(57)【要約】  Ａ：ポリエステル、ポリアミド、またはジアミドのハードブロックと、イオン伝導性ソフトブロックとを含有する熱可塑性エラストマーと、Ｂ：金属塩と、１５重量％未満の可塑剤とを含有する固体ポリマー電解質。この電解質は、電池中のスペーサー、電極中のバインダー、および電池のスペーサーと少なくとも１つの電極との間の接着フィルムとして使用され得る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）ポリエステル、ポリアミド、またはジアミドのハードブロックと、イオン伝導性ソフトブロックとを含有する熱可塑性エラストマーと、
ｂ）金属塩と
を含有する固体ポリマー電解質材料において、１５重量％未満の全可塑剤含有量を有することを特徴とする固体ポリマー電解質材料。
【請求項２】
前記イオン伝導性ソフトブロックは、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）を含む、請求項１に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項３】
前記イオン伝導性ソフトブロックは、少なくとも８０重量％についてＰＥＯに由来して存在する、請求項１に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項４】
前記イオン伝導性ソフトブロックは、少なくとも９０重量％についてＰＥＯに由来して存在する、請求項１に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項５】
前記熱可塑性エラストマー中の前記イオン伝導性ソフトブロックの含有量は、少なくとも５０重量％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項６】
前記ハードブロックは、ポリエステルを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項７】
前記ハードブロックは、ポリブチレンテレフタレートを含む、請求項６に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項８】
１０重量％未満の全可塑剤含有量を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項９】
５重量％未満の全可塑剤含有量を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項１０】
固体ポリマー電解質は、可塑剤を含有しない、請求項１〜９のいずれか一項に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項１１】
前記金属塩は、元素周期表のＩａ族およびＩＩａ族のカチオンを含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の含有する固体ポリマー電解質材料。
【請求項１２】
前記塩の前記カチオンは、リチウム電池の場合にＬｉ＋、およびナトリウム電池の場合にＮａ＋、およびＡｌ電池の場合にＡｌ３＋を含む、請求項１１に記載の含有する固体ポリマー電解質材料。
【請求項１３】
前記塩は、ＣｌＯ４−、ＳＣＮ−、ＢＦ４−、ＡｓＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−、Ｂｒ−、Ｉ−、ＰＦ６−、（ＣＦ３ＳＯ）２Ｎ−、（ＣＦ３ＳＯ）３Ｃ−、ＣＦ３ＣＯ２−、（ＦＯ２Ｓ）２Ｎ−の群のアニオンを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の固体ポリマー電解質材料。
【請求項１４】
電池、特に蓄電池の隣接する電極間のスペーサーであって、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の固体ポリマー電解質材料を含むスペーサー。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の固体ポリマー電解質材料を含む電極、特に蓄電池のための電極。
【請求項１６】
一方でアノードおよび／またはカソードと、他方で前記少なくとも１つのアノードおよび／または少なくとも１つのカソードに隣接するスペーサーとの間に、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のポリマー電解質材料の接着フィルムを含む電池、特に蓄電池。
【請求項１７】
前記スペーサーは、セラミックスペーサーである、請求項１６に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、固体ポリマー電解質材料に関する。このような材料は、イオン伝導性であり、機械的に堅牢であり、かつ従来のポリマー加工方法によって製造可能である。この固体ポリマー電解質は、蓄電池中での使用に適している。携帯電話、ラップトップコンピュータ、およびその他の消費者用電子製品などの技術製品に対する世界的需要が増加するにつれて、蓄電池に対する需要が大きく成長している。さらに、高エネルギー密度の蓄電池の巨大な潜在市場となる、配電網負荷平準化装置および電気自動車などの環境に優しい技術を開発するための現在の取り組みにより、蓄電池への関心が高まっている。
【０００２】
Ｌｉイオン電池は、携帯型電子機器用の最も普及している種類の蓄電池の１つである。Ｌｉイオン電池は、高いエネルギー密度および出力密度が得られ、不使用時の電荷損失が遅く、メモリー効果の問題が生じない。高エネルギー密度などの多くの利点のため、Ｌｉイオン電池は、軍事用途、航空用途、バックアップ記憶装置用途、および輸送用途でも一層使用されている。
【０００３】
電解質は、典型的なＬｉイオン蓄電池の重要部分の１つである。従来のＬｉイオン蓄電池では液体電解質が使用されている。Ｌｉイオン電池中の代表的な液体電解質の１つは、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、またはＬｉＣｌＯ４などのリチウム塩電解質と、アルキルカーボネートなどの有機溶媒とからなる。放電中、負極材料が酸化されて電子を生成し、正極材料が還元されて電子を消費するとき、電解質は、電極間のイオン流の単純な媒体として機能することができる。これらの電子は、外部回路中の電流を構成する。
【０００４】
液体電解質が現在のＬｉ系技術で優位となっているが、固体電解質は、Ｌｉ系電池の次世代の進歩を構成し得る。固体ポリマー電解質は、利点の中でも特に、高い熱安定性、低い自己放電率、広範囲の環境条件にわたる安定した動作、向上した安全性、電池構造の自由度、最小限の環境への影響、ならびに低い材料および加工のコストを示すため、リチウム固体ポリマー電解質蓄電池は、Ｌｉイオン電池の特に魅力的な技術の１つである。さらに、固体ポリマー電解質により、従来のリチウムイオンアノードよりも高いエネルギー密度が得られるリチウム金属アノードが使用可能となり得る。
【０００５】
固体電解質を有するリチウム電池は、以下のように機能する。充電中、電池の電極間に印加される電圧により、電池の正極のリチウムホストからリチウムイオンおよび電子が引き抜かれる。ポリマー電解質を介して正極から電池の負極まで流れるリチウムイオンが負極で還元される。放電中に反対の反応が起こる。リチウムが負極で酸化されると、正極のリチウムホストにリチウムイオンおよび電子が再び入ることができる。このエネルギー的に有利な自発的過程により、化学的に貯蔵されたエネルギーは、外部装置が使用可能な電力に変換される。
【０００６】
ポリマー電解質は、数年にわたって学問的および商業的な電池の研究の主題となっている。ポリマー電解質は、部分的には、リチウムとの低い反応性と、サイクルによる金属リチウムフィラメント（またはデンドライト）の形成に対する障壁として機能する可能性とのために非常に強い関心が持たれている。
【０００７】
一例によると、ポリマー電解質は、適切なポリマー中にリチウム塩を混入することによって形成され、イオン伝導性であるが電子絶縁性の媒体を形成できる。このようなポリマーは、一次電池または二次電池中の固体電解質およびセパレーターの両方として機能する可能性をもたらす。このようなポリマーにより、従来の液体電解質電池と比較して、高い熱安定性、低い自己放電率、広範囲の環境条件にわたる安定した動作、向上した安全性、およびより高いエネルギー密度を示す固体電池を形成することができる。
【０００８】
それらの多くの利点にも関わらず、高いイオン伝導性と良好な機械的性質との両方を示す電解質を開発できないことで、ポリマー電解質の採用は制限されていた。標準的な機構によると、この問題は、高いイオン伝導性がポリマー鎖の高い運動性を必要とするために生じる。しかし、標準的な機構によると、ポリマー鎖の高い運動性により、機械的に柔軟なポリマーが得られる傾向にある。
【０００９】
一例として、原型のポリマー電解質の１つは、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）／塩混合物を含む電解質である。一般に、ＰＥＯにより、室温で良好な機械的性質が得られる。しかし、ＰＥＯは室温において主として結晶性でもある。この結晶構造は、一般に鎖の運動性を制限し、伝導性を低下させる。高温（すなわち、ポリマーの融点よりも高温）でＰＥＯ電解質を使用すると、鎖の運動性が増加することによって伝導性の問題が解決され、したがってイオン伝導性が改善される。しかし、この伝導性の向上は、材料の機械的性質の低下を犠牲とする。より高温では、このポリマーはもはや固体として挙動しない。
【００１０】
一般に、硬質コロイド粒子の添加、分子量の増加、または架橋などによるＰＥＯを硬化させる試みも、イオン伝導性の低下を引き起こすことが分かっている。
【００１１】
米国特許第８，２６８，１９７号明細書には、標準的な高処理量のポリマー加工方法に適している場合に高いイオン伝導性および機械的安定性を有するポリマー電解質材料が提案されている。このポリマー電解質は、隣接する伝導性および非伝導性の薄層の２相層状構造を形成する線状２ブロックまたは３ブロックポリマーを含む。一方の相は伝導性相であり、他方のものは構造相である。この電解質材料中に使用できるポリマーの一例は、ポリスチレン−ポリエチレンオキシド−ポリスチレンコポリマーである。
【００１２】
国際公開第２０１２／０８３２５３号パンフレットには、ポリスチレン−ポリ（グリシジルエーテル）コポリマーを含む同様の電解質材料が記載されている。
【００１３】
米国特許第８，２６８，１９７号明細書により周知となっているポリマー電解質に関する問題の１つは、２相構造の形成がポリマー電解質の製造方法における加工条件の厳重な制御を必要とすることである。電池間で構造の変動が生じることがあり、その結果、伝導性、機械的性質、およびＬｉ電極の表面におけるデンドライトの形成に対する抵抗性などの品質の望ましくない変動が生じ得る。
【００１４】
米国特許出願公開第２０１４／００２３９３１号明細書により、物理的に架橋したゲルである電解質材料が周知となっている。ポリマーとして、ポリアミドまたはポリエステルのハードブロックとイオン伝導性ソフトブロックとを含むブロックコポリマーである。ブロックコポリマーを浴中の可塑剤で飽和させることによってゲルが形成されるため、このゲルは多量の可塑剤を含む。この結果、少なくとも１００重量％の非常に高い含有量の可塑剤が得られる。この種類の電解質材料の問題の１つは、電池の製造が非常に複雑なことである。
【００１５】
本発明の目的は、加工が容易となる固体ポリマー電解質を提供することである。
【００１６】
驚くべきことに、この目的は、固体ポリマー電解質が、ポリエステル、ポリアミド、またはジアミドのハードブロックと、イオン伝導性ソフトブロックとを含有する熱可塑性エラストマーと、金属塩とを含有し、固体ポリマー電解質が１５重量％未満の全可塑剤含有量を有する場合に得られる。
【００１７】
驚くべきことに、現在、押出機中で電解質材料を溶融させるステップと、電極間に電解質材料を積層するステップとにより、完成した電極−カソード系を製造することが可能である。
【００１８】
さらに別の利点は、本発明による電極材料は、電池の故障を引き起こす電極上の樹枝状構造の形成が起こりにくいことである。
【００１９】
さらに、電池中のスペーサーとして使用する場合、その電池が機械的に堅牢となる。
【００２０】
さらなる利点の１つは、電解質材料が、製造中および使用中に蒸発する可能性がある低分子量化合物をあまり含有しないことである。
【００２１】
さらに別の利点の１つは、たとえば、サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）を用いた測定の場合、電気化学的安定性が改善されることである。
【００２２】
熱可塑性エラストマーは、従来の熱可塑性プラスチックの加工特性を有し、その溶融温度未満では従来の熱硬化性ゴムの性能特性を有するゴム状材料である。熱可塑性エラストマーは、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ  Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ，ｓｅｃｏｎｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ  Ｒｅｉｎｈｏｌｄ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（ＩＳＢＮ  ０−４４２−２９１８４−１）に記載されている。
【００２３】
イオン伝導性ソフトブロックは、小さい一価および二価のカチオンを可溶性にすることが知られている、アルキルエーテルなどの１種類以上の高度に電気陰性の酸素含有種で構成される。
【００２４】
イオン伝導性ソフトブロックは、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、およびポリグリシジルエーテルのセグメントを含むことができる。好ましくは、イオン伝導性ブロックは、ポリエチレンオキシドＰＥＯのセグメントを含有する。
【００２５】
イオン伝導性ソフトブロックは、３００〜２０．０００ｋｇ／ｋｍｏｌの数平均分子量を有するＰＥＯセグメントを含有することができる。
【００２６】
好ましくは、この数平均分子量は少なくとも４００ｋｇ／ｋｍｏｌ、より好ましくは少なくとも５００ｋｇ／ｋｍｏｌ、さらにより好ましくは少なくとも６００ｋｇ／ｋｍｏｌである。好ましくは、数平均分子量は、２００００ｋｇ／ｋｍｏｌ未満、より好ましくは１００００ｋｇ／ｋｍｏｌ未満、最も好ましくは３．０００ｋｇ／ｋｍｏｌ未満である。数平均分子量は、ＤＩＮ  ＥＮ  １３９２６に準拠したヒドロキシル末端基滴定によって測定され、その後、この分析結果から数平均分子量が計算される。ポリエチレンオキシドセグメントは、ポリ（エチレンオキシド）末端のポリ（プロピレンオキシド）ジオールに由来することが可能である。しかし、導電性ソフトブロックがポリエチレンオキシドジオールに由来することが好ましい。最も好ましくは、熱可塑性エラストマーのソフトブロックは、少なくとも８０重量％についてポリエチレンオキシドセグメントからなり、より好ましくは少なくとも９０重量％、さらにより好ましくは少なくとも９８重量％、最も好ましくは１００重量％についてポリエチレンオキシドセグメントからなる。
【００２７】
ポリエチレンオキシドセグメントは、セグメントの結晶化を抑制するために、少量のランダム共重合したコモノマーを含むことができる。好適なコモノマーの例としては、プロピレンオキシド、グリシジルエーテルなどが挙げられる。イオン伝導性ソフトブロックは、鎖延長剤、好ましくは二酸を含むことも可能である。鎖延長剤を使用することの利点は、長いイオン伝導性ソフトブロックが得られ、同時に、鎖の規則性、したがって結晶化が抑制されてより高いイオン伝導性を得ることが可能なことである。
【００２８】
熱可塑性エラストマー中のイオン伝導性ソフトブロックの濃度は、好ましくは５０重量％を超え、より好ましくは６０重量％を超え、さらにより好ましくは６５重量％を超え、最も好ましくは７０重量％を超える。
【００２９】
ポリエステルハードセグメントは、好適には、少なくとも１種類のアルキレンジオールおよび少なくとも１種類の芳香族ジカルボン酸、またはそれらのエステルから誘導される繰り返し単位から構成されるハードセグメントを含有する。１つのブロックは、同じ化学組成の１つ以上のセグメントを含むことができる。１つのセグメントは、数個の繰り返し単位を含む。アルキレンジオールは、直鎖または脂環式のアルキレンジオールであってよい。直鎖または脂環式のアルキレンジオールは、一般に２〜６個のＣ原子、好ましくは２〜４個のＣ原子を含有する。それらの例としては、エチレングリコール、プロピレンジオール、およびブチレンジオールが挙げられる。好ましくは、エチレンジオールまたはブチレンジオールが使用され、より好ましくは１，４−ブチレンジオールが使用される。好適な芳香族ジカルボン酸の例としては、テレフタル酸、２，６−ナフタレンジカルボン酸、４，４’−ビフェニルジカルボン酸、またはこれらの組合せが挙げられる。これらの利点は、得られるポリエステルが、一般に、たとえば１２０℃を超え、好ましくは１５０℃を超え、より好ましくは１９０℃を超える融点を有する半結晶性となることである。ハードセグメントは、任意選択的に、一般にポリエステルの融点を低下させる別のジカルボン酸、たとえばイソフタル酸から誘導される少量の単位をさらに含有することができる。特にコポリエーテルエステルの結晶化挙動に悪影響が生じないようにするため、別のジカルボン酸の量は、好ましくは１０モル％以下、より好ましくは５モル％以下に制限される。ハードセグメントは、繰り返し単位として、好ましくはエチレンテレフタレート、プロピレンテレフタレートから構成され、特にブチレンテレフタレートから構成される。これらの容易に利用可能な単位の利点としては、好都合な結晶化挙動および高融点が挙げられ、この結果として、良好な加工特性、優れた耐熱性および耐薬品性、ならびに良好な耐破壊性を有するコポリエーテルエステルが得られる。
【００３０】
ポリアミドハードブロックとポリエチレンオキシドソフトブロックとを含む熱可塑性エラストマーは、たとえば、フランスのＡｒｋｅｍａからＰＥＢＡＸの商品名で入手可能である。
【００３１】
好ましい一実施形態では、熱可塑性エラストマーは、ジアミドハードセグメントを含有する。このようにして、高ソフトブロック含有量においてさえも、良好な機械的性質と、デンドライトの形成に対してさらに増加した抵抗性とを示すポリマー電解質が得られる。
【００３２】
好ましくは、ジアミドハードブロックは、形態Ｉ
【化１】
2018528567.tif 000002
（式中、ＸおよびＹは、同じまたは異なるものであり、２〜１２個の炭素原子を含む脂肪族基または６〜２０個の炭素原子を含む芳香族基であり、Ｒ１およびＲ２は、同じまたは異なるものであり、２〜１５個の炭素原子を含む脂肪族基であり、Ｒは、Ｒ１またはＲ２であり、同じまたは異なるものである）
によるジアミンから得られる。
【００３３】
ＸおよびＹは、同じまたは異なるものであり、２〜１２個の炭素原子を含む脂肪族基または６〜２０個の炭素原子を含む芳香族基である。ＸまたはＹが脂肪族である場合、ＸまたはＹは、非環式または環式の脂肪族基であってよい。非環式脂肪族基は、直鎖または分岐であってよい。直鎖脂肪族基の例としては、１，２−エチレン、１，３−プロピレン、１，４−ブチレン、１，５−ペンチレン、１，６−ヘキシレン、１，７−ヘプチレン、１，８−オクチレン、１，９−ノニレン、１，１０−デシレン、１，１１−ウンデシレン、および１，１２−ドデシレンが挙げられる。好ましくは、１，４−ブチレンが直鎖脂肪族基として使用される。分岐脂肪族基の例としては、１，２−プロパン、２，３−ブタン、１，５−（２−メチル）ペンチレン、２，５−ヘキサン、１，７−（３−メチル）ヘプチレン、１，９−（５−メチル）ノニレン、および２，１１−ドデシレンが挙げられる。環式脂肪族基の例としては、１，２−シクロブチレン、１，３−シクロブチレン、１，３−シクロペンチレン、１，２−シクロへキシレン、１，３−シクロへキシレン、１，４−シクロへキシレン、２−メチル−１，３−シクロへキシレン、１，３−シクロヘプチレン、１，４−シクロヘプチレン、１，６−デカヒドロナプチレン、２，６−デカヒドロナプチレン、２，７−デカヒドロナプチレン、１，８−デカヒドロナプチレン、１，２−シクロヘキシルジメチレン、１，３−シクロヘキシルジメチレン、１，４−シクロヘキシルジメチレン、および４，４’−メチレンジシクロヘキシレンが挙げられる。好ましくは、１，４−シクロへキシレンが使用される。
【００３４】
芳香族基の例としては、ｐ−フェニレン、ｐ−トルイレン、ｐ−キシリレン、ｍ−フェニレン、ｍ−トルイレン、ｍ−キシリレン、２，６−トルイレン、２，４−トルイレン、２，６−ナフチレン、２，７−ナフチレン、１，８−ナプチレン、１，５−アントラシレン、１，８−アントラシレン、２，６−アントラシレン、２，７−アントラシレン、２，５−フリレン、３，４−フリレン、２，７−フルオレニル、４，４’−（１，１’−ビフェニル）エン、３，３’−（１，１’−ビフェニル）エン、３，４’−（１，１’−ビフェニル）エン、２，４’−メチレンジフェニレン、および４，４’−メチレンジフェニレンが挙げられる。好ましくは、ｐ−フェニレンが使用される。
【００３５】
Ｒ１およびＲ２は、同じまたは異なるものであり、２〜１５個の炭素原子、好ましくは２〜１２個の炭素原子を含む非環式または環式の脂肪族基である。
【００３６】
Ｒ１またはＲ２が非環式基である場合、その基は直鎖または分岐であってよい。直鎖基の例としては、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、およびドデシルが挙げられる。分岐基の例としては、イソプロピル、（２−メチル）プロピル、ｔｅｒｔ−ブチル、２−ブチル、（２−メチル）ブチル、（２−エチル）ブチル、（２−エチル）ヘキシル、３−（６−メチル）ヘプチル、４−（３−メチル）ノニル、イソノニル、１−ヘプチルオクチルが挙げられる。環式基の例としては、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘキサンメチル、シクロオクチルが挙げられる。好ましくは、２−ブチル、（２−メチル）ブチル、（２−エチル）ブチルまたは（２−エチル）ヘキシルが使用される
【００３７】
好ましくは、Ｘ、Ｙ、Ｒ１、およびＲ２は、ジアミドの溶融温度が最大で２８０℃、より好ましくは最大で２６０℃、最も好ましくは最大で２４０℃となるように選択される。ジアミドの溶融温度は、一般に、基ＸおよびＹが芳香族である場合、これらの基の重量の増加とともに上昇し、基Ｘ、Ｙ、Ｒ１、Ｒ２が脂肪族である場合、これらの基の重量の増加とともに低下する。
【００３８】
好ましいジアミンとしては、ジアミノブタン（ＤＡＢ、ジアミド中において「４」で示される）およびｐ−フェニレンジアミン（ジアミド中において「φ」で示される）が挙げられる。好ましいジカルボン酸のジエステルとしては、テレフタル酸と（２−エチル）ヘキサノールとのジエステル（ＤＯＴ、ジアミド中において「Ｔ」で示される）、２，６−ナフタレンジカルボン酸と（２−エチル）ヘキサノールとのジエステル（ジアミド中において「Ｎ」で示される）、およびテレフタル酸とブタノールとのジエステル（ＤＢＴ）が挙げられる。したがって、好ましいジアミドとしては、Ｔ４Ｔ、ＴφＴ、Ｎ４Ｎ、およびＮφＮが挙げられる。熱可塑性エラストマーは、形態Ｉによる化合物と、ポリエチレンオキシドジオールとの反応によって得ることができ、これによってＲ基がポリエチレンオキシドジオールのヒドロキシル基と反応する。
【００３９】
本発明による電解質は、前述の熱可塑性エラストマーの１つを含有し、電解質塩として元素周期表のＩａ族およびＩＩａ族のカチオンと、アニオンとして、たとえばＣｌＯ４−、ＳＣＮ−、ＢＦ４−、ＡｓＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−、Ｂｒ−、Ｉ−、ＰＦ６−、（ＣＦ３ＳＯ）２Ｎ−、（ＣＦ３ＳＯ）３Ｃ−、ＣＦ３ＣＯ２−、（ＦＯ２Ｓ）２Ｎ−などとを含有する無機塩を含有することができる。これらの塩の好ましいカチオンとしては、リチウム電池の場合のＬｉ＋、およびナトリウム電池の場合のＮａ＋、およびＡｌ電池の場合のＡｌ３＋が挙げられる。リチウム電池、ナトリウム電池、アルミニウム電池は、リチウム、ナトリウム、またはアルミニウムを含むアノードを有する電池である。
【００４０】
塩のモル金属：熱可塑性エラストマーのソフトブロック中のモル酸素で表される電解質中の塩の量は、１：２５〜１：１０、好ましくは１：２０〜１：１５で変化させることができる。
【００４１】
電解質材料の全可塑剤含有量は、最大で１５重量％である。可塑剤は、ポリマー電解質材料の硬度を低下させる化合物である。この硬度は、ショア硬度（ＡＳＴＭ  Ｄ２２４０−１５）を意味する。可塑剤の例としては、有機カーボネート、好ましくは小さい脂肪族および脂環式のカーボネート、たとえばエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、またはそれらの混合物、ならびにポリエチレンオキシドグリコールが挙げられる。好ましくは、電解質材料中の全可塑剤含有量は、１０重量％未満の可塑剤、より好ましくは５重量％未満、さらにより好ましくは２重量％未満の可塑剤を含有する。最も好ましくは、電解質材料は可塑剤を含有しない。電解質は、電極界面の安定剤、熱安定剤、加工助剤、および難燃剤を含有することも可能である。
【００４２】
本発明は、電池、特に蓄電池の隣接する電極間のスペーサーであって、本発明の固体ポリマー電解質を含むスペーサーにも関する。
【００４３】
本発明は、本発明の固体ポリマー電解質をバインダーとして含む電極、特に蓄電池のための電極にも関する。
【００４４】
電極中、特にカソード中のバインダーとして本発明の固体ポリマー電解質が使用される場合、非常に良好な結果が得られる。これは、本発明によるバインダーが周知のバインダーよりもイオン伝導性が高く、そのため電池の出力が増加するからである。電極中、バインダーは、たとえば、好ましくはカーボンブラックで被覆されたＬｉＦｅＰＯ４粒子、ＬｉＣｏＯ２、および（ＬｉＮｉＭｎ）ＣｏＯ２粒子などの活性成分の粒子を結合させる機能を果たす。粒子がカーボンブラックで被覆されない場合、好ましくは、炭素系伝導性物質、たとえばカーボンブラックまたは黒鉛の分離した粒子がカソード中に混入される。電極中に使用されるバインダーの量は、２．５〜２０重量％であってよく、好ましくは５〜１０重量％である。
【００４５】
バインダーを含むこのような電極を作製するための種々の方法が米国特許出願公開第２０１２／０２０２１１４号明細書に記載されている。電極を作製する方法の１つは、従来の羽根型ミキサー中での活性成分と、結果的な炭素系伝導性物質との粒子の乾式固体混合のステップを含む。バインダーポリマーは、溶媒のヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）中に溶解させる。乾式混合した固体をバインダー溶液とともにボールミル中に供給し、次に十分に混合する。混合を促進し、次のコーティングプロセスで容易に取り扱うことができるように１０，０００〜２０，０００ｃｐｓの範囲内の粘度を有するスラリーを得るため、このボールミキサーは、数ミリメートルの直径を有するセラミックボール（ガラス、ジルコニア）からなる。アルミウム箔上のコーティング作業は、スロットダイ、リバースロールコーティング、またはドクターブレードコーティングを使用することができる。コーティングプロセス条件は、５０〜３００マイクロメートルの範囲内のコーティング厚さが得られるような方法で計画される。このカソードを乾燥させて溶媒を除去し、得られた多孔質乾燥電極は、カソードの厚さを正確に制御してカソード全体の密度を増加させるためにカレンダー加工を行う。
【００４６】
本発明は、一方でアノードおよび／またはカソードと、他方で少なくとも１つのアノードおよび／または少なくとも１つのカソードに隣接するスペーサーとの間にポリマー電解質の接着フィルムを含む、電池、特に蓄電池にも関する。
【００４７】
一方で少なくとも１つのアノードおよび／または少なくとも１つのカソードと、他方で少なくとも１つのアノードおよび／または少なくとも１つのカソードに隣接するスペーサーとの間にポリマー電解質の接着フィルムを含む電池を用いると、非常に良好な結果が得られる。これは、電極とスペーサーとの間の接触抵抗が低下するからである。セラミックスペーサーを用いると、フィルムがスペーサー中の細孔を満たし、特に良好な結果が得られる。
【００４８】
本発明は、実施例でさらに説明されるが、これらの実施例に限定されるものではない。
【００４９】
［使用されたポリマー：］
−  ＴＰＥ１：３５重量％のポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）ソフトブロックと、６５重量％のポリブチレンテレフタレートハードブロックとを含む熱可塑性コポリエステルエラストマー。このＰＥＧの数平均分子量（Ｍｎ）は２０００ｇ／ｍｏｌである。
−  ＴＰＥ２：７０重量％の（ＰＥＧ）ソフトブロックと、３０重量％のポリブチレンテレフタレートハードブロックとを含む熱可塑性コポリエステルエラストマー。このＰＥＧの数平均分子量（Ｍｎ）は４０００ｇ／ｍｏｌである。
−  ＴＰＥ３：ジアミドハードブロックを含有する熱可塑性エラストマー。このＴＰＥは、ＸおよびＹの両方がｐ−フェニレンである形態Ｉのジアミドから誘導される１０重量％のＴφＴハードブロックを含む。このＴＰＥは、数平均分子量（Ｍｎ）が２０００ｇ／ｍｏｌのＰＥＧのイオン伝導性ソフトブロック９０重量％と、テレフタル酸鎖延長剤とをさらに含む。
−  ＰＥＧ−ＤＭＥ、メチル末端キャップポリ（エチレングリコール）、数平均分子量（Ｍｎ）は２０００ｇ／ｍｏｌである。
【００５０】
［実施例Ｉ］
ポリマー電解質膜を以下の方法で作製した。ＴＰＥ１を乾燥窒素フラッシュ下のオーブンシステム中において１１０Ｃで２４時間乾燥させた。こうして乾燥させた３ｇのポリマーを撹拌ガラス容器中で２０ｍｌのヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）中に溶解させる。この混合物に０．３３５ｇの塩のビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウム（ＬｉＴＦＳＩ）を加え、撹拌して溶解させる。この場合、エチレンオキシド／Ｌｉイオンのモル比は２０である。得られた混合物を室温においてアルゴン流下でテフロンフィルム上にキャストし、７０Ｃで１０時間乾燥させると、２００または５００ミクロンの厚さおよび約５ｃｍ２の面積を有する、自立し、幾分強靱であり、固体状の電解質膜が得られる。
【００５１】
ステンレス鋼板間に膜を挟み、１Ｈｚ〜３００ｋＨｚの周波数範囲で周波数応答分析器によってインピーダンス分光法を行うことにより、これらの膜のＤＣ電気伝導率を測定した。電極との接触を改善するため、挟む前の膜の表面に金層をスパッタリングした。種々の温度で電気伝導率が測定され、表１を参照されたい。
【００５２】
【表１】
2018528567.tif 000003
【００５３】
［実施例ＩＩ］
他に記載のない限り、実施例１の手順により、ＴＰＥ２のポリマー電解質膜を作製した。３ｇの乾燥させたポリマーを撹拌ガラス容器中で２０ｍｌのヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）中に溶解させる。この混合物に０．６６９ｇの塩のビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウム（ＬｉＴＦＳＩ）を加え、撹拌して溶解させる。この場合、エチレンオキシド／Ｌｉイオンのモル比は２０である。３６０または４２０ミクロンの厚さを有し、この場合も幾分強靱な固体状の電解質膜が得られた。電気伝導率試験用の試料の作製は、実施例１と同一である。電気伝導率を表２に示す。
【００５４】
【表２】
2018528567.tif 000004
【００５５】
この実施例の伝導率レベルは、実施例２と比較してはるかに高い。たとえば、４０℃において、伝導率は１０−４Ｓ／ｃｍであり、実施例１と比較すると５倍である。乾燥した非ゲル化ポリマーを主成分とする電解質の場合、１０−４Ｓ／ｃｍは高い伝導率値と見なされる。たとえば、ＩＳＢＮ  ９７８−０−３８７−３４４４４−７，Ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，Ｍ．Ｙｏｓｈｉｏ，Ｒ．Ｊ．Ｂｒｏｄｄ，Ａ．Ｋｏｚａｗａ  Ｅｄｉｔｏｒｓ，ｐａｇｅｓ  ４１４０４１５には、ＰＥＧ系コポリマー系が１０−６〜１０−４Ｓ／ｃｍの範囲内のＬｉイオン伝導率値を示すと記載されており、３０℃において１０−４の値は実際に高いと見なされる。そのため、伝導率に関して、この試料はポリマー系電解質で到達可能な値の上限にある。
【００５６】
［実施例ＩＩＩ］
他に記載のない限り、上記実施例の手順によりＴＰＥ３のポリマー電解質膜を作製した。２，４６５ｇの乾燥させたポリマーを撹拌ガラス容器中で１５ｍｌのヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）中に溶解させる。この混合物に０．６９１ｇの塩のビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウム（ＬｉＴＦＳＩ）を加え、撹拌して溶解させる。この場合、エチレンオキシド／Ｌｉイオンのモル比は２０である。電気伝導率試験用の試料の作製は、上記実施例と同一であるが、金のスパッタリングは行わなかった。膜の厚さは約５００ミクロンであった。数種類の温度における電気伝導率を表３に示す。
【００５７】
【表３】
2018528567.tif 000005
【００５８】
［比較実験Ａ］
他に記載のない限り、上記実施例の手順によりＰＥＧ−ＤＭＥのポリマー電解質膜を作製した。３ｇの乾燥させたポリマーを撹拌ガラス容器中で２０ｍｌのヘキサフルオロイソプロパノール（ＨＦＩＰ）中に溶解させる。この混合物に０，４７３ｇの塩のビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウム（ＬｉＴＦＳＩ）を加え、撹拌して溶解させる。この場合もエチレンオキシド／Ｌｉイオンのモル比は２０である。電気伝導率試験用の試料の作製は、上記実施例と同一であるが、金のスパッタリングは行わなかった。膜の厚さは約５００ミクロンであった。数種類の温度における電気伝導率を表４に示す。
【００５９】
【表４】
2018528567.tif 000006
【００６０】
驚くべきことに、この例の電解質中のＰＥＧ含有量がより少ないにも関わらず、伝導率は、−１０〜４０℃の所望の動作温度においてより高いことが示されている。これは、蓄電池の通常の動作温度を反映している。
【００６１】
［実施例ＩＶ］
以下の方法での溶融加工により、ＴＰＥ２のポリマー電解質膜を作製した。ＴＰＥ２を乾燥窒素フラッシュ下のオーブンシステム中において１１０Ｃで２４時間乾燥させた。２．１９ｇの乾燥させたポリマーおよび０．５００ｇの塩のビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウム（ＬｉＴＦＳＩ）を、グローブボックス中の不活性で水を含まない条件下で、テフロンフィルム上で２５０度まで加熱した。この場合、エチレンオキシド／Ｌｉイオンのモル比は２０である。これらのＴＰＥおよび塩を、十分で均一な混合が確実となるよう、２５０度においてテフロンスパチュラを用いて手で激しく混合した。次に、第２のテフロン箔を使用し、手で軽く押し付けて均一層を形成した。冷却して室温に戻した後、得られたポリマー電解質膜を断片に切断し、十分に画定された寸法の試料の作製と電気化学的測定とを同時に行うことができる注文製作のステンレス鋼圧力セル中に取り付ける。２００度の温度および１．５トンの圧力を加えて２ｃｍ２および２００ミクロンの厚さの試料を作製した。実施例Ｉに記載されるようにして、この圧力セル中でＤＣ電気伝導率測定を行った。数種類の温度における電気伝導率を表５に示す。
【００６２】
【表５】
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【００６３】
表２および５の結果を比較すると、溶融加工によって同等の電気伝導率が得られることを示している。このため、溶融押出法による電池の製造が可能となる。
【国際調査報告】
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