JP7747646B2 - Solid electrolytes and batteries - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質及び電池に関する。 The present invention relates to a solid electrolyte and a battery.
固体電解質は、液体電解質とは異なり、液漏れの心配がなく、軽量かつフレキシブルな電解質膜である。そのため、固体電解質は、リチウムイオン等を用いた二次電池等への応用が期待される。代表的な固体電解質として、ポリエーテル系電解質、及びポリカーボネート系電解質等が多く研究されてきた。また、例えば、特許文献1には、エーテル構成単位とカーボネート構成単位の両方を含む共重合体を含有する固体電解質が提案されている。Unlike liquid electrolytes, solid electrolytes are lightweight, flexible electrolyte membranes that do not leak. Therefore, solid electrolytes are expected to be used in secondary batteries using lithium ions and other materials. Polyether-based electrolytes and polycarbonate-based electrolytes have been extensively studied as representative solid electrolytes. For example, Patent Document 1 proposes a solid electrolyte containing a copolymer containing both ether structural units and carbonate structural units.
特許文献1に記載の固体電解質のようなポリカーボネート系電解質は、通常、キャスト法により作製される。しかしながら、キャスト法により作製したポリカーボネート系電解質は、電圧安定性評価において酸化開始電位が4V程度であり、耐酸化性の点で更なる改良が求められていた。 Polycarbonate-based electrolytes, such as the solid electrolyte described in Patent Document 1, are typically produced by a casting method. However, polycarbonate-based electrolytes produced by the casting method have an oxidation onset potential of approximately 4 V in voltage stability evaluations, and further improvement in terms of oxidation resistance is needed.
本発明の目的は、十分な耐酸化性を有する固体電解質、及び電池を提供することである。 The object of the present invention is to provide a solid electrolyte and a battery having sufficient oxidation resistance.
本発明の一態様によれば、下記一般式(1)で表される構成単位を含む重合体と、金属塩と、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの溶媒と、を含む固体電解質が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a solid electrolyte comprising a polymer containing a structural unit represented by the following general formula (1), a metal salt, and at least one solvent selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate:
(前記一般式(1)中、mは2又は3であり、R1は、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基である。) (In the general formula (1), m is 2 or 3, and each R1 is independently a hydrogen atom or a methyl group.)
本発明の一態様に係る固体電解質において、前記重合体は、さらに、下記一般式(2)で表される構成単位を含み、前記一般式(1)で表される構成単位の比率が、前記重合体の全ての構成単位に対して、50モル%以上であることが好ましい。 In a solid electrolyte according to one embodiment of the present invention, the polymer further contains a structural unit represented by the following general formula (2), and it is preferable that the ratio of the structural unit represented by the general formula (1) is 50 mol % or more relative to all structural units of the polymer.
(前記一般式(2)中、nは2又は3であり、R2は、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基である。) (In the general formula (2), n is 2 or 3, and each R2 is independently a hydrogen atom or a methyl group.)
本発明の一態様に係る固体電解質において、前記一般式(1)中のmが2であり、前記一般式(2)中のnが2であることが好ましい。 In one embodiment of the solid electrolyte of the present invention, it is preferable that m in the general formula (1) is 2 and n in the general formula (2) is 2.
本発明の一態様に係る固体電解質において、前記一般式(1)中のR1が水素原子であり、前記一般式(2)中のR2が水素原子であることが好ましい。 In the solid electrolyte according to one aspect of the present invention, it is preferable that R 1 in the general formula (1) is a hydrogen atom, and R 2 in the general formula (2) is a hydrogen atom.
本発明の一態様に係る固体電解質において、前記金属塩が、アルカリ金属塩であることが好ましい。 In one embodiment of the solid electrolyte of the present invention, it is preferable that the metal salt is an alkali metal salt.
本発明の一態様に係る固体電解質において、前記アルカリ金属塩が、リチウム塩であることが好ましい。 In one embodiment of the solid electrolyte of the present invention, it is preferable that the alkali metal salt is a lithium salt.
本発明の一態様に係る固体電解質において、前記リチウム塩として、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド及びリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドの少なくとも一つを含むことが好ましい。 In one embodiment of the solid electrolyte of the present invention, it is preferable that the lithium salt contains at least one of lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and lithium bis(fluorosulfonyl)imide.
本発明の一態様に係る固体電解質において、前記重合体と、前記金属塩と、前記溶媒とを含有する電解質調製液を、キャストしてなることが好ましい。 In one embodiment of the solid electrolyte of the present invention, it is preferable that the solid electrolyte is obtained by casting an electrolyte preparation solution containing the polymer, the metal salt, and the solvent.
本発明の一態様によれば、前記本発明の一態様に係る固体電解質を含む電池が提供される。 According to one aspect of the present invention, a battery is provided which includes a solid electrolyte according to the above aspect of the present invention.
本発明の一態様によれば、十分な耐酸化性を有する固体電解質、及び電池を提供できる。 According to one aspect of the present invention, a solid electrolyte and a battery having sufficient oxidation resistance can be provided.
[固体電解質]
以下、本発明について実施形態を例に挙げて説明する。本発明は実施形態の内容に限定されない。
本実施形態に係る固体電解質は、以下説明する重合体と、以下説明する金属塩と、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの溶媒と、を含む。
本実施形態に係る固体電解質においては、上記の溶媒を用いることにより、耐酸化性を向上できる。この理由について、本発明者らは以下のように推察する。
ポリカーボネート系電解質は、キャスト法により作製できる。具体的には、ポリカーボネート系重合体、金属塩及び添加剤等を溶媒に溶解させた電解質調製液を作製し、この電解質調製液をフッ素樹脂製モールド等の上にキャストし、乾燥させることで、ポリカーボネート系電解質を作製できる。この際に僅かではあるが、ポリカーボネート系電解質の中に溶媒が残留する。そして、この残留溶媒により、耐酸化性の低下を招くことが分かった。例えば、固体電解質の調製用の溶媒として使用されるアセトニトリルは、4V付近でリチウムと反応し、分解することから、耐酸化性の低下を招く。
本実施形態に係る固体電解質においては、調製用の溶媒としてジメチルカーボネート等を用いている。そして、ジメチルカーボネート等は、固体電解質中に残留したとしても、耐酸化性の低下を招くことはない。そのため、本実施形態によれば、十分な耐酸化性を有する固体電解質が得られるものと本発明者らは推察する。
[Solid electrolyte]
The present invention will be described below by taking an embodiment as an example, but the present invention is not limited to the content of the embodiment.
The solid electrolyte according to this embodiment includes a polymer described below, a metal salt described below, and at least one solvent selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate.
In the solid electrolyte according to this embodiment, the use of the above-mentioned solvent can improve oxidation resistance. The inventors speculate that the reason for this is as follows.
Polycarbonate-based electrolytes can be prepared by a casting method. Specifically, an electrolyte preparation solution is prepared by dissolving a polycarbonate-based polymer, a metal salt, an additive, etc. in a solvent, and the electrolyte preparation solution is cast onto a fluororesin mold or the like and dried to produce a polycarbonate-based electrolyte. During this process, a small amount of solvent remains in the polycarbonate-based electrolyte. It has been found that this residual solvent reduces oxidation resistance. For example, acetonitrile, which is used as a solvent for preparing solid electrolytes, reacts with lithium and decomposes at around 4 V, resulting in reduced oxidation resistance.
In the solid electrolyte according to this embodiment, dimethyl carbonate or the like is used as a solvent for preparation. Even if dimethyl carbonate or the like remains in the solid electrolyte, it does not lead to a decrease in oxidation resistance. Therefore, the present inventors presume that according to this embodiment, a solid electrolyte having sufficient oxidation resistance can be obtained.
(重合体)
本実施形態に係る重合体は、下記一般式(1)で表される構成単位(以下カーボネート単位と称する場合がある)を含む。このような重合体であれば、ジメチルカーボネート等の溶媒に溶解させることができ、調製液を作製できる。
(polymer)
The polymer according to this embodiment contains a structural unit (hereinafter sometimes referred to as a carbonate unit) represented by the following general formula (1): Such a polymer can be dissolved in a solvent such as dimethyl carbonate to prepare a preparation solution.
一般式(1)において、mは2又は3であり、R1は、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基である。また、複数のR1は、互いに同一でも異なっていてもよい。
本実施形態において、合成の容易性及びイオン伝導度向上の観点から、mは2であることが好ましい。また、合成の容易性及びイオン伝導度向上の観点から、R1は水素原子であることが好ましい。具体的には、下記一般式(3)で表される構成単位であることが特に好ましい。
In general formula (1), m is 2 or 3, and each R 1 is independently a hydrogen atom or a methyl group. Multiple R 1s may be the same or different.
In this embodiment, from the viewpoint of ease of synthesis and improvement of ionic conductivity, m is preferably 2. Furthermore, from the viewpoint of ease of synthesis and improvement of ionic conductivity, R 1 is preferably a hydrogen atom. Specifically, a constitutional unit represented by the following general formula (3) is particularly preferred.
本実施形態に係る重合体は、さらに、下記一般式(2)で表される構成単位(以下エーテル単位と称する場合がある)を含んでもよい。 The polymer according to this embodiment may further contain a structural unit (hereinafter sometimes referred to as an ether unit) represented by the following general formula (2):
一般式(2)において、nは2又は3であり、R2は、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基である。また、複数のR2は、互いに同一でも異なっていてもよい。
本実施形態において、合成の容易性及びイオン伝導度向上の観点から、nは2であることが好ましい。また、合成の容易性及びイオン伝導度向上の観点から、R2は水素原子であることが好ましい。具体的には、下記一般式(4)で表される構成単位であることが特に好ましい。
In the general formula (2), n is 2 or 3, and each R2 is independently a hydrogen atom or a methyl group. The multiple R2s may be the same or different.
In this embodiment, from the viewpoint of ease of synthesis and improvement of ionic conductivity, n is preferably 2. Furthermore, from the viewpoint of ease of synthesis and improvement of ionic conductivity, R2 is preferably a hydrogen atom. Specifically, a constitutional unit represented by the following general formula (4) is particularly preferred.
本実施形態に係る重合体は、単独重合体であっても、共重合体であってもよい。また、共重合体は、ランダム共重合体であっても、ブロック共重合体であってもよいが、合成の容易性の観点から、ランダム共重合体であることが好ましい。
共重合体は、カーボネート単位及びエーテル単位の両方を含む共重合体であることが好ましいが、他の構成繰返し単位を含む共重合体であってもよい。
The polymer according to the present embodiment may be a homopolymer or a copolymer. The copolymer may be a random copolymer or a block copolymer, but is preferably a random copolymer from the viewpoint of ease of synthesis.
The copolymer is preferably a copolymer containing both carbonate units and ether units, but may also be a copolymer containing other structural repeating units.
本実施形態に係る重合体が共重合体である場合、一般式(1)で表される構成単位の比率は、ジメチルカーボネート等の溶媒への溶解性の観点から、共重合体の全ての構成単位に対して、50モル%以上であることが好ましい。 When the polymer of this embodiment is a copolymer, it is preferable that the ratio of the structural units represented by general formula (1) is 50 mol% or more relative to all structural units of the copolymer, from the viewpoint of solubility in solvents such as dimethyl carbonate.
また、この共重合体中における、一般式(1)で表される構成単位のモル数をx(mol)とし、一般式(2)で表される構成単位のモル数をy(mol)とした場合に、下記数式(F1)で示される条件を満たすことが好ましい。
0.5≦[x/(x+y)]≦0.99 ・・・(F1)
[x/(x+y)]の値が、前記下限以上であれば、共重合体中のエーテル単位がカチオンと強固な溶媒和構造を形成することを抑制でき、固体電解質のカチオン輸率を向上できる。また、カーボネート単位を有する重合体特有のバックバイティングとよばれる分解反応(解重合により環状カーボネートを生成)を抑制でき、共重合体の耐熱性を向上できる。一方で、[x/(x+y)]の値が、前記上限以下であれば、共重合体のガラス転移温度を低くすることができ、固体電解質のイオン伝導度を向上できる。
また、[x/(x+y)]の値は、上記の観点から、0.5以上0.97以下であることがより好ましく、0.5以上0.95以下であることがさらにより好ましく、0.5以上0.9以下であることが特に好ましい。
なお、[x/(x+y)]は、共重合体中におけるカーボネート単位のモル比を示している。
Furthermore, when the number of moles of the structural unit represented by general formula (1) in this copolymer is x (mol) and the number of moles of the structural unit represented by general formula (2) is y (mol), it is preferable that the copolymer satisfy the condition represented by the following mathematical formula (F1):
0.5≦[x/(x+y)]≦0.99...(F1)
When the value of [x/(x+y)] is equal to or greater than the lower limit, the ether units in the copolymer can be prevented from forming a strong solvation structure with cations, thereby improving the cation transference number of the solid electrolyte. Furthermore, the decomposition reaction known as backbiting (the formation of cyclic carbonates by depolymerization), which is specific to polymers containing carbonate units, can be suppressed, improving the heat resistance of the copolymer. On the other hand, when the value of [x/(x+y)] is equal to or less than the upper limit, the glass transition temperature of the copolymer can be lowered, improving the ionic conductivity of the solid electrolyte.
From the above viewpoint, the value of [x/(x+y)] is more preferably 0.5 or more and 0.97 or less, even more preferably 0.5 or more and 0.95 or less, and particularly preferably 0.5 or more and 0.9 or less.
Here, [x/(x+y)] represents the molar ratio of carbonate units in the copolymer.
本実施形態に係る重合体の分子量は、重量平均分子量(Mw)で表す場合、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法により測定した標準ポリスチレン換算で、5,000以上5,000,000以下であることが好ましく、10,000以上1,000,000以下であることがより好ましい。
また、数平均分子量(Mn)で表す場合、3,000以上3,000,000以下であることが好ましく、5,000以上500,000以下であることがより好ましい。
また、重量平均分子量(Mw)の数平均分子量(Mn)に対する比(Mw/Mn)は、1以上10以下であることが好ましく、1.1以上5以下であることがより好ましい。
The molecular weight of the polymer according to this embodiment, when expressed as a weight average molecular weight (Mw), is preferably 5,000 or more and 5,000,000 or less, and more preferably 10,000 or more and 1,000,000 or less, in terms of standard polystyrene, measured by gel permeation chromatography (GPC).
Furthermore, when expressed as a number average molecular weight (Mn), it is preferably 3,000 or more and 3,000,000 or less, and more preferably 5,000 or more and 500,000 or less.
The ratio (Mw/Mn) of the weight average molecular weight (Mw) to the number average molecular weight (Mn) is preferably 1 or more and 10 or less, and more preferably 1.1 or more and 5 or less.
固体電解質中の重合体の含有量は、固体電解質100質量%に対して、5質量%以上99質量%以下であることが好ましく、10質量%以上95質量%以下であることがより好ましい。 The polymer content in the solid electrolyte is preferably 5% by mass or more and 99% by mass or less, and more preferably 10% by mass or more and 95% by mass or less, relative to 100% by mass of the solid electrolyte.
本実施形態に係る重合体として、カーボネート単位及びエーテル単位の両方を含む共重合体を用いる場合、この共重合体は、次のような方法で作製できる。
例えば、後述の実施例に記載のように、重合触媒の存在下、エポキシドモノマー(例えば、エチレンオキシド等)と、二酸化炭素とを、共重合させることにより、製造することができる。具体的には、エチレンオキシドは開環することにより、一般式(4)で表される構成単位となるが、エチレンオキシドの一部が、開環しながら二酸化炭素と重合することにより、一般式(3)で表される構成単位となる。
When a copolymer containing both carbonate units and ether units is used as the polymer according to this embodiment, the copolymer can be prepared by the following method.
For example, as described in the Examples below, it can be produced by copolymerizing an epoxide monomer (e.g., ethylene oxide) with carbon dioxide in the presence of a polymerization catalyst. Specifically, ethylene oxide undergoes ring-opening to form a structural unit represented by general formula (4), and a portion of the ethylene oxide polymerizes with carbon dioxide while undergoing ring-opening to form a structural unit represented by general formula (3).
共重合体を製造する際に使用する重合触媒としては、特に限定されず、金属サレン錯体触媒(例えば、コバルトサレン錯体触媒等)及び有機亜鉛系触媒等が例示できる。 The polymerization catalyst used in producing the copolymer is not particularly limited, and examples include metal salen complex catalysts (e.g., cobalt salen complex catalysts, etc.) and organozinc catalysts.
エポキシドモノマーと二酸化炭素との共重合反応に使用する重合触媒の使用量は、例えば、金属サレン錯体触媒の場合には、エポキシドモノマー1molに対して、0.05mol以下であることが好ましく、0.01mol以下であることがより好ましく、0.001mol以下であることが特に好ましい。また、例えば、有機亜鉛系触媒の場合には、エポキシドモノマー1molに対して、0.2mol以下であることが好ましく、0.1mol以下であることがより好ましく、0.05mol以下であることが特に好ましい。
さらに、金属サレン錯体触媒を使用する場合には助触媒を使用することができる。助触媒としては、例えばオニウム塩化合物が好ましい。前記オニウム塩化合物の具体例として、特に限定されないが、高い反応活性を有する観点から、ビス(トリフェニルホスホラニリデン)アンモニウムクロリド(PPNCl)、ピペリジン、ビス(トリフェニルホスホラニリデン)アンモニウムフルオリド(PPNF)、アンモニウムペンタフルオロベンゾエート(PPNOBzF5)、及びテトラ-n-ブチルアンモニウムクロリド(nBu4NCl)等が好ましい。
The amount of the polymerization catalyst used in the copolymerization reaction of an epoxide monomer with carbon dioxide is, for example, in the case of a metal-salen complex catalyst, preferably 0.05 mol or less, more preferably 0.01 mol or less, and particularly preferably 0.001 mol or less, relative to 1 mol of the epoxide monomer. Also, for example, in the case of an organozinc catalyst, the amount is preferably 0.2 mol or less, more preferably 0.1 mol or less, and particularly preferably 0.05 mol or less, relative to 1 mol of the epoxide monomer.
Furthermore, when a metal-salen complex catalyst is used, a co-catalyst can be used. As the co-catalyst, for example, an onium salt compound is preferable. Specific examples of the onium salt compound are not particularly limited, but from the viewpoint of high reaction activity, bis(triphenylphosphoranylidene)ammonium chloride (PPNCl), piperidine, bis(triphenylphosphoranylidene)ammonium fluoride (PPNF), ammonium pentafluorobenzoate (PPNOBzF 5 ), tetra-n-butylammonium chloride (nBu 4 NCl), and the like are preferable.
なお、重合条件は、触媒の種類によっても最適条件が異なるが、例えば、反応容器内の二酸化炭素の圧力は、0.1MPa以上10MPa以下、好ましくは、0.5MPa以上7.0MPa以下である。
また、重合温度は、例えば、コバルトサレン錯体触媒の場合には、触媒作用が良好に働き、反応速度が促進されるという観点から、室温(25℃)程度が好ましい。また、例えば、有機亜鉛系触媒の場合には、40℃以上100℃以下、好ましくは、60℃以上80℃以下程度である。
The optimum polymerization conditions vary depending on the type of catalyst, but for example, the pressure of carbon dioxide in the reaction vessel is 0.1 MPa or more and 10 MPa or less, preferably 0.5 MPa or more and 7.0 MPa or less.
The polymerization temperature is preferably about room temperature (25°C) in the case of a cobalt salen complex catalyst, for example, from the viewpoint of favorable catalytic activity and accelerated reaction rate, and is preferably about 40°C or higher and 100°C or lower, preferably about 60°C or higher and 80°C or lower, in the case of an organozinc catalyst, for example.
エポキシドモノマーと二酸化炭素とを共重合させる方法において、出発原料として用いられるエポキシドモノマーとしては、例えば、エチレンオキシド及びプロピレンオキシド等が挙げられる。 In the method of copolymerizing epoxide monomers with carbon dioxide, examples of epoxide monomers used as starting materials include ethylene oxide and propylene oxide.
(金属塩)
本実施形態に係る金属塩は、特に限定されないが、例えば、アルカリ金属塩のうちの少なくとも1種を用いることができる。アルカリ金属塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、及びカリウム塩等が挙げられる。
(metal salts)
The metal salt according to the present embodiment is not particularly limited, but may be, for example, at least one alkali metal salt, such as a lithium salt, a sodium salt, or a potassium salt.
本実施形態において、金属塩は、リチウム塩であることがより好ましい。固体電解質中で金属塩は、アルカリ金属等の陽イオン及び当該陽イオンの対イオンとして存在し得る。金属塩がリチウム塩であれば、エネルギー密度がより高くなる。
リチウム塩としては、LiClO4、LiBF4、LiI、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3COO、LiNO3、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、LiCl、LiBr、LiB(C2H5)4、LiCH3SO3、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)N、及びLi(FSO2)2N等が挙げられる。これらの中でも、イオン伝導性の観点から、Li(CF3SO2)2N(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド:LiTFSI)及びLi(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド:LiFSI)の少なくとも一種を含むことがより好ましい。複数種類の金属塩が固体電解質に含まれていてもよい。
In this embodiment, the metal salt is preferably a lithium salt. In the solid electrolyte, the metal salt may exist as a cation such as an alkali metal and a counter ion of the cation. If the metal salt is a lithium salt, the energy density will be higher.
Examples of lithium salts include LiClO4, LiBF4 , LiI , LiPF6, LiCF3SO3 , LiCF3COO , LiNO3 , LiAsF6 , LiSbF6 , LiAlCl4 , LiCl , LiBr, LiB ( C2H5 ) 4 , LiCH3SO3 , LiC4F9SO3 , Li( CF3SO2 ) 2N , Li ( C2F5SO2 ) N , and Li( FSO2 ) 2N . Among these, from the viewpoint of ionic conductivity, it is more preferable to contain at least one of Li( CF3SO2 ) 2N (lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide: LiTFSI) and Li( FSO2 ) 2N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide: LiFSI). Multiple types of metal salts may be contained in the solid electrolyte.
本実施形態に係る固体電解質においては、重合体中における、一般式(1)で表される構成単位のモル数をx(mol)とし、一般式(2)で表される構成単位のモル数をy(mol)とし、金属塩中における金属のモル数をz(mol)とした場合に、下記数式(F2)で示される条件を満たすことが好ましい。
0.01≦[z/(x+y)]≦2 ・・・(F2)
また、[z/(x+y)]の値は、イオン伝導度を向上させるという観点から、0.05以上1.8以下であることがより好ましく、0.1以上1.6以下であることがさらにより好ましい。なお、[z/(x+y)]の値が前記下限以上であれば、イオン伝導度を十分に発現させることができる。他方、[z/(x+y)]の値が前記上限以下であれば、塩を十分に溶解できるため、塩の析出を抑制できることによるイオン伝導度の低下を抑制でき、また、ポリマーの割合を低下し過ぎることがないため、固体電解質が固体の形状を保つことができる。
なお、[z/(x+y)]は、固体電解質中のカーボネート単位及びエーテル単位の合計に対する金属(金属塩に由来する金属のことであり、金属塩から解離した金属イオンの他、金属塩から解離していない金属をも含む概念とする)のモル比を示している。また、[z/(x+y)]×100(単位:モル%)を、場合により固体電解質の塩濃度(Salt Concentration)ともいう。
In the solid electrolyte according to this embodiment, when the number of moles of the constitutional unit represented by general formula (1) in the polymer is x (mol), the number of moles of the constitutional unit represented by general formula (2) is y (mol), and the number of moles of the metal in the metal salt is z (mol), it is preferable that the condition represented by the following formula (F2) is satisfied:
0.01≦[z/(x+y)]≦2...(F2)
From the viewpoint of improving ionic conductivity, the value of [z/(x+y)] is more preferably 0.05 or more and 1.8 or less, and even more preferably 0.1 or more and 1.6 or less. When the value of [z/(x+y)] is equal to or greater than the lower limit, ionic conductivity can be sufficiently exhibited. On the other hand, when the value of [z/(x+y)] is equal to or less than the upper limit, salt can be sufficiently dissolved, suppressing salt precipitation and thereby suppressing a decrease in ionic conductivity. Furthermore, since the proportion of polymer is not excessively reduced, the solid electrolyte can maintain its solid form.
Here, [z/(x+y)] represents the molar ratio of metal (meaning a metal derived from a metal salt, and including not only metal ions dissociated from the metal salt but also metal not dissociated from the metal salt) to the total of carbonate units and ether units in the solid electrolyte. [z/(x+y)]×100 (unit: mol%) is sometimes also referred to as the salt concentration of the solid electrolyte.
(溶媒)
本実施形態に係る溶媒は、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つである。この溶媒は、本実施形態に係る重合体を溶解させることができ、固体電解質を作製するための電解質調製液に必要なものである。そして、固体電解質を作製した後に、僅かではあるが、固体電解質の中に溶媒が残留する。しかし、これらの溶媒であれば、固体電解質中に残留したとしても、耐酸化性の低下を招くことはない。
また、電解質調製液には、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネート以外の溶媒を用いないことが好ましい。ただし、本発明の目的を損なわない限りにおいては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネート以外の溶媒を用いてもよい。
(solvent)
The solvent according to the present embodiment is at least one selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. This solvent is capable of dissolving the polymer according to the present embodiment and is necessary for the electrolyte preparation solution for preparing the solid electrolyte. After the solid electrolyte is prepared, a small amount of the solvent remains in the solid electrolyte. However, even if the solvent remains in the solid electrolyte, it does not result in a decrease in oxidation resistance.
It is preferable that the electrolyte preparation solution does not contain any solvent other than dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, although solvents other than dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate may be used as long as they do not impair the object of the present invention.
固体電解質中のジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つからなる溶媒の溶媒量は、5質量%以下であることが好ましく、0質量%超3質量%以下であることがより好ましい。これらの溶媒量が前記範囲内のものであれば、キャスト法により作製できる。The amount of at least one solvent selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate in the solid electrolyte is preferably 5% by mass or less, and more preferably greater than 0% by mass and less than 3% by mass. If the amount of this solvent is within the above range, the solid electrolyte can be produced by a casting method.
本実施形態に係る固体電解質は、本発明の目的を損なわない限りにおいて、本実施形態に係る重合体、金属塩及び溶媒以外の成分を含んでいてもよい。 The solid electrolyte of this embodiment may contain components other than the polymer, metal salt, and solvent of this embodiment, as long as the objective of the present invention is not impaired.
例えば、本実施形態に係る固体電解質は、ポリエチレンオキシド樹脂(PEO系)、ポリアクリロニトリル樹脂(アクリロニトリル系)、ポリフッ化ビニリデン樹脂(フッ素系)、ポリメチルメタクリレート樹脂(アクリル系)、及び脂肪族ポリカーボネート樹脂等、電解質に用いられる樹脂として公知の樹脂を含んでいてもよい。 For example, the solid electrolyte of this embodiment may contain resins known to be used in electrolytes, such as polyethylene oxide resin (PEO-based), polyacrylonitrile resin (acrylonitrile-based), polyvinylidene fluoride resin (fluorine-based), polymethyl methacrylate resin (acrylic-based), and aliphatic polycarbonate resin.
また、例えば、本実施形態に係る固体電解質は、フィラー又はその他添加剤を含んでいてもよい。
フィラーとしては、例えば、タルク、カオリン、クレー、珪酸カルシウム、アルミナ、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化アンチモン、酸化インジウム、酸化スズ、酸化チタン、酸化鉄、酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、シリカ、炭酸カルシウム、チタン酸カリウム、チタン酸バリウム、マイカ、モンモリロナイト、及びガラス繊維等が挙げられる。これらの中でも、アルミナ、ジルコニア、酸化マグネシウム、及びチタン酸バリウムのうち少なくとも一種を含むことが好ましい。
Furthermore, for example, the solid electrolyte according to this embodiment may contain a filler or other additives.
Examples of fillers include talc, kaolin, clay, calcium silicate, alumina, zirconia, zinc oxide, antimony oxide, indium oxide, tin oxide, titanium oxide, iron oxide, magnesium oxide, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, silica, calcium carbonate, potassium titanate, barium titanate, mica, montmorillonite, and glass fiber. Among these, it is preferable to include at least one of alumina, zirconia, magnesium oxide, and barium titanate.
本実施形態に係る固体電解質を製造する方法は、特に限定されないが、例えば、モノマーを重合させて共重合体を得てから金属塩を含有させてもよいし、金属塩の存在下でモノマーを重合させて共重合体を形成させてもよい。前者の方法の場合、例えば、本実施形態に係る重合体に、金属塩及び溶媒を加えて溶解させ、溶媒を除去することで固体電解質を得ることができる。 The method for producing the solid electrolyte according to this embodiment is not particularly limited. For example, a monomer may be polymerized to obtain a copolymer and then a metal salt may be added, or a monomer may be polymerized in the presence of a metal salt to form a copolymer. In the former method, for example, a metal salt and a solvent may be added to the polymer according to this embodiment to dissolve it, and the solvent may then be removed to obtain a solid electrolyte.
本実施形態に係る固体電解質の形態又は構成等は、特に限定されない。例えば、膜状の固体電解質膜であってもよい。固体電解質膜は、自立性を有することが好ましい。自立性を有する固体電解質膜は、取り扱い性に優れる。自立性を有する膜とは、固体電解質膜を支持体から形状を保ったまま剥がすことができ、取り扱うことのできる膜である。
固体電解質膜は、次のようにして製造することができる。例えば、本実施形態に係る重合体、金属塩、及び溶媒を含む電解質調製液を作製し、この電解質調製液を支持体の表面にキャストして塗膜を形成し、塗膜中の溶媒を除去することにより、膜状の固体電解質膜を得ることができる。このとき、支持体から固体電解質膜を剥離する必要がある場合には、支持体の表面に剥離処理が施されていることが好ましい。
The form or configuration of the solid electrolyte according to this embodiment is not particularly limited. For example, it may be a membrane-shaped solid electrolyte membrane. The solid electrolyte membrane is preferably self-supporting. A self-supporting solid electrolyte membrane is easy to handle. A self-supporting membrane is a membrane that can be peeled off from a support while maintaining its shape and can be handled.
The solid electrolyte membrane can be produced as follows. For example, an electrolyte preparation solution containing the polymer according to this embodiment, a metal salt, and a solvent is prepared, and the electrolyte preparation solution is cast on the surface of a support to form a coating film. The solvent in the coating film is then removed, thereby obtaining a solid electrolyte membrane in a membrane form. In this case, if it is necessary to peel the solid electrolyte membrane from the support, it is preferable that the surface of the support has been subjected to a peeling treatment.
[電池]
本実施形態に係る電池は、本実施形態に係る固体電解質を含む。本実施形態において、電池の電解質層の構成材料として本実施形態に係る固体電解質を含むことが好ましい。電池は、陽極と、陰極と、陽極及び陰極の間に配置される電解質層とで構成される。このような構成とすることで、特性に優れた電池を得ることができる。また、電池としては、二次電池であることが好ましく、リチウムイオン二次電池であることがより好ましい。
なお、前述の重合体、金属塩、及び溶媒を含有する電解質調製液を電極上にキャストし、溶媒を除去することで、固体電解質膜を電極上に直接形成してもよい。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池が備える各種部材は、特に限定されないが、例えば電池に一般的に使用される材料を用いることができる。
そして、本実施形態に係る固体電解質は、実質的に溶媒を含んでいなくとも、イオン伝導性を有する。そのため、本実施形態に係る電池を、本実施形態に係る固体電解質を含み、かつ溶媒を実質的に含まない電池とすれば、液漏れがなく安全に使用することができる。
[battery]
The battery according to this embodiment includes the solid electrolyte according to this embodiment. In this embodiment, it is preferable that the solid electrolyte according to this embodiment is included as a constituent material of the electrolyte layer of the battery. The battery is composed of an anode, a cathode, and an electrolyte layer disposed between the anode and the cathode. With this configuration, a battery with excellent characteristics can be obtained. Furthermore, the battery is preferably a secondary battery, and more preferably a lithium ion secondary battery.
The solid electrolyte membrane may be formed directly on the electrode by casting an electrolyte preparation solution containing the polymer, metal salt, and solvent onto the electrode and removing the solvent. The various components included in the lithium ion secondary battery according to the present embodiment are not particularly limited, and may be, for example, materials generally used in batteries.
The solid electrolyte according to this embodiment has ionic conductivity even if it does not substantially contain a solvent, and therefore, if the battery according to this embodiment contains the solid electrolyte according to this embodiment and is substantially free of a solvent, it can be used safely without leakage.
なお、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, etc. that achieve the objectives of the present invention are included in the present invention.
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されない。なお、以下の実施例及び比較例における測定又は評価は、以下に示す方法により行った。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples. Measurements and evaluations in the following examples and comparative examples were performed using the methods described below.
[NMR測定]
試料の重合体は、核磁気共鳴分光法(1H-NMR,日本電子株式会社製JEOL EX-400)を用い、その構造を確認した。溶媒には、d-クロロホルム(CDCl3、0.03質量%TMS)を用いた。
[電圧安定性評価]
線形走査電圧電流法(LSV:Linear sweep voltammetry)を利用して、固体電解質の電圧安定性(酸化開始電位)を評価した。測定には、BioLogic社VMP3を利用した。試料の固体電解質膜の一方の面は、リチウムメタル電極を接触させ、他方の面はSUS基板を接触させて、コインセルを製作し、次の条件で測定した。
電圧範囲:3~6V
走査速度:1mV/s
温度:25℃
[NMR measurement]
The structure of the sample polymer was confirmed using nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H-NMR, JEOL EX-400 manufactured by JEOL Ltd.) The solvent used was d-chloroform (CDCl 3 , 0.03% by mass TMS).
[Voltage stability evaluation]
The voltage stability (oxidation onset potential) of the solid electrolyte was evaluated using linear sweep voltammetry (LSV). A BioLogic VMP3 was used for the measurement. A coin cell was fabricated by contacting one side of the solid electrolyte film of the sample with a lithium metal electrode and the other side with a SUS substrate, and measurements were performed under the following conditions.
Voltage range: 3 to 6 V
Scanning speed: 1 mV/s
Temperature: 25℃
[調製例1]
(重合触媒の合成)
(R,R)-N,N’-ビス(3,5-ジ-tert-ブチルサリチリデン)-1,2-ジアミノシクロヘキサンコバルト(II)(「(R,R)-salcyCoII」、シグマアルドリッチ社製)と、ペンタフルオロ安息香酸(東京化成工業社製)とをモル比で1:1.1になるように秤量し、フラスコに入れ、そこに脱水トルエンを加えた。フラスコをアルミホイルで遮光し、室温で20時間反応させた。反応終了後、減圧下で溶媒を除去し、過剰量のヘキサンで数回洗浄した。その後、室温で真空乾燥を行い、コバルトサレン錯体を得た。
[Preparation Example 1]
(Synthesis of Polymerization Catalyst)
(R,R)-N,N'-bis(3,5-di-tert-butylsalicylidene)-1,2-diaminocyclohexanecobalt(II) ("(R,R)-salcyCo II ", manufactured by Sigma-Aldrich) and pentafluorobenzoic acid (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were weighed out to a molar ratio of 1:1.1 and placed in a flask, to which was added dehydrated toluene. The flask was shielded from light with aluminum foil, and the reaction was carried out at room temperature for 20 hours. After completion of the reaction, the solvent was removed under reduced pressure, and the mixture was washed several times with an excess amount of hexane. This was then vacuum dried at room temperature to obtain a cobalt salen complex.
(共重合体Aの重合)
エポキシドモノマーとして、エチレンオキシドを用い、得られたコバルトサレン錯体(重合触媒)と助触媒としてビス(トリフェニルホスホラニリデン)アンモニウムクロリド(PPNCl)を、モル比で、モノマー:触媒:助触媒=2000:1:1になるよう秤量し、圧力容器内で撹拌した。これらの作業はすべて、圧力容器内をアルゴン雰囲気下に置換して行った。続いて、圧力容器内をCO2でパージした後、送液ポンプによりCO2を圧力容器内に導入し、圧力容器内の圧力を2.0MPaにし、25℃で20時間、重合反応を行った。
(Polymerization of Copolymer A)
Ethylene oxide was used as the epoxide monomer, and the resulting cobalt salen complex (polymerization catalyst) and bis(triphenylphosphoranylidene)ammonium chloride (PPNCl) as the cocatalyst were weighed out in a molar ratio of monomer:catalyst:cocatalyst = 2000:1:1 and stirred in a pressure vessel. All of these operations were carried out under an argon atmosphere inside the pressure vessel. Next, the pressure vessel was purged with CO2 , and then CO2 was introduced into the pressure vessel using a liquid pump. The pressure inside the pressure vessel was set to 2.0 MPa, and the polymerization reaction was carried out at 25°C for 20 hours.
反応終了後、圧力容器の内容物にクロロホルムを加えてクロロホルム溶液を調製し、4M塩酸を加え数回洗浄を行った。次に、有機層をロータリーエバポレーターを用いて濃縮した後、濃縮後の溶液を撹拌しているメタノール中に滴下し、生成物を沈殿させた。
その後、生成物は、デシケーター中でダイアフラムポンプを用いて減圧乾燥を行い、次いで、60℃で真空乾燥を行って、共重合体Aを得た。
得られた共重合体Aの構造は、1H-NMRにて確認した。具体的には、得られた共重合体Aの1H-NMR測定の他に、市販のポリカーボネート(商品名「QPAC-25」、EMPOWER MATERIALS社製)の1H-NMR測定と、市販のポリエチレンオキシド(シグマアルドリッチ社製)の1H-NMR測定とを行った。そして、これらの測定結果に基づいて、カーボネート単位とエーテル単位との比を、それぞれに対応するメチレン水素の積分比から見積もった。共重合体A中におけるカーボネート単位のモル比率([x/(x+y)]×100)は、70モル%であった。
After the reaction was completed, chloroform was added to the contents of the pressure vessel to prepare a chloroform solution, which was then washed several times with 4 M hydrochloric acid. The organic layer was then concentrated using a rotary evaporator, and the concentrated solution was added dropwise to stirring methanol to precipitate the product.
Thereafter, the product was dried under reduced pressure in a desiccator using a diaphragm pump, and then vacuum dried at 60° C. to obtain copolymer A.
The structure of the obtained copolymer A was confirmed by 1 H-NMR. Specifically, in addition to 1 H-NMR measurement of the obtained copolymer A, 1 H-NMR measurement of a commercially available polycarbonate (trade name "QPAC-25", manufactured by EMPOWER MATERIALS) and 1 H-NMR measurement of a commercially available polyethylene oxide (manufactured by Sigma -Aldrich) were also performed. Based on the results of these measurements, the ratio of carbonate units to ether units was estimated from the integral ratio of the corresponding methylene hydrogens. The molar ratio of carbonate units in copolymer A ([x/(x+y)]×100) was 70 mol%.
[調製例2]
(重合触媒の合成)
ヘキサシアノコバルト(III)酸カリウム(K3[Co(CN)6]、和光純薬工業社製)1.33gを20mLの脱イオン水に溶解し、激しく撹拌した50℃のZnCl2溶液(ZnCl2 11.42gを60mLの脱イオン水と30mLのt-ブチルアルコールの混合溶液中溶解したもの)に45分かけて滴下し、その後混合物を激しく60分間撹拌した。得られた白色懸濁液を5,000rpmで遠心分離し、白色固体を単離した。単離した白色固体をt-ブチルアルコール及び脱イオン水の溶液中(体積比で、t-ブチルアルコール:脱イオン水=5:5)で激しく30分間撹拌しながら再懸濁した。その後、徐々に水に対して、t-ブチルアルコール量を増加させることによって(体積比で、t-ブチルアルコール:脱イオン水を、6:4から7:3、8:2、9:1と変化させる)、遠心分離による単離及び再懸濁を数回繰り返した。最後に、白色固体をt-ブチルアルコール中に再懸濁した後に、遠心分離によって単離した。その後、一定の重量になるまで50℃、真空下で乾燥させることによってDMC触媒Zn3(Co[CN]6)2を得た。
[Preparation Example 2]
(Synthesis of Polymerization Catalyst)
1.33 g of potassium hexacyanocobaltate(III) ( K3 [Co(CN) 6 ], manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in 20 mL of deionized water and added dropwise over 45 minutes to a vigorously stirred ZnCl2 solution (11.42 g of ZnCl2 dissolved in a mixed solution of 60 mL of deionized water and 30 mL of t-butyl alcohol) at 50°C. The mixture was then vigorously stirred for 60 minutes. The resulting white suspension was centrifuged at 5,000 rpm to isolate a white solid. The isolated white solid was resuspended in a solution of t-butyl alcohol and deionized water (volume ratio of t-butyl alcohol:deionized water = 5:5) with vigorous stirring for 30 minutes. The white solid was then isolated by centrifugation and resuspended several times by gradually increasing the amount of t-butyl alcohol relative to water (varying the volume ratio of t-butyl alcohol to deionized water from 6:4 to 7:3, 8:2, and 9:1). Finally, the white solid was resuspended in t-butyl alcohol and then isolated by centrifugation. The solid was then dried under vacuum at 50°C until a constant weight was obtained, yielding the DMC catalyst Zn3 (Co[CN] 6 ) 2 .
(共重合体Bの重合)
触媒に得られたDMC触媒を用い、モノマー5mLに対して、5mgのDMC触媒量となるよう秤量した。また、圧力容器内の圧力を1.0MPaにし、温度を40℃とした以外は調製例1と同様にして、共重合体Bを得た。得られた共重合体B中におけるカーボネート単位のモル比率[x/(x+y)×100]は、58モル%であった。
(Polymerization of Copolymer B)
The obtained DMC catalyst was used as a catalyst, and 5 mg of DMC catalyst was weighed out per 5 mL of monomer. In addition, the pressure in the pressure vessel was set to 1.0 MPa, and the temperature was set to 40 ° C., except that the copolymer B was obtained in the same manner as in Preparation Example 1. The molar ratio of carbonate units in the obtained copolymer B [x / (x + y) × 100] was 58 mol%.
[調製例3]
(共重合体Cの重合)
触媒に調製例2で得られたDMC触媒を用い、モノマー5mLに対して、5mgのDMC触媒量となるよう秤量した。また、圧力容器内の圧力を3.9MPaにし、温度を59℃とした以外は調製例1と同様にして、共重合体Cを得た。得られた共重合体C中におけるカーボネート単位のモル比率[x/(x+y)×100]は、50モル%であった。
[Preparation Example 3]
(Polymerization of Copolymer C)
The DMC catalyst obtained in Preparation Example 2 was used as the catalyst, and 5 mg of DMC catalyst was weighed out per 5 mL of monomer. Copolymer C was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that the pressure in the pressure vessel was set to 3.9 MPa and the temperature was set to 59 ° C. The molar ratio of carbonate units in the obtained copolymer C [x / (x + y) × 100] was 50 mol%.
[実施例1]
重合体としてポリカーボネート(PEC、商品名「QPAC-25」、EMPOWERMATERIALS社製)と、固体電解質中の塩濃度([z/(x+y)]×100)が120モル%になるように秤量したLiFSIを、溶媒(ジメチルカーボネート(DMC))に溶解して、よく撹拌し、電解質調製液を得た。その後、フッ素樹脂製モールド上に電解質調製液をキャストし、乾燥窒素雰囲気下、60℃で6時間乾燥させ、さらに減圧下、60℃で24時間乾燥させて揮発性残留物を除去し、固体電解質膜を得た。なお、固体電解質膜中のジメチルカーボネートの量は、1.5質量%であった。
[Example 1]
Polycarbonate (PEC, trade name "QPAC-25", manufactured by EMPOWERMATERIALS) as a polymer and LiFSI weighed out so that the salt concentration ([z/(x+y)] × 100) in the solid electrolyte was 120 mol % were dissolved in a solvent (dimethyl carbonate (DMC)) and thoroughly stirred to obtain an electrolyte preparation solution. The electrolyte preparation solution was then cast onto a fluororesin mold, dried at 60°C for 6 hours under a dry nitrogen atmosphere, and further dried at 60°C for 24 hours under reduced pressure to remove volatile residues, yielding a solid electrolyte membrane. The amount of dimethyl carbonate in the solid electrolyte membrane was 1.5% by mass.
[比較例1]
溶媒としてアセトニトリル(AN)を用いた以外は、実施例1と同様にして、固体電解質膜を得た。なお、固体電解質膜中のアセトニトリルの量は、0.9質量%であった。
[Comparative Example 1]
Except for using acetonitrile (AN) as the solvent, a solid electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1. The amount of acetonitrile in the solid electrolyte membrane was 0.9 mass %.
[実施例2]
重合体として調製例1で得られた共重合体Aを用い、固体電解質中の塩濃度を100モル%とした以外は、実施例1と同様にして、固体電解質膜を得た。なお、固体電解質膜中のジメチルカーボネートの量は、1.5質量%であった。
[Example 2]
A solid electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1, except that the copolymer A obtained in Preparation Example 1 was used as the polymer and the salt concentration in the solid electrolyte was 100 mol %. The amount of dimethyl carbonate in the solid electrolyte membrane was 1.5 mass %.
[比較例2]
溶媒としてアセトニトリル(AN)を用いた以外は、実施例2と同様にして、固体電解質膜を得た。なお、固体電解質膜中のアセトニトリルの量は、1.3質量%であった。
[Comparative Example 2]
Except for using acetonitrile (AN) as the solvent, a solid electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 2. The amount of acetonitrile in the solid electrolyte membrane was 1.3 mass %.
[実施例3]
重合体として調製例2で得られた共重合体Bを用いた以外は、実施例1と同様にして、固体電解質膜を得た。なお、固体電解質膜中のジメチルカーボネートの量は、1.5質量%であった。
[Example 3]
A solid electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1, except that the copolymer B obtained in Preparation Example 2 was used as the polymer. The amount of dimethyl carbonate in the solid electrolyte membrane was 1.5 mass %.
[比較例3]
溶媒としてアセトニトリル(AN)を用いた以外は、実施例3と同様にして、固体電解質膜を得た。なお、固体電解質膜中のアセトニトリルの量は、1.1質量%であった。
[Comparative Example 3]
Aside from using acetonitrile (AN) as the solvent, a solid electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 3. The amount of acetonitrile in the solid electrolyte membrane was 1.1 mass %.
[実施例4]
重合体として調製例3で得られた共重合体Cを用い、固体電解質中の塩濃度を100モル%とした以外は、実施例1と同様にして、固体電解質膜を得た。なお、固体電解質膜中のジメチルカーボネートの量は、1.3質量%であった。
[Example 4]
A solid electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1, except that Copolymer C obtained in Preparation Example 3 was used as the polymer and the salt concentration in the solid electrolyte was 100 mol %. The amount of dimethyl carbonate in the solid electrolyte membrane was 1.3 mass %.
[比較例4]
溶媒としてアセトニトリル(AN)を用いた以外は、実施例4と同様にして、固体電解質膜を得た。なお、固体電解質膜中のアセトニトリルの量は、1.0質量%であった。
[Comparative Example 4]
A solid electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 4, except that acetonitrile (AN) was used as the solvent. The amount of acetonitrile in the solid electrolyte membrane was 1.0 mass %.
[比較例5]
重合体としてポリエチレンオキシド(PEO、シグマアルドリッチ社製)と、固体電解質中の塩濃度([z/(x+y)]×100)が120モル%になるように秤量したLiFSIを、溶媒(ジメチルカーボネート(DMC))に混ぜ、よく撹拌し、電解質調製液を得た。しかし、ポリエチレンオキシドが不溶であり、固体電解質膜が作製できなかった。
[Comparative Example 5]
Polyethylene oxide (PEO, manufactured by Sigma-Aldrich) was used as a polymer, and LiFSI was weighed so that the salt concentration in the solid electrolyte ([z/(x+y)] × 100) was 120 mol %. The mixture was mixed with a solvent (dimethyl carbonate (DMC)) and stirred thoroughly to obtain an electrolyte preparation solution. However, the polyethylene oxide was insoluble, and a solid electrolyte membrane could not be produced.
[固体電解質の評価]
実施例1~4及び比較例1~4で得られた固体電解質膜の電圧安定性を評価した。得られた結果を表1に示す。なお、比較例5では、固体電解質膜を作製できなかったので、電圧安定性を評価していない。また、実施例1~4及び比較例1~5における重合体の種類、カーボネート単位のモル比率、塩濃度、及び溶媒の種類を表1に示す。
[Evaluation of solid electrolyte]
The voltage stability of the solid electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 was evaluated. The results are shown in Table 1. Note that in Comparative Example 5, a solid electrolyte membrane could not be produced, so voltage stability was not evaluated. Table 1 also shows the type of polymer, the molar ratio of carbonate units, the salt concentration, and the type of solvent in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5.
表1に示す結果からも明らかな通り、溶媒としてジメチルカーボネートを用いている実施例1~4で得られた固体電解質膜は、溶媒としてアセトニトリルを用いている比較例1~4で得られた固体電解質膜と比較して、酸化開始電位が高く、耐酸化性が向上していることが分かった。このことから、本発明の固体電解質は、十分な耐酸化性を有することが確認された。As is clear from the results shown in Table 1, the solid electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 4, which used dimethyl carbonate as the solvent, had a higher oxidation onset potential and improved oxidation resistance compared to the solid electrolyte membranes obtained in Comparative Examples 1 to 4, which used acetonitrile as the solvent. This confirms that the solid electrolyte of the present invention has sufficient oxidation resistance.
Claims (9)
金属塩と、
ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートからなる群から選択される少なくとも1つの溶媒と、を含む固体電解質であって、
前記固体電解質中の前記溶媒の溶媒量は、0質量%超5質量%以下である、
固体電解質。
A metal salt,
and at least one solvent selected from the group consisting of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate,
The amount of the solvent in the solid electrolyte is more than 0% by mass and 5% by mass or less.
solid electrolyte.
前記重合体は、さらに、下記一般式(2)で表される構成単位を含み、
前記一般式(1)で表される構成単位の比率が、前記重合体の全ての構成単位に対して、50モル%以上である、
固体電解質。
The polymer further contains a structural unit represented by the following general formula (2):
the ratio of the structural unit represented by the general formula (1) is 50 mol % or more relative to all structural units of the polymer;
solid electrolyte.
前記一般式(1)中のmが2であり、前記一般式(2)中のnが2である、
固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 2,
In the general formula (1), m is 2, and in the general formula (2), n is 2.
solid electrolyte.
前記一般式(1)中のR1が水素原子であり、前記一般式(2)中のR2が水素原子である、
固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 2 or 3,
R 1 in the general formula (1) is a hydrogen atom, and R 2 in the general formula (2) is a hydrogen atom.
solid electrolyte.
前記金属塩が、アルカリ金属塩である、
固体電解質。 The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 4,
The metal salt is an alkali metal salt.
solid electrolyte.
前記アルカリ金属塩が、リチウム塩である、
固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 5,
The alkali metal salt is a lithium salt.
solid electrolyte.
前記リチウム塩として、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド及びリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドの少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 6,
The lithium salt contains at least one of lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and lithium bis(fluorosulfonyl)imide.
A solid electrolyte characterized by:
前記重合体と、前記金属塩と、前記溶媒とを含有する電解質調製液を、キャストしてなる、
固体電解質。 The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 7,
an electrolyte preparation solution containing the polymer, the metal salt, and the solvent is cast;
solid electrolyte.
電池。 The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 8 is included.
battery.
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| 奥村壮文 ほか,ポリエチレンカーボネート系ポリマー電解質への可塑剤添加効果,高分子論文集,日本,公益社団法人高分子学会,2017年03月09日,第74巻、第2号,139-143頁,https://www.jstage.jst.go.jp/article/koron/74/2/74_2016-0053/_pdf,ISSN 0386-2186 |
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