JP3557477B2 - Polymer solid electrolyte, battery and solid electric double layer capacitor using the same, method for producing them, and polymer solid electrolyte material - Google Patents

Polymer solid electrolyte, battery and solid electric double layer capacitor using the same, method for producing them, and polymer solid electrolyte material Download PDF

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Abstract

PURPOSE: To obtain a solid polymer electrolyte which can give a membrane having good strengths, improved room-temperature and low-temperature inoic conductivity and processability by composing it of at least a polymer of a specified compound and/or a copolymer containing the compound and at least one electrolyte. CONSTITUTION: A solid polymer electrolyte comprising a complex containing at least one polymer of a compound containing units of the formula [wherein R<1> is H or methyl; R<2> is a linear, branched or cyclic group and may contain at least one element other than C, H and O; (x) and (y) are each an integer of 0-5; (z) is an integer of 0-10; provided that z=0 when (x) and (y) are 0; and (CH2 ) groups and (CH(CH3 )) groups may be bonded to each other at random, provided that R<1> , R<2> , (x), (y) and (z) in a plurality of units of the formula are independent of each other in the same molecule] and/or a copolymer containing the above compound as a comonomer and at least one molecule, per 1-100 carbonate groups in the side chains or in the bridging chains of the polymer, of at least one electrolyte.

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、ウレタン結合を有するカーボネート側鎖及び/または架橋鎖が導入された高分子を用いた高イオン伝導性の高分子固体電解質、該高分子を用いた電極とその製造方法、該高分子固体電解質または該電極を用いた電池とその製造方法、該高分子固体電解質を用いた電気二重層コンデンサとその製造方法、該高分子、及び該高分子のモノマーに関する。
【0002】
【従来の技術】
固体電解質はアイオニクス分野でのダウンサイジング、全固体化という流れの中で、従来の電解質溶液にかわる新しいイオン伝導体として、全固体一次電池や二次電池及び電気二重層コンデンサへの応用が盛んに試みられている。現在の電解質溶液を用いた電池では、部品外部への液漏れあるいは電極物質の溶出などが発生しやすいために長期信頼性に問題がある。それに対して、固体電解質を用いた製品はそのような問題がなく、また薄型化することも容易である。さらに固体電解質は耐熱性にも優れており、電池などの製品の作製工程においても有利である。
【0003】
特に高分子を主成分とした固体電解質を使用したものは、無機物に比較して、電池の柔軟性が増し、種々の形状に加工できるというメリットがある。しかしながら、これまで検討されてきたものは、高分子固体電解質のイオン伝導度が低いため、取り出し電流が小さいという問題を残していた。
【0004】
これら高分子電解質の例として、「ブリティッシュ・ポリマー・ジャーナル(Br. Polym. J. ),第319巻、137頁、1975年」には、ポリエチレンオキサイドと無機アルカリ金属塩との複合物がイオン伝導性を示すことが記載されているが、その室温でのイオン伝導度は10−7S/cmと低い。
【0005】
最近、オリゴオキシエチレンを側鎖に導入した櫛型高分子が、イオン伝導性を担っているオキシエチレン鎖の熱運動性を高め、イオン伝導性が改良されることが多数報告されている。例えば、「ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリイ(J. Phys. Chem.)、第89巻、987頁、1984年」には、ポリメタクリル酸の側鎖にオリゴオキシエチレンを付加したものにアルカリ金属塩を複合化した例が記載されている。さらに、「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ(J. Am. Chem. Soc. )、第106巻、6854頁、1984年」には、オリゴオキシエチレン側鎖を有するポリホスファゼンにアルカリ金属塩を複合化した例が記載されている。
【0006】
最近、LiCoO 、LiNiO 、LiMnO 、MoS 等の金属酸化物、金属硫化物を正極に用いたリチウム二次電池が多く研究されている。例えば、「ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサイエティ (J. Electrochem. Soc.) 、第138巻(No.3)、665頁、1991年」には、MnO あるいはNiO を正極とする電池が報告されている。これらは、重量当りもしくは体積当りの容量が高く、注目されている。
【0007】
また、導電性高分子を電極活物質として用いる電池についての報告も多く、例えば、ポリアニリン類を正極に用いたリチウム二次電池は、例えば「第27回電池討論会、3A05L及び3A06L、1986年」で報告されているように、ブリヂストン社及びセイコー社により、バックアップ電源用途のコイン型電池として既に上市されている。またポリアニリンは、高容量で柔軟性の優れた正極活物質として注目されている。
【0008】
さらに、近年、メモリーバックアップ電源用などに、活性炭、カーボンブラックなど比表面積の大きい炭素材料を分極性電極として、その間にイオン伝導性溶液を配置する電気二重層コンデンサが多用されてきている。例えば、「機能材料1989年2月号33頁」には、炭素系分極性電極と有機電解液を用いたコンデンサが、「第173回エレクトロケミカルソサエティ・ミーティング・アトランタ・ジョージア,5月号,No.18,1988年」には、硫酸水溶液を用いた電気二重層コンデンサが記載されている。また、特開昭63−244570号公報では、高電気伝導性を有するRb Cu Cl を無機系固体電解質として用いるコンデンサが開示されている。
【0009】
しかしながら、現在の電解質溶液を用いた電気二重層コンデンサでは、長期間の使用や高電圧が印加される場合などの異常時には、コンデンサの外部への液漏れなどが発生し易いために長期使用や信頼性に問題がある。一方、従来の無機系イオン伝導性物質を用いた電気二重層コンデンサは、イオン伝導性物質の分解電圧が低く、出力電圧が低いという問題があった。
【0010】
特開平4−253771号では、ポリホスファゼン系高分子を電池や電気二重層コンデンサのイオン伝導性物質として用いることを提示しており、このような高分子を主成分とした固体イオン伝導性物質を使用したものは、無機系イオン伝導性物質に比較して出力電圧が高く、種々の形状に加工でき、封止も簡単であるというメリットがある。
【0011】
しかしながら、この場合では、高分子固体電解質のイオン伝導度が10−4〜10−6S/cmと充分ではなく、取り出し電流が小さいという欠点があった。また高分子固体電解質に可塑剤を加えてイオン伝導度を高くすることも可能であるが、流動性を付与することとなるため、完全な固体としては取り扱えず、膜強度や成膜性に劣り、電気二重層コンデンサや電池に応用すると短絡が起こり易いうえ、液体系イオン伝導性物質同様に封止上の問題が発生する。一方、固体電解質を分極性電極とともにコンデンサに組み立てる場合には、固体同士の混合であることから、比表面積の大きい炭素材料に均一に複合するのが難しいという問題もあった。
【0012】
一般的に検討されている高分子固体電解質のイオン伝導度は、室温における値で10−4〜10−5S/cm位まで改善されたものの、液体系イオン伝導性物質に比較するとなお二桁以上低いレベルである。また、0℃以下の低温になると、一層極端にイオン伝導性が低下する。更に、これらの固体電解質を電気二重層コンデンサ等の素子に組み込む場合や、これらの固体電解質を薄膜にして電池に組み込む場合、電極との複合化や接触性確保等の加工技術が難しく製造法でも問題点があった。
本発明者らは、高分子において、側鎖及び/または架橋鎖にウレタン結合を導入することにより、膜強度が良好で、イオン伝導度が高い高分子固体電解質が得られることを見出している(特開平6−187822)。
しかしながら該高分子の誘電率がまだ不充分で、電池等に実用的に使用するにはイオン伝導度が不充分であり、誘電率の高い低分子化合物を添加する必要があった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、膜とした場合にも強度が良好で、室温、低温でのイオン伝導度が高く、加工性に優れた高分子固体電解質を提供することを目的とする。また、本発明は、この高分子固体電解質を使用することにより、薄膜化が容易であり、高容量、高電流で作動でき、サイクル性が良好であり、信頼性に優れた一次電池及び二次電池を開発することを目的とする。また、本発明は、高い電気化学的活性と柔軟性を有する電極及びそれを用いた二次電池を提供することを目的とする。
【0014】
また、本発明は、電気二重層コンデンサにおいて用いられる、分極性が良く、また、膜とした場合にも強度が良好で、固体電解質との接触性のよい電極を提供することを目的とする。
また、更に、本発明は、室温あるいはそれより低温であってもイオン伝導度が大きく、膜強度、加工性に優れた高分子固体電解質を利用することにより、出力電圧が高く、取り出し電流が大きく、加工性、信頼性に優れた電気二重層コンデンサを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは該側鎖及び/または架橋鎖に誘電率の高いカーボネートをさらに導入したものを使用することにより、電解質塩のイオン解離が促進され、イオン解離を促進するための他の高誘電率化合物の添加をなくすもしくは少なくすることができ、イオン伝導度、熱安定性または膜強度のさらに優れた高分子固体電解質が得られることを見いだした。
【0016】
更に、この高分子固体電解質を用いることにより、出力電圧が高く、取り出し電流が大きく、サイクル寿命が長く、加工性、信頼性に優れた電池が得られることを見出した。
更に、本発明者らは、例えば、この高分子固体電解質を用いて、薄型固体電池を作製する場合に、電極の薄膜化が重要であるとの認識にたち検討を行なったところ、電極活物質として優れている、導電性高分子であるポリアニリン及びその誘導体、すなわちアニリン系重合体であって有機溶媒に可溶な重合体、もしくはその他の導電性高分子、金属酸化物、金属硫化物または炭素材料、あるいはその他の電極活物質(正極活物質または負極活物質)と、ウレタン結合を有するカーボネート側鎖及び/または架橋鎖が導入された高分子を用いることにより、かかる電極活物質の電気化学的活性度を損なうことなく、高い電気化学的活性と柔軟性を有する電極とすることができ、更に例えば、溶媒キャスト法あるいはその他の方法により電極の薄膜成膜が可能であることを見出した。
【0017】
更に、本発明者らは、電気二重層コンデンサの分極性電極として用いられる分極性材料である後述のような炭素材料と、ウレタン結合を有するカーボネート側鎖及び/または架橋鎖が導入された高分子を用いることにより、かかる分極性材料の分極特性を損なうことなく、該コンデンサに適した分極性の電極とすることができ、更に例えば、溶媒キャスト法あるいはその他の方法により電極の薄膜成膜が可能であることを見出した。
【0018】
更に、本発明者らは、上記の高分子固体電解質を用いることによって、出力電圧が高く、取り出し電流が大きく、加工性、信頼性に優れた電気二重層コンデンサが得られること、とりわけ、全固体型電気二重層コンデンサとすることができることを見出した。
【0019】
すなわち、本発明は以下のものを提供するものである。
1) 一般式(I)
【化15】

Figure 0003557477
[式中、R は水素またはメチル基を表し、R は有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH )と(CH(CH ))は不規則に配列してもよい。但し、同一分子中の複数個の上記一般式(I)で表されるユニット中のR 、R 及びx、y、zの値は、それぞれ独立であり、同じである必要はない。]
で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体、並びに少なくとも一種の電解質を含む複合体からなる高分子固体電解質。
【0020】
2) 一般式(II)
【化16】
Figure 0003557477
[式中、R は水素またはメチル基を表し、R 、R は有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH )と(CH(CH ))は不規則に配列してもよい。]
で表される構造を有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体、並びに少なくとも一種の電解質を含む複合体からなる高分子固体電解質。
【0021】
3) 電解質の少なくとも一種が、アルカリ金属塩、4級アンモニウム塩、4級ホスホニウム塩、または遷移金属塩である前記1)または2)記載の高分子固体電解質。
4) 可塑剤が添加されていることを特徴とする前記1)ないし3)記載の高分子固体電解質。
5) 前記1)ないし4)記載の高分子固体電解質を含有することを特徴とする電池。
6) リチウム、リチウム合金またはリチウムイオンを吸蔵放出できる炭素材料を含む負極を有する前記5)記載の電池。
7) 有機溶媒可溶性のアニリン系重合体もしくはその他の導電性高分子、金属酸化物、金属硫化物または炭素材料を含む正極を有する前記5)記載の電池。
【0022】
8) 一般式(I)
【化17】
Figure 0003557477
[式中の記号は前記1)と同じ。]
で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種及び少なくとも一種の電解質を含有する重合性モノマー混合物、またはこれに可塑剤が添加された重合性モノマー混合物を、電池構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置し、かかる重合性モノマー混合物を重合する工程を有することを特徴とする電池の製造方法。
9) 一般式(II)
【化18】
Figure 0003557477
[式中の記号は前記2)と同じ。]
で表される構造を有する化合物の少なくとも一種及び少なくとも一種の電解質を含有する重合性モノマー混合物、またはこれに可塑剤が添加された重合性モノマー混合物を、電池構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置し、かかる重合性モノマー混合物を重合する工程を有することを特徴とする電池の製造方法。
【0023】
10) 一般式(I)
【化19】
Figure 0003557477
[式中の記号は前記1)と同じ。]
で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体、並びに電極活物質または分極性材料を含むことを特徴とする電極。
11) 一般式(II)
【化20】
Figure 0003557477
[式中の記号は前記2)と同じ。]
で表される構造を有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体、並びに電極活物質または分極性材料を含むことを特徴とする電極。
【0024】
12) 電極活物質または分極性材料が、有機溶媒可溶性のアニリン系重合体もしくはその他の導電性高分子、金属酸化物、金属硫化物または炭素材料である前記10)もしくは11)記載の電極。
13) イオン伝導性物質を介して分極性電極を配置した電気二重層コンデンサであって、イオン伝導性物質が前記1)ないし4)記載の高分子固体電解質であることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【0025】
14) 一般式(I)
【化21】
Figure 0003557477
[式中の記号は前記1)と同じ。]
で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種及び少なくとも一種の電解質を含有する重合性モノマー混合物、またはこれに可塑剤が添加された重合性モノマー混合物を、電気二重層コンデンサ構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置し、かかる重合性モノマー混合物を重合する工程を有することを特徴とする電気二重層コンデンサの製造方法。
15) 一般式(II)
【化22】
Figure 0003557477
[式中の記号は前記2)と同じ。]
で表される構造を有する化合物の少なくとも一種及び少なくとも一種の電解質を含有する重合性モノマー混合物、またはこれに可塑剤が添加された重合性モノマー混合物を、電気二重層コンデンサ構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置し、かかる重合性モノマー混合物を重合する工程を有することを特徴とする電気二重層コンデンサの製造方法。
【0026】
16) イオン伝導性物質を介して分極性電極を配置した電気二重層コンデンサであって、分極性電極が一般式(I)
【化23】
Figure 0003557477
[式中の記号は前記1)と同じ。]
で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体と炭素材料を含む複合物からなることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
17) イオン伝導性物質を介して分極性電極を配置した電気二重層コンデンサであって、分極性電極が一般式(II)
【化24】
Figure 0003557477
[式中の記号は前記2)と同じ。]
で表される構造を有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体と炭素材料を含む複合物からなることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【0031】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明においてカーボネート基とは、化学式−OCOO−で表される原子団を示し、カーボネート(側)鎖とは化学式−OCOO−で表される原子団を有する(側)鎖を示す。
本発明の高分子固体電解質を製造するためのモノマーである前記一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物は、次式の反応で得ることができる。
CH =C(R )CO(O(CH (CH(CH )) NCO+
【化29】
Figure 0003557477

【化30】
Figure 0003557477
【0032】
一例として次式の反応のように2−メタクリロイルオキシエチルイソシアナート(以下、MOIと略記する。)とヒドロキシ炭酸プロピレンとを1:1のモル比でスズ系触媒下、加熱反応させることにより2−メタクリロイルオキシエチルカルバミド酸炭酸プロピレンエステルが得られる。
CH =C(CH )COO(CH NCO+
【化31】
Figure 0003557477

【化32】
Figure 0003557477
【0033】
本発明の高分子固体電解質に含まれる重合体は、前記一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物を重合し、あるいは該化合物を共重合成分として重合することにより得られる。
重合は、これらモノマーのアクリロイル基もしくはメタクリロイル基の重合性を利用した一般的な方法を採用することが出来る。すなわち、これらモノマーを、あるいはこれらモノマーと他の重合性化合物との混合物を、アゾビスイソブチロニトリル、ベンゾイルパーオキサイド等のラジカル重合触媒、CF COOH等のプロトン酸、BF ,AlCl 等のルイス酸等のカチオン重合触媒、あるいはブチルリチウム、ナトリウムナフタレン、リチウムアルコキシド等のアニオン重合触媒を用いて、ラジカル、カチオンあるいはアニオン重合させることができる。
【0034】
また、かかる重合性モノマー混合物を膜状等の形に成形後、重合させることも可能である。本発明のように高分子固体電解質を電池や電気二重層コンデンサに用いる場合には、特にこのように、重合性モノマー混合物を成膜後に重合することが有利である。
【0035】
すなわち、前記一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物とアルカリ金属塩、4級アンモニウム塩、4級ホスホニウム塩または遷移金属塩のごとき少なくとも一種の電解質とを混合し、これら重合性モノマー混合物を前記触媒の存在下あるいは非存在下に、場合によっては加熱及び/または光等の電磁波を照射して重合させる。特に、該重合性モノマー混合物を膜状等の形状に成形後に、例えば加熱及び/または光等の電磁波を照射して、重合させ、膜状重合物とすることにより、加工面での自由度が広がり、応用上の大きなメリットとなる。
【0036】
本発明の高分子固体電解質を製造するためのモノマーである前記一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物と混合する重合性化合物に特に限定はなく、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物と共重合可能なものであればよい。例えば、以下の一般式(III)
(CH =C(R )CO(O(CH (CH(CH )) NHCOOR −) (III)
(式中、R は水素またはメチル基を表し、R はオキシアルキレン基を含む2価の有機鎖を表す。該有機鎖は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の整数を表す。但し、x=0及びy=0の時はz=0である。また(CH )と(CH(CH ))は不規則に配列してもよい。但し、同一分子中の複数個の上記一般式(III)で表されるユニット中のR 、R 及びx、y、zの値はそれぞれ独立であり同じである必要はない。)で表されるユニットを一つ以上有する(メタ)アクリロイルカルバミド酸エステル等のオキシアルキレン鎖を有するウレタン(メタ)アクリレート、メタクリル酸ω−メチルオリゴオキシエチルエステル等のオキシアルキレン鎖を有する(メタ)アクリル酸エステル、メタクリル酸メチル、アクリル酸n−ブチル等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル、メタクリルアミド、アクリルアミド、N,N−ジメチルメタクリルアミド、アクリロイルモルホリン、メタクリロイルモルホリン、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド系化合物、スチレン、α−メチルスチレン等のスチレン系化合物、N−ビニルアセトアミド、N−ビニルホルムアミド等のN−ビニルアミド系化合物、エチルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテル、炭酸ビニレン、ビニルピロリドン、マレイミド等の環状ビニル化合物等を挙げることができる。
【0037】
この中で高誘電率で重合物の低ガラス転移点と言う点を考慮して、オキシアルキレン鎖を有するウレタン(メタ)アクリレートや(メタ)アクリル酸エステルが好ましく、オキシアルキレン鎖を有するウレタン(メタ)アクリレートが特に好ましい。
【0038】
溶媒を用いる場合には、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物の種類や重合触媒の有無にもよるが、重合を阻害しない溶媒であればいかなる溶媒でも良く、例えば、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、トルエン等を用いることができる。
【0039】
重合させる温度としては、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物の種類によるが、重合が起こる温度であれば良く、通常は、0℃から200℃の範囲で行えばよい。電磁波照射により重合させる場合には、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物の種類によるが、例えば、ベンジルメチルケタール、ベンゾフェノン等の開始剤を使用して、数mW以上の紫外光またはγ線等を照射して重合させることができる。
【0040】
本発明の高分子固体電解質に用いる重合体は、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物の単独重合体であっても、2種以上の一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物の共重合体であっても、あるいは少なくとも一種の一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物と他の重合性化合物との共重合体であってもよく、それらの混合物であってもよい。
【0041】
また、本発明の高分子固体電解質に用いる重合体は、かかる一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物の単独重合体であっても、2種以上の一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物の共重合体であっても、あるいは少なくとも一種の一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物と他の重合性化合物との共重合体のうちの少なくとも1種と他の重合体との混合物であってもよい。他の重合体とは例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリブタジエン、ポリメタクリル(またはアクリル)酸エステル類、ポリホスファゼン類、ポリシロキサンあるいはポリシラン等の中から選ばれる1種以上の重合体が挙げられる。
【0042】
上記の共重合体あるいは重合体混合物の中に含まれる一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物由来の構造単位の量としては、かかる共重合体あるいは重合体混合物の20重量%以上であれば、そのウレタン結合を有するカーボネート鎖の特性を十分に発揮できるので好ましい。
本発明の高分子固体電解質に用いる重合体の分子量は1000以上100万以下が好ましく、5000以上5万以下が特に好ましい。重合体の分子量が高くなると加工後の膜強度等の膜特性が良好となる反面、キャリアーイオン移動に重要な熱運動に制約を生じ、イオン伝導性を低下させたり、溶剤にも溶けにくくなり、加工面で不利になる。逆に、分子量が低すぎると、成膜性、膜強度等が悪化し、基本的な物理特性が劣ることになる。
【0043】
本発明の高分子固体電解質中に通常いわゆる可塑剤として用いられている有機化合物(本発明においては可塑剤と表現する。)を添加すると固体電解質のイオン伝導度がさらに向上するので好ましい。使用できる可塑剤としては、本発明の高分子固体電解質に用いるモノマーとの相溶性が良好で、誘電率が大きく、沸点が100℃以上であり、電気化学的安定範囲が広い化合物が適している。そのような可塑剤としては、トリエチレングリコールメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等のオリゴエーテル類、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、炭酸ビニレン等のカーボネート類、ベンゾニトリル、トルニトリル等の芳香族ニトリル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、N−ビニルピロリドン、スルホラン等の硫黄化合物、リン酸エステル類等が挙げられる。この中で、オリゴエーテル類及びカーボネート類が好ましく、カーボネート類が特に好ましい。可塑剤の添加量が多いほど高分子固体電解質のイオン伝導度は高くなるが、多過ぎると高分子固体電解質の機械的強度が低下する。好ましい添加量としては、(M)ACE重合体重量の5倍量以下である。
【0044】
本発明の高分子固体電解質中重合体と複合に用いる電解質の複合比は、側鎖もしくは架橋鎖のカーボネート基1個〜100個に対し、電解質分子1個の割合が好ましい。複合に用いる電解質がカーボネート基の1以上の比率で存在すると、イオンの移動が大きく阻害され、逆に1/100以下の比率では、イオンの絶対量が不足となってイオン伝導度が小さくなるため、好ましくない。
【0045】
複合に用いる電解質の種類は特に限定されるものではなく、電荷でキャリアーとしたいイオンを含んだ電解質を用いれば良いが、高分子固体電解質中での解離定数が大きいことが望ましく、アルカリ金属塩、(CH NBF 等の4級アンモニウム塩、(CH PBF 等の4級ホスホニウム塩、AgClO 等の遷移金属塩あるいは塩酸、過塩素酸、ホウフッ化水素酸等のプロトン酸が推奨される。
【0046】
本発明の電池に用いる負極活物質としては,後述のように、アルカリ金属、アルカリ金属合金、炭素材料のようなアルカリ金属イオンをキャリアーとする低酸化還元電位のものを用いることにより、高電圧、高容量の電池が得られるので好ましい。従って、かかる負極を用い、アルカリ金属イオンをキャリアーとする電池に用いる場合の高分子固体電解質中の電解質としてはアルカリ金属塩が必要となる。
このアルカリ金属塩の種類としては、例えば、LiN(CF SO 、LiCF SO 、LiPF 、LiClO 、LiI、LiBF 、LiSCN、LiAsF 、NaCF SO 、NaPF 、NaClO 、NaI、NaBF 、NaAsF 、KCF SO 、KPF 、KI等を挙げることができる。この中で、アルカリ金属としては、リチウムまたはリチウム合金を用いた場合が、高電圧、高容量であり、かつ薄膜化が可能である点から最も好ましい。また、炭素材負極の場合には、アルカリ金属イオンだけでなく、4級アンモニウム塩、4級ホスホニウム塩、遷移金属塩、各種プロトン酸が使用できる。
【0047】
固体電気二重層コンデンサの場合に複合に用いる電解質の種類は特に限定されるものではなく、電荷キャリアーとしたいイオンを含んだ化合物を用いればよいが、高分子固体電解質中での解離定数が大きく、分極性電極と電気二重層を形成しやすいイオンを含むことが望ましい。このような化合物としては、(CH NBF 、(CH CH NClO 等の4級アンモニウム塩、AgClO 等の遷移金属塩、(CH PBF 等の4級ホスホニウム塩、LiCF SO 、LiPF 、LiClO 、LiI、LiBF 、LiSCN、LiAsF 、NaCF SO 、NaPF 、NaClO 、NaI、NaBF 、NaAsF 、KCF SO 、KPF 、KI等のアルカリ金属塩、パラトルエンスルホン酸等の有機酸及びその塩、塩酸、硫酸等の無機酸等が挙げられる。この中で、出力電圧が高く取れ、解離定数が大きいという点から、4級アンモニウム塩、4級ホスホニウム塩、アルカリ金属塩が好ましい。4級アンモニウム塩の中では、(CH CH )(CH CH CH CH NBF のような、アンモニウムイオンの窒素上の置換基が異なっているものが、高分子固体電解質への溶解性あるいは解離定数が大きいという点では好ましい。
【0048】
本発明の電池の構成において、負極にアルカリ金属、アルカリ金属合金、炭素材料、導電性高分子のようなアルカリ金属イオンをキャリアーとする低酸化還元電位の電極活物質(負極活物質)を用いることにより、高電圧、高容量の電池が得られるので好ましい。このような電極活物質の中では、リチウム金属あるいはリチウム/アルミニウム合金、リチウム/鉛合金、リチウム/アンチモン合金等のリチウム合金類が最も低酸化還元電位であるため特に好ましい。また、炭素材料もLiイオンを吸蔵した場合低酸化還元電位となり、しかも安定、安全であるという点で特に好ましい。Liイオンを吸蔵放出できる炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法黒鉛、石油コークス、石炭コークス、ピッチ系炭素、ポリアセン、C60、C70等のフラーレン類等が挙げられる。
【0049】
本発明の電池の構成において、正極に金属酸化物、金属硫化物、導電性高分子あるいは炭素材料のような高酸化還元電位の電極活物質(正極活物質)を用いることにより、高電圧、高容量の電池が得られるので好ましい。このような電極活物質の中では、充填密度が高くなり、体積容量密度が高くなるという点では、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化バナジウム、酸化ニッケル、酸化モリブデン等の金属酸化物、硫化モリブデン、硫化チタン、硫化バナジウム等の金属硫化物が好ましく、特に酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルト等が高容量、高電圧という点から好ましい。また、柔軟で薄膜にし易いという点では、特にポリアニリン等の導電性高分子が好ましい。
【0050】
金属酸化物や金属硫化物を製造する方法は特に限定されず、例えば、「電気化学、第22巻、574頁、1954年」に記載されているような、一般的な電解法や加熱法によって製造される。また、これらを電極活物質としてリチウム電池に使用する場合、電池の製造時に、例えば、Li CoO やLi MnO 等の形でLi元素を金属酸化物あるいは金属硫化物に挿入(複合)した状態で用いるのが好ましい。このようにLi元素を挿入する方法は特に限定されず、例えば、電気化学的にLiイオンを挿入する方法や、米国特許第4357215号に記載されているように、Li CO 等の塩と金属酸化物を混合、加熱処理することによって実施できる。
【0051】
導電性高分子の例としては、ポリアニリン、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリパラフェニレン及びその誘導体、ポリピロリレン及びその誘導体、ポリチエニレン及びその誘導体、ポリピリジンジイル及びその誘導体、ポリイソチアナフテニレン及びその誘導体、ポリフリレン及びその誘導体、ポリセレノフェン及びその誘導体、ポリパラフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリフリレンビニレン、ポリナフテニレンビニレン、ポリセレノフェンビニレン、ポリピリジンジイルビニレン等のポリアリーレンビニレン及びそれらの誘導体等が挙げられる。中でも有機溶媒に可溶性のアニリン誘導体の重合体が特に好ましい。これらの電池あるいは電極において電極活物質として用いられる導電性高分子は、後述のような化学的あるいは電気化学的方法あるいはその他の公知の方法に従って製造される。
【0052】
また、炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法黒鉛、石油コークス、石炭コークス、フッ化黒鉛、ピッチ系炭素、ポリアセン等が挙げられる。
また、本発明の電池あるいは電極において電極活物質として用いられる炭素材料は、市販のものを用いることができ、あるいは公知の方法に従って製造される。本発明の電極あるいは電池における正極活物質として、特に有機溶媒可溶性のアニリン系重合体を用いると、成形を溶液塗布で行なうことができるので有利であり、薄膜電池を作製する場合に特に有利である。アニリン系重合体としては、ポリアニリン、ポリ−o−トルイジン、ポリ−m−トルイジン、ポリ−o−アニシジン、ポリ−m−アニシジン、ポリキシリジン類、ポリ−2,5−ジメトキシアニリン、ポリ−2,6−ジメトキシアニリン、ポリ−2,5−ジエトキシアニリン、ポリ−2,6−ジエトキシアニリン、ポリ−o−エトキシアニリン、ポリ−m−エトキシアニリン及びこれらの共重合体を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではなく、アニリン誘導体から導かれる繰返し単位を有する重合体であれば良い。また、有機溶媒可溶性のアニリン系重合体中の側鎖の導入量は、多いほど溶解性という点では都合が良いが、導入量が増加するほど、正極としての重量あたりの容量が低下するというマイナス面が表れる。従って、好ましいアニリン系重合体としては、例えば、ポリアニリン、ポリ−o−トルイジン、ポリ−m−トルイジン、ポリ−o−アニシジン、ポリ−m−アニシジン、ポリキシリジン類が挙げられる。
【0053】
本発明において用いられるアニリン系重合体の重合方法は特に限定されるものではないが、一般には、例えば、「ジャーナル・オブ・ケミカル・ソサエティー、ケミカル・コミュニケーション、1784頁(1987)」等で報告されているように、アニリン、o−アニシジン等のアニリン誘導体を電気化学的または化学的に酸化重合する方法が挙げられる。
【0054】
電気化学的酸化重合は、陽極酸化によって行われ、電流密度約0.01〜50mA/cm 、電解電圧0.1〜30Vの範囲で、定電流法、定電圧法あるいはそれ以外の如何なる方法をも用いることができる。電解液のpHとしては特に制限はないが、好ましくはpHが3以下、特に好ましくは2以下である。pH調節に用いる酸の具体例としては、HCl、HBF 、CF COOH、H SO 、HNO 、パラトルエンスルホン酸等の強酸を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。
化学的酸化重合の場合には、例えば、アニリン誘導体を酸性溶液中で過酸化物、過硫酸塩のような酸化剤で酸化重合させることができる。この場合に用いる酸としては、電気化学的酸化重合の場合に用いるものと同様のものを用いることが出来るが、これらに限定されるものではない。
【0055】
このような方法で得られる、本発明で用いられるアニリン系重合体の分子量は特に限定されないが、通常2000以上のものであれば好ましい。
このような方法によって得られるアニリン系重合体は、一般的に重合溶液中のアニオンをドーパントとして含んだ状態で得られる場合が多く、溶解性や重量当りの容量の面で不利となる。従って、例えば成膜成形法により、電極に成形する前に、これらアニオンを脱ドープし、さらに、還元型にすることが好ましい。脱ドープの方法としては特に制限はないが、一般的にはアンモニア水、水酸化ナトリウム等の塩基で処理する方法がとられる。また、還元方法についても特に制限はなく、一般的な化学的あるいは電気化学的還元を行なえばよい。例えば、化学的還元方法については、ヒドラジンやフェニルヒドラジン溶液中に塩基で処理したアニリン系重合体を室温下浸漬もしくは撹拌することで容易に還元できる。
【0056】
このようにして得た脱ドープ型もしくは還元型アニリン系重合体は、種々の有機溶媒に可溶であり、溶液状態で、前記一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する少なくとも一種の化合物を含有する重合性モノマー溶液と混合でき、そのように調製した混合物を用いて、例えば塗布法等により、種々の支持体、例えば、電極上へ薄膜形成したり、あるいはその他の形状へ成形することにより、電極を製造することができる。
アニリン系重合体が溶解する溶媒としては、ベンゼン環上の置換基の種類によるので、特に限定されないが、N−メチルピロリドンのようなピロリドン類、ジメチルホルムアミドのようなアミド類、m−クレゾール、ジメチルプロピレンウレア等の極性溶媒等が挙げられる。
【0057】
本発明によれば、上記のように、有機溶媒可溶性のアニリン系重合体のごとき可溶性の導電性高分子であっても、本発明の高分子固体電解質に用いる重合体を用いることにより、柔軟で薄膜の電極を製造することができるので、本発明の電極あるいは電池において用いることのできる前記導電性高分子は有機溶媒可溶性であっても、不溶性であっても良い。
【0058】
次に、本発明の電極及び電池の製造方法の一例について詳しく説明する。
本発明の電極は、例えば、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物を、場合によっては更に他の重合性化合物及び/または可塑剤を添加して、前記の電極活物質(正極活物質または負極活物質)と混合する。その場合、混合する各成分の比率は、目的とする電池により適切なものとする。このようにして得た重合性モノマー/電極活物質混合物を膜状等の形状に成形後、重合を行うことにより電極を製造する。この方法において、重合は前述の一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物から得られる重合体を得る場合と同様の重合方法によることができ、例えば、加熱及び/または電磁波照射により重合を行なうことができる。電極活物質が、例えば有機溶媒可溶性のアニリン系重合体の場合のように、流動性の高い重合性モノマー/電極活物質混合物を与える場合には、該混合物を集電体あるいはその他ガラス等の支持体上に塗布して成膜する等の方法で成形後重合することにより電極を製造する。
【0059】
このようにして製造した、前記の電極活物質を含む電極を少なくとも一方の電極とし、同様にして製造した他の電極活物質を含む電極あるいはその他通常用いられる電極をもう一方の電極とし、両極をお互いに接触しないように電池構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置する。例えば、電極の端に適当な厚みのスペーサーを介して正極と負極をはり合せて、前記構造体内に入れ、次に、正極と負極の間に、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物と、アルカリ金属塩のごとき前記の電解質から選ばれる少なくとも一種の電解質を混合し、場合によっては更に他の重合性化合物及び/または可塑剤を添加混合して調製した重合性モノマー混合物を注入した後、例えば、加熱及び/または電磁波照射により重合する等、前述の一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体を得る場合の重合方法と同様の方法で重合することにより、あるいは、更に重合後必要に応じてポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂で封止することにより、電極と電解質が良好に接触した電池が得られる。かかる前述の重合性モノマー混合物を重合して得た電極を用いた場合には、電極と電解質が特に良好に接触した電池が得られる。なお、かかる重合性モノマー混合物を調製する場合、混合する各成分の比率は目的とする電池により適切なものとする。なお、前記電池構成用構造体あるいは前記支持体はSUS等の金属、ポリプロピレン、ポリイミド等の樹脂、または導電性もしくは絶縁性ガラス等のセラミックス材料が好ましいが、特にこれらの材料からなるものに限定されるものではなく、また、その形状は筒状、箱状、シート状その他いかなる形状でもよい。
【0060】
前述したように、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物を含むモノマー混合物と少なくとも一種の電解質を混合して得られる混合液を重合することにより、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体重合体と少なくとも一種の電解質を含む複合体からなる高分子固体電解質を製造する方法が、薄膜電池を製造する場合に特に有用である。
【0061】
このようにして製造される本発明の電池の一例として、薄膜固体二次電池の一例の概略断面図を図1に示す。図中、1は正極、2は高分子固体電解質、3は負極、4は集電体であるステンレス箔、5はスペーサーである絶縁性ポリイミドフィルムであり、6は絶縁性樹脂封止剤である。
【0062】
捲回型電池を製造する場合は、あらかじめ、調製しておいた高分子固体電解質シートを介して、上記正極及び負極をはりあわせ、捲回し、電池構成用構造体内に挿入後に更に前記重合性モノマー混合物を注入し、重合させるという方法も可能である。
次に本発明の固体電気二重層コンデンサについて説明する。
本発明の固体電気二重層コンデンサにおいて、本発明の前記高分子固体電解質を用いることにより、出力電圧が高く、取り出し電流が大きく、あるいは加工性、信頼性に優れた全固体電気二重層コンデンサが提供される。
【0063】
本発明の固体電気二重層コンデンサの一例の概略断面図を図2に示す。この例は、大きさ1cm×1cm、厚み約0.5mmの薄型セルで、8は集電体であり、集電体の内側には一対の分極性電極7が配置されており、その間に高分子固体電解質膜9が配置されている。10はスペーサーであり、この例では絶縁性フィルムが用いられ、11は絶縁性樹脂封止剤、12はリード線である。
集電体8は電子伝導性で電気化学的に耐食性があり、できるだけ比表面積の大きい材料を用いることが好ましい。例えば、各種金属及びその燒結体、電子伝導性高分子、カーボンシート等を挙げることができる。
分極性電極7は、通常電気二重層コンデンサに用いられる炭素材料等の分極性材料からなる電極であればよいが、かかる炭素材料に本発明の高分子固体電解質を複合させたものが好ましい。分極性材料としての炭素材料としては、比表面積が大きければ特に制限はないが、比表面積の大きいほど電気二重層の容量が大きくなり好ましい。例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック(アセチレンブラックを含む)、チャンネルブラック等のカーボンブラック類や、椰子がら炭等の活性炭、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法で製造したいわゆる熱分解黒鉛、ポリアセン及びC60、C70を挙げることができる。
【0064】
次に本発明の固体電気二重層コンデンサの製造方法の一例について説明する。
前述したように、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物を少なくとも一種の電解質と混合して、場合によっては更に他の重合性化合物及び/または可塑剤を添加混合して得られる重合性モノマー混合物を重合することにより、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体と少なくとも一種の電解質を含む複合体が得られるが、この方法が本発明の固体電気二重層コンデンサを製造する場合に特に有用である。
【0065】
本発明の固体電気二重層コンデンサにおいて好ましく用いられる、炭素材料のごとき分極性材料と前記一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体を含む分極性電極を製造する場合、まず、例えば、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物を、場合によっては更に他の重合性化合物及び/または可塑剤を添加して、分極性材料と混合する。その場合、混合する各成分の比率は、目的とするコンデンサにより適切なものとする。このようにして得た重合性モノマー/分極性材料混合物を、支持体上、例えば集電体上に成膜した後、例えば、加熱及び/または電磁波照射により重合を行なう等、前述の重合体を得る場合の重合方法と同様の方法により重合することにより、分極性電極を製造する。本法によれば、集電体に良好に接触した複合薄膜電極を製造できる。
【0066】
このようにして製造した分極性電極2枚をお互いに接触しないようにコンデンサ構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置する。例えば、電極の端に適当な厚みのスペーサーを介して両電極をはり合せて、前記構造体内に入れ、次に、この2枚の分極性電極の間に、一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物と、アルカリ金属塩のごとき前記の電解質から選ばれる少なくとも一種の電解質を混合し、場合によってはさらに他の重合性化合物及び/または可塑剤を添加混合して調製した重合性モノマー混合物を注入した後、上記と同様の方法により重合することにより、あるいは、さらに、重合後必要に応じてポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂で封止することにより、電極と電解質が良好に接触した電気二重層コンデンサが得られる。かかるモノマー混合物を調製する場合、混合する各成分の比率は、目的とするコンデンサにより適切なものとする。本法により、特に薄型全固体電気二重層コンデンサを製造することができる。尚、前記コンデンサ構成用構造体あるいは前記支持体は、SUS等の金属、ポリプロピレン、ポリイミド等の樹脂、または導電性もしくは絶縁性ガラス等のセラミックス材料であればよいが、特にこれらの材料からなるものに限定されるものではなく、また、その形状は、筒状、箱状、シート状その他いかなる形状でもよい。
【0067】
電気二重層コンデンサの形状としては、図2のようなシート型のほかに、コイン型、あるいは分極性電極及び高分子固体電解質のシート状積層体を円筒状に捲回し、円筒管状のコンデンサ構成用構造体に入れ、封止して製造された円筒型等であっても良い。
捲回型コンデンサを製造する場合は、あらかじめ調製しておいた高分子固体電解質シートを介して、上記分極性電極をはりあわせ、捲回し、コンデンサ構成用構造体内に挿入後に更に前記重合性モノマー混合物を注入し、重合させるという方法も可能である。
【0068】
【作用】
本発明の高分子固体電解質は、前述のとおり、その原料である重合性モノマー混合物から容易に成膜、複合できるウレタン結合を有するカーボネート基を側鎖に導入した高誘電率の高分子からなる高イオン伝導性の固体電解質であり、膜強度も良好であり、薄膜加工性にも優れている。
【0069】
本発明の電池は、イオン伝導性物質として前記高分子固体電解質を用いることにより、薄膜化など加工も容易であり、薄膜でも短絡の恐れがなく、取り出し電流が大きく、信頼性の高い電池であり、特に全固体型電池とすることができる。
また、本発明の、負極がリチウムまたはリチウム合金またはリチウムイオンを吸蔵放出できる炭素材料等の活物質を含む電極からなる電池は、イオン伝導性物質として前記高分子固体電解質を用いることにより、薄膜化など加工も容易であり、薄膜でも短絡の恐れがなく、取り出し電流が大きく、信頼性の高い電池であり、特に全固体型電池とすることができる。
【0070】
また、本発明の正極が、前記一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体と有機溶媒可溶性のアニリン系重合体もしくはその他の導電性高分子、金属酸化物、金属硫化物または炭素材料等の活物質を含む電極からなり、電解質として前記高分子固体電解質を用いることを特徴とする電池は、薄膜化など加工も容易であり、薄膜でも短絡の恐れがなく、取り出し電流が大きく、高容量で、信頼性の高い電池であり、特に全固体型電池とすることができる。
さらにまた、本発明の、前記一般式(I)で表されるユニットを有する化合物及び/または(II)で表される構造を有する化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体と有機溶媒可溶性のアニリン系重合体もしくはその他の導電性高分子、金属酸化物、金属硫化物または炭素材料等の電極活物質を含む電極及び該電極の製造方法は、電極としての活性度に優れた該電極活物質の電気化学的活性度を損なうことなく、必要に応じた柔軟性を有する電極を提供するものであり、例えば、薄膜状の電極を提供することができ、該電極は種々の電池の電極として有用である。
【0071】
また、本発明の電池の製造方法によれば、種々の形状の電池を製造することができ、特に電池の薄型化が容易であり、高容量、高電流で作動でき、あるいはサイクル性が良好な信頼性に優れた電池を製造することができ、特に全固体型電池を製造することができる。
【0072】
本発明の電気二重層コンデンサは、重合性モノマー混合物から容易に成膜、複合できるウレタン結合を有するオキシアルキル基を側鎖に導入した櫛型高分子または網目状高分子となる重合性モノマー混合物に電解質を溶解させたものを重合させて、高イオン伝導性で膜強度の良好な高分子固体電解質としたものをイオン伝導性物質として用いることによって製造される、薄膜でも短絡がなく、出力電圧及び取り出し電流が大きく、信頼性の高い電気二重層コンデンサであり、特に全固体型電気二重層コンデンサとすることができる。
特に、本発明の電気二重層コンデンサ及びその製造方法によれば、分極性電極とイオン伝導性物質である高分子固体電解質との接触が良好になされており、薄膜でも短絡がなく、出力電圧及び取り出し電流が大きく、信頼性の高い電気二重層コンデンサが提供され、特に全個体型電気二重層コンデサが提供される。
【0073】
【実施例】
以下に本発明について代表的な例を示しさらに具体的に説明する。なお、これらは説明のための単なる例示であって、本発明はこれらに何等制限されるものではない。
実施例1<メタクリロイルオキシエチルカルバミド酸炭酸プロピレンエステル(MOECP)の合成>
アリルグリシジルエーテル34.2gにトリフェニルリンを触媒として炭酸ガスを10〜15kg/cm の高圧下、100℃で14時間付加させることにより、アリロキシ炭酸プロピレンを42.3g得た。次いで、白金触媒を加え、40℃で5時間反応させることにより、脱アリル化し、ヒドロキシ炭酸プロピレン25gを得た。
【0074】
このヒドロキシ炭酸プロピレン0.1mol(=11.8g)と2−メタクリロイルオキシエチルイソシアナート(MOI)0.1mol(=15.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF100mlに溶解した後、0.33gのジブチルチンジラウレートを添加した。その後、50℃で約3時間反応させることにより、無色の液体としてMOECPを27g得た。
生成物がMOECPであることは以下の分析により確認した。
Figure 0003557477
以上の結果から、MOIとヒドロキシ炭酸プロピレンは1対1で反応し、さらにMOIのイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成していることがわかった。
【0075】
実施例2<MOECP系高分子固体電解質の作製と評価>
実施例1で合成したMOECP1.5gをTHF10ccに溶解させ、LiCF SO 0.15gを加えてよく混合した。次いでTHFを室温減圧下で除去し、MOECP/LiCF SO 混合物を粘稠液体として得た。アルゴン雰囲気下、この混合物をガラス板状に塗布後、80℃で1時間加熱したところ、MOECP/LiCF SO 複合体が約50μmの透明なフィルムとして得られた。このフィルムの25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、3×10−5S/cmであった。
【0076】
実施例3
実施例2で用いたLiCF SO に代えて、LiBF 0.20g用いた以外は実施例2と同様にして固体電解質を作製した。この固体電解質の25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、4×10−5S/cmであった。
この固体電解質フィルムのイオン伝導度の温度変化をインピーダンス法にて測定したところ、図3のようになった。図3の縦軸はイオン伝導度を対数で示し、横軸は温度を1000/絶対温度で示したアレニウスプロットで、その傾きはMOECP重合体/LiBF 系固体電解質中のイオン移動の活性化エネルギーを表している。
【0077】
実施例4<2−メタクリロイルオキシエチルカルバミド酸2−メタクリロイルオキシエチルカルバモイルオリゴオキシエチル/オキシプロピルエステル(MCMC(800))の合成>
MOI0.2mol(=31.0g)、平均分子量800のオリゴエチレングリコール/プロピレングリコール共重合体0.1mol(=80g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF100mlに溶解した後、0.66gのジブチルチンジラウレートを添加した。その後、50℃で約3時間反応させることにより、無色のゲル状固体としてMCMC(800)を得た。そのH1−NMR、IR及び元素分析の結果から、MOIとオリゴエチレングリコール/プロピレングリコール共重合体は2対1で反応し、さらにMOIのイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成していることがわかった。
【0078】
実施例5<MOECP/MCMC(800)共重合体高分子固体電解質の作製と評価>
実施例1で合成したMOECP1.50gと実施例4で合成したMCMC(800)1.50gをTHF20ccに溶解させ、LiCF SO 0.30gを加えてよく混合した。次いで、THFを室温減圧下で除去し、MOECP/MCMC(800)/LiCF SO 混合物を粘稠液体として得た。アルゴン雰囲気下、この混合物をガラス板状に塗布後、80℃で1時間加熱したところ、MOECP/MCMC(800)共重合体/LiCF SO 複合体が約50μmの透明な自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、2×10−4S/cmであった。
この固体電解質フィルムのイオン伝導度の温度変化をインピーダンス法にて測定したところ、図3のようになった。図3の縦軸はイオン伝導度を対数で示し、横軸は温度を1000/絶対温度で示したアレニウスプロットで、その傾きはMOECP/MCMC(800)共重合体/LiCF SO 系固体電解質中のイオン移動の活性化エネルギーを表している。
【0079】
実施例6
実施例5で用いたLiCF SO に代えて、LiPF を0.30g用いた以外は実施例5と同様にして固体電解質を作製した。この固体電解質の25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、3×10−4S/cmであった。
【0080】
実施例7
実施例5で用いたLiCF SO に代えて、NaCF SO を0.26g用いた以外は実施例5と同様にして、固体電解質を作製した。この固体電解質の25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、8×10−5S/cmであった。
【0081】
実施例8
実施例5で用いたLiCF SO に代えて、AgIを0.60g用いた以外は実施例5と同様にして、固体電解質を作製した。この固体電解質の25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、5×10−4S/cmであった。
【0082】
実施例9
実施例5で用いたLiCF SO に代えて、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEAB)を0.43g用いた以外は実施例5と同様にして、固体電解質を作製した。この固体電解質の25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、2×10−4S/cmであった。
【0083】
実施例10<2−メタクリロイルオキシエチルカルバミド酸ω−メチルオリゴオキシエチルエステル(MECME(550))の合成>
メタクリロイルオキシエチルイソシアナート(MOI)0.1mol(=15.5g)、平均分子量550のモノメチルオリゴエチレングリコール0.1mol(=55g)を、窒素雰囲気中でよく精製したTHF100mlに溶解した後、0.66gのジブチルチンジラウレートを添加する。その後、50℃で約3時間反応させることにより、無色の粘稠液体としてMECME(550)を得た。そのH1−NMR、IR及び元素分析の結果から、MOIとモノメチルオリゴエチレングリコールは1対1で反応し、さらにMOIのイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成していることがわかった。
【0084】
実施例11<MOECP/MECMC(550)共重合体高分子固体電解質の作製と評価>
実施例1で合成したMOECP1.50gと実施例10で合成したMECMC(550)1.50gをTHF20ccに溶解させ、LiBF を0.20g加えてよく混合した。次いで、THFを室温減圧下で除去し、MOECP/MECMC(550)/LiBF 混合物を粘稠液体として得た。アルゴン雰囲気下、この混合物をガラス板状に塗布後、80℃で1時間加熱したところ、MOECP/MECMC(550)共重合体/LiBCF 複合体が約50μmの透明な自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、3×10−4S/cmであった。
【0085】
比較例1<MCMC(800)系高分子固体電解質の作製と評価>
実施例4で合成したMCMC(800)1.5gをTHF10ccに溶解させ、LiCF SO 0.15gを加えてよく混合した。次いでTHFを室温減圧下で除去し、MCMC(800)/LiCF SO 混合物を粘稠液体として得た。アルゴン雰囲気下、この混合物をガラス板状に塗布後、80℃で1時間加熱したところ、MCMC(800)/LiCF SO 複合体が約50μmの透明なフィルムとして得られた。このフィルムの25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、8×10−6S/cmであった。
【0086】
実施例12<N−メタクリロイルカルバミド酸炭酸プロピレンエステル(NMCP)の合成>
実施例1で合成したヒドロキシ炭酸プロピレン0.1mol(=11.8g)とN−メタクリロイルイソシアナート(MAI)0.1mol(=11.1g)を、窒素雰囲気中でよく精製したTHF100mlに溶解した後、0.33gのジブチルチンジラウレートを添加した。その後、50℃で約3時間反応させることにより、無色の液体としてNMCPを22g得た。
生成物がNMCPであることは以下の分析により確認した。
Figure 0003557477
以上の結果から、MAIとヒドロキシ炭酸プロピレンは1対1で反応し、さらにMAIのイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成していることがわかった。
【0087】
実施例13<NMCP系高分子固体電解質の作製と評価>
実施例12で合成したNMCP1.5gをTHF10ccに溶解させ、LiBF 混合物を粘稠液体として得た。アルゴン雰囲気下、この混合物をガラス板状に塗布後、80℃で1時間加熱したところ、NMCP/LiBF 複合体が約50μmの透明なフィルムとして得られた。このフィルムの25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、1×10−5S/cmであった。
【0088】
実施例14<NMCP/MCMC(800)共重合体高分子固体電解質の作製と評価>
実施例12で合成したNMCP1.50gと実施例4で合成したMCMC(800)1.50gをTHF20ccに溶解させ、LiBF 0.20gを加えてよく混合した。次いで、THFを室温減圧下で除去し、NMCP/MCMC(800)/LiBF 混合物を粘稠液体として得た。アルゴン雰囲気下、この混合物をガラス板状に塗布後、80℃で1時間加熱したところ、NMCP/MCMC(800)共重合体/LiBF 複合体が約50μmの透明な自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、1×10−4S/cmであった。
【0089】
実施例15<可塑剤添加MOECP/MCMC(800)共重合体高分子固体電解質の作製と評価>
実施例1で合成したMOECP1.80gと実施例4で合成したMCMC(800)1.80g、LiBF 0.63g、プロピレンカーボネート(PC)3.6gをアルゴン雰囲気中でよく混合し、MOECP/MCMC(800)/PC/LiBF 混合物である重合性モノマー溶液を粘稠液体として得た。
この重合性モノマー溶液をアルゴン雰囲気下、ガラス板状に塗布後、100℃で1時間加熱したところ、MOECP/MCMC(800)共重合体/PC/LiBF 複合体が約50μmの透明な自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−10℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ3.5×10−3、1.5×10−3S/cmであった。
【0090】
実施例16
実施例15で用いたプロピレンカーボネートの代りに、テトラグライム(TG)を用いた以外は、実施例15と全く同様の方法で、MOECP/MCMC(800)共重合体/TG/LiBF 複合体を約50μm の透明な自立フィルムとして得た。このフィルムの25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、9×10−4S/cmであった。
【0091】
実施例17
実施例15で用いたプロピレンカーボネートの代りに、ジエチルカーボネート(DEC)を用いた以外は、実施例15と全く同様の方法で、MOECP/MCMC(800)共重合体/DEC/LiBF 複合体を約50μm の透明な自立フィルムとして得た。このフィルムの25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、1.5×10−3S/cmであった。
【0092】
実施例18
実施例15で用いたLiBF 0.63gの代わりにLiPF 0.95gを用いた以外は、実施例15と全く同様の方法で、MOECP/MCMC(800)共重合体/PC/LiPF 複合体を約50μm の透明な自立フィルムとして得た。このフィルムの25℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、4×10−3S/cmであった。
【0093】
比較例2<可塑剤添加MCMC(800)系重合体高分子固体電解質の作製と評価>
実施例4で合成したMCMC(800)3.60g、LiBF 0.63g、プロピレンカーボネート(PC)3.6gをアルゴン雰囲気中でよく混合し、MCMC(800)/PC/LiBF 混合物である重合性モノマー溶液を粘稠液体として得た。
この重合性モノマー溶液をアルゴン雰囲気下、ガラス板状に塗布後、100℃で1時間加熱したところ、MCMC(800)重合体/PC/LiBF 複合体が約50μmの透明な自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−10℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ8.0×10−4、3.2×10−4S/cmであった。
【0094】
実施例19<重合性モノマー溶液の調製>
実施例1で合成したMOECP1.80gと実施例4で合成したMCMC(800)1.80g、LiBF 0.63g、プロピレンカーボネート(PC)1.8g、エチレンカーボネート(EC)1.8gをアルゴン雰囲気中でよく混合し、MOECP/MCMC(800)/PC/EC/LiBF 混合物である重合性モノマー溶液を粘稠液体として得た。
この重合性モノマー溶液をアルゴン雰囲気下、ガラス板状に塗布後、100℃で1時間加熱したところ、MOECP(550)/MCMC(800)共重合体/PC/EC/LiBF 複合体が約50μmの透明な自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−10℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ4.0×10−3、1.5×10−3S/cmであった。
【0095】
実施例20<酸化コバルト正極の製造>
Li CO 11gとCo 24gを良く混合し、酸素雰囲気下、800℃で24時間加熱後、粉砕することによりLiCoO 粉末を得た。このLiCoO 粉末と実施例19で調製した重合性モノマー溶液を、アルゴン雰囲気下、重量比7:3で混合し、ステンレス箔上に1×1cm、約200μmの厚さに塗布した。さらに、約100℃で1時間加熱重合することにより、酸化コバルト/高分子固体電解質複合正極(70mg)を得た。
【0096】
実施例21<高分子固体電解質二次電池の製造>
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、厚さ75μmのリチウム箔を1×1cmに切出し(5.3mg)、その端部約1mm四方を5μmのポリイミドフィルムで、スペーサーとして被覆した。次に、実施例19で調製した重合性モノマー溶液をリチウム箔上に塗布し、さらに実施例20で製造した酸化コバルト正極を張り合わせ、100℃、1時間加熱後、電池端部をエポキシ樹脂で封印し、リチウム/酸化コバルト固体二次電池を得た。得られた電池の断面図を図1に示す。
この電池を、作動電圧2.0〜4.3V、電流0.3mAで充放電を繰返したところ、最大放電容量は4.0mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は200回であった。
同様の方法で製造した電池を、作動電圧2.0〜4.3V、電流0.3mAで充放電を繰返したところ、最大放電容量は3.8mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は251回であった。
【0097】
実施例22<気相法黒鉛負極の製造>
昭和電工製気相法黒鉛繊維(平均繊維径、0.3μm、平均繊維長、2.0μm、2700℃熱処理品)10gと2.5Mブチルリチウム含有ヘキサン溶液200mlを混合し、室温で8時間攬拌した。次いでヘキサンで洗浄後乾燥して、リチウムイオンが予備挿入された黒鉛繊維を得た。C/Li原子比を元素分析から求めたところ12/1であった。このようにして得たリチウム含有黒鉛繊維6gと実施例19で調製した重合性モノマー混合物4gを、アルゴン雰囲気下で混合し、その一部をとってステンレス箔上に1×1cm、約150μmの厚さに塗布した。さらに、約100℃ で1時間加熱重合することにより、気相法黒鉛/高分子固体電解質複合負極(25mg)を得た。
【0098】
実施例23<高分子固体電解質二次電池の製造>
リチウム箔のかわりに実施例22で製造した気相法黒鉛負極を用いた以外は実施例21と同様にして、気相法黒鉛/酸化コバルト固体二次電池を得た。
この電池を、作動電圧1.5〜4.3V、電流0.3mAで充放電を繰返したところ、最大放電容量は4.0mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は323回であった。
【0099】
実施例24<有機溶媒可溶性ポリアニリンの合成>
1Lの4つ口フラスコに、温度計、撹拌機、コンデンサ−を取り付け、1規定のHCl水溶液を500ml加え、窒素をバブルしながら20.3gのアニリンを溶解した。次いで、撹拌下、窒素バブルしながら、11.5gの過硫酸アンモニウムを固体のまま、約30分かけて添加した。反応温度は約22℃に保った。添加後、さらに22時間反応させた後ろ過し、ろ残を500mlの蒸留水で洗浄した。次いで、この生成物をビーカーに移し、500mlの5%アンモニア水で約1時間撹拌後、ろ過、蒸留水洗浄、減圧乾燥することにより、脱ド−プ状態のポリアニリン粉末約16gを得た。
【0100】
次に、300mlの3つ口フラスコにヒドラジン1水和物、150mlを加え、撹拌しながら、窒素気流下で、室温で上記脱ドープポリアニリン粉末を約1時間かけて添加した。さらに窒素気流下、約10時間、室温で撹拌後、窒素雰囲気中でろ過し、減圧乾燥した。さらに窒素雰囲気下で精製THF、精製エーテルで洗浄、減圧乾燥することにより、還元状態のポリアニリン粉末約14gを得た。
この還元状態のポリアニリン粉末の元素分析値は炭素、水素、窒素の総和が98%であり、炭素/水素/窒素の元素比は6.00/4.95/1.01と理論値とほぼ一致した。
この粉末はアルゴン雰囲気下で精製N−メチルピロリドン(NMP)に約5wt%の濃度まで溶解した。この溶液のGPC測定から求めたポリアニリンの数平均分子量は、ポリスチレン換算で約20000であった。
【0101】
実施例25<ポリアニリン正極の製造>
アルゴン雰囲気のグローブボックス中で実施例19で製造した重合性モノマー溶液を実施例24で調製した5wt%ポリアニリン/NMP溶液に、ポリアニリンと重合性モノマー溶液の重量比が1:1になるように混合した。この混合溶液を10×10mm、厚さ200μmになるようにステンレス箔上に塗布した。次いで60℃、80℃、100℃で各々1時間づつ加熱することにより、乾燥、重合を行ない、ポリアニリン/高分子固体電解質複合正極(20mg)を得た。
【0102】
実施例26<高分子固体電解質二次電池の製造>
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、厚さ25μmのリチウム箔を12×12mm(2.6mg)に切出し、その端部約2mm四方を、スペーサーとして厚さ10μmのポリイミドフィルムで被覆した。次に、実施例19で調製した重合性モノマー溶液をリチウム箔上に塗布し、さらに実施例25で製造したポリアニリン/高分子固体電解質複合正極を張り合わせ、100℃、1時間加熱後、電池端部をエポキシ樹脂で封印し、図1と同様の構成を有するリチウム/ポリアニリン固体二次電池を得た。
この電池を、作動電圧2〜4V、電流0.3mAで充放電を繰返したところ、最大放電容量は1.2mAhで、容量が50%に減少するまでのサイクル寿命は380回であった。
【0103】
実施例27<重合性モノマー溶液の調製>
実施例1で合成したMOECP1.80gと実施例4で合成したMCMC(800)1.80g、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEAB)1.35g、プロピレンカーボネート(PC)3.6gをアルゴン雰囲気中でよく混合し、MOECP/MCMC(800)/PC/TEAB混合物である重合性モノマー溶液を粘稠液体として得た。
この重合性モノマー溶液をアルゴン雰囲気下、ガラス板状に塗布後、100℃で1時間加熱したところ、MOECP(550)/MCMC(800)共重合体/PC/TEAB複合体が約50μmの透明な自立フィルムとして得られた。このフィルムの25℃、−10℃でのイオン伝導度をインピーダンス法にて測定したところ、それぞれ3.8×10−3、1.2×10−3S/cmであった。
【0104】
実施例28<活性炭電極の製造>
椰子がら活性炭と実施例27で調製した重合性モノマー溶液を、アルゴン雰囲気下、重量比1:1で混合し、ステンレス箔上に1cm×1cmの大きさで約150μmの厚さに塗布した。さらに、約100℃で1時間加熱して重合させることにより、活性炭/高分子固体電解質複合電極(15mg)を得た。
【0105】
実施例29<固体電気二重層コンデンサの製造>
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例28で製造した活性炭電極(15mg)1cm×1cmの端部約1mm四方を、スペーサーとして厚さ10μmのポリイミドフィルムで被覆した。次に、実施例27で調製した重合性モノマー溶液を電極上に塗布し、さらにもう一枚の電極をはり合わせ、100℃、1時間加熱後、コンデンサ端部をエポキシ樹脂で封止し、図2に示すような固体電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.3mAで充放電を行なったところ、最大容量は230mFであった。また、この条件で充放電を50回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0106】
実施例30<固体電気二重層コンデンサの製造>
実施例27で製造した重合性モノマー溶液に用いた塩TEABの代わりに、LiBF 0.63gを用いて、重合性モノマー溶液を調製した。この重合性モノマー溶液を用いた以外は実施例29と同様の方法で固体電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.0V、電流0.3mAで充放電を行なったところ、最大容量は173mFであった。また、この条件で充放電を50回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0107】
実施例31<アセチレンブラック電極の製造>
アセチレンブラックと実施例27で製造した重合性モノマー溶液を、アルゴン雰囲気下、重量比6:4で混合し、ステンレス箔上に1cm×1cmの大きさで、約150μmの厚さに塗布した。さらに、約100℃で1時間加熱重合することにより、アセチレンブラック/高分子固体電解質複合電極(15mg)を得た。
【0108】
実施例32<固体電気二重層コンデンサの製造>
実施例31で製造したアセチレンブラック電極(15mg)を用いた以外は、実施例29と同様の方法で固体電気二重層コンデンサを製造した。
このコンデンサを、作動電圧0〜2.5V、電流0.3mAで充放電を行なったところ、最大容量は55mFであった。また、この条件で充放電を50回繰り返してもほとんど容量に変化はなかった。
【0109】
【発明の効果】
本発明の高分子固体電解質は、ウレタン結合により結合したカーボネート基を側鎖に有する高分子と少なくとも一種の電解質との複合体から構成されており、膜強度が良好な薄膜として得られ易く、また、高イオン伝導性という特徴を有している。
本発明の高分子固体電解質を用いた電池及びコンデンサはイオン伝導性物質が固体であるため液漏れの危険はなく長期間安定して使用できるものであり、また、この固体電解質を用いることにより薄型の電池やコンデンサを製造することができる。
【0110】
本発明の、ウレタン結合により結合したカーボネート基を側鎖に有する高分子及び有機溶媒可溶性のポリアニリン系重合体もしくはその他の導電性高分子、金属酸化物、金属硫化物または炭素材料等の電極活物質または分極性材料を含む電極及びその製造方法は、高い電気化学的活性と柔軟性を有する電極を提供でき、特に薄型電極を提供でき、種々の電池または電気二重層コンデンサ等に用いられる電極及びその製造方法として有用である。
【0111】
また、本発明の電池は、全固体型としては高容量、高電流で作動でき、あるいはサイクル性が良好で、安全性、信頼性に優れた電池であり、ポータブル機器用主電源、バックアップ電源をはじめとする電気製品用電源、電気自動車用、ロードレベリング用大型電源として使用可能である。また、薄膜化が容易にできるので、身分証明書用カード等のペーパー電池としても使用できる。
更に、本発明の電気二重層コンデンサは、従来の全固体型コンデンサと比較しても、高電圧、高容量、高電流で作動でき、あるいはサイクル性が良好で、安全性、信頼性に優れた電気二重層コンデンサであり、かかる特徴を有する全固体電気二重層コンデンサとすることができる。このためバックアップ電源だけでなく、小型電池との併用で、各種電気製品用電源として使用可能である。また、薄膜化等の加工性に優れており、従来の固体型電気二重層コンデンサの用途以外の用途にも期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電池の一例として示す、薄型の固体電池の実施例の概略断面図である。
【図2】本発明の固体電気二重層コンデンサの実施例の概略断面図である。
【図3】MOECP系及びMOECP/MCMC(800)共重合系高分子固体電解質フィルムのイオン伝導度の温度変化。
【符号の説明】
1 正極
2 高分子固体電解質
3 負極
4 集電体
5 スペーサー
6 絶縁性樹脂封止剤
7 分極性電極
8 集電体
9 高分子固体電解質膜
10 スペーサー
11 絶縁性樹脂封止剤
12 リード線[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a solid polymer electrolyte having high ionic conductivity using a polymer into which a carbonate side chain and / or a crosslinked chain having a urethane bond are introduced, an electrode using the polymer, a method for producing the same, and the polymer. The present invention relates to a battery using the solid electrolyte or the electrode and a method for producing the same, an electric double layer capacitor using the polymer solid electrolyte and a method for producing the same, the polymer, and a monomer of the polymer.
[0002]
[Prior art]
In the field of downsizing and all-solidification in the field of ionics, solid electrolytes are being applied to all-solid-state primary batteries, secondary batteries, and electric double-layer capacitors as new ion conductors that replace conventional electrolyte solutions. Has been tried. A battery using a current electrolyte solution has a problem in long-term reliability because liquid leakage to the outside of a component or elution of an electrode material easily occurs. On the other hand, a product using a solid electrolyte does not have such a problem, and it is easy to reduce the thickness. Further, the solid electrolyte is excellent in heat resistance, and is advantageous in a process of manufacturing a product such as a battery.
[0003]
In particular, those using a solid electrolyte containing a polymer as a main component have the advantages that the flexibility of the battery is increased and that the battery can be processed into various shapes as compared with inorganic substances. However, those studied so far have a problem that the extraction current is small because the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte is low.
[0004]
As an example of these polymer electrolytes, "British Polymer Journal (Br. Polym. J.), Vol. 319, p. 137, 1975" describes a composite of polyethylene oxide and an inorganic alkali metal salt as an ion conductive material. Although it is described that the ionic conductivity at room temperature, the ionic conductivity at room temperature is 10 -7 Low as S / cm.
[0005]
Recently, it has been reported that a comb polymer in which oligooxyethylene is introduced into a side chain enhances the thermal mobility of an oxyethylene chain that is responsible for ionic conductivity and improves ionic conductivity. For example, “Journal of Physical Chemistry (J. Phys. Chem.), Vol. 89, p. 987, 1984” describes that a polymethacrylic acid obtained by adding oligooxyethylene to a side chain thereof is an alkali metal salt. Are described. Further, "Journal of American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc.), Vol. 106, p. 6854, 1984" discloses that an alkali metal salt is added to polyphosphazene having an oligooxyethylene side chain. A composite example is described.
[0006]
Recently, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , MoS 2 Many studies have been made on lithium secondary batteries using a metal oxide or metal sulfide such as the above for the positive electrode. For example, "Journal of Electrochemical Society (J. Electrochem. Soc.), Vol. 138 (No. 3), p. 665, 1991" discloses MnO. 2 Or NiO 2 A battery having a positive electrode has been reported. These have attracted attention because of their high capacity per weight or volume.
[0007]
Also, there are many reports on batteries using a conductive polymer as an electrode active material. For example, a lithium secondary battery using a polyaniline as a positive electrode is described in, for example, "27th Battery Symposium, 3A05L and 3A06L, 1986". Has been launched by Bridgestone and Seiko as coin-type batteries for backup power. In addition, polyaniline has attracted attention as a positive electrode active material having high capacity and excellent flexibility.
[0008]
Further, in recent years, an electric double layer capacitor in which a carbon material having a large specific surface area, such as activated carbon or carbon black, is used as a polarizable electrode and an ion conductive solution is arranged between the polarizable electrodes for use as a memory backup power supply or the like has been widely used. For example, in “Functional Materials, February 1989, p. 33”, a capacitor using a carbon-based polarizable electrode and an organic electrolyte is described in “173rd Electrochemical Society Meeting Atlanta Georgia, May, No. 18, 1988 "describes an electric double layer capacitor using a sulfuric acid aqueous solution. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-244570, Rb having high electrical conductivity is disclosed. 2 Cu 3 I 3 Cl 7 Discloses a capacitor using as an inorganic solid electrolyte.
[0009]
However, with current electric double-layer capacitors using electrolyte solutions, long-term use or high-voltage imposed abnormalities tend to cause leakage of liquid to the outside of the capacitor. There is a problem with sex. On the other hand, a conventional electric double layer capacitor using an inorganic ion conductive material has a problem that the decomposition voltage of the ion conductive material is low and the output voltage is low.
[0010]
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-253771 discloses that a polyphosphazene polymer is used as an ion conductive material for batteries and electric double layer capacitors. The used one has the advantages that the output voltage is higher than that of the inorganic ion conductive substance, that it can be processed into various shapes, and that the sealing is simple.
[0011]
However, in this case, the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte is 10 -4 -10 -6 S / cm was not sufficient, and there was a drawback that the take-out current was small. It is also possible to increase the ionic conductivity by adding a plasticizer to the polymer solid electrolyte, but since it imparts fluidity, it cannot be treated as a complete solid and has poor film strength and film formability. When applied to an electric double layer capacitor or a battery, a short circuit is likely to occur, and a sealing problem occurs similarly to a liquid ion conductive material. On the other hand, when assembling a solid electrolyte together with a polarizable electrode into a capacitor, there is also a problem that it is difficult to uniformly combine the solid electrolyte with a carbon material having a large specific surface area since the solids are mixed.
[0012]
The ionic conductivity of a generally studied polymer solid electrolyte is 10 at room temperature. -4 -10 -5 Although improved to the order of S / cm, it is still at least two orders of magnitude lower than liquid ion conductive materials. Further, when the temperature is lowered to 0 ° C. or lower, the ionic conductivity is further reduced extremely. Furthermore, when these solid electrolytes are incorporated into an element such as an electric double layer capacitor, or when these solid electrolytes are incorporated into a battery as a thin film, processing techniques such as compounding with electrodes and securing contactability are difficult, and even in a manufacturing method. There was a problem.
The present inventors have found that a polymer solid electrolyte having good membrane strength and high ionic conductivity can be obtained by introducing a urethane bond into a side chain and / or a cross-linked chain in a polymer ( JP-A-6-187822).
However, the dielectric constant of the polymer is still insufficient, and the ionic conductivity is insufficient for practical use in batteries and the like, and it is necessary to add a low molecular compound having a high dielectric constant.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a polymer solid electrolyte which has good strength even when formed into a membrane, has high ionic conductivity at room temperature and low temperature, and has excellent workability. In addition, the present invention provides a primary battery and a secondary battery which can be easily formed into a thin film, can be operated at a high capacity and a high current, have good cyclability, and have excellent reliability by using the polymer solid electrolyte. The purpose is to develop batteries. Another object of the present invention is to provide an electrode having high electrochemical activity and flexibility and a secondary battery using the same.
[0014]
Another object of the present invention is to provide an electrode used in an electric double layer capacitor, which has good polarizability, has good strength when formed into a film, and has good contact with a solid electrolyte.
Further, the present invention has a high output voltage and a large take-out current by utilizing a polymer solid electrolyte having high ionic conductivity even at room temperature or lower temperature, and having excellent membrane strength and processability. It is an object of the present invention to provide an electric double layer capacitor excellent in processability and reliability.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors promote the ionic dissociation of the electrolyte salt by using a material in which a carbonate having a high dielectric constant is further introduced into the side chain and / or the crosslinked chain, and use other high dielectric constants for promoting the ionic dissociation. It has been found that it is possible to eliminate or reduce the addition of a high-performance compound, and to obtain a polymer solid electrolyte having more excellent ionic conductivity, thermal stability or membrane strength.
[0016]
Furthermore, they have found that by using this polymer solid electrolyte, a battery having a high output voltage, a large take-out current, a long cycle life, and excellent workability and reliability can be obtained.
Further, the present inventors, for example, when using this polymer solid electrolyte to make a thin solid-state battery, and made a study with the recognition that thinning of the electrode is important, the electrode active material Polyaniline and its derivatives, which are excellent as conductive polymers, that is, aniline-based polymers that are soluble in organic solvents, or other conductive polymers, metal oxides, metal sulfides or carbon By using a material or another electrode active material (a positive electrode active material or a negative electrode active material) and a polymer into which a carbonate side chain and / or a cross-linked chain having a urethane bond are introduced, the electrochemical activity of the electrode active material can be improved. An electrode having high electrochemical activity and flexibility can be obtained without impairing the activity. Further, for example, the electrode can be thinned by a solvent casting method or other methods. It was found that the deposition is possible.
[0017]
Further, the present inventors have proposed a polarizable material used as a polarizable electrode of an electric double layer capacitor, a carbon material as described below, and a polymer having a carbonate side chain and / or a cross-linked chain having a urethane bond introduced therein. By using, a polarizable electrode suitable for the capacitor can be obtained without impairing the polarization characteristics of such a polarizable material. Further, for example, a thin film of an electrode can be formed by a solvent casting method or another method. Was found.
[0018]
Furthermore, the present inventors have obtained that by using the above-mentioned polymer solid electrolyte, an electric double layer capacitor having a high output voltage, a large take-out current, excellent workability, and excellent reliability can be obtained. Type electric double layer capacitor.
[0019]
That is, the present invention provides the following.
1) General formula (I)
Embedded image
Figure 0003557477
[Wherein, R 1 Represents hydrogen or a methyl group; 2 Represents an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. Also (CH 2 ) And (CH (CH 3 )) May be arranged irregularly. However, R in a plurality of units represented by the above general formula (I) in the same molecule 1 , R 2 And the values of x, y, and z are independent and need not be the same. ]
A polymer solid electrolyte comprising a polymer obtained from at least one compound having a unit represented by the formula and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component, and a composite containing at least one electrolyte.
[0020]
2) General formula (II)
Embedded image
Figure 0003557477
[Wherein, R 1 Represents hydrogen or a methyl group; 2 , R 3 Represents an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. Also (CH 2 ) And (CH (CH 3 )) May be arranged irregularly. ]
A polymer solid electrolyte comprising a polymer obtained from at least one compound having a structure represented by the formula and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component, and a composite containing at least one electrolyte.
[0021]
3) The polymer solid electrolyte according to the above 1) or 2), wherein at least one of the electrolytes is an alkali metal salt, a quaternary ammonium salt, a quaternary phosphonium salt, or a transition metal salt.
4) The polymer solid electrolyte as described in 1) to 3) above, wherein a plasticizer is added.
5) A battery comprising the polymer solid electrolyte described in 1) to 4) above.
6) The battery according to 5), further including a negative electrode containing lithium, a lithium alloy, or a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions.
7) The battery according to 5), further including a positive electrode containing an organic solvent-soluble aniline-based polymer or another conductive polymer, a metal oxide, a metal sulfide, or a carbon material.
[0022]
8) General formula (I)
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Figure 0003557477
[The symbols in the formula are the same as in the above 1). ]
A polymerizable monomer mixture containing at least one type of compound having at least one unit represented by and at least one electrolyte, or a polymerizable monomer mixture obtained by adding a plasticizer to the mixture, is placed in the battery structure, or a support. A method for producing a battery, comprising: a step of polymerizing the polymerizable monomer mixture disposed on the battery.
9) General formula (II)
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Figure 0003557477
[The symbols in the formula are the same as in the above 2). ]
A polymerizable monomer mixture containing at least one kind of compound having a structure represented by and at least one electrolyte, or a polymerizable monomer mixture obtained by adding a plasticizer to the mixture, is placed in a battery structure, or a support. A method for producing a battery, comprising: a step of polymerizing the polymerizable monomer mixture disposed on the battery.
[0023]
10) General formula (I)
Embedded image
Figure 0003557477
[The symbols in the formula are the same as in the above 1). ]
An electrode comprising: a polymer obtained from at least one compound having a unit represented by the formula: and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component; and an electrode active material or a polarizable material.
11) General formula (II)
Embedded image
Figure 0003557477
[The symbols in the formula are the same as in the above 2). ]
An electrode comprising a polymer obtained from at least one compound having a structure represented by the formula and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component, and an electrode active material or a polarizable material.
[0024]
12) The electrode according to 10) or 11) above, wherein the electrode active material or the polarizable material is an organic solvent-soluble aniline polymer or other conductive polymer, a metal oxide, a metal sulfide, or a carbon material.
13) An electric double layer capacitor in which a polarizable electrode is arranged via an ion conductive material, wherein the ion conductive material is the solid polymer electrolyte described in 1) to 4) above. Capacitors.
[0025]
14) General formula (I)
Embedded image
Figure 0003557477
[The symbols in the formula are the same as in the above 1). ]
A polymerizable monomer mixture containing at least one electrolyte and at least one electrolyte having a unit represented by a unit, or a polymerizable monomer mixture to which a plasticizer is added, is placed in the structure for forming an electric double layer capacitor, Alternatively, a method for producing an electric double layer capacitor, comprising a step of disposing the polymerizable monomer mixture on a support and polymerizing the polymerizable monomer mixture.
15) General formula (II)
Embedded image
Figure 0003557477
[The symbols in the formula are the same as in the above 2). ]
A polymerizable monomer mixture containing at least one electrolyte and at least one electrolyte having a structure represented by, or a polymerizable monomer mixture to which a plasticizer is added, placed in the structure for forming an electric double layer capacitor, Alternatively, a method for producing an electric double layer capacitor, comprising a step of disposing the polymerizable monomer mixture on a support and polymerizing the polymerizable monomer mixture.
[0026]
16) An electric double-layer capacitor in which a polarizable electrode is arranged via an ion-conductive substance, wherein the polarizable electrode has a general formula (I)
Embedded image
Figure 0003557477
[The symbols in the formula are the same as in the above 1). ]
An electric double-layer capacitor comprising a polymer obtained from at least one compound having a unit represented by the formula and / or a composite containing a copolymer containing the compound as a copolymer component and a carbon material.
17) An electric double layer capacitor in which a polarizable electrode is arranged via an ion conductive material, wherein the polarizable electrode is represented by the general formula (II)
Embedded image
Figure 0003557477
[The symbols in the formula are the same as in the above 2). ]
An electric double layer capacitor comprising a polymer obtained from at least one compound having a structure represented by the formula and / or a composite containing a copolymer containing the compound as a copolymer component and a carbon material.
[0031]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the present invention, a carbonate group refers to an atomic group represented by a chemical formula -OCOO-, and a carbonate (side) chain refers to a (side) chain having an atomic group represented by a chemical formula -OCOO-.
A compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II), which is a monomer for producing the polymer solid electrolyte of the present invention, is obtained by a reaction represented by the following formula. Obtainable.
CH 2 = C (R 1 ) CO (O (CH 2 ) x (CH (CH 3 )) y ) z NCO +
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Figure 0003557477

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Figure 0003557477
[0032]
As an example, 2-methacryloyloxyethyl isocyanate (hereinafter abbreviated as MOI) and propylene hydroxycarbonate are heated and reacted at a molar ratio of 1: 1 under a tin-based catalyst as in the reaction of the following formula. Methacryloyloxyethylcarbamic acid propylene carbonate is obtained.
CH 2 = C (CH 3 ) COO (CH 2 ) 2 NCO +
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Figure 0003557477

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Figure 0003557477
[0033]
The polymer contained in the solid polymer electrolyte of the present invention comprises at least one compound selected from a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II). It is obtained by polymerization or by polymerizing the compound as a copolymerization component.
For the polymerization, a general method utilizing the polymerizability of an acryloyl group or a methacryloyl group of these monomers can be employed. That is, these monomers, or a mixture of these monomers and other polymerizable compounds, is reacted with a radical polymerization catalyst such as azobisisobutyronitrile and benzoyl peroxide, CF 3 Protonic acid such as COOH, BF 3 , AlCl 3 Radical, cationic or anionic polymerization can be carried out using a cationic polymerization catalyst such as a Lewis acid or the like, or an anionic polymerization catalyst such as butyllithium, sodium naphthalene or lithium alkoxide.
[0034]
It is also possible to polymerize such a polymerizable monomer mixture after forming it into a film or the like. When the polymer solid electrolyte is used for a battery or an electric double layer capacitor as in the present invention, it is particularly advantageous to polymerize the polymerizable monomer mixture after film formation.
[0035]
That is, at least one compound selected from a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II) and an alkali metal salt, a quaternary ammonium salt, and a quaternary phosphonium At least one electrolyte such as a salt or a transition metal salt is mixed, and the polymerizable monomer mixture is polymerized in the presence or absence of the catalyst by heating and / or irradiating electromagnetic waves such as light in some cases. . In particular, after the polymerizable monomer mixture is formed into a film-like shape or the like, for example, heating and / or irradiation with electromagnetic waves such as light is performed to polymerize the polymerizable monomer mixture into a film-like polymer. Spreading is a great merit in application.
[0036]
The polymerizable compound mixed with the compound having the unit represented by the general formula (I) and / or the compound having the structure represented by the formula (II), which is a monomer for producing the polymer solid electrolyte of the present invention, There is no particular limitation, as long as it can be copolymerized with a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II). For example, the following general formula (III)
(CH 2 = C (R 1 ) CO (O (CH 2 ) x (CH (CH 3 )) y ) z NHCOOR 2 −) (III)
(Where R 1 Represents hydrogen or a methyl group; 2 Represents a divalent organic chain containing an oxyalkylene group. The organic chain may have any of a linear, branched and cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents 0 or an integer of 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. Also (CH 2 ) And (CH (CH 3 )) May be arranged irregularly. However, R in a plurality of units represented by the above general formula (III) in the same molecule 1 , R 2 And the values of x, y, z are independent of each other and need not be the same. (Meth) having an oxyalkylene chain such as a urethane (meth) acrylate having an oxyalkylene chain such as a (meth) acryloylcarbamic acid ester having at least one unit represented by formula (1) or ω-methyl oligooxyethyl ethyl methacrylate; (Meth) acrylic acid alkyl esters such as acrylates, methyl methacrylate, n-butyl acrylate, methacrylamide, acrylamide, N, N-dimethylmethacrylamide, acryloylmorpholine, methacryloylmorpholine, N, N-dimethylaminopropyl ( (Meth) acrylamide compounds such as (meth) acrylamide; styrene compounds such as styrene and α-methylstyrene; N-vinylamide compounds such as N-vinylacetamide and N-vinylformamide; Cyclic vinyl compounds such as alkyl vinyl ethers such as vinyl ether, vinylene carbonate, vinyl pyrrolidone, and maleimide.
[0037]
Of these, urethane (meth) acrylates and (meth) acrylates having an oxyalkylene chain are preferable in view of the fact that the polymer has a high dielectric constant and a low glass transition point of the polymer, and urethane (meta) having an oxyalkylene chain is preferred. ) Acrylates are particularly preferred.
[0038]
When a solvent is used, the polymerization is not inhibited, depending on the type of the compound having the unit represented by the general formula (I) and / or the compound having the structure represented by the formula (II) and the presence or absence of a polymerization catalyst. Any solvent may be used as long as it is a solvent, for example, tetrahydrofuran, acetonitrile, toluene and the like can be used.
[0039]
The polymerization temperature depends on the type of the compound having the unit represented by the general formula (I) and / or the compound having the structure represented by the formula (II), but may be any temperature at which polymerization occurs. The heat treatment may be performed in the range of 0 ° C. to 200 ° C. When polymerizing by electromagnetic wave irradiation, depending on the type of the compound having a unit represented by the general formula (I) and / or the compound having a structure represented by the formula (II), for example, benzyl methyl ketal, benzophenone, etc. Using an initiator, polymerization can be carried out by irradiating ultraviolet light or γ-ray of several mW or more.
[0040]
The polymer used for the polymer solid electrolyte of the present invention may be a homopolymer of a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II). A copolymer of at least one compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II), or at least one compound represented by the general formula (I) It may be a copolymer of a compound having a unit represented by formula (1) and / or a compound having a structure represented by formula (II) and another polymerizable compound, or a mixture thereof.
[0041]
The polymer used for the solid polymer electrolyte of the present invention is a homopolymer of the compound having the unit represented by the general formula (I) and / or the compound having the structure represented by the formula (II). Or a copolymer of a compound having two or more units represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II), or at least one compound of the general formula (I A mixture of at least one of a compound having a unit represented by formula (1) and / or a copolymer of a compound having a structure represented by formula (II) with another polymerizable compound and another polymer. You may. Examples of the other polymer include one or more polymers selected from polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polybutadiene, polymethacrylic (or acrylic) esters, polyphosphazenes, polysiloxane, and polysilane.
[0042]
The amount of the structural unit derived from the compound having the unit represented by the general formula (I) and / or the compound having the structure represented by the formula (II) contained in the copolymer or the polymer mixture is as follows: The content of 20% by weight or more of the copolymer or the polymer mixture is preferable because the properties of the carbonate chain having a urethane bond can be sufficiently exhibited.
The molecular weight of the polymer used for the solid polymer electrolyte of the present invention is preferably from 1,000 to 1,000,000, and particularly preferably from 5,000 to 50,000. When the molecular weight of the polymer increases, the film properties such as film strength after processing become good, but on the other hand, the thermal motion important for carrier ion transfer is restricted, the ionic conductivity is reduced, and it becomes difficult to dissolve in the solvent, It is disadvantageous in processing. Conversely, if the molecular weight is too low, film formability, film strength, and the like will deteriorate, and basic physical properties will be inferior.
[0043]
It is preferable to add an organic compound usually used as a so-called plasticizer (referred to as a plasticizer in the present invention) to the polymer solid electrolyte of the present invention because the ionic conductivity of the solid electrolyte is further improved. As a plasticizer that can be used, a compound that has good compatibility with the monomer used for the polymer solid electrolyte of the present invention, a large dielectric constant, a boiling point of 100 ° C. or higher, and a wide electrochemical stability range is suitable. . Examples of such a plasticizer include oligoethers such as triethylene glycol methyl ether and tetraethylene glycol dimethyl ether, carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate and vinylene carbonate, aromatic nitriles such as benzonitrile and tolunitrile. Dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone, N-vinylpyrrolidone, sulfur compounds such as sulfolane, and phosphoric esters. Of these, oligoethers and carbonates are preferred, and carbonates are particularly preferred. The ionic conductivity of the polymer solid electrolyte increases as the amount of the plasticizer added increases, but if the amount is too large, the mechanical strength of the polymer solid electrolyte decreases. A preferable addition amount is not more than 5 times the weight of the (M) ACE polymer.
[0044]
The composite ratio of the polymer in the solid polymer electrolyte of the present invention and the electrolyte used for the composite is preferably a ratio of one electrolyte molecule to one to 100 carbonate groups of side chains or cross-linked chains. If the electrolyte used in the composite is present at a ratio of one or more of the carbonate groups, the movement of ions is greatly inhibited. On the other hand, at a ratio of 1/100 or less, the absolute amount of ions becomes insufficient and the ion conductivity becomes small. Is not preferred.
[0045]
The type of electrolyte used for the composite is not particularly limited, and an electrolyte containing an ion to be used as a carrier with a charge may be used.However, it is preferable that the dissociation constant in the polymer solid electrolyte is large, and an alkali metal salt, (CH 3 ) 4 NBF 4 Quaternary ammonium salts such as (CH 3 ) 4 PBF 4 Quaternary phosphonium salts such as AgClO 4 And the like, or a transition acid salt such as hydrochloric acid, or a protic acid such as hydrochloric acid, perchloric acid, or borofluoric acid.
[0046]
As the negative electrode active material used in the battery of the present invention, as described later, an alkali metal, an alkali metal alloy, or a material having a low oxidation-reduction potential using an alkali metal ion such as a carbon material as a carrier is used, so that a high voltage, This is preferable because a high-capacity battery can be obtained. Therefore, when such a negative electrode is used in a battery using an alkali metal ion as a carrier, an alkali metal salt is required as an electrolyte in the solid polymer electrolyte.
As the kind of the alkali metal salt, for example, LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiI, LiBF 4 , LiSCN, LiAsF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaPF 6 , NaClO 4 , NaI, NaBF 4 , NaAsF 6 , KCF 3 SO 3 , KPF 6 , KI and the like. Among them, the case where lithium or a lithium alloy is used as the alkali metal is most preferable because it has a high voltage, a high capacity, and can be formed into a thin film. In the case of a carbon material negative electrode, not only alkali metal ions but also quaternary ammonium salts, quaternary phosphonium salts, transition metal salts, and various protonic acids can be used.
[0047]
The type of electrolyte used for the composite in the case of the solid-state electric double layer capacitor is not particularly limited, and a compound containing an ion to be used as a charge carrier may be used, but the dissociation constant in the polymer solid electrolyte is large, It is desirable to include ions that easily form the polarizable electrode and the electric double layer. Such compounds include (CH 3 ) 4 NBF 4 , (CH 3 CH 2 ) 4 NCLO 4 Quaternary ammonium salts such as AgClO 4 Transition metal salts such as (CH 3 ) 4 PBF 4 Quaternary phosphonium salts, such as LiCF 3 SO 3 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiI, LiBF 4 , LiSCN, LiAsF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaPF 6 , NaClO 4 , NaI, NaBF 4 , NaAsF 6 , KCF 3 SO 3 , KPF 6 And organic acids such as paratoluenesulfonic acid and salts thereof, and inorganic acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid. Among them, quaternary ammonium salts, quaternary phosphonium salts, and alkali metal salts are preferable in that the output voltage is high and the dissociation constant is large. Among the quaternary ammonium salts, (CH 3 CH 2 ) (CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 ) 3 NBF 4 Are preferable in that the substituents on the nitrogen of the ammonium ion are different from each other in that the solubility in the polymer solid electrolyte or the dissociation constant is large.
[0048]
In the configuration of the battery of the present invention, a low oxidation-reduction potential electrode active material (negative electrode active material) using an alkali metal ion such as an alkali metal, an alkali metal alloy, a carbon material, or a conductive polymer as a carrier is used for the negative electrode. Thus, a high-voltage, high-capacity battery can be obtained, which is preferable. Among such electrode active materials, lithium metal or lithium alloys such as lithium / aluminum alloy, lithium / lead alloy and lithium / antimony alloy are particularly preferable because they have the lowest redox potential. In addition, the carbon material is particularly preferable in that it has a low oxidation-reduction potential when occluding Li ions, and is stable and safe. Examples of carbon materials capable of inserting and extracting Li ions include natural graphite, artificial graphite, vapor-grown graphite, petroleum coke, coal coke, pitch-based carbon, polyacene, C 60 , C 70 And other fullerenes.
[0049]
In the configuration of the battery of the present invention, by using an electrode active material having a high oxidation-reduction potential (a positive electrode active material) such as a metal oxide, a metal sulfide, a conductive polymer, or a carbon material for the positive electrode, a high voltage and a high voltage can be obtained. This is preferable because a battery having a capacity can be obtained. Among such electrode active materials, metal oxides such as cobalt oxide, manganese oxide, vanadium oxide, nickel oxide, and molybdenum oxide; molybdenum sulfide; Metal sulfides such as titanium and vanadium sulfide are preferable, and manganese oxide, nickel oxide, cobalt oxide and the like are particularly preferable in terms of high capacity and high voltage. In addition, a conductive polymer such as polyaniline is particularly preferable in that it is flexible and easily formed into a thin film.
[0050]
The method for producing a metal oxide or metal sulfide is not particularly limited, and may be, for example, a general electrolytic method or a heating method as described in “Electrochemistry, Vol. 22, pp. 574, 1954”. Manufactured. Further, when these are used in a lithium battery as an electrode active material, for example, Li x CoO 2 And Li x MnO 2 It is preferable to use the Li element in a state of being inserted (composite) into the metal oxide or metal sulfide in such a form. The method for inserting the Li element in this way is not particularly limited, and for example, a method for electrochemically inserting Li ions or a method for inserting Li ions as described in US Pat. No. 4,357,215. 2 CO 3 Can be carried out by mixing and heat-treating such a salt with a metal oxide.
[0051]
Examples of the conductive polymer include polyaniline, polyacetylene and its derivatives, polyparaphenylene and its derivatives, polypyrrolylene and its derivatives, polythienylene and its derivatives, polypyridinediyl and its derivatives, polyisothianaphthenylene and its derivatives, and polyfurylene. And its derivatives, polyselenophene and its derivatives, polyparaphenylenevinylene, polythienylenevinylene, polyfurylenevinylene, polynaphthenylenevinylene, polyselenophenevinylene, polyarylenevinylene such as polypyridinediylvinylene and derivatives thereof, etc. Is mentioned. Among them, a polymer of an aniline derivative soluble in an organic solvent is particularly preferable. The conductive polymer used as an electrode active material in these batteries or electrodes is manufactured according to a chemical or electrochemical method described later or other known methods.
[0052]
Examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite, vapor-grown graphite, petroleum coke, coal coke, fluorinated graphite, pitch-based carbon, and polyacene.
Further, as the carbon material used as the electrode active material in the battery or the electrode of the present invention, a commercially available carbon material can be used, or it is manufactured according to a known method. The use of an organic solvent-soluble aniline-based polymer as the positive electrode active material in the electrode or battery of the present invention is particularly advantageous because molding can be performed by solution coating, and is particularly advantageous when a thin film battery is manufactured. . Examples of the aniline-based polymer include polyaniline, poly-o-toluidine, poly-m-toluidine, poly-o-anisidine, poly-m-anisidine, polyxylidines, poly-2,5-dimethoxyaniline, and poly-2,6. -Dimethoxyaniline, poly-2,5-diethoxyaniline, poly-2,6-diethoxyaniline, poly-o-ethoxyaniline, poly-m-ethoxyaniline and copolymers thereof. The polymer is not particularly limited thereto, and may be any polymer having a repeating unit derived from an aniline derivative. In addition, the introduction amount of the side chain in the organic solvent-soluble aniline-based polymer is more convenient in terms of solubility as the amount is larger, but as the introduction amount increases, the capacity per weight as the positive electrode decreases. A surface appears. Therefore, preferred aniline-based polymers include, for example, polyaniline, poly-o-toluidine, poly-m-toluidine, poly-o-anisidine, poly-m-anisidine, and polyxylidine.
[0053]
The polymerization method of the aniline polymer used in the present invention is not particularly limited, but is generally reported in, for example, "Journal of Chemical Society, Chemical Communication, p. 1784 (1987)". As described above, there is a method of electrochemically or chemically oxidatively polymerizing an aniline derivative such as aniline or o-anisidine.
[0054]
The electrochemical oxidative polymerization is performed by anodic oxidation and has a current density of about 0.01 to 50 mA / cm. 2 As long as the electrolysis voltage is in the range of 0.1 to 30 V, a constant current method, a constant voltage method, or any other method can be used. The pH of the electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably 3 or less, particularly preferably 2 or less. Specific examples of the acid used for pH adjustment include HCl, HBF 4 , CF 3 COOH, H 2 SO 4 , HNO 3 And strong acids such as paratoluenesulfonic acid, but are not particularly limited thereto.
In the case of chemical oxidative polymerization, for example, the aniline derivative can be oxidatively polymerized with an oxidizing agent such as peroxide or persulfate in an acidic solution. As the acid used in this case, the same acid as that used in the case of electrochemical oxidation polymerization can be used, but it is not limited thereto.
[0055]
Although the molecular weight of the aniline-based polymer used in the present invention obtained by such a method is not particularly limited, it is usually preferable that the molecular weight be 2000 or more.
The aniline-based polymer obtained by such a method is generally obtained in many cases in which an anion in a polymerization solution is contained as a dopant, which is disadvantageous in terms of solubility and capacity per weight. Therefore, it is preferable that these anions are dedoped before being formed into an electrode by, for example, a film forming method, and further reduced. Although there is no particular limitation on the method of undoping, a method of treating with a base such as aqueous ammonia or sodium hydroxide is generally employed. Also, there is no particular limitation on the reduction method, and general chemical or electrochemical reduction may be performed. For example, as for the chemical reduction method, the aniline-based polymer treated with a base in a hydrazine or phenylhydrazine solution can be easily reduced by dipping or stirring at room temperature.
[0056]
The undoped or reduced aniline-based polymer thus obtained is soluble in various organic solvents, and in a solution state, has a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or ( It can be mixed with a polymerizable monomer solution containing at least one compound having the structure represented by II), and using the mixture thus prepared, for example, by a coating method or the like, onto various supports such as electrodes. An electrode can be manufactured by forming a thin film or forming it into another shape.
The solvent in which the aniline-based polymer dissolves is not particularly limited because it depends on the type of the substituent on the benzene ring, but pyrrolidones such as N-methylpyrrolidone, amides such as dimethylformamide, m-cresol, dimethyl And polar solvents such as propylene urea.
[0057]
According to the present invention, as described above, even a soluble conductive polymer such as an organic solvent-soluble aniline-based polymer can be made flexible by using the polymer used for the polymer solid electrolyte of the present invention. Since a thin-film electrode can be manufactured, the conductive polymer that can be used in the electrode or the battery of the present invention may be soluble or insoluble in an organic solvent.
[0058]
Next, an example of the method for manufacturing the electrode and the battery of the present invention will be described in detail.
The electrode of the present invention comprises, for example, at least one compound selected from a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II), and optionally another compound. A polymerizable compound and / or a plasticizer are added and mixed with the above-mentioned electrode active material (a positive electrode active material or a negative electrode active material). In that case, the ratio of each component to be mixed is determined to be more appropriate for the intended battery. The polymerizable monomer / electrode active material mixture thus obtained is shaped into a film or the like and then polymerized to produce an electrode. In this method, the polymerization is carried out in the case of obtaining a polymer obtained from at least one compound selected from the compound having a unit represented by the general formula (I) and / or the compound having a structure represented by the formula (II). The polymerization can be performed by the same polymerization method as described above. For example, polymerization can be performed by heating and / or irradiation with electromagnetic waves. When the electrode active material gives a highly flowable polymerizable monomer / electrode active material mixture as in the case of an organic solvent-soluble aniline-based polymer, for example, the mixture is supported on a current collector or other glass or the like. An electrode is manufactured by polymerizing after molding by a method such as coating on a body and forming a film.
[0059]
The electrode containing the electrode active material manufactured in this manner is used as at least one electrode, an electrode containing another electrode active material manufactured in the same manner or another commonly used electrode is used as the other electrode, and both electrodes are used. It is put in the structure for battery construction so as not to contact with each other or placed on the support. For example, a positive electrode and a negative electrode are attached to the end of the electrode via a spacer having an appropriate thickness, and are put into the structure. Then, a unit represented by the general formula (I) is provided between the positive electrode and the negative electrode. At least one compound selected from compounds and / or compounds having a structure represented by (II) is mixed with at least one electrolyte selected from the above-mentioned electrolytes such as alkali metal salts. After injecting a polymerizable monomer mixture prepared by adding and mixing a hydrophilic compound and / or a plasticizer, for example, polymerizing by heating and / or irradiation with electromagnetic waves, the polymer has a unit represented by the above general formula (I). A polymer obtained from at least one compound selected from a compound and / or a compound having a structure represented by (II) and / or a copolymerization component comprising the compound By polymerizing in the same manner as the polymerization method in the case of obtaining a copolymer to be obtained, or by further sealing with an insulating resin such as a polyolefin resin or an epoxy resin as needed after the polymerization, the electrode and the electrolyte are A battery with good contact is obtained. When an electrode obtained by polymerizing the above-mentioned polymerizable monomer mixture is used, a battery in which the electrode and the electrolyte are in particularly good contact is obtained. When preparing such a polymerizable monomer mixture, the ratio of each component to be mixed is determined to be more appropriate for the intended battery. The battery structure or the support is preferably a metal such as SUS, a resin such as polypropylene or polyimide, or a ceramic material such as conductive or insulating glass, but is particularly limited to those made of these materials. However, the shape may be cylindrical, box, sheet, or any other shape.
[0060]
As described above, a monomer mixture containing at least one compound selected from a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II) is mixed with at least one electrolyte. Polymerizing the mixed solution obtained in the step (b) to obtain a polymer obtained from at least one compound selected from a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II). A method for producing a solid polymer electrolyte comprising a composite containing a copolymer and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component and at least one electrolyte is particularly useful when producing a thin film battery.
[0061]
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of a thin-film solid state secondary battery as an example of the battery of the present invention thus manufactured. In the figure, 1 is a positive electrode, 2 is a polymer solid electrolyte, 3 is a negative electrode, 4 is a stainless steel foil as a current collector, 5 is an insulating polyimide film as a spacer, and 6 is an insulating resin sealant. .
[0062]
When manufacturing a wound type battery, the positive electrode and the negative electrode are pasted together through a previously prepared polymer solid electrolyte sheet, wound, and inserted into the battery structure, and then the polymerizable monomer is further added. It is also possible to inject the mixture and polymerize it.
Next, the solid electric double layer capacitor of the present invention will be described.
In the solid electric double layer capacitor of the present invention, the use of the polymer solid electrolyte of the present invention provides an all solid electric double layer capacitor having a high output voltage, a large take-out current, or excellent workability and reliability. Is done.
[0063]
FIG. 2 shows a schematic sectional view of an example of the solid electric double layer capacitor of the present invention. This example is a thin cell having a size of 1 cm × 1 cm and a thickness of about 0.5 mm. Reference numeral 8 denotes a current collector, and a pair of polarizable electrodes 7 is arranged inside the current collector. A molecular solid electrolyte membrane 9 is provided. Reference numeral 10 denotes a spacer, an insulating film is used in this example, 11 is an insulating resin sealant, and 12 is a lead wire.
The current collector 8 is preferably made of a material having electron conductivity and electrochemical corrosion resistance, and having a specific surface area as large as possible. For example, various metals and their sintered bodies, electron conductive polymers, carbon sheets and the like can be mentioned.
The polarizable electrode 7 may be any electrode made of a polarizable material such as a carbon material usually used for an electric double layer capacitor, and it is preferable that the carbon material is combined with the polymer solid electrolyte of the present invention. The carbon material as the polarizable material is not particularly limited as long as the specific surface area is large. However, the larger the specific surface area, the larger the capacity of the electric double layer, which is preferable. For example, carbon blacks such as furnace black, thermal black (including acetylene black), and channel black; activated carbon such as coconut charcoal; natural graphite; artificial graphite; so-called pyrolytic graphite produced by a gas phase method; 60 , C 70 Can be mentioned.
[0064]
Next, an example of a method for manufacturing a solid electric double layer capacitor of the present invention will be described.
As described above, when at least one compound selected from a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II) is mixed with at least one electrolyte, In some cases, a polymerizable monomer mixture obtained by adding and mixing another polymerizable compound and / or a plasticizer is further polymerized to form a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or (II). A polymer obtained from at least one compound selected from the compounds having the structures represented and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component and at least one electrolyte can be obtained. It is particularly useful when manufacturing the solid electric double layer capacitor of the present invention.
[0065]
A polarizable material such as a carbon material and a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by the formula (II) preferably used in the solid electric double layer capacitor of the present invention. When producing a polarizable electrode containing a polymer obtained from at least one selected compound and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component, first, for example, a unit represented by the general formula (I) is used. At least one compound selected from compounds having a structure represented by formula (II) and / or a compound having a structure represented by formula (II), if necessary, further mixed with a polymerizable compound and / or a plasticizer, and mixed with a polarizable material. . In that case, the ratio of each component to be mixed is determined to be more appropriate for the intended capacitor. After the polymerizable monomer / polarizable material mixture thus obtained is formed into a film on a support, for example, a current collector, the polymer is subjected to polymerization by, for example, heating and / or irradiation with electromagnetic waves. A polarizable electrode is produced by polymerizing in the same manner as in the case of obtaining. According to this method, a composite thin-film electrode that is in good contact with the current collector can be manufactured.
[0066]
The two polarizable electrodes manufactured in this manner are placed in a structure for forming a capacitor so as not to come into contact with each other, or are arranged on a support. For example, both electrodes are attached to the end of the electrode via a spacer having an appropriate thickness, and the two electrodes are put into the above-mentioned structure. Next, between the two polarizable electrodes, the general formula (I) is used. At least one compound selected from a compound having a unit and / or a compound having a structure represented by (II) is mixed with at least one electrolyte selected from the above-mentioned electrolytes such as alkali metal salts. After injecting a polymerizable monomer mixture prepared by adding and mixing other polymerizable compounds and / or plasticizers, and then polymerizing by the same method as described above, or further, after polymerization, if necessary, a polyolefin resin, By sealing with an insulating resin such as an epoxy resin, an electric double layer capacitor in which the electrodes and the electrolyte are in good contact can be obtained. When preparing such a monomer mixture, the ratio of each component to be mixed is determined to be appropriate for the intended condenser. By this method, a particularly thin all-solid-state electric double layer capacitor can be manufactured. The structure for forming the capacitor or the support may be a metal such as SUS, a resin such as polypropylene or polyimide, or a ceramic material such as conductive or insulating glass. However, the shape is not limited to this, and the shape may be cylindrical, box, sheet, or any other shape.
[0067]
As the shape of the electric double layer capacitor, in addition to the sheet type as shown in FIG. 2, a coin type, or a sheet-like laminate of a polarizable electrode and a polymer solid electrolyte is wound into a cylindrical shape to form a cylindrical tubular capacitor. It may be a cylindrical type or the like manufactured by sealing in a structure.
When manufacturing a wound capacitor, the above-mentioned polarizable electrode is stuck through a polymer solid electrolyte sheet that has been prepared in advance, wound, and inserted into the structure for forming a capacitor, and then the polymerizable monomer mixture is further added. Can be injected and polymerized.
[0068]
[Action]
As described above, the polymer solid electrolyte of the present invention is formed of a polymer having a high dielectric constant in which a carbonate group having a urethane bond that can be easily formed into a film from a polymerizable monomer mixture as a raw material thereof is compounded. It is an ion-conductive solid electrolyte, has good film strength, and is excellent in thin film workability.
[0069]
The battery of the present invention, by using the polymer solid electrolyte as the ion-conductive substance, is easy to process such as thinning, there is no risk of short-circuiting even in a thin film, a large take-out current, a highly reliable battery. In particular, an all-solid-state battery can be used.
In addition, the battery of the present invention, in which the negative electrode comprises an electrode containing an active material such as lithium or a lithium alloy or a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions, can be formed into a thin film by using the polymer solid electrolyte as an ion conductive material. Such a battery is easy to process, has no danger of short circuit even in a thin film, has a large take-out current, and has high reliability. In particular, it can be an all solid-state battery.
[0070]
Further, the positive electrode of the present invention may be a polymer obtained from at least one compound selected from a compound having a unit represented by the general formula (I) and / or a compound having a structure represented by (II), and / or Or an electrode containing an active material such as a copolymer containing the compound as a copolymer component and an organic solvent-soluble aniline-based polymer or other conductive polymer, a metal oxide, a metal sulfide or a carbon material; A battery characterized by using the polymer solid electrolyte as described above is easy to process such as thinning, there is no possibility of short circuit even in a thin film, a large take-out current, a high capacity, a highly reliable battery, Particularly, an all-solid-state battery can be used.
Furthermore, a polymer obtained from at least one compound selected from the compound having a unit represented by the general formula (I) and / or the compound having a structure represented by (II) of the present invention, and / or An electrode containing an electrode active material such as a copolymer having the compound as a copolymer component and an organic solvent-soluble aniline polymer or other conductive polymer, a metal oxide, a metal sulfide or a carbon material; The manufacturing method is to provide an electrode having flexibility as required without impairing the electrochemical activity of the electrode active material having excellent activity as an electrode, for example, a thin film electrode Can be provided, and the electrodes are useful as electrodes for various batteries.
[0071]
Further, according to the battery manufacturing method of the present invention, batteries of various shapes can be manufactured, in particular, the battery can be easily made thin, and can operate at high capacity and high current, or has good cycleability. A battery having excellent reliability can be manufactured, and in particular, an all-solid-state battery can be manufactured.
[0072]
The electric double-layer capacitor of the present invention can be easily formed into a polymerizable monomer mixture, and can be formed into a comb-type polymer or a network-like polymer in which an oxyalkyl group having a urethane bond capable of being compounded is introduced into a side chain. It is manufactured by polymerizing a dissolved electrolyte and using a solid polymer electrolyte with high ionic conductivity and good film strength as an ion conductive material. It is a highly reliable electric double-layer capacitor with a large take-out current, and particularly an all-solid-state electric double-layer capacitor.
In particular, according to the electric double layer capacitor and the method of manufacturing the same of the present invention, good contact between the polarizable electrode and the solid polymer electrolyte, which is an ion-conductive substance, is not short-circuited even in a thin film, and the output voltage and Provided is an electric double layer capacitor having a large extraction current and high reliability, and particularly, an all-solid-state electric double layer capacitor.
[0073]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by showing typical examples. These are merely examples for explanation, and the present invention is not limited to these.
Example 1 <Synthesis of methacryloyloxyethylcarbamic acid propylene carbonate (MOECP)>
Carbon dioxide gas is added to 34.2 g of allyl glycidyl ether and triphenyl phosphorus as a catalyst at 10 to 15 kg / cm. 2 Under high pressure at 100 ° C. for 14 hours, 42.3 g of allyloxypropylene carbonate was obtained. Subsequently, a platinum catalyst was added thereto, and the reaction was carried out at 40 ° C. for 5 hours to deallylate, thereby obtaining 25 g of propylene hydroxycarbonate.
[0074]
After dissolving 0.1 mol (= 11.8 g) of this propylene hydroxycarbonate and 0.1 mol (= 15.5 g) of 2-methacryloyloxyethyl isocyanate (MOI) in 100 ml of well-purified THF in a nitrogen atmosphere, 0.33 g Of dibutyltin dilaurate was added. Thereafter, the mixture was reacted at 50 ° C. for about 3 hours to obtain 27 g of MOECP as a colorless liquid.
The following analysis confirmed that the product was MOECP.
Figure 0003557477
From the above results, it was found that the MOI and the propylene hydroxycarbonate reacted one-to-one, the isocyanate group of the MOI disappeared, and a urethane bond was formed.
[0075]
Example 2 <Preparation and evaluation of MOECP-based polymer solid electrolyte>
1.5 g of MOECP synthesized in Example 1 was dissolved in 10 cc of THF, and 3 SO 3 0.15 g was added and mixed well. The THF was then removed under reduced pressure at room temperature and MOECP / LiCF 3 SO 3 The mixture was obtained as a viscous liquid. This mixture was coated on a glass plate under an argon atmosphere and heated at 80 ° C. for 1 hour. 3 SO 3 The composite was obtained as a clear film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. was measured by an impedance method, it was 3 × 10 -5 S / cm.
[0076]
Example 3
LiCF used in Example 2 3 SO 3 Instead of LiBF 4 A solid electrolyte was prepared in the same manner as in Example 2 except that 0.20 g was used. When the ionic conductivity of this solid electrolyte at 25 ° C. was measured by an impedance method, it was 4 × 10 -5 S / cm.
The temperature change of the ionic conductivity of this solid electrolyte film was measured by the impedance method, and the result was as shown in FIG. The ordinate of FIG. 3 shows the ionic conductivity in logarithm, and the abscissa shows the Arrhenius plot showing the temperature in 1000 / absolute temperature. The slope is MOECP polymer / LiBF. 4 It shows the activation energy of ion transfer in a solid electrolyte.
[0077]
Example 4 <Synthesis of 2-methacryloyloxyethylcarbamic acid 2-methacryloyloxyethylcarbamoyl oligooxyethyl / oxypropyl ester (MCMC (800))>
After dissolving 0.2 mol (= 31.0 g) of MOI and 0.1 mol (= 80 g) of an oligoethylene glycol / propylene glycol copolymer having an average molecular weight of 800 in 100 ml of well-purified THF in a nitrogen atmosphere, 0.66 g of dibutyltin was dissolved. Dilaurate was added. Thereafter, the mixture was reacted at 50 ° C. for about 3 hours to obtain MCMC (800) as a colorless gel-like solid. From the results of the H1-NMR, IR, and elemental analysis, it was found that the MOI and the oligoethylene glycol / propylene glycol copolymer reacted two-to-one, the isocyanate group of the MOI disappeared, and a urethane bond was formed. I understood.
[0078]
Example 5 <Preparation and evaluation of MOECP / MCMC (800) copolymer solid polymer electrolyte>
1.50 g of MOECP synthesized in Example 1 and 1.50 g of MCMC (800) synthesized in Example 4 were dissolved in 20 cc of THF, and LiCF was dissolved. 3 SO 3 0.30 g was added and mixed well. Then, THF was removed under reduced pressure at room temperature, and MOECP / MCMC (800) / LiCF 3 SO 3 The mixture was obtained as a viscous liquid. This mixture was coated on a glass plate under an argon atmosphere, and heated at 80 ° C. for 1 hour to obtain MOECP / MCMC (800) copolymer / LiCF 3 SO 3 The composite was obtained as a transparent free standing film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. was measured by an impedance method, 2 × 10 -4 S / cm.
The temperature change of the ionic conductivity of this solid electrolyte film was measured by the impedance method, and the result was as shown in FIG. The ordinate of FIG. 3 shows the ionic conductivity in logarithm, and the abscissa shows the Arrhenius plot showing the temperature in 1000 / absolute temperature, the slope of which is MOECP / MCMC (800) copolymer / LiCF. 3 SO 3 It shows the activation energy of ion transfer in a solid electrolyte.
[0079]
Example 6
LiCF used in Example 5 3 SO 3 Instead of LiPF 6 Was used in the same manner as in Example 5 except that 0.30 g of was used. When the ionic conductivity of this solid electrolyte at 25 ° C. was measured by an impedance method, it was 3 × 10 -4 S / cm.
[0080]
Example 7
LiCF used in Example 5 3 SO 3 Instead of NaCF 3 SO 3 Was prepared in the same manner as in Example 5 except that 0.26 g of was used. When the ionic conductivity of this solid electrolyte at 25 ° C. was measured by an impedance method, it was 8 × 10 -5 S / cm.
[0081]
Example 8
LiCF used in Example 5 3 SO 3 In place of the above, a solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 5, except that 0.60 g of AgI was used. When the ionic conductivity of the solid electrolyte at 25 ° C. was measured by an impedance method, it was 5 × 10 -4 S / cm.
[0082]
Example 9
LiCF used in Example 5 3 SO 3 Instead of using 0.43 g of tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEAB), a solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 5. When the ionic conductivity of this solid electrolyte at 25 ° C. was measured by an impedance method, 2 × 10 -4 S / cm.
[0083]
Example 10 <Synthesis of 2-methacryloyloxyethylcarbamic acid ω-methyl oligooxyethyl ester (MECME (550))>
0.1 mol (= 15.5 g) of methacryloyloxyethyl isocyanate (MOI) and 0.1 mol (= 55 g) of monomethyl oligoethylene glycol having an average molecular weight of 550 are dissolved in 100 ml of well-purified THF in a nitrogen atmosphere. 66 g of dibutyltin dilaurate are added. Thereafter, the mixture was reacted at 50 ° C. for about 3 hours to obtain MECME (550) as a colorless viscous liquid. From the results of the H1-NMR, IR, and elemental analysis, it was found that the MOI and monomethyl oligoethylene glycol reacted one to one, the isocyanate group of the MOI disappeared, and a urethane bond was generated.
[0084]
Example 11 <Preparation and evaluation of MOECP / MECMC (550) copolymer solid polymer electrolyte>
1.50 g of MOECP synthesized in Example 1 and 1.50 g of MECMC (550) synthesized in Example 10 were dissolved in 20 cc of THF, and LiBF was dissolved. 4 Was added and mixed well. The THF was then removed under reduced pressure at room temperature, and MOECP / MECMC (550) / LiBF 4 The mixture was obtained as a viscous liquid. This mixture was coated on a glass plate under an argon atmosphere, and heated at 80 ° C. for 1 hour to obtain MOECP / MECMC (550) copolymer / LiBCF 4 The composite was obtained as a transparent free standing film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. was measured by an impedance method, it was 3 × 10 -4 S / cm.
[0085]
Comparative Example 1 <Preparation and evaluation of MCMC (800) -based polymer solid electrolyte>
1.5 g of MCMC (800) synthesized in Example 4 was dissolved in 10 cc of THF, and LiCF was dissolved. 3 SO 3 0.15 g was added and mixed well. The THF was then removed under reduced pressure at room temperature and MCMC (800) / LiCF 3 SO 3 The mixture was obtained as a viscous liquid. This mixture was applied to a glass plate under an argon atmosphere and heated at 80 ° C. for 1 hour to obtain MCMC (800) / LiCF 3 SO 3 The composite was obtained as a clear film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. was measured by an impedance method, it was 8 × 10 -6 S / cm.
[0086]
Example 12 <Synthesis of N-methacryloylcarbamic acid propylene carbonate (NMCP)>
After dissolving 0.1 mol (= 11.8 g) of propylene hydroxycarbonate and 0.1 mol (= 11.1 g) of N-methacryloyl isocyanate (MAI) synthesized in Example 1 in 100 ml of well-purified THF in a nitrogen atmosphere. , 0.33 g of dibutyltin dilaurate were added. Thereafter, the mixture was reacted at 50 ° C. for about 3 hours to obtain 22 g of NMCP as a colorless liquid.
The following analysis confirmed that the product was NMCP.
Figure 0003557477
From the above results, it was found that MAI and propylene hydroxycarbonate reacted one-to-one, the isocyanate group of MAI disappeared, and a urethane bond was formed.
[0087]
Example 13 <Preparation and evaluation of NMCP-based polymer solid electrolyte>
1.5 g of NMCP synthesized in Example 12 was dissolved in 10 cc of THF, and LiBF was dissolved. 4 The mixture was obtained as a viscous liquid. This mixture was coated on a glass plate under an argon atmosphere, and heated at 80 ° C. for 1 hour to obtain NMCP / LiBF 4 The composite was obtained as a clear film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. was measured by an impedance method, 1 × 10 -5 S / cm.
[0088]
Example 14 <Preparation and evaluation of NMCP / MCMC (800) copolymer solid polymer electrolyte>
1.50 g of NMCP synthesized in Example 12 and 1.50 g of MCMC (800) synthesized in Example 4 were dissolved in 20 cc of THF, and LiBF was dissolved. 4 0.20 g was added and mixed well. The THF was then removed under reduced pressure at room temperature and NMCP / MCMC (800) / LiBF 4 The mixture was obtained as a viscous liquid. This mixture was coated on a glass plate under an argon atmosphere, and heated at 80 ° C. for 1 hour to obtain NMCP / MCMC (800) copolymer / LiBF 4 The composite was obtained as a transparent free standing film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. was measured by an impedance method, 1 × 10 -4 S / cm.
[0089]
Example 15 <Preparation and evaluation of MOECP / MCMC (800) copolymer solid electrolyte with added plasticizer>
1.80 g of MOECP synthesized in Example 1, 1.80 g of MCMC (800) synthesized in Example 4, LiBF 4 0.63 g and propylene carbonate (PC) 3.6 g were mixed well in an argon atmosphere, and MOECP / MCMC (800) / PC / LiBF 4 A polymerizable monomer solution as a mixture was obtained as a viscous liquid.
This polymerizable monomer solution was coated on a glass plate under an argon atmosphere, and heated at 100 ° C. for 1 hour to obtain a MOECP / MCMC (800) copolymer / PC / LiBF 4 The composite was obtained as a transparent free standing film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. and −10 ° C. was measured by an impedance method, each was 3.5 × 10 5 -3 , 1.5 × 10 -3 S / cm.
[0090]
Example 16
MOECP / MCMC (800) copolymer / TG / LiBF was obtained in the same manner as in Example 15 except that tetraglyme (TG) was used instead of propylene carbonate used in Example 15. 4 The composite was obtained as a transparent free standing film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. was measured by an impedance method, 9 × 10 -4 S / cm.
[0091]
Example 17
MOECP / MCMC (800) copolymer / DEC / LiBF was obtained in the same manner as in Example 15 except that diethyl carbonate (DEC) was used instead of propylene carbonate used in Example 15. 4 The composite was obtained as a transparent free standing film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. was measured by an impedance method, it was 1.5 × 10 -3 S / cm.
[0092]
Example 18
LiBF used in Example 15 4 LiPF instead of 0.63g 6 MOECP / MCMC (800) copolymer / PC / LiPF was obtained in the same manner as in Example 15 except that 0.95 g was used. 6 The composite was obtained as a transparent free standing film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. was measured by an impedance method, it was 4 × 10 -3 S / cm.
[0093]
Comparative Example 2 <Preparation and evaluation of MCMC (800) -based polymer solid electrolyte with added plasticizer>
3.60 g of MCMC (800) synthesized in Example 4, LiBF 4 0.63 g and 3.6 g of propylene carbonate (PC) are mixed well in an argon atmosphere, and MCMC (800) / PC / LiBF is mixed. 4 A polymerizable monomer solution as a mixture was obtained as a viscous liquid.
This polymerizable monomer solution was coated on a glass plate under an argon atmosphere and then heated at 100 ° C. for 1 hour to obtain MCMC (800) polymer / PC / LiBF 4 The composite was obtained as a transparent free standing film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. and −10 ° C. was measured by an impedance method, it was 8.0 × 10 4 -4 , 3.2 × 10 -4 S / cm.
[0094]
Example 19 <Preparation of polymerizable monomer solution>
1.80 g of MOECP synthesized in Example 1, 1.80 g of MCMC (800) synthesized in Example 4, LiBF 4 0.63 g, 1.8 g of propylene carbonate (PC) and 1.8 g of ethylene carbonate (EC) are mixed well in an argon atmosphere, and MOECP / MCMC (800) / PC / EC / LiBF 4 A polymerizable monomer solution as a mixture was obtained as a viscous liquid.
This polymerizable monomer solution was coated on a glass plate under an argon atmosphere, and heated at 100 ° C. for 1 hour to obtain a MOECP (550) / MCMC (800) copolymer / PC / EC / LiBF 4 The composite was obtained as a transparent free standing film of about 50 μm. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. and −10 ° C. was measured by an impedance method, it was 4.0 × 10 4 each. -3 , 1.5 × 10 -3 S / cm.
[0095]
Example 20 <Production of cobalt oxide positive electrode>
Li 2 CO 3 11g and Co 3 O 4 24 g, mixed in an oxygen atmosphere, heated at 800 ° C. for 24 hours, and then pulverized to obtain LiCoO 2. 2 A powder was obtained. This LiCoO 2 The powder and the polymerizable monomer solution prepared in Example 19 were mixed in an argon atmosphere at a weight ratio of 7: 3, and applied on a stainless steel foil to a thickness of 1 × 1 cm and a thickness of about 200 μm. Furthermore, by heating and polymerizing at about 100 ° C. for 1 hour, a cobalt oxide / polymer solid electrolyte composite positive electrode (70 mg) was obtained.
[0096]
Example 21 <Production of polymer solid electrolyte secondary battery>
In an argon atmosphere glove box, a 75 μm-thick lithium foil was cut into 1 × 1 cm (5.3 mg), and about 1 mm on each end thereof was covered with a 5 μm polyimide film as a spacer. Next, the polymerizable monomer solution prepared in Example 19 was applied on a lithium foil, and the cobalt oxide positive electrode produced in Example 20 was adhered thereto. After heating at 100 ° C. for 1 hour, the battery end was sealed with an epoxy resin. Thus, a lithium / cobalt oxide solid secondary battery was obtained. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the obtained battery.
When the battery was repeatedly charged and discharged at an operating voltage of 2.0 to 4.3 V and a current of 0.3 mA, the maximum discharge capacity was 4.0 mAh, and the cycle life until the capacity was reduced to 50% was 200 times. there were.
When the battery manufactured in the same manner was repeatedly charged and discharged at an operating voltage of 2.0 to 4.3 V and a current of 0.3 mA, the maximum discharge capacity was 3.8 mAh, and the cycle until the capacity was reduced to 50% was obtained. The life was 251 times.
[0097]
Example 22 <Production of vapor phase graphite negative electrode>
A mixture of 10 g of Showa Denko vapor-grown graphite fiber (average fiber diameter, 0.3 μm, average fiber length, 2.0 μm, heat-treated at 2700 ° C.) and 2.5 ml of a hexane solution containing 2.5 M butyllithium was mixed for 8 hours at room temperature. Stirred. Next, it was washed with hexane and dried to obtain a graphite fiber into which lithium ions had been preliminarily inserted. The C / Li atomic ratio was 12/1 as determined by elemental analysis. 6 g of the lithium-containing graphite fiber thus obtained and 4 g of the polymerizable monomer mixture prepared in Example 19 were mixed in an argon atmosphere, and a portion thereof was taken on a stainless steel foil to a thickness of 1 × 1 cm and a thickness of about 150 μm. Was applied. Further, the mixture was heated and polymerized at about 100 ° C. for 1 hour to obtain a vapor phase graphite / polymer solid electrolyte composite negative electrode (25 mg).
[0098]
Example 23 <Production of solid polymer electrolyte secondary battery>
A vapor phase graphite / cobalt oxide solid secondary battery was obtained in the same manner as in Example 21 except that the vapor phase graphite negative electrode produced in Example 22 was used instead of the lithium foil.
When this battery was repeatedly charged and discharged at an operating voltage of 1.5 to 4.3 V and a current of 0.3 mA, the maximum discharge capacity was 4.0 mAh, and the cycle life until the capacity was reduced to 50% was 323 times. there were.
[0099]
Example 24 <Synthesis of organic solvent-soluble polyaniline>
A thermometer, a stirrer, and a condenser were attached to a 1 L four-necked flask, and 500 ml of a 1N HCl aqueous solution was added, and 20.3 g of aniline was dissolved while bubbling nitrogen. Then, 11.5 g of ammonium persulfate was added over about 30 minutes while stirring and while bubbling nitrogen, while remaining solid. The reaction temperature was kept at about 22 ° C. After the addition, the mixture was further reacted for 22 hours, followed by filtration, and the residue was washed with 500 ml of distilled water. Next, this product was transferred to a beaker, stirred with 500 ml of 5% aqueous ammonia for about 1 hour, filtered, washed with distilled water, and dried under reduced pressure to obtain about 16 g of a polyaniline powder in a undoped state.
[0100]
Next, 150 ml of hydrazine monohydrate was added to a 300 ml three-necked flask, and the above-mentioned undoped polyaniline powder was added at room temperature under a nitrogen stream with stirring over about 1 hour. After stirring at room temperature for about 10 hours under a nitrogen stream, the mixture was filtered in a nitrogen atmosphere and dried under reduced pressure. Further, by washing with purified THF and purified ether in a nitrogen atmosphere and drying under reduced pressure, about 14 g of reduced polyaniline powder was obtained.
The elemental analysis value of this reduced polyaniline powder was 98% in total of carbon, hydrogen and nitrogen, and the elemental ratio of carbon / hydrogen / nitrogen was 6.00 / 4.95 / 1.01, which was almost in agreement with the theoretical value. did.
This powder was dissolved in purified N-methylpyrrolidone (NMP) under an argon atmosphere to a concentration of about 5 wt%. The number average molecular weight of polyaniline determined by GPC measurement of this solution was about 20,000 in terms of polystyrene.
[0101]
Example 25 <Production of polyaniline positive electrode>
The polymerizable monomer solution prepared in Example 19 was mixed with the 5 wt% polyaniline / NMP solution prepared in Example 24 in a glove box under an argon atmosphere so that the weight ratio of polyaniline and the polymerizable monomer solution was 1: 1. did. This mixed solution was applied on a stainless steel foil so as to have a size of 10 × 10 mm and a thickness of 200 μm. Next, by heating at 60 ° C., 80 ° C., and 100 ° C. for 1 hour each, drying and polymerization were performed to obtain a polyaniline / polymer solid electrolyte composite positive electrode (20 mg).
[0102]
Example 26 <Production of polymer solid electrolyte secondary battery>
In an argon atmosphere glove box, a 25-μm-thick lithium foil was cut into 12 × 12 mm (2.6 mg), and its ends were covered by a 10-μm-thick polyimide film as spacers on about 2 mm squares. Next, the polymerizable monomer solution prepared in Example 19 was applied on a lithium foil, and the polyaniline / polymer solid electrolyte composite positive electrode produced in Example 25 was laminated and heated at 100 ° C. for 1 hour. Was sealed with an epoxy resin to obtain a lithium / polyaniline solid secondary battery having the same configuration as that of FIG.
When the battery was repeatedly charged and discharged at an operating voltage of 2 to 4 V and a current of 0.3 mA, the maximum discharge capacity was 1.2 mAh, and the cycle life until the capacity was reduced to 50% was 380 times.
[0103]
Example 27 <Preparation of polymerizable monomer solution>
1.80 g of MOECP synthesized in Example 1, 1.80 g of MCMC (800) synthesized in Example 4, 1.35 g of tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEAB), and 3.6 g of propylene carbonate (PC) were sufficiently placed in an argon atmosphere. After mixing, a polymerizable monomer solution as a MOECP / MCMC (800) / PC / TEAB mixture was obtained as a viscous liquid.
This polymerizable monomer solution was coated on a glass plate under an argon atmosphere and then heated at 100 ° C. for 1 hour. The MOECP (550) / MCMC (800) copolymer / PC / TEAB composite was about 50 μm transparent. Obtained as a free standing film. When the ionic conductivity of this film at 25 ° C. and −10 ° C. was measured by an impedance method, it was 3.8 × 10 -3 , 1.2 × 10 -3 S / cm.
[0104]
Example 28 <Production of activated carbon electrode>
The coconut palm activated carbon and the polymerizable monomer solution prepared in Example 27 were mixed in an argon atmosphere at a weight ratio of 1: 1 and applied to a stainless foil at a size of 1 cm × 1 cm and a thickness of about 150 μm. Further, by heating at about 100 ° C. for 1 hour to carry out polymerization, an activated carbon / polymer solid electrolyte composite electrode (15 mg) was obtained.
[0105]
Example 29 <Production of solid electric double layer capacitor>
In an argon atmosphere glove box, the activated carbon electrode (15 mg) manufactured in Example 28, about 1 mm × 1 cm and about 1 mm square was coated with a 10 μm-thick polyimide film as a spacer. Next, the polymerizable monomer solution prepared in Example 27 was applied on the electrodes, and another electrode was bonded thereto, heated at 100 ° C. for 1 hour, and sealed at the capacitor end with epoxy resin. A solid electric double layer capacitor as shown in FIG.
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V and a current of 0.3 mA, the maximum capacity was 230 mF. Also, even if charging and discharging were repeated 50 times under these conditions, there was almost no change in the capacity.
[0106]
Example 30 <Production of solid electric double layer capacitor>
Instead of the salt TEAB used for the polymerizable monomer solution prepared in Example 27, LiBF 4 A polymerizable monomer solution was prepared using 0.63 g. A solid electric double layer capacitor was manufactured in the same manner as in Example 29 except that this polymerizable monomer solution was used.
When this capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.0 V and a current of 0.3 mA, the maximum capacity was 173 mF. Also, even if charging and discharging were repeated 50 times under these conditions, there was almost no change in the capacity.
[0107]
Example 31 <Production of acetylene black electrode>
Acetylene black and the polymerizable monomer solution prepared in Example 27 were mixed in an argon atmosphere at a weight ratio of 6: 4, and applied to a stainless foil at a size of 1 cm × 1 cm and a thickness of about 150 μm. Further, the mixture was heated and polymerized at about 100 ° C. for 1 hour to obtain an acetylene black / polymer solid electrolyte composite electrode (15 mg).
[0108]
Example 32 <Production of solid electric double layer capacitor>
A solid electric double layer capacitor was manufactured in the same manner as in Example 29 except that the acetylene black electrode (15 mg) manufactured in Example 31 was used.
When the capacitor was charged and discharged at an operating voltage of 0 to 2.5 V and a current of 0.3 mA, the maximum capacity was 55 mF. Also, even if charging and discharging were repeated 50 times under these conditions, there was almost no change in the capacity.
[0109]
【The invention's effect】
The solid polymer electrolyte of the present invention is composed of a complex of a polymer having a carbonate group in a side chain bonded by a urethane bond and at least one electrolyte, and is easily obtained as a thin film having good film strength, And high ionic conductivity.
Batteries and capacitors using the polymer solid electrolyte of the present invention can be used stably for a long time without danger of liquid leakage because the ion-conductive substance is a solid. Batteries and capacitors can be manufactured.
[0110]
The electrode active material of the present invention, such as a polymer having a carbonate group bonded to the side chain by a urethane bond and an organic solvent-soluble polyaniline-based polymer or other conductive polymer, a metal oxide, a metal sulfide, or a carbon material. Or an electrode containing a polarizable material and its manufacturing method can provide an electrode having high electrochemical activity and flexibility, particularly can provide a thin electrode, electrodes used in various batteries or electric double layer capacitors and the like and Useful as a manufacturing method.
[0111]
Further, the battery of the present invention is a battery that can operate at high capacity and high current as an all solid type, or has good cycleability, and is excellent in safety and reliability. It can be used as a power supply for electric products, electric vehicles, and large power supplies for road leveling. Further, since it can be easily thinned, it can be used as a paper battery for an identification card or the like.
Furthermore, the electric double layer capacitor of the present invention can operate at a high voltage, a high capacity, and a high current, or has good cycleability, and is excellent in safety and reliability, as compared with conventional all-solid-state capacitors. It is an electric double layer capacitor, and can be an all solid electric double layer capacitor having such characteristics. For this reason, it can be used not only as a backup power supply but also as a power supply for various electric products in combination with a small battery. Moreover, it is excellent in workability such as thinning, and can be expected for uses other than the use of the conventional solid type electric double layer capacitor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a thin solid-state battery shown as an example of the battery of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of an embodiment of the solid-state electric double layer capacitor of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the change in ionic conductivity of a MOECP-based and MOECP / MCMC (800) copolymer-based solid polymer electrolyte film with temperature.
[Explanation of symbols]
1 positive electrode
2 Polymer solid electrolyte
3 Negative electrode
4 Current collector
5 Spacer
6 Insulating resin sealant
7-minute polar electrode
8 Current collector
9 Polymer solid electrolyte membrane
10 Spacer
11 Insulating resin sealant
12 Lead wire

Claims (17)

一般式(I)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。但し、同一分子中の複数個の上記一般式(I)で表されるユニット中のR、R及びx、y、zの値は、それぞれ独立であり、同じである必要はない。]で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体、並びに少なくとも一種の電解質を含む複合体からなる高分子固体電解質。
General formula (I)
Figure 0003557477
[Wherein, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 represents an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. However, the values of R 1 , R 2 and x, y, z in a plurality of units represented by the above general formula (I) in the same molecule are independent of each other and need not be the same. ] A polymer solid electrolyte comprising a polymer obtained from at least one compound having a unit represented by the formula (1) and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component, and a composite containing at least one electrolyte.
一般式(II)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、R、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。]で表される構造を有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体、並びに少なくとも一種の電解質を含む複合体からなる高分子固体電解質。
General formula (II)
Figure 0003557477
[In the formula, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 and R 3 represent an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. ] A polymer solid electrolyte comprising a polymer obtained from at least one of the compounds having the structure represented by formula (I) and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component, and a composite containing at least one electrolyte.
電解質の少なくとも一種が、アルカリ金属塩、4級アンモニウム塩、4級ホスホニウム塩、または遷移金属塩である請求項1または2記載の高分子固体電解質。3. The polymer solid electrolyte according to claim 1, wherein at least one of the electrolytes is an alkali metal salt, a quaternary ammonium salt, a quaternary phosphonium salt, or a transition metal salt. 可塑剤が添加されていることを特徴とする請求項1ないし3記載の高分子固体電解質。4. The polymer solid electrolyte according to claim 1, wherein a plasticizer is added. 請求項1ないし4記載の高分子固体電解質を含有することを特徴とする電池。A battery comprising the polymer solid electrolyte according to claim 1. リチウム、リチウム合金またはリチウムイオンを吸蔵放出できる炭素材料を含む負極を有する請求項5記載の電池。The battery according to claim 5, further comprising a negative electrode containing lithium, a lithium alloy, or a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions. 有機溶媒可溶性のアニリン系重合体もしくはその他の導電性高分子、金属酸化物、金属硫化物または炭素材料を含む正極を有する請求項5記載の電池。The battery according to claim 5, further comprising a positive electrode containing an aniline-based polymer or another conductive polymer soluble in an organic solvent, a metal oxide, a metal sulfide, or a carbon material. 一般式(I)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。但し、同一分子中の複数個の上記一般式(I)で表されるユニット中のR、R及びx、y、zの値は、それぞれ独立であり、同じである必要はない。]で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種及び少なくとも一種の電解質を含有する重合性モノマー混合物、またはこれに可塑剤が添加された重合性モノマー混合物を、電池構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置し、かかる重合性モノマー混合物を重合する工程を有することを特徴とする電池の製造方法。
General formula (I)
Figure 0003557477
[Wherein, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 represents an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. However, the values of R 1 , R 2 and x, y, z in a plurality of units represented by the above general formula (I) in the same molecule are independent of each other and need not be the same. A polymerizable monomer mixture containing at least one compound having a unit represented by formula (1) and at least one electrolyte, or a polymerizable monomer mixture obtained by adding a plasticizer to the polymerizable monomer mixture, is placed in a battery structure, or is supported. A method for producing a battery, comprising a step of disposing the polymerizable monomer mixture on a body and polymerizing the polymerizable monomer mixture.
一般式(II)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、R、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。]で表される構造を有する化合物の少なくとも一種及び少なくとも一種の電解質を含有する重合性モノマー混合物、またはこれに可塑剤が添加された重合性モノマー混合物を、電池構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置し、かかる重合性モノマー混合物を重合する工程を有することを特徴とする電池の製造方法。
General formula (II)
Figure 0003557477
[In the formula, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 and R 3 represent an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. A polymerizable monomer mixture containing at least one compound having a structure represented by the formula and at least one electrolyte, or a polymerizable monomer mixture obtained by adding a plasticizer to the polymerizable monomer mixture, is placed in a battery structure, or is supported. A method for producing a battery, comprising a step of disposing the polymerizable monomer mixture on a body and polymerizing the polymerizable monomer mixture.
一般式(I)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。但し、同一分子中の複数個の上記一般式(I)で表されるユニット中のR、R及びx、y、zの値は、それぞれ独立であり、同じである必要はない。]で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体、並びに電極活物質または分極性材料を含むことを特徴とする電極。
General formula (I)
Figure 0003557477
[Wherein, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 represents an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. However, the values of R 1 , R 2 and x, y, z in a plurality of units represented by the above general formula (I) in the same molecule are independent of each other and need not be the same. An electrode comprising a polymer obtained from at least one compound having a unit represented by formula (1) and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component, and an electrode active material or a polarizable material.
一般式(II)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、R、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。]で表される構造を有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体、並びに電極活物質または分極性材料を含むことを特徴とする電極。
General formula (II)
Figure 0003557477
[In the formula, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 and R 3 represent an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. An electrode comprising: a polymer obtained from at least one compound having a structure represented by the formula: and / or a copolymer containing the compound as a copolymer component; and an electrode active material or a polarizable material.
電極活物質または分極性材料が、有機溶媒可溶性のアニリン系重合体もしくはその他の導電性高分子、金属酸化物、金属硫化物または炭素材料である請求項10もしくは11記載の電極。12. The electrode according to claim 10, wherein the electrode active material or the polarizable material is an organic solvent-soluble aniline-based polymer or another conductive polymer, a metal oxide, a metal sulfide, or a carbon material. イオン伝導性物質を介して分極性電極を配置した電気二重層コンデンサであって、イオン伝導性物質が請求項1ないし4記載の高分子固体電解質であることを特徴とする電気二重層コンデンサ。An electric double layer capacitor having a polarizable electrode disposed via an ion conductive material, wherein the ion conductive material is the polymer solid electrolyte according to any one of claims 1 to 4. 一般式(I)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。但し、同一分子中の複数個の上記一般式(I)で表されるユニット中のR、R及びx、y、zの値は、それぞれ独立であり、同じである必要はない。]で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種及び少なくとも一種の電解質を含有する重合性モノマー混合物、またはこれに可塑剤が添加された重合性モノマー混合物を、電気二重層コンデンサ構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置し、かかる重合性モノマー混合物を重合する工程を有することを特徴とする電気二重層コンデンサの製造方法。
General formula (I)
Figure 0003557477
[Wherein, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 represents an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. However, the values of R 1 , R 2 and x, y, z in a plurality of units represented by the above general formula (I) in the same molecule are independent of each other and need not be the same. A polymerizable monomer mixture containing at least one compound having a unit represented by formula (1) and at least one electrolyte, or a polymerizable monomer mixture to which a plasticizer is added, is placed in the structure for forming an electric double layer capacitor. Or a method for producing an electric double layer capacitor, comprising a step of disposing the polymerizable monomer mixture on a support.
一般式(II)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、R、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。]で表される構造を有する化合物の少なくとも一種及び少なくとも一種の電解質を含有する重合性モノマー混合物、またはこれに可塑剤が添加された重合性モノマー混合物を、電気二重層コンデンサ構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置し、かかる重合性モノマー混合物を重合する工程を有することを特徴とする電気二重層コンデンサの製造方法。
General formula (II)
Figure 0003557477
[In the formula, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 and R 3 represent an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. A polymerizable monomer mixture containing at least one compound having a structure represented by the formula and at least one electrolyte, or a polymerizable monomer mixture obtained by adding a plasticizer to the mixture, is placed in the structure for forming an electric double layer capacitor. Or a method of disposing the polymerizable monomer mixture on a support and polymerizing the polymerizable monomer mixture.
イオン伝導性物質を介して分極性電極を配置した電気二重層コンデンサであって、分極性電極が一般式(I)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。但し、同一分子中の複数個の上記一般式(I)で表されるユニット中のR、R及びx、y、zの値は、それぞれ独立であり、同じである必要はない。]で表されるユニットを有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体と炭素材料を含む複合物からなることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
An electric double layer capacitor in which a polarizable electrode is arranged via an ion conductive material, wherein the polarizable electrode has a general formula (I)
Figure 0003557477
[Wherein, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 represents an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. However, the values of R 1 , R 2 and x, y, z in a plurality of units represented by the above general formula (I) in the same molecule are independent of each other and need not be the same. ] An electric double-layer capacitor comprising a polymer obtained from at least one compound having a unit represented by formula (1) and / or a composite containing a copolymer containing the compound as a copolymer component and a carbon material.
イオン伝導性物質を介して分極性電極を配置した電気二重層コンデンサであって、分極性電極が一般式(II)
Figure 0003557477
[式中、Rは水素またはメチル基を表し、R、Rは有機基を表す。該有機基は直鎖状、分岐状、環状構造のいずれからなるものでもよく、炭素、水素及び酸素以外の元素が1個以上含まれていてもよい。x及びyはそれぞれ0または1〜5の整数を、zは0または1〜10の数値を表す。但しx=0及びy=0のときはz=0である。また(CH)と(CH(CH))は不規則に配列してもよい。]で表される構造を有する化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または該化合物を共重合成分とする共重合体と炭素材料を含む複合物からなることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
An electric double layer capacitor in which a polarizable electrode is arranged via an ion conductive material, wherein the polarizable electrode has a general formula (II)
Figure 0003557477
[In the formula, R 1 represents hydrogen or a methyl group, and R 2 and R 3 represent an organic group. The organic group may have any of a linear, branched or cyclic structure, and may contain one or more elements other than carbon, hydrogen and oxygen. x and y each represent 0 or an integer of 1 to 5, and z represents a numerical value of 0 or 1 to 10. However, when x = 0 and y = 0, z = 0. (CH 2 ) and (CH (CH 3 )) may be arranged irregularly. ] An electric double-layer capacitor comprising a polymer obtained from at least one compound having a structure represented by the formula:
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