JP6617407B2 - イオン導電性固体電解質 - Google Patents
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Description
本発明は、イオン導電性固体電解質に関する。
従来から知られているイオン導電性材料としては、無機材料を用いた無機固体電解質、有機高分子を用いた高分子固体電解質、水または非水溶媒を用いた液状電解質が挙げられる。
また、固体と液体の中間的性質を有する液晶材料を用い、液晶材料が有する配向性等の特性を利用した固体電解質が提案されている（特許文献１及び２参照）。固体電解質は形状が液体ではないので、部外への漏れがなく、耐熱性、信頼性、デバイスの小型化に対して液状電解質に比べ有利である。
このような固体電解質は、電池などの蓄電デバイスへの応用が期待されているものの、現状ではまだ室温下におけるイオン導電率が十分に得られておらず、高いイオン導電率を示すイオン導電性固体電解質が望まれている。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、室温付近で良好なイオン導電率を有するイオン導電性固体電解質を提供することを目的とする。
本発明にかかるイオン導電性固体電解質は、化学式（１）で示される化合物と、金属塩とを含有することを特徴とする。
〔化学式（１）において、Ｒ１およびＲ２は炭素数３〜１０のアルキレン基、アルキレンオキサイド基を示し、Ｒ１およびＲ２は同一であっても異なっていてもよい。Ｒ１およびＲ２がアルキレンオキサイド基であった場合、アルキレンオキサイド基の酸素原子は、化学式（１）中のフェニレン基に結合する。Ｘは化学式（２）〜（５）から選ばれる基である。〕
化学式（１）の化合物は、２つのベンゼン環が１つの炭素原子もしくは１つの硫黄原子によって結合しており、この結合部分、つまりＸの部分で屈曲した構造を取るため、このような構造では液晶性を発現することが出来ない。特許文献１や特許文献２に示された化合物のように液晶性を発現させるには、２つのベンゼン環を連結する結合子（Ｘに相当）の主鎖の数を偶数個として、直線構造を取る必要がある。
つまり、化学式（１）の化合物は、屈曲構造を取ることで液晶性は示さないものの、分子間力が適度に緩和されることで分子運動がしやすくなり、その熱運動によって金属カチオンの動きが良くなるものと推測される。
また、金属塩を形成する金属カチオンと相互作用の高いＣＮ基を１つの分子中に２個導入することで、より効果的に金属カチオンを移動させることが可能となり、高い導電率を得ることができる。
本発明にかかるイオン導電性固体電解質は、前記金属塩を構成する金属カチオンと、前記化学式（１）で示される化合物のＣＮ基とのモル比が、〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕＝０．５〜１．０であることを特徴とする。
モル比を上述の範囲とすることで、より効果的にイオン導電率を向上させることが可能となる。
本発明にかかるイオン導電性固体電解質は、前記金属塩がリチウム塩であることを特徴とする。
リチウムはイオン半径が小さいことから、電池などの蓄電デバイスへの応用を考えた場合に、容量向上の点で有利となる。
本発明によれば、室温付近で良好なイオン導電率を有するイオン導電性固体電解質を提供することができる。
以下、本実施形態の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明にかかるイオン導電性固体電解質は、以下の実施形態に限定されるものではない。
本発明にかかるイオン導電性固体電解質は、化学式（１）で示される化合物と、金属塩を含む。
金属塩としては従来のイオン導電性固体電解質に用いられているものが使用可能であり、リチウム、ナトリウム、カリウムなどの金属カチオンを含有する金属塩が挙げられる。リチウムはイオン半径が小さいことから、電池などの蓄電デバイスへの応用を考えた場合に、容量向上の点で有利となる。上記金属塩のアニオンとしては、Ｂｒ−、Ｉ−、ＳＣＮ−、ＢＦ４ −、ＰＦ６ −、ＡｓＦ４ − 、ＣｌＯ４ −、ＣＦ３ＳＯ４ − 、Ｎ（ＣＦ３ＳＯ２）２ −、Ｎ（ＦＳＯ２）２ −などが挙げられる。イオン導電率を向上させるには、カチオンとアニオンの解離度が高い方がより好ましく、その観点から、アニオンとしてはＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２ −やＮ（ＦＳＯ２）２ −が好ましい。
化学式（１）で示される化合物を含有することによる効果発現のメカニズムははっきりとしないが、本発明者らは以下のように考えている。
化学式（１）の化合物は、２つのベンゼン環が１つの炭素原子もしくは１つの硫黄原子によって結合しており、この結合部分、つまりＸの部分で屈曲した構造を取るため、このような構造では液晶性を発現することが出来ない。特許文献１や特許文献２に示された化合物のように液晶性を発現させるには、２つのベンゼン環を連結する結合子（Ｘに相当）の主鎖の数を偶数個として、直線構造を取る必要がある。
つまり、化学式（１）の化合物は、屈曲構造を取ることで液晶性は示さないものの、分子間力が適度に緩和されることで分子運動がしやすくなり、その熱運動によって金属カチオンの動きが良くなるものと推測される。
また、金属塩を形成する金属カチオンと相互作用の高いＣＮ基を１つの分子中に２個導入することで、より効果的に金属カチオンを移動させることが可能となり、高い導電率を得ることができる。
前記金属塩を構成する金属カチオンと、前記化学式（１）で示される化合物のＣＮ基とのモル比は、金属カチオンの価数に関わらず、〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕＝０．０１〜２．０の範囲にあればよい。０．０１以上だと所望のイオン導電率を得ることが出来て好ましい。２．０以下だと、固体電解質中に解離しきれない金属塩が残留することがなく好ましい。しかし、〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕＝０．５〜１．０の範囲であれば、ＣＮ基に対して金属カチオンを過不足なく適度に満たすことができ、効率的に導電性が発現されるものと推測される。
本発明にかかるイオン導電性固体電解質は、上述した化合物、金属塩以外に、ゲル化剤、ポリエチレンオキサイドなどのその他の成分を含んでいてもよい。その他の成分の含有率は、０．２ モル％以下とすることが好ましい。
本発明にかかるイオン導電性固体電解質は、リチウムイオン電池、燃料電池などの各種デバイスへの適用が可能である。これらデバイスでは、不揮発性のイオン導電性固体電解質が求められているが、本発明にかかるイオン導電性固体電解質は十分に要求特性を満たすことができる。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。
以下に示す手順により、実施例１〜１８および比較例１〜７のイオン導電率測定用サンプルを作製し、イオン導電率評価を行った。
（実施例１）
まず、グローブボックス内でイオン導電性固体電解質の溶液を作製した。化学式（６）の化合物は、１分子あたりにＣＮ基を２つ有しているので、金属塩を構成する金属カチオンと、ＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を０．３とするために、化学式（６）の化合物０．０３６ｇ（０．１ｍｍｏｌ）とＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２０．０１７ｇ（０．０６ｍｍｏｌ）とを２ｍｌのアセトニトリルに溶解させた。
まず、グローブボックス内でイオン導電性固体電解質の溶液を作製した。化学式（６）の化合物は、１分子あたりにＣＮ基を２つ有しているので、金属塩を構成する金属カチオンと、ＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を０．３とするために、化学式（６）の化合物０．０３６ｇ（０．１ｍｍｏｌ）とＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２０．０１７ｇ（０．０６ｍｍｏｌ）とを２ｍｌのアセトニトリルに溶解させた。
次に、イオン導電率測定用のサンプルを作製した。櫛形ＩＴＯ電極を備えた基板（電極：縦１ｃｍ、横１ｃｍ、ランド：１０μｍ、スペース：１０μｍ、ＥＨＣ社製）に、縦１ｃｍ、横１ｃｍの四角穴を設けた厚さ７０μｍのマスキングテ−プを、電極部分以外がマスキングされるように貼り、当該四角穴に、前記溶液を１００μＬ滴下した。自然乾燥させてアセトニトリルを揮発させた後、マスキングテ−プを剥がし、８０℃で１２時間真空乾燥した。
このように準備したイオン導電率測定用セルに対して、２５℃において、インピーダンス測定装置（電気化学測定システム１２６０型、ソーラトロン製）を用いた複素インピーダンス法により高周波数側の円弧と低周波数側の直線との交点の実数成分インピーダンスを求めた。なお、イオン導電率の絶対値は、イオン導電率が既知の塩化カリウム標準液（Ｍｏｄｅｌ１７０、１３３μＳ／ｃｍ、堀場製作所製）を用いて同様にインピーダンス測定を行い、このときの測定値を用いて算出した。結果を表１に示す。
（実施例２〜７）
金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
（実施例８〜１４）
化学式（６）の化合物を化学式（７）の化合物に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
化学式（６）の化合物を化学式（７）の化合物に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
（実施例１５）
化学式（６）の化合物を化学式（８）の化合物に変更し、金属塩をＬｉＰＦ６に変更し、
金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を１．０に変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
化学式（６）の化合物を化学式（８）の化合物に変更し、金属塩をＬｉＰＦ６に変更し、
金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を１．０に変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
（実施例１６）
化学式（６）の化合物を化学式（９）の化合物に変更し、金属塩をＬｉＣｌＯ４に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を１．０に変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
化学式（６）の化合物を化学式（９）の化合物に変更し、金属塩をＬｉＣｌＯ４に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を１．０に変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
（実施例１７）
化学式（３）の化合物を化学式（１０）の化合物に変更し、金属塩をＬｉＢＦ４に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を１．０に変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
化学式（３）の化合物を化学式（１０）の化合物に変更し、金属塩をＬｉＢＦ４に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を１．０に変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
（実施例１８）
化学式（３）の化合物を化学式（１１）の化合物に変更し、金属塩をＬｉＮ（ＦＳＯ２）２に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を１．０に変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
化学式（３）の化合物を化学式（１１）の化合物に変更し、金属塩をＬｉＮ（ＦＳＯ２）２に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を１．０に変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
（比較例１〜７）
化学式（３）の化合物を化学式（１２）の化合物に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
化学式（３）の化合物を化学式（１２）の化合物に変更し、金属塩を構成する金属カチオンと、化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にしてイオン導電率測定を行った。結果を表１に示す。
実施例１〜１８と比較例１〜７との比較より、イオン導電性固体電解質が化学式（１）で示される化合物を含むことで優れたイオン導電率を示すことが確認された。
また、実施例１〜７および８〜１４で示される通り、金属塩を構成する金属カチオンと、化学式（１）で示される化合物のＣＮ基とのモル比（〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕）を０．５〜１．０とすることでより優れたイオン導電率を得られることが確認された。
Claims (3)
- 化学式（１）で示される化合物と、
金属塩とを含有することを特徴とするイオン導電性固体電解質。
- 前記金属塩を構成する金属カチオンと、前記化学式（１）で示される化合物のＣＮ基とのモル比が、〔金属カチオン〕／〔ＣＮ基〕＝０．５〜１．０であることを特徴とする請求項１に記載のイオン導電性固体電解質。
- 前記金属塩がリチウム塩であることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン導電性固体電解質。
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