JP2000100244A - 高分子固体電解質 - Google Patents

高分子固体電解質

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JP2000100244A
JP2000100244A JP10283358A JP28335898A JP2000100244A JP 2000100244 A JP2000100244 A JP 2000100244A JP 10283358 A JP10283358 A JP 10283358A JP 28335898 A JP28335898 A JP 28335898A JP 2000100244 A JP2000100244 A JP 2000100244A
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mol
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solid electrolyte
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Naoya Ogata
直哉 緒方
Tsutomu Sada
勉 佐田
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PAIONIKUSU KK
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PAIONIKUSU KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基幹材料として、水素結合によって有機塩基
を結合したポリ(エチレングリコール)ビス(カルボキ
シメチル)エーテルを用いる高分子固体電解質を提供す
る。 【解決手段】 ポリ(エチレングリコール)ビス(カル
ボキシメチル)エーテルと、ピラジン、4,4’−ビピ
ルジルまたは1,3,5−トリアジンとの複合体を基幹
材料として用い、これへ無機金属塩特に過塩素酸リチウ
ムを添加して高分子固体電解質を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【本発明の背景】本発明は、新しい基幹材料を使用する
高分子固体電解質に関する。
【0002】塩を解離させ、生成したイオンを安定に保
ち、しかも速やかに伝導する高分子材料は「高分子固体
電解質」または「イオン伝導性高分子」と呼ばれてい
る。この材料は溶媒を使用することなく固体状態でイオ
ン伝導を可能にするので、例えばフィルムバッテリーま
たはペーパーバッテリーと呼ばれる全固体電池の隔膜の
機能を備えた固体電解質として使用することができる。
【0003】高分子電解質の基幹材料として最初に用い
られる物質はポリエーテル、特にポリエチレングリコー
ルである。ポリエーテルは、あたかも水分子の重合体の
ようにエーテル酸素の双極子モーメントを介してイオン
を溶媒和する。しかもポリエーテルのTgが低いため常
温で連鎖のセグメント運動が活発である。エーテル酸素
によって囲まれたイオンはこのセグメント運動に従って
移動できる。これがポリエーテル固体電解質のイオン伝
導の原理である。
【0004】ポリエチレングリコールの末端OH基をカ
ルボキシメチルエーテル化したポリ(エチレングリコー
ル)ビス(カルボキシメチル)エーテル(以下「PEO
−CA」と略記)そのものまたはその高分子金属塩を全
固体電池のフィルムとして使用する場合、成膜性、絶縁
破壊強度などの性能において満足ではなく、一層の向上
が望まれる。
【0005】
【本発明の開示】上記要望を満たすため、本発明は、P
EO−CAと、含窒素複素環化合物との複合体を使用す
る。使用し得る化合物は、ピラジン(略号:Py)、
4,4’−ジピリジル(略号:Bpy)、および1,
3,5−トリアジン(略号:Tri)である。PEA−
CAは2官能であり、これら含窒素複素環化合物は1分
子中2個または3個の環窒素原子を持っているので、P
yおよびBpyの場合はPEO−CAとモル比1:1の
複合体を形成し、TriはPEO−CAとモル比1:2
の複合体を形成する。
【0006】本発明の高分子固体電解質はこの複合体へ
1価の無機金属塩を添加して得られる。添加される無機
金属塩は高い解離度を有する塩であり、通常過塩素酸リ
チウムLiClO4 が使用される。固体高分子中のイオ
ン伝導率は塩濃度に依存することが知られている。本発
明においては、室温における伝導率はPEO単位あたり
の塩濃度が約0.03モルのとき最大値となることが観
察された。
【0007】イオン伝導率はPEO−CAの分子量にも
依存する。一般に分子量の高い方が伝導率は高くなる
が、分子鎖のセグメント運動に沿ったイオンの速やかな
移動が可能な無定形状態を保つためには、分子量は20
0〜650(PEOの平均重合度3〜15)の範囲であ
ることが適当である。
【0008】PEO−CAと含窒素複素環化合物との複
合体は、PyおよびBpyの場合は1:1のモル比で、
Triの場合はTri:PEO−CA=1:2のモル比
で反応させる。反応は不活性雰囲気中、例えばアルゴン
ガスで満たされたグローブボックス中、両者の混合物を
加温下(約60℃)約4時間攪拌することによって行わ
れる。生成する複合体はすべて褐色のゲル状物質であ
る。IRスペクトルの比較により、PEO−CAのスペ
クトルに見られた1746cm-1のC=Oの伸縮による
ピークが複合体のスペクトルにおいてはそれぞれ3〜6
cm-1程度低波長側にシフトしていることから水素結合
の形成を確認することができる。
【0009】金属イオン例えばリチウムイオンと複合体
との錯体(本発明の高分子固体電解質)は、同様に不活
性雰囲気中、例えばアルゴンで満たされたグローブボッ
クス中、複合体へ所定量の過塩素酸リチウムを加え、加
温下(約60℃)約4時間攪拌することによって合成す
ることができる。過塩素酸リウチムは、例えば真空ライ
ン中40℃で3日間乾燥することによってあらかじめ水
分を実質上完全に除去して添加することが重要である。
先に述べたように、LiClO4 /PEO単位=0.0
3の錯体が室温において最大のイオン伝導率を示した。
【0010】実施例 (1)PEO−CA:Py複合体の合成 PEO−CA(Mw 250 Aldlich)7.7
g(3.1×10-2mol)とピラジン(Wako C
o.)3.2g(3.1×10-2mol)をサンプル瓶
にとり約60℃、アルゴンガスで満たされたグローブボ
ックス内において4時間攪拌した。
【0011】(2)PEO−CA:Bpy複合体の合成 (1)と同様に、PEO−CAに無水4,4’−ビピリ
ジル(Kanto Chemical Co.)をモル
比1:1の割合で加え、約60℃、アルゴンガスで満た
されたグローブボックス内において4時間攪拌した。
【0012】(3)PEO−CA:Tri複合体の合成 PEO−CA 4.3g(1.7×10-2mol)に
1,3,5−トリアジン(Kanto Chemica
l Co.)700mg(8.6×10-3mol)を加
え、ホットスターラーを用いて約60℃、アルゴンガス
で満たされたグローブボックス内において4時間攪拌し
た。
【0013】(4)リチウムイオン錯体の合成 アルゴンガスで満たされたグローブボックス中において
PEO−CA及び(1),(2),(3)で合成したP
EO−CA:Py複合体、PEO−CA:Bpy複合
体、PEO−CA:Tri複合体を各々サンプル瓶にと
り、真空ラインの中で3日間40℃で乾燥させた過塩素
酸リチウム(Kanto Chemical Co.)
を、モル比〔LiClO4 〕/〔PEOunit〕=
0.01,0.03,0.06,0.1となるように加
え、ホットスターラーを用いて各々4時間60℃で加熱
攪拌しリチウム錯体を合成した。
【0014】合成したリチウムイオン錯体のイオン伝導
性テスト (1)PEO−CA及びPEO−CA複合体の各高分子
固体電解質のイオン導電率の比較 実施例で合成した4つの高分子電解質の試料バルクの抵
抗を測定した後、イオン伝導度を求めた。図1に〔Li
ClO4 〕/〔PEOunit〕=0.03における高
分子電解質の温度依存性を示す。このときの25℃にお
けるPEO−CA、PEO−CA:Py複合体、PEO
−CA:Bpy複合体、PEO−CA:Tri複合体の
イオン導電率はそれぞれ、3.6×10-5Scm-1
4.4×10-6Scm-1、6.2×10-6Scm-1
4.7×10-6Scm-1であった。PEO−CAに比べ
て、これらの複合体のイオン導電率が低下したのは系の
固体化によるキャリアーイオンの移動度の低下によるも
のであるが、PEO架橋体を用いたものと同等のイオン
導電率を得ることができた。またPEO−CA及びPE
O−CA複合体のアレニウスプロットは20℃から10
0℃では直線型を示した。すなわちこれらの複合体は液
体としての性質を持っていることになる。一般にPEO
架橋体のアレニウムプロットは上に凸の曲線を示し、ゴ
ム状態の性質を示すことが知られている。よって水素結
合を利用することで従来の共有結合では得られない柔軟
性が得られることが分かった。
【0015】(2)過塩素酸リチウムの導入量の異なる
各高分子固体電解質イオン導電率の比較 次に過塩素酸リチウムの導入量によるPEO−CA、P
EO−CA:Py複合体、PEO−CA:Bpy複合
体、PEO−CA:Tri複合体のイオン導電率の変化
を図2から図5に示した。この結果よりすべての複合体
において室温では〔LiClO4 〕/〔PEOuni
t〕=0.03のときにイオン導電率が極大値を示し、
100℃付近においてはモル比0.06のときに極大値
を示した。またモル比0.1では大きく低下した。この
理由を説明するために、各高分子電解質のTgの値を図
6に示す。この図より過塩素酸リチウムを導入するにつ
れTgの値は上昇していることがわかる。低濃度領域で
は過塩素酸リチウムを加えるにつれPEO−CAの酸素
原子にリチウムイオンが配位し、リチウム錯体が生成す
るため、主鎖のセグメント運動が大きく低下し、Tgの
値が大きく上昇したが、錯体生成によりリチウムイオン
生成の効果がこれを上回り、その結果、導電率が上昇し
たが、高濃度領域においてはリチウム錯体の生成は飽和
状態に近付くためリチウムイオンどうしの反発が起こり
解離が起きにくくなるこのために導電率に大きな低下が
見られた。またこの理由の他にも、過塩素酸リチウムが
結晶として析出したのも導電率の低下に寄与していると
思われる。
【0016】(3)分子量の異なるPEO−CA高分子
固体電解質のイオン導電率の比較 分子量の変化がイオン導電率にどのような影響を与える
かを知るために分子量600のPEO−CA高分子固体
電解質(〔LiClO4 〕/〔PEOunit〕=0.
03)を合成して、そのイオン導電率を測定したとこ
ろ、図7になった。この結果より分子量600のPEO
−CA高分子固体電解質では分子量250に比べてイオ
ン導電率が高い値を示した。この理由としてPEO−C
Aの結晶状態の違いなども考えられるが、分子量600
のPEO−CAは粘性が低かったことが高いイオン導電
率を示した最大の原因であると思われる。通常、高分子
化合物は分子量が高くなれば粘度は上昇する傾向にある
がこのようにならなかったのは推論ではあるが、分子量
600のPEO−CAは分子量250のものに比べて主
鎖が長いためにカルボン酸どうしの相互作用が小さくな
ったため粘性が低かったのではないかと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 〔LiClO4 〕/〔PEO単位〕=0.0
3における高分子電解質のイオン導電率の温度依存性を
示すグラフ。
【図2】ないし
【図5】 過塩素酸リチウムの導入量によるPEO−
CA,PEO−CA:Py複合体、PEO−CA:Bp
y複合体、PEO−CA:Tri複合体のイオン導電率
の変化を示すグラフ。
【図6】 過塩素酸リチウムの導入量による各高分子電
解質のTgの変化を示すグラフ。
【図7】 分子量の異なるPEO−CA高分子固体電解
質のイオン導電率を比較したグラフ。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ポリ(エチレングリコール)ビス(カルボ
    キシメチル)エーテル(PEO−CA)と、ピラジン
    (Py)または4,4’−ビピリジル(Bpy)または
    1,3,5−トリアジン(Tri)との複合体へ無機塩
    を添加してなる高分子固体電解質。
  2. 【請求項2】前記複合体はPEO−CA 1モルとPy
    1モルとの複合体である請求項1の高分子固体電解
    質。
  3. 【請求項3】前記複合体はPEO−CA 1モルとBp
    y 1モルとの複合体である請求項1の高分子固体電解
    質。
  4. 【請求項4】前記複合体はPEO−CA 2モルとTr
    i 1モルとの複合体である請求項1の高分子固体電解
    質。
  5. 【請求項5】前記無機塩は過塩素酸リチウムである請求
    項1ないし4のいずれかの高分子固体電解質。
  6. 【請求項6】過塩素酸リチウムの添加量はPEO−CA
    のオキシエチレン単位あたり約0.03モルである請求
    項5の高分子固体電解質。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002040594A1 (fr) * 2000-11-14 2002-05-23 Nippon Soda Co., Ltd. Materiau conducteur d'ions contenant un compose a faible poids moleculaire combine possedant une partie capable de se lier a l'hydrogene
JP2006273890A (ja) * 2005-03-28 2006-10-12 Tokyo Institute Of Technology 異方性イオン伝導性高分子膜
US7919570B2 (en) 2004-08-13 2011-04-05 Nippon Soda Co., Ltd. Multibranched polymer and method for producing the same
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