JP4843905B2

JP4843905B2 - 高分子固体電解質の製造方法

Info

Publication number: JP4843905B2
Application number: JP2004087999A
Authority: JP
Inventors: 毅渡邉
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: JP2005276613A

Description

本発明は、高分子固体型電解質の製造方法に関するものである。

電子機器の小型軽量化やポータブル化に伴い、高電圧および高エネルギー密度などの特性を有するリチウム二次電池の研究開発が活発に行われている。特に最近のポータブル電子機器では、急速な性能向上に伴い、消費電力も急速に増大しつつある。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要求されている。

このようなリチウム二次電池に対応するため、イオン伝導度が高く、加工性に優れ、液保持性の良好な高分子固体電解質が求められ、このような高分子固体電解質には、一般的に、分子内にアルキレンオキシド基を有するアクリレート系モノマーが使用されている。また、最近では、常温で液状であるにもかかわらず、揮発性がほとんどなく、しかも、難燃性又は不燃性を有する常温溶融塩を利用する溶融塩型電解質が、安全性に優れているため盛んに検討されている。
上記で使用される化合物がモノマーである場合、液状のものが多く、常温で固体のモノマーと比較して常温での反応性が高いため、室温で長時間保管していると重合が進行してしまい、モノマーの安定性に欠け、保存性や長期信頼性が問題となる。そのため低温での保管が必要となり、低温環境設備のためにコストが高くなってしまうという問題がある。

一方、リチウム二次電池では、電解質中に含まれる水分やアルカリ金属イオンなどの微量の不純物が電池の性能、特にサイクル特性に悪影響を及ぼすことが知られている。そのためこのような不純物を取り除くための方法がいろいろ提案されている。例えば、アルカリ金属及びアルカリ土類金属イオンの総量を１００ｐｐｍ以下に抑制するための方法（例えば、特許文献１参照。）や、電解液に含まれる水分を低減させるために活性アルミナを使用する方法（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。

また、これら従来技術において、活性アルミナを使用する場合に懸念されるアルカリ金属の混入を避けるために活性アルミナに含まれる可溶性ナトリウム含量を予め処理して５０ｐｐｍ以下にしておくことが記載されているものの、この方法では、アルカリ金属の混入は避けることができても、もともとモノマー中にアルカリ金属などのイオン性不純物が含まれていた場合に低減させることはできない。このように、これらの文献には水分とアルカリ金属イオンの両方を低減させる効果的な方法は示されていない。

また、高分子固体電解質に使用する化合物が、常温で液状であり、かつ、重合性官能基を有するモノマーである場合、水分やアルカリ金属などの微量の不純物を除くにはさらに困難を要し、例えば、水分低減のために活性アルミナやその他の乾燥剤を使用することができるが、乾燥処理後アルカリ金属イオンなどが混入し、逆にアルカリ金属イオンなどのイオン性の不純物を取り除くために、イオン交換樹脂などが使用できると考えられるが、それらを用いることによって水分を混入させてしまうことが懸念される。常温で液状のモノマーは常温ですら長時間放置すると重合してしまうなどモノマーの安定性が良くないので、モノマーの沸点が高い場合には蒸留などの手段も適用困難となる。
以上の理由から、水分やアルカリ金属及びアルカリ土類金属イオンの両方を低減させ、サイクル特性を改善することが望まれている。

特開２００１−３３５７０７（段落００３８から００４０）特開２０００−５８１１９（段落０００９）

本発明は、優れた電池性能を実現できる高分子固体電解質の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、高分子固体電解質に用いる常温で固体のモノマー中の水分および金属不純物の含有量を一定量以下にすることにより、優れた電池性能、特に良好なサイクル特性を実現できることを見出した。またこのようにモノマー中の不純物を低減させる手段として有機溶媒からの再結晶が有効であることを見出し、さらに検討を進めて本発明を完成させるに至った。
即ち本発明は、常温で固体のモノマーより重合して得られる高分子を含んでなる高分子固体電解質であって、前記モノマーは、水分の含有量が２００ｐｐｍ以下且つアルカリ金属とアルカリ土類金属の含有量が２００ｐｐｍ以下であることを特徴とする高分子固体電解質であり、前記モノマーは、有機溶媒で再結晶させたものであることが好ましい。さらに、前記モノマーが、ラジカル重合性官能基を有する酸成分とラジカル重合性官能基を有するアンモニウム成分とから構成される塩モノマーであっても良い。
さらに、本発明は、前記高分子固体電解質を構成要素とすることを特徴とする二次電池である。

本発明によれば、優れた電池性能を発現できる高分子固体電解質を提供でき、これを用いた二次電池はさらにサイクル特性に優れる。

本発明は、常温で固体のモノマーより重合して得られる高分子を含んでなる固体高分子電解質であり、前記モノマーは、水分の含有量が２００ｐｐｍ以下であり、且つアルカリ金属とアルカリ土類金属の含有量が２００ｐｐｍ以下であることを特徴とするものである。水分や金属性不純物を低減させることにより、高分子固体電解質の充放電効率が改善され、その結果サイクル特性が向上するものである。本発明において常温とは、電池が通常作動すると考えられる温度を指し、−４０℃から１２０℃の温度範囲を意味する。本発明に用いるモノマーは、高分子固体電解質に含まれるリチウム電池に不適な水分とアルカリ金属とアルカリ土類金属イオンの含有量を低減させる上で、有機溶媒中で再結晶することがより好ましい。また、該モノマーは常温で固体であるため、室温での保存性が非常に優れる。

本発明に用いる常温で固体のモノマーとしては、該モノマー中に含まれる水分の含有量として、２００ｐｐｍ以下であり、１００ｐｐｍ以下であることがより好ましい。また、前記モノマー中に含まれるアルカリ金属とアルカリ土類金属の含有量としては、２００ｐｐｍ以下であり、１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。なお、これらの含有量については低ければ低いほど好ましい。但し、アルカリ土類金属において、リチウムイオンについては、その限りではない。

本発明に用いる常温で固体のモノマーに含まれる水分およびアルカリ金属とアルカリ土類金属の含有量を低減させる方法としては、前記有機溶媒中で再結晶させる方法が好ましいが、再結晶工程の前に水分を低減させておくことがより好ましい。水分量を低減したモノマーを有機溶媒中で再結晶することにより、前記モノマー中の、水分とアルカリ金属及びアルカリ土類金属イオンの両方を、同時に低減させることが可能となる。モノマーからイオン性不純物を除去する他の方法としては、イオン交換樹脂を用いた方法も挙げられるが、モノマーがイオン性モノマーである場合、この方法を用いることは困難であり、特に前記有機溶媒中での再結晶させる方法が好ましい。

前記再結晶工程前にモノマー中の水分量を低減させる方法としては、例えば、モノマーを有機溶媒に溶解させ、この溶液にモノマー中の含水量より乾燥剤の吸水量の方が多くなるように、適量の乾燥剤を添加し、２〜４８時間静置もしくは攪拌した状態で放置して乾燥処理を行い、濾過により乾燥剤を除去する方法が挙げられる。
前記乾燥剤としては、例えば、モレキュラーシーブ、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸ナトリウム、水素化カルシウム、酸化カルシウム、炭酸ナトリウムなどの既知の乾燥剤が挙げられる。これらの乾燥剤を使用するとアルカリ金属イオンなどのリチウムイオン以外のイオン性不純物を混入させてしまう可能性があるが、この後モノマーを再結晶することにより、イオン性不純物は除去される。また、得られた結晶を洗浄する操作を入れる方が好ましいが、その際に使用する溶媒も含水量が２００ｐｐｍ以下、リチウムイオン以外のアルカリ金属及びアルカリ土類金属イオンの総量が２００ｐｐｍ以下に制御された溶媒を使用することが好ましい。

本発明において、前記モノマーを再結晶する方法としては、例えば、まず、前記常温で固体のモノマーを有機溶媒に溶解させ、該モノマーの飽和溶液を調製する。このとき、モノマーを飽和濃度以下の濃度で溶解させた場合、濃縮などの操作を行って飽和溶液を調製する。次いで、飽和溶液を冷却するなどしてモノマーを結晶化させた後に、濾過により固体を回収する。次に、回収物を、モレキュラーシーブ、五酸化二リンなどの乾燥剤を備えたデシケータ中、減圧下で乾燥させる方法が挙げられる。前記再結晶で用いる有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、アセトン、アセトニトリル、ヘキサン、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート、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などが挙げられる。再結晶において、モノマーの精製の際に除去しにくい高沸点（例えば、２００℃程度以上）で、かつ、電気化学的に不安定な溶媒は避ける方が好ましい。

本発明に用いる常温で固体のモノマーとしては、アクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミドおよびＮ，Ｎ−メチレンビスアクリルアミドなどのアクリルアミド、メタクロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロライド、メタクロイルオキシエチルジチルベンジルアンモニウムクロライド、メタクロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、メタクリロイルアミノプロピルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、メタクロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムメチルサルフェート、メタクロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムメチルサルフェートおよびメタクロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウム−ｐ−トルエンスルホネートなどのイオン性モノマー、さらには、ラジカル重合性官能基を有する酸成分とラジカル重合性官能基を有するアンモニウム成分とから構成される塩モノマーなどが挙げられる。これらの中でも、高分子固体電解質において、より優れたイオン伝導性が得られるラジカル重合性官能基を有する酸成分とラジカル重合性官能基を有するアンモニウム成分とから構成される塩モノマーが好ましい。

前記ラジカル重合性官能基としては、アクリル基、メタクリル基、アクリルアミド基、メタクリルアミド基、スチリル基およびアリル基などが挙げられるが、ラジカル重合可能な重合性官能基であれば特に限定されない。

前記ラジカル重合性官能基を有する酸成分としては、前記ラジカル重合性官能基を有するカルボン酸やスルホン酸などの酸成分が挙げられ、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、フタル酸−２−（メタクリロイルオキシ）エチル、フタル酸−３−（メタクリロイルオキシ）エチル、フタル酸−４−（メタクリロイルオキシ）エチル、フタル酸−２−（アクリロイルオキシ）エチル、フタル酸−３−（アクリロイルオキシ）エチル、フタル酸−４−（アクリロイルオキシ）エチル、２−ビニル安息香酸、３−ビニル安息香酸および４−ビニル安息香酸などのカルボン酸、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および２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸などのスルホン酸などが挙げられる。

前記ラジカル重合性官能基を有するアンモニウム成分としては、四級アンモニウム塩などが挙げられ、例えば、２−メタクリル酸エチルトリメチルアンモニウム、３−アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウム、２−アクリル酸エチルトリメチルアンモニウム、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、メタクリル酸ジメチルアミノエチルベンジル、Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−ジ−２−プロペニル−２−プロペン−1−アミニウム、ジアリルメチルフェニルアンモニウム、Ｎ−メチル−Ｎ，Ｎ−ジ−２−プロペニル−１−ドデカナミニウム、ジアリルビス（シクロヘキシルメチル）アンモニウム、ジアリルジメチル（２−メチルアリル）アンモニウム、Ｎ−メチル−Ｎ，Ｎ−ジ−２−プロペニルベンゼンメタミニウム、Ｎ−メチル−Ｎ，Ｎ−ジ−２−プロペニル−１−ドデカナミニウム、アリルジメチル（１−メチル−２−ブテニル）アンモニウム、ジアセトニルジアリルアンモニウムおよびＮ−メチル−Ｎ，Ｎ−ジ−２−プロペニル−２−プロペン−１−アミニウムなどが挙げられる。

本発明に用いるラジカル重合性官能基を有する酸成分とラジカル重合性官能基を有するアンモニウム成分とから構成される塩モノマーとしては、例えば、前記ラジカル重合性官能基を有する酸成分の銀などの金属塩と、前記ラジカル重合性官能基を有するアンモニウム塩のハロゲン化物とを反応させて合成できるが、この合成方法に限定されない。

本発明の高分子固体電解質の製造方法としては、例えば、前記常温で固体のモノマーおよびリチウム塩を非水溶媒に溶解させた非水電解液、また、必要に応じて重合開始剤などを、混合してモノマー電解質溶液を調製し、該モノマー電解質溶液中のモノマーを反応させて重合して高分子を含む電解質とする方法が挙げられるが、この方法に限定されない。前記重合する方法としては、例えば、ラジカル重合、イオン重合、配位重合および付加重合など重合方法が挙げられるが、重合操作の簡便さゆえにラジカル重合が好ましいが、特に限定されるものではない。前記ラジカル重合を行う方法としては、例えば、加熱する方法、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の方法が挙げられる。

前記リチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂およびＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃などが挙げられ、これらを単独あるいは２種以上を混合して用いても良い。

前記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネートおよびプロピレンカーボネートなどの環状炭酸エステル、エチルメチルカーボネートおよびジエチルカーボネートなどの鎖状炭酸エステルなどが挙げられ、これらは、それらの混合溶媒を添加しても良い。

前記重合開始剤としては、加熱による方法の場合、例えば、２，２’−アゾビスイソブチロニトリル、２，２’−アゾビス（２−イソブチロニトリル）および２，２’−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）などのアゾ系重合開始剤、ベンゾイルパーオキシド、ジクミルパーオキシドおよびジイソプロピルパーオキシカーボネートなどの過酸化物系重合開始剤などが挙げられ、光を照射する場合、例えば、アセトフェノン、ベンゾフェノンおよび２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノンなどが挙げられる。

本発明の高分子固体電解質における常温で固体のモノマー、リチウム塩、重合開始剤の混合割合としては、例えば、常温で固体のモノマーは、１ｍｍｏｌ／Ｌ〜５ｍｏｌ／Ｌが好ましく、５ｍｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌがより好ましく、リチウム塩は、１０ｍｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌが好ましく、５０ｍｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌがより好ましく、重合開始剤は、１ｍｍｏｌ／Ｌ〜２００ｍｍｏｌ／Ｌが好ましい。

本発明の高分子固体電解質を製造する方法の例としては、ゲル状電解質を製造する場合、まず、常温で固体のモノマーを、非水溶媒にリチウム塩を溶かした非水電解液に均一に溶解させて、モノマー電解質溶液１を得る。次に、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、ベンゾイルパーオキシドなどの過酸化物系重合開始剤を、別に用意した非水電解液に溶解した溶液２を、溶液１に添加し混合して溶液３を得る。次に、溶液３を５分間ないし２時間程度、６０から８０℃のオーブンで加熱することにより、前記常温で固体のモノマーを重合させた高分子、リチウム塩、重合開始剤、及び非水溶媒を含む高分子固体電解質が得られる。前記製造方法において、全固体型電荷質を製造する場合、前記非水溶媒の代わりにメタノールなどのアルコールを必要により添加して重合した後、溶媒を除去する方法で得られる。

本発明の二次電池は、上記で得られた高分子固体電解質を構成要素とするものであり、前記高分子固体電解質の他に正極及び負極などを組み合わせて製造することができる。
本発明の電池で用いられる正極に使用される活物質としては、エネルギー密度が高く、リチウムイオンの可逆的な脱挿入に優れたリチウムを含有する遷移金属酸化物が好ましく、例えば、ＬｉＣｏＯ₂などのリチウムコバルト酸化物、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄などのリチウムマンガン酸化物、ＬｉＮｉＯ₂などのリチウムニッケル酸化物、これら酸化物の混合物およびＬｉＮｉＯ₂のニッケルの一部をコバルトやマンガンに置換したものなどが挙げられる。負極活物質としては、リチウムイオンを挿入、脱離させることのできる炭素系材料が挙げられ、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズおよびグラファイトなどが挙げられる。

本発明の高分子固体電解質を用いた二次電池を製造する方法の例としては、まず、上記ＬｉＣｏＯ₂などの正極活物質、黒鉛などの導電剤、ポリ（ビニリデンフルオライド）などの結着剤を混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドン中に分散させて、スラリー状の正極合剤とする。この正極合剤を、厚み２０μｍのアルミニウム箔などからなる正極集電体の両面に均一に塗布し、乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形することで正極が得られる。
次に、黒鉛粉末などの負極活物質と、ポリ（ビニリデンフルオライド）などの結着剤を混合して、負極合剤を調製し、この負極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドン中に分散させてスラリー状の負極合剤とする。この負極合剤を、厚み１５μｍの銅箔などからなる負極集電体の両面に均一に塗布し、乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形することで負極が得られる。
以上のようにして得られた負極と正極とを、厚みが２５μｍのポリエチレン製微多孔性フィルムからなるセパレーターを介して密着させ、巻回して電極巻回体とし、この電極巻回体を、絶縁材料からなる外装フィルムに封入するとともに、上記で得られたモノマー電解質溶液を外装フィルム中に注入する。次に、外装フィルムの外周縁部を封口し、正極端子と負極端子とを、外装フィルムの開口部に挟み込むとともに、電極巻回体を外装フィルム中に減圧下にて密閉する。次に、これを６０℃から８０℃の温度下で、５分から２時間加熱することによって、高分子固体電解質を用いた二次電池が得られる。

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。なお、各成分に含まれる水分量はカールフィッシャー法で測定し、金属イオン濃度は原子吸光法により測定した。

［実施例１−２］
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１３．８０ｇ（５０ｍｍｏｌ）を添加して、８時間攪拌し、濾過後無色透明の液を得た。これに、１００ｍｍｏｌ／Ｌの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滴下して反応させた。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い、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。
得られた溶液をエタノールで希釈し、これを大量のテトラヒドロフランに滴下して白色の沈殿物を得た。濾過により得られた白色粉末（以下、塩モノマーＡ）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った。融点は１５２℃であり、得られた化合物は単一の塩モノマーであることを確認した。得られた塩モノマーＡを、五酸化リンを備えたデシケータ中に１日間室温で保管し乾燥させた。この塩モノマーＡの水分量は、８００ｐｐｍであった。
上記で得られた塩モノマーＡを２０ｇ、脱水メタノール（水分量５０ｐｐｍ以下）を５００ｍｌビーカーに入れ完全に溶解させた。得られた溶液を二つに分け、一方の溶液について、エバポレーターを用いて濃縮し析晶が見え始めた時点で濃縮をやめ、冷蔵庫に一晩静置し、塩モノマーＡを再結晶させた。得られた結晶を濾過し、その結晶を脱水アセトン（水分量５０ｐｐｍ以下）を用いて洗浄した。得られた結晶を上記と同様に乾燥させ、水分量とＮａ⁺イオン、Ｋ⁺イオン、Ｃａ²⁺イオンの濃度を測定し、表１にまとめた。(実施例１)
残り半分の溶液には、乾燥剤として硫酸カルシウム（和光純薬製、ＤＲＩＥＲＩＴＥ）を２０ｇ添加して２時間攪拌後、１日静置した。濾過により乾燥剤を取り除き、得られた塩モノマー溶液を実施例１と同様の操作を行い、水分量とＮａ⁺イオン、Ｋ⁺イオン、Ｃａ²⁺イオンの濃度を測定し、表１にまとめた。(実施例２）

［実施例３−４］
実施例１−２において、塩モノマーＡの代わりにＮ−イソプロピルアクリルアミド（和光純薬社製）（以下ＮＩＰＡｍと略す）を２５ｇ、メタノールの代わりにアセトン／ヘキサン混合溶媒（水分量５０ｐｐｍ以下）（混合体積比１／１）２００ｍｌを用いて実施例１−２と同様の再結晶操作を行い、アセトン／ヘキサンから再結晶させたＮＩＰＡｍとＤＲＩＥＲＩＴＥで脱水処理後アセトン／ヘキサンから再結晶させたＮＩＰＡｍをそれぞれ得た。この２種類のＮＩＰＡｍの水分量とＮａ⁺イオン、Ｋ⁺イオン、Ｃａ²⁺イオンの濃度を測定し、表１にまとめた。

［実施例５−６］
実施例１−２において、塩モノマーＡの代わりにN，N−メチレンビスアクリルアミド（関東化学社製）（以下ＢＩＳと略す）を２０ｇ、メタノールの代わりにエタノール（水分量５０ｐｐｍ以下）８００ｍｌを用いて実施例１−２と同様の再結晶操作を行い、エタノールから再結晶させたＢＩＳとＤＲＩＥＲＩＴＥで脱水処理後エタノールから再結晶させたＢＩＳをそれぞれ得た。この２種類のＢＩＳの水分量とＮａ⁺イオン、Ｋ⁺イオン、Ｃａ²⁺イオンの濃度を測定し、表１にまとめた。

［比較例１］
実施例１と同様にして作製した水分量８００ｐｐｍの塩モノマーＡを２０ｇ、蒸留水４００ｍｌを用いて実施例１と同様の再結晶操作を行い、蒸留水から再結晶させた塩モノマーＡを得た。この塩モノマーＡの水分量とＮａ⁺イオン、Ｋ⁺イオン、Ｃａ²⁺イオンの濃度を測定し、表１にまとめた。本比較例で得られた塩モノマーＡの水分量は６５０ｐｐｍと高かった。

［比較例２］
ジエチレングリコールジアクリレート（以下ＤＥＤＡと略す）２０ｇ、電子工業用メタノール（和光純薬社製）（Ｎａ⁺イオン、Ｋ⁺イオン、Ｃａ²⁺イオンのいずれも１００ｐｐｂ以下）１００ｍｌとで溶液を調製し、これにカチオン交換樹脂ＳＫ１１２（三菱化学社製）を１０ｇ添加した後、静かに２時間攪拌した。この溶液から濾過によりカチオン交換樹脂を取り除き、ＤＥＤＡのメタノール溶液を得た。このメタノール溶液からエバポレーターでメタノールを除去し、さらに真空ポンプを用いてメタノールを完全に除去した。なお、上記で使用したカチオン交換樹脂は、２規定の塩酸で２回処理した後、電子工業用メタノールで５回洗浄したものを使用した。得られたＤＥＤＡの水分量とＮａ⁺イオン、Ｋ⁺イオン、Ｃａ²⁺イオンの濃度を測定し、表１にまとめた。イオン性不純物のＮａ⁺イオン、Ｋ⁺イオン、Ｃａ²⁺イオンはいずれも１０ｐｐｍ以下となったが、水分量が４１００ｐｐｍと多くなった。なお、このＤＥＤＡは常温で液状のモノマーであり、再結晶操作は不可能であった。

［比較例３］
比較例２において、カチオン交換樹脂の代わりにＤＲＩＥＲＩＴＥ（硫酸カルシウム）１０ｇを用いて比較例２と同様の操作を行い、脱水処理したＤＥＤＡを得た。この水分量とＮａ⁺イオン、Ｋ⁺イオン、Ｃａ²⁺イオンの濃度を測定し、表１にまとめた。水分量は１００ｐｐｍ以下となったが、Ｃａ²⁺イオンは１２００ｐｐｍと高くなった。なお、このＤＥＤＡは常温で液状のモノマーであり、再結晶操作は不可能であった。

［実施例７］
＜高分子固体電解質を用いた二次電池の作製とサイクル特性評価＞
正極活物質として、ＬｉＣｏＯ₂を８５重量％、導電剤としての黒鉛を５重量％と、結着剤としてのポリ（ビニリデンフルオライド）を１０重量％とを混合して、正極合剤を調製し、この正極合剤を、Ｎ−メチル−２−ピロリドン中に分散させて、スラリー状の正極合剤とした。この正極合剤を、正極集電体として用いる厚み２０μｍのアルミニウム箔の両面に、均一に塗布し、乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形することで正極を得た。
負極活物質として粉砕した黒鉛粉末を９０重量％と、結着剤としてポリ（ビニリデンフルオライド）を１０重量％とを混合して、負極合剤を調製し、この負極合剤を、Ｎ−メチル−２−ピロリドン中に分散させて、スラリー状の負極合剤とした。この負極合剤を、負極集電体として用いる厚み１５μｍの銅箔の両面に、均一に塗布し、乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形することで負極を得た。
実施例２で得られた塩モノマーＡを４．０重量％、実施例６で得られたＢＩＳを０．６重量％、エチレンカーボネートを４７．５重量％、ジエチルカーボネートを４７．５重量％、重合開始剤として過酸化ベンゾイル０．４重量％となるように混合した溶液中に、電解質塩としてＬｉＰＦ₆を１．０ｍｏｌ／Ｌ溶解させたモノマー電解液を調製した。
上記のようにして得られた負極と正極とを、厚みが２５μｍのポリエチレン製微多孔性フィルムからなるセパレーターを介して密着させ、巻回して電極巻回体とした。この電極巻回体を、絶縁材料からなる外装フィルムに封入するとともに、上記で得られたモノマー溶液を、外装フィルム中に注入した。そして外装フィルムの外周縁部を封口し、正極端子と負極端子とを、外装フィルムの開口部に挟み込むとともに、電極巻回体を外装フィルム中に、減圧下にて密閉した。これを８０℃の温度下で６０分間加熱して、モノマーを重合すると共に、高分子固体電解質を用いた二次電池を得た。
電池の組み立て後、２５℃、５００ｍＡの定電流電圧充電を上限４．２Ｖまで２時間行い、次に５００ｍＡでの放電（１時間率放電）を終止電圧２．５Ｖまで行った。これを１サイクルとして充放電を１００サイクル行い、１サイクル目の放電容量を１００％としたときの１００サイクル目の容量維持率を求めた。結果を表２に示す。１００サイクル後の容量維持率は、９９％であった。

［実施例８］
実施例７におけるモノマー電解液の代わりに、実施例２で得られた塩モノマーＡを３．０重量％、実施例４で得られたＮＩＰＡｍ３．０重量％、実施例６で得られたＢＩＳを０．６重量％、エチレンカーボネートを４６．５重量％、ジエチルカーボネートを４６．５重量％、重合開始剤として過酸化ベンゾイルを０．４重量％となるように混合した溶液中に、電解質塩としてＬｉＰＦ₆を１．０ｍｏｌ／Ｌ溶解させたモノマー電解液を用いる以外は実施例７と同様にして１００サイクル後の容量維持率を求めた。結果を表２に示す。１００サイクル後の容量維持率は、９８％であった。

［比較例４］
＜高分子固体電解質二次電池の作製とサイクル特性評価＞
実施例７におけるモノマー電解液の代わりに、比較例１で得られた塩モノマーＡを４．０重量％、比較例３で得られたＤＥＤＡを０．６重量％、エチレンカーボネートを４７．５重量％、ジエチルカーボネートを４７．５重量％、重合開始剤として過酸化ベンゾイルを０．４重量％となるように混合した溶液中に、電解質塩としてＬｉＰＦ₆を１．０ｍｏｌ／Ｌ溶解させたモノマー電解液を用いる以外は実施例７と同様にして１００サイクル後の容量維持率を求めた。結果を表２に示す。１００サイクル後の容量維持率は、４２％であった。

本発明によれば、優れた電池性能、特に良好なサイクル特性を実現できる高分子固体電解質を提供でき、これは、性能に優れた二次電池に適用できる。また、この電解質は、水分や金属性のイオン性不純物が少ないのでキャパシタやエレクトロクロミック素子等、電気化学素子全般へも適用可能である。

Claims

常温で固体のモノマーより重合して得られる高分子を含んでなる高分子固体電解質の製造方法であって、前記モノマーを、水分量５０ｐｐｍ以下の、メタノール、アセトン／ヘキサン混合体積比１／１の溶媒またはエタノールで再結晶させることを特徴とする、水分の含有量が２００ｐｐｍ以下且つアルカリ金属とアルカリ土類金属の含有量が２００ｐｐｍ以下であることを特徴とする高分子固体電解質の製造方法。
前記モノマーは、ラジカル重合性官能基を有する酸成分とラジカル重合性官能基を有す
るアンモニウム成分とから構成される塩モノマーである請求項１記載の高分子固体電解質の製造方法。