JP2020522870A - イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質及びその調製方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質及びその調製方法に関し、リチウム二次電池の技術分野に属する。前記準固体電解質は、リチウム塩、イオン液体、シランカップリング剤及び触媒を縮合反応させて調製した多孔質ネットワーク構造を有し、高いイオン伝導度を有する。前記準固体電解質は、金属リチウムの剥離／堆積のプロセスを安定化させて、リチウムデンドライトの成長を抑え、且つ定電流分極において低い過電圧及び長時間のサイクル安定性を示す。前記準固体電解質では、金属リチウムシートと前記準固体電解質との界面インピーダンスが小さく、且つ電池の放置時間の増加につれて増大することがほぼない。本発明の前記準固体電解質は、調製プロセスが簡単であり、一般的な装置が使用され、原料が入手しやすく、且つ安全で汚染がなく、量産に適している。【選択図】図３
Description
本発明は、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質及びその調製方法に関し、リチウム二次電池の技術分野に属する。
金属リチウムは、最も高い理論容量（３８６０ｍＡｈ／ｇ）及び極めて低い還元電位を有し、負極として好適である。金属リチウムを負極として用いることは、Ｌｉ−Ｓ電池及びＬｉ−Ｏ２電池の発展にとって大切なことである。しかしながら、電池の充放電サイクルプロセスにおけるリチウムデンドライトの形成や低クーロン効率などの問題により金属リチウム電池の商業化が深刻に制限される。安定的な金属リチウム／電解質の界面は、金属リチウム電池の安全性及び長いサイクル寿命を確保するための前提である。改善手段の１つとして、液体電解液の代わりに固体電解質などが使用されている。それは、主に、液体電解質の持続的な副反応の発生を回避するとともに、固体電解質の力学及び電気化学的特性を利用してリチウムデンドライトの形成を抑えるためである。
イオン液体は、熱安定性に優れて、導電率が高く、電気化学ウィンドウが広く、蒸気圧が低いなどの特徴を有している。イオン液体は、リチウム二次電池の電解質材料の分野における応用が期待されている。通常、イオン液体は、室温で液体の形態として存在し、電池の長時間使用中に液体が漏れるリスクがある。そのことで、イオン液体を硬化させた準固体電解質は、漏れの問題を効果的に解決できる。
硬化イオン液体の材料は、有機ポリマーマトリックスと無機マトリックスの２種類に分けられる。このような材料は、多孔質ネットワーク構造を有し、主に機械的強度を付与するとともに、イオン液体を担持するために大きな吸着スペースを提供する。陳人傑の研究グループにより、メソポーラスＳｉＯ２又はＴｉＯ２にイオン液体を担持させた準固体電解質（Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．２０１６，２８，８４８−８５６，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．２０１１，２３，５０８１−５０８５）が報道されている。しかし、電池の作動電圧範囲でＴｉＯ２とＳｉＯ２は、電気化学的に不活性の物質であり、イオン伝導機能を備えないため、イオン液体のイオン伝導を阻害し、硬化後のイオン液体電解質の導電率低下を引き起こす。中国特許出願公開１０６０５８３１２号明細書において、固体イオン液体電解質、その調製方法及び応用が報道されている。この電解質は、エポキシエーテル基で修飾されたシリカ骨格を硬化イオン液体材料とするものであり、リチウム二次電池の分野に適用できる。エポキシエーテル基上のＣ−Ｏ−Ｃ基は、孤立電子対を有し、リチウムイオンとは強い配位作用を有している。そして、エポキシエーテル基の導入により、リチウム塩の解離及びリチウムイオンの移動が効果的に促進される。このため、シリカ骨格上に連結される官能基は、系の物理化学性質を大きな程度で決定し、さらに電解質の性能へ大きな影響を与える。しかしながら、現在、金属リチウム電池における有機修飾を行われたシリカ担持イオン液体から得られる準固体電解質の応用についての研究や報道がまだなかった。
本発明の目的は、従来のリチウム電池の充放電サイクルプロセスに存在するリチウムデンドライトの形成や低クーロン効率などの問題に対して、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質及びその調製方法を提供することである。前記電解質は、高いイオン伝導度を有し、且つ金属リチウムの剥離／堆積プロセスを安定化させて、リチウムデンドライトの成長を抑えることができる。前記方法は、プロセスがシンプルであり、原料が入手しやすく、且つ安全で汚染がなく、量産に適している。
本発明の目的は、以下の技術案によって達成される。
リチウム電池用準固体電解質は、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質であって、リチウム塩、イオン液体、シランカップリング剤及び触媒を縮合反応させて調製した多孔質ネットワーク構造を有する。
前記リチウム塩は、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３及びＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３のうちの１種以上である。
前記イオン液体は、好ましくは、アニオンがビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩のイオン液体、より好ましくは、１−エチル−３−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塩、１−プロピル−３−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塩、１−ブチル−３−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塩、Ｎ−メチル−プロピルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩、Ｎ−メチル−ブチルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩、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塩、及びＮ−メチル−ブチ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塩のうちの１種以上である。
前記シランカップリング剤は、アクリロイル基を含有するシリコーン化合物、好ましくは、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、及び３−メタクリロイルオキシプロピルトリエトキシシランのうちの１種以上である。
前記触媒は、ギ酸、酢酸又は水である。
本発明に係るイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質の調製方法であって、前記方法は、
保護ガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、リチウム塩をイオン液体に溶解して、均一に撹拌し、イオン液体電解液を得て、次に、シランカップリング剤を加えて、均一に混合し、最後に、触媒を加えて、均一に混合し、反応系を得るステップ（１）と、
ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−７０ＫＰａ〜−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、２５℃〜９０℃で乾燥させ、前記準固体電解質を得るステップ（２）と、を含む。
保護ガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、リチウム塩をイオン液体に溶解して、均一に撹拌し、イオン液体電解液を得て、次に、シランカップリング剤を加えて、均一に混合し、最後に、触媒を加えて、均一に混合し、反応系を得るステップ（１）と、
ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−７０ＫＰａ〜−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、２５℃〜９０℃で乾燥させ、前記準固体電解質を得るステップ（２）と、を含む。
イオン液体電解液において、リチウム塩の濃度は０．３５ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌであり、シランカップリング剤の質量とイオン液体電解液の質量との比は０．１５〜０．６：１であり、触媒のモル量とシランカップリング剤のモル量との比は、好ましくは５．５〜８．５：１である。
前記保護ガスは、純度が９９％以上の窒素ガス又はアルゴンガスである。
有益な効果は、以下のとおりである。
（１）本発明に係る準固体電解質は、多孔質ネットワーク構造を有するため、大量のイオン液体を担持できる。また、アクリル酸官能基上のＣ＝Ｏ及びＣ−Ｏ−Ｃの孤立電子対が、リチウムイオンと配位して、リチウム塩の解離を促進する。そして、電解質中の遊離Ｌｉ＋の数が増加する。このため、本発明の前記準固体電解質は、高いイオン伝導度（１０−３Ｓ／ｃｍ〜１０−２Ｓ／ｃｍ、０℃〜１００℃）を有する。
（２）本発明に係る準固体電解質は、金属リチウムの剥離／堆積のプロセスを安定化させて、リチウムデンドライトの成長を抑えることができ、且つ定電流分極において低い過電圧及び長期間のサイクル安定性を示す。金属リチウムシートと前記準固体電解質との界面インピーダンスが小さく、且つ電池の放置時間の増加につれて増大することがほぼない。前記準固体電解質は、耐高温性に優れている。準固体電解質の熱分解温度は、３４０℃よりも高い。このため、電池が広い温度範囲で正常に作動できるようになる。
（３）本発明に係る準固体電解質は、調製プロセスがシンプルであり、一般的な装置が使用され、原料が入手しやすく、且つ安全で汚染がなく、量産に適している。
（１）本発明に係る準固体電解質は、多孔質ネットワーク構造を有するため、大量のイオン液体を担持できる。また、アクリル酸官能基上のＣ＝Ｏ及びＣ−Ｏ−Ｃの孤立電子対が、リチウムイオンと配位して、リチウム塩の解離を促進する。そして、電解質中の遊離Ｌｉ＋の数が増加する。このため、本発明の前記準固体電解質は、高いイオン伝導度（１０−３Ｓ／ｃｍ〜１０−２Ｓ／ｃｍ、０℃〜１００℃）を有する。
（２）本発明に係る準固体電解質は、金属リチウムの剥離／堆積のプロセスを安定化させて、リチウムデンドライトの成長を抑えることができ、且つ定電流分極において低い過電圧及び長期間のサイクル安定性を示す。金属リチウムシートと前記準固体電解質との界面インピーダンスが小さく、且つ電池の放置時間の増加につれて増大することがほぼない。前記準固体電解質は、耐高温性に優れている。準固体電解質の熱分解温度は、３４０℃よりも高い。このため、電池が広い温度範囲で正常に作動できるようになる。
（３）本発明に係る準固体電解質は、調製プロセスがシンプルであり、一般的な装置が使用され、原料が入手しやすく、且つ安全で汚染がなく、量産に適している。
以下、図面及び特定の実施形態にて本発明をさらに説明する。
以下の実施例では、
リチウム対称電池の組み立て
純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされているグローブボックスにおいて、金属リチウムシート、実施例において調製された準固体電解質、及び金属リチウムシートを順次型番２０３２のボタン型電池ケースに入れた。次に、ラミネータで２枚の電池ケースをラミネートして緊密に結合し、金属リチウム対称電池を得た。
リチウム対称電池の組み立て
純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされているグローブボックスにおいて、金属リチウムシート、実施例において調製された準固体電解質、及び金属リチウムシートを順次型番２０３２のボタン型電池ケースに入れた。次に、ラミネータで２枚の電池ケースをラミネートして緊密に結合し、金属リチウム対称電池を得た。
組み立てられたリチウム対称電池を３０℃で４８ｈ静置した後、電気化学的特性をテストした。具体的には、電気化学ワークステーション（ＣＨＩ６６０Ｄ、上海晨華儀器有限公司製）において交流インピーダンスを、周波数範囲１０Ｈｚ〜１０５Ｈｚ、交流振幅５ｍＶ、温度３０℃でテストした。ＬＡＮＤ電池テストシステム（型番ＣＴ２００１Ａ、武漢金諾電子有限公司製）を用いて金属リチウムの堆積／剥離テストを、定電流密度０．１ｍＡ／ｃｍ２で行ったところ、堆積容量は、０．１ｍＡｈであった。
走査型電子顕微鏡：型番Ｑｕａｎｔａ６００、オランダのＦＥＩ社製
熱重量分析装置：型番ＴＧ２０９Ｆ１、ドイツのＮｅｔｚｓｃｈ社製。
走査型電子顕微鏡：型番Ｑｕａｎｔａ６００、オランダのＦＥＩ社製
熱重量分析装置：型番ＴＧ２０９Ｆ１、ドイツのＮｅｔｚｓｃｈ社製。
実施例１
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２ ０．９１ｇを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塩４．６ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン２．８ｇを加えて、均一に混合した。最後に、純度が９８％より高いギ酸２．５ｍＬを加えて、さらに８ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−８０ＫＰａの真空オーブンに入れて、５０℃で７ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２ ０．９１ｇを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塩４．６ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン２．８ｇを加えて、均一に混合した。最後に、純度が９８％より高いギ酸２．５ｍＬを加えて、さらに８ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−８０ＫＰａの真空オーブンに入れて、５０℃で７ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
図１におけるＳＥＭ図から明らかなように、本実施例で調製された準固体電解質は、表面が滑らかでクラックがなかった。得られた準固体電解質をアセトニトリル溶媒で３回洗浄して、イオン液体を除去した。次に、７０℃で１２ｈ真空乾燥させて、アクリロイル基で修飾されたＳｉＯ２を得た。それについて、ＳＥＭで形態を測定したところ、図２から明らかなように、アクリロイル基で修飾されたＳｉＯ２は、大量のイオン液体の担持に有利な多孔質ネットワーク構造を有する。図２及び図３から、本実施例で調製された準固体電解質では、イオン液体が、多孔質ネットワーク構造に充填されていることが分かった。テストした結果、本実施例で調製された準固体電解質では、２５℃導電率が１．３７×１０−３ｓ／ｃｍであり、電気化学ウィンドウが０〜４．５Ｖ（ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ＋）であり、開始熱分解温度が３４０℃であった。
本実施例で調製された準固体電解質とリチウムシートを組み立ててリチウム対称電池とし、電気化学的特性をテストした。図４のテスト結果から分かるように、リチウム対称電池は、０．１ｍＶ／ｃｍ２の電流密度での過電圧が７０ｍＶであり、短絡を発生させることなく安定的に６００ｈサイクルできた。６００ｈサイクル後、リチウムシートの界面には、リチウムデンドライトが認められなかった。
実施例２
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２ １．８２ｇを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塩４．６ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン０．７ｇと３−メタクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン０．８２ｇを加えて、均一に混合した。最後に、純度が９８％より高いギ酸１．２５ｍＬを加えて、さらに８ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、７０℃で７ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２ １．８２ｇを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塩４．６ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン０．７ｇと３−メタクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン０．８２ｇを加えて、均一に混合した。最後に、純度が９８％より高いギ酸１．２５ｍＬを加えて、さらに８ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、７０℃で７ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
本実施例で調製された準固体電解質のＳＥＭ図から明らかなように、調製された準固体電解質は、表面が滑らかでクラックがなく、イオン液体が多孔質ネットワーク構造に充填されている。テストした結果、本実施例で調製された準固体電解質では、２５℃導電率が１．０２×１０−３ｓ／ｃｍであり、電気化学ウィンドウが０〜５．０Ｖ（ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ＋）であり、開始熱分解温度が３４０℃であった。
本実施例で調製された準固体電解質とリチウムシートを組み立ててリチウム対称電池とし、電気化学的特性をテストした。テスト結果から分かるように、リチウム対称電池は、０．０３２ｍＶ／ｃｍ２の電流密度での過電圧が６０ｍＶであり、短絡を発生させることなく安定的に１０００ｈサイクルできた。１０００ｈサイクル後、リチウムシートの界面には、リチウムデンドライトが認められなかった。
実施例３
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２ ４．３６８ｇを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塩４．６ｇとＮ−メチル−プロピルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩１０．１ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン１．４ｇ、３−メタクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン０．８２ｇ及びγ−メタクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン０．６５ｇを加えて、均一に混合した。最後に、高純度水１．６２ｇを加えて、さらに１５ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−９０ＫＰａの真空オーブンに入れて、９０℃で５ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２ ４．３６８ｇを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塩４．６ｇとＮ−メチル−プロピルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩１０．１ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン１．４ｇ、３−メタクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン０．８２ｇ及びγ−メタクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン０．６５ｇを加えて、均一に混合した。最後に、高純度水１．６２ｇを加えて、さらに１５ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−９０ＫＰａの真空オーブンに入れて、９０℃で５ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
本実施例で調製された準固体電解質のＳＥＭ図から明らかなように、調製された準固体電解質は、表面が滑らかでクラックがなく、イオン液体が多孔質ネットワーク構造に充填されている。テストした結果、本実施例で調製された準固体電解質では、２５℃導電率が１．８×１０−３ｓ／ｃｍであり、電気化学ウィンドウが０〜５．０Ｖ（ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ＋）であり、開始熱分解温度が３４０℃であった。
実施例４
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２ ０．１８２ｇとＬｉＣＦ３ＳＯ３ ０．１００ｇを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塩２．３ｇとＮ−メチル−ブチ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塩２．３ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン２．８ｇを加えて、均一に混合した。最後に、純度が９８％より高いギ酸３．６ｍＬを加えて、さらに８ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、８０℃で７ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２ ０．１８２ｇとＬｉＣＦ３ＳＯ３ ０．１００ｇを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塩２．３ｇとＮ−メチル−ブチ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塩２．３ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン２．８ｇを加えて、均一に混合した。最後に、純度が９８％より高いギ酸３．６ｍＬを加えて、さらに８ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、８０℃で７ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
調製された準固体電解質は、表面が滑らかでクラックがなく、イオン液体が多孔質ネットワーク構造に充填されている。テストした結果、本実施例で調製された準固体電解質では、２５℃導電率が１．０２×１０−５ｓ／ｃｍであり、電気化学ウィンドウが０〜５．０Ｖ（ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ＋）であり、開始熱分解温度が３４０℃であった。
実施例５
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３ ０．６６２ｇとＬｉＣＦ３ＳＯ３ ０．２４７ｇをＮ−メチル−ブチ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塩４．６ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン２．８ｇを加えて、均一に混合した。最後に、純度が９８％より高いギ酸３．６ｍＬを加えて、さらに８ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、７０℃で７ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
（１）純度が９９％以上のアルゴンガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３ ０．６６２ｇとＬｉＣＦ３ＳＯ３ ０．２４７ｇをＮ−メチル−ブチ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塩４．６ｇに溶解して、２４ｈ撹拌し、イオン液体電解液を得た。次に、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン２．８ｇを加えて、均一に混合した。最後に、純度が９８％より高いギ酸３．６ｍＬを加えて、さらに８ｍｉｎ撹拌し、反応系を得た。
（２）ステップ（１）で得られた反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、７０℃で７ｄ乾燥させ、イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質を得た。
調製された準固体電解質は、表面が滑らかでクラックがなく、イオン液体が多孔質ネットワーク構造に充填されている。テストした結果、本実施例で調製された準固体電解質では、２５℃導電率が１．１２×１０−３ｓ／ｃｍであり、電気化学ウィンドウが０〜５．０Ｖ（ｖｓ Ｌｉ／Ｌｉ＋）であり、開始熱分解温度が３４０℃であった。
本実施例で調製された準固体電解質とリチウムシートを組み立ててリチウム対称電池とし、電気化学的特性をテストした。テスト結果から分かるように、リチウム対称電池は、０．５ｍＶ／ｃｍ２の電流密度での過電圧が０．４ｍＶであり、短絡を発生させることなく安定的に１０００ｈサイクルできた。サイクル１０００ｈ後、リチウムシートの界面には、リチウムデンドライトが認められなかった。
前記のとおり、以上は、本発明の好適実施例に過ぎず、本発明の特許範囲を限定するものではない。本発明の趣旨及び原則から逸脱することなく行われる修正、同等置換や改良などは、すべて本発明の特許範囲に属すべきである。
（付記）
（付記１）
イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質であって、
前記準固体電解質は、リチウム塩、イオン液体、シランカップリング剤及び触媒を縮合反応させて調製した多孔質ネットワーク構造を有し、
前記リチウム塩は、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３及びＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３のうちの１種以上であり、
前記シランカップリング剤は、アクリロイル基を含有するシリコーン化合物であり、
前記触媒は、ギ酸、酢酸又は水である、
ことを特徴とするイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。
（付記１）
イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質であって、
前記準固体電解質は、リチウム塩、イオン液体、シランカップリング剤及び触媒を縮合反応させて調製した多孔質ネットワーク構造を有し、
前記リチウム塩は、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３及びＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３のうちの１種以上であり、
前記シランカップリング剤は、アクリロイル基を含有するシリコーン化合物であり、
前記触媒は、ギ酸、酢酸又は水である、
ことを特徴とするイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。
（付記２）
前記イオン液体として、アニオンがビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩のイオン液体が使用される、
ことを特徴とする付記１に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。
前記イオン液体として、アニオンがビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩のイオン液体が使用される、
ことを特徴とする付記１に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。
（付記３）
前記イオン液体は、１−エチル−３−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塩、１−プロピル−３−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塩、１−ブチル−３−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塩、Ｎ−メチル−プロピルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩、Ｎ−メチル−ブチルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩、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塩、及びＮ−メチル−ブチ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塩のうちの１種以上である、
ことを特徴とする付記２に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。
前記イオン液体は、１−エチル−３−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塩、１−プロピル−３−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塩、１−ブチル−３−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塩、Ｎ−メチル−プロピルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩、Ｎ−メチル−ブチルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩、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塩、及びＮ−メチル−ブチ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塩のうちの１種以上である、
ことを特徴とする付記２に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。
（付記４）
前記シランカップリング剤は、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、及び３−メタクリロイルオキシプロピルトリエトキシシランのうちの１種以上である、
ことを特徴とする付記１に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。
前記シランカップリング剤は、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、及び３−メタクリロイルオキシプロピルトリエトキシシランのうちの１種以上である、
ことを特徴とする付記１に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。
（付記５）
付記１〜４のいずれか１つに記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質の調製方法であって、
保護ガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、リチウム塩をイオン液体に溶解して、均一に撹拌し、イオン液体電解液を得て、次に、シランカップリング剤を加えて、均一に混合し、最後に、触媒を加えて、均一に混合し、反応系を得るステップ（１）と、
反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−７０ＫＰａ〜−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、２５℃〜９０℃で乾燥させ、前記準固体電解質を得るステップ（２）と、を含み、
前記保護ガスは、純度が９９％以上の窒素ガス又はアルゴンガスである、
ことを特徴とする調製方法。
付記１〜４のいずれか１つに記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質の調製方法であって、
保護ガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、リチウム塩をイオン液体に溶解して、均一に撹拌し、イオン液体電解液を得て、次に、シランカップリング剤を加えて、均一に混合し、最後に、触媒を加えて、均一に混合し、反応系を得るステップ（１）と、
反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−７０ＫＰａ〜−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、２５℃〜９０℃で乾燥させ、前記準固体電解質を得るステップ（２）と、を含み、
前記保護ガスは、純度が９９％以上の窒素ガス又はアルゴンガスである、
ことを特徴とする調製方法。
（付記６）
イオン液体電解液において、リチウム塩の濃度は０．３５ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌであり、シランカップリング剤の質量とイオン液体電解液の質量との比は０．１５〜０．６：１であり、触媒のモル量とシランカップリング剤のモル量との比は５．５〜８．５：１である、
ことを特徴とする付記５に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質の調製方法。
イオン液体電解液において、リチウム塩の濃度は０．３５ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌであり、シランカップリング剤の質量とイオン液体電解液の質量との比は０．１５〜０．６：１であり、触媒のモル量とシランカップリング剤のモル量との比は５．５〜８．５：１である、
ことを特徴とする付記５に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質の調製方法。
Claims (6)
- イオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質であって、
前記準固体電解質は、リチウム塩、イオン液体、シランカップリング剤及び触媒を縮合反応させて調製した多孔質ネットワーク構造を有し、
前記リチウム塩は、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３及びＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３のうちの１種以上であり、
前記シランカップリング剤は、アクリロイル基を含有するシリコーン化合物であり、
前記触媒は、ギ酸、酢酸又は水である、
ことを特徴とするイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。 - 前記イオン液体として、アニオンがビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩のイオン液体が使用される、
ことを特徴とする請求項１に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。 - 前記イオン液体は、１−エチル−３−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塩、１−プロピル−３−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塩、１−ブチル−３−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塩、Ｎ−メチル−プロピルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩、Ｎ−メチル−ブチルピペリジニウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド塩、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塩、及びＮ−メチル−ブチ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塩のうちの１種以上である、
ことを特徴とする請求項２に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。 - 前記シランカップリング剤は、３−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、及び３−メタクリロイルオキシプロピルトリエトキシシランのうちの１種以上である、
ことを特徴とする請求項１に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質の調製方法であって、
保護ガスで満たされ且つ水分含有量が１ｐｐｍ未満のグローブボックスにおいて、まず、リチウム塩をイオン液体に溶解して、均一に撹拌し、イオン液体電解液を得て、次に、シランカップリング剤を加えて、均一に混合し、最後に、触媒を加えて、均一に混合し、反応系を得るステップ（１）と、
反応系をグローブボックスから取り出し、相対真空度−７０ＫＰａ〜−１００ＫＰａの真空オーブンに入れて、２５℃〜９０℃で乾燥させ、前記準固体電解質を得るステップ（２）と、を含み、
前記保護ガスは、純度が９９％以上の窒素ガス又はアルゴンガスである、
ことを特徴とする調製方法。 - イオン液体電解液において、リチウム塩の濃度は０．３５ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌであり、シランカップリング剤の質量とイオン液体電解液の質量との比は０．１５〜０．６：１であり、触媒のモル量とシランカップリング剤のモル量との比は５．５〜８．５：１である、
ことを特徴とする請求項５に記載のイオン液体に基づくリチウム電池用準固体電解質の調製方法。
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