JP4265191B2 - Lithium ion conductive all solid electrolyte and lithium ion conductive gel electrolyte - Google Patents

Lithium ion conductive all solid electrolyte and lithium ion conductive gel electrolyte Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion conductive polymer electrolyte capable of realizing excellent ion conductivity and a high transportation rate for lithium ions. <P>SOLUTION: In a matrix polymer constituting this lithium ion conductive polymer electrolyte, the excellent ion conductivity and the high transportation rate for lithium ions can be realized by introducing a monomer containing lithium capable of releasing lithium ions by being dissociated, and by simultaneously adding a salt monomer having an ionic interaction for facilitating the dissociation of lithium ions from the monomer containing lithium. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン伝導性全固体電解質およびリチウムイオン伝導性ゲル状電解質に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電子機器の小型軽量化、ポータブル化に伴い、高電圧、高エネルギー密度という特徴を有するリチウム二次電池が、近年注目を集め、研究開発が活発に行われている。また、電気自動車などの開発においても、非常に期待されている分野である。こうした背景の中で、更なる高電圧、高エネルギー密度を実現できるようなリチウム二次電池が、今後要求されることが予想される。
【0003】
従来の電気デバイスの電解質としては、一般的に液体電解質、特に有機電解液にイオン性化合物を溶解させたものが用いられてきたが、液体電解質は、電解液の外部への液漏れ、揮発、電極物質の溶出などが発生しやすいため、長期信頼性などが問題となっていた。さらに、こうした問題点を解決するためには、パッケージとしてスティール缶などの丈夫な材料が必要であったが、重量が重く、電子機器の軽量化、ポータブル化には向いていない。パッケージ材料としてアルミニウム缶を使用することは、電池の軽量化に対して非常に有効であるが、スティール缶と比較した場合強度的には劣るため、電解液を非液状化させることは、液漏れなどの安全性の点からも必要であり、種々の検討が行われている。
【0004】
電解液を非液状化させる方法として利用されるのがイオン伝導性高分子電解質であるが、イオン伝導性高分子電解質は、便宜上2種類に分類されることが多い。一つは電解質として、電解液を高分子化合物でゲル化し、電解液の流動性を無くしたゲル状電解質であり、この場合耐漏液性などの信頼性や、貯蔵性に優れた電池を構成できるという利点を有する。もう一つの方法として、有機溶媒を全く使用しない、あるいは、電解質合成時は低沸点の有機溶媒を使用するが、その後加熱などにより、低沸点の有機溶媒を除去する全固体型固体電解質がある。
【0005】
ゲル状電解質としては、例えば、半固体高分子電解質膜が提案され、10-4S/cmのイオン伝導度が達成されている(例えば、特許文献1)。また、リチウム塩と高分子ポリマーからなるリチウムイオン伝導性ゲル電解質が提案されている場合もあり、10-4S/cmのイオン伝導度が達成されている(例えば、特許文献2)。一方、全固体電解質としては、例えば、イミダゾリウム系溶融塩型電解質が提案され、ポリマーのイオン伝導率10-7S/cmが達成されている(例えば、特許文献3)。ポリマー電解質のイオン伝導度が高いことは、電池性能向上のために最も重要な項目の一つであり、伝導度の低い電解質を電池に組み込むと内部抵抗が増大するため、電池容量を著しく損なう原因となる。また、電池性能の向上のためイオン伝導度の他に、リチウムイオンの輸率が高いことも非常に重要であり、リチウムイオンの輸率が低い、すなわちリチウムイオン以外のイオンの伝導度への寄与が大きい場合、アニオンにおいては放電時に負極近傍(充電時は正極)に蓄積するため、電極上の電荷が打ち消されて電極反応を著しく阻害する。同様に、リチウム以外のカチオンにおいては放電時に正極近傍(充電時は負極近傍)に蓄積し電極反応への阻害につながる。これらにより、充放電時の電極が大きく分極してしまい電池電圧が低下し、容量を損なうこととなる。
【0006】
一般的に、リチウム塩として使用されているLiClO4、LiPF6などの塩は、有機溶媒中でイオンに解離し伝導度に寄与する。しかし、これらの塩を用いた場合、イオン伝導機構が一般的にバイイオン(アニオン及びカチオン)によるものとなるため、リチウムイオンの輸率は小さくなる。リチウムイオンの輸率を上げるために、シングルイオン伝導型の電解質の開発が行われているが、イオン伝導度とリチウムイオンの輸率を共に満足するような電解質は実現されておらず、そのような電解質の開発が望まれている。
【0007】
【特許文献1】
特許2715309号公報(3−4頁)
【特許文献2】
特公平7−32022号公報(4−5頁)
【特許文献3】
特開2000−11753号公報(4頁、表2)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、高いイオン伝導度及び高いリチウムイオンの輸率の実現を可能とする高分子電解質を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、このような問題点を解決するために鋭意努力を重ねた結果、LiClO4やLiPF6などのような、重合性官能基を持たず有機溶媒中で解離してイオンとなる塩を使用しなくても、リチウムイオンを系中に導入可能なリチウムを含有するモノマーを用い、さらにリチウムを含有するモノマーからのリチウムイオンの解離を促進するためにイオン的相互作用を有する塩モノマーを同時に添加することにより、良好なイオン伝導度及びリチウムイオンの輸率が得られることを見出し、さらに検討を進めて本発明を完成するに至った。
【0010】
即ち本発明は、
(1) 重合性官能基を有するリチウム塩モノマーと、二重結合を有する酸成分を有するモノマーと二重結合を有する四級のアンモニウム塩を有するモノマーからなる多官能性塩モノマーとから得られることを特徴とするリチウムイオン伝導性全固体型電解質、
(2) さらに、化学架橋成分を含んで得られる第(1)項記載のリチウムイオン伝導性全固体電解質、
(3) 重合性官能基を有するリチウム塩モノマーが、重合性官能基を有するカルボン酸リチウム塩モノマー、重合性官能基を有するスルホン酸リチウム塩モノマーおよび重合性官能基を有するフェノールリチウム塩モノマーの中から選ばれる第(1)項または第(2)項記載のリチウムイオン伝導性全固体電解質、さらには、
(4) 第(1)項〜第(3)項のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性全固体電解質に用いられる成分と有機溶媒を含んで得られるリチウムイオン伝導性ゲル状電解質
を提供するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明で使用される重合性官能基を有するリチウム塩モノマーとしては、重合性官能基を有するカルボン酸リチウム塩、重合性官能基を有するスルホン酸リチウム塩、重合性官能基を有するフェノールリチウム塩が好ましい。重合性官能基としては、アクリル基、メタクリル基やビニル基が好適に挙げられ、これらを有する前記好ましいリチウム塩モノマーとして具体的には、アクリル酸リチウム、メタクリル酸リチウム、2−ビニルベンゼンスルホン酸リチウム、3−ビニルベンゼンスルホン酸リチウム、4-ビニルベンゼンスルホン酸リチウム、2−メチル−1−ペンテン−1−スルホン酸リチウム、1−オクテン−1−スルホン酸リチウム、4−ビニルベンゼンメタンスルホン酸リチウム、2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸リチウム、2−ビニルフェノールリチウム塩、3−ビニルフェノールリチウム塩、4−ビニルフェノールリチウム塩などが挙げられる。重合性官能基を有するリチウム塩モノマーは、リチウムイオンを高分子電解質に導入するために使用されるが、そのカウンターイオンとなる成分が重合成官能基を含有するため、高分子電解質が形成された後、ポリマーマトリックス中に取り込まれ、カウンターイオンが充放電時に電極へ移動してしまうのを抑制することができる。それにより電極近傍での蓄積を防ぎ電池の容量の低下、あるいはサイクル特性の著しい低下を阻止することが可能となる。
【0012】
重合性官能基を有するリチウム塩モノマーの合成の例としては、カルボン酸を用いる場合、二重結合を有するカルボン酸のメタノール溶液を調製し、それに水酸化リチウムを添加し、攪拌反応させることにより、カルボキシル基をリチウム化し、アセトンを加えて生成物を析出させる方法が挙げられる。
【0013】
さらに、本発明に用いる二重結合を有する酸成分を有するモノマーと二重結合を有する四級のアンモニウム塩を有するモノマーからなる多官能性塩モノマーは、二重結合を有する四級のアンモニウム塩と二重結合を有する酸成分から合成される多官能性塩モノマーである。二重結合を有する四級のアンモニウム塩としては、中でも、そのクロリドが挙げられる。例えば、2−メタクリル酸エチルトリメチルアンモニウムクロリド、3−アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、2−アクリル酸エチルトリメチルアンモニウムクロリド、3−メタクリル酸アミドプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、メタクリル酸ジメチルアミノエチルベンジルクロライドなどが挙げられる。二重結合を有する酸成分として、好ましくは、二重結合を有するカルボン酸やスルホン酸などが挙げられるが、前記二重結合を有するアミン成分とイオン結合を形成可能な酸成分であれば、特に限定されるものではない。中でも、ゲルに導入された場合の分極の大きさ、また塩モノマー合成時の容易さから酸性度の高い二重結合を有するスルホン酸が好ましい。例を挙げると、2−ビニルベンゼンスルホン酸、3−ビニルベンゼンスルホン酸、4−ビニルベンゼンスルホン酸、2−メチル−1−ペンテン−1−スルホン酸、1−オクテン−1−スルホン酸、4−ビニルベンゼンメタンスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸などを用いることが可能である。
【0014】
本発明で用いられる二重結合を有する酸成分を有するモノマーと二重結合を有する四級のアンモニウム塩を有するモノマーからなる多官能性塩モノマーを合成する方法の例としては、二重結合を有するスルホン酸を水に溶かし、その溶液にスルホン酸に対して、0.6当量の炭酸銀を加えてスルホン酸を銀化させ、得られた溶液を濾過して二重結合を有するスルホン酸銀の水溶液を得る。この溶液に二重結合を有する四級のアンモニウム塩のクロライド水溶液を滴下させ、電導度を追跡しながら反応させる。反応が進行するにつれて析出する塩化銀を濾過により取り除き、得られた溶液を濃縮した後、再結晶させる。あるいはテトラヒドロフランを添加することによりイオン的相互作用を有する多官能性モノマーを析出させる方法が挙げられる。
【0015】
また、本発明で使用される化学架橋成分の例としては、N,N'−メチレンビスアクリルアミド、エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジアクリルレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリルレート、ネオペンチルグリコージアクリルレート、トリプロピレングリコールジアクリルレート、ポリプロピレングリコールジアクリルレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、テトラメチロールメタンテトラアクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールイメタクリレート、1,3−ブチレングリコールイメタクリレート、1,6−ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレートなどが挙げられる。化学架橋成分の添加により、ゲル電解質の熱安定性が向上するが、化学架橋部分を含まず分子間力でゲル形成を可能にするポリアクリロニトリルやポリフッ化ビニリデンなどのゲル電解質は、高温での安定性が、化学架橋成分を含有するゲル電解質と比べて劣ることから、これらにおいて化学架橋成分を添加することは好ましい。
【0016】
さらに、本発明に用いる有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、N−メチル−2−ピロリドンなどが挙げられ、これらは単独、または2種以上を混合して用いることができる。
【0017】
本発明の電解質における高分子ネットワークの形成のために、熱を加える方法、可視、紫外領域の光を照射する方法、電子線などの放射線を照射する方法など種々の方法が適用できる。熱による重合では、必要に応じて熱重合開始剤を添加することができる。熱重合開始剤の例としては、アゾビスイソブチロニトリルなどのアゾ系重合開始剤、過酸化ベンゾイルなどの過酸化物系重合開始剤などが挙げられる。
【0018】
本発明のリチウムイオン伝導性ポリマー電解質を得る方法の例としては、重合性官能基を有するリチウム塩モノマーおよび二重結合を有する酸成分を有するモノマーと二重結合を有する四級のアンモニウム塩を有するモノマーからなる多官能性塩モノマー、必要に応じて、化学架橋成分を、有機溶媒に添加し均一になるまで室温で攪拌して、溶液1を得る。溶液1の調製と並行して、アゾビスイソブチロニトリルなどのアゾ系重合開始剤、あるいは、過酸化ベンゾイルなどの過酸化物系重合開始剤を溶媒に溶解したものを溶液1に添加し攪拌して溶液2を得る。こうして得られた溶液2を、10分ないし2時間程度、60から80℃のオーブンに入れることにより、重合性官能基を有するリチウム塩モノマーと、二重結合を有する酸成分を有するモノマーと二重結合を有する四級のアンモニウム塩を有するモノマーからなる多官能性塩モノマー、化学架橋成分からなる共重合体が得られ、ポリマーを生成すると同時に、それが有機溶媒でゲル化されたシングルイオン伝導型のリチウムイオン伝導性ゲル状電解質が得られる。上記で溶媒を使用しない場合、シングルイオン伝導型のリチウムイオン伝導性全固体電解質が得られる。
【0019】
本発明のリチウムイオン伝導性ゲル状電解質およびリチウムイオン伝導性全固体型電解質において、各成分の割合の例としては、重合性官能基を有するリチウム塩モノマーが、好ましくは5mmol/L 〜5mol/L、より好ましくは、10mmol/L〜2mol/Lに対し、塩モノマー酸成分を有するモノマーと塩基成分を有するモノマーからなる多官能性塩モノマーが、好ましくは10mmol/L 〜2mol/L、より好ましくは、50mmol/L 〜1mol/Lであり、化学架橋成分が、好ましくは5mmol/L 〜500mmol/L、より好ましくは10mmol/L 〜200mmol/Lである。また、重合開始剤が、5mmol/L 〜100mmol/L が望ましい。
【0020】
本発明のリチウムイオン伝導性ゲル状電解質およびリチウムイオン伝導性全固体型電解質は、電池、電気二重層キャパシタ、エレクトロクロミック及びその他の電気化学デバイス用材料等として有用である。
【0021】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【0022】
[実施例1]
<重合性官能基を有するリチウム塩モノマーの合成>
アクリル酸3.61g(50mmol)と水酸化リチウム1.0g(42mmol)を25mlのメタノールに溶解し、室温で2時間反応させた。得られた溶液を500mlのアセトンに滴下すると白色沈殿を生じた。得られた白色沈殿をアセトンで数回洗浄した後、濾過して回収した。それを室温で真空乾燥機を用い乾燥させ、2.8gのアクリル酸リチウム(白色粉末)を得た。収率は85.5%であった。
【0023】
<酸成分を有するモノマーと塩基成分を有するモノマーからなる多官能性塩モノマー(以下、多官能性塩モノマーとする)の合成>
2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸10.36g(50mmol)を水500mlに溶解し、それに炭酸銀8.27g(30mmol))を添加して、8時間攪拌し、濾過後無色透明の液を得た。3−メタクリル酸アミドプロピルトリメチルアンモニウムクロリドの水溶液を、100mmol/Lになるように調製し、得られた液に滴下反応させた。 反応の進行と同時に塩化銀の白色固体が析出した。反応は導電率計で、導電率を測定しながら行った。3−メタクリル酸アミドプロピルトリメチルアンモニウムクロリドの水溶液を、492.0ml滴下した時点で、導電率が最小値を示し、その点を終点とした。濾過により析出した塩化銀を取り除き、無色透明の水溶液を得た。濾液をエバポレーターにより濃縮し、少し粘調な水溶液を得た。
得られた水溶液をエタノールで希釈した後、テトラヒドロフランを添加し、白色の結晶物が出始めた時点で添加をやめ、冷蔵庫で冷却した。濾過により得られた白色結晶を真空乾燥し、示差走査熱分析(DSC)により生成物の融点の確認を行い、得られた化合物が単一の多官能性塩モノマーであることを確認した。
【0024】
<シングルイオン伝導型ゲル状電解質の合成と評価>
上記の多官能性塩モノマー0.117g(0.3mmol)、アクリル酸リチウム0.117g(1.5mmol)、メチレンビスアクリルアミド0.023g(0.15mmol)を試験管に入れ、それにN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMP)溶媒2.5mlを添加し、攪拌して溶解させる。得られた溶液を脱気し、それに過酸化ベンゾイル0.029g(0.12mmol)をNMP1.0mlに溶解したものを0.5ml添加した。攪拌後、得られた均一な透明溶液を80℃に加熱し、15分後乳白色のゲル状電解質を得た。ゲル状電解質の作製は、アルゴン雰囲気下で行った。
上記で得られたリチウムイオン伝導性ゲル状電解質の伝導度を、交流インピーダンス法により室温で測定した。測定した周波数範囲は50Hz〜30MHz、電圧は0.5Vで行った。測定結果は、2.5×10-4S/cmであった。また、直流分極測定及び交流インピーダンス測定を併用して(「導電性高分子」、緒方直哉編)リチウムイオンの輸率の測定を行った。直流分極電圧は10mVで行ったところ、0.98の結果を得た。
【0025】
[実施例2]
<シングルイオン伝導型ゲル状電解質の合成と評価>
実施例1におけるゲル状電解質の作製において、アクリル酸リチウムの代わりに4−ビニルベンゼンスルホン酸リチウム0.570g(0.3mmol)を用いて、実施例1と同様の方法で白色のゲル状電解質を得た。得られたリチウムイオン伝導性ゲル状電解質のイオン伝導度は、1.7×10-4S/cmであった。またリチウムイオンの輸率は0.99の結果を得た。
【0026】
[実施例3]
<シングルイオン伝導型ゲル状電解質の合成と評価>
実施例1におけるゲル状電解質の作製において、アクリル酸リチウムの代わりに4−ビニルフェノールリチウム塩0.378g(0.3mmol)を用いて、実施例1と同様の方法で白色のゲル状電解質を得た。得られたリチウムイオン伝導性ゲル状電解質のイオン伝導度は、1.2×10-4S/cmであった。またリチウムイオンの輸率は0.98の結果を得た。
【0027】
[実施例4]
<シングルイオン伝導型の全固体型電解質の合成と評価>
実施例1と同様にして得た多官能性塩モノマー0.117g(0.3mmol)、アクリル酸リチウム0.117g(1.5mmol)を試験管に入れ、それにメチルアルコールを2.5ml添加し、攪拌して溶解させた。得られた溶液を脱気し、それに過酸化ベンゾイル0.029g(0.12mmol)をメチルアルコール1.0mlに溶解したものを0.5ml添加した。攪拌後、得られた均一な透明溶液をテフロン(登録商標)の板上に塗布し、80℃で1時間加熱し重合を行った。さらに、100℃で1時間、真空乾燥機に入れ、メタノールを完全に除去した。このようにして、厚み約300μmのフィルムを作製した。全固体電解質膜の作製は、アルゴン雰囲気下で行った。得られた全固体型電解質膜のイオン伝導度は、1.1×10-6S/cmであった。またリチウムイオンの輸率は0.99の結果を得た。
【0028】
[比較例1]
<バイイオン伝導型のリチウムイオン伝導性ゲル状電解質の合成とイオン伝導度の評価>
実施例1の多官能性塩モノマー0.117g(0.3mmol)、アクリル酸メチル0.430g(5.0mmol)、メチレンビスアクリルアミド0.023g(0.15mmol)を試験管に入れ、それに、LiClO4をNMPに溶かして1mol/Lの濃度に調製した溶液を2.5ml添加し、攪拌して溶解させる。得られた溶液を脱気し、それに過酸化ベンゾイル0.029g(0.12mmol)を、上記のLiClO4のNMP溶液1.0mlに溶かしたものを0.5ml添加した。攪拌後、得られた均一な透明溶液を80℃に加熱し、15分後乳白色のリチウムイオン伝導性ゲル状電解質を得た。ゲル電解質の作製は、アルゴン雰囲気下で行った。
上記で得られたリチウムイオン伝導性ゲル状電解質のイオン伝導度は、3.3×10-3S/cmであり、リチウムイオンの輸率は0.25であった。比較例1のイオン伝導度は、3.3×10-3S/cmと高い値を示したが、リチウムイオンの輸率はバイイオン伝導型の機構を取るため0.25と非常に低くなった。
【0029】
[比較例2]
<バイイオン伝導型の全固体型電解質の合成とイオン伝導度の評価>
実施例1の多官能性塩モノマー0.117g(0.3mmol)、アクリル酸メチル0.430g(5.0mmol)、LiClO40.160g(1.5mmol)を試験管に入れ、それにメチルアルコールを2.5ml添加し、攪拌して溶解させる。得られた溶液を脱気し、それに過酸化ベンゾイル0.029g(0.12mmol)をメチルアルコール1.0mlに溶かしたものを0.5ml添加した。攪拌後、得られた均一な透明溶液を、テフロン(登録商標)の板上に塗布し、80℃で1時間加熱し重合を行った。さらに、100℃で1時間真空乾燥機に入れ、メタノールを完全に除去した。このようにして厚み約300μmのフィルムが得られた。全固体電解質膜の作製は、アルゴン雰囲気下で行った。得られた全固体型電解質膜のイオン伝導度は、1.0×10-6S/cmであった。またリチウムイオンの輸率は0.40の結果を得た。
【0030】
【発明の効果】
本発明によれば、高いイオン伝導度と高いイオン輸率を両立し、特に、イオン輸率は0.98と非常に高いため、放電容量が高くなると考えられる。このようなポリマー電解質は、電池、電気二重キャパシタ及びその他の電気化学デバイス用材料として有用である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium ion conductive all solid electrolyte and a lithium ion conductive gel electrolyte.
[0002]
[Prior art]
As electronic devices become smaller and lighter and more portable, lithium secondary batteries having the characteristics of high voltage and high energy density have attracted attention in recent years and are actively researched and developed. It is also a highly anticipated field in the development of electric vehicles and the like. Against this background, it is expected that a lithium secondary battery capable of realizing higher voltage and higher energy density will be required in the future.
[0003]
As an electrolyte of a conventional electric device, generally a liquid electrolyte, in particular, an ionic compound dissolved in an organic electrolytic solution has been used, but the liquid electrolyte is liquid leakage to the outside, volatilization, Since elution of the electrode material is likely to occur, long-term reliability has been a problem. Further, in order to solve these problems, a strong material such as a steel can is required as a package, but it is heavy and is not suitable for making electronic devices lighter and more portable. The use of aluminum cans as a packaging material is very effective for reducing the weight of the battery, but it is inferior in strength compared to steel cans. It is necessary also from the point of safety such as, and various studies have been conducted.
[0004]
The ion conductive polymer electrolyte is used as a method for making the electrolyte non-liquefied, but the ion conductive polymer electrolyte is often classified into two types for convenience. One is a gel electrolyte in which the electrolyte is gelled with a polymer compound to eliminate the fluidity of the electrolyte as an electrolyte. In this case, a battery with excellent reliability such as leakage resistance and storage can be configured. Has the advantage. As another method, there is an all-solid-state solid electrolyte that does not use an organic solvent at all, or uses an organic solvent having a low boiling point at the time of electrolyte synthesis, and then removes the organic solvent having a low boiling point by heating or the like.
[0005]
The gel electrolyte, for example, a semi-solid polymer electrolyte membrane is proposed, the ion conductivity of 10- 4 S / cm has been achieved (e.g., Patent Document 1). There are also cases where the lithium ion conductive gel electrolyte comprising a lithium salt and a polymer polymer has been proposed, ionic conductivity of 10- 4 S / cm has been achieved (e.g., Patent Document 2). On the other hand, the all-solid electrolyte, for example, imidazolium molten salt electrolyte is proposed, ion conductivity of the polymer 10- 7 S / cm has been achieved (e.g., Patent Document 3). The high ionic conductivity of polymer electrolytes is one of the most important items for improving battery performance. If an electrolyte with a low conductivity is incorporated in the battery, the internal resistance increases, causing a significant loss of battery capacity. It becomes. In addition to ionic conductivity, it is also very important that the lithium ion transport number is high in order to improve battery performance, and the lithium ion transport number is low, that is, it contributes to the conductivity of ions other than lithium ions. Is large, the anion accumulates in the vicinity of the negative electrode at the time of discharging (positive electrode at the time of charging), so that the charge on the electrode is canceled and the electrode reaction is significantly inhibited. Similarly, cations other than lithium accumulate near the positive electrode during discharge (near the negative electrode during charging), leading to inhibition of the electrode reaction. As a result, the electrode at the time of charging / discharging is largely polarized, the battery voltage is lowered, and the capacity is impaired.
[0006]
Generally, salts such as LiClO 4 and LiPF 6 used as lithium salts dissociate into ions in an organic solvent and contribute to conductivity. However, when these salts are used, since the ion conduction mechanism is generally based on biions (anions and cations), the transport number of lithium ions becomes small. In order to increase the transport number of lithium ions, single ion conduction type electrolytes have been developed, but no electrolyte that satisfies both the ionic conductivity and the transport number of lithium ions has been realized. Development of a simple electrolyte is desired.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2715309 (page 3-4)
[Patent Document 2]
Japanese Examined Patent Publication No. 7-32022 (page 4-5)
[Patent Document 3]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-11753 (page 4, table 2)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte capable of realizing high ion conductivity and high lithium ion transport number.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive efforts to solve such problems, the present inventors do not have a polymerizable functional group, such as LiClO 4 or LiPF 6 , and dissociate into an ion in an organic solvent. A salt monomer that uses a lithium-containing monomer capable of introducing lithium ions into the system without using a salt, and further has an ionic interaction to promote dissociation of the lithium ion from the lithium-containing monomer It has been found that the addition of can simultaneously improve the ionic conductivity and the transport number of lithium ions, and further studies have been made to complete the present invention.
[0010]
That is, the present invention
(1) Obtained from a lithium salt monomer having a polymerizable functional group, a monomer having an acid component having a double bond, and a polyfunctional salt monomer composed of a monomer having a quaternary ammonium salt having a double bond. Lithium ion conductive all solid electrolyte, characterized by
(2) Furthermore, the lithium ion conductive all solid electrolyte according to item (1) obtained by including a chemical crosslinking component,
(3) The lithium salt monomer having a polymerizable functional group is a carboxylic acid lithium salt monomer having a polymerizable functional group, a sulfonic acid lithium salt monomer having a polymerizable functional group, and a phenol lithium salt monomer having a polymerizable functional group. The lithium ion conductive all solid electrolyte according to item (1) or (2), selected from:
(4) Provided is a lithium ion conductive gel electrolyte obtained by including a component used in the lithium ion conductive all solid electrolyte according to any one of items (1) to (3) and an organic solvent. It is.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of the lithium salt monomer having a polymerizable functional group used in the present invention include a lithium carboxylate having a polymerizable functional group, a lithium sulfonate having a polymerizable functional group, and a phenol lithium salt having a polymerizable functional group. preferable. Preferred examples of the polymerizable functional group include an acryl group, a methacryl group, and a vinyl group, and specific examples of the preferable lithium salt monomer having these include lithium acrylate, lithium methacrylate, and lithium 2-vinylbenzenesulfonate. Lithium 3-vinylbenzenesulfonate, lithium 4-vinylbenzenesulfonate, lithium 2-methyl-1-pentene-1-sulfonate, lithium 1-octene-1-sulfonate, lithium 4-vinylbenzenemethanesulfonate, Examples include lithium 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonate, 2-vinylphenol lithium salt, 3-vinylphenol lithium salt, and 4-vinylphenol lithium salt. The lithium salt monomer having a polymerizable functional group is used to introduce lithium ions into the polymer electrolyte, but the polymer electrolyte was formed because the component serving as the counter ion contains a polysynthetic functional group. Thereafter, it is taken into the polymer matrix, and counter ions can be prevented from moving to the electrode during charging and discharging. As a result, accumulation near the electrodes can be prevented, and a decrease in battery capacity or a significant decrease in cycle characteristics can be prevented.
[0012]
As an example of synthesis of a lithium salt monomer having a polymerizable functional group, when a carboxylic acid is used, a methanol solution of a carboxylic acid having a double bond is prepared, lithium hydroxide is added thereto, and a stirring reaction is performed. A method in which the carboxyl group is lithiated and acetone is added to precipitate the product.
[0013]
Furthermore, polyfunctional salt monomer consisting of monomers having quaternary ammonium salt monomer having a double bond with an acid component having a double bond used in the present invention includes a quaternary ammonium salt having a double bond Ru polyfunctional salt monomer der synthesized from an acid component having a double bond. The quaternary ammonium salts having a double bond, among its chloride and the like. Examples thereof include 2-ethyltrimethylammonium chloride chloride, 3-acrylamidopropyltrimethylammonium chloride, 2-ethyltrimethylammonium acrylate chloride, 3-methacrylamidopropyltrimethylammonium chloride, and dimethylaminoethylbenzyl chloride methacrylate. Preferred examples of the acid component having a double bond include carboxylic acids and sulfonic acids having a double bond, and any acid component capable of forming an ionic bond with an amine component having a double bond is particularly preferable. It is not limited. Among them, a sulfonic acid having a double bond with a high acidity is preferable from the viewpoint of the magnitude of polarization when introduced into a gel and ease of synthesis of a salt monomer. For example, 2-vinylbenzenesulfonic acid, 3-vinylbenzenesulfonic acid, 4-vinylbenzenesulfonic acid, 2-methyl-1-pentene-1-sulfonic acid, 1-octene-1-sulfonic acid, 4- Vinylbenzenemethanesulfonic acid, 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid, and the like can be used.
[0014]
An example of a method for synthesizing a multifunctional salt monomer comprising a monomer having an acid component having a double bond and a monomer having a quaternary ammonium salt having a double bond used in the present invention has a double bond. Dissolve the sulfonic acid in water, add 0.6 equivalent of silver carbonate to the sulfonic acid to silverize the sulfonic acid, and filter the resulting solution to obtain a silver sulfonate having a double bond. An aqueous solution is obtained. A quaternary ammonium chloride aqueous solution having a double bond is dropped into this solution, and the reaction is carried out while tracking the conductivity. As the reaction proceeds, the silver chloride precipitated is removed by filtration, and the resulting solution is concentrated and recrystallized. Or the method of depositing the polyfunctional monomer which has ionic interaction by adding tetrahydrofuran is mentioned.
[0015]
Examples of chemical crosslinking components used in the present invention include N, N′-methylenebisacrylamide, ethylene glycol diacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, polyethylene glycol diacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate. , Neopentyl glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, polypropylene glycol diacrylate, trimethylol propane trimethacrylate, trimethylol propane triacrylate, tetramethylol methane tetraacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, polyethylene glycol imethacrylate, 1,3-butylene glycol dimethacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, neopentyl glycol dimethacrylate Rate and so on. Addition of chemical cross-linking components improves the thermal stability of gel electrolytes, but gel electrolytes such as polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride that do not contain chemical cross-linking moieties and enable gel formation by intermolecular force are stable at high temperatures. Therefore, it is preferable to add a chemical cross-linking component to the gel electrolyte containing the chemical cross-linking component.
[0016]
Furthermore, examples of the organic solvent used in the present invention include propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, γ-butyrolactone, and N-methyl-2-pyrrolidone. It can use individually or in mixture of 2 or more types.
[0017]
In order to form a polymer network in the electrolyte of the present invention, various methods such as a method of applying heat, a method of irradiating light in the visible and ultraviolet regions, and a method of irradiating radiation such as an electron beam can be applied. In the polymerization by heat, a thermal polymerization initiator can be added as necessary. Examples of the thermal polymerization initiator include azo polymerization initiators such as azobisisobutyronitrile, peroxide polymerization initiators such as benzoyl peroxide, and the like.
[0018]
Examples of a method of obtaining a lithium ion conductive polymer electrolyte of the present invention, a lithium salt monomer having a polymerizable functional group, and a monomer with quaternary ammonium salt having a double bond with an acid component having a double bond A multifunctional salt monomer comprising a monomer having a chemical crosslinking component, if necessary, is added to an organic solvent and stirred at room temperature until uniform to obtain solution 1. In parallel with the preparation of Solution 1, an azo polymerization initiator such as azobisisobutyronitrile or a peroxide polymerization initiator such as benzoyl peroxide dissolved in a solvent is added to Solution 1 and stirred. Thus, solution 2 is obtained. The solution 2 thus obtained is placed in an oven at 60 to 80 ° C. for about 10 minutes to 2 hours, whereby a lithium salt monomer having a polymerizable functional group, a monomer having an acid component having a double bond, and a double A polyfunctional salt monomer composed of a monomer having a quaternary ammonium salt having a bond, a copolymer composed of a chemical crosslinking component is obtained, and at the same time, a polymer is formed, and at the same time, it is gelled with an organic solvent and is a single ion conduction type Lithium ion conductive gel electrolyte can be obtained. When no solvent is used in the above, a single ion conduction type lithium ion conductive all solid electrolyte is obtained.
[0019]
In the lithium ion conductive gel electrolyte and the lithium ion conductive all solid electrolyte of the present invention, as an example of the ratio of each component, a lithium salt monomer having a polymerizable functional group is preferably 5 mmol / L to 5 mol / L. More preferably, for 10 mmol / L to 2 mol / L, a polyfunctional salt monomer composed of a monomer having a salt monomer acid component and a monomer having a base component is preferably 10 mmol / L to 2 mol / L, more preferably , 50 mmol / L to 1 mol / L, and the chemical crosslinking component is preferably 5 mmol / L to 500 mmol / L, more preferably 10 mmol / L to 200 mmol / L. The polymerization initiator is preferably 5 mmol / L to 100 mmol / L.
[0020]
The lithium ion conductive gel electrolyte and the lithium ion conductive all solid electrolyte of the present invention are useful as batteries, electric double layer capacitors, electrochromic and other materials for electrochemical devices.
[0021]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited at all by this.
[0022]
[Example 1]
<Synthesis of a lithium salt monomer having a polymerizable functional group>
Acrylic acid 3.61 g (50 mmol) and lithium hydroxide 1.0 g (42 mmol) were dissolved in 25 ml of methanol and reacted at room temperature for 2 hours. When the obtained solution was dropped into 500 ml of acetone, a white precipitate was formed. The resulting white precipitate was washed several times with acetone and collected by filtration. It was dried using a vacuum dryer at room temperature to obtain 2.8 g of lithium acrylate (white powder). The yield was 85.5%.
[0023]
<Synthesis of a polyfunctional salt monomer (hereinafter referred to as a polyfunctional salt monomer) comprising a monomer having an acid component and a monomer having a base component>
Dissolve 10.36 g (50 mmol) of 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid in 500 ml of water, add 8.27 g (30 mmol) of silver carbonate to the solution, stir for 8 hours, and after filtration, colorless and transparent Liquid was obtained. An aqueous solution of 3-methacrylic acid amidopropyltrimethylammonium chloride was prepared so as to be 100 mmol / L, and the obtained liquid was subjected to a drop reaction. As the reaction proceeded, a silver chloride white solid precipitated. The reaction was carried out while measuring the conductivity with a conductivity meter. When 492.0 ml of an aqueous solution of 3-methacrylic acid amidopropyltrimethylammonium chloride was dropped, the conductivity showed the minimum value, and this point was regarded as the end point. Silver chloride precipitated by filtration was removed to obtain a colorless and transparent aqueous solution. The filtrate was concentrated by an evaporator to obtain a slightly viscous aqueous solution.
After diluting the obtained aqueous solution with ethanol, tetrahydrofuran was added, and when a white crystalline substance started to appear, the addition was stopped and the mixture was cooled in a refrigerator. White crystals obtained by filtration were vacuum-dried and the melting point of the product was confirmed by differential scanning calorimetry (DSC) to confirm that the obtained compound was a single polyfunctional salt monomer.
[0024]
<Synthesis and evaluation of single ion conductive gel electrolyte>
0.117 g (0.3 mmol) of the above polyfunctional salt monomer, 0.117 g (1.5 mmol) of lithium acrylate, and 0.023 g (0.15 mmol) of methylenebisacrylamide were placed in a test tube, and N-methyl- Add 2.5 ml of 2-pyrrolidone (hereinafter NMP) solvent and dissolve by stirring. The obtained solution was degassed, and 0.5 ml of 0.029 g (0.12 mmol) of benzoyl peroxide dissolved in 1.0 ml of NMP was added thereto. After stirring, the obtained uniform transparent solution was heated to 80 ° C., and after 15 minutes, a milky white gel electrolyte was obtained. The gel electrolyte was produced in an argon atmosphere.
The conductivity of the lithium ion conductive gel electrolyte obtained above was measured at room temperature by the AC impedance method. The measured frequency range was 50 Hz to 30 MHz, and the voltage was 0.5 V. The measurement result was 2.5 × 10 −4 S / cm. Moreover, the transport number of lithium ions was measured using DC polarization measurement and AC impedance measurement together ("Conductive polymer", edited by Naoya Ogata). When the DC polarization voltage was 10 mV, a result of 0.98 was obtained.
[0025]
[Example 2]
<Synthesis and evaluation of single ion conductive gel electrolyte>
In the preparation of the gel electrolyte in Example 1, 0.570 g (0.3 mmol) of lithium 4-vinylbenzenesulfonate was used instead of lithium acrylate, and a white gel electrolyte was prepared in the same manner as in Example 1. Obtained. The ionic conductivity of the obtained lithium ion conductive gel electrolyte was 1.7 × 10 −4 S / cm. The lithium ion transport number was 0.99.
[0026]
[Example 3]
<Synthesis and evaluation of single ion conductive gel electrolyte>
In preparation of the gel electrolyte in Example 1, a white gel electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.378 g (0.3 mmol) of 4-vinylphenol lithium salt was used instead of lithium acrylate. It was. The obtained lithium ion conductive gel electrolyte had an ionic conductivity of 1.2 × 10 −4 S / cm. The lithium ion transport number was 0.98.
[0027]
[Example 4]
<Synthesis and Evaluation of Single Ion Conductive All Solid Electrolyte>
0.117 g (0.3 mmol) of a polyfunctional salt monomer obtained in the same manner as in Example 1 and 0.117 g (1.5 mmol) of lithium acrylate were placed in a test tube, and 2.5 ml of methyl alcohol was added thereto. Stir to dissolve. The obtained solution was degassed, and 0.5 ml of 0.029 g (0.12 mmol) of benzoyl peroxide dissolved in 1.0 ml of methyl alcohol was added thereto. After stirring, the obtained uniform transparent solution was applied on a Teflon (registered trademark) plate and polymerized by heating at 80 ° C. for 1 hour. Furthermore, it put into the vacuum dryer at 100 degreeC for 1 hour, and methanol was removed completely. In this way, a film having a thickness of about 300 μm was produced. The all solid electrolyte membrane was produced under an argon atmosphere. The ionic conductivity of the obtained all solid electrolyte membrane was 1.1 × 10 −6 S / cm. The lithium ion transport number was 0.99.
[0028]
[Comparative Example 1]
<Synthesis and evaluation of ionic conductivity of biion conductive lithium ion conductive gel electrolyte>
0.117 g (0.3 mmol) of the polyfunctional salt monomer of Example 1, 0.430 g (5.0 mmol) of methyl acrylate, and 0.023 g (0.15 mmol) of methylenebisacrylamide were placed in a test tube, and LiClO was added thereto. Add 2.5 ml of a solution prepared by dissolving 4 in NMP to a concentration of 1 mol / L, and dissolve by stirring. The resulting solution was degassed, and 0.5 ml of 0.029 g (0.12 mmol) of benzoyl peroxide dissolved in 1.0 ml of the above-described LiClO 4 NMP solution was added thereto. After stirring, the obtained uniform transparent solution was heated to 80 ° C., and after 15 minutes, a milky white lithium ion conductive gel electrolyte was obtained. The gel electrolyte was produced under an argon atmosphere.
The lithium ion conductive gel electrolyte obtained above had an ionic conductivity of 3.3 × 10 −3 S / cm and a lithium ion transport number of 0.25. The ionic conductivity of Comparative Example 1 was as high as 3.3 × 10 −3 S / cm, but the lithium ion transport number was as low as 0.25 because of the biionic conduction type mechanism. .
[0029]
[Comparative Example 2]
<Synthesis and evaluation of ionic conductivity of all-solid electrolytes of biionic conductivity type>
0.117 g (0.3 mmol) of the polyfunctional salt monomer of Example 1, 0.430 g (5.0 mmol) of methyl acrylate, and 0.160 g (1.5 mmol) of LiClO 4 were put in a test tube, and methyl alcohol was added thereto. Add 2.5 ml and stir to dissolve. The resulting solution was degassed, and 0.5 ml of 0.029 g (0.12 mmol) of benzoyl peroxide dissolved in 1.0 ml of methyl alcohol was added thereto. After stirring, the obtained uniform transparent solution was applied on a Teflon (registered trademark) plate and polymerized by heating at 80 ° C. for 1 hour. Furthermore, it put into the vacuum dryer at 100 degreeC for 1 hour, and methanol was removed completely. Thus, a film having a thickness of about 300 μm was obtained. The all solid electrolyte membrane was produced under an argon atmosphere. The ionic conductivity of the obtained all solid electrolyte membrane was 1.0 × 10 −6 S / cm. The lithium ion transport number was 0.40.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, both high ionic conductivity and high ionic transport number are compatible. Particularly, since the ionic transport number is very high at 0.98, it is considered that the discharge capacity is increased. Such polymer electrolytes are useful as materials for batteries, electric double capacitors and other electrochemical devices.

Claims (4)

重合性官能基を有するリチウム塩モノマーと、二重結合を有する酸成分を有するモノマーと二重結合を有する四級のアンモニウム塩を有するモノマーからなる多官能性塩モノマーとから得られることを特徴とするリチウムイオン伝導性全固体型電解質。It is obtained from a lithium salt monomer having a polymerizable functional group, a monomer having an acid component having a double bond, and a polyfunctional salt monomer composed of a monomer having a quaternary ammonium salt having a double bond. Lithium ion conductive all solid electrolyte. 化学架橋成分を含んで得られる請求項1記載のリチウムイオン伝導性全固体電解質。The lithium ion conductive all solid electrolyte according to claim 1 obtained by containing a chemical crosslinking component. 重合性官能基を有するリチウム塩モノマーが、重合性官能基を有するカルボン酸リチウム塩モノマー、重合性官能基を有するスルホン酸リチウム塩モノマーおよび重合性官能基を有するフェノールリチウム塩モノマーの中から選ばれる請求項1または2記載のリチウムイオン伝導性全固体電解質。The lithium salt monomer having a polymerizable functional group is selected from a carboxylic acid lithium salt monomer having a polymerizable functional group, a sulfonic acid lithium salt monomer having a polymerizable functional group, and a phenol lithium salt monomer having a polymerizable functional group The lithium ion conductive all solid electrolyte according to claim 1 or 2. 請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性全固体電解質に用いられる成分と有機溶媒を含んで得られるリチウムイオン伝導性ゲル状電解質。The lithium ion conductive gel electrolyte obtained by including the component and organic solvent which are used for the lithium ion conductive all solid electrolyte in any one of Claims 1-3.
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