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JP2000086711A - 熱重合性組成物及びその用途 - Google Patents

熱重合性組成物及びその用途

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JP2000086711A
JP2000086711A JP10263203A JP26320398A JP2000086711A JP 2000086711 A JP2000086711 A JP 2000086711A JP 10263203 A JP10263203 A JP 10263203A JP 26320398 A JP26320398 A JP 26320398A JP 2000086711 A JP2000086711 A JP 2000086711A
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battery
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正隆 武内
Shiyuuichi Uchijiyou
秀一 内條
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Showa Denko KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高イオン伝導性高分子固体電解質、その固体
電解質を得るための硬化性、保存安定性に優れた熱重合
性組成物、高容量、高電流で作動可能で、高寿命で信頼
性に優れた一次電池及び二次電池、及び出力電圧が高
く、取出し電流が大きく、加工性が良好で高寿命で信頼
性に優れた電気二重層コンデンサの提供。 【解決手段】 オキシアルキレン、フルオロカーボン、
オキシフルオロカーボン及び/またはカーボネート基か
らなる部分を分子中に有する(メタ)アクリレートを含
む熱重合性化合物、電解質塩、ベンゼン環を持たない有
機重合開始剤、分子内にビニル基を有する重合抑制剤を
含む熱重合性組成物、前記組成物を熱硬化させて得られ
る固体電解質、前記固体電解質を用いた一次電池、二次
電池及び電気二重層コンデンサ並びにそれらの製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高イオン伝導性高
分子固体電解質を得るための熱重合性組成物、この熱重
合性組成物を重合することによって得られる高分子固体
電解質、並びにこの高分子固体電解質を用いた電池及び
電気二重層コンデンサ及びそれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】アイオニクス分野でのダウンサイジング
及び全固体化という流れの中で、従来の電解質溶液に代
わる新しいイオン伝導体として、固体電解質を用いた全
固体一次電池や二次電池及び電気二重層コンデンサの実
用化が望まれている。すなわち、従来の電解質溶液を用
いた電池では、電池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。最近期待されているフレキシブルなシート状電池に
おいても、電解質溶液を用いた場合には、電池容器内で
の電解液のかたよりや液枯れによる内部インピーダンス
の上昇あるいは内部短絡の問題がある。
【0003】また、近年、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、メモリーバックアップ電源用
などに多用されるようになってきている。このような電
気二重層コンデンサにおいても、現在の電解質溶液で
は、長期間の使用において、あるいは高電圧が印加され
た場合に、コンデンサ外部への液漏れ等が発生し易く長
期使用や信頼性に問題がある。また、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
題もある。
【0004】これに対して、高分子固体電解質を用いた
電池及び電気二重層コンデンサでは液漏れや電極物質の
溶出等の問題はなく、種々の形状に加工でき、封止も簡
単である。また、より薄型化することも容易である。さ
らに、ポリホスファゼン系有機高分子をイオン伝導性物
質の主成分とした電気二重層コンデンサでは、無機系イ
オン伝導性物質に比較して出力電圧が高くなる例が報告
されている(例えば、特開平4-253771号公報)。
【0005】しかし、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程度まで改善されたものの、溶液系イオ
ン伝導性物質に比較するとなお2桁以上低い水準にとど
まっている。これは、近年注目されているオリゴオキシ
エチレン鎖を導入した高分子固体電解質についても同様
である(例えば、特開平4-211412号公報)。また、0℃
以下の低温になると、一般に極端にイオン伝導性が低下
するという問題がある。
【0006】また、高分子固体電解質を電池や電気二重
層コンデンサに組み込む方法として、高分子固体電解質
の溶液を電極等の基質上に塗布延伸し、次いで溶媒を乾
燥除去するいわゆるキャスト法が行われてきたが、この
手法では加工操作が複雑である上、電極との密着性が十
分ではない。そこで、高分子固体電解質の主成分として
電解質及び重合可能な化合物を用い、これを液状または
ゲル状として電池あるいはコンデンサの構造体内に装入
し、しかる後に硬化させて複合を行う硬化法が検討され
ている。
【0007】このような重合性組成物の硬化法として
は、従来、活性光線による硬化法が盛んに研究開発さ
れ、特に、経済的に有利である紫外線光重合開始剤を用
いた高分子固体電解質が検討されている。しかし、光照
射では電池の構成上、正極、負極及び/またはセパレー
タの各要素と高分子固体電解質用重合性組成物とを同時
に複合一体化することが困難である。特に、正極、高分
子固体電解質、負極を積層するタイプや捲き回すタイプ
は、各要素が光透過性でないため一体化が難しい。活性
光線の不透過による硬化不良を避けるために、正極、負
極の各要素と高分子固体電解質用重合性組成物をそれぞ
れ複合化し、しかる後に積層等を行うことも考えられる
が、活性光線が電極材料により遮蔽され、電極内部の重
合性組成物の硬化が不十分となり、電極の深さ方向で重
合が不均一に起こるという問題、あるいは機械的強度や
電極間ギャップを補償するために使用されるセパレータ
を介在させた場合にセパレータの裏側まで均一に硬化さ
せることが難しいという問題がある。さらに、重合性組
成物が接する雰囲気により酸素阻害を受け易く、硬化不
良につながるという問題を含んでいた。
【0008】このため、正極、負極及び/またはセパレ
ータの各要素と高分子固体電解質とを硬化と同時に複合
一体化でき、電池の内部インピーダンスを小さくするこ
とが構成上可能である熱硬化による方法も提案されてい
る。この方法では、活性光線による光硬化法では困難
な、正極、高分子固体電解質、負極を積層するタイプや
捲回するタイプにおいて優位性を有する。しかし、熱重
合開始剤を用いた高分子固体電解質用重合性組成物にお
いては、開始剤は所望する硬化温度によって決められる
ことが多い。したがって、例えば、電解液中に低沸点溶
媒を含有する場合には、その溶媒の揮発による溶液組成
変化を避けるためラジカル発生温度が高温の開始剤の使
用が制限される。この結果、室温から中温(80℃程
度)で硬化させるべく重合促進剤を併用することになる
が、これらの重合促進剤やその分解生成物は、高分子固
体電解質のイオン伝導性などの電流物性やサイクル寿命
など特性の劣化をもたらす。重合促進剤を用いずに加熱
のみで硬化させると、硬化速度が熱重合開始剤の熱分解
速度に依存するため、低い温度では硬化に至るまでに時
間がかかる。重合開始剤量を増やして発生ラジカル量を
増やし効率よい硬化を行うことも一般に行われている
が、未反応の開始剤や分解生成物が増えるため、イオン
伝導性等の電流特性あるいはサイクル特性等の電気化学
的特性に悪影響を及ぼすという問題がある。
【0009】以上、低温、中温での開始効率の高い開始
剤、促進剤を用いたり、重合開始剤量を増やしたりする
等して熱重合性組成物の硬化性を高めると、逆に熱重合
性組成物のゲル化が起こる、または粘度が上がるなど保
存安定性に問題が生じてくる。従って、加熱硬化性が良
好で保存安定性の優れた高分子固体電解質用重合性組成
物が強く望まれていた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱重合開始
能が高い重合開始剤及び硬化性の良好な重合性化合物を
組み合わせて、室温及び低温でのイオン伝導性に優れ、
かつ十分な強度を有する高分子固体電解質用の熱重合性
組成物の可使時間を特定の重合抑制剤を用いて長くする
ことにより、硬化性が良好で保存安定性に優れた、実用
性のある熱重合性組成物を提供することを目的とする。
【0011】また、本発明は、上記熱重合性組成物から
得られる架橋及び/または側鎖基を有する高分子及び電
解質を含む高イオン伝導性で、安定性の良好な高分子固
体電解質を提供することを目的とする。
【0012】さらに、本発明は、電池内部に上記高分子
固体電解質を用いた、高容量、高電流で作動でき、高寿
命で信頼性に優れ、安価に製造できる一次電池及び二次
電池を提供することを目的とする。さらにまた、本発明
はコンデンサ内部に上記高分子固体電解質を用いた、出
力電圧が高く、取り出し電流が大きく、加工性が良好
で、高寿命で信頼性に優れ、安価に製造できる電気二重
層コンデンサを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するため鋭意検討した結果、下記一般式(1)
で示される特定の構造を有する化合物が重合抑制効果を
有し、熱重合組成物の保存安定性を改善することを見出
した。
【化4】 (式中の記号は、後記と同じ意味を表わす。)
【0014】さらに、上記化合物を下記一般式(2)で
示される特定の有機過酸化物からなる熱重合開始剤と一
般式(3)及び(4)で示される特定の構造を有する重
合性化合物とを組み合わせることにより、保存安定性が
良好で硬化特性の優れた熱重合性組成物が得られるこ
と、電極内部または活性光線が届かない材料内部でも高
分子固体電解質が製造されること、また得られた高分子
固体電解質は電極との密着性が良好であることを確認し
て、本発明を完成するに至った。
【0015】
【化5】 (式中の記号は、後記と同じ意味を表わす。)
【0016】また、本願出願人が先に提案している、ウ
レタン(メタ)アクリレート化合物を原料として得られ
る室温及び低温でのイオン伝導性に優れた高分子固体電
解質(特開平9-73907号公報等)を上記の重合性化合物
として用いることにより、さらに、室温及び低温でも優
れたイオン伝導度が実現されることを確認し、本発明を
完成するに至った。
【0017】すなわち本発明は、以下の熱重合性組成
物、この熱重合性組成物を重合することによって得られ
る高分子固体電解質、並びにこの高分子固体電解質を用
いた電池、電気二重層コンデンサ及びそれらの製造方法
を提供する。 [1]重合することにより架橋及び/または側鎖形構造
を有する高分子となる重合性官能基を有する少なくとも
一種の熱重合性化合物、少なくとも一種の電解質塩、少
なくとも一種の重合開始剤、及びビニル基を有する少な
くとも一種の重合抑制剤を含むことを特徴とする熱重合
性組成物。
【0018】[2]重合抑制剤が、下記一般式(1)
【化6】 [式中、Aは直鎖状、分岐状、または環状のアルキレン
基を表わし、Phは置換基を有してもよいフェニル基を
表わし、aは0または1である。2個のPhは同一でも
異なってもよい。]で示される構造を有する化合物であ
る前記[1]に記載の熱重合性組成物。
【0019】[3]重合開始剤が下記一般式(2)
【化7】 [式中、Xは直鎖状、分岐状または環状の、置換基を有
してもよいアルキル基またはアルコキシ基を表わし、Y
は直鎖状、分岐状または環状の、置換基を有してもよい
アルキル基を表わし、m及びnはそれぞれ0または1で
あるが、(m,n)=(0,1)の組み合わせは除
く。]で示される有機過酸化物である前記[1]または
[2]に記載の熱重合性組成物。
【0020】[4]有機過酸化物が、ベンゼン環を含ま
ない、ジアシルパーオキサイド類、パーオキシジカーボ
ネート類及びパーオキシエステル類から選ばれる前記
[3]に記載の熱重合性組成物。 [5]熱重合性化合物が下記一般式(3)及び/または
一般式(4)
【化8】
【0021】[式中、R1及びR3は水素原子またはアル
キル基を表わし、R2及びR5は、オキシアルキレン、フ
ルオロカーボン、オキシフルオロカーボンまたはカーボ
ネート基を含む2価の基を表わし、R4は炭素数10以
下の2価の基を表わす。R2、R4及びR5はヘテロ原子
を含んでいてもよく、直鎖状、分岐状または環状のいず
れの構造を有するものでもよい。xは0または1〜10
の整数を示す。但し、同一分子中に複数個の上記一般式
(3)または(4)で示される重合性官能基が含まれる
場合、それぞれの重合性官能基中のR1、R2、R3
4、R5及びxは、同一でもよいし異なってもよい。]
で示されるいずれか一つの重合性官能基を有する重合性
化合物を含む前記[1]乃至[4]のいずれかに記載の
熱重合性組成物。
【0022】[6]重合性組成物が、さらに炭酸エステ
ル類、脂肪族エステル類、エーテル類、ラクトン類、ス
ルホキシド類及びアミド類から選ばれる少なくとも一種
の非水有機溶媒を含む前記[1]乃至[5]のいずれか
に記載の熱重合性組成物。
【0023】[7]非水有機溶媒の含有量が、熱重合性
化合物に対して300〜1500重量%である前記[6]に
記載の熱重合性組成物。 [8]平均粒径が0.005〜100μmの無機微粒子を少
なくとも一種含む前記[1]乃至[7]のいずれかに記
載の熱重合性組成物。
【0024】[9]電解質塩が、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、遷移金属塩及び
プロトン酸から選ばれる少なくとも一種である前記
[1]乃至[8]のいずれかに記載の熱重合性組成物。
【0025】[10]少なくとも一種の電解質塩が、L
iPF6、LiBF4、LiAsF6、及びLiN(R−
SO22(式中、Rは炭素数1以上10以下のパーフル
オロアルキル基を表わす。)から選択される前記[9]
に記載の熱重合性組成物。 [11]前記[1]乃至[10]のいずれかに記載の熱
重合性組成物を熱重合することによって得られる高分子
固体電解質。 [12]前記[11]に記載の高分子固体電解質、及び
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
池用または電気二重層コンデンサ用電極。 [13]前記[11]に記載の高分子固体電解質を用い
ることを特徴とする電池。
【0026】[14]電池の負極として、リチウム、リ
チウム合金、リチウムイオンを吸蔵放出できる炭素材
料、リチウムイオンを吸蔵放出できる無機化合物、及び
リチウムイオンを吸蔵放出できる導電性高分子から選択
される少なくとも一つの材料を用いる前記[13]に記
載の電池。 [15]電池の正極として、導電性高分子、金属酸化
物、金属硫化物及び炭素材料から選択される少なくとも
一つの材料を用いる前記[13]に記載の電池。 [16]前記[11]に記載の高分子固体電解質を用い
ることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
【0027】[17]前記[1]乃至[10]のいずれ
かに記載の熱重合性組成物の少なくとも一種を電池構成
用構造体内に入れ、または支持体上に配置した後、加熱
して熱重合性組成物を硬化することを特徴とする電池の
製造方法。 [18]前記[1]乃至[10]のいずれかの項に記載
の熱重合性組成物の少なくとも一種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た
後、加熱して熱重合性組成物を硬化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。
【0028】
【発明の実施の態様】
[1]熱重合性組成物 本発明の熱重合性組成物は、基本的には、(a)熱重合性
化合物、(b)重合開始剤、(c)重合抑制剤及び(d)電解質
塩を各々少なくとも一種含む。さらに(e)非水有機溶
媒、(f)無機微粒子を含んでもよい。本発明の熱重合性
組成物は、特に保存安定性改善のために添加する特定の
重合抑制剤(c)に特徴を有する。
【0029】また好ましくは、重合開始能が良好な特定
の重合開始剤(b)を(c)と組み合わせることにより硬化性
が良好で保存安定性の優れた熱重合性組成物を得ること
ができる。すなわち、一般式(2)で示される重合開始
剤(b)は重合開始能が良好であり、非常に少量であって
も効率的に反応が進行し、室温から中温でも熱重合性組
成物の硬化が可能で、残存二重結合が非常に少なく、硬
化特性の良好な熱重合性組成物が得られる。
【0030】しかしながら、一般式(2)で示される重
合開始剤(b)を用いることにより、熱重合性組成物の保
存安定性が劣り、熱重合性組成物の偶発的な硬化が起こ
りやすいという問題を生じる。これに一般式(1)で示
される特定の重合抑制剤を添加すると、保存安定性が特
異的に改善される。一般式(1)で示される本重合抑制
剤はスチレン骨格の二重結合を有する化合物であり、熱
重合性組成物の保存中に重合開始剤の分解等により徐々
に発生する成長ラジカル種をその二重結合に付加させる
機能を有する。このラジカルが付加した重合抑制剤は長
時間安定であるため、熱重合性組成物の偶発的な重合を
防ぐことができる。
【0031】また、熱重合性化合物(a)として、一般式
(3)及び/または(4)で示される重合性官能基を有
する特定の化合物を使用すると熱重合性組成物の硬化特
性がさらに増すので好ましい。この特定の熱重合性化合
物(a)を用いることにより得られる硬化物は電流特性や
サイクル特性に優れ、電気化学的に安定な高分子固体電
解質を形成する。さらに驚くべきことに、非水有機溶媒
を含む組成物においては、有機溶媒が重合性化合物の3
00重量%を超える場合でも硬化性が良く、得られる高
分子固体電解質は高イオン伝導性で成膜性に優れ、膜強
度や電気化学的特性が良好である。以下、本発明の熱重
合性組成物の各構成成分について詳述する。
【0032】(a)熱重合性化合物 (i)熱重合性化合物の構造 本発明で用いる熱重合性化合物(a)は特に限定されない
が、以下の一般式(3)及び/または一般式(4)
【化9】
【0033】[式中、R1及びR3は水素原子またはアル
キル基を表わし、R2及びR5は、オキシアルキレン、フ
ルオロカーボン、オキシフルオロカーボンまたはカーボ
ネート基を含む2価の基を表わし、R4は炭素数10以
下の2価の基を表わす。R2、R4及びR5はヘテロ原子
を含んでいてもよく、直鎖状、分岐状または環状のいず
れの構造を有するものでもよい。xは0または1〜10
の整数を示す。但し、同一分子中に複数個の上記一般式
(3)または(4)で示される重合性官能基が含まれる
場合、それぞれの重合性官能基中のR1、R2、R3
4、R5及びxは、同一でもよいし異なってもよい。]
で示されるいずれか一つの官能基を有する重合性化合物
が好ましい。
【0034】一般式(3)及び/または(4)で示され
るいずれか一つの官能基を有する重合性化合物は、(メ
タ)アクリレート構造とオキシアルキレン、フルオロカ
ーボン、オキシフルオロカーボン及び/またはカーボネ
ート基を含む部分とからなる。(メタ)アクリレート構
造は、重合反応により架橋または主鎖を形成する。オキ
シアルキレン、フルオロカーボン、オキシフルオロカー
ボン、カーボネート基を含む部分は重合後、架橋及び/
または側鎖形構造を形成する。この側鎖構造等において
ヘテロ原子が電解質塩のイオン化を促進させ固体電解質
のイオン伝導性を向上させるとともに、ラジカル重合に
よる硬化性をも促進させる。この結果、少ない熱重合開
始剤添加量においても残存2重結合が非常に少なく、硬
化が完全に進むことが見出された。
【0035】特に一般式(4)の構造の重合性官能基を
含むことが好ましい。熱重合性化合物が一般式(4)の
重合性官能基を有する場合、化合物を重合して得られる
高分子はウレタン基を含んでおり、誘電率が高くなり、
高分子固体電解質とした場合のイオン伝導度が高くなる
という好ましい特徴をもたらす。さらに、一般式(4)
の構造を含む熱重合性化合物は重合性が良好で、薄膜に
したときの膜強度も大きく電解液の包含量が多くなり好
ましい。
【0036】一般式(3)のR2あるいは一般式(4)
のR5に含まれるオキシアルキレンは特に制限されない
が、好ましくは次式
【化10】 で示される構造を含むオキシアルキレン鎖である。上記
式中、R6は水素原子または炭素数10以下のアルキル
側鎖である。アルキル側鎖としては好ましくはメチル基
である。繰り返し数sは1〜1000、好ましくは1〜50
の範囲の整数である。もっとも、R6は各繰り返し単位
ごとに異なっていても良い。
【0037】一般式(3)のR2あるいは一般式(4)
のR5に含まれるフルオロカーボンは特に制限されない
が、好ましくは炭素数20以下のアルキレン鎖において
炭素に結合する水素がフッ素で置換されたものである。
炭素鎖の骨格は直鎖状、分岐状、環状のいずれの構造を
有するものでもよい。
【0038】一般式(3)のR2あるいは一般式(4)
のR5に含まれるオキシフルオロカーボンは特に制限さ
れないが、好ましくは次式
【化11】 で示される構造を含むオキシフルオロカーボン鎖であ
る。式中、R7はフッ素原子、または炭素数10以下の
フルオロカーボン側鎖である。フルオロカーボン側鎖と
しては、好ましくはペルフルオロメチル基である。繰り
返し数tは1〜1000、好ましくは1〜50の範囲の整数
である。もっとも、R7は各繰り返し単位ごとに異なっ
ていても良い。
【0039】一般式(3)のR2あるいは一般式(4)
のR5に含まれるカーボネート基は特に制限されない
が、好ましくは次式
【化12】 で示されるポリまたはオリゴカーボネート鎖である。式
中、R8は炭素数が1〜10の鎖状、分岐状及び/また
は環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基を表
わし、uは1〜10の整数であり、wは2〜1000の整数
である。
【0040】上記一般式でuが10を超えると、高分子
化合物中のカーボネート基が少なくなり、誘電率が低下
し、電解質塩が解離しにくくなるので好ましくない。好
ましいuは1〜5である。
【0041】上記一般式でR8の炭素数が多すぎると、
高分子化合物中のカーボネート基が少なくなり、誘電率
が低下し、電解質塩が解離しにくくなり好ましくない。
また、高分子化合物の疎水性が増加し、各種極性溶媒と
の相溶性が低下し、好ましくない。好ましいR8の炭素
数は1〜6であり、更に好ましくは1〜4である。繰り
返し数wは2〜1000の範囲であり、3〜100の範囲が
好ましく、5〜50が特に好ましい。
【0042】なお、一般式(3)のR2あるいは一般式
(4)のR5の残りの部分は、上記いずれの場合におい
ても、直鎖状、分岐状もしくは環状のいずれの構造を含
んでもよく、発明の目的に反しない限りにおいてヘテロ
原子を含んでもよい。
【0043】また、一般式(4)のR4は、好ましくは
【化13】−(CH2p(CH(CH3))q− である。式中、p及びqはそれぞれ0または1〜5の整
数である。但しp=q=0のときはx=0である。[O
4xにおいてxが2以上の場合、−CH2−と−CH
(CH3)−はそれぞれが連続せずに不規則に配列して
もよい。
【0044】(ii)熱重合性化合物の製造方法 一般式(3)で示される官能基を有する化合物を合成す
る方法に特に限定はないが、例えばR2がオキシアルキ
レン基の場合は、酸塩化物と末端にヒドロキシル基を有
するオリゴオキシアルキレンオールとを反応させること
により容易に得られる。
【0045】例えば、一般式(3)で示される官能基を
1つ有する化合物は、酸塩化物とモノアルキルオリゴア
ルキレングリコールとを以下の反応式に従って、1:1
のモル比で反応させることにより、容易に得られる。
【化14】 (式中、R1は一般式(3)と同じ意味を表わし、R6
びsは前記と同じ意味を表わす、R9は酸塩化物と反応
しない基、例えばアルキル基である。)
【0046】同様に、一般式(3)で示される官能基を
2つ有する化合物は、酸塩化物とオリゴアルキレングリ
コールとを以下の反応式に従って、2:1のモル比で反
応させることにより、容易に得られる。
【化15】 (式中、R1、R6及びsは前記と同じ意味を表わす。)
【0047】一般式(3)の官能基を3個以上有する場
合も同様であり、酸塩化物をグリセリン等のトリオー
ル、ペンタエリスリトール等のテトラオール、α−D−
グルコピラノースにアルキレンオキサイドを付加重合さ
せたペンタオール、マンニットにアルキレンオキサイド
を付加重合させたヘキサオール等とそれぞれ3:1、
4:1、5:1、6:1で反応させることにより、一般
式(1)の官能基をそれぞれ1分子中に3個、4個、5
個または6個有する重合性化合物が得られる。
【0048】R2がオキシフルオロカーボンを有する化
合物の製造方法も、水酸基を有する化合物の炭素骨格に
結合した水素がフッ素に置換されているオキシフルオロ
カーボンを用いる点を除いて上記と同様である。
【0049】具体的方法として1つのエチレン性不飽和
基を有する化合物、すなわち一般式(1)で示されるユ
ニットを1つ有する化合物は、例えば、上述の酸塩化物
と2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロ−1−
ブタノールのようなモノオールとを1:1のモル比で反
応させることにより、容易に得られる。
【0050】また、2つのエチレン性不飽和基を有する
化合物、すなわち一般式(3)で示されるユニットを2
つ有する化合物は、例えば、酸塩化物と2,2,3,3
−テトラフルオロ−1,4−ブタンジオールのようなジ
オールとを2:1のモル比で反応させることにより、容
易に得られる。一般式(3)で示されるユニットを3つ
以上有する化合物についても同様である。
【0051】本発明の高分子固体電解質に用いられるオ
キシアルキレン基を有し、一般式(4)で示される官能
基を有する化合物を合成する方法に特に限定はないが、
例えば、上記の酸塩化物の代わりに、
【化16】 (式中、R3、R4及びxは一般式(4)と同じ意味を表
わす。)で示されるイソシアネート化合物と末端にヒド
ロキシル基を有するオリゴオキシアルキレンオールとを
反応させることにより容易に得ることができる。
【0052】具体的方法として一般式(4)で示される
官能基を1つ有する化合物は、例えば、メタクリロイル
イソシアナート系化合物(以下、MI類と略記する。)
あるいはアクリロイルイソシアナート系化合物(以下、
AI類と略記する。)とモノアルキルオリゴアルキレン
グリコール等とを、以下の反応式に従って1:1のモル
比で反応させることにより、容易に得られる。
【0053】
【化17】 (式中、R3、R4、R6、R9、x及びsは前記と同じ意
味を表わす。)
【0054】また、一般式(4)で示される官能基を2
つ以上有する化合物についても上記と同様に合成するこ
とができる。例えば、MI類あるいはAI類とオリゴア
ルキレングリコールとを2:1のモル比で反応させるこ
とにより一般式(4)で示される官能基を2つ有する化
合物が得られ、MI類及び/またはAI類と、グリセリ
ン等の3価アルコールにアルキレンオキサイドを付加重
合させたトリオールとを3:1のモル比で反応させるこ
とにより一般式(4)で示される官能基を3つ有する化
合物が得られ、MI類及び/またはAI類と、ペンタエ
リスリトール等の4価アルコールにアルキレンオキサイ
ドを付加重合させたテトラオールとを4:1のモル比で
反応させることにより一般式(4)で示される官能基を
4つ有する化合物が得られ、MI類及び/またはAI類
と、α−D−グルコピラノースにアルキレンオキサイド
を付加重合させたペンタオールとを5:1のモル比で反
応させることにより一般式(4)で示される官能基を5
つ有する化合物が得られ、MI類及び/またはAI類
と、マンニットにアルキレンオキサイドを付加重合させ
たヘキサオールとを6:1のモル比で反応させることに
より一般式(4)で示される官能基を6つ有する化合物
が得られる。
【0055】オキシアルキレンに代えてフルオロカーボ
ンまたはオキシフルオロカーボンを導入したい場合に
は、上記の2価乃至多価アルコールにおいて水素をフッ
素で置換したものを用いればよい。例えば、MI類ある
いはAI類と2,2,3,3−テトラフルオロ−1,4
−ブタンジオールのようなジオールとを以下の反応式に
従って、2:1のモル比で反応させることにより、一般
式(4)で示される官能基を分子中に2個含み、これら
がペルフルオロカーボンを介して結合した熱重合性化合
物が得られる。
【0056】
【化18】
【0057】一般式(4)で示されるユニットを3つ以
上有する化合物についても同様である。
【0058】R2あるいはR5がカーボネート基を有する
基である具体的な重合性化合物としては、例えば以下の
一般式で示される化合物が挙げられる。
【化19】 [式中、R10は炭素数1〜20の鎖状、分岐状及び/ま
たは環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい基を表わ
し、その他の記号は前記と同じ意味を表わす。]
【0059】一般式(3)において、R2がカーボネー
ト基を有する基を表わす重合性化合物を合成する方法に
特に制限はないが、例えば、酸クロライドと末端にヒド
ロキシル基を有するポリまたはオリゴカーボネートオー
ルとを以下の工程で反応させることにより容易に得られ
る。
【化20】 [式中、R1、R8、u及びwは前記と同じ意味を表わ
す。]
【0060】一般式(4)において、R5がカーボネー
ト基を有する基を表わす重合性化合物を合成する方法に
特に制限はないが、例えば
【化21】 で示されるイソシアネート化合物と末端にヒドロキシル
基を有するポリまたはオリゴカーボネートオールとを反
応させることにより容易に得ることができる。
【0061】具体的方法として、一般式(2)で示され
る官能基を一つ有する化合物は、例えば、前記MI類あ
るいはAI類とモノアルキルポリまたはオリゴカーボネ
ートオールとを、以下の反応の様に1:1のモル比で反
応させることにより容易に得ることができる。
【0062】
【化22】 (式中、R11は炭素数1〜10の有機基を表わし、
3、R4、R8、u、w及びxは前記と同じ意味を表わ
す。)
【0063】また、一般式(4)で示される官能基を二
つ有する化合物は、例えば、MI類あるいはAI類とポ
リまたはオリゴカーボネートジオールとを以下のように
2:1のモル比で反応させることにより容易に得られ
る。
【化23】 (式中、R3、R4、R8、u、w及びxは前記と同じ意
味を表わす。)
【0064】また一般式(2)で示される官能基を三つ
有する化合物は、例えば、MI類あるいはAI類とポリ
またはオリゴカーボネートトリオールとを3:1のモル
比で反応させることにより容易に得られる。
【0065】(iii)熱重合性化合物の使用形態 本発明で用いる熱重合性化合物は、後述する重合開始剤
の存在下、加熱により重合して高分子固体電解質を形成
する。一般式(3)及び/または(4)で示される重合
性官能基を有する化合物はそれぞれ単独で用いてもよい
し、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また前記一
般式(3)及び/または(4)で示される重合性官能基
を有する重合性化合物の少なくとも一種と他の重合性化
合物とを組み合わせて用いてもよい。
【0066】ここで、一般式(3)または(4)で示さ
れる官能基を1つしか有さない化合物を重合してできる
高分子は、架橋構造を有しておらず膜強度不足のため、
薄膜にすると短絡する場合がある。したがって、一般式
(3)及び/または(4)で示される官能基を2つ以上
有する重合性化合物と共重合し、架橋させるか、一般式
(3)及び/または(4)で示される官能基を2つ以上
有する重合性化合物から得られる高分子と併用すること
が好ましい。これら高分子を薄膜として使用する場合、
その強度を考慮して、1分子中に含まれる一般式(3)
または(4)で示される官能基の数は、3つ以上がより
好ましい。
【0067】前記一般式(3)及び/または(4)で示
される重合性官能基を有する重合性化合物と共重合可能
な他の重合性化合物としては、特に制限はない。例え
ば、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、各種ウレタンア
クリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,
N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジメチルメタク
リルアミド、炭酸ビニレン、(メタ)アクリロイルカー
ボネート、N−ビニルピロリドン、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を挙げる
ことができる。これらの中で好ましいのは、(メタ)ア
クリル酸エステル、ウレタン(メタ)アクリレートであ
り、ウレタン(メタ)アクリレートが重合性という観点
で特に好ましい。
【0068】(b)熱重合開始剤 熱重合開始剤は、熱によってホモリシスを起こしラジカ
ルを発生させる系と、2つの物質間で1電子移動反応を
起こしてラジカルを発生させる2元系とに大きく分類さ
れる。前者として、過酸化ベンゾイルなどの過酸化物や
アゾビスイソブチロニトリルなどのアゾ化合物などが、
後者としてレドックス開始剤があげられる。
【0069】本発明においては、一般式(2)
【化24】 [式中、Xは直鎖状、分岐状または環状の、置換基を有
してもよいアルキル基またはアルコキシ基を表わし、Y
は直鎖状、分岐状または環状の置換基を有してもよいア
ルキル基を表わし、m及びnはそれぞれ0または1であ
るが、(m,n)=(0,1)の組み合わせは除く。]
で示される有機過酸化物を用いることが好ましい。
【0070】アゾ化合物、例えば、アゾビスジフェニル
メタン、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、ジメ
チル−2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネー
ト)等は、ラジカル発生に伴ってガスが発生し、電極上
及び/または電極内部に固体電解質を複合する場合、こ
のガスによって集電体からの電極材剥離や電極膨張など
電池形状の変化や、電流特性や界面抵抗の増大やサイク
ル特性の劣化など電気化学的特性に悪影響を及ぼす問題
があるので好ましくない。
【0071】また、ベンゼン環を有する過酸化物、例え
ば、ベンゾインイソブチルエーテル等のベンゾイン系化
合物、ジエトキシアセトフェノン等のアセトフェノン系
化合物、ベンゾフェノン、ベンゾイル安息香酸メチル等
のベンゾフェノン系化合物等は、その加熱分解生成物が
フェニル基を含むため電気化学的安定性に問題があり、
電池としてのサイクル特性劣化が早いこと、また一般に
その活性酸素量が半減する温度が高く、電解質や溶剤及
び高分子の劣化や分解、溶剤の揮発などが起こりやす
く、電気化学的特性や製造工程上の問題が起こりやすい
ので好ましくない。
【0072】これに対し、上記一般式(2)で示される
重合開始剤は、重合開始能が良好であり、非常に少量で
あっても効率的に反応が進行し、室温から中温でも熱重
合性組成物の硬化が可能で、残存二重結合が非常に少な
い、高分子固体電解質を得る目的に適した硬化特性の良
好な熱重合性組成物が得られる。また、本重合開始剤を
用いた熱重合性組成物は硬化時のガス発生が少なく、ま
た硬化後の生成物が電気化学的に安定であり、従ってこ
の熱重合性組成物から得られる高分子固体電解質は電流
特性の低下やサイクル特性の劣化など電気化学的問題が
生じず、またガス発生に伴う集電体からの電極剥離や電
極からの高分子固体電解質剥離など内部インピーダンス
の上昇をもたらさないことが確認された。
【0073】一般式(2)で示される重合開始剤として
の有機過酸化物とは、ジアシルパーオキサイド、パーオ
キシジカーボネート、パーオキシエステルであり、具体
的には、3,5,5−トリメチルヘキサノイルパーオキ
サイド、ラウロイルパーオキサイド、ステアロイルパー
オキサイド、オクタノイルパーオキサイド、ジ−n−プ
ロピルパーオキシジカーボネート、ジイソプロピルパー
オキシジカーボネート、ビス(4−t−ブチルシクロヘ
キシル)パーオキシジカーボネート、ジ−2−エトキシ
エチルパーオキシジカーボネート、ジ−2−エチルヘキ
シルパーオキシジカーボネート、ジ−2−メトキシブチ
ルパーオキシジカーボネート、ジ(3−メチル−3−メ
トキシブチル)パーオキシジカーボネート、1,1,
3,3−テトラメチルブチルパーオキシネオデカネー
ト、1−シクロヘキシル−1−メチルエチルパーオキシ
ネオデカネート、t−ヘキシルパーオキシネオデカネー
ト、t−ブチルパーオキシネオデカネート、t−ヘキシ
ルパーオキシピバレート、t−ブチルパーオキシピバレ
ート、1,1,3,3−テトラメチルブチルパーオキシ
−2−エチルヘキサノエート、1−シクロヘキシル−1
−メチルエチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエー
ト、t−ヘキシルパーオキシ−2−エチルヘキサノエー
トなどが例示される。
【0074】これら有機過酸化物は、単独または任意の
組み合わせで本発明に使用することができ、2種以上組
み合わせて使っても差し支えない。
【0075】重合性化合物及び/または重合性組成物の
硬化を所望する場合には、その高分子固体電解質の熱安
定性の問題や電極など各種構成材と複合における密着性
の問題から、室温から中温での硬化が望ましい。室温か
ら中温での硬化を所望する場合には、開始剤と還元性の
促進剤を併用するか、あるいは開始剤を熱のみで分解さ
せることが可能であるが、促進剤を併用して活性を示す
ものよりは、室温において単独で開裂を起こし、あるい
は加熱されて初めて分解して遊離ラジカルを発生し活性
を示すものが好ましい。熱のみで硬化させる場合は、そ
の開始剤の熱分解速度を最適に選択すれば良く、これら
開始剤を組み合わせることも好ましい。
【0076】本発明の重合性組成物中には、下記式で定
義される活性酸素量、すなわち有機過酸化物の構造中に
ある活性酸素(−O−)の原子量をその有機過酸化物の
分子量で除した値に重合性組成物中に占める有機過酸化
物の重量%を掛けた値が、1ppmから1000ppm、特
に10から500ppm存在することが好ましい。
【0077】
【数1】活性酸素量(重量%)=(有機過酸化物の量/
重合性組成物の量)×(16×過酸化結合の数/有機過
酸化物分子量)
【0078】活性酸素量が過少であると反応が十分に進
行しない。活性酸素量が過剰であると、開始剤によるタ
ーミネートが多く、低分子量化し易く膜の強度不足の問
題を生じ、電流特性やサイクル特性の劣化など電気化学
的特性に悪影響を及ぼす。
【0079】(c)重合抑制剤 本発明の熱重合性組成物に用いる重合抑制剤は分子内に
ビニル基を含む下記一般式(1)で示される構造を有す
る化合物である。
【化25】
【0080】式中、Aは直鎖状、分岐状、または環状の
アルキレン基を表わし、Phは置換基を有してもよいフ
ェニル基を表わし、aは0または1である。一般式
(1)において、Aが表わす直鎖状、分岐状、及び環状
のアルキレン基としては、例えば下記式で示される基が
挙げられる。
【化26】 一般式(1)において、フェニル基の置換基としては、
メチル基やエチル基などのアルキル基が挙げられ、置換
基を有するフェニル基としては、例えば3−メチルフェ
ニル基、3,5−ジメチルフェニル基などが挙げられ
る。
【0081】本発明で使用する重合抑制剤は、熱重合性
組成物の重合開始時に以下の機能を発現することを目的
としている。まず、重合開始時に熱重合開始剤の分解等
により発生したラジカルを本重合抑制剤のビニル基に付
加させて成長反応を一時的に停止させ安定化させる。つ
いで加熱により二重結合に付加したラジカルを熱重合性
組成物中の他の重合性化合物の二重結合に移動させるこ
とによりラジカル成長反応を再開させ、重合を進める。
【0082】このような機能を有する化合物の具体例と
しては一般式(1)においてAが
【化27】 で、aが1の化合物、
【0083】Aが
【化28】 で、aが1の化合物、
【0084】Aが
【化29】 で、aが1の化合物等が挙げられる。
【0085】これら重合抑制剤の添加量は熱重合性組成
物の他の成分(重合開始剤、重合性化合物、有機溶剤
等)の種類や組成によって異なるが、一般的には10p
pmから1%の添加量で使用される。
【0086】(d)電解質塩 本発明で用いる電解質塩の種類は特に限定されるもので
はなく、キャリアーとしたいイオンを含んだ電解質を用
いればよいが、高分子固体電解質中での解離定数が大き
いことが望ましく、LiCF3SO3、NaCF3SO3
KCF3SO3などのトリフロロメタンスルホン酸のアル
カリ金属塩、LiN(CF3SO22、LiN(CF3
2SO22などのパーフロロアルカンスルホン酸イミ
ドのアルカリ金属塩、LiPF6、NaPF6、KPF6
などのヘキサフロロ燐酸のアルカリ金属塩、LiClO
4、NaClO4などの過塩素酸アルカリ金属塩、LiB
4、NaBF4などのテトラフロロ硼酸塩、LiSC
N、LiAsF6、LiI、NaI、NaAsF6、KI
などのアルカリ金属塩などが例示される。アンモニウム
塩としては過塩素酸テトラエチルアンモニウムなどの過
塩素酸の四級アンモニウム塩、(C254NBF4など
のテトラフロロ硼酸の四級アンモニウム塩、(C25
4NPF6などの四級アンモニウム塩、(CH34P・B
4、(C254P・BF4などの4級ホスホニウム塩
などが例示される。これら電解質の中では、有機溶媒中
での溶解性、イオン伝導度から、LiPF6、LiB
4、LiAsF6、パーフロロアルカンスルホン酸イミ
ドのアルカリ金属塩や四級アンモニウム塩が好ましい。
【0087】本発明の熱重合性組成物を硬化することに
より得られる高分子固体電解質中の高分子成分と電解質
塩の複合比は、高分子の重量に対し、電解質塩0.1〜5
0重量%が好ましく、1〜30重量%が特に好ましい。
電解質塩が50重量%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、0.1重量%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。
【0088】(e)非水有機溶媒 本発明の高分子固体電解質中に溶媒として非水有機溶媒
が含有されていると、高分子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。使用できる非水有機溶
媒としては、本発明の高分子固体電解質を得るため熱重
合性組成物に用いる熱重合性化合物(a)との相溶性が良
好で、誘電率が大きく本発明の熱重合性組成物に用いる
電解質塩(d)の溶解性が高く、沸点が70℃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。
【0089】そのような溶媒としては、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、ジメチルカーボネー
ト、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネー
ト、炭酸ビニレン等の炭酸エステル類、プロピオン酸メ
チルや蟻酸メチル等の脂肪族エステル類、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
ムアミド等のアミド類、ジメチルスルホキシド等のスル
ホキシド類、γ−ブチロラクトン等のラクトン類、スル
ホラン等の硫黄化合物、N−メチルピロリドン、N−ビ
ニルピロリドン、リン酸エステル類等が挙げられる。こ
の中で、炭酸エステル類、脂肪族エステル類、エーテル
類が好ましく、カーボネート類が特に好ましい。これら
は単独で用いてもよいし、2種類以上混合した混合溶媒
として用いても良い。
【0090】非水有機溶媒の含有量は、多いほどその高
分子固体電解質のイオン伝導度が向上する。このため、
一般的にはその含有量を増やすことが望ましいが、反
面、含有量が過剰であると、硬化性や成膜性、膜の機械
強度等が損なわれる。本発明の好ましい形態である一般
式(3)及び/または(4)で示される重合性官能基を
含む重合性化合物と一般式(2)で示される有機過酸化
物を組み合わせた重合性組成物は、有機溶媒含有量を高
めても硬化性が良く成膜性や膜機械強度に優れる特徴を
有するので、高分子固体電解質に用いる重合性化合物重
量の200重量%以上を含有させることが可能である。
特に300重量%以上がイオン伝導度など電流特性の点
から好ましい。
【0091】(f)無機微粒子 以上、本発明の熱重合性組成物により製造される高分子
固体電解質の構成成分を列挙したが、本発明の目的を損
なわない限り、他の成分を添加することも可能である。
【0092】例えば、各種無機微粒子を添加した複合電
解質としても使用でき、そうすることにより強度、膜厚
均一性が改善するばかりでなく、無機微粒子と高分子間
に微細な空孔が生じることになり、特に溶媒を添加した
場合には空孔内にフリーの電解液が複合電解質内に分散
することになり、強度改善効果を損ねることなく、逆に
イオン伝導度、移動度を増加させることもできる。ま
た、無機微粒子を添加することにより、重合性組成物の
粘度が上昇し、高分子と溶媒の相溶性が不十分な場合に
もその分離を抑える効果が現われる。
【0093】使用する無機微粒子としては非電子伝導
性、電気化学的に安定なものが選ばれる。またイオン伝
導性で有ればさらに好ましい。具体的にはα、β、γ−
アルミナ、シリカ等のイオン伝導性または非電導性セラ
ミックス製微粒子が挙げられる。
【0094】複合高分子電解質の強度の改善、電解液保
液量増加の観点から、無機微粒子は一次粒子が凝集した
二次粒子構造をもつものが好ましい。このような構造を
持つ無機微粒子の具体例としてはアエロジル(日本アエ
ロジル(株)製)のようなシリカ超微粒子、アルミナ超
微粒子が挙げられ、安定性、複合効率からアルミナ超微
粒子が特に好ましい。
【0095】電解質中の電解質含有液の保有量を多く
し、イオン伝導性、移動度を増加させるという目的で
は、フィラーの比表面積はできるだけ大きいことが好ま
しく、BET法で5m2/g以上が好ましく、50m2
g以上がさらに好ましい。このような無機微粒子のサイ
ズとしては、重合性組成物と混合できれば特に限定はな
いが、平均粒径として0.01μm〜100μmが好まし
く、0.01μm〜20μmが特に好ましい。また、形状と
しては球形、卵形、立方体状、直方体状、円筒ないし棒
状等の種々の形状のものを用いることができる。
【0096】無機微粒子の添加量は多すぎると複合電解
質の強度やイオン伝導性を低下させたり、成膜しづらく
なるという問題を生じる。従って添加量としては、複合
電解質に対して50重量%以下が好ましく、0.1から3
0重量%の範囲が特に好ましい。
【0097】(g)配合順序 本発明の熱重合性組成物を作製するに際して、熱重合開
始剤等の添加順序は、特に限定されないが、好ましい例
として、以下の方法を挙げることができる。一般式
(1)で示される重合抑制剤(c)は、全てまたはその一
部を重合性化合物、溶剤、電解液またはこれらから調製
した重合性組成物の何れにも添加できるが、溶解性の面
から溶剤、電解液または重合性組成物に添加することが
好ましい。一般式(2)で示される熱重合開始剤(b)も
重合性化合物、溶剤、電解液またはこれらから調製した
重合性組成物のいずれにも添加できるが、保存安定性の
面及び溶解性の面から全てを混合した最後の重合性組成
物に添加することが好ましい。
【0098】[2]高分子固体電解質及びその製造方法
(熱重合性組成物の重合) 上記の熱重合性組成物を加熱することにより高分子固体
電解質が得られる。熱重合性組成物の好ましい硬化条件
としては、所望する成形温度、重合性化合物の種類や硬
化性、溶剤の沸点などに応じて熱重合開始剤を選択し、
その開始剤の活性酸素量が一定時間で半分になるのに要
する温度(半減期温度)を参考に決めることが出来る。
熱重合開始剤の半減期と活性化エネルギーを目安に硬化
温度と硬化速度を決めれば良く、例えば10時間半減期
に要する温度で表わせば、室温から100℃以下であ
り、特に40℃以上70℃以下が好ましい。
【0099】また、活性酸素量や活性化エネルギー及び
半減期のそれぞれ異なる熱重合開始剤を任意に2種類以
上組み合わせて使っても差し支えなく、本発明の目的に
は、これら指標をもとに、高分子固体電解質としての硬
化反応に最も適合する開始剤、硬化条件を選ぶことが好
ましい。
【0100】例えば、一般式(1)で示される重合抑制
剤と一般式(2)で示される熱重合開始剤を、一般式
(4)のウレタン結合を有し、オキシアルキレン基を含
有する(メタ)アクリレートモノマー及び電解質塩から
なる高分子固体電解質(特開平6-187822号)用熱重合性
組成物と組み合わせたところ、60℃、60分加熱で硬
化し、この硬化後のイオン伝導度は、溶媒未添加でも1
-4S/cm(室温)と高く、さらに溶媒を添加する
と、室温またはそれより低温であっても10-3S/cm
以上に改善されることが見出された。しかも、電池や電
気二重層コンデンサのような素子に応用する場合、予め
素子内に導入した熱重合性組成物を素子封止後に加熱硬
化させることにより、素子の全固体化が簡便に実現でき
る。
【0101】なお、本発明の高分子固体電解質は、例え
ば各種多孔性高分子フィルムと複合して複合電解質とし
て使用し、強度改善、膜厚均一性や電極間の短絡防止を
行うことも可能である。但し、使用する高分子の種類、
フィルム形状、複合割合によっては電解液吸液後のセパ
レータとしてのイオン伝導度の低下や安定性の悪化を招
くので、適したものを選ぶ必要がある。使用するフィル
ムとしてはポリプロピレン不織布やポリエチレン製ネッ
トのような網状ポリオレフィンシート等が用いられ、セ
パレーターとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピ
レンなどの織布、不織布、ガラス繊維、セラミックス繊
維などの不織布、高分子固体電解質膜あるいはこれらの
複合体が用いられる。高分子固体電解質膜またはその複
合体をセパレーターに用いると本発明の高分子固体電解
質との接着性、密着性が良いので特に好ましい。本発明
の高分子固体電解質の使用態様に関して、以下電池及び
電気二重層コン
【0102】デンサに関連してより具体的に説明する。 [3]電池及びその製造方法 本発明の電池として、薄膜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、4a、4bは集電体、5a、5bは絶縁性樹脂
封止剤である。
【0103】本発明の電池の構成において、正極1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。
このような電極活物質の中では、充填密度が高く体積容
量密度が高くなるという点で、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。
【0104】この場合の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,第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LixCoO2やLixMnO2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L
i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4,357,
215号に記載されているように、Li2CO3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。
【0105】また、柔軟で薄膜にしやすいという点で
は、導電性高分子が好ましい。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、ポリピロール及びそ
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。
【0106】本発明の電池の負極3に用いる負極活物質
としては、前述のアルカリ金属、アルカリ金属合金、炭
素材料、金属酸化物や金属カルコゲナイドのようなアル
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。このような負極活物質の中では、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
た炭素材料もリチウム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。リチウムイオンを吸蔵放出できる材料として
は、酸化錫のような無機化合物、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。
【0107】集電体4a、4b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。本発明の電池の製造方法の一例について説明
する。
【0108】正極1、負極3を本発明の熱重合性組成物
より得られた高分子固体電解質膜2を介してお互いに接
触しないように集電体4a、4bを含む電池構成用構造
体内に入れる。次に電解液を注入含浸させ、高分子固体
電解質を含む電池が得られる。また、電解液の代わりに
熱重合性組成物を注入した場合は、加熱により、重合性
組成物を硬化させ完全に固体化することにより、電極と
均一に密着した高分子固体電解質を含む電池が得られ
る。その後、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂等の絶
縁性樹脂5a、5bで封止する。
【0109】また、正極と負極間にセパレータを介在さ
せ、お互いに接触しないよう組み立てた電極間に本発明
の熱重合性組成物を注入含浸させた後、加熱により硬化
させることでも完全に固体化された電池が得られる。電
解液もしくは熱重合性組成物を正極及び/または負極に
含浸させ、どちらか一方の電極上に本発明の熱重合性組
成物を均一な厚みとなるように塗布後、前述した方法で
熱重合することにより、電極上に均一な厚みの高分子固
体電解質膜を形成する方法を採ってもよい。次いで、も
う一方の電極を高分子固体電解質層に貼り合わせ、電池
構成用構造体内に入れ、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目的の電池を
得ることもできる。
【0110】[4]電気二重層コンデンサ及びその製造
方法 次に本発明の電気二重層コンデンサについて説明する。
本発明によれば、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、寿命、信頼性に優れた電気二重層
コンデンサが提供される。
【0111】本発明の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、大きさ約1cm×1
cm、厚み約0.5mmの薄型セルで、7a、7bは集電
体であり、集電体の内側には一対の分極性電極6a、6
bが配置されており、その間に高分子固体電解質膜8が
配置されている。9は絶縁性樹脂封止剤、10はリード
線である。分極性電極6a、6bは、炭素材料等の分極
性材料からなる電極であれば良く、比表面積が大きけれ
ば特に制限はない。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。
【0112】集電体7a、7b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。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、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。
【0113】本発明の電気二重層コンデンサに用いる電
解質塩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、(CH34NBF
4、(CH3CH24NClO4等の4級アンモニウム
塩、AgClO4等の遷移金属塩、(CH34PBF4
の4級ホスホニウム塩、LiCF3SO3、LiPF6
LiClO4、LiI、LiBF4、LiSCN、LiA
sF6、Li(CF3SO22、NaCF3SO3、NaP
6、NaClO4、NaI、NaBF4、NaAsF6
KCF3SO3、KPF6、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、(CH3CH2)(C
3CH2CH2CH23NBF4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
点から好ましい。
【0114】次に本発明の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。2個の分極性電極6a、
6bを本発明の熱重合性組成物より得られた高分子固体
電解質膜8を介してお互いに接触しないように集電体7
a、7bを含む電気二重層コンデンサ構成用構造体内に
入れる。次に電解液または重合性組成物を注入した後、
ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂9で
封止することにより目的の電気二重層コンデンサを得る
ことができる。なお、熱重合性組成物を注入した場合に
は加熱により重合させることによって本発明の高分子固
体電解質で完全に固体化された電気二重層コンデンサが
得られる。
【0115】なお、前記電気二重層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、アルミラミネート熱融着樹脂、ポリイミド、エチ
レン−ビニルアルコール共重合体、あるいは導電性ある
い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。
【0116】
【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。
【0117】実施例1:熱重合性化合物(化合物3)の
合成 下記の反応式にしたがい、グリセリンエステルである化
合物1とイソシアネート基を有するメタクリレートであ
る化合物2とを反応させ、以下の手順により、熱重合性
化合物(化合物3)を得た。
【0118】
【化30】
【0119】すなわち、化合物1(KOH価34.0mg/
g,p/q=7/3)(50.0g)と低水分のジメチルカ
ーボネート(20g)の混合物を、80℃、真空度3m
mHgで減圧共沸させ、ジメチルカーボネートと共に水
を留去して、低水分の化合物1(50g)を得た。カー
ルフィッシャー法により化合物1の水分を測定したとこ
ろ、30ppmであった。次にこの低水分の化合物1
(50g)及び化合物2(4.6g)を窒素雰囲気中でよ
く精製したテトラヒドロフラン(THF)(100m
l)に溶解した後、ジブチルチンジラウレート(0.44
g)を添加した。その後、15℃で約25時間反応させ
ることにより、無色の粘稠液体を得た。1H−NMR、
C−NMRから化合物1と化合物2が1対3で反応し、
赤外吸収スペクトルからイソシアナート基の吸収が消失
しウレタン結合が生成し、化合物3が生成していること
がわかった。
【0120】実施例2:熱重合性組成物の調製 化合物3(1.0g)とのジエチルカーボネート(DE
C)(5.0g)、エチレンカーボネート(EC)(2.0
g)、LiPF6(1.00g)、2,4−ジフェニル−4
−メチル−1−ペンテン(重合抑制剤,商品名:ノフマ
ーMSD,日本油脂(株)製)(1.8mg)、及び熱重
合開始剤としてt−ヘキシルパーオキシピバレート(商
品名:パーヘキシルPV,日本油脂(株)製)(18m
g)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、高分子固体電解
質用重合性組成物を得た。
【0121】この組成物をアルゴン雰囲気下、フッ化カ
ルシウム板(直径2mm,1mm厚)2枚の間に挟み込
み、赤外吸収スペクトル測定用セルを作製した。この
際、クリアランスを確保するために、5μm厚のポリイ
ミドフィルムの型枠を用いた。次に、このセルを温度調
製付きホットステージ(メトラー社製,ホットステージ
FP82型)にセットし、FT−IR装置(日本分光
(株)製,バロアー3型)を用いて、セルを加熱しなが
ら赤外吸収スペクトルを測定し、1630cm-1付近の不飽
和結合に相当するピーク面積から、残存二重結合の定量
を行った。その結果、60℃で60分加熱後に、残存二
重結合は定量限界の0.1%以下となった。この組成物
(1g)を調製後、アルゴン雰囲気下、25℃で放置し
たところ、15時間後に粘性が急に上昇し、組成物全体
の流動性がなくなり固化した。
【0122】実施例3:高分子固体電解質膜Aの調製 化合物3(1.0g)とプロピレンカーボネート(PC)
(0.8g)、EC(2.2g)、LiPF6(0.45g)、重
合抑制剤ノフマーMSD(2.5mg)、及び熱重合開始
剤としてt−ヘキシルパーオキシピバレート(商品名:
パーヘキシルPV,日本油脂(株)製)(23mg)を
アルゴン雰囲気中でよく混合し、高分子固体電解質用重
合性組成物を得た。次に調製した高分子固体電解質用重
合性組成物にアルゴン雰囲気下、無機微粒子としてアル
ミニウムオキサイドC(日本アエロジル(株)製,二次
粒子平均粒径約0.2μm,比表面積約100m2/g)
(0.20g)を添加し、5分間撹拌混合することにより、
乳白色の無機微粒子入り高分子固体電解質用重合性組成
物Aを得た。
【0123】組成物Aをアルゴン雰囲気下、ポリプロピ
レン(PP)フィルム上に30μm厚に塗布した後さら
にPPフィルムを被せ、このPPフィルム一対をさらに
1.1mm厚のガラス板2枚間に挟み込んだ。次にこのガ
ラス板組を60℃で60分加熱した後、ガラス板とPP
フィルムを剥離したところ、高分子固体電解質膜Aが約
30μmの薄い白濁色の自立膜として得られた。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
0.8×10-3S/cmであった。また、組成物A(1g)
を調製後、アルゴン雰囲気下25℃で放置したところ、
10時間後に粘性が急に上昇し、組成物全体の流動性が
なくなり固化した。
【0124】実施例4:高分子固体電解質膜Bの調製 化合物3(1.0g)とDEC(1.5g)、EC(1.5
g)、LiPF6(0.45g)、重合抑制剤ノフマーMS
D(0.9mg)、及び熱重合開始剤としてビス(4−t
−ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート
(商品名:パーロイルTCP,日本油脂(株)製)(9
mg)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、高分子固体電
解質用重合性組成物を得た。次に調製した高分子固体電
解質用重合性組成物にアルゴン雰囲気下、無機微粒子と
してアルミニウムオキサイドC(日本アエロジル(株)
製,二次粒子平均粒径約0.2μm,比表面積約100m2
/g)(0.20g)を添加し、5分間撹拌混合することに
より、乳白色の無機微粒子入り高分子固体電解質用重合
性組成物Bを得た。
【0125】組成物Bを実施例3と同様の方法で60℃
で60分加熱硬化させ、高分子固体電解質膜Bを約30
μmの薄い白濁色の自立膜として得た。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、3.2×10-3、1.0×10-3
S/cmであった。また、組成物A(1g)を調製後、
アルゴン雰囲気下25℃で放置したところ、12時間後
に粘性が急に上昇し、組成物全体の流動性がなくなり固
化した。
【0126】実施例5:高分子固体電解質膜Cの製造 化合物3(1.0g)とDEC(7.0g)、EC(3.0
g)、LiPF6(1.5g)、重合抑制剤ノフマーMSD
(2.5mg)、及び1,1,3,3−テトラメチルブチ
ルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(熱重合開始
剤,商品名:パーオクタO、日本油脂(株)製)(25
mg)をアルゴン雰囲気中でよく混合し、高分子固体電
解質用重合性組成物Cを得た。
【0127】組成物Cを実施例3と同様の方法で60℃
で120分加熱硬化させ、100μmの透明な高分子固
体電解質膜Cを得た。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、5.0×10-3、1.8×10-3S/cmであ
った。また、組成物C(1g)を調製後、アルゴン雰囲
気下25℃で放置したところ、24時間後に粘性が急に
上昇し、組成物全体の流動性がなくなり固化した。
【0128】比較例1:高分子固体電解質膜C’の製造 重合抑制剤ノフマーMSDを用いない以外は実施例5と
同様にして高分子固体電解質用重合性組成物C’を得
た。この組成物C’を、実施例3と同様の方法で60℃
で120分加熱硬化させて、100μmの透明な高分子
固体電解質膜C’を得た。このフィルムの25℃、−1
0℃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、5.1×10-3、1.8×10-3S/cm
であった。また、組成物C’(1g)を調製後、アルゴ
ン雰囲気下25℃で放置したところ、1時間後に粘性が
急に上昇し、組成物全体の流動性がなくなり固化した。
【0129】実施例6:コバルト酸リチウム正極の製造 Li2CO3(11g)とCo34(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LiCoO2粉末を得た。このLiCoO2
粉末とアセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデンを重
量比8:1:1で混合し、さらに過剰のN−メチルピロ
リドン溶液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物を
約50μmのアルミ箔上に、約75μmの厚さになるよ
うに塗布加圧成形し、コバルト酸リチウム正極シートを
得た。このシートを36mm角に切断し、電池用の正極
とした。
【0130】実施例7:黒鉛負極の製造 大阪ガス(株)製MCMB黒鉛、昭和電工(株)製気相
法黒鉛繊維(平均繊維径:0.3μm,平均繊維長:2.0μ
m,2,700℃熱処理品)、ポリフッ化ビニリデンの重量
比8.6:0.4:1.0の混合物に過剰のN−メチルピロリド
ン溶液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物を約1
00μmの銅箔上に約85μmの厚さに塗布加圧成形
し、黒鉛負極シートを得た。このシートを40mm角に
切断し、電池用の負極とした。
【0131】実施例8:全固体Liイオン二次電池の製
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例7で製造
したシート状の黒鉛負極電極(40mm角)を実施例5
で調製した重合性組成物C中に静置し含浸させた後、負
極上の余分な組成物Cをキムワイプ(商品名)で拭き取
った。この負極上に実施例4で調製した重合性組成物B
を1ミルのアプリケータを用いて25μmに塗布した。
この塗布物の上にPPフィルム、さらに0.7mm厚のガ
ラス板を被せて、これを温度調製器付きホットプレート
上で60℃で30分加熱して、負極上に高分子固体電解
質層を形成させた。
【0132】次いで、PPフィルムとガラス板を剥が
し、この複合負極に実施例5で調製した組成物Cをあら
かじめ含浸させた実施例6で製造したコバルト酸リチウ
ム正極を貼り合わた。これをPP/Al/PET3層ラ
ミネートで作製した袋(外装体)に入れ、両面から1.1
mm厚のガラス板を用いて加圧しながら60℃で120
分加熱し、電極間に高分子固体電解質が複合された電池
を得た。
【0133】この電池を、25℃及び−10℃で、作動
電圧2.75〜4.1V、電流7mAで充放電したところ、最
大放電容量は30.0mAh及び24.3mAhであった。その
際の充放電クーロン効率はほぼ100%で、未硬化物や
開始剤分解物由来の反応電流は観測されなかった。ま
た、25℃で作動電圧2.75〜4.1V、充電7mA、放電
35mAで充放電を繰り返したところ、最大放電容量は
28.5mAhで、300サイクルを超えても容量の極端な
低下は見られず、初期容量の70%以上であった。
【0134】実施例9:全固体Liイオン二次電池の製
アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例7で製造
したシート状の黒鉛負極電極及び実施例6で製造したシ
ート状のコバルト酸リチウム正極及び42mm角のポリオ
レフィンマイクロポーラスフィルムを実施例5で調製し
た重合性組成物C中に静置し含浸させた後、この正極と
負極を、ポーラスフィルムを介在させて貼り合わせた。
この際、ポーラスフィルムが正負極のエッジ(4辺)か
らそれぞれ若干はみ出すよう貼り合わせた。これをPP
/Al/PET3層ラミネートで作製した袋(外装体)
に入れ、両面から1.1mm厚のガラス板を用いて加圧し
ながら60℃で120分加熱し、電極間に高分子固体電
解質が複合された全固体電池を得た。
【0135】この電池を、25℃及び−10℃で、作動
電圧2.75〜4.1V、電流7mAで充放電したところ、最
大放電容量は29.5mAh及び24.8mAhであった。その
際の充放電クーロン効率はほぼ100%で、未硬化物や
開始剤分解物由来の反応電流は観測されなかった。ま
た、25℃で作動電圧2.75〜4.1V、充電7mA、放電
35mAで充放電を繰り返したところ、最大放電容量は
28.0mAhで、300サイクルを越えても容量の極端な
低下は見られず、初期容量の80%以上であった。
【0136】実施例10:全固体Liイオン二次電池の
製造 アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例7で製造
したシート状の黒鉛負極電極及び実施例6で製造したシ
ート状のコバルト酸リチウム正極を実施例5で調製した
重合性組成物C中に静置し含浸させた後、この正極と負
極を、実施例3で製造した高分子固体電解質A(42m
m角にカット)を介在させて貼り合わせた。この際、高
分子固体電解質膜Aが正負極のエッジ(4辺)からそれ
ぞれ若干はみ出すよう貼り合わせた。これをPP/Al
/PET3層ラミネートで作製した袋(外装体)に入
れ、両面から1.1mm厚のガラス板を用いて加圧しなが
ら60℃で120分加熱し、電極間に高分子固体電解質
膜が複合された全固体電池を得た。
【0137】この電池を、25℃及び−10℃で、作動
電圧2.75〜4.1V、電流7mAで充放電したところ、最
大放電容量は30.0mAh及び23.8mAhであった。その
際の充放電クーロン効率はほぼ100%で、未硬化物や
開始剤分解物由来の反応電流は観測されなかった。ま
た、25℃で作動電圧2.75〜4.1V、充電7mA、放電
35mAで充放電を繰り返したところ、最大放電容量は
27.9mAhで、300サイクルを越えても容量の極端な
低下は見られず、初期容量の75%以上であった。
【0138】実施例11:Liイオン二次電池の製造 アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例7で製造
したシート状の黒鉛負極電極(40mm角)を、1モル
のLiPF6塩を含むエチルメチルカーボネート(EM
C)とECの混合(7:3容積比)電解液に静置し含浸
させた後、負極上の余分な電解液をキムワイプ(商品
名)で拭き取った。この負極上に実施例4で調製した重
合性組成物Bを1ミルのアプリケータを用いて25μm
に塗布した。この塗布物の上にPPフィルム、さらに0.
7mm厚のガラス板を被せて、これを温度調製器付きホ
ットプレート上で60℃で30分加熱して、負極上に高
分子固体電解質層を形成させた。
【0139】次いで、PPフィルムとガラス板を剥が
し、この複合負極に実施例5で調製した組成物Cをあら
かじめ含浸させた実施例6で製造したコバルト酸リチウ
ム正極を貼り合わた。これをPP/Al/PET3層ラ
ミネートで作製した袋(外装体)に入れ、両面から1.1
mm厚のガラス板を用いて加圧しながら60℃で120
分加熱し、電極間に高分子固体電解質が複合された電池
を得た。この電池を、25℃及び−10℃で、作動電圧
2.75〜4.1V、電流7mAで充放電したところ、最大放
電容量は30.0mAh及び23.8mAhであった。その際の
充放電クーロン効率はほぼ100%で、未硬化物や開始
剤分解物由来の反応電流は観測されなかった。また、2
5℃で作動電圧2.75〜4.1V、充電7mA、放電35m
Aで充放電を繰り返したところ、最大放電容量は27.9m
Ahで、300サイクルを越えても容量の極端な低下は
見られず、初期容量の75%以上であった。
【0140】実施例12:熱重合性化合物(化合物5)
の合成 下記の反応式にしたがい、ポリエーテルモノオールであ
る化合物4と化合物2とを反応させ、以下の手順により
熱重合性化合物(化合物5)を得た。
【化31】
【0141】化合物4(平均分子量550,m/n=7
/3)(57.0g)と低水分のジメチルカーボネート(2
0g)の混合物を、80℃、真空度3mmHgで減圧共
沸させ、ジメチルカーボネートと共に水を留去して、低
水分の化合物4(55g)を得た。カールフィッシャー
法により化合物4の水分を測定したところ35ppmで
あった。次にこの低水分の化合物4(55.0g)及び化合
物2(15.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF
(100ml)に溶解した後、ジブチルチンジラウレー
ト(0.66g)を添加した。その後15℃で約25時間反
応させることにより、無色の粘稠液体を得た。1H−N
MR、C−NMRから化合物1と化合物2が1対1で反
応し、赤外吸収スペクトルからイソシアナート基の吸収
が消失しウレタン結合が生成し、化合物5が生成してい
ることがわかった。
【0142】実施例13:高分子固体電解質膜Dの調製 化合物3(1.0g)とPC(3.0g)、トリエチルメチル
アンモニウムテトラフルオロボレート(TEMAB
4)(1.0g)、重合抑制剤ノフマーMSD(2.5m
g)、及び熱重合開始剤としてパーオクタO(日本油脂
(株)製)(25mg)をアルゴン雰囲気中でよく混合
して高分子固体電解質用重合性組成物を得た。次に調製
した高分子固体電解質用重合性組成物にアルゴン雰囲気
下、無機微粒子としてアルミニウムオキサイドC(日本
アエロジル(株)製,二次粒子平均粒径約0.2μm,比
表面積約100m2/g)(0.20g)を添加し、5分間
撹拌混合することにより、乳白色の無機微粒子入り高分
子固体電解質用重合性組成物Dを得た。
【0143】組成物Dをアルゴン雰囲気下、ポリプロピ
レン(PP)フィルム上に30μm厚に塗布した後、さ
らにPPフィルムを被せ、このPPフィルム一対をさら
に1.1mm厚のガラス板2枚間に挟み込んだ。次にこの
ガラス板組を60℃で60分加熱した後、ガラス板とP
Pフィルムを剥離したところ、高分子固体電解質膜Dが
約30μmの薄い白濁色の自立膜として得られた。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7.3×10-3
び3.2×10-3S/cmであった。また、組成物D(1
g)を調製後、アルゴン雰囲気下25℃で放置したとこ
ろ、12時間後に粘性が急に上昇し、組成物全体の流動
性がなくなり固化した。
【0144】実施例14:高分子固体電解質膜Eの製造 化合物3(0.2g)、化合物5(0.8g)とPC(7.0
g)、EC(3.0g)、TEMABF4(2.4g)、重合
抑制剤ノフマーMSD(1.8mg)、及び熱重合開始剤
パーヘキシルPV(日本油脂(株)製)(18mg)を
アルゴン雰囲気中でよく混合し、高分子固体電解質用重
合性組成物Eを得た。組成物Eを、実施例13と同様の
方法で60℃で120分加熱硬化させ、100μmの高
分子固体電解質膜Eを得た。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、10.0×10-3及び5.8×10-3S/c
mであった。また、組成物E(1g)を調製後、アルゴ
ン雰囲気下25℃で放置したところ、15時間後に粘性
が急に上昇し、組成物全体の流動性がなくなり固化し
た。
【0145】実施例15:活性炭電極の製造 フェノール樹脂焼成品の水蒸気賦活活性炭(比表面積20
10m2/g,平均粒径8μm,細孔容積0.7cc/g)、
昭和電工(株)製気相法黒鉛繊維(平均繊維径:0.3μ
m,平均繊維長:2.0μm,2,700℃熱処理品)、ポリフ
ッ化ビニリデンの重量比8.6:0.4:1.0の混合物に過剰
のN−メチルピロリドン溶液を加え、ゲル状組成物を得
た。この組成物を約25μmのアルミ箔上に約150μ
mの厚さに塗布加圧成形し、活性炭電極シートを得た。
このシートを10mm角に切断し、100℃で10時間
真空乾燥し、電気二重層コンデンサ用活性炭電極(14.0
mg)を得た。
【0146】実施例16:全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15で製
造した活性炭電極(14.0mg,10mm角)に実施例1
4で調製した組成物Eを含浸した電極を2個用意した。
次に、実施例13で製造した高分子固体電解質膜Eを介
在させて前記2枚の電極を貼り合わせた。さらに電極リ
ード線を接合したAl箔集電体(厚み50μm,大きさ
1cm×1cm)を貼り合わせ、コンデンサ端部をエポ
キシ樹脂で封止後、60℃で120分加熱することによ
り、図2に示すような電気二重層コンデンサを製造し
た。このコンデンサを、25℃、−10℃で作動電圧0
〜2.5V、電流0.2mAで充放電を行なったところ、最大
容量はそれぞれ430mF及び322mFであった。ま
た、25℃、1.0mAで充放電を行ったところ、最大容
量は408mFで、その後100回充放電を繰り返して
もほとんど容量に変化はなかった。
【0147】実施例17:化合物6の合成
【化32】 上式に従い、常法で1,3−プロパンジオールに窒素
下、10℃以下で過剰のホスゲンガスを吹き込み、約5
時間反応させ、化合物6を合成した。同定はGC−MS
で行なった。
【0148】実施例18:化合物6のオリゴマー化(化
合物7の合成)
【化33】 上式に従い、常法で実施例17で合成した化合物6と
1,3−プロパンジオールとを、ピリジン存在下、25
℃以下、ジクロロメタン中で約6時間反応させた後、過
剰の水を加え、残クロロホルメート末端を水酸基化し、
両末端に水酸基を有するオリゴカーボネート(化合物
7)を合成した。GPC分析により求めた、重量平均分
子量(Mw)、平均繰り返し数zは以下の通りであっ
た。 Mw:〜約1200、z:〜約10。
【0149】実施例19:重合性化合物8の合成
【化34】
【0150】化合物7(平均分子量1200)(60.0g)及
び化合物2(15.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したT
HF(200ml)に溶解した後、ジブチルチンジラウ
レート(0.44g)を添加した。その後、25℃で約15
時間反応させることにより、無色生成物を得た。その1
H−NMR、IR及び元素分析の結果から、化合物7と
化合物2は1対2で反応し、化合物2のイソシアナート
基が消失し、ウレタン結合が生成しており、化合物8が
生成していることがわかった。
【0151】実施例20:高分子固体電解質膜Fの製造 重合性化合物8(1.0g)とDEC(7.0g)、EC(3.
0g)、LiPF6(1.5g)、重合抑制剤ノフマーMS
D(15mg)、及び熱重合開始剤パーヘキシルPV
(日本油脂(株)製)(25mg)をアルゴン雰囲気中
でよく混合し、高分子固体電解質用重合性組成物Fを得
た。この組成物Fを、実施例3と同様の方法で60℃で
120分加熱硬化させ、約100μmの高分子固体電解
質膜Fを得た。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、5.3×10-3及び2.0×10-3S/cmであった。ま
た、組成物F(1g)を調製後、アルゴン雰囲気下25
℃で放置したところ、30時間後に粘性が急に上昇し、
組成物全体の流動性がなくなり固化した。
【0152】比較例2:高分子固体電解質膜F’の製造 重合抑制剤ノフマーMSDを用いない以外は実施例20
と同様にして高分子固体電解質用重合性組成物F’を得
た。この組成物F’を、実施例3と同様の方法で60℃
で120分加熱硬化させ、100μmの透明な高分子固
体電解質膜F’を得た。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、5.1×10-3及び1.6×10-3S/cmであ
った。また、組成物F’(1g)を調製後、アルゴン雰
囲気下25℃で放置したところ、30分後に粘性が急に
上昇し、組成物全体の流動性がなくなり固化した。
【0153】実施例21:全固体Liイオン二次電池の
製造 アルゴン雰囲気グローブボックス内で、実施例7で製造
したシート状の黒鉛負極電極及び実施例6で製造したシ
ート状のコバルト酸リチウム正極及び38mm角のポリ
オレフィンマイクロポーラスフィルムを実施例20で調
製した重合性組成物F中に静置し含浸させた後、この正
極と負極を、ポーラスフィルムを介在させて貼り合わせ
た。この際、ポーラスフィルムが正極のエッジ(4辺)
からそれぞれ若干はみ出すよう貼り合わせた。これをP
P/Al/PET3層ラミネートで作製した袋(外装
体)に入れ、両面から1.1mm厚のガラス板を用いて加
圧しながら60℃にて2時間加熱し、電極間に高分子固
体電解質が複合された電池を得た。
【0154】この電池を、25℃及び−10℃で、作動
電圧2.75〜4.1V、電流7mAで充放電したところ、最
大放電容量は32mAh及び28mAhであった。その
際、充放電時の電流をモニターしたところ、充放電電流
以外に、未硬化物や開始剤分解物由来の反応電流は観測
されなかった。また、25℃で作動電圧2.75〜4.1V、
充電7mA、放電35mAで充放電を繰り返したとこ
ろ、最大放電容量は31mAhで、300サイクルを越
えても容量の極端な低下は見られず、初期容量の85%
以上であった。
【0155】
【発明の効果】本発明の高分子固体電解質用熱重合性組
成物は、電流特性やサイクル特性など電気化学的に安定
性が高く、重合開始能の高い熱重合性開始剤及び重合性
の非常に良好な特定の重合性化合物を用い、さらに重合
抑止効果の高い重合抑制剤を用いることにより、電池や
電気二重層コンデンサの安定性に悪影響を及ぼさない硬
化性、保存安定性の優れた熱重合性組成物である。本発
明の高分子固体電解質は、上記保存安定性に優れた熱重
合性組成物から容易に得られる架橋及び/または側鎖基
を有する高分子及び電解質を含む高イオン伝導性で残存
二重結合や残存副生成物が少ない安定性の良好な高分子
固体電解質である。
【0156】本発明の電池は、上記高分子固体電解質を
用いることにより薄膜化が容易であり、さらに正極、負
極及び/またはセパレータの各要素と簡便に複合化で
き、高容量及び高電流で作動でき、高寿命で信頼性に優
れる。また、本発明の電池は、全固体型として高容量及
び高電流で作動でき、あるいはサイクル性が良好で、安
全性と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。
【0157】本発明の電気二重層コンデンサは上記高分
子固体電解質を用いたことにより、出力電圧が高く、取
り出し電流が大きく、加工性が良好で、高寿命で信頼性
に優れる。さらに、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、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、信頼性に優れた全固体電気二重層コンデンサで
ある。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以外の用途にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による電池の一態様を示す薄型固体電
池の模式的断面図である。
【図2】 本発明による固体電気二重層コンデンサの一
態様を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
1 正極 2 高分子固体電解質 3 負極 4a、4b 集電体 5a、5b 絶縁性樹脂封止剤 6a、6b 分極性電極 7a、7b 集電体 8 高分子固体電解質 9 絶縁性樹脂封止剤 10 リード線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01B 1/06 H01B 1/06 A 5H029 H01G 9/025 H01M 6/18 E H01M 6/18 10/40 B 10/40 H01G 9/00 301G Fターム(参考) 4J002 BG071 BG081 CG011 CH051 CK021 DD036 DD086 DE147 DE196 DG036 DH006 DJ017 DK006 EN136 EV256 EY016 GQ00 HA05 4J011 HA03 PA06 PA07 PA09 PA14 PA16 PA45 PA46 PA48 PB27 PC02 PC08 4J100 AB02Q AB03Q AE04Q AL03Q AL08P AL66P AL67P AM15Q AM21Q AN02Q BA02P BA04P BA08P BA13Q BA14Q BA22P BA29Q BA34P BA38Q BB18P BC79Q CA01 CA04 FA02 FA03 FA06 FA19 JA43 5G301 CA16 CA17 CA30 CD01 5H024 AA02 BB01 BB08 CC04 DD01 DD03 DD11 EE09 FF15 FF23 5H029 AJ02 AJ05 AJ14 AK03 AL07 AM03 AM04 AM07 AM16 BJ04 CJ02 CJ13 EJ12

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重合することにより架橋及び/または側
    鎖形構造を有する高分子となる重合性官能基を有する少
    なくとも一種の熱重合性化合物、少なくとも一種の電解
    質塩、少なくとも一種の重合開始剤、及びビニル基を有
    する少なくとも一種の重合抑制剤を含むことを特徴とす
    る熱重合性組成物。
  2. 【請求項2】 重合抑制剤が、下記一般式(1) 【化1】 [式中、Aは直鎖状、分岐状、または環状のアルキレン
    基を表わし、Phは置換基を有してもよいフェニル基を
    表わし、aは0または1である。2個のPhは同一でも
    異なってもよい。]で示される構造を有する化合物であ
    る請求項1に記載の熱重合性組成物。
  3. 【請求項3】 重合開始剤が下記一般式(2) 【化2】 [式中、Xは直鎖状、分岐状または環状の、置換基を有
    してもよいアルキル基またはアルコキシ基を表わし、Y
    は直鎖状、分岐状または環状の、置換基を有してもよい
    アルキル基を表わし、m及びnはそれぞれ0または1で
    あるが、(m,n)=(0,1)の組み合わせは除
    く。]で示される有機過酸化物である請求項1または2
    に記載の熱重合性組成物。
  4. 【請求項4】 有機過酸化物が、ベンゼン環を含まな
    い、ジアシルパーオキサイド類、パーオキシジカーボネ
    ート類及びパーオキシエステル類から選ばれる請求項3
    に記載の熱重合性組成物。
  5. 【請求項5】 熱重合性化合物が下記一般式(3)及び
    /または一般式(4) 【化3】 [式中、R1及びR3は水素原子またはアルキル基を表わ
    し、R2及びR5は、オキシアルキレン、フルオロカーボ
    ン、オキシフルオロカーボンまたはカーボネート基を含
    む2価の基を表わし、R4は炭素数10以下の2価の基
    を表わす。R2、R4及びR5はヘテロ原子を含んでいて
    もよく、直鎖状、分岐状または環状のいずれの構造を有
    するものでもよい。xは0または1〜10の整数を示
    す。但し、同一分子中に複数個の上記一般式(3)また
    は(4)で示される重合性官能基が含まれる場合、それ
    ぞれの重合性官能基中のR1、R2、R3、R4、R5及び
    xは、同一でもよいし異なってもよい。]で示されるい
    ずれか一つの重合性官能基を有する重合性化合物を含む
    請求項1乃至4のいずれかの項に記載の熱重合性組成
    物。
  6. 【請求項6】 重合性組成物が、さらに炭酸エステル
    類、脂肪族エステル類、エーテル類、ラクトン類、スル
    ホキシド類及びアミド類から選ばれる少なくとも一種の
    非水有機溶媒を含む請求項1乃至5のいずれかの項に記
    載の熱重合性組成物。
  7. 【請求項7】 非水有機溶媒の含有量が、熱重合性化合
    物に対して300〜1500重量%である請求項6に記載の
    熱重合性組成物。
  8. 【請求項8】 平均粒径が0.005〜100μmの無機微
    粒子を少なくとも一種含む請求項1乃至7のいずれかの
    項に記載の熱重合性組成物。
  9. 【請求項9】 電解質塩が、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、遷移金属塩及びプロ
    トン酸から選ばれる少なくとも一種である請求項1乃至
    8のいずれかの項に記載の熱重合性組成物。
  10. 【請求項10】 少なくとも一種の電解質塩が、LiP
    6、LiBF4、LiAsF6、及びLiN(R−S
    22(式中、Rは炭素数1以上10以下のパーフルオ
    ロアルキル基を表わす。)から選択される請求項9に記
    載の熱重合性組成物。
  11. 【請求項11】 請求項1乃至10のいずれかに記載の
    熱重合性組成物を熱重合することによって得られる高分
    子固体電解質。
  12. 【請求項12】 請求項11に記載の高分子固体電解
    質、及び電極活物質または分極性材料を含むことを特徴
    とする電池用または電気二重層コンデンサ用電極。
  13. 【請求項13】 請求項11に記載の高分子固体電解質
    を用いることを特徴とする電池。
  14. 【請求項14】 電池の負極として、リチウム、リチウ
    ム合金、リチウムイオンを吸蔵放出できる炭素材料、リ
    チウムイオンを吸蔵放出できる無機化合物、及びリチウ
    ムイオンを吸蔵放出できる導電性高分子から選択される
    少なくとも一つの材料を用いる請求項13に記載の電
    池。
  15. 【請求項15】 電池の正極として、導電性高分子、金
    属酸化物、金属硫化物及び炭素材料から選択される少な
    くとも一つの材料を用いる請求項13に記載の電池。
  16. 【請求項16】 請求項11に記載の高分子固体電解質
    を用いることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
  17. 【請求項17】 請求項1乃至10のいずれかに記載の
    熱重合性組成物の少なくとも一種を電池構成用構造体内
    に入れ、または支持体上に配置した後、加熱して熱重合
    性組成物を硬化することを特徴とする電池の製造方法。
  18. 【請求項18】 請求項1乃至10のいずれかの項に記
    載の熱重合性組成物の少なくとも一種を電気二重層コン
    デンサ構成用構造体内に入れ、または支持体上に配置し
    た後、加熱して熱重合性組成物を硬化することを特徴と
    する電気二重層コンデンサの製造方法。
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