JPH02255728A - 固体電解質 - Google Patents

固体電解質

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JPH02255728A
JPH02255728A JP1255345A JP25534589A JPH02255728A JP H02255728 A JPH02255728 A JP H02255728A JP 1255345 A JP1255345 A JP 1255345A JP 25534589 A JP25534589 A JP 25534589A JP H02255728 A JPH02255728 A JP H02255728A
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JP
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polymer compound
polymer
molecular weight
conductivity
solid electrolyte
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JP1255345A
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English (en)
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Shii Narangu Sabatsushiyu
サバツシユ・シー・ナラング
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Fujifilm Holdings Corp
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Fuji Photo Film Co Ltd
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/18Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte
    • H01M6/181Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte with polymeric electrolytes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/10Metal compounds
    • C08K3/105Compounds containing metals of Groups 1 to 3 or of Groups 11 to 13 of the Periodic Table
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/12Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • H01B1/122Ionic conductors
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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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〕 本発明は固体電解質に係り、特に電池および他の電気化
学的応用機器用の材料として好適な固体電解質に関する
ものである。
〔従来の技術〕
固体電解質を電池や電気化学的応用機器に使用していく
ためには良好なイオン伝導率をもつのみならず、皮膜形
成性に優れ、経時貯蔵安定性が良くなければならない。
材料の製造が容易であることも必要である。しかしなが
ら、このような必要性能を総合的に満足する固体電解質
は、これまで全く開発されていなかった。
例えば、Na−β−AlzOxやNa1+JrzP3−
1ls+xO+x(0≦X≦3)のような無機固体電解
質は、良好なイオン伝導率をもつことが知られている(
エム。
ニス、ウィッチインガム(M、S、Whittingh
ai)  ら、ジャーナル オフ゛ ケミカル フィジ
ンクス(Journal of Chemical P
hysics) 54巻414頁(197i年)、エイ
、クリアーフィールド(A、C!earf 1eld)
  ら、ソリンドステート イオニクス(Solid 
5tate Iomics) 9 / 10巻895頁
(1983年)が、機械的強度が著るしく弱く、可撓性
膜への加工性に劣るという致命的欠陥をもっている。
ポリエチレンオキサイドと種々の周期率表I族又は■族
に属する金属の塩、例えば、LiCFzSO!。
Lil、 LiCl0n、 Nal、 NaCF=SO
,KCF3SO3などとからなる錯体が固体電解質とし
ての機能をもっており(例えばビー・バーシスタ(p、
νashista)ら、ファスト・イオン・トランスポ
ート・イン・ソリッド(Fast Ion Trans
port in 5olid) 131頁(1979年
)、さらに高分子特有の柔軟性、粘弾性を具備しており
加工性も良好である。しかしながら、ポリエチレンオキ
サイドのイオン伝導率は、温度依存性が大きり、80°
C以上では良好なイオン伝導率を示すものの、室温ある
いはそれ以下になるとイオン伝導性が突然に悪化してし
まい、広い温度領域に使用できるような汎用性のある商
品に使用することは1.困難であった。このようなポリ
エチレンオキサイドを基礎にした固体電解質の持つイオ
ン伝導率が室温あるいはそれ以下で突然に悪化するとい
う問題を克服する方法として、特開昭62139266
号公報に通常の分子量のポリエチレンオキサイドに分子
zi、ooo以下の低分子量のポリエチレンオキサイド
を混合して用いる方法が提案されている。しかしながら
、この方法では先行技術にある問題の解決手段を提供す
るに至っていない。
すなわち、多量の低分子量ポリエチレンオキサイドを混
合すれば、室温付近のイオン伝導率は良化するものの、
皮膜形成性の低下が著るしく、皮膜にすることが困難と
なってしまうものであった。
低分子量ポリエチレンオキサイドを化学的に修飾して、
室温付近でのイオン伝導率を保持したまま、皮膜形成性
を付与しようという方法および、ビニル系ポリマーの側
鎖に低分子量ポリエチレンオキサイドを導入するという
方法が、デイ、ジエイ、バニスタ−(D、J、Bann
1ster)  ら、ポリマー(Polymer)25
巻1600頁(1984年)に報告されている。
しかしながらこのような高分子材料は、LiCl0nと
の組合せで固体電解質を形成し、かつ良好な皮膜形成性
をもつが、室温でのイオン伝導率がなお不充分であった
。さらに、低分子量ポリエチレンオキサイドとシリコー
ン化合物を組合せた高分子材料が、長岡ら、ジャーナル
 オブ ポリマーサイエンス、ポリマー レター エデ
イジョン(Journalof Polymer 5c
ience、 Polymer LetterEdit
ion) 22巻752頁(1982年)、デイ、ジエ
イ。
バニスター([)、J、3annister)  ら、
ポリマー コミュニケーションズ(Polymer C
ommunications) 27巻98頁(198
6年)、デイ、エフ、シュライバーら、マクO−Eレキ
ュールス (Macromolecules) 21巻
648頁(1988年)に報告されている。これらの高
分子材料は、例えばLiCZOaやLtCFlSOsな
どとの組合せで固体電解質を形成し、良好な皮膜形成性
をもち、かつ室温付近でのイオン伝導性も良好であった
が、経時的に高分子鎖が切断して低分子量化するという
ように保存安定性に問題のある材料であった。さらに、
シリコーンの一部に低分子量ポリエチレンオキサイドを
導入した材料が渡辺ら、ジャーナル・オブ・パワー・ソ
ース (Journal ofPower 5ours
e) 20巻327頁(1987年)に報告されている
が、低分子量ポリエチレンオキサイドの導入率が低く、
このため比較的大量の高分子材料を使用しなければ満足
に応用できないものであった。
渡辺らは、下記の(A)及び(B)成分の架橋された高
分子化合物とLiCZOaとを組合せて室温で10−6
5cm−’のイオン伝導率をもつイオン伝導体を提案し
ている。
さらに、デイ・エフ・シュライバー (D、F、5hriver)らによって、ジャーナル・
オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ(Journ
al of−American Chemical 5
ociety) 106巻6854頁(1984年)に
、側鎖に低分子量ポリエチレンオキサイドをもつポリフ
ォスフアゼン(Polyphosphazene)が報
告されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
この高分子化合物と、例えばLi(Jogなどとの組合
せからなる固体電解度は、室温付近でも良好なイオン伝
導率を示し、良好な皮膜形成性を有L7、経時保存安定
性も問題ないレベルにあるが、側鎖に低分子量ポリエチ
レンオキサイドをもつポリフォスフアゼンは工業的製造
適性のないものであった。
すなわち、この材料はへキサクロロフォスフアゼンの開
環重合によってポリジクロロフォスフアゼンに誘導し、
しかる後に低分子量ポリエチレンオキサイドのナトリウ
ム塩と反応して合成される。
製造上の問題の第1は、ヘキサクロロフォスフアゼンか
らポリジクロロフォスフアゼンにする重合反応であり、
重合反応の進行性と共に競争的に架橋反応が起るので、
生成物が反応媒体の溶剤に不溶となり、重合を十分に進
行させることができな従って、ヘキサクロロフォスフア
ゼンから収率よくヘキサクロロフォスフアゼンを得るこ
とが出来ず、製造原価が高くつく。
製造上の問題点の第2はポリジクロルフォスフアゼンと
低分子量ポリエチレンオキサイドのナトリウム塩との反
応工程である。一般に、官能基をもつ高分子化合物との
反応は、同じ官能基をもつ低分子との反応と比較して反
応速度が著るしく遅いために充分に反応を進行させるた
めには、反応に必要な試薬(この場合には低分子量ポリ
エチレンオキサイドのナトリウム塩)を大過剰に加える
ことが必要となる。このことは、結果的に低分子量ポリ
エチレンオキサイドを側鎖にもつポリフォスフアゼンと
低分子量ポリエチレンオキサイドとの混合物が得られる
ことになり誘導された固体電解質の皮膜形成性の悪化を
もたらす(特開昭62−139226号と同様)、混入
する低分子量ポリエチレンオキサイドを減らすためにポ
リジクロロフォスフアゼンと反応する低分子量ポリエチ
レンオキサイドのナトリウム塩を減らした場合には、低
分子量ポリエチレンオキサイドは減少するがポリフォス
フアゼン側鎖へのポリエチレンオキサイドの導入率が極
端に低下し、目的のイオン伝導率を得るには、大量の高
分子材料を使用しなくてはならなくなる。
このように従来開発されている固体電解質は電池や電気
化学的応用機器に適用するのに必要な性能を総合的に満
足するものではなかった。
〔発明の目的〕
本発明の第1の目的は室温(付近)で高いイオン伝導率
を示す、最も望ましくは10−” (Ω伺clI−1)
より高いイオン伝導率をもつ新規な固体電解質を提供す
ることにある。
本発明の第2の目的はすぐれた皮膜形成性を有する新規
な固体電解質を提供することにある。
本発明の第3の目的は良好なイオン伝導率、優れた皮膜
形成性(即ち、柔軟性があり、かつ強い機械的強度)を
有し、すぐれた経時保存安定性を持ち、かつ容易に製造
し得る新規な固体電解質を提供することにある。
本発明の第4の目的はいかなる汎用のリチウム電池に用
いられている、先行技術による高分子電解質に有効に置
き換え得る新規な高分子電解質を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは問題点を解決するために鋭意検討した結果
、上記目的は、高分子化合物の繰り返し単位のうち少な
くとも50モル%が下記一般弐N)で表される繰り返し
単位よりなる高分子化合物と周期律表■あるいは■族に
属する金属イオンの塩とを含有することを特徴とする固
体電解質により達成された。
Li −+NHCHgCHz)r(SCHzCHz)y
旬CHzCHz)7X+−R+(ここでり3、L、は2
価の連結基、R1、R2は水素、アルキル基、あるいは
アリール(Aryl)基、mおよびpはそれぞれ1から
10までの整数、X、およびX2はそれぞれ一〇−ある
いは−5−1nは1oから100までの整数、a及びb
はそれぞれ0から10までの整数、そしてCは0あるい
は1、但しCがOの時はa又はbは少なくとも1である
。) 次に本発明の詳細な説明する。−最大(1)においてり
0、Ltは同じであっても異っていてもよく、L3、L
8で表わされる2価の連結基としては、アルキレン基、
アラルキレン基、オキシアルキレン基が挙げられる。こ
れらの基は置換されていてもよい。
アラルキレン基では7から20炭素原子数をもった、そ
してオキシアルキレン基では6から20炭素原子数をも
った連結基が有用であると期待される。
置換基の例として水酸基、アルコキシ基、アルキル基、
フッ素原子、塩素原子、および臭素原子等が挙げられる
。置換基の数に制限はない、即ちあらゆる炭素に置換で
きる。しかし通常置換は行われない。
LtおよびL8は3から5の炭素原子を持つアルキレン
基であるのが最も好ましい、 LlおよびL2に対する
最も望ましい置換基はCIからC5のアルキル基である
eLlおよび1.2で表わされる2価の連結基の好まし
いそして典型的な例はプロピレン、とフ、ネチレンであ
るが、最も好ましいのはプロピレンである。炭素数1か
ら3のアルコキシ基は置換基として望ましいと予想され
る。
X、とx2は各々−0−あるいは−3−である。nは重
合度であり、IOから100の整数である。
R4およびR2はそれぞれ水素原子、アルキル基、ある
いはアリール(Aryl)基、好ましくは炭素原子1か
ら10をもつアルキル基、さらに好ましくは炭素原子1
から3をもつアルキル基、さらにより好ましくは炭素原
子1から2をもつアルキル基、そして最も好ましいのは
メチル基である。炭素原子6から20をもつアリール(
Aryl)基はを用であろうと期待される0mとnは夫
々1から10の整数で、より好ましくは3から7である
。aとbはそれぞれ独立に0から10までの整数であり
、CはOか1を表わす、若しCがOであるときは、a又
はbは少くともlである。aとbは好ましくは0あるい
はLcは好ましくは1である。
一般式(1)で表される繰り返し単位は高分子化合物中
に少なくとも50モル%、好ましくは80モル%、更に
好ましくは100モル%存在する。
高分子化合物の残りの最高50モル%は皮膜形成性を改
良させる成分であり、ポリエチレンオキサイド、ポリプ
ロピレンオキサイドおよびシリコーンのような物質より
成っている。シリコーンは一般にジアルキルポリシロキ
サンのようなシリコーンで、例えば、ジメチルポリシロ
キサン、ジエチルポリシロキサン、ジプロピルポリシロ
キサン等であり、ここで炭素数が1から6のアルキル官
能基(?1oiety)からなるアルキル基が最も優れ
ている。共重合物はランダム共重合物である。皮膜形成
性を改良する成分の分子量は重要ではない、市販高分子
化合物で十分である。
本発明における高分子化合物は単一重合物であっても共
重合物であっても構わない、即ち高分子化合物は一般式
(1)で示される種々の繰り返し単位の1あるいはそれ
以上の成分からなっていても構わない、あるいはジアル
キルシロキサンのような第2成分を含んでいてもよろし
い。しかしながら高分子化合物は単一重合物である方が
好ましい。
一般式(1)で表される繰り返し単位を含む高分子化合
物の、典型的な例を以下に示す、しかしもちろん本発明
の高分子化合物はこの例に制限されない。以下の例にお
いてnは重合度を表し、重合度は10から100である
。以下の高分子化合物において−(Si−0)T部分(
Mofety)に結合する末端基は水素(酸素原子につ
ながる)と水酸基(珪素原子につながる)である。
■二土:Si3”0”(化合物の記号、以下同様)CH
zCHzCHz (OCR1C8つ)JCH1+5i−
0址 CHtCII□CHt(OCHzCHt) zOcHt
ヱ二二影:  Si  4”O″ CHgC[1zC)It (OCHzCHt) 10c
Hz−(−3i−0址 CHzGHzGHz(OCIhCHt)tOcH+P−
3:Si8’O” ヱニニ7:5i−N3”0” CHzCthCHz(OCHzCHt)、0CHs千5
t−0址 CHtCl(zcIh(OCHiC)It) JCII
sP −4:   5i−003 CToC1hCHt(OCHzCIh) zscHs+
S+−0址 CHzCHtCHi (OCIhCHi) zscHs
P −5:   5j−00S C)l*cHtcHオ5(CHzCI(to) xc’
d3千5t−0′+Fr CHzCHzCHtS(CHtCH□O) zcHsP
−6:  5i−N8″0′ CHzCHtC)ItNll(CHzCHzO) ac
t3+5i−Q端 CH3 Cl1.CII□CHJH(CHzCHzO)scH3
千5i−0址 C11゜ ヱ:二亀:  5t−N 500 C1bCHiCLNIIC1lzCHzS (CthC
)IzO) ICHI$ 千5i−03T CH。
ヱ二二史:  5i−32”θ′ CHz(JItCHzS+C11tCHiOhCHz千
5t−0址 CH3 ヱニlし 5t−33’O” CHlCHtCHzS +CHzCHzO)5CHs+
 S s −03N C1l。
」!:」ユニ   5i−54’O” CLCII□CHzS+CHzCHtOhCHs千5i
−0坩 ILs P   12:   5i−S5”0”CLCt(zc
[(□5fCHtCHtOhCIIs千5i−0坩 Hs P 二13 :  5i−36”O” CLCHzCHzS+CtliCIlzOiCL%S 
i −0址 C)+3 本発明の一般式(1)で表わされるくり返し単位を含有
する高分子化合物の重量平均分子量MW(ポリスチレン
換算)は通常のGPCで測定して約1 、000から1
00,000 、好ましくは2,000から50.00
0、より好ましくは4,000〜20,000である。
Mwは小さすぎると皮膜形成性が劣化するが、MWが大
きすぎるとイオン伝導率の低下がある。第2図には、分
子量の増加にともなう伝導率の増加の一般的傾向を示し
ている。
周期律表I族又は■族に属する金属イオンとしては、リ
チウム、ナ[リウム、カリウムのイオンが好ましく、代
表的な金属塩としては、LiChSO,、LiCZ04
、Lil、LiBFa、LiCFi(h、Li5CNS
NaCFsSOs、NaE、 NaCZOn、 NaB
Fs、KCF3SO3、にSCN、 X(Jo4などが
挙げられる。これらのうちLi塩が好ましい。
−船人(I)で表わされるくり返えし単位を含有する高
分子化合物と金属イオン塩との比率は、ポリエチレンオ
キサイド単位が、金属イオン塩の1〜10倍の比率で含
有されるのが好ましい。さらに好ましくは、6〜9倍で
ある。
金属イオン塩(Metal Jon 5alt)に対す
るポリエチレンオキサイドの比が約20より大きい時は
得られる高分子化合物がより硬くなり、Tg (ガラス
転移点)はより高くなり、イオン伝導率はより低くなる
0反対に、この比が1より小さいときにもイオン伝導率
は低くなり、皮膜形成性も悪くなる。
固体電解質を作製する際に使用する溶媒としては、代表
例としてはアセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリ
ル類:アセトン、メチルエチルケトン等のケトンII:
プロビレンカーボネート、エチレンカーボネー等のカー
ボネート類:テトラヒドロフラン、3−メチルテトラヒ
ドロフラン、1゜3−ジオキサン、1,4−ジヒドロキ
シフランおよび1.2−ジメトキシエタン等のエーテル
類:γ−ブチロラクトン、δ−ブチロラクトン等のラク
トン類ニジメチルスルホキシド、テトラメチレンサルフ
ォン、ジメチルホルムアミド等があげられるが、必ずし
もこれらに限定されるものではない、これらの溶媒は、
単独でもあるいは2種以上を混合して使用してもよい。
溶媒中に高分子化合物と金属イオンの塩との総重量で約
1から40%(重量/容積比で表して)の濃度で使用す
るのが都合がよい、更には約lO%即ち高分子化合物と
金属イオンの塩との総重量で10gが溶媒100 d中
に溶解しているのが最も好ましい。溶媒の量はそれほど
重要ではない、もちろん溶媒を多く使用すれば固体電解
質の膜厚は薄くな本発明の方法にしたがって一般式(1
)によって表される繰り返し単位を含む高分子化合物を
合成する典型的な例を示す。
企戒■土 P−95t−S 2“0”高分子化合物の合成(a)中
間体12A : (JCHzCLOCHzCH!0C)
Is塩素化物(中間体12A)はI(OCHzCI(z
OcHzcHzOcHz(グリコール)をP(CaHs
)s/CCLで処理して合成する。アルコール類をアル
キルの塩素化物に変化させるのにP (CaHs) s
/ CCI aを使用するのはケミストリイ アンド 
インダストリイ(ロンドン)(Chemistry a
nd Industry (London)) 900
頁(1966年)にアイ、エム、ダウニイ(+、M、D
ownie)、ジエイ、ビイ、ホルムズ(J、B、II
olmes)およびジエイ、ビイ、リー(J、B、Le
e)  らによって記載されている。250dフラスコ
中でCC1m (23,8g)とグリコール(18,5
g)とを混合しこれにトリフェニールホスフィンの40
gを加える。反応混合物を4時間約70°Cで反応させ
、冷却し、1!フラスコ中で500dのヘキサンで稀釈
し、得られた固体(CJs) sPoを濾別する。濾液
はロータリーエバポレーターで濃縮する、かくして中間
体12Aが得られる。
(b) P−95i−32’0″高分子化合物250 
d丸底のフラスコ中で15gの中間体12ACJCth
CHzOCHzCHzOCHi 、26.1.9gの2
5%(CH3) 4NORおよび8.92gのポリ(メ
ルカプトプロピルメチル)シロキサンとを混合する。混
合物は半透明であるが、室温で1時間放置すると2層に
分離する。内容物を100°Cで6時間リフラックスさ
せ、ふたたび2層に分離させる。フラスコの底の部分の
内容物を200−の水と混合し3日間透析する。透析カ
プセルの内容物は5QOj+ffiのフラスコに移し、
カプセルをメタノールですすぎ、これをフラスコに加え
、内容物を濃縮すると51%の収率でP−9が得られる
令迩u1影 P〜3Si3’O”高分子化合物の合成(a)中間体I
C:ポリエチレングリコールメチルアリルエーテル 第三ブチルアルコールカリウムアルコレート(Pota
ssius t−butoxide) 11.1g(0
,1モル)を含む冷却されたエーテル溶液にポリエチレ
ングリコールモノメチルエーテルを加え、室温で30分
間攪拌する。このエ−テ溶液に徐々に臭化アリル(Al
lyl bromjde)をi2.1g <0.1モル
)加える。この反応混合物を室温で16時間攪拌し、溶
液を濾過して白色の沈澱を濾別する。濾液を濃縮し、分
別蒸留すると90%の収率で目的のポリエチレングリコ
ールメチルアリルエーテルが得られる。
(b)中間体2C: (ROC)IzCHtCIlz)
zsich 、 R=CHzCHz(OCII□GHz
) hocks ヘキサクoo白金酸(10(log)と中間体IC(L
og)が入っている高圧反応容器にジクロルシラン(3
utl)を加え、50°Cで2時間攪拌する。過剰のジ
クルシランは追い出し、IRとNMR分光器によって5
i−HとCHI−CHの吸収が認められないようにする
(c) P−3Si 8”0”高分子化合物20%塩酸
とエタノール混合?a (1: 1. v/v 。
1Ili)中で中間体2Cを2時間リフラックス(Re
flux)する、溶媒を除去すると高分子化合物P−3
が得られる。GPCで決定された分子量は6250であ
った。
金層■ユ P−63i−N 8”0”高分子化合物の合成(a)中
間体4tポリ(3−アミノプロピル−メチルシロキサン
) 3−アミノプロピルメチルジェトキシシランのエーテル
溶液を撹拌しながらアンモニア水(l:4、v/ν)に
加え、室温で2時間反応させるとこの高分子化合物が得
られる。高分子化合物は完全にはテトラヒドロフラン(
THF)に溶解しないので分子量は決定されなかった。
P−63t−N 8”O″高分子化合物中間体4 (1
0m隋o1)の水溶液(4−)を攪拌しながらKOH(
llmsol)  とCI (C[I*C1hO) +
+CHsを加える。
この混合物を80℃で4時間反応させる0反応終了後2
Tiに分かれるので、その上層を集め、水洗し、乾燥し
、濃縮するとP−6高分子化合物が得られる。
合部U随士 P−45i−00S高分子化合物の合成(a)中間体7
:アリル2−(2−クロロエトキシル)エチルエーテル
(Allyl 2−(2−chloroeth6xyl
)ethylther クロロエトキシエタノール(0,15■ol)のエーテ
ル(250mQ)溶液を0°Cに冷却しこれに第三ブチ
ルアルコールカリウムアルコレ−) (Potassi
u糟t−butoxide) (0,15■ol)を加
える。溶液を1時間攪拌し、再び0゛Cに冷却し、この
冷溶液に臭化アリル(0,15s+ol )を滴下し、
室温で1夜攪拌する。沈澱を濾別し、濾液を濃縮し、分
別蒸留する。58〜60℃の溜分は24%の収率で得ら
れるや (b)中間体8ニジクロロジアルキルシラン(Dich
lorodialkylsilane)中間体? (0
,46■ol)とへキサクロロ白金酸(30mg)と過
剰のジクロロシランとを80℃で高圧反応容器中で反応
させる。2時間後残っているジクロロシランを溜出除去
する。生成物はIRおよびNMR分光器によって確認さ
れる。
(c)中間体9:ポリシロキサン(Polysilox
ane)中間体8のエーテル溶液を攪拌しながらアンモ
ニア水(1:4、v / v )に加え室温で2時間攪
拌すると液状の高分子化合物が得られる。GPCで確認
された分子量は5500であった。
(d) P−45t−005高分子化合物テトラメチル
アンモニウムの水酸化物(Tetra−+wethyl
−ammonium hydroxide)の20%メ
タノール溶液2,5gに過剰のメチルチオールを溶解さ
せ室温で20分間攪拌した。中間体9(Ig)を加え、
この溶液を4時間リフランクスさせ、メタノールを蒸発
除去し、残留物を水で洗浄し、乾燥して目的の生成物を
得た。GPCで測定した分子量(Mw)は12,800
であった。
なお本発明における好ましい態様は次の通りである。
(1)特許請求の範囲1の固定電解質において、該高分
子化合物の一般式(1)中し、およびLxで表される2
価の連結基はアルキレン基、アラルキレン基、あるいは
オキシアルキレン基であり、L1オよびL8は同じであ
ってもよくあるいは異なっていてもよい。
(2、特許請求の範囲1の固体電解質において、政商分
子化合物の一般式(1)中し、およびし、で表される2
価の連結基は3から5の炭素原子からなるアルキレン基
である。
(3)特許請求の範囲1の固体電解質において、政商分
子化合物の一般式(1)中P1およびhはそれぞれメチ
ル基である。
(4)特許請求の範囲lの固体電解質において、政商分
子化合物の繰り返し単位のうち少なくとも80モル%が
一般式(1)で表される繰り返し単位よりなっている。
(5)特許請求の範囲1の固体電解質において、政商分
子化合物の繰り返し単位は100モル%−船人(1)で
表される繰り返し単位より構成されている。
(6)特許請求の範囲1の固体電解質において、該高分
子化合物の繰り返し単位は更にその50モル%より少な
い範囲でジアルキルシロキサン単位よりなっている。
(7)特許請求の範囲1の固体電解質において、該高分
子化合物は4,000から20,000の分子量をもつ
(8)特許請求の範囲1の固体電解質において、該塩は
LiCFsS(hである。
(9)特許請求の範囲1の固体電解質において、政商分
子化合物の、−船人(1)で表される繰り返し単位中に
含まれるポリエチレンオキサイド単位は、モル比で表し
て金属イオンの1から10倍である。
(10)繰り返し単位のうち少なくとも50モル%が下
記−船人(1)で表される繰り返し単位よりなる高分子
化合物と周期律表Iあるいは■族に属する金属イオンの
塩とを含有することを特徴とする固体電解質と陽極およ
び陰極とからなる電池。
Li (N)ICHzCHz)廼5CHffiCH1斥
利cu、co、階X+−R+(ここでり、、 LXは2
価の連結基、R1+ Rtは水素、アルキル基、あるい
はアリール(Aryl)基、mおよびpはそれぞれlか
ら10までの整数、xlおよびX!はそれぞれ−0−あ
るいは−5−1nは10から100までの整数、a及び
bはそれぞれOから10までの整数、そしてCはOある
いは1、但しCが0の時はa又はbは少なくとも1であ
る。) 叉旌■上 (1)固体高分子電解質の作製 (a)原材料 電池(Cell)用の原材料を取り扱う工程はすべて窒
素雰囲気のドライボックス中で行われた。金属Liを含
む電池(BaLtery)はリチウムと窒素とが反応し
て亜硝酸リチウム(Lithium n1tride)
が生成するのを防ぐためアルゴン雰囲気のドライボック
ス中で組み立てられた。
テトラヒドロフラン(THF)は使用する前に窒素雰囲
気中で金属ナトリウムを加えたベンゾフェノン溶液から
蒸留して準備された。 llldrj(hChemic
alCo、から購入されたリチウムフルオロメタンスル
フォネイト(LiCF3SO3: Li Trifla
teあるいはLiTF)は購入したまま使用した。リボ
ン状のリチウム(厚さ0.38mm、幅50am )は
AESARから購入したアルゴン雰囲気で貯蔵した。バ
ナジン酸アンモニウム(Ammonium Venad
ate)(Aldrich ChemicalCo、、
 99.99%)は更に精製することなく使用した。
Shawinjgan black (50%圧縮した
もの)はChevronCo、から購入した0分子量1
0万のポリエチレンオキサイド(PEO,Mw 100
.000)はAldrich Che+1tcalCo
、から購入し、使用する前に140°Cで乾燥した。
(b)高分子化合物と金属リチウムとの錯体(Poly
mer/Lithius Complexes)の作製
LiCP3SO,と高分子化合物との既知量を乾燥した
溶媒(T)IF)に溶解し高分子化合物とLi tri
flateとの錯体の溶液を作成した。使用した量は酸
素原子と硫黄(イオウ)原子を加えた量がリチウム原子
の量とモル比で8である割合で使用された(高分子化合
物の主鎖中の酸素原子の量は計算から除外された)。例
えば、LiCFlSOlを31.9wgに対して高分子
化合物St3″θ″の100mgを使用した。高分子化
合物の主鎖中の酸素原子は計算されていない、混合物を
1夜静置した。
伝導率の測定のために、高分子化合物と金属リチウムと
の錯体の溶液をデルリン製のカップ(Cup)中に滴下
してフィルム状に成形した。このフィルムはガラス製の
真空容器中で0.01 )−ル(0,01torr)以
下の真空状態で120℃で3日間乾燥した。フィルムの
厚みはマイクロメタ−を用いて測定した。
電池(Battery)検査のため、高分子化合物と金
属リチウムとの錯体の溶液から溶媒を乾燥器中で蒸発さ
せた。それから上記したと同様に複合物の溶液をデルリ
ン製のカップ(Cup)中に移して真空乾燥した。得ら
れた生成物は室温、乾燥状態で固体の高分子化合物と金
属リチウムとの錯体の混合物である。
(c)装置と測定技術 高分子電解質の伝導率は交流のインピーダンス測定装置
(ACImpedance 5pectroscopy
)で測定した。乾燥した高分子電解質のフィルムを0.
7854dの面積を持った2枚のブロック状ステンレス
製電極の間にはさんで測定した。かかるステンレス製の
電極はこの検査のために用いたもので、市販の電池の性
能測定に使用してはならない。典型的には高分子化合物
フィルムの厚みはマイクロメータで測定した値で0.5
1+am(+−ら1 、02+1mの間で変えられた。
ブロック電極と高分子化合物とのサンドウィッチ構造を
もっているセルをデルリン製のカップの中に納め、その
集合体を、加熱することが出来、高分子化合物フィルム
の面に均一に65−97 lb/in”の圧力を掛けら
れる装置を持った真空装置(Vacuumchambe
r)の中に移す(第3図参照)、該電極は電流平衡モー
ドで操作される電圧計(PotentiostatPA
R173)に連結される。
上記したよりも厚みの薄い高分子化合物フィルム(例え
ば10−あるいはそれ以下)を用いた方がより高い電流
密度で測定が出来るという意味でよい結果が期待できる
やしかしもちろん正確なフィルム厚みを得るのが難しく
なるわけで設計上の選択項目といえる。
第3図で付番1はデルリン製のカップ、3は測定対象の
高分子電解質、5は一方のステンレス類の電極(a 5
tainless 5teel contact)、7
は他方のステンレス類の電極でプランジャー形となって
いる(a 5tainless 5teel plun
ger)、9はスプリング、11はボールベアリング、
13はレキサン製のセル本体、15はレキサン製のカッ
プ、17はボールベアリング、19はスチール製のナツ
ト、21はロードセル(Load cell電圧が発生
する電極)をそれぞれ示す。
このセルに5olartron 1250の周波数応答
解析器(Frequency Re5ponse An
alyzer)から発生する弱い(small)交流信
号(ACsignal)を重畳させる、各測定温度で周
波数の関数としてセルのインピーダンスの実数部と虚数
部の値が測定される。測定温度を変えるときには一夜装
置を安定化させる。
高分子電解質に起こる高周波緩和を確認するために交流
インピーダンスのデータはNyquistとBodeの
両面で測定し点1i (Plot)する0通常(Typ
ically)交流信号(ACSignal)の周波数
は65kHzがら]、0IIH2まで走査される。(高
)周波数緩和の実数部分の切片(Intercept)
は高分子電解質のインピーダンスの抵抗部分を表すと仮
定されている。この値は従って高分子化合物の抵抗値に
変換され得る(高分子フィルムの厚みと面積は既知であ
る)。
抵抗値の逆数は伝導率、σを与える。その単位はΩ−I
c11−である、(高)周波数緩和が65kHz以上で
起こるとき、高分子電解質の抵抗値を測定するためにH
ewlett Packardの4292Aインピーダ
ンス・アナライザーが用いられる。この測定器は13M
Hzから5Hzまでの周波数範囲の測定が可能である。
規定の電圧レベル間で一定のサイクルで充電/放電を行
わせるためこの電池動作の測定では電流平衡モードで操
作される電圧計(PAR173Poten−tiost
at/ Ga1vanostat )を用いた。
(d) V4013正極(Cathode)の製作酸化
ヴアナジウム(Vanadium oxide)はアル
ゴン雰囲気でバナジウム酸アンモニウム(Av++on
iumvanadate)を熱分解してつくる。石英製
のボートにヴアナジウム酸アンモニウム(NH,VO3
)を置き、30分間アルゴン気流を当てる。それから温
度を室温から1分当り4 ’Cの割合で昇温させ500
°Cにする。つぎに550’Cに1時間保ちその後徐々
に室温まで下げる。得られた生成物は暗いブルーの色を
呈していた。
正極の組成は重量で80%かり、0゜、5.5%がSh
awinigan black、 14.5%が高分子
化合物とLiTFとの錯体(CoIlpleχ)である
高分子化合物と金属イオンの塩を種々変えて正極を作成
してみるのが好ましい。その理由は高分子化合物の金属
イオンとの塩が金属イオンの移動を容易にして高分子電
解質と正極との間の金属イオンの出入りを可能にするか
らである。高分子化合物中の金属イオンの量は5から2
0%が好ましいと思われる。特別な場合カーボンブラッ
クが正極の伝導率を上げる効果と、正極の結合剤として
の効果と併せて使用された。もちろんこの他にも同様な
効果を与える粒状体が知られている。正極剤物質即ちv
、0゜をできるだけ多く使用するのが好ましい。
必要な量のVJ+sおよびShawinigan bl
ackをポリカーボネート製の瓶に秤り取り−ig−L
−Bugグライングーで5分間粉砕する。この混合物は
アブデルハルデン乾燥器に入れ140℃、0.1トール
(Torr)以下の真空で3日間乾燥させる。3d瓶中
で高分子化合物とLiTFとの錯体(Complex)
の100mg@ THFをi容器としてViOtsおよ
びSha@inigan blackの589.7mg
と混合した。混合物を断続的に振り、乾燥器中で1夜放
置して溶媒を蒸散させた。この正極剤混合物(100m
g )を断面積1.69cdのステンレス類のグイ(D
ie)で3分間10,000 lbの圧力で成形した。
(e)電池の組立 本発明を更に(明確に)説明するために(T。
further 5et)、本発明をリチウム負極(a
node)、すなわちLi、 Li1V等の負極、を装
備している汎用のリチウム電池と組合せて使用した。正
極には本発明の方法による正極を自由に選択することが
できる。すなわちTiStlMost、 VbO+s、
 VerSz、 Mo53゜VzOs、 VzOs  
PtOs等である。
ViO1正極をパンチを用いて直径11の円盤に打ち抜
き、この正極をデルリン製のカップの中で導電性のエポ
キシ(Cho−Bond 584)を用いてステンレス
板に接着した。接着剤は120℃で1時間加熱し固めた
。高分子化合物とLiTFとの錯体的1001gをカッ
プ中に秤り込み既に上述した通りにフィルムに成形した
。リチウム負極は上記と同じパンチでリチウムリボンか
ら打ち抜いて新しく成形し、金剛抄紙で表面を磨いた。
このカップを第3図の様なセル中に組み込んで電池を組
み立てた。
市販に供する場合には、もちろん、汎用のリチウムを基
礎にした負極と、適当な正極とを用い汎用の容器に高分
子電解質と共に組み込んで電池に組み立てることが出来
る。
(2)高分子電解質の伝導率 第1図には絶対温度の逆数の関数として、置換ポリシロ
キサンとPt!0(Poly−ethylene ox
ide)の場合について伝導率(σ)の対数の変化を点
綴すしである。室温における伝導率の値は第1および第
2表に掲載した。
第1図より明らかなごと< Si8”0”は最高のそし
てPBOと5t−3OOは最低の伝導率を、25°Cか
ら95℃の全温度範囲にわたって示している。伝導率の
温度増加率はSi8”0”が最も大きい、第2表に示し
たごと(Si8’O”とSi3’O″は室温で7.69
 X to−”から2.21 X 10−’Ω−’ C
11−’の伝導率を示し満足すべき大きさの値である。
Si3”Osでは伝導率が分子量の増加と共にハツキリ
と増加していることは興味深い(第2図参照)。この高
分子化合物の場合室温では分子量が44,000のとき
に最高の伝導率を示す。
分子量27 、000の高分子化合物Si3”02につ
いて電池の動作検査を行い、室温で2.69 X 10
−’Ω−1c、 −1の伝導率を得た。高分子化合物5
t−32”0”は室温で最高の伝導率の値1.65X1
0−ゝΩ−’CI′□′を示した(第1表参照)、シか
しこの高分子化合物は金属リチウムと反応する。
本発明においてPEO/LiChSOsの固体高分子電
解質について得られた伝導率の値は多くの文献値に比べ
て著しく低い、しかしごく僅かの時間でもポリマーは室
温の雰囲気にさらされるとV&湿して、4桁以上も伝導
率が上昇する。かかる場合伝導率が上昇するのは一義的
にはプロトンのためである。
このような方法で59E(固体高分子電解質)の伝導度
を増加させるのは実際的ではない、なぜなら電池を使っ
ている間に水素が発生し、高分子化合物はついには乾燥
するからである。それにも拘らずSPEについて研究す
る場合水については厳密に排除するよう注意するべきで
ある0本発明の実施に当たっては発明者らは高分子化合
物の乾燥には長い時間を掛けた。これがここで報告した
PEOの伝導率の値が多くの文献値に比べて著しく低い
かの説明である。
第1よび第2表に掲示したデータから発明者らが25°
Cで少なくとも10− ’Ω−1cti −1の伝導率
を示すSPI!を開発することに成功したことは明らか
である。実際、この目標を超える値を示す3つの高分子
化合物が合成された。すなわち: 5i−52″02(
a −2,0IX10−’から1.65X10−’Ω−
’ cm−リ、 Si3’O’ (tt −7,69X
 10−”から1.76X10Ω−’ cm −’ )
およびSi8”O”(σ−7.21XIO−’から2.
21X10−’Ω弓C1−’)、本発明の意義は25℃
においてこれらのSPEが示す伝導率の値が80〜90
℃におけるPEOの示す最高の伝導率より2桁高い値で
あるを示すことで十分であろう。
(3)電池動作の検査 第4及び第5図は正極としてVJ+sを持つ電池におい
て高分子電解質として高分子化合物PEOおよびSi3
’0”をそれぞれ用いた場合の電池の性能を比較した図
である。第4図では25°CでPEO電池が電荷を保持
し得ないのに対してSi3”0’電池では電荷が保持さ
れ得ることを示している。この性能差はまた第5図にお
いても明らかに示される845°CにおいてPEO′!
池は電荷をなお保持し得ないのに対し、3”0#電池で
は20μAの放電電流を188分間保つことが出来た。
第4及び第5図は3”0”が汎用されているPEOより
明らかに優れた性能を持っていることを示した。
Li/Si3”0”+LiTF/V*Ot (高分子化
合’15分子427.000)の電池について長期の動
作性を確かめるため、45℃テロ3.35μA/dノ電
流密度で4.OVとと1.8■の間で電圧を周期的に変
化させて、連続的に充電/放電のテストを行なった。
皇l拠1 P−3高分子化合物Sj8”0’とP−4高分子化合物
5t−008を合成し、ゲル透過クロマトグラフ(GP
C)を用いて分子量を測定することにより評価した。
カラム充填削にはポリ(スチレン−ジビニルベンゼン)
ビーズを、流出液にはテトラヒドロフランを用い、fd
/winの流速で測定した。
経時貯蔵安定性を決定することは、上記P−3およびP
−4高分子化合物をそれぞれ50°C150%R1+の
条件で2日間貯蔵し、上記分子量の測定の場合と同じ条
件でゲル透過クロマトグラフによって評価した0分子量
には実質上の差は認められなかった。
この評価の結果に従えば本発明による一般弐N)で表さ
れる繰り返し単位を含む高分子化合物は良好な経時安定
性を持っていると言える。
本発明は詳しく、かつ特に具体的な実例を用いて説明さ
れたので、本発明はその晴神や範囲を外れる事なく当業
界の専門家によって種々の変化や修正が可能であること
は明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図はポリエチレンオキサイド(PEO)をlj!準
として本発明の種々の固体電解質についてイオン伝導率
の対数を絶対温度の逆数として点綴すしたちのでる。 第2図は本発明の高分子化合物Si3”01について2
5゛Cにおける伝導率の分子量の効果を示している。 第3図は電解質伝導率の測定およびバッテリーの諸試験
を行うためのセルの構造図である。 第4図はvhOI3正極を備えたバッテリーにおいて2
5’C,5μへの放電条件で高分子電解質としてPEO
を用いた場合と3”0“の場合との挙動の比較。 第5図はVhO+s正極を備えたバッテリーにおいて4
5°C1高分子電解質としてPEOを用いた場合と3”
0”の場合との挙動の比較、高分子電解質3’O”の場
合は20μAで放電、高分子電解質PEOでは1μAで
放電している。 第 図 Myyxjα℃ TIME (min) 第 図 手続補 正 1才 平成1年11月14日

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)高分子化合物の繰り返し単位のうち少なくとも5
    0モル%が下記一般式( I )で表される繰り返し単位
    よりなる高分子化合物と周期律表IあるいはII族に属す
    る金属イオンの塩とを含有することを特徴とする固体電
    解質。 ▲数式、化学式、表等があります▼ (ここでL_1、L_2は2価の連結基、R_1、R_
    2は水素、アルキル基、あるいはアリール(Aryl)
    基、mおよびpはそれぞれ1から10までの整数、X_
    1、およびX_2はそれぞれ−O−あるいは−S−、n
    は10から100までの整数、a及びbはそれぞれ0か
    ら10までの整数、そしてcは0あるいは1、但しcが
    0の時はa又はbは少なくとも1である。)
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