electrolytic solution.

また、前記構成のゲル電解質においては、前記電解液溶媒の質量は、前記ゲル状体の全質量に対して20質量%以上80質量%以下の範囲である構成であってもよい。   Moreover, in the gel electrolyte of the said structure, the structure which is the range of 20 mass% or more and 80 mass% or less with respect to the total mass of the said gel-like body may be sufficient.

また、前記構成のゲル電解質においては、前記マトリクス材の質量は、前記ゲル状体の全質量に対して1.0質量%以上10質量%以下の範囲である構成であってもよい。   Moreover, in the gel electrolyte of the said structure, the structure which is the range of 1.0 mass% or more and 10 mass% or less with respect to the total mass of the said gel-like body may be sufficient.

また、前記構成のゲル電解質においては、前記ゲル状体は、前記電解液溶媒とは異なる成分であって前記反応基の架橋反応の前に除去される希釈溶剤を含有し、前記電解液溶媒の質量範囲または前記マトリクス材の質量範囲は、前記希釈溶剤を除く前記ゲル状体の全質量に対して規定されている構成であってもよい。   In the gel electrolyte having the above-described configuration, the gel-like body contains a diluting solvent that is a component different from the electrolyte solvent and is removed before the crosslinking reaction of the reactive group. The structure prescribed | regulated with respect to the total mass of the said gel-like body except the said dilution solvent may be sufficient as the mass range or the mass range of the said matrix material.

また、前記構成のゲル電解質においては、前記ゲル状体がシート形状である構成であってもよい。   In the gel electrolyte having the above-described configuration, the gel-like body may have a sheet shape.

また、前記構成のゲル電解質においては、前記ゲル状体の厚さが5μm以上100μm以下である構成であってもよい。   Moreover, in the gel electrolyte of the said structure, the structure whose thickness of the said gel-like body is 5 micrometers or more and 100 micrometers or less may be sufficient.

本開示に係る硬質ゲル電解質は、前記構成のゲル電解質における前記反応基を架橋反応させて、その硬度を上昇させたものである構成である。   The hard gel electrolyte according to the present disclosure has a configuration in which the reactive group in the gel electrolyte having the above configuration is subjected to a crosslinking reaction to increase its hardness.

前記構成の硬質ゲル電解質においては、イオン伝導度が0.8mS/cm以上であること、並びに、せん断弾性率が6MPa以上であることの少なくともいずれかを満たしている構成であってもよい。   The hard gel electrolyte having the above configuration may have a configuration satisfying at least one of an ionic conductivity of 0.8 mS / cm or more and a shear modulus of 6 MPa or more.

また、本開示に係る電気化学デバイスは、前記構成の硬質ゲル電解質を備えている構成であればよい。   In addition, the electrochemical device according to the present disclosure may have a configuration including the hard gel electrolyte having the above configuration.

本発明では、以上の構成により、電気化学デバイスの製造の効率化を図ることが可能になるとともに、得られる電気化学デバイスにおいて良好なデバイス性能を実現することが可能なゲル電解質を提供することができる、という効果を奏する。   In the present invention, it is possible to provide a gel electrolyte capable of improving the efficiency of manufacturing an electrochemical device and realizing good device performance in the obtained electrochemical device by the above configuration. There is an effect that it is possible.

本開示の実施の形態に係る電気化学デバイスの一例である、リチウムイオン電池の構成の一例を示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing an example of composition of a lithium ion battery which is an example of an electrochemical device concerning an embodiment of this indication.

本開示に係るゲル電解質は、少なくともマトリクス材および電解液により構成されるゲル状体であり、かつ、架橋可能な反応基を含むものであって、当該反応基を架橋反応させて硬化することにより、電気化学デバイスが備える電解質として用いられるものである。電解液は、イオン性物質および電解液溶媒から少なくとも構成されるが、本開示に係るゲル電解質においては、当該ゲル電解質(ゲル状体)に含まれる反応基の質量が、電解液溶媒の質量に対して0.03質量%以上6.5質量%以下の範囲であるとともに、反応基が未反応の状態におけるゲル電解質(ゲル状体)は、そのせん断弾性率が1MPa以上の強度を有している。   The gel electrolyte according to the present disclosure is a gel-like body composed of at least a matrix material and an electrolytic solution, and includes a crosslinkable reactive group, and is cured by crosslinking the reactive group. It is used as an electrolyte provided in an electrochemical device. The electrolytic solution is composed of at least an ionic substance and an electrolytic solution solvent. In the gel electrolyte according to the present disclosure, the mass of the reactive group contained in the gel electrolyte (gel-like body) is equal to the mass of the electrolytic solution solvent. On the other hand, the gel electrolyte (gel-like body) in the range of 0.03% by mass to 6.5% by mass and in which the reactive group is unreacted has a shear modulus of 1 MPa or more. Yes.

以下、本開示に係るゲル電解質の代表的な構成例について具体的に説明する。なお、本開示に係るゲル電解質は、前記の通り未反応の反応基を含んでいるため、この反応基の架橋反応が進行することで、ゲル電解質の硬化度が上昇する。以下の説明では、このように、架橋反応の進行により硬化度が上昇したゲル電解質を「硬質ゲル電解質」と称する。また、単に「ゲル電解質」と称する場合、硬化度が上昇する前のゲル電解質を意味するものとする。   Hereinafter, a typical configuration example of the gel electrolyte according to the present disclosure will be specifically described. In addition, since the gel electrolyte which concerns on this indication contains the unreacted reactive group as above-mentioned, the hardening degree of gel electrolyte rises because the crosslinking reaction of this reactive group advances. In the following description, a gel electrolyte whose degree of cure has increased due to the progress of the crosslinking reaction is referred to as a “hard gel electrolyte”. Further, when simply referred to as “gel electrolyte”, it means a gel electrolyte before the degree of cure is increased.

[ゲル電解質(ゲル状体)の組成]
前記の通り、本開示に係るゲル電解質は、マトリクス材および電解液を主成分とするゲル状体であるが、このゲル状体には、未反応の反応基が含まれている。この反応基は、マトリクス材が有するものであってもよいし電解液が有するものであってもよいし、マトリクス材および電解液の双方が反応基を有してもよいし、マトリクス材および電解液以外の成分が反応基を有してもよい。後述するように、ゲル状体(ゲル電解質)には、マトリクス材および電解液以外の成分が含有されてもよい。代表的な他の成分としては反応基を有する後硬化剤が挙げられる。
[Composition of gel electrolyte (gel-like body)]
As described above, the gel electrolyte according to the present disclosure is a gel-like body including a matrix material and an electrolytic solution as main components, and the gel-like body includes an unreacted reactive group. The reactive group may be included in the matrix material or may be included in the electrolytic solution, or both of the matrix material and the electrolytic solution may include a reactive group, or the matrix material and the electrolytic solution. Components other than the liquid may have a reactive group. As will be described later, the gel-like body (gel electrolyte) may contain components other than the matrix material and the electrolytic solution. A typical other component includes a post-curing agent having a reactive group.

ゲル状体を構成するマトリクス材としては、電解液を含んだ状態でゲル状体を形成することができるものであれば特に限定されない。マトリクス材は、水素結合等の非共有結合により三次元構造を形成する物理ゲルであってもよいし、共有結合により三次元構造を形成する化学ゲルであってもよい。本開示では、ゲル状体が架橋反応可能な反応基を有していればよいので、マトリクス材が未反応の反応基を有してもよい。   The matrix material constituting the gel-like body is not particularly limited as long as the gel-like body can be formed in a state containing the electrolytic solution. The matrix material may be a physical gel that forms a three-dimensional structure by noncovalent bonds such as hydrogen bonds, or may be a chemical gel that forms a three-dimensional structure by covalent bonds. In the present disclosure, since the gel-like body only needs to have a reactive group capable of crosslinking reaction, the matrix material may have an unreacted reactive group.

すなわち、本開示においては、例えば、マトリクス材が物理ゲルを形成する化合物(便宜上、物理ゲル化合物とする)であって、当該マトリクス材に電解液を添加することで非共有結合によりゲル状体(ゲル電解質)が形成され、このゲル状体が未反応の反応基を有している構成を挙げることができる。あるいは、本開示においては、マトリクス材が化学ゲルを形成する化合物(便宜上、化学ゲル化合物とする)であって、マトリクス材が有する反応基の一部を先に架橋させることにより、半硬化状態のゲル状体(ゲル電解質)が形成され、この半硬化状態のゲル状体では、未反応の反応基が残存している構成であってもよい。   That is, in the present disclosure, for example, a matrix material is a compound that forms a physical gel (for convenience, a physical gel compound), and a gel-like body (non-covalently bonded by adding an electrolytic solution to the matrix material) A configuration in which a gel electrolyte) is formed and the gel-like body has an unreacted reactive group can be given. Alternatively, in the present disclosure, the matrix material is a compound that forms a chemical gel (referred to as a chemical gel compound for the sake of convenience). A gel-like body (gel electrolyte) is formed, and the semi-cured gel-like body may have a structure in which unreacted reactive groups remain.

このとき、ゲル状体が有する(あるいは残存する)反応基の質量比は、前記の通り、電解液溶媒の質量に対して0.03質量%以上6.5質量%以下の範囲であればよい(後述するゲル電解質の第一条件)。反応基は、前記の通り、マトリクス材および電解液の少なくとも一方が有するものであってもよいし、他の成分が有するものであってもよい。それゆえ、反応基の質量比は、後述する実施例で例示するように、反応基を有する成分の1分子の分子量に対する反応基の分子量の比(分子量比)を用いて算出することができる。   At this time, the mass ratio of the reactive groups that the gel-like body has (or remains) may be in the range of 0.03% by mass to 6.5% by mass with respect to the mass of the electrolyte solvent as described above. (First condition of gel electrolyte described later). As described above, the reactive group may be included in at least one of the matrix material and the electrolytic solution, or may be included in other components. Therefore, the mass ratio of the reactive group can be calculated using the ratio of the molecular weight of the reactive group to the molecular weight of one molecule of the component having the reactive group (molecular weight ratio), as exemplified in the examples described later.

ここで、未反応の反応基を有するゲル電解質は、硬化が十分に進行していない状態であるといえるが、この状態を便宜上「未硬化状態」と称する。また、未硬化状態のゲル電解質において反応基の架橋反応が進行して硬度が上昇し、硬質ゲル電解質となれば、この状態を便宜上「硬化状態」と称する。なお、前述した「半硬化状態」とは、マトリクス材が化学ゲル化合物である場合に、当該化合物が有する全ての反応基のうち一部が反応した状態を意味する。   Here, it can be said that the gel electrolyte having an unreacted reactive group is in a state where curing has not sufficiently progressed, but this state is referred to as an “uncured state” for convenience. In addition, if the hardness of the gel electrolyte in the uncured state is increased due to the progress of the crosslinking reaction of the reactive groups, the state is referred to as “cured state” for convenience. The above-mentioned “semi-cured state” means a state where a part of all reactive groups of the compound is reacted when the matrix material is a chemical gel compound.

したがって、化学ゲル化合物が有する全ての反応基のほとんどが未反応の状態では、当該化学ゲル化合物はゲルを形成していない。また、化学ゲル化合物の一部の反応基を架橋反応させた状態が「半硬化状態」であり、当該化学ゲル化合物はゲル化している。この半硬化状態の化学ゲル化合物は、電解液溶媒の質量に対して0.03〜6.5質量%の範囲内で反応基が残存しているので、本開示に係るゲル電解質(ゲル状体)に相当する。それゆえ、半硬化状態の化学ゲル化合物(すなわちゲル電解質)は「未硬化状態」であるということができる。そして、半硬化状態の化学ゲル化合物に残存する反応基の架橋反応が進行して硬度が上昇すれば、当該化学ゲル化合物は、硬化状態の硬質ゲル電解質となる。   Therefore, when most of all reactive groups of the chemical gel compound are unreacted, the chemical gel compound does not form a gel. In addition, a state in which a part of the reactive groups of the chemical gel compound is cross-linked is a “semi-cured state”, and the chemical gel compound is gelled. In this semi-cured chemical gel compound, the reactive group remains within the range of 0.03 to 6.5% by mass with respect to the mass of the electrolyte solvent, so the gel electrolyte according to the present disclosure (gel-like body) ). Therefore, it can be said that the semi-cured chemical gel compound (that is, the gel electrolyte) is in an “uncured state”. And if the crosslinking reaction of the reactive group which remains in a semi-hardened chemical gel compound advances and hardness increases, the said chemical gel compound will become a hard gel electrolyte of a hardened state.

マトリクス材の具体的な構成については特に限定されない。一般的には、マトリクス材は高分子材料を挙げることができる。本開示に係るゲル電解質の用途、すなわち、本開示に係るゲル電解質を用いて作製(製造)される電気化学デバイスの種類等に応じて、好適なマトリクス材を適宜選択することができる。例えば、後述する実施例では、電気化学デバイスの一例としてリチウムイオン電池を例示しているが、この場合には、マトリクス材としては、ポリマー系、無機物系、または低分子系を好適に用いることができる。   The specific configuration of the matrix material is not particularly limited. In general, the matrix material can be a polymer material. A suitable matrix material can be appropriately selected according to the use of the gel electrolyte according to the present disclosure, that is, the type of electrochemical device produced (manufactured) using the gel electrolyte according to the present disclosure. For example, in the examples described later, a lithium ion battery is illustrated as an example of an electrochemical device. In this case, a polymer material, an inorganic material, or a low molecular weight material is preferably used as the matrix material. it can.

ポリマー系としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PDVF)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PDVF−HFP)等のフッ化物系ポリマー;ポリアクリロニトリル(PAN)等のアクリル系樹脂またはメタクリル系樹脂;等を挙げることができるが特に限定されない。また、無機物系としては、例えば、シリカ粒子、アルミナ粒子、シリカ/アルミナ混合粒子、酸化チタン粒子、酸化亜鉛粒子、酸化ジルコニウム粒子等を挙げることができるが特に限定されない。低分子系としては、例えば、脂肪酸エステル誘導体、シクロヘキサン誘導体、アミノ酸誘導体、環状ペプチド誘導体、アルキルヒドラジド誘導体等を挙げることができるが、特に限定されない。   Examples of the polymer system include fluoride polymers such as polyvinylidene fluoride (PDVF) and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PDVF-HFP); acrylic resins such as polyacrylonitrile (PAN) or methacrylic resins And the like are not particularly limited. Examples of the inorganic material include, but are not particularly limited to, silica particles, alumina particles, silica / alumina mixed particles, titanium oxide particles, zinc oxide particles, and zirconium oxide particles. Examples of the low molecular weight system include, but are not particularly limited to, fatty acid ester derivatives, cyclohexane derivatives, amino acid derivatives, cyclic peptide derivatives, alkyl hydrazide derivatives, and the like.

これらマトリクス材は、1種類のみを用いてもよいし2種類以上を適宜選択して組み合わせて用いてもよい。例えばポリマー系のマトリクス材を複数種類併用してもよいし、ポリマー系および無機物系のマトリクス材をそれぞれ1種類以上併用してもよい。あるいは、ポリマー系、無機物系、および低分子系をそれぞれ1種類以上選択して併用してもよい。   Only one type of these matrix materials may be used, or two or more types may be appropriately selected and used in combination. For example, a plurality of polymer matrix materials may be used in combination, or one or more polymer matrix materials and inorganic matrix materials may be used in combination. Alternatively, one or more of a polymer system, an inorganic system, and a low molecular system may be selected and used in combination.

前記の通り、ゲル状体には、反応基を有する後硬化剤が含有されてもよい。この後硬化剤は、反応基が未反応の状態では、マトリクス材とは別の成分と見なすことができるが、反応基による架橋反応が十分に進行すればマトリクス材の一部を構成することになる。それゆえ、ゲル状体の組成等にもよるが、後硬化剤はマトリクス材の一部として取り扱うことができる。   As described above, the gel-like body may contain a post-curing agent having a reactive group. This post-curing agent can be regarded as a component different from the matrix material when the reactive group is unreacted. However, if the crosslinking reaction by the reactive group proceeds sufficiently, it constitutes a part of the matrix material. Become. Therefore, the post-curing agent can be handled as a part of the matrix material depending on the composition of the gel-like body.

後硬化剤の具体的な構成については特に限定されず、本開示に係るゲル電解質の組成または用途(電気化学デバイス)の種類等に応じて、好適な反応性化合物を選択することができる。例えば、後述する実施例では、電気化学デバイスの一例としてリチウムイオン電池を例示しており、マトリクス材として前述したポリマー系または無機物系を例示しているが、この場合には、後硬化剤としては、アクリレート系またはオキセタン系の反応性化合物を挙げることができる。   The specific configuration of the post-curing agent is not particularly limited, and a suitable reactive compound can be selected according to the composition of the gel electrolyte according to the present disclosure or the type of use (electrochemical device). For example, in the examples described later, a lithium ion battery is illustrated as an example of an electrochemical device, and the polymer system or inorganic system described above is illustrated as a matrix material. In this case, as a post-curing agent, And acrylate-based or oxetane-based reactive compounds.

アクリレート系化合物としては、具体的には、例えば、四官能ポリエーテルアクリレート、二官能ポリエーテルアクリレート、その他のAO付加アクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート等を挙げることができるが、特に限定されない。また、オキセタン系化合物としては、メチルメタクリレート−オキセタニルメタクリレート共重合体等を挙げることができるが、特に限定されない。これら後硬化剤は1種類のみ用いてもよいし、2種類以上を適宜組み合わせて用いてもよい。   Specific examples of the acrylate compound include tetrafunctional polyether acrylate, bifunctional polyether acrylate, other AO addition acrylate, and polyethylene glycol diacrylate, but are not particularly limited. Further, examples of the oxetane compound include methyl methacrylate-oxetanyl methacrylate copolymer, but are not particularly limited. These post-curing agents may be used alone or in combination of two or more.

なお、マトリクス材が、例えば、前述したように、未反応の反応基を有する化学ゲル化合物である場合には、先に一部の反応基を架橋させて半硬化状態のゲル状体(ゲル電解質)を形成するために、後硬化剤と同種または別種の硬化剤を用いることがあり得る。この場合、半硬化状態を実現するために先に用いられる硬化剤を、後硬化剤に対比させて「前硬化剤」と称するものとする。   When the matrix material is, for example, a chemical gel compound having an unreacted reactive group as described above, a partially cured gel-like body (gel electrolyte) is obtained by cross-linking some reactive groups first. ) May be used in the same or different type of post-curing agent. In this case, the curing agent used in advance for realizing the semi-cured state is referred to as “pre-curing agent” in comparison with the post-curing agent.

ゲル電解質が含有する反応基は、架橋することでゲル電解質の硬化度を上昇させる。この反応基の具体的な種類は特に限定されず、ゲル電解質の組成または用途(電気化学デバイス)の種類等に応じて、好適な反応基を選択することができる。例えば、後述する実施例では、電気化学デバイスの一例としてリチウムイオン電池を例示しており、マトリクス材として前述したポリマー系または無機物系を例示している。この場合には、次に例示するような反応基を好適に用いることができる。   The reactive group contained in the gel electrolyte increases the degree of cure of the gel electrolyte by crosslinking. The specific type of the reactive group is not particularly limited, and a suitable reactive group can be selected according to the composition of the gel electrolyte or the type of use (electrochemical device). For example, in the examples described later, a lithium ion battery is illustrated as an example of an electrochemical device, and the polymer system or inorganic system described above is illustrated as a matrix material. In this case, reactive groups as exemplified below can be preferably used.

具体的な反応基としては、(メタ)アクリル基(アクリル基およびメタアクリル基)、アリル基等の二重結合性官能基;エポキシ基、オキセタン基等のオキシラン系官能基;チオール基;アミノ基およびカルボキシ基(アミド結合)、ヒドロキシ基およびカルボキシ基(エステル結合)等の縮合反応系の官能基の組合せ;イソシアネート基およびヒドロキシ基(ウレタン結合)、イソシアネート基およびアミノ基(ウレア結合)等のイソシアネート系反応の官能基の組合せ;等が挙げられる。これら官能基(または官能基の組合せ)は、ゲル電解質(ゲル状体)に1種類のみ含まれてもよいし、2種類以上含まれてもよい。また、マトリクス材が、未反応の反応基を有する化学ゲル化合物である場合には、当該化合物がこれら官能基(またはその組合せ)の少なくとも1種類を有する構成であってもよい。   Specific reactive groups include (meth) acrylic groups (acrylic and methacrylic groups), double bond functional groups such as allyl groups; oxirane functional groups such as epoxy groups, oxetane groups; thiol groups; amino groups And combinations of functional groups of condensation reaction systems such as carboxy groups (amide bonds), hydroxy groups and carboxy groups (ester bonds); isocyanates such as isocyanate groups and hydroxy groups (urethane bonds), isocyanate groups and amino groups (urea bonds) A combination of functional groups of the system reaction; and the like. One type of these functional groups (or combinations of functional groups) may be included in the gel electrolyte (gel-like body), or two or more types may be included. When the matrix material is a chemical gel compound having an unreacted reactive group, the compound may have at least one of these functional groups (or combinations thereof).

ゲル電解質を構成する電解液は、電気化学デバイスにおいて電気化学反応を呈することが可能なものであればよい。電解液のより具体的な構成については、マトリクス材と同様に具体的に限定されず、ゲル電解質の組成または用途(電気化学デバイス)の種類、電解液とともにゲル電解質を構成するマトリクス材の種類等に応じて、好適な組成の電解液を好適に用いることができる。   The electrolyte solution which comprises a gel electrolyte should just be what can exhibit an electrochemical reaction in an electrochemical device. The specific configuration of the electrolytic solution is not specifically limited in the same manner as the matrix material, the composition of gel electrolyte or the type of use (electrochemical device), the type of matrix material that constitutes the gel electrolyte together with the electrolytic solution, etc. Accordingly, an electrolytic solution having a suitable composition can be suitably used.

本開示における電解液は、前記の通り、イオン性物質および電解液溶媒から少なくとも構成される組成物であればよい。なお、電解液溶媒とは、本実施の形態では、電気化学デバイスの電解液を構成する溶媒を意味する。また、イオン性物質としては、様々な塩を用いることができる。例えば、後述する実施例では、電気化学デバイスの一例としてリチウムイオン電池を例示しているので、本実施の形態では、イオン性物質として、リチウム塩を挙げることができる。   As described above, the electrolytic solution in the present disclosure may be a composition composed of at least an ionic substance and an electrolytic solution solvent. In the present embodiment, the electrolytic solution solvent means a solvent constituting the electrolytic solution of the electrochemical device. Various salts can be used as the ionic substance. For example, in the examples described later, a lithium ion battery is illustrated as an example of an electrochemical device. Therefore, in this embodiment, a lithium salt can be used as the ionic substance.

リチウム塩としては、代表的には、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6 )、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、過塩素酸リチウム(LiClO4 )、四ホウ酸リチウム(LiBF4 )等が挙げられるが、特に限定されない。 Typical lithium salts include lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI), lithium perchlorate (LiClO 4). ), Lithium tetraborate (LiBF 4 ) and the like, but are not particularly limited.

電気化学デバイスがリチウムイオン電池である場合には、電解液溶媒としては、例えば、カーボネート系溶媒、イオン液体、ニトリル系溶媒、エーテル系溶媒等を挙げることができるが特に限定されない。   When the electrochemical device is a lithium ion battery, examples of the electrolyte solvent include, but are not particularly limited to, carbonate solvents, ionic liquids, nitrile solvents, ether solvents, and the like.

代表的な電解液溶媒としては、環状カーボネートおよび鎖状カーボネートの混合溶媒を挙げることができる。環状カーボネートとしては、代表的には、エチレンカーボネート(EC)またはプロピレンカーボネート(PC)が挙げられ、鎖状カーボネートとしては、代表的には、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等が挙げられるが特に限定されない。   As a typical electrolyte solution solvent, a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate can be exemplified. The cyclic carbonate typically includes ethylene carbonate (EC) or propylene carbonate (PC), and the chain carbonate typically includes dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl. Although carbonate (EMC) etc. are mentioned, it is not specifically limited.

また、他の代表的な電解液溶媒としては、イオン液体を挙げることができる。具体的には、例えば、1,2−エチルメチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド、1,2−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、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド(略称:EMImFSI)、N−メチルプロピルピロリジニウムビス(フルオロスルホニル)イミド、N−メチルプロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ジエチルメチルメトキシエチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、シエチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)イミド、ジアリルジメチルアンモニウム(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ジアリルジメチルアンモニウム(フルオロスルホニル)イミド等が挙げられるが、特に限定されない。   Moreover, an ionic liquid can be mentioned as another typical electrolyte solution solvent. Specifically, for example, 1,2-ethylmethylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide, 1,2-ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluoro Sulfonyl) imide (abbreviation: EMImFSI), N-methylpropylpyrrolidinium bis (fluorosulfonyl) imide, N-methylpropylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, diethylmethylmethoxyethylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide , Cyethylammonium bis (fluorosulfonyl) imide, diallyldimethylammonium (trifluoromethanesulfonyl) imide, diallyldimethylammonium (fluorosulfonyl) imide, etc. Including but not limited.

硬化度が上昇する前のゲル電解質には、マトリクス材および電解液以外に他の成分(その他の成分)が含有されてもよい。その他の成分としては、前述した後硬化剤が挙げられるが、これ以外には、例えば、各種添加剤を挙げることができる。具体的な添加剤としては、例えば、マトリクス材に含まれる未架橋の反応基の架橋反応を促進するために用いられる、開始剤を挙げることができる。例えば、後述する実施例では、開始剤として、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を用いている。   In addition to the matrix material and the electrolyte solution, the gel electrolyte before the degree of cure may contain other components (other components). Examples of the other components include the above-described post-curing agent, but other than these, for example, various additives can be exemplified. Specific examples of the additive include an initiator used for promoting a crosslinking reaction of an uncrosslinked reactive group contained in the matrix material. For example, in the examples described later, 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) is used as an initiator.

[ゲル電解質および硬質ゲル電解質の構成]
本開示に係るゲル電解質においては、当該ゲル電解質(ゲル状体)に含まれる反応基の質量が、電解液溶媒の質量に対して0.03〜6.5質量%の範囲内であればよい。また、本開示に係るゲル電解質においては、そのせん断弾性率が1MPa以上であればよい。すなわち、本開示に係るゲル電解質は、未反応の反応基の質量比を所定範囲内に限定するという「第一条件」と、反応基が未反応の状態におけるせん断弾性率の下限を所定値に限定するという「第二条件」との双方を満たすものとなっている。
[Configuration of gel electrolyte and hard gel electrolyte]
In the gel electrolyte according to the present disclosure, the mass of the reactive group contained in the gel electrolyte (gel body) may be in the range of 0.03 to 6.5% by mass with respect to the mass of the electrolyte solvent. . Moreover, in the gel electrolyte which concerns on this indication, the shear elastic modulus should just be 1 Mpa or more. That is, in the gel electrolyte according to the present disclosure, the “first condition” in which the mass ratio of unreacted reactive groups is limited to a predetermined range, and the lower limit of the shear modulus in a state in which reactive groups are unreacted are set to a predetermined value. It satisfies both the “second condition” of limiting.

ゲル電解質の第一条件である反応基の電解液溶媒に対する質量比は、前記の通り、反応基を有する成分の1分子の分子量に対する反応基の分子量の比(分子量比)を用いて算出すればよい。例えば、後述する実施例では、ゲル電解質は、後硬化剤が反応基を有しているが、後硬化剤の分子量に対する反応基の分子量の比を算出し、この分子量比に基づいて、後硬化剤の配合量から反応基の質量を算出している。この反応基の質量が、ゲル電解質に含有される電解液溶媒の質量に対して0.03〜6.5質量%の範囲内に入っていればよい。   As described above, the mass ratio of the reactive group to the electrolyte solution solvent, which is the first condition of the gel electrolyte, can be calculated using the ratio of the molecular weight of the reactive group to the molecular weight of one molecule of the component having the reactive group (molecular weight ratio). Good. For example, in the examples described later, the gel electrolyte has a reactive group in the post-curing agent, but calculates the ratio of the molecular weight of the reactive group to the molecular weight of the post-curing agent, and based on this molecular weight ratio, post-curing The mass of the reactive group is calculated from the compounding amount of the agent. The mass of this reactive group should just be in the range of 0.03-6.5 mass% with respect to the mass of the electrolyte solution solvent contained in a gel electrolyte.

ゲル電解質が第一条件を満たすことによって、未硬化状態のゲル電解質には、適量の未反応の反応基が含まれることになる。それゆえ、反応基の架橋反応が進行して硬質ゲル電解質になっても、当該硬質ゲル電解質は十分な量の電解液を保持することができる。また、架橋反応の進行に伴ってマトリクス材から電解液の一部を漏出させることも可能になる。それゆえ、未硬化状態のゲル電解質を用いて電気化学デバイスを作製してから、架橋反応を進行させれば、電気化学デバイスが備える電極の接触面に漏出した電解液を良好に接触させることができる。これにより、電気化学デバイスにおいて良好な電気化学反応の実現が可能になる。   When the gel electrolyte satisfies the first condition, the uncured gel electrolyte contains an appropriate amount of unreacted reactive groups. Therefore, even if the cross-linking reaction of the reactive group proceeds to become a hard gel electrolyte, the hard gel electrolyte can hold a sufficient amount of electrolyte. It is also possible to leak a part of the electrolyte from the matrix material as the crosslinking reaction proceeds. Therefore, if an electrochemical device is produced using an uncured gel electrolyte and then the crosslinking reaction proceeds, the leaked electrolyte can be satisfactorily brought into contact with the electrode contact surface of the electrochemical device. it can. This makes it possible to realize a favorable electrochemical reaction in the electrochemical device.

ゲル電解質の第二条件である未硬化状態のゲル電解質のせん断弾性率は、公知の測定方法または評価方法によりゲル電解質のせん断弾性率を測定または評価すればよい。後述する実施例では、各実施例または比較例で得られた未硬化状態のゲル電解質について、株式会社島津製作所製卓上形精密万能試験機(製品名:オートグラフAGS−X)を用い、5mmφの押込治具を装着し、0.05N予備負荷をかけた後に、0.05mm/分の速度で押込み試験を実施し、当該押込み試験の結果から下記式(1)により、せん断弾性率を測定している(単位:MPa)。   The shear modulus of the gel electrolyte in an uncured state, which is the second condition of the gel electrolyte, may be measured or evaluated by a known measurement method or evaluation method. In the examples described later, for the uncured gel electrolyte obtained in each example or comparative example, a desktop precision universal testing machine (product name: Autograph AGS-X) manufactured by Shimadzu Corporation is used. After mounting the indentation jig and applying a 0.05N preload, an indentation test was carried out at a speed of 0.05 mm / min, and the shear modulus was measured from the result of the indentation test according to the following formula (1). (Unit: MPa).

せん断弾性率(G)=0.36Fg[(D−h)/h]3/2/R2 ・・・ (1)
ただし、上記式(1)におけるFは押込み試験の荷重(試験力)であり、gは重力加速度であり、Dはゲル電解質(ゲル状体)の厚さ(膜厚)であり、hは荷重による厚さ(膜厚)変化であり、Rは押込み試験の球状圧子の球半径である。また、上記式(1)によるせん断弾性率の算出では、参考文献1:D J Taylor and A M Kragh, “Determination of the rigidity modulus of thin soft coatings by indentation measurements” Journal of Physics D: Applied Physics, United Kingdom, IOP Publishing, January 1970, Volume 3, Number 1, 29 を参考とした。
Shear modulus (G) = 0.36Fg [(D−h) / h] 3/2 / R 2 (1)
Where F is the load (test force) of the indentation test, g is the gravitational acceleration, D is the thickness (film thickness) of the gel electrolyte (gel-like body), and h is the load. The thickness (film thickness) change due to, and R is the sphere radius of the spherical indenter in the indentation test. In addition, in the calculation of the shear modulus according to the above equation (1), Reference 1: DJ Taylor and AM Kragh, “Determination of the rigidity modulus of thin soft coatings by indentation measurements” Journal of Physics D: Applied Physics, United Kingdom, IOP Publishing, January 1970, Volume 3, Number 1, 29 was used as a reference.

ゲル電解質が第二条件を満たすことによって、また、未硬化状態であってもゲル電解質のせん断弾性率が1MPa以上であるので、当該ゲル電解質は良好な強度を有していることになる。それゆえ、ゲル電解質において良好な取扱性を実現することができるので、電気化学デバイスの作製の非効率化を抑制することができる。さらに、前記の通り、未硬化状態のゲル電解質を用いて電気化学デバイスを作製してから、架橋反応を進行させればよいので、電気化学デバイスの製造過程において注液工程が不要となる。それゆえ、注液が不十分になるおそれ、あるいは、注液が不十分になることに由来する性能低下等のおそれを回避することができる。   When the gel electrolyte satisfies the second condition, and even if it is in an uncured state, the gel electrolyte has a shear elastic modulus of 1 MPa or more, and therefore the gel electrolyte has good strength. Therefore, good handling properties can be realized in the gel electrolyte, so that inefficiency in the production of the electrochemical device can be suppressed. Furthermore, as described above, since an electrochemical device is produced using an uncured gel electrolyte and then the crosslinking reaction is allowed to proceed, a liquid injection step is not required in the production process of the electrochemical device. Therefore, it is possible to avoid the possibility of insufficient liquid injection or the risk of performance degradation due to insufficient liquid injection.

ここで、ゲル電解質の第一条件である反応基の質量比の下限は、電解液溶媒の質量に対して0.03質量%以上であればよいが、0.04質量%以上であることが好ましく、0.05質量%以上であることがより好ましい。反応基の質量が電解液溶媒の質量の0.03質量%未満であれば、ゲル電解質に含まれる反応基の量が適量よりも少なくなり、硬化状態の硬質ゲル電解質において良好な強度が実現できなくなり、短絡等が発生しやすくなる恐れがある。また、架橋反応の進行に伴う電解液の漏出量が少なくなって、電気化学デバイスの電極の接触面に電解液を良好に接触できなくなり、電気化学デバイスにおいて十分な性能を実現できないおそれもある。   Here, the lower limit of the mass ratio of the reactive group, which is the first condition of the gel electrolyte, may be 0.03% by mass or more with respect to the mass of the electrolyte solvent, but may be 0.04% by mass or more. Preferably, it is 0.05 mass% or more. If the mass of the reactive group is less than 0.03% by mass of the electrolyte solvent mass, the amount of the reactive group contained in the gel electrolyte will be less than the appropriate amount, and good strength can be realized in the hard gel electrolyte in the cured state. There is a risk of short circuit and the like. In addition, the amount of leakage of the electrolytic solution accompanying the progress of the crosslinking reaction is reduced, and the electrolytic solution cannot be satisfactorily brought into contact with the contact surface of the electrode of the electrochemical device, and there is a possibility that sufficient performance cannot be realized in the electrochemical device.

また、反応基の質量比の上限は、電解液溶媒の質量に対して6.5質量%以下であればよいが、6.3質量%以下であることが好ましく、6.0質量%以下であることがより好ましい。反応基の質量が電解液溶媒の質量の6.5質量%を超えれば、ゲル電解質に含まれる反応基の量が過剰になり、硬質ゲル電解質のイオン伝導度が低下し、電気化学デバイスにおいて十分な性能を実現することができなくなるおそれがある。また、架橋反応の進行に伴う電解液の漏出量が多くなって、硬化状態(硬質ゲル電解質)において十分な量の電解液を保持することができないおそれもある。   Moreover, the upper limit of the mass ratio of the reactive group may be 6.5% by mass or less with respect to the mass of the electrolyte solvent, but is preferably 6.3% by mass or less, and is 6.0% by mass or less. More preferably. If the mass of the reactive group exceeds 6.5% by mass of the electrolyte solvent mass, the amount of the reactive group contained in the gel electrolyte becomes excessive, and the ionic conductivity of the hard gel electrolyte decreases, which is sufficient for an electrochemical device. There is a risk that it will not be possible to achieve the correct performance. In addition, the leakage amount of the electrolytic solution accompanying the progress of the crosslinking reaction increases, and there is a possibility that a sufficient amount of the electrolytic solution cannot be retained in the cured state (hard gel electrolyte).

ゲル電解質の第二条件である、未硬化状態のせん断弾性率は、その下限が1MPa以上であればよいが、2MPa以上であることが好ましく、5MPa以上であることがより好ましい。せん断弾性率が1MPa未満であれば、未硬化状態のゲル電解質の強度が低下するため、その取扱性も低下し、電気化学デバイスの作製(製造)が非効率化するおそれがある。なお、せん断弾性率の上限は特に限定されず、硬化状態となった硬質ゲル電解質において十分な電解液を保持できればよい。   The lower limit of the uncured shear modulus, which is the second condition of the gel electrolyte, may be 1 MPa or more, preferably 2 MPa or more, and more preferably 5 MPa or more. If the shear modulus is less than 1 MPa, the strength of the uncured gel electrolyte is lowered, so that the handleability is also lowered, and the production (production) of the electrochemical device may be inefficient. The upper limit of the shear modulus is not particularly limited as long as a sufficient electrolytic solution can be retained in the hard gel electrolyte in a cured state.

本開示に係るゲル電解質においては、前述した第一条件および第二条件に加えて、第三条件として、電解液溶媒の質量が、当該ゲル電解質(ゲル状体)の全質量に対して20質量%以上80質量%以下の範囲である第三条件、および、マトリクス材の質量が、当該ゲル電解質(ゲル状体)の全質量に対して1.0質量%以上10質量%以下の範囲である第四条件のいずれか一方を満たすことが好ましく、第三条件および第四条件の双方を満たすことがより好ましい。   In the gel electrolyte according to the present disclosure, in addition to the first condition and the second condition described above, as a third condition, the mass of the electrolyte solvent is 20 mass relative to the total mass of the gel electrolyte (gel-like body). The third condition is in the range of not less than 80% and not more than 80% by mass, and the mass of the matrix material is in the range of not less than 1.0% by mass and not more than 10% by mass with respect to the total mass of the gel electrolyte (gel-like body) It is preferable to satisfy any one of the fourth conditions, and it is more preferable to satisfy both the third condition and the fourth condition.

ゲル電解質が第三条件を満たすことによって、ゲル電解質および硬質ゲル電解質のいずれにおいても、より適切な量の電解液が保持されていることになる。それゆえ、電気化学デバイスにおいて良好なイオン伝導度を実現でき、電気化学デバイスの性能をより向上させることができる。ただし、ゲル電解質が第三条件を満たさない場合であっても、第一条件および第二条件の双方を満たすことによって、十分に実用性のある電気化学デバイスを製造することができる。   When the gel electrolyte satisfies the third condition, a more appropriate amount of the electrolytic solution is held in both the gel electrolyte and the hard gel electrolyte. Therefore, good ionic conductivity can be realized in the electrochemical device, and the performance of the electrochemical device can be further improved. However, even if the gel electrolyte does not satisfy the third condition, a sufficiently practical electrochemical device can be manufactured by satisfying both the first condition and the second condition.

また、ゲル電解質が第四条件を満たすことによって、ゲル電解質および硬質ゲル電解質のいずれにおいても、より適切な量のマトリクス材を含有していることになる。それゆえ、硬質ゲル電解質において良好な強度を実現できるとともに、電気化学デバイスの性能をより向上させることができる。ただし、ゲル電解質が第四条件を満たさない場合であっても、第一条件および第二条件の双方を満たすことによって、十分に実用性のある電気化学デバイスを製造することができる。   Further, when the gel electrolyte satisfies the fourth condition, both the gel electrolyte and the hard gel electrolyte contain a more appropriate amount of the matrix material. Therefore, good strength can be realized in the hard gel electrolyte, and the performance of the electrochemical device can be further improved. However, even if the gel electrolyte does not satisfy the fourth condition, a sufficiently practical electrochemical device can be manufactured by satisfying both the first condition and the second condition.

ゲル電解質の具体的な形状は特に限定されず、電気化学デバイスの種類または用途等の諸条件に応じて好適な形状を形成することができる。特に、本開示においては、ゲル電解質はゲル状であるため、所望の形状に容易に形成することができる。例えば、後述する実施例では、電気化学デバイスの一例としてリチウムイオン電池を例示しているので、ゲル電解質の形状としてはシート形状を挙げることができる。   The specific shape of the gel electrolyte is not particularly limited, and a suitable shape can be formed according to various conditions such as the type or use of the electrochemical device. In particular, in the present disclosure, since the gel electrolyte is in a gel form, it can be easily formed into a desired shape. For example, in the examples described later, a lithium ion battery is illustrated as an example of an electrochemical device, and thus the shape of the gel electrolyte can include a sheet shape.

ゲル電解質がシート形状である場合、その厚さ(ゲル電解質の膜厚)は特に限定されないが、一般的には、5μm以上100μm以下の範囲を挙げることができる。シート状のゲル電解質の厚さがこの範囲から外れると、リチウムイオン電池(あるいは他の電気化学デバイス)の種類、寸法、具体的形状等の諸条件によるが、十分な電池性能(あるいは他の電気化学デバイスの性能)が発揮できないおそれがある。   When the gel electrolyte is in the form of a sheet, the thickness (the film thickness of the gel electrolyte) is not particularly limited, but in general, a range of 5 μm to 100 μm can be mentioned. If the thickness of the sheet-like gel electrolyte is out of this range, sufficient battery performance (or other electrical properties) may occur depending on various conditions such as the type, size, and specific shape of the lithium ion battery (or other electrochemical device). Chemical device performance) may not be achieved.

硬質ゲル電解質は、ゲル電解質の反応基の架橋反応を進行させて硬度を上昇させたものであるが、硬質ゲル電解質の具体的な構成は特に限定されない。ただし、硬質ゲル電解質においては、イオン伝導度が0.8mS/cm以上であるという第一条件、または、せん断弾性率が6MPa以上であるという第二条件のいずれか一方を満たすことが好ましく、第一条件および第二条件の双方を満たすことがより好ましい。   The hard gel electrolyte is obtained by increasing the hardness by a cross-linking reaction of the reactive group of the gel electrolyte, but the specific configuration of the hard gel electrolyte is not particularly limited. However, the hard gel electrolyte preferably satisfies either the first condition that the ionic conductivity is 0.8 mS / cm or more, or the second condition that the shear modulus is 6 MPa or more. It is more preferable to satisfy both the one condition and the second condition.

硬質ゲル電解質におけるイオン伝導度が0.8mS/cm以上、好ましくは1.0mS以上であれば、良好な電気化学反応の実現が可能になるので、電気化学デバイスにおいて十分な性能を発揮することができる。これに対して、イオン伝導度が0.8mS/cm未満であれば、電気化学デバイスの種類にもよるが、良好な電気化学反応が実現できない可能性があるので、十分な性能を発揮できないおそれがある。   If the ionic conductivity of the hard gel electrolyte is 0.8 mS / cm or more, preferably 1.0 mS or more, a good electrochemical reaction can be realized, so that sufficient performance can be exhibited in an electrochemical device. it can. On the other hand, if the ionic conductivity is less than 0.8 mS / cm, depending on the type of electrochemical device, there is a possibility that a good electrochemical reaction may not be realized, so that sufficient performance may not be exhibited. There is.

また、硬質ゲル電解質におけるせん断弾性率が6MPa以上であれば、電気化学デバイスにおける電解質層を良好に保持できるので、十分な性能を発揮することができる。これに対して、硬質ゲル電解質のせん断弾性率が6MPa未満であれば、電気化学デバイスの種類にもよるが、電解質層を良好に保持できない可能性があるので、十分な性能を発揮できないおそれがある。   Moreover, if the shear elastic modulus in a hard gel electrolyte is 6 Mpa or more, since the electrolyte layer in an electrochemical device can be hold | maintained favorably, sufficient performance can be exhibited. On the other hand, if the shear modulus of the hard gel electrolyte is less than 6 MPa, depending on the type of electrochemical device, the electrolyte layer may not be satisfactorily retained, so that sufficient performance may not be exhibited. is there.

なお、前述したように、未硬化状態のゲル電解質において反応基の架橋反応を進行させて硬度を上昇させれば、硬化状態の硬質ゲル電解質となるが、この硬化状態の目安としては、硬質ゲル電解質のせん断弾性率6MPaを挙げることができる。もちろん、公知の計測方法によりゲル電解質の硬度を測定し、この硬度の数値または硬度上昇の比率等を基準に、硬化状態を判断してもよいが、本開示においては、未硬化のゲル電解質および硬質ゲル電解質の強度をせん断弾性率で評価しているため、硬度の上昇したゲル電解質のせん断弾性率が6MPa以上であれば、硬質ゲル電解質になったと判断することができる。   As described above, if the hardness of the gel electrolyte in an uncured state is increased by increasing the hardness of the reactive group, a hard gel electrolyte in the cured state can be obtained. An example of the shear modulus of the electrolyte is 6 MPa. Of course, the hardness of the gel electrolyte may be measured by a known measurement method, and the cured state may be determined based on the numerical value of the hardness or the ratio of the increase in hardness. However, in the present disclosure, the uncured gel electrolyte and Since the strength of the hard gel electrolyte is evaluated by the shear elastic modulus, if the shear elastic modulus of the gel electrolyte with increased hardness is 6 MPa or more, it can be determined that the hard gel electrolyte is formed.

[ゲル電解質の製造方法]
本開示に係るゲル電解質の製造方法は特に限定されないが、代表的な製造方法として、2種類の希釈溶剤を用いる第一の方法、1種類の希釈溶剤を用いる第二の方法、並びに、希釈溶剤を用いない第三の方法を挙げることができる。この希釈溶剤は、電解液溶媒とは異なる成分であって、ゲル状体(ゲル電解質)に含まれる反応基が架橋反応する前に除去される成分である。したがって、本開示に係るゲル電解質には、マトリクス材および電解液以外の他の成分として希釈溶剤が含有されてもよい。
[Method for producing gel electrolyte]
The production method of the gel electrolyte according to the present disclosure is not particularly limited, but as a typical production method, a first method using two types of dilution solvents, a second method using one type of dilution solvent, and a dilution solvent A third method without using can be mentioned. This diluted solvent is a component different from the electrolyte solution solvent, and is a component that is removed before the reactive group contained in the gel-like body (gel electrolyte) undergoes a crosslinking reaction. Therefore, the gel electrolyte according to the present disclosure may contain a diluent solvent as a component other than the matrix material and the electrolytic solution.

なお、前述した未硬化状態のゲル電解質における第三条件および第四条件、すなわち、ゲル電解質における電解液溶媒の質量範囲およびゲル電解質におけるマトリクス材の質量範囲は、希釈溶剤を除くゲル電解質の全質量に対して規定されている。これは、前記の通り、希釈溶剤が、反応基の架橋反応の前に除去されるためであり、言い換えれば、硬化状態にある硬質ゲル電解質には、希釈溶剤は実質的に含まれていないためである。   The third and fourth conditions in the uncured gel electrolyte described above, that is, the mass range of the electrolyte solvent in the gel electrolyte and the mass range of the matrix material in the gel electrolyte are the total mass of the gel electrolyte excluding the dilution solvent. It is prescribed for. This is because, as described above, the diluting solvent is removed before the crosslinking reaction of the reactive groups. In other words, the hard gel electrolyte in the cured state does not substantially contain the diluting solvent. It is.

希釈溶剤の具体的な種類は特に限定されず、電気化学デバイスの種類、マトリクス材の種類、電解液の成分等の諸条件に応じて適宜選択することができる。例えば、後述する実施例では、電気化学デバイスの一例としてリチウムイオン電池を例示しているので、希釈溶剤としては、次に例示する溶媒を好適に用いることができる。   The specific type of the dilution solvent is not particularly limited, and can be appropriately selected according to various conditions such as the type of electrochemical device, the type of matrix material, and the components of the electrolytic solution. For example, in the examples described later, a lithium ion battery is illustrated as an example of an electrochemical device, and therefore, the following solvent can be suitably used as the dilution solvent.

具体的には、ゲル電解質に含有可能な希釈溶剤としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン(MEK)、シクロヘキサノン等のケトン系溶媒;1,2−ジメトキシエタン(DME)等のエーテル系溶媒;アセトニトリル(ACN)等のニトリル系溶媒;N−メチルピロリドン(NMP)等のピロリドン系溶媒;γ-ブチロラクトン(GBL)等のラクトン系溶媒;エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等のカーボネート系溶媒;等を挙げることができる。これら溶媒は、本開示における希釈溶剤として1種類を用いてもよいし、2種類以上を適宜選択して用いてもよい。また、これら溶媒を2種類以上用いる場合、それぞれの溶媒を異なる希釈目的で用いてもよいし、2種類以上の溶媒を混合した混合溶媒として用いてもよい。   Specifically, examples of the diluent solvent that can be contained in the gel electrolyte include ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone (MEK), and cyclohexanone; ether solvents such as 1,2-dimethoxyethane (DME); acetonitrile (ACN ) Nitrile solvents such as N-methylpyrrolidone (NMP), etc .; lactone solvents such as γ-butyrolactone (GBL); ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), And carbonate solvents such as diethyl carbonate (DEC) and ethyl methyl carbonate (EMC). One type of these solvents may be used as a dilution solvent in the present disclosure, or two or more types may be appropriately selected and used. Moreover, when using these 2 or more types of solvents, each solvent may be used for the purpose of a different dilution, and may be used as a mixed solvent which mixed 2 or more types of solvents.

本開示に係るゲル電解質の代表的な製造方法のうち、2種類の希釈溶剤を用いる第一の方法について説明する。   The first method using two types of dilution solvents among the representative manufacturing methods of the gel electrolyte according to the present disclosure will be described.

第一の方法では、まず、マトリクス材および第一の希釈溶剤を混合することで、電解液を含有しないゲル状体(非電解質ゲル状体)を形成する(非電解質ゲル状体形成工程)。マトリクス材および第一の希釈溶剤を混合する方法は特に限定されないが、代表的には、マトリクス材および第一の希釈溶剤を加熱することにより第一の希釈溶剤にマトリクス材を溶解させる方法が挙げられる。溶解後には、例えば室温まで冷却することで非電解質ゲル状体が得られる。なお、この第一の希釈溶剤は非電解質ゲル状体を形成するために用いられるの、ゲル用希釈溶剤と称することができる。   In the first method, first, a matrix material and a first dilution solvent are mixed to form a gel-like body (non-electrolyte gel-like body) that does not contain an electrolytic solution (non-electrolyte gel-like body forming step). The method of mixing the matrix material and the first dilution solvent is not particularly limited, but typically, a method of dissolving the matrix material in the first dilution solvent by heating the matrix material and the first dilution solvent is mentioned. It is done. After dissolution, for example, a non-electrolyte gel can be obtained by cooling to room temperature. In addition, this 1st dilution solvent can be called the dilution solvent for gels used in order to form a nonelectrolyte gel-like body.

次に第一の方法では、第二の希釈溶剤に電解質成分(リチウム塩等のイオン性物質)、電解液溶媒およびその他の成分(後硬化剤、開始剤等)を溶解させ、電解液等の希釈溶液を調製する。説明の便宜上、この希釈溶液を置換溶液と称する(置換溶液調製工程)。置換溶液の調製方法は特に限定されず、公知のミキサー等を用いればよい。そして、この置換溶液を非電解質ゲル状体に添加する(置換溶液添加工程)。置換溶液の添加方法は特に限定されず、非電解質ゲル状体上への置換溶液の塗布または蓄積等を挙げることができる。添加された置換溶液は非電解質ゲル状体に吸収されるので、希釈溶剤含有ゲル状体が得られる。   Next, in the first method, an electrolyte component (an ionic substance such as a lithium salt), an electrolyte solution solvent and other components (post-curing agent, initiator, etc.) are dissolved in a second dilution solvent, Prepare diluted solution. For convenience of explanation, this diluted solution is referred to as a replacement solution (replacement solution preparation step). The method for preparing the replacement solution is not particularly limited, and a known mixer or the like may be used. Then, this replacement solution is added to the non-electrolyte gel (substitution solution addition step). The method for adding the replacement solution is not particularly limited, and examples thereof include application or accumulation of the replacement solution on the non-electrolyte gel. Since the added replacement solution is absorbed by the non-electrolyte gel, a diluted solvent-containing gel is obtained.

第一の方法では、その後、希釈溶剤含有ゲル状体から希釈溶剤を除去する(希釈溶剤除去工程)。希釈溶剤の除去方法は特に限定されないが、例えば、減圧条件下あるいは高温条件下で希釈溶剤を蒸発させて留去すればよい。この工程では、ゲル用希釈溶剤および置換用希釈溶剤のいずれも除去されるが、最初に形成される非電解質ゲル状体に注目すれば、非電解質ゲル状体が含有するゲル用希釈溶剤が電解液に置換されることになる。本開示に係るゲル電解質は、希釈溶剤含有ゲル状体であってもよいし、希釈溶剤を除去したゲル状体であってもよい。すなわち、希釈溶剤の除去は、電気化学デバイスを作製(製造)する直前に行ってもよいし、予め希釈溶剤を除去してもよい。   In the first method, the diluted solvent is then removed from the diluted solvent-containing gel-like body (diluted solvent removal step). The method for removing the diluted solvent is not particularly limited. For example, the diluted solvent may be distilled off under reduced pressure or high temperature. In this step, both the gel dilution solvent and the substitution dilution solvent are removed. However, if attention is paid to the first nonelectrolyte gel-like body, the gel dilution solvent contained in the nonelectrolyte gel-like body is electrolyzed. It will be replaced with liquid. The gel electrolyte according to the present disclosure may be a diluted solvent-containing gel-like body or a gel-like body from which the diluent solvent has been removed. That is, the removal of the diluted solvent may be performed immediately before manufacturing (manufacturing) the electrochemical device, or the diluted solvent may be removed in advance.

次に、本開示に係るゲル電解質の代表的な製造方法のうち、1種類の希釈溶剤を用いる第二の方法について説明する。   Next, a second method using one type of diluent solvent among the representative methods for producing a gel electrolyte according to the present disclosure will be described.

第二の方法では、前記第一の方法と同様に、マトリクス材および希釈溶剤を混合することで、マトリクス材の希釈溶液を調製する。説明の便宜上、このマトリクス材の希釈溶液を「A液」と称する(A液調製工程)。次に、A液と同種の希釈溶剤に、電解質成分(リチウム塩等のイオン性物質)、電解液溶媒およびその他の成分(後硬化剤、開始剤等)を溶解させ、電解液等の希釈溶液を調製する。説明の便宜上、この電解液等の希釈溶液を「B液」と称する(B液調製工程)。   In the second method, as in the first method, a matrix material and a diluting solvent are mixed to prepare a diluted solution of the matrix material. For convenience of explanation, the diluted solution of the matrix material is referred to as “liquid A” (liquid A preparation step). Next, an electrolyte component (ionic substance such as a lithium salt), an electrolyte solution solvent and other components (post-curing agent, initiator, etc.) are dissolved in the same type of diluent solvent as the solution A, and a diluted solution such as an electrolyte solution is obtained. To prepare. For convenience of explanation, this diluted solution such as an electrolytic solution is referred to as “B solution” (B solution preparation step).

次に第二の方法では、調製したA液およびB液を混合し、得られる混合液を所定形状に成形する(混合成形工程)。混合液の成形方法は特に限定されず、得ようとするゲル電解質の形状に応じた成形型または支持体等を用いればよい。例えば、後述する実施例では、電気化学デバイスの一例としてリチウムイオン電池を例示しているので、リチウムイオン電池の正極を支持体として、この正極の表面に混合液を塗工している。これにより、希釈溶剤含有ゲル状体が形成される。その後、第一の方法と同様に、希釈溶剤含有ゲル状体から希釈溶剤を除去する(希釈溶剤除去工程)。   Next, in the second method, the prepared liquid A and liquid B are mixed, and the resulting liquid mixture is molded into a predetermined shape (mixed molding step). The method for forming the mixed liquid is not particularly limited, and a forming die or a support according to the shape of the gel electrolyte to be obtained may be used. For example, in the examples described later, a lithium ion battery is illustrated as an example of an electrochemical device. Therefore, the liquid mixture is applied to the surface of the positive electrode using the positive electrode of the lithium ion battery as a support. Thereby, a diluted solvent containing gel-like object is formed. Thereafter, as in the first method, the diluted solvent is removed from the diluted solvent-containing gel-like body (diluted solvent removal step).

次に、本開示に係るゲル電解質の代表的な製造方法のうち、希釈溶剤を用いない第三二の方法について説明する。第三の方法では、マトリクス材または電解質等を溶解する希釈溶剤を用いない代わりに、電解液溶媒を用いる。   Next, among the representative methods for producing a gel electrolyte according to the present disclosure, a second method that does not use a diluting solvent will be described. In the third method, instead of using a diluent solvent that dissolves the matrix material or the electrolyte, an electrolyte solvent is used.

第三の方法では、マトリクス材および電解液溶媒を混合することで、マトリクス材の電解液溶媒溶液を調製する。説明の便宜上、このマトリクス材の溶液を第二の方法と同様に「A液」と称する(A液調製工程)。次に、A液と同種または異種の電解液溶媒に、電解質成分(リチウム塩等のイオン性物質)およびその他の成分(後硬化剤、開始剤等)を溶解させ、電解液等の電解液溶媒溶液を調製する。説明の便宜上、この電解液等の溶液を第二の方法と同様に「B液」と称する(B液調製工程)。そして、調製したA液およびB液を混合し、得られる混合液を所定形状に成形する(混合成形工程)。これにより、電解液等を含有するゲル状体、すなわちゲル電解質が得られる。   In the third method, an electrolyte solution solution of the matrix material is prepared by mixing the matrix material and the electrolyte solution solvent. For convenience of explanation, this matrix material solution is referred to as “liquid A” as in the second method (liquid A preparation step). Next, an electrolyte component (an ionic substance such as a lithium salt) and other components (post-curing agent, initiator, etc.) are dissolved in the same or different electrolyte solution solvent as the solution A, and an electrolyte solution solvent such as an electrolyte solution Prepare the solution. For convenience of explanation, the solution such as the electrolytic solution is referred to as “solution B” as in the second method (solution B preparation step). And the prepared A liquid and B liquid are mixed and the obtained liquid mixture is shape | molded by the predetermined shape (mixing shaping | molding process). Thereby, the gel-like body containing electrolyte solution etc., ie, gel electrolyte, is obtained.

これら第一の方法、第二の方法、および第三の方法は、それぞれ製造上の独自の利点を有するため、いずれかの方法が特に好ましいとは断定できない。例えば、第一の方法では、前記の通り、希釈溶剤を用いて置換溶液を調製し、この置換溶液を用いて非電解質ゲル状体の液体成分を電解液に置き換える。それゆえ、置換溶液の組成を適宜変更することにより、得られるゲル電解質について、さまざまなバリエーションを容易に製造することができる。   Since each of the first method, the second method, and the third method has unique advantages in production, it cannot be determined that any of the methods is particularly preferable. For example, in the first method, as described above, a replacement solution is prepared using a diluting solvent, and the liquid component of the non-electrolyte gel is replaced with the electrolytic solution using the replacement solution. Therefore, various variations of the obtained gel electrolyte can be easily produced by appropriately changing the composition of the replacement solution.

また、第二の方法では、リチウムイオン電池を製造する際には、正極または負極を支持体として、この正極または負極に混合液を塗工することができる。それゆえ、第一の方法に比較してリチウムイオン電池の製造工程の増加を回避できるので、リチウムイオン電池の製造方法を簡素化することができる。さらに、第三の方法では、希釈溶剤を使用せずに電解液溶媒を用いている。これにより、混合液を所定形状に成形するだけでゲル電解質が得られるので、第一の方法または第二の方法と比較して、希釈溶剤を除去する工程が不要となる。それゆえ、電気化学デバイスの製造方法を簡素化することができる。   In the second method, when a lithium ion battery is produced, a mixed liquid can be applied to the positive electrode or the negative electrode using the positive electrode or the negative electrode as a support. Therefore, an increase in the manufacturing process of the lithium ion battery can be avoided as compared with the first method, so that the manufacturing method of the lithium ion battery can be simplified. Furthermore, in the third method, an electrolyte solution solvent is used without using a diluting solvent. Thereby, since gel electrolyte is obtained only by shape | molding a liquid mixture in a predetermined shape, the process of removing a dilution solvent becomes unnecessary compared with a 1st method or a 2nd method. Therefore, the manufacturing method of the electrochemical device can be simplified.

[電気化学デバイス]
次に、前記構成のゲル電解質を用いて製造される本開示に係る電気化学デバイスの代表例について具体的に説明する。本開示に係る電気化学デバイスは、電気化学反応を利用したもの(化学エネルギーと電気エネルギーとを変換可能とするもの)であればよく特に限定されないが、代表的な構成としては、一対の電極と、これらの間に位置する電解質と、を備える構成を挙げることができる。
[Electrochemical devices]
Next, a representative example of the electrochemical device according to the present disclosure manufactured using the gel electrolyte having the above-described configuration will be specifically described. The electrochemical device according to the present disclosure is not particularly limited as long as it uses an electrochemical reaction (that can convert chemical energy and electrical energy), but a representative configuration includes a pair of electrodes and And an electrolyte positioned between them.

電気化学デバイスが備える一対の電極の具体的な構成は特に限定されないが、代表的には、一対の電極は、それぞれ正極および負極として構成される。これら正極および負極の具体的な構成は特に限定されないが、電解質に含まれる電解液との接触面積を増加させるために、例えば、その接触面(電解質に対向する面)が多孔質状であることが好ましい。このような多孔質状の接触面は、正極のみが有してもよいし、負極のみが有してもよいし、正極および負極の双方が有してもよい。なお、一対の電極(正極、負極)のより具体的な構成は特に限定されず、電気化学デバイスの種類または用途等に応じて、さまざまな材質、形状、寸法等のものを好適に用いることができる。   Although the specific structure of a pair of electrode with which an electrochemical device is provided is not specifically limited, Typically, a pair of electrode is each comprised as a positive electrode and a negative electrode. Specific configurations of the positive electrode and the negative electrode are not particularly limited. In order to increase the contact area with the electrolyte contained in the electrolyte, for example, the contact surface (surface facing the electrolyte) is porous. Is preferred. Such a porous contact surface may be included only in the positive electrode, only in the negative electrode, or both in the positive electrode and the negative electrode. Note that the more specific configuration of the pair of electrodes (positive electrode, negative electrode) is not particularly limited, and various materials, shapes, dimensions, and the like are preferably used depending on the type or application of the electrochemical device. it can.

多孔質状の接触面の形成方法は特に限定されないが、代表的には、電極材料(活物質)の粉末(または粒子)を電極基材の表面に層状に形成する方法が挙げられる。このような粉末材料を層状に形成する方法としては、電極材料(活物質)の粉末を有機ビヒクル(溶媒および/またはバインダー樹脂等)に混合してペースト化し、これを電極基材の表面に塗布して乾燥、硬化、または焼成等する方法が挙げられる。   The method for forming the porous contact surface is not particularly limited, but a typical example is a method in which the electrode material (active material) powder (or particles) is formed in layers on the surface of the electrode substrate. As a method of forming such a powder material in layers, the electrode material (active material) powder is mixed with an organic vehicle (solvent and / or binder resin, etc.) to form a paste, and this is applied to the surface of the electrode substrate. And a method of drying, curing, firing, or the like.

電気化学デバイスが備える電解質は、一対の電極の間に介在しているが、本開示においては、この電解質は、前述したように、未硬化状態のゲル電解質の硬化度を上昇させた、硬化状態の硬質ゲル電解質であればよい。   Although the electrolyte included in the electrochemical device is interposed between the pair of electrodes, in the present disclosure, as described above, the electrolyte is a cured state in which the degree of curing of the uncured gel electrolyte is increased. Any hard gel electrolyte may be used.

また、本開示に係る電気化学デバイスの代表的な構成は、前記の通り、一対の電極および硬質ゲル電解質を備えている構成であるが、本開示における電気化学デバイスの構成はこれに限定されず、一対の電極およびゲル電解質または硬質ゲル電解質以外の構成要素または部材を備えていてもよい。このような他の構成要素または他の部材の具体的な構成は特に限定されず、電気化学デバイスの具体的な種類に応じたさまざまな構成要素または部品を用いることができる。   Further, as described above, a typical configuration of the electrochemical device according to the present disclosure is a configuration including a pair of electrodes and a hard gel electrolyte, but the configuration of the electrochemical device in the present disclosure is not limited to this. A component or member other than the pair of electrodes and the gel electrolyte or the hard gel electrolyte may be provided. The specific configuration of such other components or other members is not particularly limited, and various components or components depending on the specific type of electrochemical device can be used.

本開示に係る電気化学デバイスのより具体的な構成としては、例えば、リチウムイオン電池、色素増感太陽電池、電気二重層キャパシタ、ゲルアクチュエータ等を挙げることができる。本開示における電気化学デバイスの代表的な例であるリチウムイオン電池の具体的な構成について、図1を参照して具体的に説明する。   Specific examples of the electrochemical device according to the present disclosure include a lithium ion battery, a dye-sensitized solar cell, an electric double layer capacitor, and a gel actuator. A specific configuration of a lithium ion battery, which is a representative example of the electrochemical device in the present disclosure, will be specifically described with reference to FIG.

図1に示すように、電気化学デバイスの一種であるリチウムイオン電池10は、一対の電極として正極12および負極13を備えるとともに、正極12および負極13の間に硬質ゲル電解質14が保持された構成を有している。なお、正極12、硬質ゲル電解質14および負極13が積層されて構成される構造体(正極12および負極13に硬質ゲル電解質14が保持される構造体)を、便宜上、積層構造体11と称する。リチウムイオン電池10は、この積層構造体11を封止材15で封止した構成となっている。   As shown in FIG. 1, a lithium ion battery 10 that is a type of electrochemical device includes a positive electrode 12 and a negative electrode 13 as a pair of electrodes, and a hard gel electrolyte 14 is held between the positive electrode 12 and the negative electrode 13. have. A structure in which the positive electrode 12, the hard gel electrolyte 14 and the negative electrode 13 are laminated (a structure in which the hard gel electrolyte 14 is held on the positive electrode 12 and the negative electrode 13) is referred to as a laminated structure 11 for convenience. The lithium ion battery 10 has a configuration in which the laminated structure 11 is sealed with a sealing material 15.

正極12は、図1に示すように、正極基材21の表面(負極13に対する対向面であり、硬質ゲル電解質14に接する面である)に正極活物質層22が形成された構成を有している。同様に、負極13は、負極基材31の表面(正極12に対する対向面であり、硬質ゲル電解質14に接する面である)に負極活物質層32が形成された構成を有している。   As shown in FIG. 1, the positive electrode 12 has a configuration in which a positive electrode active material layer 22 is formed on the surface of a positive electrode base material 21 (a surface facing the negative electrode 13 and a surface in contact with the hard gel electrolyte 14). ing. Similarly, the negative electrode 13 has a configuration in which a negative electrode active material layer 32 is formed on the surface of the negative electrode substrate 31 (the surface facing the positive electrode 12 and in contact with the hard gel electrolyte 14).

正極基材21および負極基材31は、正極活物質層22および負極活物質層32の電気化学反応により生じる電子を集電する集電体として機能する。正極基材21および負極基材31の具体的な構成は特に限定されず、公知の金属板または金属箔を用いればよい。後述する実施例では、正極基材21としてアルミニウム箔を用いている。また、負極基材31としては代表的には銅箔が用いられる。   The positive electrode base material 21 and the negative electrode base material 31 function as a current collector that collects electrons generated by the electrochemical reaction of the positive electrode active material layer 22 and the negative electrode active material layer 32. The specific structure of the positive electrode base material 21 and the negative electrode base material 31 is not specifically limited, What is necessary is just to use a well-known metal plate or metal foil. In examples described later, an aluminum foil is used as the positive electrode base material 21. As the negative electrode base material 31, a copper foil is typically used.

正極活物質層22に用いられる正極活物質としては、代表的には、遷移金属酸化物のリチウム塩が挙げられるが特に限定されない。後述する実施例では、正極活物質として、三元系のリチウム塩であるLi−Ni−Co−Mn酸化物(NCM)を用いている。負極活物質層32に用いられる負極活物質としては、代表的には、リチウム金属箔または炭素材料が用いられる。後述する実施例では、負極活物質としてリチウム金属箔を用いている。また、正極活物質層22は正極活物質のみで構成されてもよいし、負極活物質層32は負極活物質のみで構成されてもよいが、他の成分を含む層として構成されてもよい。   A typical example of the positive electrode active material used for the positive electrode active material layer 22 is a lithium salt of a transition metal oxide, but is not particularly limited. In examples described later, Li—Ni—Co—Mn oxide (NCM), which is a ternary lithium salt, is used as the positive electrode active material. As the negative electrode active material used for the negative electrode active material layer 32, a lithium metal foil or a carbon material is typically used. In the examples described later, lithium metal foil is used as the negative electrode active material. Further, the positive electrode active material layer 22 may be composed of only the positive electrode active material, and the negative electrode active material layer 32 may be composed of only the negative electrode active material, but may be configured as a layer containing other components. .

例えば、正極活物質層22および負極活物質層32が、活物質を含む塗布液により塗布して形成される場合には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の公知のバインダ樹脂、並びに、カーボンブラック等の公知の導電助剤が含まれてもよい。また、塗布液には、活物質、バインダ樹脂、導電助剤以外に溶媒(分散媒)が含まれていればよい。また、正極活物質層22または負極活物質層32との接触頻度を向上させる観点から、塗布液には、硬化度を上昇させる前のゲル電解質、あるいは、硬質ゲル電解質14と同程度に硬化度を上昇させたゲル電解質(硬質ゲル電解質成分)を含んでいてもよい。   For example, when the positive electrode active material layer 22 and the negative electrode active material layer 32 are formed by coating with a coating solution containing an active material, a known binder resin such as polyvinylidene fluoride (PVDF), carbon black, and the like The known conductive assistant may be included. Moreover, the coating liquid should just contain the solvent (dispersion medium) other than an active material, binder resin, and a conductive support agent. Further, from the viewpoint of improving the frequency of contact with the positive electrode active material layer 22 or the negative electrode active material layer 32, the coating solution has a degree of cure that is the same as that of the gel electrolyte before increasing the degree of cure or the hard gel electrolyte 14. May contain a gel electrolyte (hard gel electrolyte component).

正極活物質層22は、正極12において負極13に対向する対向面を構成するとともに、硬質ゲル電解質14に対する接触面を構成する。同様に、負極活物質層32は、負極13において正極12に対向する対向面を構成するとともに、硬質ゲル電解質14に対する接触面を構成する。それゆえ、前述したように、正極活物質層22および負極活物質層32の少なくともいずれか一方は多孔質状に形成されていることが好ましい。   The positive electrode active material layer 22 constitutes a facing surface facing the negative electrode 13 in the positive electrode 12 and a contact surface with respect to the hard gel electrolyte 14. Similarly, the negative electrode active material layer 32 constitutes a facing surface facing the positive electrode 12 in the negative electrode 13 and also constitutes a contact surface with respect to the hard gel electrolyte 14. Therefore, as described above, it is preferable that at least one of the positive electrode active material layer 22 and the negative electrode active material layer 32 is formed in a porous shape.

これら活物質層22および32を多孔質状に形成する方法は特に限定されず、公知のさまざまな手法を用いることができる。代表的には、前記の通り、活物質を含むペーストを塗布して乾燥する手法を挙げることができる。また、活物質層22および32のいずれか一方は、多孔質状でなくてもよい。後述する実施例では、正極活物質層22は多孔質状に形成されるが、負極活物質層32はリチウム箔のみで形成される。   A method for forming the active material layers 22 and 32 in a porous shape is not particularly limited, and various known methods can be used. Typically, as described above, a method of applying and drying a paste containing an active material can be given. Further, either one of the active material layers 22 and 32 may not be porous. In the examples described later, the positive electrode active material layer 22 is formed in a porous shape, but the negative electrode active material layer 32 is formed only from a lithium foil.

なお、リチウム箔は負極活物質とともに集電体(負極基材31)を兼ねるので、後述する実施例では、負極13はリチウム箔のみで構成されている。したがって、正極12および負極13の少なくともは、図1に例示するように、活物質層22および32とこれを支持する基材21および31で構成されている必要はない。   In addition, since lithium foil serves as a collector (negative electrode base material 31) with a negative electrode active material, in the Example mentioned later, the negative electrode 13 is comprised only with lithium foil. Therefore, at least the positive electrode 12 and the negative electrode 13 do not need to be composed of the active material layers 22 and 32 and the base materials 21 and 31 that support them, as illustrated in FIG.

硬質ゲル電解質14は、前述したように、未硬化状態のゲル電解質に含まれる反応基を反応させ、架橋反応を進行させてゲル電解質の硬化度を上昇させることにより形成される。   As described above, the hard gel electrolyte 14 is formed by reacting a reactive group contained in an uncured gel electrolyte and advancing a crosslinking reaction to increase the degree of cure of the gel electrolyte.

封止材15は、正極12、負極13および硬質ゲル電解質14により構成される積層構造体11を封止できるものであれば特に限定されない。封止材15としては、電気化学デバイスがリチウムイオン電池10であれば、代表的には、公知の積層フィルム、または、公知の金属缶等が挙げられる。積層フィルムとしては、代表的には、アルミニウム箔またはステンレス箔等の金属箔にポリプロピレン(PP)等の樹脂フィルムを積層したものが挙げられるが特に限定されない。また、電気化学デバイスが色素増感太陽電池であれば、封止材15としては例えば熱可塑性のアイオノマー樹脂等の公知のシール剤が挙げられる。   The sealing material 15 will not be specifically limited if it can seal the laminated structure 11 comprised by the positive electrode 12, the negative electrode 13, and the hard gel electrolyte 14. FIG. If the electrochemical device is the lithium ion battery 10, the sealing material 15 typically includes a known laminated film, a known metal can, or the like. Typical examples of the laminated film include, but are not particularly limited to, a laminate of a resin film such as polypropylene (PP) on a metal foil such as an aluminum foil or a stainless steel foil. Further, when the electrochemical device is a dye-sensitized solar cell, examples of the sealing material 15 include known sealing agents such as thermoplastic ionomer resins.

なお、図1に示すリチウムイオン電池10は、セパレータを備えていない。これは、正極12および負極13に保持される硬質ゲル電解質14がセパレータと同様に機能することができるためである。また、リチウムイオン電池10は、別途セパレータを備えてもよいし、正極12、負極13および硬質ゲル電解質14以外の部材等を備えてもよい。   Note that the lithium ion battery 10 shown in FIG. 1 does not include a separator. This is because the hard gel electrolyte 14 held by the positive electrode 12 and the negative electrode 13 can function in the same manner as the separator. In addition, the lithium ion battery 10 may include a separate separator, or may include a member other than the positive electrode 12, the negative electrode 13, and the hard gel electrolyte 14.

このように本開示によれば、未硬化状態のゲル電解質には、適量の反応基が含まれることになる。それゆえ、反応基の架橋反応が十分に進行したゲル電解質(硬質ゲル電解質)になっても、当該硬質ゲル電解質は十分な量の電解液を保持することができる。また、架橋反応の進行に伴ってマトリクス材から電解液の一部を漏出させることも可能になる。それゆえ、硬化が十分に進行していない状態(未硬化状態)のゲル電解質を用いて電気化学デバイスを作製してから、架橋反応を進行させれば、当該電気化学デバイスが備える電極の接触面に、漏出した電解液を良好に接触させることができる。これにより、電気化学デバイスにおいて良好な電気化学反応の実現が可能になる。   As described above, according to the present disclosure, the uncured gel electrolyte contains an appropriate amount of reactive groups. Therefore, even when the gel electrolyte (hard gel electrolyte) in which the crosslinking reaction of the reactive groups has sufficiently progressed, the hard gel electrolyte can hold a sufficient amount of the electrolytic solution. It is also possible to leak a part of the electrolyte from the matrix material as the crosslinking reaction proceeds. Therefore, if an electrochemical device is produced using a gel electrolyte that is not sufficiently cured (uncured) and then the crosslinking reaction proceeds, the contact surface of the electrode provided in the electrochemical device In addition, the leaked electrolyte can be satisfactorily contacted. This makes it possible to realize a favorable electrochemical reaction in the electrochemical device.

また、未硬化状態であってもゲル電解質のせん断弾性率が1MPa以上であるので、当該ゲル電解質は良好な強度を有していることになる。それゆえ、ゲル電解質において良好な取扱性を実現することができるので、電気化学デバイスの作製の非効率化を抑制することができる。しかも、前記の通り、未硬化状態のゲル電解質を用いて電気化学デバイスを作製してから、架橋反応を進行させればよいので、電気化学デバイスの製造過程において注液工程が不要となる。それゆえ、注液が不十分になるおそれ、あるいは、注液が不十分になることに由来する性能低下等のおそれを回避することができる。   Moreover, since the shear modulus of the gel electrolyte is 1 MPa or more even in an uncured state, the gel electrolyte has a good strength. Therefore, good handling properties can be realized in the gel electrolyte, so that inefficiency in the production of the electrochemical device can be suppressed. In addition, as described above, the cross-linking reaction may be advanced after the electrochemical device is produced using the uncured gel electrolyte, so that a liquid injection step is not necessary in the production process of the electrochemical device. Therefore, it is possible to avoid the possibility of insufficient liquid injection or the risk of performance degradation due to insufficient liquid injection.

その結果、本開示によれば、電気化学デバイスの製造の効率化を図ることが可能になるとともに、得られる電気化学デバイスにおいて良好なデバイス性能を実現することができる。   As a result, according to the present disclosure, it is possible to improve the efficiency of manufacturing an electrochemical device, and it is possible to realize good device performance in the obtained electrochemical device.

本開示について、実施例および比較例に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正、および改変を行うことができる。なお、以下の実施例における各種合成反応や物性等の測定・評価は次に示すようにして行った。   The present disclosure will be described more specifically based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art can make various changes, modifications, and alterations without departing from the scope of the present invention. In addition, measurement / evaluation of various synthesis reactions and physical properties in the following examples were performed as follows.

(ゲル電解質のせん断弾性率の測定)
各実施例または各比較例で得られたゲル電解質のせん断弾性率は、株式会社島津製作所製卓上形精密万能試験機(製品名:オートグラフAGS−X)を用い、5mmφの押込治具を装着し、0.05N予備負荷をかけた後に、0.05mm/分の速度で押込み試験を実施し、当該押込み試験の結果から、前記の参考文献1を参考として下記式(1)により、せん断弾性率を測定した(単位:MPa)。
(Measurement of shear modulus of gel electrolyte)
The shear elastic modulus of the gel electrolyte obtained in each Example or each Comparative Example was measured using a tabletop precision universal testing machine (product name: Autograph AGS-X) manufactured by Shimadzu Corporation and equipped with a 5 mmφ indentation jig. Then, after applying a 0.05 N preload, an indentation test was carried out at a speed of 0.05 mm / min. From the results of the indentation test, the shear elasticity was calculated by the following formula (1) with reference to the above-mentioned reference 1. The rate was measured (unit: MPa).

せん断弾性率(G)=0.36Fg[(D−h)/h]3/2/R2 ・・・ (1)
(F:押込み試験の荷重(試験力)、g:重力加速度、D:ゲル電解質(ゲル状体)の厚さ(膜厚)、h:荷重による厚さ(膜厚)変化、R:押込み試験の球状圧子の球半径)
(ゲル電解質のイオン伝導度の測定)
各実施例または各比較例で得られたゲル電解質について、その厚さ(膜厚)を測定した。また、当該ゲル電解質をステンレス箔で挟持したものを80℃の恒温槽で12時間静置して架橋反応を進行させて室温に戻し、ゲル電解質を硬質ゲル電解質とした。これをイオン伝導度測定用のサンプルとして、このサンプルについて、バイオロジック社(Bio-Logic SAS)製インピーダンスアナライザー(製品名:SP−150)を用いて、周波数1MHz〜0.1Hzの条件で電気化学インピーダンス(EIS)測定することにより、当該ゲル電解質のバルク抵抗値を得た。ゲル電解質の膜厚をバルク抵抗値で除算することにより、30℃におけるイオン伝導度を算出した(単位:mS/cm)。
Shear modulus (G) = 0.36Fg [(D−h) / h] 3/2 / R 2 (1)
(F: Indentation test load (test force), g: Gravitational acceleration, D: Gel electrolyte (gel-like body) thickness (film thickness), h: Thickness (film thickness) change due to load, R: Indentation test Sphere radius of spherical indenter)
(Measurement of ionic conductivity of gel electrolyte)
About the gel electrolyte obtained by each Example or each comparative example, the thickness (film thickness) was measured. Further, the gel electrolyte sandwiched between stainless steel foils was allowed to stand for 12 hours in a thermostatic bath at 80 ° C. to allow the crosslinking reaction to proceed to room temperature, and the gel electrolyte was used as a hard gel electrolyte. Using this as a sample for ionic conductivity measurement, this sample was subjected to electrochemical under conditions of a frequency of 1 MHz to 0.1 Hz using an impedance analyzer (product name: SP-150) manufactured by Bio-Logic SAS. The bulk resistance value of the gel electrolyte was obtained by measuring the impedance (EIS). The ion conductivity at 30 ° C. was calculated by dividing the film thickness of the gel electrolyte by the bulk resistance value (unit: mS / cm).

(電気化学デバイスの電池性能評価)
各実施例または各比較例において得られた評価用コインセル(本開示に係る電気化学デバイス)について、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、製品名:TOSCAT3100)を用いて、25℃の条件下で、0.1C時間率で充電を実行するとともに、0.1Cから1C時間率の条件で放電を実行し、0.1C放電容量に対する1C放電容量の容量保持率(Q1C/Q0.1C)について評価した。
(Battery performance evaluation of electrochemical devices)
About the coin cell for evaluation (electrochemical device according to the present disclosure) obtained in each example or each comparative example, using a charge / discharge test apparatus (product name: TOSCAT3100, manufactured by Toyo System Co., Ltd.) Then, charging is performed at a 0.1C time rate, and discharging is performed under conditions of a 0.1C to 1C time rate. evaluated.

容量保磁率が90%以上であれば「○」(良好)と評価し、容量保磁率が70%以上であれば「△」(普通)と評価し、容量保磁率が70%未満であれば「×」(不適)と評価した。   If the capacity coercivity is 90% or more, it is evaluated as “◯” (good), if the capacity coercivity is 70% or more, it is evaluated as “Δ” (normal), and if the capacity coercivity is less than 70%. It evaluated as "x" (unsuitable).

(電気化学デバイスの素子安定性評価)
各実施例または各比較例においては合計10個の評価用コインセル(本開示に係る電気化学デバイス)を作製し、これら評価用コインセルについて、東洋システム株式会社製充放電試験装置(製品名:TOSCAT3100)を用いて、25℃の条件下で1C時間率で充電を実行するとともに、1C時間率の条件で100回放電を実行することで、素子安定性試験を行った。作製した10個の評価用コインセルのうち短絡の発生が1個以下であれば「○」(良好)と評価し、短絡の発生が5個未満であれば「△」(普通)と評価し、短絡の発生が5個以上であれば「×」(不適)と評価した。
(Element stability evaluation of electrochemical devices)
In each example or each comparative example, a total of 10 coin cells for evaluation (electrochemical device according to the present disclosure) were produced, and the charge / discharge test apparatus (product name: TOSCAT3100) manufactured by Toyo System Co., Ltd. was used for these evaluation coin cells. The device stability test was performed by performing charging at a 1C time rate under conditions of 25 ° C. and discharging 100 times at a 1C time rate condition. If the occurrence of a short circuit is 1 or less among the 10 evaluation coin cells produced, it is evaluated as “◯” (good), and if the occurrence of a short circuit is less than 5, it is evaluated as “△” (normal). If the number of short circuits was 5 or more, it was evaluated as “x” (unsuitable).

(実施例1)
以下の作業は露点−50℃以下の乾燥空気雰囲気下で実施した。表1に示すように、マトリクス材であるポリフッ化ビニリデン(PVDF、株式会社クレハ製、製品名:KFポリマー#7200)1.8質量部を、ゲル用希釈溶剤であるアセトン(和光純薬株式会社製)33質量部に対して80℃で加熱溶解し、室温下で静置することでPVDF/アセトンゲル(非電解質ゲル状体)を作製した。
Example 1
The following operations were performed in a dry air atmosphere with a dew point of -50 ° C or lower. As shown in Table 1, 1.8 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF, manufactured by Kureha Co., Ltd., product name: KF Polymer # 7200), which is a matrix material, is added to acetone (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a gel dilution solvent. Manufactured) A PVDF / acetone gel (non-electrolyte gel) was prepared by heating and dissolving at 33 ° C. at 80 ° C. and allowing to stand at room temperature.

また、表1に示すように、リチウム塩であるリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI,キシダ化学株式会社製、リチウムバッテリーグレード(LBG))を10質量部、イオン液体系の電解液溶媒である1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド(EMImFSI,第一工業製薬株式会社製、製品名:エレクセルIL−110)を49質量部、後硬化剤である四官能ポリエーテルアクリレート(第一工業製薬株式会社製、製品名:エレクセルTA−210)を1.3質量部、アゾ系の開始剤である2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)(和光純薬株式会社製、製品名;V−65)を0.49質量部、および置換用希釈溶剤であるアセトニトリル(ACN)を3.8質量部配合して混合し、置換溶液を調製した。   Moreover, as shown in Table 1, 10 parts by mass of lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., lithium battery grade (LBG)), which is a lithium salt, is an ionic liquid electrolyte solvent. 49 parts by mass of 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide (EMImFSI, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd., product name: Elexel IL-110), tetrafunctional polyether acrylate (post-curing agent) Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd., product name: Elexel TA-210), 1.3 parts by mass, 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), an azo initiator (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 0.49 part by mass of product name; V-65) manufactured by company, and 3.8 parts by mass of acetonitrile (ACN) which is a dilution solvent for substitution Combined and mixed to prepare a replacement solution.

この置換溶液をPVDF/アセトンゲル上に添加し、常温・真空条件下でアセトン(ゲル用希釈溶剤)およびアセトニトリル(置換用希釈溶剤)を留去することにより、実施例1に係るゲル電解質を作製(製造)した。   This substitution solution is added onto PVDF / acetone gel, and acetone (dilution solvent for gel) and acetonitrile (dilution solvent for substitution) are distilled off under normal temperature and vacuum conditions to produce the gel electrolyte according to Example 1. (Manufacturing).

ここで、実施例1に係るゲル電解質においては、架橋可能な反応基は、後硬化剤である四官能ポリエーテルアクリレート(製品名:エレクセルTA−210)に含まれているアクリレート基である。使用した四官能ポリエーテルアクリレートは、重量平均分子量が11000であり、1分子に含まれる4つのアクリレート基の分子量が220であるので、当該四官能ポリエーテルアクリレート1gに含まれるアクリレート基の質量は0.02gである。   Here, in the gel electrolyte according to Example 1, the crosslinkable reactive group is an acrylate group contained in a tetrafunctional polyether acrylate (product name: Elexel TA-210) which is a post-curing agent. Since the used tetrafunctional polyether acrylate has a weight average molecular weight of 11000 and the molecular weight of four acrylate groups contained in one molecule is 220, the mass of acrylate groups contained in 1 g of the tetrafunctional polyether acrylate is 0. 0.02 g.

前記の通り、本実施例1では、後硬化剤である四官能ポリエーテルアクリレートの配合量は1.3質量部である。それゆえ、実施例1に係るゲル電解質に含まれる反応基(アクリレート基)の質量は、0.025質量部となる。また、前記の通り、本実施例1では、電解液溶媒であるEMImFSIの配合量は49質量部である。それゆえ、表1に示すように、実施例1に係るゲル電解質においては、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は0.050質量%となり、0.03〜6.5質量%の範囲内に入っている。   As described above, in Example 1, the compounding amount of the tetrafunctional polyether acrylate that is the post-curing agent is 1.3 parts by mass. Therefore, the mass of the reactive group (acrylate group) contained in the gel electrolyte according to Example 1 is 0.025 parts by mass. Moreover, as above-mentioned, in the present Example 1, the compounding quantity of EMImFSI which is an electrolyte solution solvent is 49 mass parts. Therefore, as shown in Table 1, in the gel electrolyte according to Example 1, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is 0.050% by mass, and is in the range of 0.03 to 6.5% by mass. Inside.

また、表1に示すように、実施例1に係るゲル電解質においては、全質量に対する電解液溶媒の質量比は78質量%であり、20〜80質量%の範囲内に入っており、全質量に対するマトリクス材の質量比は2.9質量%であり、1.0〜10質量%の範囲内に入っている。   Moreover, as shown in Table 1, in the gel electrolyte which concerns on Example 1, the mass ratio of the electrolyte solution solvent with respect to the total mass is 78 mass%, and it has entered into the range of 20-80 mass%, and the total mass. The mass ratio of the matrix material to 2.9 is 2.9% by mass and falls within the range of 1.0 to 10% by mass.

正極活物質であるLiNi1/3Mn1/3Co1/32を100g、導電助剤としてアセチレンブラック(デンカ株式会社製、製品名:デンカブラックHS−100)を7.8g、バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデン(PVDF、株式会社クレハ製、重量平均分子量Mw:約30万)を3.3g、分散媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を38.4g秤量し、それぞれを遊星型ミキサーで混合し、固形分51%の正極活物質層の塗工液を調製した。この塗工液を塗工装置で厚み15μmのアルミニウム箔(正極基材)上にコーティングし、130℃で乾燥した後にロールプレス処理を行い、2.3mg/cm2 の正極活物質層を有する正極を得た。 100 g of LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 which is a positive electrode active material, 7.8 g of acetylene black (manufactured by Denka Corporation, product name: Denka Black HS-100) as a conductive assistant, binder resin As a dispersion medium, polyvinylidene fluoride (PVDF, manufactured by Kureha Co., Ltd., weight average molecular weight Mw: about 300,000) is weighed, and 38.4 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is weighed as a dispersion medium. It mixed with the mixer and the coating liquid of the positive electrode active material layer of 51% of solid content was prepared. The coating liquid is coated on an aluminum foil (positive electrode base material) having a thickness of 15 μm with a coating apparatus, dried at 130 ° C., and then subjected to a roll press treatment to have a positive electrode active material layer of 2.3 mg / cm 2. Got.

この正極と、実施例1に係るゲル電解質と、負極であるリチウム箔とを重ね合わせて積層体を形成した。この積層体を直径14mmの円形状に打ち抜いて、コインセル治具内に密閉して封止することにより、封止体を作製した。この封止体を80℃の恒温槽内に12時間静置することで、ゲル電解質に含まれる反応基の架橋反応を十分に進行させた(ゲル電解質を硬化させて硬質ゲル電解質とした)後、室温に戻した。このようにして、実施例1に係る電気化学デバイスである評価用コインセル(リチウムイオン電池)を作製(製造)した。   This positive electrode, the gel electrolyte according to Example 1, and the lithium foil as the negative electrode were overlapped to form a laminate. This laminated body was punched into a circular shape having a diameter of 14 mm, and sealed in a coin cell jig to prepare a sealed body. After allowing the sealing body to stand in a thermostat at 80 ° C. for 12 hours, the crosslinking reaction of the reactive group contained in the gel electrolyte is sufficiently advanced (the gel electrolyte is cured to obtain a hard gel electrolyte). , Returned to room temperature. In this way, an evaluation coin cell (lithium ion battery), which is an electrochemical device according to Example 1, was produced (manufactured).

得られた実施例1に係るゲル電解質について、前記の通り、せん断弾性率、膜厚、およびイオン伝導度を測定または評価するとともに、得られた評価用コインセルについて電池性能および素子安定性(短絡)を評価した。その結果を表1に示す。   About the obtained gel electrolyte which concerns on Example 1, while measuring or evaluating a shear elasticity modulus, a film thickness, and ionic conductivity as above-mentioned, battery performance and element stability (short circuit) about the obtained coin cell for evaluation Evaluated. The results are shown in Table 1.

(実施例2,3)
電解液溶媒の配合量および後硬化剤の配合量を表1に示すように変化させた以外は、前記実施例1と同様にして、実施例2に係るゲル電解質または実施例3に係るゲル電解質を作製するとともに、実施例2に係る電気化学デバイスまたは実施例3に係る電気化学デバイスである評価用コインセルを作製した。
(Examples 2 and 3)
The gel electrolyte according to Example 2 or the gel electrolyte according to Example 3 in the same manner as in Example 1 except that the amount of electrolyte solvent and the amount of post-curing agent were changed as shown in Table 1. The coin cell for evaluation which is the electrochemical device which concerns on Example 2, or the electrochemical device which concerns on Example 3 was produced.

なお、表1に示すように、実施例2に係るゲル電解質または実施例3に係るゲル電解質においては、いずれも、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は0.03〜6.5質量%の範囲内に入っており、全質量に対する電解液溶媒の質量比は20〜80質量%の範囲内に入っており、全質量に対するマトリクス材の質量比は1.0〜10質量%の範囲内に入っている。   As shown in Table 1, in the gel electrolyte according to Example 2 or the gel electrolyte according to Example 3, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is 0.03 to 6.5 mass. %, The mass ratio of the electrolyte solvent to the total mass is in the range of 20 to 80 mass%, and the mass ratio of the matrix material to the total mass is in the range of 1.0 to 10 mass%. Inside.

得られた実施例2または3に係るゲル電解質について、前記の通り、せん断弾性率、膜厚、およびイオン伝導度を測定または評価するとともに、得られた評価用コインセルについて電池性能および素子安定性(短絡)を評価した。その結果を表1に示す。   About the obtained gel electrolyte which concerns on Example 2 or 3, as above-mentioned, while measuring or evaluating a shear elasticity modulus, a film thickness, and an ionic conductivity, about the obtained coin cell for evaluation, battery performance and element stability ( Short circuit). The results are shown in Table 1.

Figure 2019057425
Figure 2019057425

(実施例4)
以下の作業は、実施例1〜3と同様に、露点−50℃以下の乾燥空気雰囲気下で実施した。表2に示すように、マトリクス材であるフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFP、株式会社クレハ製、製品名:KFポリマー#8500,表2では便宜上「PVDF−HFP[1]」と表記)2.9質量部を、希釈溶剤であるジメチルエーテル(DME,和光純薬株式会社製)29.5質量部に対して80℃で加熱溶解した。これにより、PVDF−HFPのDME希釈溶液であるA液を調製した。
Example 4
The following operations were performed in a dry air atmosphere with a dew point of −50 ° C. or lower, as in Examples 1 to 3. As shown in Table 2, a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP, manufactured by Kureha Co., Ltd., product name: KF polymer # 8500, which is a matrix material, “PVDF-HFP [1] 2.9 parts by mass was dissolved by heating at 80 ° C. with respect to 29.5 parts by mass of dimethyl ether (DME, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a diluent solvent. Thereby, A liquid which is a DME diluted solution of PVDF-HFP was prepared.

また、表2に示すように、リチウム塩であるLiFSI(実施例1参照)を9.3質量部、イオン液体系の電解液溶媒であるEMImFSI(実施例1参照)を28質量部、後硬化剤である四官能ポリエーテルアクリレート(実施例1参照)を0.90質量部、開始剤であるアゾ系開始剤(実施例1参照)を0.12質量部、および希釈溶剤であるDMEを29.5質量部配合して混合し、電解液等のDME希釈用液であるB液を調製した。   Further, as shown in Table 2, 9.3 parts by mass of LiFSI (see Example 1) which is a lithium salt, 28 parts by mass of EMImFSI (see Example 1) which is an ionic liquid electrolyte solution solvent, and post-curing 0.90 parts by mass of tetrafunctional polyether acrylate (see Example 1) as an agent, 0.12 parts by mass of azo initiator (see Example 1) as an initiator, and 29 of DME as a diluent solvent .5 parts by mass was mixed and mixed to prepare solution B, which is a DME dilution solution such as an electrolytic solution.

得られたA液およびB液を混合し、この混合溶液を前述した正極の表面に塗工し、常温・真空条件下でDME(希釈溶剤)を留去することにより、実施例4に係るゲル電解質および正極の積層体を作製(製造)した。   The obtained liquid A and liquid B were mixed, this mixed solution was applied to the surface of the positive electrode described above, and DME (diluting solvent) was distilled off under normal temperature and vacuum conditions, whereby the gel according to Example 4 was obtained. A laminate of the electrolyte and the positive electrode was produced (manufactured).

なお、表2に示すように、実施例4に係るゲル電解質においては、後硬化剤としては、実施例1〜3と同様に四官能ポリエーテルアクリレートを配合しており、実施例1と同様に反応基の質量比が導き出される。表2に示すように、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比0.03〜6.5質量%の範囲内に入っている(0.063質量%)。また、表2に示すように、実施例4に係るゲル電解質においては、全質量に対する電解液溶媒の質量比は20〜80質量%の範囲内に入っており(68質量%)、全質量に対するマトリクス材の質量比は1.0〜10質量%の範囲内に入っている(7.0質量%)。   As shown in Table 2, in the gel electrolyte according to Example 4, as the post-curing agent, tetrafunctional polyether acrylate is blended in the same manner as in Examples 1 to 3, and in the same manner as in Example 1. The mass ratio of reactive groups is derived. As shown in Table 2, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is in the range of 0.03 to 6.5% by mass (0.063% by mass). Moreover, as shown in Table 2, in the gel electrolyte which concerns on Example 4, the mass ratio of the electrolyte solution solvent with respect to the total mass is in the range of 20-80 mass% (68 mass%), and is with respect to the total mass. The mass ratio of the matrix material is in the range of 1.0 to 10% by mass (7.0% by mass).

また、このゲル電解質/正極の積層体を直径14mmの円形状に打ち抜き、得られた打抜き体のゲル電解質側に、負極である直径14mmのリチウム箔を貼り合わせ、2極式セル(トムセル)にセットした。このようにして、実施例4に係る電気化学デバイスである評価用コインセル(リチウムイオン電池)を作製(製造)した。   Further, this gel electrolyte / positive electrode laminate was punched into a circular shape with a diameter of 14 mm, and a lithium foil with a diameter of 14 mm as a negative electrode was bonded to the gel electrolyte side of the obtained punched body into a bipolar cell (Tom cell). I set it. In this way, an evaluation coin cell (lithium ion battery), which is an electrochemical device according to Example 4, was produced (manufactured).

得られた実施例4に係るゲル電解質(ゲル電解質/正極の積層体)について、前記の通り、せん断弾性率、膜厚、およびイオン伝導度を測定または評価するとともに、得られた評価用コインセルについて電池性能および素子安定性(短絡)を評価した。その結果を表2に示す。   Regarding the obtained gel electrolyte (gel electrolyte / positive electrode laminate) according to Example 4, as described above, the shear modulus, film thickness, and ionic conductivity were measured or evaluated, and the obtained coin cell for evaluation was obtained. Battery performance and device stability (short circuit) were evaluated. The results are shown in Table 2.

(実施例5〜13)
電解液溶媒の配合量および後硬化剤の配合量を表2に示すように変化させるか(実施例5および6)、後硬化剤として二官能ポリエーテルアクリレート(第一工業製薬株式会社製、製品名:MP−150)を用いて電解液溶媒の配合量を適宜表2または3に示すように変化させるか(実施例7〜9)、後硬化剤としてポリエチレングリコールジアクリレート(第一工業製薬株式会社製、製品名:エレクセルEG2500)を用いて電解液溶媒の配合量を表3に示すように変化させるか(実施例10)、あるいは、後硬化剤としてメチルメタクリレート−オキセタニルメタクリレート共重合体(第一工業製薬株式会社製、製品名:エレクセルACG−127)を用いて、電解液溶媒の配合量を表3に示すように変化させる(実施例11〜13)以外は、実施例4と同様にして、実施例5〜13に係るゲル電解質を作製した。また、これらゲル電解質を用いて、実施例5〜13に係る電気化学デバイスである評価用コインセルを作製した。
(Examples 5 to 13)
Whether the blending amount of the electrolyte solvent and the blending amount of the post-curing agent are changed as shown in Table 2 (Examples 5 and 6), or a bifunctional polyether acrylate (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd., product) Name: MP-150) or the amount of the electrolyte solvent is appropriately changed as shown in Table 2 or 3 (Examples 7 to 9), or polyethylene glycol diacrylate (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) as a post-curing agent. The product amount of the electrolytic solution solvent is changed as shown in Table 3 using a product manufactured by company (product name: Elexel EG2500) (Example 10), or methyl methacrylate-oxetanyl methacrylate copolymer (No. 1) as a post-curing agent The amount of the electrolyte solvent is changed as shown in Table 3 using a product name manufactured by Ichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd., product name: Elekcel ACG-127) (Examples 11 to 13). Outside, in the same manner as in Example 4, to prepare a gel electrolyte according to Example 5-13. Moreover, the coin cell for evaluation which is an electrochemical device which concerns on Examples 5-13 was produced using these gel electrolytes.

ここで、実施例7〜9に係るゲル電解質においては、架橋可能な反応基は、後硬化剤である二官能ポリエーテルアクリレート(製品名:MP−150)に含まれているアクリレート基である。使用した二官能ポリエーテルアクリレートは、重量平均分子量が11000であり、1分子に含まれる2つのアクリレート基の分子量が110であるので、当該二官能ポリエーテルアクリレート1gに含まれるアクリレート基の質量は0.010gである。   Here, in the gel electrolyte which concerns on Examples 7-9, the reactive group which can be bridge | crosslinked is an acrylate group contained in the bifunctional polyether acrylate (product name: MP-150) which is a postcure agent. Since the used bifunctional polyether acrylate has a weight average molecular weight of 11000 and the molecular weight of two acrylate groups contained in one molecule is 110, the mass of acrylate groups contained in 1 g of the bifunctional polyether acrylate is 0. .010 g.

例えば、実施例7では、表2に示すように、後硬化剤である二官能ポリエーテルアクリレートの配合量は1.4質量部である。それゆえ、実施例7に係るゲル電解質に含まれる反応基(アクリレート基)の質量は、0.0138質量部となる。また、実施例7では、表2に示すように、電解液溶媒であるEMImFSIの配合量は28質量部である。それゆえ、表2に示すように、実施例7に係るゲル電解質においては、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は0.050質量%となり、0.03〜6.5質量%の範囲内に入っている。   For example, in Example 7, as shown in Table 2, the compounding quantity of the bifunctional polyether acrylate which is a post-curing agent is 1.4 mass parts. Therefore, the mass of the reactive group (acrylate group) contained in the gel electrolyte according to Example 7 is 0.0138 parts by mass. Moreover, in Example 7, as shown in Table 2, the compounding quantity of EMImFSI which is an electrolyte solution solvent is 28 mass parts. Therefore, as shown in Table 2, in the gel electrolyte according to Example 7, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is 0.050% by mass, and is in the range of 0.03 to 6.5% by mass. Inside.

同様に、表2または表3に示すように、実施例8または実施例9に係るゲル電解質においても、後硬化剤として実施例7と同じ二官能ポリエーテルアクリレートを配合しており、実施例7と同様に反応基の質量比が導き出される。表2に示すように、これら実施例8および実施例9では、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は0.44質量%(実施例8)または2.5質量%(実施例9)であり、いずれも0.03〜6.5質量%の範囲内に入っている。   Similarly, as shown in Table 2 or Table 3, also in the gel electrolyte according to Example 8 or Example 9, the same bifunctional polyether acrylate as Example 7 was blended as a post-curing agent. Similarly, the mass ratio of the reactive groups is derived. As shown in Table 2, in Examples 8 and 9, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is 0.44% by mass (Example 8) or 2.5% by mass (Example 9). And both are within the range of 0.03 to 6.5% by mass.

また、実施例10に係るゲル電解質においては、架橋可能な反応基は、後硬化剤であるポリエチレングリコールジアクリレート(製品名:エレクセルEG2500)に含まれているアクリレート基である。使用したポリエチレングリコールジアクリレートは、重量平均分子量2500であり、1分子に含まれるアクリレート基の分子量が83であるので、当該ポリエチレングリコールジアクリレート1gに含まれるアクリレート基の質量は0.033gである。   In the gel electrolyte according to Example 10, the crosslinkable reactive group is an acrylate group contained in polyethylene glycol diacrylate (product name: Elexel EG2500) which is a post-curing agent. Since the used polyethylene glycol diacrylate has a weight average molecular weight of 2500 and the molecular weight of acrylate groups contained in one molecule is 83, the mass of acrylate groups contained in 1 g of the polyethylene glycol diacrylate is 0.033 g.

実施例10では、表3に示すように、後硬化剤であるポリエチレングリコールジアクリレートの配合量は6.7質量部である。それゆえ、実施例10に係るゲル電解質に含まれる反応基(アクリレート基)の質量は、0.221質量部となる。また、実施例10では、表3に示すように、電解液溶媒であるEMImFSIの配合量は28質量部である。それゆえ、実施例10に係るゲル電解質においては、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は1.0質量%となり、0.03〜6.5質量%の範囲内に入っている。   In Example 10, as shown in Table 3, the compounding amount of polyethylene glycol diacrylate as a post-curing agent is 6.7 parts by mass. Therefore, the mass of the reactive group (acrylate group) contained in the gel electrolyte according to Example 10 is 0.221 parts by mass. Moreover, in Example 10, as shown in Table 3, the compounding quantity of EMImFSI which is an electrolyte solution solvent is 28 mass parts. Therefore, in the gel electrolyte according to Example 10, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is 1.0 mass%, which is in the range of 0.03 to 6.5 mass%.

また、実施例11〜13に係るゲル電解質においては、架橋可能な反応基は、後硬化剤であるメチルメタクリレート−オキセタニルメタクリレート共重合体(製品名:エレクセルACG−127)に含まれるオキセタン部である。使用したメチルメタクリレート−オキセタニルメタクリレート共重合体は、重量平均分子量が30万であり、1つのオキセタン部の分子量が56であるので、当該メチルメタクリレート−オキセタニルメタクリレート共重合体1gに含まれるオキセタン部の質量は0.13gである。   Moreover, in the gel electrolyte which concerns on Examples 11-13, the reactive group which can be bridge | crosslinked is an oxetane part contained in the methylmethacrylate-oxetanyl methacrylate copolymer (product name: Elexel ACG-127) which is a postcure agent. . Since the used methyl methacrylate-oxetanyl methacrylate copolymer has a weight average molecular weight of 300,000 and the molecular weight of one oxetane part is 56, the mass of the oxetane part contained in 1 g of the methyl methacrylate-oxetanyl methacrylate copolymer. Is 0.13 g.

例えば、実施例11では、表3に示すように、後硬化剤であるメチルメタクリレート−オキセタニルメタクリレート共重合体の配合量は0.12質量部である。それゆえ、実施例11に係るゲル電解質に含まれる反応基(オキセタン部)の質量は、0.015質量部となる。また、実施例11では、表3に示すように、電解液溶媒であるEMImFSIの配合量は29質量部である。それゆえ、表2に示すように、実施例11に係るゲル電解質においては、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は0.050質量%となり、0.03〜6.5質量%の範囲内に入っている。   For example, in Example 11, as shown in Table 3, the compounding amount of the methyl methacrylate-oxetanyl methacrylate copolymer as the post-curing agent is 0.12 parts by mass. Therefore, the mass of the reactive group (oxetane part) contained in the gel electrolyte according to Example 11 is 0.015 part by mass. Moreover, in Example 11, as shown in Table 3, the compounding quantity of EMImFSI which is an electrolyte solution solvent is 29 mass parts. Therefore, as shown in Table 2, in the gel electrolyte according to Example 11, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is 0.050% by mass, in the range of 0.03-6.5% by mass. Inside.

同様に、表3に示すように、実施例12または実施例13に係るゲル電解質においても、後硬化剤として実施例11と同じメチルメタクリレート−オキセタニルメタクリレート共重合体を配合しており、実施例11と同様に反応基の質量比が導き出される。表3に示すように、これら実施例11および実施例12では、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は、1.2質量%(実施例12)、または5.6質量%(実施例13)であり、いずれも0.03〜6.5質量%の範囲内に入っている。   Similarly, as shown in Table 3, also in the gel electrolyte according to Example 12 or Example 13, the same methyl methacrylate-oxetanyl methacrylate copolymer as Example 11 was blended as a post-curing agent. Similarly, the mass ratio of the reactive groups is derived. As shown in Table 3, in these Examples 11 and 12, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent was 1.2 mass% (Example 12) or 5.6 mass% (Example 13), both of which fall within the range of 0.03 to 6.5% by mass.

なお、表2に示すように、実施例5および6に係るゲル電解質においては、後硬化剤としては、実施例1〜4と同様に四官能ポリエーテルアクリレートを配合しており、実施例1と同様に反応基の質量比が導き出される。表2に示すように、これら実施例5および6においても、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は、0.03〜6.5質量%の範囲内に入っている(実施例1参照)。   As shown in Table 2, in the gel electrolytes according to Examples 5 and 6, as the post-curing agent, tetrafunctional polyether acrylate was blended in the same manner as in Examples 1-4. Similarly, the mass ratio of reactive groups is derived. As shown in Table 2, also in Examples 5 and 6, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is in the range of 0.03 to 6.5% by mass (see Example 1). ).

さらに、表2または表3に示すように、実施例5〜13に係るゲル電解質においては、いずれも、全質量に対する電解液溶媒の質量比は20〜80質量%の範囲内に入っており、全質量に対するマトリクス材の質量比は1.0〜10質量%の範囲内に入っている。   Furthermore, as shown in Table 2 or Table 3, in the gel electrolytes according to Examples 5 to 13, the mass ratio of the electrolyte solvent to the total mass is in the range of 20 to 80% by mass, The mass ratio of the matrix material to the total mass is in the range of 1.0 to 10% by mass.

得られた実施例5〜13に係るゲル電解質それぞれについて、前記の通り、せん断弾性率、膜厚、およびイオン伝導度を測定または評価するとともに、得られた評価用コインセルそれぞれについて電池性能および素子安定性(短絡)を評価した。その結果を表2または表3に示す。   As described above, for each of the obtained gel electrolytes according to Examples 5 to 13, the shear modulus, film thickness, and ionic conductivity were measured or evaluated, and the battery performance and device stability were obtained for each of the obtained coin cells for evaluation. (Short circuit) was evaluated. The results are shown in Table 2 or Table 3.

Figure 2019057425
Figure 2019057425

Figure 2019057425
Figure 2019057425

(実施例14〜16)
表4に示すように、マトリクス材として、実施例4〜13とは異なる種類のPVDF−HFP(株式会社クレハ製、製品名:KFポリマー#9300,表4では便宜上「PVDF−HFP[2]」と表記)を用いるか(実施例14)、マトリクス材として無機粒子であるシリカ粒子(日本アエロジル株式会社製、製品名:アエロジル200,表4では「シリカ」と表記)を用いるか(実施例15)、または、マトリクス材として無機粒子であるシリカ/アルミナ混合粒子(日本アエロジル株式会社製、製品名:アエロジルCOK84,表4では「シリカ/アルミナ」と表記)を用いて(実施例16)、電解液溶媒および後硬化剤の配合量を変化させた以外は、実施例4と同様にして、実施例14〜16に係るゲル電解質を作製した。また、これらゲル電解質を用いて、実施例14〜16に係る電気化学デバイスである評価用コインセルを作製した。
(Examples 14 to 16)
As shown in Table 4, as a matrix material, PVDF-HFP of a different type from Examples 4 to 13 (manufactured by Kureha Co., Ltd., product name: KF polymer # 9300, in Table 4, “PVDF-HFP [2]” for convenience) (Invention 14) or silica particles (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., product name: Aerosil 200, described as “silica” in Table 4) as the matrix material (Example 15). ) Or silica / alumina mixed particles (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., product name: Aerosil COK84, expressed as “silica / alumina” in Table 4) as the matrix material (Example 16) Gel electrolytes according to Examples 14 to 16 were produced in the same manner as in Example 4 except that the amounts of the liquid solvent and the post-curing agent were changed. Moreover, the coin cell for evaluation which is an electrochemical device which concerns on Examples 14-16 was produced using these gel electrolytes.

なお、表4に示すように、実施例14〜16に係るゲル電解質においては、いずれも、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は0.03〜6.5質量%の範囲内に入っており、全質量に対する電解液溶媒の質量比は20〜80質量%の範囲内に入っており、全質量に対するマトリクス材の質量比は1.0〜10質量%の範囲内に入っている。   As shown in Table 4, in the gel electrolytes according to Examples 14 to 16, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is within the range of 0.03 to 6.5% by mass. The mass ratio of the electrolyte solvent to the total mass is in the range of 20 to 80% by mass, and the mass ratio of the matrix material to the total mass is in the range of 1.0 to 10% by mass.

得られた実施例14〜16に係るゲル電解質それぞれについて、前記の通り、せん断弾性率、膜厚、およびイオン伝導度を測定または評価するとともに、得られた評価用コインセルそれぞれについて電池性能および素子安定性(短絡)を評価した。その結果を表4に示す。   For each of the obtained gel electrolytes according to Examples 14 to 16, as described above, the shear modulus, film thickness, and ionic conductivity were measured or evaluated, and the battery performance and device stability of each of the obtained evaluation coin cells were measured. (Short circuit) was evaluated. The results are shown in Table 4.

Figure 2019057425
Figure 2019057425

(実施例17)
以下の作業は、実施例1〜16と同様に、露点−50℃以下の乾燥空気雰囲気下で実施した。表5に示すように、マトリクス材として実施例14と同じPVDF−HFP[2](株式会社クレハ製、製品名:KFポリマー#9300)1.0質量部を、カーボネート系の電解液溶媒であるジメチルカーボネート(DMC,キシダ化学株式会社製、LBG)55質量部およびエチレンカーボネート(EC,キシダ化学株式会社製、LBG)5.3質量部の混合物(混合電解液溶媒)39.5質量部に対して80℃で加熱溶解した。これにより、PVDF−HFPのDMC希釈溶液であるA液を調製した。
(Example 17)
The following operations were performed in a dry air atmosphere having a dew point of −50 ° C. or lower, as in Examples 1 to 16. As shown in Table 5, 1.0 part by mass of PVDF-HFP [2] (manufactured by Kureha Co., Ltd., product name: KF polymer # 9300) as a matrix material as a matrix material is a carbonate-based electrolyte solvent. 39.5 parts by mass of a mixture (mixed electrolyte solvent) of 55 parts by mass of dimethyl carbonate (DMC, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., LBG) and 5.3 parts by mass of ethylene carbonate (EC, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., LBG) And dissolved at 80 ° C. Thereby, A liquid which is a DMC diluted solution of PVDF-HFP was prepared.

また、表5に示すように、リチウム塩であるリチウムヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6 ,キシダ化学株式会社製、LBG)を14質量部、前記のDMCおよびECの混合電解液溶媒を39.5質量部、後硬化剤である四官能ポリエーテルアクリレート(実施例1参照)を0.90質量部、開始剤であるアゾ系開始剤(実施例1参照)を0.30質量部配合して混合し、B液を調製した。なお、表5に示すように、本実施例では、希釈溶剤は用いていない。 Further, as shown in Table 5, 14 parts by mass of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 , manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., LBG) which is a lithium salt, and 39.5% of the mixed electrolyte solvent of the above DMC and EC were used. 0.90 parts by mass of tetrafunctional polyether acrylate (see Example 1) as a post-curing agent and 0.30 parts by mass of azo initiator (see Example 1) as an initiator are mixed and mixed. And solution B was prepared. In addition, as shown in Table 5, in this example, no dilution solvent is used.

得られたA液およびB液を混合し、この混合溶液を前述した正極の表面に塗工することにより、実施例17に係るゲル電解質および正極の積層体を作製(製造)した。   The obtained liquid A and liquid B were mixed, and this mixed solution was applied to the surface of the positive electrode described above, thereby producing (manufacturing) a gel electrolyte and positive electrode laminate according to Example 17.

なお、表5に示すように、実施例17に係るゲル電解質においては、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比0.03〜6.5質量%の範囲内に入っており(0.013質量%)、全質量に対する電解液溶媒の質量比は20〜80質量%の範囲内に入っており(79質量%)、全質量に対するマトリクス材の質量比は1.0〜10質量%の範囲内に入っている(1.0質量%)。   As shown in Table 5, in the gel electrolyte according to Example 17, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent is in the range of 0.03 to 6.5 mass% (0.013 The mass ratio of the electrolyte solvent to the total mass is in the range of 20 to 80 mass% (79 mass%), and the mass ratio of the matrix material to the total mass is in the range of 1.0 to 10 mass%. (1.0% by mass).

また、このゲル電解質/正極の積層体を直径14mmの円形状に打ち抜き、得られた打抜き体のゲル電解質側に、負極である直径14mmのリチウム箔を貼り合わせ、2極式セル(トムセル)にセットした。このようにして、実施例17に係る電気化学デバイスである評価用コインセル(リチウムイオン電池)を作製(製造)した。   Further, this gel electrolyte / positive electrode laminate was punched into a circular shape with a diameter of 14 mm, and a lithium foil with a diameter of 14 mm as a negative electrode was bonded to the gel electrolyte side of the obtained punched body into a bipolar cell (Tom cell). I set it. In this way, an evaluation coin cell (lithium ion battery), which is an electrochemical device according to Example 17, was produced (manufactured).

得られた実施例17に係るゲル電解質(ゲル電解質/正極の積層体)について、前記の通り、せん断弾性率、膜厚、およびイオン伝導度を測定または評価するとともに、得られた評価用コインセルについて電池性能および素子安定性(短絡)を評価した。その結果を表5に示す。   Regarding the obtained gel electrolyte (gel electrolyte / positive electrode laminate) according to Example 17, as described above, the shear modulus, film thickness, and ionic conductivity were measured or evaluated, and the obtained coin cell for evaluation was obtained. Battery performance and device stability (short circuit) were evaluated. The results are shown in Table 5.

(実施例18〜20)
表5に示すように、A液の調製に用いるカーボネート系電解液溶媒を、エチルメチルカーボネート(EMC,キシダ化学株式会社製、LBG,実施例18)、ジエチルカーボネート(DEC,キシダ化学株式会社製、LBG,実施例19)、またはプロピレンカーボネート(PC,キシダ化学株式会社製、LBG,実施例20)に変更し、PCを用いる場合には、PCおよびECの配合量を変化させた(実施例20)以外は、実施例17と同様にして、実施例18〜20に係るゲル電解質を作製した。また、これらゲル電解質を用いて、実施例18〜20に係る電気化学デバイスである評価用コインセルを作製した。
(Examples 18 to 20)
As shown in Table 5, the carbonate electrolyte solution solvent used for preparing the liquid A was ethyl methyl carbonate (EMC, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., LBG, Example 18), diethyl carbonate (DEC, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) In the case of changing to LBG, Example 19) or propylene carbonate (PC, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., LBG, Example 20) and using PC, the blending amounts of PC and EC were changed (Example 20). Except for), gel electrolytes according to Examples 18 to 20 were produced in the same manner as in Example 17. Moreover, the coin cell for evaluation which is an electrochemical device which concerns on Examples 18-20 was produced using these gel electrolytes.

なお、表5に示すように、実施例18〜20に係るゲル電解質においては、いずれも、電解液溶媒の質量に対する反応基の質量比は0.03〜6.5質量%の範囲内に入っており、全質量に対する電解液溶媒の質量比は20〜80質量%の範囲内に入っており、全質量に対するマトリクス材の質量比は1.0〜10質量%の範囲内に入っている。   As shown in Table 5, in each of the gel electrolytes according to Examples 18 to 20, the mass ratio of the reactive group to the mass of the electrolyte solvent falls within the range of 0.03 to 6.5% by mass. The mass ratio of the electrolyte solvent to the total mass is in the range of 20 to 80% by mass, and the mass ratio of the matrix material to the total mass is in the range of 1.0 to 10% by mass.

得られた実施例18〜20に係るゲル電解質それぞれについて、前記の通り、せん断弾性率、膜厚、およびイオン伝導度を測定または評価するとともに、得られた評価用コインセルそれぞれについて電池性能および素子安定性(短絡)を評価した。その結果を表5に示す。   For each of the obtained gel electrolytes according to Examples 18 to 20, the shear modulus, film thickness, and ionic conductivity were measured or evaluated as described above, and the battery performance and device stability were obtained for each of the obtained coin cells for evaluation. (Short circuit) was evaluated. The results are shown in Table 5.

Figure 2019057425
Figure 2019057425

(実施例21〜26)
表6に示すように、ゲル電解質における電解液溶媒に対する反応基の質量比が0.03〜6.5質量%の範囲内に入るものの、ゲル電解質における全質量に対する電解液溶媒の質量比を20質量%未満にしたり(実施例21)、80質量%を超えたり(実施例22)、イオン伝導度を0.8mS/cm未満としたり(実施例23)、ゲル電解質における全質量に対するマトリクス材の質量比を1.0質量%未満にあったり(実施例24)、10質量%を超えたり(実施例25)、ゲル電解質の膜厚を100μm以上にしたりするとともに、各成分の配合量を変化させた以外は、前述した実施例4と同様(実施例21,23〜26)または実施例17と同様(実施例22、ただし電解液溶媒はEC1種類のみ使用)にして、実施例21〜26に係るゲル電解質を作製した。また、これらゲル電解質を用いて、実施例21〜26に係る電気化学デバイスである評価用コインセルを作製した。
(Examples 21 to 26)
As shown in Table 6, although the mass ratio of the reactive group to the electrolyte solvent in the gel electrolyte falls within the range of 0.03 to 6.5 mass%, the mass ratio of the electrolyte solvent to the total mass in the gel electrolyte is 20 Or less than 80% by mass (Example 22), or less than 0.8 mS / cm (Example 23), or the matrix material relative to the total mass in the gel electrolyte. The mass ratio is less than 1.0 mass% (Example 24), the mass ratio exceeds 10 mass% (Example 25), and the film thickness of the gel electrolyte is increased to 100 μm or more, and the blending amount of each component is changed. Examples 21 to 26 were the same as Example 4 described above (Examples 21, 23 to 26) or the same as Example 17 (Example 22, except that only one type of EC solvent was used as the electrolyte solvent), except for the above. In The gel electrolyte was fabricated that. Moreover, the coin cell for evaluation which is an electrochemical device which concerns on Examples 21-26 was produced using these gel electrolytes.

得られた実施例21〜26に係るゲル電解質それぞれについて、前記の通り、せん断弾性率、膜厚、およびイオン伝導度を測定または評価するとともに、得られた評価用コインセルそれぞれについて電池性能および素子安定性(短絡)を評価した。その結果を表6に示す。   For each of the obtained gel electrolytes according to Examples 21 to 26, as described above, the shear modulus, film thickness, and ionic conductivity were measured or evaluated, and battery performance and device stability were obtained for each of the obtained evaluation coin cells. (Short circuit) was evaluated. The results are shown in Table 6.

Figure 2019057425
Figure 2019057425

(比較例1,2)
表7に示すように、ゲル電解質における電解液溶媒に対する反応基の質量比を0.03質量%未満にしたり(比較例1)6.5質量%を超えたり(比較例2)するとともに、各成分の配合量を変化させた以外は、前述した実施例4と同様にして、比較例1に係るゲル電解質または比較例2に係るゲル電解質を作製するとともに、比較例1に係る電気化学デバイスまたは比較例2に係る電気化学デバイスである評価用コインセルを作製した。
(Comparative Examples 1 and 2)
As shown in Table 7, while the mass ratio of the reactive group to the electrolyte solvent in the gel electrolyte is less than 0.03% by mass (Comparative Example 1) or exceeds 6.5% by mass (Comparative Example 2), A gel electrolyte according to Comparative Example 1 or a gel electrolyte according to Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 4 described above except that the blending amount of the components was changed, and the electrochemical device according to Comparative Example 1 or An evaluation coin cell, which is an electrochemical device according to Comparative Example 2, was produced.

得られた比較例1または2に係るゲル電解質について、前記の通り、せん断弾性率、膜厚、およびイオン伝導度を測定または評価するとともに、得られた評価用コインセルについて電池性能および素子安定性(短絡)を評価した。その結果を表7に示す。   About the obtained gel electrolyte which concerns on the comparative example 1 or 2, as above-mentioned, while measuring or evaluating a shear elasticity modulus, a film thickness, and an ionic conductivity, about the obtained coin cell for evaluation, battery performance and element stability ( Short circuit). The results are shown in Table 7.

Figure 2019057425
Figure 2019057425

(実施例および比較例の対比)
実施例1〜26と比較例1,2との対比から明らかなように、本開示に係るゲル電解質においては、第一条件および第二条件を満たすことによって、良好な性能を有する電気化学デバイス(リチウムイオン電池)を製造することができる。これに対して、特に第一条件を満たさない場合には、電気化学デバイスの性能が十分に得られないことがわかる。
(Contrast of Examples and Comparative Examples)
As is clear from the comparison between Examples 1 to 26 and Comparative Examples 1 and 2, in the gel electrolyte according to the present disclosure, an electrochemical device having good performance by satisfying the first condition and the second condition ( Lithium ion battery) can be manufactured. On the other hand, it is understood that the performance of the electrochemical device cannot be sufficiently obtained particularly when the first condition is not satisfied.

また、実施例4〜13および実施例17〜20と実施例21〜26との対比から明らかなように、本開示に係るゲル電解質においては、第一条件および第二条件に加えて、第三条件および第四条件の少なくとも一方を満たすことで、より一層良好な性能を有する電気化学デバイス(リチウムイオン電池)を製造することができる。   Further, as is clear from the comparison between Examples 4 to 13 and Examples 17 to 20 and Examples 21 to 26, in the gel electrolyte according to the present disclosure, in addition to the first condition and the second condition, the third condition By satisfying at least one of the condition and the fourth condition, an electrochemical device (lithium ion battery) having even better performance can be manufactured.

さらに、実施例1〜3、実施例4〜16、および実施例17〜20の対比から明らかなように、本開示に係るゲル電解質においては、第一の方法、第二の方法、または第三の方法のいずれにおいて製造されたゲル電解質であっても、良好な性能の電気化学デバイス(リチウムイオン電池)を製造することができる。   Further, as is clear from the comparison of Examples 1 to 3, Examples 4 to 16, and Examples 17 to 20, in the gel electrolyte according to the present disclosure, the first method, the second method, or the third Even if it is the gel electrolyte manufactured in any of these methods, the electrochemical device (lithium ion battery) of a favorable performance can be manufactured.

なお、本発明は前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   It should be noted that the present invention is not limited to the description of the above-described embodiment, and various modifications are possible within the scope shown in the scope of the claims, and are disclosed in different embodiments and a plurality of modifications. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means are also included in the technical scope of the present invention.

本発明は、リチウムイオン電池、色素増感太陽電池、電気二重層キャパシタ、またはゲルアクチュエータ等のように、ゲル電解質を用いる電気化学デバイスの分野に広く好適に用いることができる。   The present invention can be suitably used widely in the field of electrochemical devices using a gel electrolyte such as a lithium ion battery, a dye-sensitized solar cell, an electric double layer capacitor, or a gel actuator.

10:リチウムイオン電池
11:積層構造体
12:正極
13:負極
14:硬質ゲル電解質
15:封止材
21:正極基材
22:正極活物質層
31:負極基材
32:負極活物質層


10: lithium ion battery 11: laminated structure 12: positive electrode 13: negative electrode 14: hard gel electrolyte 15: sealing material 21: positive electrode base material 22: positive electrode active material layer 31: negative electrode base material 32: negative electrode active material layer


Claims (10)

少なくともマトリクス材および電解液により構成されるゲル状体であり、かつ、架橋可能な反応基を含み、
当該反応基を架橋反応させて硬化することにより、電気化学デバイスが備える電解質として用いられ、
前記電解液は、イオン性物質および電解液溶媒から少なくとも構成され、
前記ゲル状体に含まれる前記反応基の質量が、前記電解液溶媒の質量に対して0.03質量%以上6.5質量%以下の範囲であるとともに、
前記反応基が未反応の状態における前記ゲル状体のせん断弾性率が1MPa以上であることを特徴とする、
ゲル電解質。
It is a gel-like body composed of at least a matrix material and an electrolytic solution, and includes a crosslinkable reactive group,
By crosslinking and curing the reactive group, it is used as an electrolyte provided in an electrochemical device,
The electrolytic solution is composed of at least an ionic substance and an electrolytic solution solvent,
The mass of the reactive group contained in the gel is in the range of 0.03% by mass to 6.5% by mass with respect to the mass of the electrolyte solvent,
The shear elastic modulus of the gel-like body in the unreacted state of the reactive group is 1 MPa or more,
Gel electrolyte.
前記ゲル状体は、前記マトリクス材および前記電解液に加えて、さらに、前記反応基を有する後硬化剤を含有していることを特徴とする、
請求項1に記載のゲル電解質。
In addition to the matrix material and the electrolytic solution, the gel-like body further contains a post-curing agent having the reactive group,
The gel electrolyte according to claim 1.
前記電解液溶媒の質量は、前記ゲル状体の全質量に対して20質量%以上80質量%以下の範囲であることを特徴とする、
請求項1または2に記載のゲル電解質。
The mass of the electrolyte solvent is in the range of 20% by mass to 80% by mass with respect to the total mass of the gel-like body,
The gel electrolyte according to claim 1 or 2.
前記マトリクス材の質量は、前記ゲル状体の全質量に対して1.0質量%以上10質量%以下の範囲であることを特徴とする、
請求項1から3のいずれか1項に記載のゲル電解質。
The mass of the matrix material is in a range of 1.0% by mass to 10% by mass with respect to the total mass of the gel-like body,
The gel electrolyte according to any one of claims 1 to 3.
前記ゲル状体は、前記電解液溶媒とは異なる成分であって前記反応基の架橋反応の前に除去される希釈溶剤を含有し、
前記電解液溶媒の質量範囲または前記マトリクス材の質量範囲は、前記希釈溶剤を除く前記ゲル状体の全質量に対して規定されていることを特徴とする、
請求項3または4に記載のゲル電解質。
The gel-like body contains a diluting solvent that is a component different from the electrolyte solvent and removed before the crosslinking reaction of the reactive group,
The mass range of the electrolyte solvent or the mass range of the matrix material is defined with respect to the total mass of the gel-like body excluding the dilution solvent,
The gel electrolyte according to claim 3 or 4.
前記ゲル状体がシート形状であることを特徴とする、
請求項1から5のいずれか1項に記載のゲル電解質。
The gel-like body is a sheet shape,
The gel electrolyte according to any one of claims 1 to 5.
前記ゲル状体の厚さが5μm以上100μm以下であることを特徴とする、
請求項6に記載のゲル電解質。
The gel-like body has a thickness of 5 μm or more and 100 μm or less,
The gel electrolyte according to claim 6.
請求項1から7のいずれか1項に記載のゲル電解質における前記反応基を架橋反応させて、その硬度を上昇させたものであることを特徴とする、
硬質ゲル電解質。
The gel electrolyte according to any one of claims 1 to 7, wherein the reactive group in the gel electrolyte is subjected to a crosslinking reaction to increase its hardness,
Hard gel electrolyte.
イオン伝導度が0.8mS/cm以上であること、並びに、せん断弾性率が6MPa以上であることの少なくともいずれかを満たしていることを特徴とする、
請求項8に記載の硬質ゲル電解質。
The ion conductivity is 0.8 mS / cm or more, and the shear modulus is at least one of 6 MPa or more, characterized in that,
The hard gel electrolyte according to claim 8.
請求項8または9に記載の硬質ゲル電解質を備えていることを特徴とする、
電気化学デバイス。

A hard gel electrolyte according to claim 8 or 9 is provided.
Electrochemical device.

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