JP2833626B2 - 高分子固体電解質 - Google Patents

高分子固体電解質

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、電池、エレクトロクロミック装置およびコ
ンデンサーなどの電気化学的デバイスに用いられる高分
子固体電解質に関するものである。
(従来の技術) 従来この種の高分子固体電解質としては、ポリエチレ
ンオキシド、ポリプロプレンオキシド、またはエチレン
オキシドとポリプロピレンオキシドとの共重合体を主鎖
または側鎖に有する高分子化合物とアルカリ金属塩また
はアルカリ土類金属塩を錯体形成させたものが主に知ら
れている。
これら従来の高分子固体電解質を構成する高分子材料
のポリエーテルは、一般的にガラス転移温度が低く(例
えば、ポリエチレンオキシドの場合は−67℃)、温度が
高くなると軟化して機械的強度が低下するという問題を
生ずる。また、例えば−100℃以下の低温になると脆性
を示すばかりか、種々の溶媒類や化学薬品類に対する安
定性が低下するという問題があった。
しかしながら、近年電気機器類の進歩に伴って電池な
どの電気化学的デバイスを上記の例示温度より高温また
は低温で使用する要求が高まってきており、上記の問題
を克服してより広範な温度範囲で使用できるような高分
子固体電解質の開発が望まれている。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は上記従来の高分子固体電解質の有する問題を
克服し、耐熱性、耐寒性に優れかつ高い機械的強度を有
する新しい高分子固体電解質を提供することを目的とす
るものである。
(課題を解決するための手段) 上記の目的を達成するための本発明の第1の実施態様
は、ポリパラバン酸系高分子化合物セグメントにアルカ
リ金属塩を含有させてなる高分子固体電解質を特徴とす
るものである。また本発明の第2の実施態様は第1の実
施態様にさらに極性溶剤を含有させてなる高分子固体電
解質を特徴とするものである。
(作用) 本発明の高分子固体電解質の主要構成成分であるポリ
パラバン酸系高分子化合物は、下記化学式(5) で示される単位化合物1のセグメント(I)からなる高
分子化合物、または該セグメント(I)と下記化学式
(6) で示される単位化合物2のセグメント(II)とを結合さ
せてなる高分子化合物をいう。ここでセグメントとは上
記単位化合物1または2それぞれの任意数の連続結合鎖
からなるものをいう。
また、上記化学式(5)および化学式(6)中におけ
るArおよびAr′はそれぞれ異なる芳香族基を表し、Xは
OまたはNHを表す。そして以下、XがOのものをポリパ
ラバン酸といい、XがNH(イミノ基)のものをポリパラ
バン酸イミノ前躯体と称するので、本発明においては、
これらの高分子化合物のセグメントを総称してポリパラ
バン酸系高分子化合物という。
本発明において用いられるポリパラバン酸系高分子化
合物セグメント(I)およびセグメント(II)を構成す
る単位化合物1および単位化合物2において含まれる互
いに異なる2価の芳香族基ArおよびAr′は、好ましくは
下記の化学式(7)〜(13)で示される2価の芳香族基
から選択される。
(但し、化学式(7)〜(13)中のR,R1,R2、R3は、
それぞれ独立にH原子または炭素原子数1から4のアル
キル基を表す。) そして、特に好ましい芳香族基は下記化学式(14)〜
(18)で示される基である。
本発明の高分子固体電解質を構成するポリパラバン酸
系高分子化合物は極めて高いガラス転移点を有する。即
ち、例えば、XがOで、Arが化学式(14)で示される芳
香族基を有する単位化合物からなるセグメント(I)の
高分子化合物(M型PPA)は、約290℃のガラス転移点を
有し、上記セグメント(I)とXがOでAr′が化学式
(16)で示されるセグメント(II)とを結合させた高分
子化合物(TM型PPA)は約350℃のガラス転移点を有す
る。また熱分解温度はいずれも400℃以上で十分な耐熱
性を有しており、長期耐熱性もUL温度指数で180℃を示
し、260℃におけるハンダ浴テストにも十分に耐え得る
ことが確認されている。
また、これらのポリパラバン酸系高分子化合物は高い
耐薬品性と化学的安定性を持ち、しかも機械的強度も優
れている。一方これらの高分子化合物は極低温でもその
機械的強度は低下することがなく、例えば液体窒素中で
も十分に高い機械的強度を維持することができるという
特徴を有しており、また、これ以外のポリパラバン酸系
高分子化合物も類似の特性を有することが確認されてい
る。
本発明は、上記したような幅広い温度環境下において
高い化学的安定性と機械的強度を有するポリパラバン酸
系高分子化合物セグメントに、アルカリ金属塩を含有さ
せることにより錯体を形成させ、安定した固体電解質と
して使用に供することに成功したものである。また本発
明の固体電解質は、例えばN,N−ジメチルホルムアミド
(DMF)などの有機極性溶剤に溶解させることができる
ので、溶解後の溶液を任意の基板上に流延または塗布
し、その後溶剤を適宜温度に真空乾燥を行うなどにして
揮発除去しフィルム状固体電解質として使用することが
できるので使用上極めて便利である。なお、この場合に
おいて本発明のポリパラバン酸系高分子化合物は、DMF
などの有機極性溶剤に対して一定の親和力を有するの
で、フィルム作成に際してある程度の量が残留するが、
有機極性溶剤は誘電率が高いので、ポリパラバン酸系高
分子化合物またはアルカリ金属塩と相互作用をするの
で、残留しても固体電解質の性能に高影響を与えこそす
れ、性能を阻害することはない。
本発明において使用されるポリパラバン酸系高分子化
合物は、例えば特公昭49−20960号公報に開示されてい
る方法によって容易に得ることができる。また、本発明
において使用されるアルカリ金属塩としてはリチウム塩
が好ましい。そしてリチウム塩としては、過塩素酸リチ
ウム(LiClO4)、テトラフルオロ硼酸リチウム(LiB
F4)、トリフルオロメチルスルフォン酸リチウム(Li
[CF3SO3])、六フッ化ヒ素リチウム(LiAsF6)、ヨウ
化リチウム(LiI)、臭化リチウム(LiBr)、六フッ化
リンリチウム(LiPF6)などが挙げられる。
(実施例) 以下に本発明の優れた効果を示すための幾つかの実施
例について説明する。
実施例1: 154mgのTM型PPA(30℃でのN,N−ジメチルホルムアミ
ド中における固有粘度が約1.0dl/g)と104mgのトリフル
オロメチルスルフォン酸リチウム(Li[CF3SO3])を2.
5mgのDMFに均一に溶解し、プラスチック基板上に流延
し、9時間にわたり室温で真空乾燥してDMFを揮発さ
せ、厚さ220μmの高分子固体電解質フィルム(試料
1)を得た。
このフィルムを15mmφに打ち抜き、13mmφの白金電極
で挟み、複素インピーダンス法によりイオン導電率を求
めた。得られたフィルムは淡黄色透明であり、上記リチ
ウム塩化合物が均一に高分子フィルム中に分散している
ことを示し、リチウムイオンが高分子化合物と錯体形成
などの化学的相互作用を有することを示している。上記
複素インピーダンス法により求められたイオン導電率
は、25℃で6.8×10-7Scm-1であり、78.6℃は1.3×10-4S
cm-1であった。なお、本実施例のフィルム中における、
高分子化合物とリチウム塩の総量に対するリチウム塩の
重量比は40.3%であった。
実施例2: 実施例1と同様のTM型PPAとトリフルオロメチルスル
フォン酸リチウムを用い、総量に対するリチウム塩の重
量比を種々変えたこと以外は実施例1と同様の手順で5
種類の高分子固体電解質フィルム(試料2〜6)を作製
し、25℃におけるイオン導電率を測定した。リチウム塩
の重量比に対応するイオン導電率の測定結果を表1に示
す。
通常本発明に用いられるようなポリパラバン酸系高分
子化合物は、DMFに対し親和性を有する。そこで室温で
9時間の真空乾燥を施した各フィルム試料をさらに加熱
昇温させて熱重量分析により加熱の影響を調べた。その
結果300℃まで昇温すると約5%乃至20%の重量減少が
見られた。しかし、160℃で9時間の真空乾燥を施した
ものについては重量減少は見られず、またフィルム透明
度の減少や型崩れなどが見られなかった。このことは、
本発明の固体電解質フィルムは少くとも200℃付近まで
は耐熱性が良好で固体電解質として安定使用が可能であ
ることを示す。また表1の試料4について3秒間の高周
波加熱により445℃に加熱した際に発生する揮発分をガ
スクロマトグラフィーにより分析することによって、該
試料4は重量比で6.5%のDMFを含有することが分かっ
た。
実施例3: 実施例1と同様のTM型PPA205mgと77.6mgの過塩素酸リ
チウム(LiClO4)を2.5mgのDMFに均一に溶解し、プラス
チック基板上に流延し、室温乾燥後、70〜80℃で9時間
真空乾燥してDMFを取り除き、厚さ187μmの淡黄色透明
フィルムを得た。このようにして得られたフィルムの両
面に1cm×1cmの正方形状に金を蒸着し、実施例1と同様
白金極により複素インピーダンス法によるイオン導電率
を求めたところ、25℃のイオン導電率は、4.8×10-7Scm
-1であった。
実施例4: TM型PPA(30℃のDMF中で固有粘度が0.8dl/g)とトリ
フルオロメチルスルフォン酸リチウムとを用い、総量に
対するリチウム塩の重量比を2種類に変えたこと以外は
実施例1と同様の手順でフィルム(試料番号7および
8)を作製し、実施例1と同様の手順で25℃におけるイ
オン導電率を測定した。リチウム塩の重量比に対応する
イオン導電率の測定結果を表2に示す。
また、70〜80℃で真空乾燥した以外は実施例1と同様
の手順で上記と同様のリチウム重量比のフィルムを作成
し、実施例1と同様の手順で25℃におけるイオン導電率
を測定したところ、その値はそれぞれ2.9×10-8Scm-1
よび1.4×10-7Scm-1であった。
実施例5: リチウム塩としてテトラフルオロ硼酸リチウム(LiBF
4)を用い、また室温乾燥後160℃で9時間の真空乾燥を
行った以外は実施例3と同様の手順でフィルムを作成し
たところ、実施例3で得られたフィルムと少くとも何等
外見上の変化が認められなかった。該フィルムにおける
TM型PPAとLiBF4の総量に対するLiBF4の重量比は40%で
あった。また該フィルムについて実施例3と同様の手順
で複素インピーダンス法によるイオン導電率を測定し、
35℃から174℃付近までのイオン導電率の温度依存度を
求めた結果を表3に示す。
なお、フィルムは、173.7℃まで昇温しても型崩れを
起こすことなく安定した状態を維持していた。なお、比
較のため従来のポリエチレンオキシドとポリビニルアル
コールを基材とする高分子固体電解質を用いて同様のイ
オン導電率温度依存試験を実施したところ、90℃の温度
ですでにフィルムは変形を起こしイオン導電率の測定は
不可能となった。
実施例6: リチウム塩としてトリフルオロメチルスルホン酸リチ
ウム(Li[CF3SO2])を用いた以外は、実施例5と同様
の手順で高分子固体電解質フィルムを作成した。該フィ
ルムにおけるTM型PPAとLi[CF3SO3]の総量に対するLi
[CF3SO3]の重量比は50.6%であった。このフィルムに
ついて実施例5と同様の手順で複素インピーダンス法に
よるイオン導電率を測定し、35℃から173℃付近までの
イオン導電率の温度依存度を求めた結果を表4に示す。
なおフィルムは173℃まで昇温しても型崩れを起こす
ことなく強度的にも安定した状態を維持していた。
(発明の効果) 以上述べた通り本発明によるときは、広範な温度環境
下において、機械的強度や耐熱性、耐寒性および形状安
定性に優れた高分子固体電解質を提供することができる
ので、その工業的価値は極めて大きい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01M 10/40 H01G 9/02 331

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記化学式(1)で示される単位化合物1
    からなるセグメント(I)、または該セグメント(I)
    と下記化学式(2)で示される単位化合物2からなるセ
    グメント(II)とを結合させてなるポリパラバン酸系高
    分子化合物にアルカリ金属塩を含有させてなる高分子固
    体電解質。 (但し、化学式(1)、(2)中のArおよびAr′は、そ
    れぞれ異なる2価の芳香族基であり、XはNHまたはOを
    表す。)
  2. 【請求項2】下記化学式(3)を単位化合物とするセグ
    メント(I)、または該セグメント(I)と下記化学式
    (4)を単位化合物とするセグメント(II)とを結合さ
    せてなるポリパラバン酸系高分子化合物にアルカリ金属
    塩を含有させ、さらに極性溶剤を含有させてなる高分子
    固体電解質。 (但し、化学式(3)、(4)中のArおよびAr′は、そ
    れぞれ異なる2価の芳香族基であり、XはNHまたはOを
    表す。)
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