电解质组合物、电解质电池

专利类型 发明公开 法律事件 公开;
专利有效性 公开 当前状态 公开
申请号 CN202380066523.3 申请日 2023-09-22
公开(公告)号 CN119895613A 公开(公告)日 2025-04-25
申请人 住友化学株式会社; 国立大学法人京都大学; 申请人类型 企业
发明人 诹访康贵; 中岛秀人; 大内诚; 第一发明人 诹访康贵
权利人 住友化学株式会社,国立大学法人京都大学 权利人类型 企业
当前权利人 住友化学株式会社,国立大学法人京都大学 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份: 城市 当前专利权人所在城市:
具体地址 当前专利权人所在详细地址:日本 邮编 当前专利权人邮编:
主IPC国际分类 H01M10/056 所有IPC国际分类 H01M10/056H01B1/06H01B1/08H01B1/10H01G11/56H01M10/052H01M10/054H01M10/0562H01M10/0565H01M10/0569
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 8 专利文献类型 A
专利代理机构 永新专利商标代理有限公司 专利代理人 李德安;
摘要 一种 电解 质组合物,该 电解质 组合物包含离子传导性无机固体电解质、具有优先传导 金属离子 的能 力 的 聚合物 以及 有机 溶剂 ,且离子传导性无机固体电解质的含量满足下述至少一方的条件:(1)相对于前述电解质组合物的总量为50 质量 %以上;以及(2)相对于前述电解质组合物的总量为15体积%以上。
权利要求

1.一种电解质组合物,所述电解质组合物包含:
离子传导性无机固体电解质、
具有优先传导金属离子的能聚合物、以及
有机溶剂,且
所述离子传导性无机固体电解质的含量满足下述至少一方的条件:(1)相对于所述电解质组合物的总量为50质量%以上;以及(2)相对于所述电解质组合物的总量为15体积%以上。
2.根据权利要求1所述的电解质组合物,其中,所述离子传导性无机固体电解质为化物、硫化物、氢化物或卤化物,且包含金属元素和碱土金属元素中的至少一方。
3.根据权利要求2所述的电解质组合物,其中,所述离子传导性无机固体电解质为矿型氧化物、NASICON型氧化物、LISICON型氧化物或石榴石型氧化物。
4.根据权利要求1或2所述的电解质组合物,其中,所述聚合物具备具有金属离子作为抗衡阳离子的阴离子性官能团以及具有阴离子捕捉能力的官能团中的至少一方。
5.根据权利要求1或2所述的电解质组合物,其中,金属离子的迁移数为0.4以上。
+
6.根据权利要求1或2所述的电解质组合物,其中,氧化电位相对于Li/Li为4.0V以上。
7.一种电解质,其包含权利要求1或2所述的电解质组合物。
8.一种电池,其包含权利要求1或2所述的电解质组合物。

说明书全文

电解质组合物、电解质电池

技术领域

[0001] 本公开涉及电解质组合物、电解质及电池。

背景技术

[0002] 锂离子电池等伴随正极和负极间的金属离子的迁移而进行充放电的电池由于高容量而正在积极地推进研究。作为锂离子电池等的电解质,已知有包含有机溶剂或离子液
体的锂盐的溶液等,出于安全性和工艺性的度,正在推进固体电解质的研究(专利文献1
和2以及非专利文献1)。作为固体电解质,已知有化物系固体电解质、硫化物系固体电解
质等各种种类的化合物。
[0003] 现有技术文献
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1:中国专利申请说明书第112448100号
[0006] 专利文献2:中国专利申请说明书第110247111号
[0007] 非专利文献
[0008] 非专利文献1:Journal of The Electrochemical Society,2020,167,070559.发明内容
[0009] 发明所要解决的问题
[0010] 在此,固体电解质的离子传导率、安全性优异,而另一方面,存在因其刚性而在加工性上有所欠缺、界面电阻也高的问题。因此,例如如专利文献1和2以及非专利文献1中所
述,正在进行通过与柔软的高分子材料复合化来赋予固体电解质以柔软性的研究。然而,本
发明人等进行了深入研究,结果判明,与现有的高分子材料的复合化存在金属离子的迁移
数大幅降低的问题。
[0011] 本公开是鉴于上述问题而做出的,且其目的在于提供金属离子的迁移数优异的电解质组合物及电解质、以及具备其的电池。
[0012] 用于解决问题的手段
[0013] 本公开包含以下的例示性实施方式[1]~[10]。
[0014] [1]一种电解质组合物,所述电解质组合物包含离子传导性无机固体电解质、具有优先传导金属离子的能聚合物以及有机溶剂,且前述离子传导性无机固体电解质的含
量满足下述至少一方的条件:(1)相对于前述电解质组合物的总量为50质量%以上;以及
(2)相对于前述电解质组合物的总量为15体积%以上。
[0015] [2]根据[1]的电解质组合物,其中,前述离子传导性无机固体电解质为氧化物、硫化物、氢化物或卤化物,且包含金属元素和碱土金属中的至少一方。
[0016] [3]根据[2]的电解质组合物,其中,前述离子传导性无机固体电解质为矿型氧化物、NASICON型氧化物、LISICON型氧化物或石榴石型氧化物。
[0017] [4]根据[1]~[3]中的任一项的电解质组合物,其中,前述聚合物具备具有金属离子作为抗衡阳离子的阴离子性官能团以及具有阴离子捕捉能力的官能团中的至少一方。
[0018] [5]根据[1]~[4]中的任一项的电解质组合物,其中,金属离子的迁移数为0.4以上。
[0019] [6]根据[1]~[5]中的任一项的电解质组合物,其中,氧化电位相对于Li/Li+为4.0V以上。
[0020] [7]一种电解质组合物,其使用25℃下的利用纳米压痕计的试验结果根据下述式3 2
算出的动态硬度DH为10N/mm以下:
[0021] DH=α×F/h2×103,
[0022] α=3.8584。
[0023] [8]根据[1]~[6]中的任一项的电解质组合物,其使用25℃下的利用纳米压痕计3 2
的试验结果根据下述式算出的动态硬度DH为10N/mm以下:
[0024] DH=α×F/h2×103,
[0025] α=3.8584。
[0026] [9]一种电解质,其包含[1]~[8]中的任一项的电解质组合物。
[0027] [10]一种电池,其包含[1]~[8]中的任一项的电解质组合物。
[0028] 发明效果
[0029] 根据本公开,能够提供金属离子的迁移数优异的电解质组合物及电解质、以及具备其的电池。
附图说明
[0030] 图1是实施例2的充放电试验的结果。
[0031] 图2是比较例4的充放电试验的结果。
[0032] 图3是实施例2的微分容量曲线。
[0033] 图4是比较例4的微分容量曲线。

具体实施方式

[0034] 本实施方式的电解质组合物为包含离子传导性无机固体电解质、具有优先传导金属离子的能力的聚合物以及有机溶剂的电解质组合物,且离子传导性无机固体电解质的含
量满足下述中的至少一方:(1)相对于前述电解质组合物的总量为50质量%以上;以及(2)
相对于前述电解质组合物的总量为15体积%以上。
[0035] [离子传导性无机固体电解质]
[0036] 作为离子传导性无机固体电解质,没有特别限制,可以为氧化物(氧化物系固体电解质)、硫化物(硫化物系固体电解质)、氢化物(氢化物系固体电解质)或卤化物(卤化物系
固体电解质)等。离子传导性无机固体电解质可以包含碱金属元素和碱土金属元素中的至
少一方,也可以包含碱金属元素。
[0037] (氧化物系固体电解质)
[0038] 作为氧化物系固体电解质,例如可列举出钙钛矿型氧化物、NASICON型氧化物、LISICON型氧化物、石榴石型氧化物等氧化物、以及掺杂有其他阳离子或阴离子的该氧化物
等。
[0039] 作为钙钛矿型氧化物,可列举出LiaLa1‑aTiO3(0
[0040] 作为NASICON型氧化物,可列举出Li1+dAldTi2‑d(PO4)3(0≤d≤1)等。NASICON型氧化1 2 1
物为LimM nMoPpOq表示的氧化物(式中,M为选自由B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Sb和Se组成的
2
组中的1种以上元素。M为选自由Ti、Zr、Ge、In、Ga、Sn和Al组成的组中的1种以上元素。m、n、o、p和q为任意的正数。),可列举出Li1+x+yAlx(Ti,Ge)2‑xSiyP3‑yO12(0
[0041] 作为LISICON型氧化物,可列举出Li4M3O4‑Li3M4O4表示的氧化物(M3为选自由Si、Ge4
和Ti组成的组中的1种以上元素。M为选自由P、As和V组成的组中的1种以上元素。)等。
[0042] 作为石榴石型氧化物,可列举出Li7La3Zr2O12(LLZ)、Li7‑a2La3Zr2‑a2Taa2O12(LLZT,可以是0
[0043] 氧化物系固体电解质可以是结晶性材料,也可以是非晶质材料。
[0044] 作为氧化物系固体电解质,可列举出Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12、Li0.33La0.55TiO3等。
[0045] (硫化物系固体电解质)
[0046] 作为硫化物系固体电解质,可列举出Li2S‑P2S5系化合物、Li2S‑SiS2系化合物、Li2S‑GeS2系化合物、Li2S‑B2S3系化合物、Li2S‑P2S3系化合物、LiI‑Si2S‑P2S5、LiI‑Li2S‑P2O5、LiI‑Li3PO4‑P2S5、Li10GeP2S12等。
[0047] 需要说明的是,在本说明书中,指代硫化物系固体电解质的“系化合物”这一表达是作为主要包含记载在“系化合物”之前的“Li2S”“P2S5”等原料的固体电解质的总称使用
的。例如,Li2S‑P2S5系化合物中包括包含Li2S和P2S5还包含其他原料的固体电解质。此外,
Li2S‑P2S5系化合物中也包括使Li2S与P2S5的混合比不同的固体电解质。
[0048] 作为Li2S‑P2S5系化合物,可列举出Li2S‑P2S5、Li2S‑P2S5‑LiI、Li2S‑P2S5‑LiCl、Li2S‑P2S5‑LiBr、Li2S‑P2S5‑Li2O、Li2S‑P2S5‑Li2O‑LiI、Li2S‑P2S5‑ZmSn(m、n为正数。Z为Ge、Zn或Ga)等。
[0049] 作为Li2S‑SiS2系化合物,可列举出Li2S‑SiS2、Li2S‑SiS2‑LiI、Li2S‑SiS2‑LiBr、Li2S‑SiS2‑LiCl、Li2S‑SiS2‑B2S3‑LiI、Li2S‑SiS2‑P2S5‑LiI、Li2S‑SiS2‑Li3PO4、Li2S‑SiS2‑Li2SO4、Li2S‑SiS2‑LixMOy(x、y为正数。M为P、Si、Ge、B、Al、Ga或In)等。
[0050] 作为Li2S‑GeS2系化合物,可列举出Li2S‑GeS2、Li2S‑GeS2‑P2S5等。
[0051] 硫化物系固体电解质可以是结晶性材料,也可以是非晶质材料。
[0052] (氢化物系固体电解质)
[0053] 作为氢化物系固体电解质材料,可列举出LiBH4、LiBH4‑3KI、LiBH4‑PI2、LiBH4‑P2S5、LiBH4‑LiNH2、3LiBH4‑LiI、LiNH2、Li2AlH6、Li(NH2)2I、Li2NH、LiGd(BH4)3Cl、Li2(BH4)(NH2)、Li3(NH2)I、Li4(BH4)(NH2)3等。
[0054] (卤化物系固体电解质)
[0055] 作为卤化物固体电解质,可列举出包含Li和金属元素和卤素元素的化合物等。
[0056] 卤化物固体电解质可以是结晶性材料,也可以是非晶质材料。
[0057] 作为离子传导性无机固体电解质,还可列举出将作为氧化物系固体电解质、硫化物系固体电解质、氢化物系固体电解质或卤化物系固体电解质的具体例子所列举的化合物
的一部分或全部的Li用Na、K、Rb或Cs替换而得的化合物。
[0058] 相对于电解质组合物的总量,离子传导性无机固体电解质的含量可以为50质量%以上,也可以为55质量%以上,也可以为60质量%以上,也可以为65质量%以上,也可以为
70质量%以上。此外,相对于电解质组合物的总量,离子传导性无机固体电解质的含量可以
为95质量%以下,也可以为90质量%以下,也可以为85质量%以下。此外,相对于电解质组
合物的总量,离子传导性无机固体电解质的含量可以为50~95质量%,也可以为55~90质
量%,也可以为60~85质量%。
[0059] 相对于电解质组合物的总量,离子传导性无机固体电解质的含量可以为15体积%以上,也可以为25体积%以上,也可以为35体积%以上,也可以为40体积%以上,也可以为
45体积%以上,也可以为50体积%以上。此外,相对于电解质组合物的总量,离子传导性无
机固体电解质的含量可以为90体积%以下,也可以为80体积%以下,也可以为70体积%以
下,也可以为60体积%以下。此外,相对于电解质组合物的总量,离子传导性无机固体电解
质的含量可以为15~90体积%,也可以为25~80体积%,也可以为35~60体积%。需要说明
的是,本说明书中,在没有特别声明的情况下,体积%基于电解质组合物中包含的各成分的
混合前的体积进行计算,在已知电解质组合物中包含的各成分的质量比率的情况下,可以
是用各成分的质量比率除以密度而得的值。
[0060] 离子传导性无机固体电解质可以是对颗粒表面实施了处理的。具体而言,可列举出利用酸将表面非导体层去除的处理、与原子形成共价键的处理等。作为酸并没有特别限
定,可列举出盐酸硝酸磷酸等。
[0061] [具有优先传导金属离子的能力的聚合物]
[0062] 作为具有优先传导金属离子的能力的聚合物(以下也简称为聚合物。),例如,在于室温(25℃)下针对以下的(A)和(B)中的至少一方的组合物测定金属离子的迁移数的情况
下,可以是金属离子的迁移数为0.4以上、0.5以上、0.6以上或0.7以上的聚合物。
[0063] (A)包含33质量%的该聚合物和67质量%的非离子性增塑剂的组合物
[0064] (B)包含31.9质量%的该聚合物和剩余总量的金属盐和非离子性增塑剂且金属离子浓度为0.3mol/L的组合物
[0065] 关于组合物中包含的金属离子,在聚合物具有阴离子性官能团的情况下,可以是该阴离子性官能团的抗衡阳离子,也可以是作为金属盐添加的物质。具有优先传导金属离
子的能力的聚合物可以是具有优先传导碱金属离子的能力的聚合物。作为非离子性增塑
剂,可列举出有机溶剂和氟系树脂等其他树脂中的至少一方。有机溶剂可以是非质子溶剂
非质子溶剂可以是选自由酸酯系溶剂、氟系溶剂以及醚系溶剂组成的组中的至少一种。
作为氟系树脂,优选具有碳链作为主链的树脂。碳链可以是通过烯属不饱和基团的自由基
聚合而形成的。氟系树脂可以是聚(偏二氟乙烯‑co‑六氟丙烯)(PVDF‑HFP)。作为有机溶剂
的具体例子,可以是后述的电解质组合物中包含的有机溶剂的具体例子。有机溶剂可以是
以1:1的体积比包含碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯的混合溶剂。
[0066] 金属离子的浓度可以通过添加金属盐来调节。例如,在金属盐为碱金属盐的情况下,作为碱金属盐没有特别限定,将碱金属记为M,可列举出MF、MCl、MBr、MI、MClO4、MPF6、MBF4、M2SO4、M[(ChF2h+1)SO3](h为0~3)、M[(ChF2h+1)SO2]2N(h为0~3)等。在聚合物具有结构单元(A)的情况下,M可以为与结构单元(A)所具有的碱金属元素相同的碱金属元素。
[0067] 具有优先传导金属离子的能力的聚合物可列举出包含具有金属离子作为抗衡阳离子的阴离子性官能团(也称为官能团(A)。)、以及具有阴离子捕捉能力的官能团(也称为
官能团(B)。)中的至少一方的聚合物。作为聚合物的结构,没有特别限制,可列举出具有碳
链作为主链的结构,该碳链可以是通过具有烯属不饱和基团的单体的自由基加成聚合而形
成的。
[0068] 作为官能团(A)的抗衡阳离子的金属离子可以为碱金属离子和碱土金属离子中的至少一方,也可以为碱金属离子。作为碱金属离子,可列举出锂离子、钠离子、离子、铷离
子、铯离子等,可以为锂离子、钠离子或钾离子,也可以为锂离子或钠离子,也可以为锂离
子。以下,将包含官能团(A)和作为官能团(A)的抗衡阳离子的金属离子的结构单元也称为
结构单元(A)。结构单元(A)可以具有通过对具有烯属不饱和基团的单体进行自由基加成聚
合而得到的结构。作为官能团(A)的抗衡阳离子的金属离子可以为与离子传导性无机固体
电解质中包含的碱金属离子相同的碱金属离子。
[0069] 结构单元(A)可以具有选自由磺酰亚胺基的共轭阴离子、磺酸基的共轭阴离子以及酚性羟基的共轭阴离子组成的组中的至少一种作为官能团(A)。磺酰亚胺基的共轭阴离
子、磺酸基的共轭阴离子以及酚性羟基的共轭阴离子例如可以包含于以下说明的具有磺酰
亚胺基的共轭阴离子的基团、具有磺酸基的共轭阴离子(磺酸酯基)的基团以及具有酚性羟
基的共轭阴离子的基团。
[0070] 具有磺酰亚胺基的基团可以包含于以下的式(A1)所示的结构单元(A)。
[0071] [化学式1]
[0072]
[0073] (在式(A1)中,X为具有1~20个碳原子的2价有机基团,Y为卤素原子或具有1~20+
个碳原子的1价有机基团,M为碱金属离子,*表示结构单元(A1)与其他结构单元键合的位
置。)
[0074] 作为X,没有特别限制,可以为基,也可以为具有杂原子的基团,也可以具有杂环。作为X,更具体而言,可列举出烃基、具有烃基的一个以上碳原子(亚甲基)被‑O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而得的化学结构的基团等的2价基团。需要说明的是,
在有多个连接基团的情况下,这些连接基团彼此不相邻。此外,上述2价基团可以具有对与
碳原子键合的氢原子进行取代的取代基。作为取代基,可以为1价取代基,例如可列举出卤
素原子等。作为上述烃基没有特别限定,可以为脂肪族烃基,也可以为芳香族烃基。作为脂
肪族烃基,可以为直链状烃基、支链状烃基以及环式烃基中的任一种。此外,烃基可以为饱
和烃基以及不饱和烃基中的任一种。X可以通过X所具有的碳原子与来酰亚胺基的氮原子
以及磺酰基的硫原子中的一方或双方键合。
[0075] X所具有的碳原子的个数可以为1~15个,也可以为2~10个,也可以为3~8个。X可以为具有芳香环的基团,也可以为具有苯环等芳香族碳环的基团。在作为该碳环的环成员
的碳原子上可以键合有烷基、卤素原子、吸电子基团等取代基。作为X的烃基优选为亚苯基、
具有1~8个碳原子的亚烷基、聚氧亚烷基、或与它们所具有的碳原子键合的一部分或全部
氢原子被氟原子等卤素原子取代而得的基团,更优选为亚苯基或被烷基、卤素原子、吸电子
基团等取代而得的取代亚苯基。作为吸电子基团,可列举出卤素原子、磺酸基或其盐、磺酸
酯、硝基、腈基等。
[0076] 在式(A1)中,在Y为1价有机基团的情况下,作为该有机基团,没有特别限制,可以为烃基,也可以为具有杂原子的基团,也可以具有杂环。作为Y,更具体而言,可列举出烃基、具有烃基的一个以上碳原子(亚甲基)被‑O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而得的化学结构的基团等的1价基团。需要说明的是,在有多个连接基团的情况下,连接基团
彼此不相邻。此外,上述1价基团可以具有对与碳原子键合的氢原子进行取代的取代基。作
为取代基,可以为1价取代基,例如可列举出卤素原子等。作为上述烃基没有特别限定,可以
为脂肪族烃基,也可以为芳香族烃基。作为脂肪族烃基,可以为直链状烃基、支链状烃基以
及环式烃基中的任一种。此外,烃基可以为饱和烃基以及不饱和烃基中的任一种。
[0077] Y所具有的碳原子的个数可以为1~15个,也可以为1~10个,也可以为1~8个,也可以为1~5个,也可以为1~3个。作为Y的烃基优选为苯基、具有1~5个碳原子的烷基、或与
这些基团所具有的碳原子键合的一部分或全部氢原子被氟原子等卤素原子取代而得的基
团,更优选为具有1~5个碳原子的氟化烷基,进一步优选为三氟甲基等具有1~3个碳原子
的氟化烷基。氟化烷基可以为全氟烷基。在Y为卤素原子的情况下,作为卤素原子,优选氟原
子或氯原子,更优选氟原子。
[0078] 式(A1)中,M+优选为锂离子(Li+)、钠离子(Na+)或钾离子(K+),更优选为锂离子。M++ + +
可以包含Li、Na和K中的2或3种离子,优选实质上仅包含单一离子。
[0079] 具有酚性羟基的共轭阴离子的基团为具有对直接键合于芳香环的羟基(即酚性羟基(‑OH))进行碱金属化而得的基团(即以M为碱金属的‑OM基)的基团。
[0080] 结构单元(A)可以为以下的式(A2)所示的基团。
[0081] [化学式2]
[0082]
[0083] (式(A2)中,Y2为具有经碱金属化的酚性羟基的基团、或具有磺酸的共轭阴离子的15 17
基团,*表示结构单元(A2)与其他结构单元的键合位置。R ~R 各自独立地为氢原子或1价
16 15 17
取代基,或者R 为氢原子或1价取代基,R 和R 一起形成2价取代基。)
[0084] R15~R17可以是1个以上为氢原子,也可以是全部为氢原子。
[0085] 在R15~R17为1价取代基的情况下,该1价取代基可以为1价有机基团。该有机基团所具有的碳原子的个数可以为1~20个,也可以为1~15个,也可以为1~10个,也可以为1~
5个,也可以为1~3个。作为有机基团,可列举出烃基、具有该烃基的一个以上碳原子(亚甲
基)被‑O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而形成的化学结构的基团等、具有杂环的基团等的1价取代基。此外,上述1价取代基可以具有对与碳原子键合的氢原子进行取
代的取代基。作为取代基,例如可列举出卤素原子等。作为上述烃基没有特别限定,可以为
脂肪族烃基,也可以为芳香族烃基。作为脂肪族烃基,可以为直链状烃基、支链状烃基以及
环式烃基中的任一种。此外,烃基可以为饱和烃基以及不饱和烃基中的任一种。作为烃基,
可列举出甲基、乙基、丙基、苯基等。
[0086] 关于R15~R17,1价取代基可以具有吸电子基团,也可以是吸电子基团本身。吸电子基团可以与上述1价有机基团键合,也可以是上述1价有机基团为吸电子基团。作为吸电子
基团,可列举出卤素原子、磺酸基或其盐、磺酸酯、硝基、腈基等。作为卤素原子,可以为氟原子、氯原子、溴原子以及碘原子中的任一种。
[0087] 在R15和R17一起形成2价有机基团的情况下,2价有机基团所具有的碳原子的个数可以为1~20个,也可以为1~15个,也可以为1~10个,也可以为1~5个,也可以为1~3个。
作为有机基团,可列举出烃基、具有该烃基的一个以上碳原子(亚甲基)被‑O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而形成的化学结构的基团等、具有杂环的基团等的2价取
代基。此外,上述2价有机基团可以具有对与碳原子键合的氢原子进行取代的取代基。作为
取代基,例如可列举出卤素原子等。作为上述烃基没有特别限定,可以为脂肪族烃基,也可
以为芳香族烃基。作为脂肪族烃基,可以为直链状烃基、支链状烃基以及环式烃基中的任一
种。此外,烃基可以为饱和烃基以及不饱和烃基中的任一种。作为烃基,可列举出亚丙基、亚
丁基等。
[0088] 在Y2为具有酚性羟基的基团的情况下,Y2可以为以下的式(A21)~(A26)中的任一个化学式所示的基团。
[0089] [化学式3]
[0090]
[0091] (式(A21)中,RA基中的至少一个为‑OM基,其余为氢原子或1价取代基,M为碱金属B
元素,可以为Li、Na或K。式(A22)中,R基中的至少一个为‑OM基,其余为氢原子或1价取代
C
基,M为碱金属元素,可以为Li、Na或K。式(A23)中,R 基中的至少一个为‑OM基,其余为氢原D
子或1价取代基,M为碱金属元素,可以为Li、Na或K。式(A24)中,R基中的至少一个为‑OM基,E
其余为氢原子或1价取代基,M为碱金属元素,可以为Li、Na或K。式(A25)中,R基中的至少一
F
个为‑OM基,其余为氢原子或1价取代基,M为碱金属元素,可以为Li、Na或K。式(A26)中,R 基中的至少一个为‑OM基,其余为氢原子或1价取代基,M为碱金属元素,可以为Li、Na或K。)
[0092] 在聚合物具有式(A21)的官能团的情况下,在式(A21)的苯环中,可以在从式(A21)A3
的官能团与聚合物的键合部位来看的对位键合有‑OM基。此外,R 基可以为‑OA基。可以在从
上述键合部位来看的间位或邻位和间位各自独立地键合有氢原子、‑OA基、甲基、乙基、具有
1~20个碳原子的1价有机基团(其中,在该1价有机基团为饱和烃基的情况下,为甲基、乙基
或具有6~20个或6~15个碳原子的基团,在1价有机基团为烷氧基的情况下,为具有4~20
个或4~15个碳原子的基团。)。
[0093] 式(A21)~(A26)所示的基团可以具有1~3个‑OM基,也可以具有1或2个‑OM基,也可以具有1个‑OM基。
[0094] 在式(A21)~(A26)中,1价取代基优选为吸电子基团。作为吸电子基团,可列举出卤素原子、磺酸基或其盐、磺酸酯、硝基、腈基等。作为卤素原子,可以为F、Cl、Br和I中的任一种。
[0095] 此外,在式(A21)~(A26)中,1价取代基可以为具有1~20个碳原子的有机基团。该有机基团所具有的碳原子的个数可以为1~15个,也可以为1~10个,也可以为1~5个,也可
以为1~3个。作为有机基团,可列举出烃基、具有该烃基的一个以上碳原子(亚甲基)被‑
O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而形成的化学结构的基团等、具有杂环的基团等的1价基团。此外,上述1价基团可以具有对与碳原子键合的氢原子进行取代的取代基。
作为取代基,例如可列举出卤素原子等。作为上述烃基没有特别限定,可以为脂肪族烃基,
也可以为芳香族烃基。作为脂肪族烃基,可以为直链状烃基、支链状烃基以及环式烃基中的
任一种。此外,烃基可以为饱和烃基以及不饱和烃基中的任一种。作为烃基,可列举出甲基、
乙基、丙基、苯基等。需要说明的是,1价有机基团可以是其自身为吸电子基团。
[0096] 在Y2为具有磺酸的共轭阴离子的基团的情况下,作为Y2,可列举出下述式(A3)所示的基团。
[0097] [化学式4]
[0098]
[0099] (在式(A3)中,R19为共价键或2价有机基团。M为碱金属元素,可以为Li、Na或K,也可以为Li。)
[0100] 在式(A3)中,2价有机基团所具有的碳原子的个数可以为1~20个,也可以为1~15个,也可以为1~10个,也可以为1~5个,也可以为1~3个。作为有机基团,可列举出烃基、具有该烃基的一个以上碳原子(亚甲基)被‑O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而形成的化学结构的基团等、具有杂环的基团等的2价取代基。此外,上述2价有机基团可以具
有对与碳原子键合的氢原子进行取代的取代基。作为取代基,例如可列举出卤素原子等。作
为上述烃基没有特别限定,可以为脂肪族烃基,也可以为芳香族烃基。作为脂肪族烃基,可
以为直链状烃基、支链状烃基以及环式烃基中的任一种。此外,烃基可以为饱和烃基以及不
饱和烃基中的任一种。作为烃基,可列举出亚甲基、亚苯基等。
[0101] 作为具有磺酸的共轭阴离子的基团,可列举出‑SO3M、‑CH2‑SO3M、‑C6H4‑SO3M等。
[0102] 官能团(B)为具有作为阴离子受体的功能的官能团。阴离子受体是指通过与阴离子形成静电相互作用、氢键、酸碱络合物等来捕捉阴离子的化学种。官能团(B)捕捉金属盐
中的金属离子的抗衡阴离子,促进该抗衡阴离子与金属离子的解离。由此,使得金属离子的
迁移度增加。此外,由于抗衡阴离子经由结构单元(B)被聚合物捕捉,因此抗衡阴离子的迁
移度降低。认为结果金属离子的迁移数提高。此外,由于金属离子的迁移度增加,因此存在
金属离子的传导性也提高的倾向。
[0103] 已知作为阴离子受体发挥功能的低分子的化学种(化合物等),作为这种物质,例如可列举出美国专利6022643号说明书、美国专利5705689号说明书、美国专利6120941号说
明书等中记载的化合物。官能团(B)具有与作为阴离子受体发挥功能的化学种对应的结构。
由于该官能团被固定于聚合物,因此与现有的低分子的阴离子受体不同,能够将所捕捉的
阴离子固定在聚合物的结构上。因此,认为能够更有效地抑制其参与由该阴离子的迁移产
生的电流
[0104] 需要说明的是,碱金属盐的抗衡阴离子不需要在被上述官能团捕捉时为完全电离的游离的阴离子,可以通过在与金属离子形成了离子键或离子对的状态下与上述官能团发
生相互作用而被捕捉。
[0105] 具有作为阴离子受体的功能的官能团可以是具有路易斯酸性的。该情况下,上述官能团能够通过接受阴离子的非共用电子对并形成酸碱络合物来捕捉阴离子。作为这种官
能团,可列举出具有缺电子原子的官能团。需要说明的是,缺电子原子是指与其他原子进行
了共价键合但该原子的最外层电子未形成八隅的原子。作为缺电子原子,可列举出属于周
期表第13族的原子,更具体而言,可以为中的至少一方,也可以为硼。
[0106] 此外,作为具有作为阴离子受体的功能的官能团,可以是具有氮杂醚部分的基团。具有氮杂醚部分的基团是具有氮杂醚化合物作为取代基的基团,氮杂醚化合物是将醚化合
E E
物的‑O‑用‑NR‑(在此,R为氢原子或有机基团)取代而得的化合物。氮杂醚部分可以为链状
氮杂醚部分以及环状氮杂醚部分中的任一种,可以具有链状氮杂醚部分以及环状氮杂醚部
分的双方。具有氮杂醚部分的基团例如可以在烃部分等具有吸电子基团。
[0107] 官能团(B)例如可以包含于下述式(B)所示的结构单元(B)。
[0108] [化学式5]
[0109]
[0110] (式(B)中,W为具有作为阴离子受体的功能的官能团,R1~R3各自独立地为氢原子3 1 2
或1价取代基,或者R 为氢原子或1价取代基,R 和R一起形成2价有机基团。*表示结构单元
(B)与其他结构单元键合的位置。)
[0111] 具有优先传导金属离子的能力的聚合物可以包含1种或2种以上的式(B)所示的结构单元。
[0112] R1~R3可以是1个以上为氢原子,也可以是全部为氢原子。W可以是后述的式(B1)所示的基团。
[0113] 在R1~R3为1价取代基的情况下,该1价取代基可以是1价有机基团。该有机基团所具有的碳原子的个数可以为1~20个,也可以为1~15个,也可以为1~10个,也可以为1~5
个,也可以为1~3个。作为有机基团,可列举出烃基、具有该烃基的一个以上碳原子(亚甲
基)被‑O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而形成的化学结构的基团等、具有杂环的基团等的1价取代基。此外,上述1价取代基可以具有对与碳原子键合的氢原子进行取
代的取代基。作为取代基,例如可列举出卤素原子等。作为上述烃基没有特别限定,可以为
脂肪族烃基,也可以为芳香族烃基。作为脂肪族烃基,可以为直链状烃基、支链状烃基以及
环式烃基中的任一种。此外,烃基可以为饱和烃基以及不饱和烃基中的任一种。作为烃基,
可列举出甲基、乙基、丙基、苯基等。
[0114] 需要说明的是,在本说明书中,芳香族烃基为包含芳香族部分的基团,可以具有脂肪族部分。此外,在本说明书中环式烃基为包含环式的烃部分的基团,可以包含直链或支链
的烃部分。
[0115] 1价取代基可以具有吸电子基团,也可以是吸电子基团本身。吸电子基团可以与上述1价有机基团键合,也可以是上述1价有机基团为吸电子基团。作为吸电子基团,可列举出
卤素原子、磺酸基或其盐、磺酸酯、硝基、腈基等。作为卤素原子,可以为氟原子、氯原子、溴原子以及碘原子中的任一种。
[0116] 在R1和R2一起形成2价有机基团情况下,2价有机基团所具有的碳原子的个数可以为1~20个,也可以为1~15个,也可以为1~10个,也可以为1~5个,也可以为1~3个。作为
有机基团,可列举出烃基、具有该烃基的一个以上碳原子(亚甲基)被‑O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而形成的化学结构的基团等、具有杂环的基团等的2价取代基。此
外,上述2价有机基团可以具有对与碳原子键合的氢原子进行取代的取代基。作为取代基,
例如可列举出卤素原子等。作为上述烃基没有特别限定,可以为脂肪族烃基,也可以为芳香
族烃基。作为脂肪族烃基,可以为直链状烃基、支链状烃基以及环式烃基中的任一种。此外,
烃基可以为饱和烃基以及不饱和烃基中的任一种。作为烃基,可列举出亚丙基、亚丁基等。
[0117] W优选具有下述式(B1)所示的基团。
[0118] [化学式6]
[0119]
[0120] (式(B1)中,WB为属于周期表第13族的原子,R5为共价键或2价有机基团,R6和R7为6 7
氢原子、‑OH基、卤素原子或1价有机基团、或者一起形成2价有机基团。R和R 可以是相同基
团,也可以是不同基团。)
[0121] WB可以为铝和硼中的至少一方,也可以为硼。
[0122] 在R5为2价有机基团的情况下,2价有机基团所具有的碳原子的个数可以为1~20个,也可以为1~15个,也可以为1~10个,也可以为1~5个,也可以为1~3个。作为有机基
团,可列举出烃基、具有该烃基的一个以上碳原子(亚甲基)被‑O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而形成的化学结构的基团等、具有杂环的基团等的1价取代基。此外,上
述2价有机基团可以具有对与碳原子键合的氢原子进行取代的取代基。取代基可以是吸电
子基团。作为吸电子基团,可列举出卤素原子、磺酸基或其盐、磺酸酯、硝基、腈基等。作为卤
5
素原子,可以为氟原子、氯原子、溴原子以及碘原子中的任一种。R可以为烃基、卤素取代烃
B
基、或者烃基或卤素取代烃基借助于醚键与W 键合的基团。卤素取代烃基可以为将烃基所
具有的一部分或全部氢原子用卤素原子取代而得的基团,也可以为部分氟取代烃基或全氟
5
取代烃基。R也可以为共价键。
[0123] 在R6或R7为卤素原子的情况下,可以为氟原子、氯原子、溴原子以及碘原子中的任一种,优选氟原子。
[0124] 在R6或R7为1价有机基团的情况下,1价有机基团所具有的碳原子的个数可以为1~20个,也可以为1~15个,也可以为1~10个,也可以为1~5个,也可以为1~3个。作为有机基
团,可列举出烃基、具有该烃基的一个以上碳原子(亚甲基)被‑O‑、‑S‑、‑C(=O)‑或‑C(=O)O‑的连接基团取代而形成的化学结构的基团等、具有杂环的基团等的1价取代基。此外,上
述1价有机基团可以具有对与碳原子键合的氢原子进行取代的取代基。取代基可以是吸电
子基团。作为吸电子基团,可列举出卤素原子、磺酸基或其盐、磺酸酯、硝基、腈基等。作为卤
6 7
素原子,可以为氟原子、氯原子、溴原子以及碘原子中的任一种。R 或R可以为烃基、卤素取
B
代烃基、或者烃基或卤素取代烃基借助于醚键与W键合的基团。卤素取代烃基可以为将烃
基所具有的一部分或全部氢原子用卤素原子取代而得的基团,也可以为部分氟取代烃基或
全氟取代烃基。
[0125] W可以是下述式(B1a)所示的基或下述式(B1b)所示的基团。
[0126] [化学式7]
[0127]
[0128] (式(B1a)中,X1和X2各自为氧原子(醚键)或共价键,R11和R12各自为卤素原子、1价烃基、氢原子或1价卤素取代烃基,可以为卤素原子(X为氧原子的情况除外)、1价烃基或1价
11 12 11 12
卤素取代烃基,也可以是R 和R 中的至少一方为1价烃基或1价卤素取代烃基。R 和R 可以
是相同基团,也可以是不同基团。)
[0129] [化学式8]
[0130]
[0131] (式(B1b)中,X3和X4各自为氧原子(醚键)或共价键,R13为2价烃基或2价卤素取代烃基。)
[0132] 在式(B1a)中,在R11为卤素原子的情况下,X1可以为共价键,在R12为卤素原子的情2 11 12
况下,X可以为共价键。在R 或R 为1价烃基或1价卤素取代烃基的情况下,1价烃基或1价卤
素取代烃基所具有的碳原子的个数可以为1~20个,也可以为1~15个,也可以为1~10个,
也可以为1~5个,也可以为1~3个。卤素取代烃基可以为将烃基所具有的一部分或全部氢
原子用卤素原子取代而得的基团,也可以为部分氟取代烃基或全氟取代烃基。
[0133] R11和R12各自独立地为‑F、‑CH3、‑C2H5、‑C3H7、‑C6H5(苯基)、‑C6HnF5‑n(n为0~4的整数,可以为0~3的整数。)、‑CF3、‑CH2CF3、‑CH2CF3CF7、‑CH(CF3)2、‑C(CF3)2‑C6H5、‑C(CF3)3、‑C6Hn(CF3)5‑n(n为0~4的整数,可以为1或2。)
[0134] 在式(B1b)中,2价烃基或2价卤素取代烃基所具有的碳原子的个数可以为1~20个,也可以为1~15个,也可以为2~10个,也可以为3~8个。卤素取代烃基可以为将烃基所
具有的一部分或全部氢原子用卤素原子取代而得的基团,也可以为部分氟取代烃基或全氟
取代烃基。
[0135] R13可列举出‑C2H4‑、‑C3H6‑、‑C4H8‑、‑C5H10‑、‑C6H12‑、‑C7H14‑、‑C8H16‑、‑C9H18‑、‑C10H20‑等、将它们的氢原子部分或全部取代为氟而得的基团等。更具体而言,优选‑C(CH3)2‑C(CH3)2‑。
[0136] 结构单元(B)相对于聚合物中包含的全部结构单元的摩尔比m可以为0.2~0.8,也可以为0.25~0.75,也可以为0.3~0.7,也可以为0.35~0.65,也可以为0.4~0.6。
[0137] 结构单元(A)相对于聚合物中包含的全部结构单元的摩尔比n可以为0.25~0.75,也可以为0.3~0.7,也可以为0.35~0.65,也可以为0.4~0.6。
[0138] m与n之和为1以下则没有问题,可以为0.95以下。此外,m与n之和可以为0.5以上,也可以为0.6以上,也可以为0.7以上,也可以为0.8以上,也可以为0.9以上,也可以为0.95
以上。
[0139] 结构单元(A)相对于聚合物的总质量的含量可以为5~90质量%,也可以为20~80质量%,也可以为40~75质量%,也可以为55~70质量%。
[0140] 结构单元(B)相对于聚合物的总质量的含量可以为10~95质量%,也可以为15~95质量%,也可以为20~95质量%,也可以为20~80质量%,也可以为25~60质量%,也可
以为30~45质量%。
[0141] 相对于聚合物的总质量,结构单元(A)与结构单元(B)的含量的总和可以为50质量%以上,也可以为70质量%以上,也可以为90质量%以上,也可以为95质量%以上。
[0142] 聚合物可以包含与结构单元(A)和结构单元(B)的任一方均不同的结构单元、即结构单元(C)。作为结构单元(C),可列举出以下的结构单元(C1)所示的结构单元、结构单元
(C2)所示的结构单元等。
[0143] [化学式9]
[0144]
[0145] (在式(C1)中,R21~R24各自独立地为氢原子、卤素原子、具有1~20个碳原子的1价有机基团。*表示结构单元(C1)与其他结构单元键合的位置。)
[0146] [化学式10]
[0147]
[0148] (式(C2)中,R25为具有1~20个碳原子的2价有机基团,R26和R27各自为氢原子、卤素25
原子或具有1~20个碳原子的1价有机基团。R 可以构成具有式(C2)的亚乙基单元与酰亚胺
基的环(琥珀酰亚胺环或其N‑衍生物)或具有酸酐基的环(琥珀酸酐环)。)
[0149] R21~R24中的1或2个以上可以为1价有机基团。该1价有机基团可以为‑Z1‑R29所示21 24
的基团。R ~R 各自所具有的碳原子的个数可以为1~40个,也可以为1~20个,也可以为2
1
~15个,也可以为4~13个。在此,Z 为2价连接基团,例如可以为共价键、‑O‑、‑S‑、‑C(=
38 39 1
O)‑、‑C(=O)O‑、‑OC(=O)‑、‑C(=O)NR ‑或‑NR C(=O)‑所示的基团。在Z为共价键、‑O‑、‑
29
S‑、‑C(=O)‑、‑C(=O)O‑或‑OC(=O)‑的情况下,R 为氢原子或1价有机基团。在Z为‑C(=O)
38 29 38 29 38 39
NR ‑的情况下,R 、R 各自为氢原子或1价有机基团,或R 与R 一起形成环。在为‑NR C(=
29 39 29 39
O)‑的情况下,R 和R 各自独立地为氢原子或1价有机基团,或者R 与R 一起形成环。作为
29 38 39 38
R 、R 和R 的1价有机基团可以具有1~20个或1~10个的有机基团。在R 为1价有机基团的
1 29
情况下,可以为具有1~20个碳原子的1价烃基。在Z 为共价键或‑C(=O)O‑的情况下,R 可
1 29
以为氢原子或具有1~20个碳原子的1价烃基。在Z为共价键且R 为烃基的情况下,该烃基
29 1
可以为脂肪族烃基。此外,R 可以为除烃基以外的1价有机基团或具有环结构的烃基。在Z
26 28
为‑O‑的情况下,可以为除以W作为烷基醚时W‑H所示的基团以外的1价有机基团。在R ~R
25
为1价有机基团的情况下,作为1价有机基团,可列举出与作为R 的例子所列举的基团相同
的基团。
[0150] 此外,在结构单元(C)中可以包含作为结构单元(A)的前体的结构单元(也称为结构单元(Ap)。)。作为这种结构单元,可列举出作为结构单元(A)的前体的结构单元(例如来
源于后述的单体(A2’)的结构单元)中的未能转换成结构单元(A)的未反应结构单元以及中
间结构单元,例如可列举出作为结构单元(A)的共轭酸的基团(即,将作为结构单元(A)的抗
+
衡阳离子的碱金属离子替换成H 而得的基团)、以及将结构单元(A)的抗衡阳离子替换成除
碱金属离子以外的阳离子而得的基团等。作为结构单元(Ap)中包含的抗衡阳离子,可列举
+
出NH4、有机铵阳离子、碱土金属离子等金属离子等。相对于结构单元(A)与结构单元(Ap)的
总量,聚合物可以包含85摩尔%以上、90摩尔%以上或95摩尔%以上的结构单元(A)。
[0151] 聚合物可以包含来源于丁二烯、异戊二烯等具有多个烯属不饱和基团的烃化合物的结构单元。
[0152] 聚合物可以具有来源于交联剂的结构单元。作为交联剂,可列举出己二醇二丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二乙烯基苯、三乙二醇二乙烯基醚等在分子内具有多个烯属不
饱和基团的化合物。
[0153] 聚合物的数均分子量(Mn)可以为5000~200000,也可以为8000~120000,也可以为10000~100000。聚合物的重均分子量(Mw)可以为5000~300000,也可以为10000~
250000,也可以为20000~100000。聚合物的分子量分布(Mw/Mn)可以为1.0~3.5,也可以为
1.3~2.7。聚合物的数均分子量以及重均分子量例如可以利用凝胶渗透色谱进行测定。
[0154] 电解质组合物中的聚合物的含量可以为1~40质量%,也可以为2~30质量%,也可以为4~20质量%。
[0155] 电解质组合物中的聚合物的含量可以为1~50体积%,也可以为5~40体积%,也可以为10~35体积%。
[0156] 作为聚合物的制造方法,没有特别限定,例如可列举出对包含下述单体中的至少一方的单体(单体混合物)进行聚合的方法:具有经碱金属离子化的阴离子性官能团的单体
或具有该阴离子性官能团的前体的单体(以下称为单体(A’)。)、以及具备具有作为阴离子
受体的功能的官能团的单体(B’)。单体可以进一步包含与单体(A’)和单体(B’)不同的单体
(C’)。
[0157] 单体(A’)和单体(B’)可以具有烯属不饱和基团。该情况下,可以通过自由基加成聚合对单体(A’)和单体(B’)进行聚合。该情况下,单体可以在引发剂的存在下进行聚合。
即,聚合反应可以以包含单体和引发剂的聚合性组合物进行。
[0158] 单体(A’)是在聚合物中衍生出结构单元(A)的单体。作为单体(A’),可列举出以下的式(A1’)所示的单体(A1’)、式(A2’)所示的单体(A2’)等。
[0159] [化学式11]
[0160]
[0161] (式(A1’)的X、Y和M+与式(A1)同义。)
[0162] [化学式12]
[0163]
[0164] (在式(A2’)中,R15~R17与式(A2)的R15~R17同义,Y2’为具有能够衍生出与式(A2)2 2
中的Y 所具有的‑OM基对应的酚性羟基的基团、或能够衍生出与Y所具有的‑SO3M基对应的
磺酸基的基团的基团。)
[0165] Y2’可以为与Y2相同的基团,也可以为作为Y2的前体的基团。即,Y2’为在与想要得2
到的Y所具有的‑OM基或‑SO3M基相同的位置具有能转换成‑OM基或‑SO3M基的基团的基团。
[0166] 作为能够衍生出与Y2所具有的‑OM基对应的酚性羟基的基团,例如可列举出解2
性基团,可以通过将该水解性基团水解而在与Y所具有的‑OM基对应的位置导入酚性羟基。
k k
作为水解性基团,例如可列举出醇盐基或‑OSi(R)3基(R 为烃基等1价有机基团)。酚性羟基
例如可以通过与MOH、M2CO3、MHCO3等碱金属的碱式盐反应而转换成‑OM基。
[0167] 同样地,作为能够衍生出与Y2所具有的‑SO3M基对应的磺酸基的基团,例如可列举出磺酸酯基、‑SO2Cl基等能够衍生出磺酸基(‑SO3H)的基团。磺酸基例如可以通过与MOH、
M2CO3、MHCO3、卤化碱金属等碱金属的盐反应而转换成‑OM基。此外,关于‑SO2Cl基,也可以与MOH反应来转换成‑SO3M基。在使用过量的MOH的情况下,也可以将几乎全部的‑SO2Cl基转换
成‑SO3M基。该反应中,也存在‑SO2Cl基的一部分形成‑SO3H基的情况,关于‑SO3H基,可以另
2 2
行与包含M的碱反应来形成‑SO3M基。此外,Y’可以为具有与Y 相同的阴离子部分且与除碱
金属离子以外的阳离子成盐了的基团。该情况下,通过对所得聚合物进行阳离子交换反应,
2 2 2
能够衍生出结构单元(A2)。Y’的反应率(Y’的总量中转换成Y的比率)可以为85摩尔%以
上、90摩尔%以上或95摩尔%以上。
[0168] 单体(B’)是在聚合物中衍生出结构单元(B)的单体。作为单体(B’),可列举出以下的式(B’)所示的单体(B’)。
[0169] [化学式13]
[0170]
[0171] (式中,R1~R3和W与式(B)中的R1~R3和W同义。)
[0172] 自由基聚合引发剂可以为热引发剂以及光引发剂中的任一种。例如,作为热引发剂,可列举出2,2‑偶氮双(异丁腈)(AIBN);2,2‑偶氮双(2‑甲基丁腈)(AMBN)、2,2‑偶氮双
(2,4‑二甲基戊腈)(ADVN)、1,1‑偶氮双(1‑环己烷腈)(ACHN、V‑40)、二甲基‑2,2‑偶氮双异丁酸酯(MAIB)等偶氮系引发剂;过氧化二苯甲酰、过氧化二‑8,5,5‑三甲基己酰、过氧化二
月桂酰、过氧化二癸酰、过氧化二(2,4‑二氯苯甲酰)等有机过氧化物等。作为光引发剂,可
列举出肟系化合物、茂金属系化合物、酰基膦系化合物、基苯乙化合物等。引发剂可以
使用1种或2种以上。
[0173] [有机溶剂]
[0174] 有机溶剂可以为非质子溶剂,例如可以为选自由碳酸酯系溶剂、氟系溶剂以及醚系溶剂组成的组中的至少一种。
[0175] 作为碳酸酯系溶剂,可列举出碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基甲酯等链状碳酸酯;碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯等环状碳酸酯等。作为醚系溶剂,
可列举出四氢呋喃、2‑甲基四氢呋喃、四氢吡喃、1,3‑二氧杂环戊烷等环状醚;1,2‑二乙氧基乙烷、以及乙氧基甲氧基乙烷等链状醚等。作为氟系溶剂,可列举出全氟辛烷等氢氟烃
类;甲基九氟丁醚、乙基九氟丁醚等氢氟醚类、1,3,3,3‑四氟丙烯等氢氟烯烃类等。此外,作为溶剂,可列举出二甲基亚砜(DMSO);二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMA)等酰胺系溶
剂等非质子溶剂。有机溶剂可以仅使用1种或作为包含2种以上的有机溶剂的混合溶剂使
用。
[0176] 在使用混合溶剂的情况下,例如有机溶剂可以为包含2种以上碳酸酯系溶剂的混合溶剂,也可以为包含2种以上环状碳酸酯的混合溶剂,也可以为包含碳酸亚乙酯以及碳酸
亚丙酯的混合溶剂。
[0177] 相对于电解质组合物的总量,有机溶剂的含量可以为1~45质量%,也可以为4~40质量%,也可以为7~30质量%。
[0178] 相对于电解质组合物的总量,有机溶剂的含量可以为1~70体积%,也可以为4~60体积%,也可以为20~50体积%。电解质组合物中的聚合物与有机溶剂的质量比可以为
1:0.5~1:3,也可以为1:1~1:2.5。在电解质组合物中,上述聚合物可以因包含有机溶剂的溶剂而发生溶胀。电解质组合物可以为凝胶状。
[0179] 电解质组合物除上述聚合物以外还可以包含金属盐。金属盐可以为碱金属盐和碱土金属盐中的至少一方,也可以为碱金属盐。作为碱金属盐,没有特别限定,将碱金属记为
M,可列举出MF、MCl、MBr、MI、MClO4、MPF6、MBF4、M2SO4、M[(ChF2h+1)SO3](h为0~3)、M[(ChF2h+1)SO2]2N(h为0~3)等。在聚合物具有结构单元(A)的情况下,M可以为与结构单元(A)所具有的
碱金属元素相同的碱金属元素。M可以为锂、钠或钾,也可以为锂。此外,在聚合物具有官能
团(B)的情况下,电解质组合物可以包含碱金属盐。
[0180] 电解质组合物可以制成进一步包含氟系树脂等其他树脂(除具有优先传导金属离子的能力的聚合物以外的树脂)、无纺布等布帛、多孔材料、粘度调节材料等的复合体。作为
氟系树脂,优选为具有碳链作为主链的树脂。碳链可以是由烯属不饱和基团的自由基聚合
形成的。作为氟树脂,可列举出聚(偏二氟乙烯‑co‑六氟丙烯)(PVDF‑HFP)、聚偏氟乙烯
(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等。相对于电解质组合物的总量,电解质组合物中的其他树脂的
含量可以为30质量%以下,也可以为0.1~20质量%,也可以为1~15质量%,也可以为1~
10质量%。
[0181] 相对于电解质组合物的总量,电解质组合物中的离子传导性无机固体电解质、具有优先传导金属离子的能力的聚合物以及有机溶剂的合计量可以为70质量%以上,也可以
为80质量%以上,也可以为90质量%以上,也可以为95质量%以上,也可以为97质量%以
上,也可以为99.9质量%以下,也可以为99质量%以下。此外,相对于电解质组合物的总量,
电解质组合物中的离子传导性无机固体电解质、具有优先传导金属离子的能力的聚合物以
及有机溶剂的合计量可以为70~99.9质量%,也可以为80~99质量%。
[0182] 相对于电解质组合物的总量,电解质组合物中的离子传导性无机固体电解质、具有优先传导金属离子的能力的聚合物以及有机溶剂的合计量可以为70体积%以上,也可以
为80体积%以上,也可以为90体积%以上,也可以为95体积%以上,也可以为97体积%以
上,也可以为99.9体积%以下,也可以为99体积%以下。此外,相对于电解质组合物的总量,
电解质组合物中的离子传导性无机固体电解质、具有优先传导金属离子的能力的聚合物以
及有机溶剂的合计量可以为70~99.9体积%,也可以为80~99体积%。
[0183] 电解质组合物在室温(25℃)下的金属离子的迁移数可以为0.4以上,也可以为0.5以上,也可以为0.6以上,也可以为0.7以上。该迁移数可以为碱金属离子或碱土金属离子的
迁移数,也可以为碱金属离子的迁移数,也可以为锂离子的迁移数。
[0184] 相对于Li/Li+,电解质组合物的氧化电位可以为4.0以上。
[0185] 本实施方式的电解质组合物在25℃下的离子传导率可以为10‑4S/cm以上。
[0186] 本实施方式的电解质组合物存在柔软性高的倾向。例如,使用本实施方式的电解质组合物在25℃下的利用纳米压痕计的试验结果根据下述式算出的动态硬度DH可以为
3 2 2 2 2 2
10N/mm以下,也可以为8.0×10N/mm以下,也可以为6.0×10N/mm以下,也可以为5.0×
2 2
10N/mm以下。利用纳米压痕计的测定可以测定到达预先设定的压入深度h的试验力,也可
以测定基于预先设定的试验力的压入深度。作为纳米压痕计的测定样品,例如可以为通过
对150mg的电解质组合物以200MPa的压力进行压制成型而得到的直径1.5cm的片状的样品。
需要说明的是,动态硬度DH的值可以根据以彼此不重合的方式测定的多个点(例如5个点)
的试验结果的平均值求出。
[0187] DH=α×F/h2×103
[0188] α=3.8584:基于压头形状的常数
[0189] F:试验力(mN)
[0190] h:压入深度
[0191] 本实施方式的电解质组合物使用25℃下的利用纳米压痕计的试验结果根据上述3 2
式算出的动态硬度DH为10N/mm 以下,可以包含具有优先传导金属离子的能力的聚合物以
及有机溶剂,可以进一步包含离子传导性无机固体电解质。
[0192] 本实施方式的电解质组合物可以作为电容器、电池等电化学装置的构成材料使用,例如可以作为电池的电解质的材料使用。电解质可以是通过对电解质组合物进行加压
成型而形成的。作为电池,可列举出锂离子电池、钠离子电池等通过碱金属离子的迁移来进
行充放电的电池。电池可以为一次电池,也可以为二次电池,也可以为全固态电池。本实施
方式的电解质组合物可以为固体电解质组合物等非液态的电解质组合物。
[0193] 本实施方式的电池包含正极、负极以及配置在正极与负极之间的电解质。该电解质可以包含本实施方式的电解质组合物。例如,在为锂离子电池的情况下,作为正极没有特
别限定,可以为包含正极活性物质且根据需要而包含导电助剂、结合剂等的正极。
[0194] 正极可以是在集电体上形成包含这些材料的层而得的。作为正极活性物质,例如可列举出包含锂(Li)以及选自由V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al组成的组中的至少1种过渡金属的含锂复合金属氧化物。作为这种锂复合金属氧化物,例如可列举出LiCoO2、LiNiO2、
LiMn2O4、Li2MnO3、LiNixMnyCo1‑x‑yO2[0LiCr0.5Mn0.5O2、LiFePO4、Li2FeP2O7、LiMnPO4、LiFeBO3、Li3V2(PO4)3、Li2CuO2、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等。
[0195] 作为锂离子电池的负极,没有特别限定,可以为包含负极活性物质且根据需要而包含导电助剂、结合剂等的负极。例如,可列举出Li、Si、P、Sn、Si‑Mn、Si‑Co、Si‑Ni、In、Au等元素的单质以及包含这些元素的合金或复合体、石墨等碳材料、在该碳材料的层间插入有
锂离子的物质等。
[0196] 锂离子电池可以具有隔离体。作为隔离体,可以为多孔材料,也可以为树脂制的多孔材料。具体可列举出多孔聚烯烃膜、多孔陶瓷膜等。
[0197] 作为本实施方式的电池的制造方法,例如可以具备制备电解质组合物(电池用涂布剂)的工序、以及对电解质组合物进行加压来制造电解质的工序。将所制造的电解质配置
在正极和负极之间。加压可以将电解质组合物配置在负极或正极上或者正极和负极之间来
进行。由于加压会抑制有机溶剂的蒸发,因此优选在比所使用的有机溶剂的沸点(在为混合
溶剂的情况下是成分溶剂的沸点中最低的沸点)低的温度下进行,可以在50℃以下进行,也
可以在室温(25℃)下进行。加压时的压力例如可以为10~300MPa,也可以为100~250MPa。
加压可以在10℃~60℃、20℃~50℃下进行。制备电解质组合物的工序可以通过将电解质
组合物的原料、即离子传导性无机固体电解质、具有优先传导金属离子的能力的聚合物和
有机溶剂、以及视需要而定的任意成分的各成分用研钵等进行混合来进行。对于离子传导
性无机固体电解质,可以在与其他成分混合前进行酸处理。
[0198] 实施例
[0199] [具有优先传导金属离子的能力的聚合物的制造]
[0200] 如下制造下述式所示的单体A1与苯乙烯(按摩尔比计为54:46)的共聚物。
[0201] [化学式14]
[0202]
[0203] 首先,如下制造单体A1。
[0204] (单体A1的合成)
[0205] 氮气氛下,将三氟甲磺酰胺(52.5mmol、7.83g、东京化成工业株式会社制造)溶解于脱水乙腈(150mL、关东化学株式会社制造)。向该溶液中依次加入氢氧化锂(105mmol、
2.51g、东京化成工业株式会社制造)以及4‑乙酰氨基苯磺酰氯(50mmol、11.68g、东京化成
工业株式会社制造)并进行5小时的加热回流。冷却至室温后,加入过量的乙腈(700mL)使固
体析出,通过过滤进行分离后用二氯甲烷(关东化学株式会社制造)洗涤,得到中间体1。收
率为97.1%。
[0206] ·中间体1的结构式:
[0207] [化学式15]
[0208]
[0209] 氮气氛下,向中间体1(15mmol、5.28g)中加入5%盐酸(22.5mL),在90℃下搅拌2小时。冷却至室温后,在基于pH试纸的确认下,加入氢氧化锂水溶液直至pH达到7以上为止,然
后通过减压干燥得到固体。对所得固体用乙腈溶液进行萃取,通过减压干燥得到中间体2。
收率基于上述中间体1的原料为92.6%。
[0210] ·中间体2的结构式:
[0211] [化学式16]
[0212]
[0213] 氮气氛下,将马来酸酐(13.3mmol、1.30g、东京化成工业株式会社制造)溶解于脱水1,4‑二噁烷(关东化学株式会社制造)。向该溶液中滴加在氮气氛下制备的全部的中间体
2(13.2mmol、4.09g)的脱水四氢呋喃(26.4mL、关东化学株式会社制造)溶液,在室温下搅拌
12小时。反应后,对析出物进行过滤,在60℃下进行4小时的真空干燥,由此得到包含中间体
3的固体。
[0214] ·中间体3的结构式:
[0215] [化学式17]
[0216]
[0217] 氮气氛下,将包含中间体3的固体(14.0mmol、5.70g)以及乙酸钠水溶液(13.3mmol、1.09g、东京化成工业株式会社制造)加入到无水乙酸(12.3mL、东京化成工业株
式会社制造)中,在70℃下搅拌3小时。将反应后的全部溶液滴加到0℃的过量的二乙醚(关
东化学株式会社制造)中,通过过滤回收析出物。在不活泼气氛下,对析出物用脱水乙腈(关
东化学株式会社制造)进行萃取,通过减压干燥,得到单体A1。全部工序总体的收率为
72.8%。
[0218] 将单体A1:3.121g、苯乙烯:0.833g、AIBN:57.5mg溶解于脱水乙腈70mL,作为内部标准物质加入四氢化,一边确认单体消耗率,一边在氮气氛下60℃下反应24小时。在乙腈
中对聚合溶液进行渗析,在120℃下进行真空干燥,由此得到3.50g(收率89%)的聚合物。单
1
体导入比为A1:苯乙烯=54:46。单体导入比通过共聚物的H‑NMR算出。需要说明的是,作为
苯乙烯,通过将Sigma‑Aldrich Co.LLC.制造的纯度>98%的市售试剂与CaCl2密封并干燥1
晩、加入CaH2进行减压蒸馏来提高纯度再使用。
[0219] 共聚物的数均分子量Mn=9.3×104、重均分子量Mw=3.0×105、分子量分布Mw/Mn=3.19。
[0220] [离子传导性无机固体电解质]
[0221] 作为离子传导性无机固体电解质,使用以下物质。
[0222] LLZT粉末:株式会社丰岛制作所制造的Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12
[0223] LATP粉末:株式会社小原制造的LICGC PW‑01Powder
[0224] [电解质组合物的制造]
[0225] (实施例1)
[0226] 将如上所述地制造的具有优先传导金属离子的能力的聚合物与有机溶剂(碳酸亚乙酯:碳酸亚丙酯=1:1(体积比))(KISHIDA CHEMICAL Co.,Ltd.)混合,制造凝胶状的聚合
物组合物。接着,将凝胶状的聚合物组合物与LLZT粉末以电解质组合物中的LLZT的含量达
到77质量%的方式使用研钵混合,对150mg的混合物用200MPa的压力进行压制成型,由此得
到直径1.5cm的电解质组合物。需要说明的是,关于LLZT粉末,使用在与聚合物组合物混合
之前在2质量%盐酸中分散30秒后过滤并干燥而得的物质。
[0227] (实施例2)
[0228] 将上述凝胶状的聚合物组合物与LATP粉末以电解质组合物中的LATP的含量达到70质量%的方式混合,150mg的混合物用200MPa的压力进行压制成型,由此得到直径1.5cm
的电解质组合物。
[0229] (实施例3)
[0230] 以如上所述地制造的具有优先传导金属离子的能力的聚合物的含量达到16质量%、LATP粉末的含量达到79质量%、聚四氟乙烯(PTFE)的含量达到5质量%的方式进行混
合,对150mg的混合物用200MPa的压力进行压制成型,由此得到直径1.5cm的粒料成型体。相
对于该粒料成型体100质量%,使32质量%的有机溶剂(碳酸亚乙酯:碳酸亚丙酯=1:1(体
积比))(KISHIDA CHEMICAL Co.,Ltd.)渗入到该粒料成型体中,由此得到电解质组合物。
[0231] (比较例1)
[0232] 作为比较例1的电解质组合物,对150mg的LLZT粉末用200MPa的压力进行压制成型,制成直径1.5cm的粒料并使用。
[0233] (比较例2)
[0234] 作为比较例2的电解质组合物,对150mg的LATP粉末用200MPa的压力进行压制成型,制成直径1.5cm的粒料并使用。
[0235] (比较例3)
[0236] 将Aldrich公司制造的聚环氧乙烷(Poly(ethylene oxide)平均Mv 600000、粉末)与双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)的混合物(按mol比计O原子:Li原子=20:1)、有机溶剂(碳酸亚
乙酯:碳酸亚丙酯=1:1(体积比))(KISHIDA CHEMICAL Co.,Ltd.)混合,制造凝胶状的聚合
物组合物。接着,将凝胶状的聚合物组合物与LLZT粉末以电解质组合物中的LLZT的含量达
到58质量%的方式使用研钵混合,对150mg的混合物用200MPa的压力进行压制成型,由此得
到直径1.5cm的电解质组合物。
[0237] (比较例4)
[0238] 将上述凝胶状的聚合物组合物与LATP粉末以电解质组合物中的LATP的含量达到70质量%的方式混合,对150mg的混合物用200MPa的压力进行压制成型,由此得到直径
1.5cm的电解质组合物。
[0239] 针对所得电解质组合物,如下测定离子传导率、直流电流密度、锂离子迁移数(Li+迁移数)、循环维持率以及分解电压。将结果示于表1和表2。
[0240] <离子传导率的测定>
[0241] 在手套箱内、干燥氩气氛下组装硬币型电池CR2032的评价单电池。具体而言,在评价单电池内按以下顺序将各层层叠来制作试验用层叠体。
[0242] (不锈板/电解质组合物/不锈钢板)
[0243] 使用阻抗测定装置,以25℃、频率范围0.1Hz~1MHz、施加电压10mV(vs.开路电压)的条件进行测定。离子传导率σ可以用下式算出。
[0244] σ(S·cm‑1)=t(cm)/(R(Ω)×A(cm2))
[0245] 式中,R表示阻抗的值。A表示样品的面积。t表示样品的厚度。
[0246] <最大直流电流密度的测定>
[0247] 在手套箱内、干燥氩气氛下组装硬币型电池CR2032的评价单电池。具体而言,在评价单电池内按以下顺序将各层层叠来制作试验用层叠体。
[0248] (锂/电解质组合物/锂)
[0249] 针对于上述评价单电池,实施交替地对正方向和负方向按以下顺序分别施加10个2
循环的10、20、30、40、50、100、200、300、400μA/cm的电流密度的恒定电流试验,将电压达到
2V的点定义为最大直流电流密度。
[0250] <锂离子迁移数的测定>
[0251] 在手套箱内、干燥氩气氛下组装硬币型锂电池CR2032的评价单电池。具体而言,在评价单电池内按以下顺序将各层层叠来制作试验用层叠体。
[0252] (锂/电解质组合物/锂)
[0253] 锂离子迁移数测定法在Polymer,28,2324(1987)中有所介绍。即,在室温(25℃)下,对试验用层叠体施加10mV,测定初始电流值(I0)和稳态电流值(Iss),进一步通过复阻抗
法求出施加电压前的界面电阻测定值R0和施加电压后的界面电阻测定值RSS。然后,将所得
值导入下式求出锂离子迁移数(tLi+)。式中的V为施加电压。
[0254] tLi+=Iss(V‑I0R0)/I0(V‑ISSRSS)
[0255] <循环维持率的测定>
[0256] 在手套箱内、干燥氩气氛下使用将LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2作为正极活性物质的正极来组装硬币型电池CR2032的评价单电池。具体而言,在评价单电池内按以下顺序将各层层叠
来制作试验用层叠体。
[0257] (正极/电解质组合物/锂)
[0258] 使用上述评价单电池在2.5‑4.3V(vs.Li/Li+)的范围实施10个循环的充放电测定,由此测定10个循环后的循环维持率。
[0259] 图1示出实施例2的充放电试验的结果。此外,图2示出比较例4的充放电试验的结果。在图1和2中,实线的曲线为第1个循环的结果,虚线的曲线为第10个循环的结果。
[0260] 实施例2中10个循环后的容量维持率为98%。而比较例4中10个循环后的容量维持率为9%。
[0261] <分解电位的测定>
[0262] 使用循环特性的测定所使用的单电池,用微分容量曲线测定除充电以外的峰的起峰。
[0263] 图3是针对实施例2的微分容量曲线。此外,图4是针对比较例4的微分容量曲线。图3和图4的微分容量曲线是分别针对第3个循环的充放电曲线的充电侧的曲线将容量视为电
压的函数用电压进行微分而得的。
[0264] 图3是实施例2的微分容量曲线。此外,图4是比较例4的微分容量曲线。实施例2在循环维持率测定所使用的2.5‑4.3V的范围未观测到除充电以外的峰。实施充电至5.0V所得
到的微分容量曲线中,由于充电开始时的电压为4.0V附近,因此确认到在该值以下的电位
不发生分解反应,得到了从4.5V起峰的新的峰。由上,将电解质的分解电位估计为4.5V。
[0265] 另一方面,比较例4初看之下看起来得到的是单一的峰,而尽管使用了同一正极材料,但峰的起峰位置向低电位侧位移,峰宽度增大,据此判断产生了基于成分分解的峰,将
电解质的分解电位估计为3.8V。这与已报道的PEO的分解电位一致。
[0266] 表1
[0267]
[0268] 表2
[0269]
[0270] <动态硬度的测定>
[0271] 使用株式会社岛津制作所制造的纳米压痕计DUH‑211测定电解质组合物的机械特性。动态硬度根据使压入深度h为3μm时的试验力F的值如下算出。每个样品在不连续的5个
点实施同样的测定,算出平均值。将结果示于表3。需要说明的是,试验在25℃下进行。
[0272] 动态硬度DH(N/mm2)
[0273] DH=α×F/h2×103
[0274] α=3.8584:基于压头形状的常数
[0275] F:试验力(mN)
[0276] h:压入深度
[0277] 表3
[0278]
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