JPH0238451A - イオン導電性固体電解質材料 - Google Patents

イオン導電性固体電解質材料

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JPH0238451A
JPH0238451A JP63189323A JP18932388A JPH0238451A JP H0238451 A JPH0238451 A JP H0238451A JP 63189323 A JP63189323 A JP 63189323A JP 18932388 A JP18932388 A JP 18932388A JP H0238451 A JPH0238451 A JP H0238451A
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JP
Japan
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solid electrolyte
ethylene oxide
electrolyte material
conductive solid
polymer
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Toshiyuki Sugihara
杉原 俊行
Koji Ishikawa
浩二 石川
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YOTSUKAICHI GOSEI KK
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    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004Details
    • H01G9/022Electrolytes; Absorbents
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • HELECTRICITY
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野1 本発明は電池、エレクトロクロミック素子、電置針、大
容量電解コンデンサー、センサーなどに幅広い応用が期
待されるイオン導電性高分子固体電解質に関するもので
ある。
[従来の技術] 近年、エレクトロニクス産業の進歩は目覚ましく、エレ
クトロニクス素子の高速化、高密度化の技術が急速に進
んであおり、高性能で高信頼性のエレクトロニクス材料
が要望されている。
近年報告されている固体電解質を大別すると、無機系の
固体電解質と高分子系の固体電解質がある。高分子系固
体電解質のイオン導電率は、無機系固体電解質のイオン
導電率の10−’S/cmに比べて遥かに小さいにも拘
らず、薄膜化や大面積化が可能な成形性及び柔軟性等の
点において優れているので、高分子系の固体電解質につ
いての研究開発が多くなされている。
特に、M、 B、 Armand等が1975年にポリ
エチレンオキシドに種々のアルカリ金属塩類を溶解した
固体電解質を全固体二次電池に利用する試みを発表して
以来、高分子系固体電解質について多くの研究及び提案
がなされている。
例えば、マレイン酸やメタクリル酸ポリマーのゲルにポ
リエチレンオキシドを溶解させた固体電解質(室温での
イオン導電率:約10−55/cm)  (DR,Pa
yne et al、Polymer、 23.690
 [1982); ETsuchida et al、
 5olid 5tate Ionics、 11.2
27+19831) 、ポリエチレンオキシドグラフト
シロキサンポリマーをマトリックスとする高分子に金属
塩類をドープした固体電解質(イオン導電率・350C
で1.94x 1O−6S/cm) (S、Kohji
ya et al、 PolymerPreprint
s Japan、 35.778(19861)、  
トリオール型ポリエチレンオキシドやトリオール型プロ
ピレンオキシドのジイソシアネート架橋物ポリマーに金
属塩類をドープした固体電解質(イオン導電率=30°
Cで1O−5S/cm) (M、Watanabe e
t al、 5olidState Ionics、 
18 & 19.338(19861、特開昭6248
716号)、−単位に1個又は2個のオリゴオキシエチ
レン鎖を有する易重合性リン酸−ジビニルモノマー又は
−ビニルモノマーとアルカリ金属塩との混合物(イオン
導電率:25°Cで10−’S/cm)(A、  Ya
mada  et  al、 Polymer  Pr
eprints  Japan34.903 (198
5)、特開昭61−260557号公報及び特開昭61
−254613号公報(、ポリメタクリル酸オリゴオキ
シエチレン・メタクリル酸アルカリ金属塩共重合体の対
イオン固定固体電解質(イオン導電率゛室滝で1O−7
S/cm) (Polymer Reprints J
apan。
35.583+1986+1 、ポリアルキレンカーボ
ネートと無機塩と該無機塩を溶解する有機溶媒からなる
イオン導電性高分子複合体(イオン導電率 6×10−
’S/am)  (特開昭62−30147号公報)及
びエポキシ当量80〜200の脂肪族エポキシ樹脂と環
状エーテル類、環状エステル類環状アミド類、フラン類
とエポキシ硬化剤とからなるイオン導電性架橋型樹脂組
成物(イオン導電率:室温で10−’S/cm)  (
特公昭63−6573号公報)が提案されている。しか
し、これらの固体電解質はいずれもイオン導電性が小さ
く、満足できるものではなかった。
一方、エチレンオキシドを含有するポリマーは室温より
明らかに高い温度で結晶構造を形成し易く、そのために
低い温度では急激に導電性が低下する。この欠点を改良
する目的での提案も数多く見られる。
例えば、特開昭59−18284号公報には、イオン化
合物を含むエチレンオキシドと環状エーテルとの共重合
体は、使用温度である室温では結晶化せず、そのイオン
導電率が45℃で10−’S/cmであることが示され
ており、特開昭59−182844号公報にも、エチレ
ンオキシドと四貫環以上の置換又は無置換の環状エーテ
ルとイオン化合物を含む高分子材料が提案されている。
また、特開昭61−83249号公報には、ポリエチレ
ンオキシドの内部にポリプロピレンオキシドやメトキシ
グリシジルエーテルをランダムに分布させてイオン化合
物を溶解した高分子材料が開示されており、そのイオン
導電率が47℃で10−’S/cmであることが示され
ている。
また、固体電解質を用いて電池を構成したとき、高分子
マトリックスの末端−OHが電極であるLiと反応する
ので、その−OHを封鎖したり、また、固体電解質の機
械的特性並びに結晶化挙動を改善するための各種の提案
もなされている。
例えば、フランス国特許第2485274号にはポリエ
チレンオキシド・金属イオン錯体をシソシアネートでウ
レタン架橋したエラストマー材料が、フランス国特許第
2493609号にはテレフタール酸ジメチルとポリグ
リコール又はジオールとの縮合によって得られるポリエ
ステル系のエラストマ重合体が開示されている。また、
特公昭62−18580号公報にはポリエチレンオキシ
ドからなる重合体で、アルミニウム、亜鉛、マグネシウ
ムのうちのつの金属を含む有機金属ポリマーに溶解する
塩類を含むイオン導電性ポリマー(イオン導電率52℃
で10−’S/cm)が、特開昭60−262852号
公報にはポリエチレンオキシドからなる重合体で、カド
ミウム、チタン、ホウ素のうちの一つの金属を含む有機
金属ポリマーに溶解する金属を含むイオン導電性ポリマ
ー(イオン導電率:65°Cで10−’S/cm)が示
されている。
[発明が解決しようとする課題] しかしながらこれらの固体電解質材料は、イオン導電率
が室温で1O−5S/cm以下であり、実用性が小さく
、また、−単位に1個又は2個のオリゴオキシエチレン
鎖を有する易重合性リン酸−ジビニルモノマー又は−ビ
ニルモノマーとアルカリ金属塩との混合物はイオン導電
率が室温で10−’S/cmと比較的高い値を示すが、
生成物の精製が複雑で、収率も十分とはいえない。
本発明の目的は、イオン導電性が太き(、かつ、室温付
近又は室温以下でも十分なイオン導電性を有し、電池を
構成したとき、電極金属と反応せず、また、薄膜化が可
能で、大面積のフィルム状に成形したときに必要な可撓
性を有する固体電解質材料であって、工業的に製造可能
なものを提供するにある。
[課題を解決するための手段1 本発明は、特定のポリグリセリンを主鎖として側鎖にポ
リエーテルを付加重合させたものを架橋させて高分子マ
トリックスとすることにより上記の目的を達成したもの
である。
すなわち本発明は、主として高分子マトリックスとイオ
ン化合物とからなる固体電解質において、高分子マトリ
ックスが、その平均重合度又は平均縮合度が3以上で、
かつ、その動粘度が1000cSt以上のポリグリセリ
ンを主鎖とし、ポリエテルを側鎖とする付加重合体を架
橋させて得られた三次元架橋物からなることを特徴とす
るイオン導電性固体電解質材料である。
[発明の詳細な説明] (1)高分子マトリックス ポリグリセリン 本発明の高分子固体電解質材料において、高分子マトリ
ックスの骨格となるポリグリセリンは、グリセリンのア
ルカリ触媒による脱水縮合、エピクロルヒドリンの苛性
ソーダによる縮合、あるいはクリシドールの付加重合触
媒、例えば苛性ソーダによる付加重合等により容易に得
られる。
本発明において使用されるポリグリセリンは、その平均
重合度又は平均縮合度が3以上で、かつ、その動粘度シ
ロ0’Cが1000cSt以上、好ましくはその平均重
合度又は平均縮合度が5以上で、その動粘度’l’ S
O’Cが5000cSt以上のものである。
平均重合度又は平均縮合度の上限は、得られる固体電解
質の性能面からは制約を受けるものではないが、通常工
業的に入手できるポリグリセリンの平均重合度又は平均
縮合度の上限は10程度である。
但し、グリセリン単体のポリエチレンオキシド付加物で
は、室温におけるイオン導電率は前記したように1O−
5S/cm程度であり、ポリグリセリンの平均重合度又
は平均縮合度が低過ぎるとイオン導電率が低くなるので
、用いるポリグリセリンの平均重合度又は平均縮合度は
3以上が好ましく、特に5以上のものが好ましい。
また、ポリグリセリンには、その重合条件により、一部
環状エーテルが含まれていてもよい、その場合、ポリグ
リセリンの動粘度シロ0℃が低過ぎるとイオン導電率が
低くなるので、ポリグリセリンの動粘度が100口cS
t以上、好ましくは5000cSt以上のものが選ばれ
る。
ポリエーテル 本発明において使用されるポリエーテルとじては、例え
ばエチレンオキシド、プロピレンオキシド等のアルキレ
ンオキシドの単独重合体又は共重合体で、繰り返し単位
の数が5〜2000、望ましくはlO〜1000のポリ
エチレングリコールエーテル、ポリプロピレングリコー
ルエーテル、 fcIH2−CH2−0−1−基と−(CH2−CH−
01−基のランダム又はブロック、若しくはシーフェン
ス共重合体(た゛だし、式中Rはアルキル基、アルケニ
ル基、ハロゲン化アルキル基、アルコキシ基である。)
でエチレンオキシドの繰り返し単位の数が5〜2000
、好ましくはlO〜1000でプロピレンオキシドの繰
り返し単位の数が1〜1000 、好ましくは1〜50
0のものを挙げることができる。これらのうち、特に好
ましいのは、エチレンオキシドの繰り返し単位の数が5
〜2000、好ましくはlO〜1000のエチレンオキ
シドを含むポリエーテルである。
佳訛里丘淋 ポリグリセリンを主鎖とし、上記ポリエーテルを側鎖と
する付加重合体は、ポリグリセリンにアルキレンオキシ
ドを付加重合させることによって得られる。すなわち、
ポリグリセリンにアルカリ触媒を加え、通常のアルキレ
ンオキシド付加条件下(温度50〜200°C1好まし
くは100〜150°01反応圧力は10kg/cm2
以下)でアルキレンオキシドを反応させることによって
製造可能である。
ポリグリセリンにアルキレンオキシドを付加する付加数
が5未満では、架橋したフィルムの可撓性が不十分とな
り、固体電解質としてそのイオン導電率も低い。また、
付加数が2000以上では付加重合反応液の粘度が高く
なりすぎて、工業的に製造するのに好ましくない。
ここで使用されるアルキレンオキシドは、エチレンオキ
シドを使用することが好ましいが、より低温で非晶質化
するために第二の環状エーテルを付加することができる
。第二の環状エーテルとしては、−数式 %式% で表わされ、ここでRはアルキル基、アルケニル基、ハ
ロゲン化アルキル基、アルコキシ基で、Rの炭素数は1
〜3が好ましい。これらの環状エーテルとしてはプロピ
レンオキシド、エピクロルヒドリン、メトキシグリシジ
ルエーテル等がある。この第二の環状エーテルの付加す
る量は1〜1000、好ましくは1〜500が望ましい
。付加数が1000以上になると高温におけるイオン導
電率が低くなるので好ましくない。
(2)イオン化合物成分 高分子固体電解質材料のイオン化合物成分に使用される
イオン化合物としては、特に限定されないが、例えば過
塩素酸リチウム、トリフルオロスルホン酸リチウム、リ
チウムテトラキス(トリメチルシロキシ)アラネート、
リチウムビストリフルオロメチルアセチル等のリチウム
化合物が利用できる。
高分子固体電解質材料中に存在するイオン化合物の量と
しては、酸素/イオン金属、例えば酸素/リチウムの比
が5:1〜100:lであることが望ましい。酸素/イ
オン金属、例えば酸素/リチウムの比が100:l以下
であったり、5°1以上である場合はイオン導電率が低
くなる。
(3)架橋 本発明で使用される高分子固体電解質材料は架橋したも
のが使用されるが、架橋は化学的又は物理化学的方法の
いずれによってもよい。例えば、イソシアネート類によ
るウレタン架橋や二価以上の金属、例えばアルミニウム
、ケイ素、ホウ素、カドミウム、チタン、亜鉛、マグネ
シウム、スズ等を用いて架橋するイオン架橋法などがあ
る。
(4)その他の成分 本発明の高分子固体電解質材料中に活性水素が存在する
と、電池の電極に用いられるリチウムと反応して電池性
能を阻害するので、高分子マトリックスの末端OHを不
活性化するために、化学的又は物理化学的方法で不活性
化させる化合物を使用することが好ましい。
このような活性水素を不活性化させる方法としては、上
記架橋を兼ねてジイソシアネートによるウレタン架橋、
又は二価以上の金属、例えばアルミニラム、ケイ素、ホ
ウ素、カドミウム、チタン、亜鉛、マグネシライム、ス
ズ等を用いたイオン架橋方法の他に、−価のアルカリ金
属、例えばリチウム、ナトリウム等を配合する方法が利
用できる。
本発明で使用される高分子固体電解質材料に、活性水素
を含まない誘電率の高い有機溶媒、例えばγ−ブチロラ
クトン、プロピレンカーポネト、ポリエチレングリコー
ルジメチルエーテル等を適量混合して用いることができ
る。これらの溶媒は、固体電解質材料の可塑剤として、
膜の柔軟性を高める効果を有する。
本発明者らが採用したポリグリセリンにエチレンオキシ
ド又はエチレンオキシドと他の環状エテル例えばプロピ
レンオキシドを付加重合した高分子化合物にイオン化合
物例えば過塩素酸リチウムを加えて、架橋剤例えばトリ
レンジイソシアネートで架橋したフィルムは、透明で柔
軟性に冨み、薄膜化することができ、大面積化が容易に
できるイオオン導電性高分子材料である。
実施例 次に具体的な実施例によって本発明を説明する。
実施例1 高  マトリックスAの製造 動粘度(υso℃) 17000cStのポリグリセリ
ン(平均重合度n=10) 480gを52のオートク
レーブに仕込み、20%KOH水溶液20gを加え、撹
拌混合後、減圧にして脱水した。常温で水が留出しなく
なったら徐々に昇温し、100℃まで加熱し、完全に脱
水を行なった。続いて、温度120℃以下、圧力4kg
/cm2以下になるように流量を調節しながら2時間か
けて3343gのエチレンオキシドをボンベより導入し
た。導入終了後、120°Cで1時間熟成して反応を完
結させた。次いで、オートクレーブより主成分1914
gを抜き出して化合物A(ポリグリセリンOH基1に対
し10モルのエチレンオキシドが付加)を得た。
イオン導電性固体電解   の製造 上記化合物Al0gと過塩素酸リチウム0.45gをア
セトニトリル20gに溶解した後、トリレンジイソシア
ネート1.73gを加え、これをポリプロピレンフィル
ム上に流し込み溶媒を減圧留去した後、80°Cて48
時間反応させて、透明で柔軟な膜を得た。次いで、膜の
両側に、スパッタ法により金電極を付けた後、コールコ
ールプロット測定法により導電率を求めた。導電率の測
定結果を第1表に示す。
実施例2 高  マトリックス1 実施例1において化合物Aを抜き出した残りのオートク
レーブに、同じ条件で更に2時間かけて1672gのエ
チレンオキシドをボンベより導入した。導入終了後、1
20℃で1時間熟成して反応を完結させた。熟成後、オ
ートクレーブより生成物を抜き出し化合物B(ポリグリ
セリンOH基lに対し20モルのエチレンオキシドが付
加)を得た。
イオン導電 固 電解質 化合物810gと過塩素酸リチウム0.45gをアセト
ニトリル20g1に溶解した後、トリレンジイワシアネ
ート0.93gを加え、これをポリプロピレンフィルム
上に流し込み溶媒を減圧留去した後、80°Cで48時
間反応させて透明で柔軟な膜を得た。
導電率の測定結果を第1表に示す。
実施例3 高  マトリックスC 実施例1の高分子マトリックスの製造において、ポリグ
リセリンOH基1に対し100モルのエチレンオキシド
を付加させた以外は実施例1と同様の合成を行ない、化
合物Cを得た。
イオン導電性  電解質 実施例1の高分子マトリックスの製造において、化合物
ClOg、トリレンジイソシアネート0、20gを用い
た他は、実施例1と同様に行ない透明で柔軟な膜を得た
。導電率の測定結果を第1表に示す。
実施例4 高  マトリックスD 実施例1で使用したポリグリセリンに、実施例1での合
成条件と同様にして、ポリグリセリン011基1に対し
97モルのエチレンオキシド、3モルのプロピレンオキ
シドをランダムに付加し、化合物りを得た。
イオン導電・一体重解質 実施例3のイオン導電性固体電解質材料の製造において
、前記化合物DlOgを用いた他は、実施例3と同様に
行ない、透明で柔軟な膜を得た。導電率の測定結果を第
1表に示す。
実施例5 高  マトリックスE 実施例1の高分子マトリックスの製造において製造した
化合物Aを出発原料とし、実施例1の製造条件と同様に
して、プロピレンオキシドを011基1に対し、1モル
付加させた後、続けて9モルのエチレンオキシドを付加
させた。その後、プロピレンオキシドとエチレンオキシ
ドの付加を継続的に 9回繰り返し、化合物AのOHH
I3対しA(PO,EO9)、なるシーフェンス化合物
Eを得た。
イオン導電・  電解質 上記化合物E10gを用いた他は、実施例3のイオン導
電性固体電解質材料の製造と同様に行なって、透明で柔
軟な膜を得た。導電率の測定結果を第1表に示す。
実施例6 実施例5の高分子マトリックスの製造において得られた
化合物E lOgと過塩素酸リチウム0.45gをアセ
トニトリルに溶解しトリエチルアルミニウム15%トル
エン溶液0.45gを加え、ポリプロピレンフィルム上
に流し込み、溶媒を減圧留去した後、80°Cで48時
間反応させ、透明で柔軟な膜を得た。導電率の測定結果
を第1表に示す。
実施例7 高  マトリックスF 実施例5の高分子マトリックスの製造において、酸化プ
ロピレンの代わりにメチルグリシジルエーテルを用いた
他は、実施例5と同様の合成を行なってA (MGE、
E09)9なるシーフェンス化合物Fを得た。
イオン導電   電解質 上記化合物FlOgを用いた他は、実施例3のイオン導
電性固体電解質の製造と同様に行なって透明で柔軟な膜
を得た。導電率の測定結果を第1表に示す。
実施例8 高  マトリックスG 動粘度(νsoy ) 2000cStのポリグリセリ
ン(平均重合度n・3)を出発原料として、実施例1と
同様にして、OH基lに対し20モルのエチレンオキシ
ドを付加し、化合物Gを得た。
イオン導電   電解質 上記化合物G10g及びトリレンジイソシアネト0.9
4gを用いた他は、実施例1と同様に行ない透明で柔軟
な膜を得た。導電率の測定結果を第1表に示す。
実施例9 高 子マトリックスH 動粘度(V 5o℃) 25000cStのポリグリセ
リン(平均重合度n・15)を出発原料として、実施例
1と同様にしてOHHI3対し20モルのエチレンオキ
シドを付加し、化合物Hを得た。
イオン導電 固 電解質 上記化合物HlOg、トリレンジイソシアネート0.9
2gを用いた他は、実施例1と同様に行ない透明で柔軟
な膜を得た。導電率の測定結果を第1表に示す。
比較例1 高  マトリックス■ 動粘度(v 5oc 117000cStのポリグリセ
リン(平均重合度n=l0) 1516gを51のオー
オフレープに仕込み、20%KOH水溶液5gを加え。
撹拌混合後、減圧にして脱水した。常温で水が留出しな
くなったら徐々に昇温し、100℃まで加熱し、完全に
脱水を行なった。続いて、温度120℃以下、圧力4k
g/cm2以下になるように流量を調節しながら2時間
かけて3168gのエチレンオキシドをボンベより導入
した。導入終了後後、120℃で1時間熟成し、反応を
完結させ、4684gの化合物■ (ポリグリセリンO
H基1に対し3モルのエチレンオキシドが付加)を得た
イオン導電・  電 化合物I 10gと過塩素酸リチウム0.33gをアセ
トニトリル20gに溶解し、トリレンジイソシアネート
4.46gを加え、これをポリプロピレンフィルム上に
流し込み、溶媒を減圧留去した後、80℃で48時間反
応させて透明な膜を得た。この膜は柔軟性に乏しかった
膜の両側にスパッタで金電極を付け、コールコールプロ
ットよりの導電率の測定結果を実施例の結果と共に第1
表に示す。
比較例2 高  マトリックスJ モノグリセリンを出発原料として、実施例1の高分子マ
トリックスの製造と同様にして、OHHI3対し10モ
ルのエチレンオキシドを付加させた化合物Jを得た。
イオン導電性 体重解質 化合物J  10gを用いた他は実施例1のイオン導電
性固体電解質材料の製造と同様に行なって透明で柔軟な
膜を得た。
導電率の測定結果を第1表に示す。
比較例3 高  マトリックスに 実施例1で使用したポリグリセリンに、実施例1と同様
にして、ポリグリセリンOH基1モルに対し10モルの
エチレンオキシドと1190モルのプロピレンオキシド
をランダムに44加し、化合物Kを得た。
イオン導電   電解 化合物K 50g、トリレンジイソシアネート0.07
g及び過塩素酸リチウム1.85gを用いた他は、実施
例1と同様に行ない透明で柔軟な膜を得た。
導電率の測定結果を第1表に示す。
[発明の効果] 本発明のイオン導電性高分子固体電解質材料は、ポリグ
リセリンを主鎖として、ポリエーテルを側鎖とし、ポリ
エーテルの末端OHによって架橋結合が行なわれている
三次元架橋物が用いられているので、結晶化による導電
性の低下が小さく。
室温付近でも優れた導電性を示す。また、長い側鎖の末
端で架橋しているので、柔軟性があり、かつ、薄膜化が
可能である。
第1表

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)主として高分子マトリックスとイオン化合物とか
    らなる固体電解質において、高分子マトリックスが、そ
    の平均重合度又は平均縮合度が3以上で、かつ、その動
    粘度ν_5_0_℃が1000cSt以上のポリグリセ
    リンを主鎖とし、ポリエーテルを側鎖とする付加重合体
    を架橋させて得られた三次元架橋物からなることを特徴
    とするイオン導電性固体電解質材料。
  2. (2)ポリグリセリンが、グリセリン又はエピクロルヒ
    ドリンの縮合物、若しくはグリシドールの重合物である
    、請求項1に記載のイオン導電性固体電解質材料。
  3. (3)ポリエーテルが、エチレンオキシドの単独重合体
    又はエチレンオキシドと一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼(ただし、Rはアル
    キル基、アルケニル基、ハロゲン化アルキル基、又はア
    ルコキシ基) で表わされるアルキレンオキシド類とのランダム又はシ
    ークェンス共重合体であって、エチレンオキシドの繰り
    返し単位の数が5〜2000である、請求項1又は2に
    記載のイオン導電性固体電解質材料。
  4. (4)アルキレンオキシドが、プロピレンオキシドであ
    って、その繰り返し単位の数が1〜1000である、請
    求項3に記載のイオン導電性固体電解質材料。
  5. (5)架橋剤がイソシアナート類である、請求項1〜4
    に記載のイオン導電性固体電解質材料。
  6. (6)架橋剤がアルミニウム、ケイ素、ホウ素、チタン
    、カドミウム、マグネシウム及びスズからなる群より選
    ばれた少なくとも一種の元素を含む有機金属化合物であ
    る、請求項1〜4のいずれかに記載のイオン導電性固体
    電解質材料。
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