JP2006032372A - Electro-chemical capacitor - Google Patents

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淳司 川井
Toshitaka Otsuki
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electro-chemical capacitor which assures superior performance for storing electricity, by solving the problems about the stability, corrosion resistance, low-temperature characteristics, and cyclic performance (durability). <P>SOLUTION: The electro-chemical capacitor comprises a pair of conjugate aromatic group compound containing nitrogen atom, and an electrode layer containing an auxiliary conductive material and a film-electrode structure body provided with polymer electrolytic film held in between both electrode layers. The polymer electrolytic film is formed of an aromatic polymer. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、プロトン伝導型導電性化合物を有する一対の電極層と、両電極層に挟持されたプロトン伝導性置換基を有する芳香族ポリマーからなる膜とを備える膜−電極構造体を有する電気化学キャパシタに関し、より詳しくは、電荷キャリアにプロトンを用いた電気化学キャパシタに関する。 The present invention relates to an electrochemistry having a membrane-electrode structure comprising a pair of electrode layers having a proton conductive compound and a membrane made of an aromatic polymer having a proton conductive substituent sandwiched between both electrode layers. More particularly, the present invention relates to an electrochemical capacitor using protons as charge carriers.

近年エネルギー貯蔵デバイスとして大容量キャパシタ技術が注目されている。大容量キャパシタは、主に電極/電解質の界面に生ずる電気二重層を蓄電に利用する電気二重層キャパシタと、金属酸化物や導電性高分子の表面の酸化還元反応(擬似電気二重層容量)を利用するレドックスキャパシタからなり、これらを総称して電気化学キャパシタと呼ばれることが多い。
プロトン伝導型導電性化合物を電極に用いる電気化学キャパシタはサイクル性、大電流特性に優れる(特許文献1)一方で、電解質に高濃度の硫酸水溶液などの電解液を使用するため、プロトン伝導型導電性化合物の電解液中での安定性、漏洩、腐食対策が必要であり、また低温での性能低下の原因となる電解液の氷結を防ぐために凝固点降下材の添加が必要でキャパシタ本来の特性を充分に発揮できない問題点がある。
上記問題点を解決するために、本発明者らは、プロトン伝導型導電性化合物を電極に用いる電気化学キャパシタについて、硫酸水溶液などの電解液を用いたキャパシタに代わるキャパシタについて鋭意検討した結果、プロトン伝導性置換基を有する芳香族ポリマーからなる膜を含水状態で電解質層として用いた電気化学キャパシタが、対安定性、腐食性に優れ、低温での特性にも優れ、劣化もほとんどない高耐久性を示すことを見出した。
特開2000−54176号公報
In recent years, large-capacity capacitor technology has attracted attention as an energy storage device. A large-capacity capacitor mainly uses an electric double layer capacitor that uses an electric double layer generated at the electrode / electrolyte interface for power storage, and a redox reaction (pseudo electric double layer capacitance) on the surface of a metal oxide or conductive polymer. It consists of redox capacitors to be used, and these are often collectively referred to as electrochemical capacitors.
An electrochemical capacitor using a proton-conducting conductive compound as an electrode is excellent in cycle characteristics and large current characteristics (Patent Document 1). On the other hand, an electrolyte such as a high-concentration sulfuric acid aqueous solution is used as an electrolyte. It is necessary to take measures against stability, leakage, and corrosion of electrolytes in the electrolyte, and to add freezing point depressant to prevent freezing of the electrolyte, which causes performance degradation at low temperatures. There is a problem that cannot be fully demonstrated.
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies on an electrochemical capacitor that uses a proton-conducting conductive compound as an electrode, instead of a capacitor that uses an electrolyte such as an aqueous sulfuric acid solution. An electrochemical capacitor using a membrane made of an aromatic polymer having a conductive substituent as an electrolyte layer in a water-containing state is excellent in stability and corrosivity, excellent in properties at low temperatures, and highly durable with little deterioration It was found to show.
JP 2000-54176 A

本発明の課題は、前述のような対安定性、腐食性、低温特性、サイクル性(耐久性)に対する問題点を解決して、優れた蓄電性能を備える電気化学キャパシタを提供することにある。   The subject of this invention is providing the electrochemical capacitor provided with the outstanding electrical storage performance by solving the problems with respect to stability, corrosivity, low-temperature characteristics, and cycleability (durability) as described above.

本発明は、プロトン伝導型導電性化合物を電極に用いる電気化学キャパシタについて、電解質としてプロトン伝導性置換基を有する芳香族ポリマーからなる膜を用いることを特徴とする電気化学キャパシタに関する。
すなわち、本発明は、1対の、窒素原子含有共役芳香族系化合物および導電補助材含む電極層と、両電極層に挟持された高分子電解質膜とを備える膜−電極構造体を有する電気化学キャパシタにおいて、前記高分子電解質膜は、芳香族ポリマーからなることを特徴とする電気化学キャパシタを提供するものである。
The present invention relates to an electrochemical capacitor using a proton conductive type conductive compound as an electrode, wherein the membrane is made of an aromatic polymer having a proton conductive substituent as an electrolyte.
That is, the present invention is an electrochemical having a membrane-electrode structure comprising a pair of electrode layers containing a nitrogen atom-containing conjugated aromatic compound and a conductive auxiliary material, and a polymer electrolyte membrane sandwiched between both electrode layers. In the capacitor, the polymer electrolyte membrane is made of an aromatic polymer and provides an electrochemical capacitor.

本発明の電気化学キャパシタは芳香族ポリマーを高分子電解質として使用するので、優れた耐久性を有する。   Since the electrochemical capacitor of the present invention uses an aromatic polymer as a polymer electrolyte, it has excellent durability.

以下、本発明に係る電気化学キャパシタについて具体的に説明する。
本発明において高分子電解質膜を構成する芳香族ポリマーとしては、分子内にスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基などのプロトン伝導性置換基を有する芳香族ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルホキシド、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾイミダゾール、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドから選択される少なくとも1種の芳香族ポリマーであることが好ましい、これらは単独、あるいは、2種以上の共重合体、あるいは、必要に応じて2種以上を混合して使用しても良い。
より好ましくは、スルホン酸基、リン酸基、あるいはカルボン酸基からなるプロトン伝導性置換基を有するポリマーセグメント(A)と、プロトン伝導性置換基を有しないポリマーセグメント(B)とが共有結合しているブロック共重合体であり、さらに好ましくは芳香環を結合基で共有結合させた構造を主鎖骨格に有するポリアリーレンであり、特に好ましくは、下記一般式(A)で表される構成単位と、下記一般式(B)で表される構成単位とを含むスルホン酸基を有するポリアリーレンである。
Hereinafter, the electrochemical capacitor according to the present invention will be specifically described.
In the present invention, the aromatic polymer constituting the polymer electrolyte membrane includes aromatic polysulfone, polyethersulfone, polyetherether having proton conductive substituents such as sulfonic acid group, phosphoric acid group, and carboxylic acid group in the molecule. Sulfone, polyaryl ether sulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfoxide, polyparaphenylene, polyarylene, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether ketone ketone, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polybenzimidazole, polyimide It is preferable that the polymer is at least one aromatic polymer selected from polyamide and polyamideimide. These are polymers alone, two or more copolymers, or as required. Flip and may be used as a mixture of two or more thereof.
More preferably, the polymer segment (A) having a proton conductive substituent consisting of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, or a carboxylic acid group is covalently bonded to the polymer segment (B) having no proton conductive substituent. A block copolymer, more preferably a polyarylene having a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with a linking group in the main chain skeleton, particularly preferably a structural unit represented by the following general formula (A) And a polyarylene having a sulfonic acid group containing a structural unit represented by the following general formula (B).

Figure 2006032372
・・・(A)
式(A)中、Yは単結合、電子吸引基または電子供与基を示し、具体的には−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)p−(ここで、pは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−などの電子吸引基、−(CH2)−、−C(CH3)2−、−O−、−S−などの電子供与基が挙げられる。
なお、電子吸引性基とは、ハメット(Hammett)置換基常数がフェニル基のm位の場合、0.06以上、p位の場合、0.01以上の値となる基をいう。
Figure 2006032372
... (A)
In formula (A), Y represents a single bond, an electron-withdrawing group or an electron-donating group, specifically, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) p- (wherein p is an integer of 1 to 10), an electron withdrawing group such as -C (CF 3 ) 2 -,-(CH 2 )-, -C (CH 3 ) 2- , -O Examples thereof include electron donating groups such as-and -S-.
The electron-withdrawing group refers to a group having a Hammett substituent constant of 0.06 or more when the phenyl group is in the m-position and 0.01 or more when it is in the p-position.

式(A)において、Arは、単核または多核芳香族基を示し、具体的にはフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などが挙げられる。
mは0〜10、好ましくは0〜8、より好ましくは0〜5の整数を示す。なお、mが1〜10のときはYは互いに同一でも異なっていてもよい。
式(A)において、kは0〜5の整数、lは0〜4の整数を示し、k+l≧1である。
In the formula (A), Ar represents a mononuclear or polynuclear aromatic group, and specific examples include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a phenanthyl group.
m represents an integer of 0 to 10, preferably 0 to 8, and more preferably 0 to 5. When m is 1 to 10, Ys may be the same as or different from each other.
In the formula (A), k represents an integer of 0 to 5, l represents an integer of 0 to 4, and k + l ≧ 1.

Figure 2006032372
・・・(B)
式(B)中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基およびアリール基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基などが挙げられ、メチル基、エチル基などが好ましい。
フッ素置換アルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられ、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基などが好ましい。
アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、
アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。
Figure 2006032372
... (B)
In the formula (B), R 1 to R 8 may be the same or different from each other, and are at least one selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, and an aryl group. An atom or group of
Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, and a hexyl group, and a methyl group and an ethyl group are preferable.
Examples of the fluorine-substituted alkyl group include trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoropropyl group, perfluorobutyl group, perfluoropentyl group, perfluorohexyl group, trifluoromethyl group, pentafluoroethyl group, and the like. Etc. are preferable.
Examples of allyl groups include propenyl groups,
Examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

Wは単結合または2価の電子吸引性基を示し、Tは単結合、2価電子吸引性基、2価の電子供与性基、下記一般式(C−1)または(C−2)で表される2価の基より選ばれた少なくとも1種の結合または基を示す。
2価の電子吸引性基、2価の電子供与性基としては上述したYが示す電子吸引性基、電子供与性基と同様の基が挙げられる。
W represents a single bond or a divalent electron withdrawing group, T represents a single bond, a divalent electron withdrawing group, a divalent electron donating group, represented by the following general formula (C-1) or (C-2) And at least one bond or group selected from the divalent groups represented.
Examples of the divalent electron withdrawing group include the same groups as the electron withdrawing group and the electron donating group represented by Y described above.

Figure 2006032372
式(C−1)および(C−2)において、R9〜R20は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基およびアリール基からなる群より選ばれた原子または基を示し、具体的には式(B)におけるR1〜R8と同様の原子または基が挙げられる。
式(C−1)および(C−2)において、Qは単結合または2価の電子供与性基を示し、2価の電子供与性基としては例えば−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C−などが挙げられる。
式(C−2)において、Jは単結合、アルキレン基、フッ素置換アルキレン基、アリール置換アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、アリーレン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−、−CO−、−CONH−、−COO−、−SO−および−SO2−からなる群より選ばれた1種の原子または基を示す。
Figure 2006032372
In the formulas (C-1) and (C-2), R 9 to R 20 may be the same as or different from each other, and are composed of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, and an aryl group. An atom or group selected from the group is shown, and specifically, the same atom or group as R 1 to R 8 in formula (B) can be mentioned.
In formulas (C-1) and (C-2), Q represents a single bond or a divalent electron donating group, and examples of the divalent electron donating group include -O-, -S-, -CH =. CH—, —C≡C— and the like can be mentioned.
In the formula (C-2), J represents a single bond, an alkylene group, a fluorine-substituted alkylene group, an aryl-substituted alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, an arylene group, a fluorenylidene group, -O-, -S-, -CO-, 1 atom or group selected from the group consisting of —CONH—, —COO—, —SO— and —SO 2 —.

アルキレン基、フッ素置換アルキレン基、アリール置換アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、アリーレン基、フルオレニリデン基として具体的には、例えば、−C(CH3)2−、−CH=CH−、−CH=CH−CH2−、−C≡C−、−(CF2)p−(ここで、pは1〜10の整数である)、−C(CF3)2−、下記式 Specific examples of the alkylene group, fluorine-substituted alkylene group, aryl-substituted alkylene group, alkenylene group, alkynylene group, arylene group, and fluorenylidene group include -C (CH 3 ) 2- , -CH = CH-, -CH = CH—CH 2 —, —C≡C—, — (CF 2 ) p — (wherein p is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —,

Figure 2006032372
で表される基などが挙げられる。
式(B)において、nは2以上の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。nが2以下では、電気化学キャパシタの耐久性が得られないことがあり、実用上問題のない耐久性を保持させるためにはnが10以上であることが好ましい。一方、nが100以上では、得られるスルホン化ポリアリーレン共重合体の粘度が高すぎ、電解質層を形成する際薄膜化が困難となる問題がある。
Figure 2006032372
Group represented by these.
In the formula (B), n is an integer of 2 or more, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80. When n is 2 or less, the durability of the electrochemical capacitor may not be obtained, and n is preferably 10 or more in order to maintain durability that does not cause a practical problem. On the other hand, when n is 100 or more, the resulting sulfonated polyarylene copolymer has a viscosity that is too high, which makes it difficult to reduce the thickness of the electrolyte layer.

本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、式(A)で表される繰り返し構成単位を0.05〜99.95モル%、好ましくは10〜99.5モル%の割合で、式(B)で表される繰り返し構成単位を99.95〜0.05モル%、好ましくは90〜0.5モル%の割合で含有している。   The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention has a repeating structural unit represented by the formula (A) in a proportion of 0.05 to 99.95 mol%, preferably 10 to 99.5 mol%. The repeating structural unit represented by (B) is contained in a proportion of 99.95 to 0.05 mol%, preferably 90 to 0.5 mol%.

(スルホン酸基を有するポリアリーレンの製造方法)
スルホン酸基を有するポリアリーレンは、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、このスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを加水分解して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
また、スルホン酸基を有する重合体は、上記一般式(A)で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない構造単位と、上記一般式(B)の構造単位とを有するポリアリーレンを予め合成し、この重合体をスルホン化することにより合成することもできる。
(Method for producing polyarylene having a sulfonic acid group)
The polyarylene having a sulfonic acid group includes a monomer having a sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the general formula (A) and an oligomer that can be a structural unit represented by the general formula (B). It can be synthesized by polymerizing to produce a polyarylene having a sulfonic acid ester group, hydrolyzing the polyarylene having a sulfonic acid ester group, and converting the sulfonic acid ester group into a sulfonic acid group.
The polymer having a sulfonic acid group includes a structural unit having a skeleton represented by the general formula (A) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group, and a structural unit of the general formula (B). It can also be synthesized by previously synthesizing polyarylene having sulphonate and sulfonating the polymer.

上記一般式(A)の構造単位となりうるモノマー(例えば下記一般式(D)で表されるモノマー、モノマー(D)ともいう。)と、上記一般式(B)の構造単位となりうるオリゴマー(例えば下記一般式(E)で表されるオリゴマー、オリゴマー(E)ともいう。)とを共重合させてスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン合成する場合には、モノマー(D)としては、例えば下記一般式(D)で表されるスルホン酸エステルが用いられる。   A monomer that can be a structural unit of the general formula (A) (for example, a monomer represented by the following general formula (D), also referred to as monomer (D)) and an oligomer that can be a structural unit of the general formula (B) (for example, In the case of synthesizing a polyarylene having a sulfonate group by copolymerizing with an oligomer represented by the following general formula (E) or oligomer (E), examples of the monomer (D) include: A sulfonic acid ester represented by the formula (D) is used.

Figure 2006032372
・・・(D)
式(D)中、Xはフッ素を除くハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素)、−OSO2Z(ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す。)から選ばれる原子または基を示す。
式(D)中、Y、Ar、m、kおよびlは、それぞれ上記一般式(A)中のY、Ar、m、kおよびlと同義であり、mが1〜10のときはYは互いに同一でも異なっていてもよく、k+l≧1である。
Figure 2006032372
... (D)
In formula (D), X is an atom selected from halogen atoms other than fluorine (chlorine, bromine, iodine), —OSO 2 Z (wherein Z represents an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, or an aryl group) or Indicates a group.
In the formula (D), Y, Ar, m, k and l are respectively synonymous with Y, Ar, m, k and l in the general formula (A). When m is 1 to 10, Y is They may be the same as or different from each other, and k + l ≧ 1.

式(D)中、Rは炭素原子数4〜20の炭化水素基を示し、具体的には、tert-ブチル基、iso-ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンタンメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]へプチル基、ビシクロ[2.2.1]へプチルメチル基などの直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基などが用いられる。これらのエステル基のうち、1級のアルコール由来で、分岐状、脂環族構造などの嵩高い置換基が、重合工程中での安定性の観点から好ましい。
式(D)で表されるスルホン酸エステルの具体例としては、以下の様な化合物が挙げられる。
In the formula (D), R represents a hydrocarbon group having 4 to 20 carbon atoms, specifically, tert-butyl group, iso-butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, neopentyl group, cyclopentyl. Group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantanemethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2.1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl A linear hydrocarbon group such as a group, a branched hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, or the like is used. Of these ester groups, bulky substituents such as branched and alicyclic structures derived from primary alcohols are preferred from the viewpoint of stability during the polymerization process.
Specific examples of the sulfonic acid ester represented by the formula (D) include the following compounds.

Figure 2006032372
Figure 2006032372

Figure 2006032372
Figure 2006032372

Figure 2006032372
Figure 2006032372

Figure 2006032372
Figure 2006032372

Figure 2006032372
また、上記一般式(D)で表されるモノマー(D)と同様の骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しない化合物の具体例としては、下記の様な化合物が挙げられる。
Figure 2006032372
Specific examples of the compound having the same skeleton as the monomer (D) represented by the general formula (D) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group include the following compounds.

Figure 2006032372
Figure 2006032372

Figure 2006032372
オリゴマー(E)としては、例えば下記一般式(E)で表される化合物が用いられる。
Figure 2006032372
As the oligomer (E), for example, a compound represented by the following general formula (E) is used.

Figure 2006032372
・・・(E)
式(E)中、R'およびR''は互いに同一でも異なっていてもよく、フッ素原子を除くハロゲン原子または−OSO2Z(ここで、Zはアルキル基、フッ素置換アルキル基またはアリール基を示す。)で表される基を示す。Zが示すアルキル基としてはメチル基、エチル基などが挙げられ、フッ素置換アルキル基としてはトリフルオロメチル基などが挙げられ、アリール基としてはフェニル基、p−トリル基などが挙げられる。
式(E)中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、上記一般式(B)におけるR1〜R8と同様の原子または基原子または基を示し、nは2以上の整数であり、上限は通常100、好ましくは10〜80である。
このような式(E)で表される化合物の例示としては、下記式で表される化合物などを挙げることができる。
Figure 2006032372
... (E)
Wherein (E), R 'and R''may be the same or different, a halogen atom or -OSO 2 Z other than fluorine atoms (where, Z is an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group or an aryl group The group represented by this is shown. Examples of the alkyl group represented by Z include a methyl group and an ethyl group, examples of the fluorine-substituted alkyl group include a trifluoromethyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a p-tolyl group.
In formula (E), R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and represent the same atom or group atom or group as R 1 to R 8 in formula (B), and n is 2 or more. It is an integer, and the upper limit is usually 100, preferably 10-80.
Examples of such a compound represented by the formula (E) include a compound represented by the following formula.

Figure 2006032372
Figure 2006032372

Figure 2006032372
Figure 2006032372

Figure 2006032372
上記のようなオリゴマー(E)は、例えば以下に示す方法で合成することができる。
Figure 2006032372
The oligomer (E) as described above can be synthesized, for example, by the method shown below.

まずビスフェノールを、アルカリ金属塩にするために、N−メチル−2−ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジフェニルスルホン、ジメチルスルホキサイドなどの誘電率の高い極性溶媒中でリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、水素化アルカリ金属、水酸化アルカリ金属、アルカリ金属炭酸塩などを加える。
ビスフェノールとして、具体的には2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−フェニルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジフェニルフェニル)フルオレン、2−フェニルフェノール、4,4’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、4,4’−ビス(4−ヒドロキシ−3−フェニルフェニル)ジフェニルメタン、4,4’−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジフェニルフェニル)ジフェニルメタン、2−フェニルヒドロキノンなどが挙げられる。
First, in order to convert bisphenol into an alkali metal salt, lithium, sodium, and sodium chloride in a polar solvent having a high dielectric constant such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, sulfolane, diphenylsulfone, and dimethylsulfoxide. Add alkali metals such as potassium, alkali metal hydrides, alkali metal hydroxides, alkali metal carbonates and the like.
Specific examples of bisphenol include 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 2, 2-bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (4-hydroxy-3-phenylphenyl) fluorene, 9,9-bis (4-hydroxy) -3,5-diphenylphenyl) fluorene, 2-phenylphenol, 4,4'-bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 4,4'-bis (4-hydroxy-3-phenylphenyl) diphenylmethane, 4,4 Examples include '-bis (4-hydroxy-3,5-diphenylphenyl) diphenylmethane, 2-phenylhydroquinone and the like.

通常、アルカリ金属は、フェノールの水酸基に対し、過剰気味で反応させ、1.1〜2倍当量を使用する。好ましくは、1.2〜1.5倍当量の使用が望ましい。
この際、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、クロロベンゼン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトールなどの水と共沸する溶媒を共存させて、電子吸引性基で活性化され、フッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された芳香族ジハライド化合物と反応させる。
アルカリ金属塩にされたビスフェノールと、特定の芳香族ジハライド化合物とを、水と共沸する溶媒の共存下に反応させる。ビスフェノールと芳香族ジハライド化合物との反応は、芳香族求核置換反応である。
本発明で使用される、水と共沸する溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、クロロベンゼン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトールなどが挙げられる。また、芳香族ジハライド化合物としては、電子吸引性基を有し、かつフッ素、塩素等のハロゲン原子で置換された芳香族ジハライド化合物が使用される。
Usually, the alkali metal is reacted in excess with respect to the hydroxyl group of phenol, and 1.1 to 2 times equivalent is used. Preferably, 1.2 to 1.5 times equivalent is used.
In this case, it is activated with an electron-withdrawing group in the presence of water and an azeotropic solvent such as benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chlorobenzene, dioxane, tetrahydrofuran, anisole, phenetole, fluorine, chlorine, etc. And an aromatic dihalide compound substituted with a halogen atom.
Bisphenol made into an alkali metal salt and a specific aromatic dihalide compound are reacted in the presence of a solvent azeotropic with water. The reaction between bisphenol and the aromatic dihalide compound is an aromatic nucleophilic substitution reaction.
Examples of the solvent azeotropic with water used in the present invention include benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, octane, chlorobenzene, dioxane, tetrahydrofuran, anisole, phenetole and the like. As the aromatic dihalide compound, an aromatic dihalide compound having an electron-withdrawing group and substituted with a halogen atom such as fluorine or chlorine is used.

かかる芳香族ジハライド化合物としては、例えば、4,4'−ジフルオロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−クロロフルオロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン、4−フルオロフェニル−4'−クロロフェニルスルホン、ビス(3−ニトロ−4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、ヘキサフルオロベンゼン、デカフルオロビフェニル、2,5−ジフルオロベンゾフェノン、1,3−ビス(4−クロロベンゾイル)ベンゼンなどが挙げられる。
反応性という点では、フッ素化合物の芳香族ジハライド化合物が望ましいが、次の芳香族カップリング反応によるポリアリーレンの合成を考慮した場合、末端が塩素原子となるように芳香族求核置換反応によるオリゴマー(E)の合成を組み立てる必要がある。
例えば、4,4'−ジクロロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホンなどの活性芳香族ハロゲン化合物もしくは4,4'−ジフルオロベンゾフェノンと4,4'−クロロフルオロベンゾフェノン併用系での置換反応を行うことで目的の化合物が得られる。
Examples of the aromatic dihalide compound include 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-chlorofluorobenzophenone, bis (4-chlorophenyl) sulfone, and bis (4-fluorophenyl). Sulfone, 4-fluorophenyl-4′-chlorophenylsulfone, bis (3-nitro-4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, hexafluorobenzene, decafluorobiphenyl, 2 , 5-difluorobenzophenone, 1,3-bis (4-chlorobenzoyl) benzene and the like.
In terms of reactivity, an aromatic dihalide compound of a fluorine compound is desirable, but in consideration of the synthesis of polyarylene by the following aromatic coupling reaction, an oligomer by an aromatic nucleophilic substitution reaction so that the terminal is a chlorine atom. It is necessary to assemble the synthesis of (E).
For example, an active aromatic halogen compound such as 4,4′-dichlorobenzophenone or bis (4-chlorophenyl) sulfone, or a substitution reaction using 4,4′-difluorobenzophenone and 4,4′-chlorofluorobenzophenone in combination. The desired compound is obtained.

このため、4,4'−ジクロロベンゾフェノン、ビス(4−クロロフェニル)スルホンなどの芳香族ジクロライド化合物を使用すること、もしくは4,4'−ジフルオロベンゾフェノンなどの芳香族ジフルオライド化合物と4−クロロ−4−フルオロベンゾフェノンなどのクロロフルオロベンゾフェノン類とを併用して使用すると、両端にクロロベンゾイル基が導入された構造の所望の化合物が得られるので望ましい。
活性芳香族ジハライドの使用量は、目的とするオリゴマー(E)の分子量に合わせて変更することができる。
以上のようなオリゴマー(E)を合成する反応では、予め、ビスフェノールをアルカリ金属塩としていてもよいが、上記原料を同時に反応容器に充填し、ビスフェノールをアルカリ金属塩としながら、芳香族ジハライド化合物との芳香族求核置換反応を行ってもよい。
反応温度は60℃〜300℃で、好ましくは80℃〜250℃の範囲である。反応時間は15分〜100時間、好ましくは1時間〜24時間の範囲である。
For this reason, an aromatic dichloride compound such as 4,4′-dichlorobenzophenone or bis (4-chlorophenyl) sulfone is used, or an aromatic difluoride compound such as 4,4′-difluorobenzophenone and 4-chloro-4- When used in combination with chlorofluorobenzophenones such as fluorobenzophenone, a desired compound having a structure in which chlorobenzoyl groups are introduced at both ends can be obtained.
The usage-amount of an active aromatic dihalide can be changed according to the molecular weight of the target oligomer (E).
In the reaction for synthesizing the oligomer (E) as described above, bisphenol may be converted to an alkali metal salt in advance, but the above raw materials are charged into a reaction vessel at the same time and the bisphenol is converted to an alkali metal salt. An aromatic nucleophilic substitution reaction may be performed.
The reaction temperature is 60 ° C to 300 ° C, preferably 80 ° C to 250 ° C. The reaction time ranges from 15 minutes to 100 hours, preferably from 1 hour to 24 hours.

(ポリアリーレンの合成)
スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンはモノマー(D)とオリゴマー(E)を触媒の存在下に反応させることにより合成される。この際に使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系である。
この触媒系としては、(1)遷移金属塩(銅塩を含む)および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体、ならびに(2)還元剤を必須成分とするものが使用される。さらに、重合速度を上げるために、遷移金属塩以外の「塩」を添加してもよい。
(Synthesis of polyarylene)
The polyarylene having a sulfonate group is synthesized by reacting the monomer (D) and the oligomer (E) in the presence of a catalyst. The catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound.
Examples of the catalyst system include (1) transition metal salts (including copper salts) and compounds serving as ligands (hereinafter referred to as “ligand components”), or transition metal complexes in which ligands are coordinated. And (2) those containing a reducing agent as an essential component. Furthermore, in order to increase the polymerization rate, “salts” other than transition metal salts may be added.

ここで、遷移金属塩としては、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、ニッケルアセチルアセトナートなどのニッケル化合物;塩化パラジウム、臭化パラジウム、ヨウ化パラジウムなどのパラジウム化合物;塩化鉄、臭化鉄、ヨウ化鉄などの鉄化合物;塩化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルトなどのコバルト化合物などが挙げられる。これらのうち特に、塩化ニッケル、臭化ニッケルなどが好ましい。
また、配位子成分としては、トリフェニルホスフィン、2,2'−ビピリジン、1,5−シクロオクタジエン、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパンなどが挙げられる。これらのうち、トリフェニルホスフィン、2,2'−ビピリジンが好ましい。上記配位子となる化合物は、1種単独で、あるいは2種以上を併用することができる。
Here, as the transition metal salt, nickel compounds such as nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide and nickel acetylacetonate; palladium compounds such as palladium chloride, palladium bromide and palladium iodide; iron chloride and iron bromide And iron compounds such as iron iodide; cobalt compounds such as cobalt chloride, cobalt bromide, and cobalt iodide. Of these, nickel chloride, nickel bromide and the like are particularly preferable.
Examples of the ligand component include triphenylphosphine, 2,2′-bipyridine, 1,5-cyclooctadiene, 1,3-bis (diphenylphosphino) propane, and the like. Of these, triphenylphosphine and 2,2′-bipyridine are preferred. The said compound used as a ligand can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

さらに、配位子が配位された遷移金属錯体としては、例えば、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、臭化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、ヨウ化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、硝酸ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2'−ビピリジン)、臭化ニッケル(2,2'−ビピリジン)、ヨウ化ニッケル(2,2'−ビピリジン)、硝酸ニッケル(2,2'−ビピリジン)、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスファイト)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムなどが挙げられる。これらのうち、塩化ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)、塩化ニッケル(2,2'−ビピリジン)が好ましい。
上記触媒系に使用することができる還元剤としては、例えば、鉄(金属)、亜鉛(金属)、マンガン(金属)、アルミニウム(金属)、マグネシウム(金属)、ナトリウム(金属)、カルシウム(金属)などが挙げられる。これらのうち、亜鉛、マグネシウム、マンガンが好ましい。これらの還元剤は、有機酸などの酸に接触させることにより、より活性化して用いることができる。
Furthermore, as the transition metal complex in which the ligand is coordinated, for example, nickel chloride bis (triphenylphosphine), nickel bromide bis (triphenylphosphine), nickel iodide bis (triphenylphosphine), nickel nitrate bis (Triphenylphosphine), nickel chloride (2,2'-bipyridine), nickel bromide (2,2'-bipyridine), nickel iodide (2,2'-bipyridine), nickel nitrate (2,2'-bipyridine) ), Bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) nickel, tetrakis (triphenylphosphite) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) palladium and the like. Of these, nickel chloride bis (triphenylphosphine) and nickel chloride (2,2′-bipyridine) are preferred.
Examples of the reducing agent that can be used in the catalyst system include iron (metal), zinc (metal), manganese (metal), aluminum (metal), magnesium (metal), sodium (metal), and calcium (metal). Etc. Of these, zinc, magnesium and manganese are preferred. These reducing agents can be used after being more activated by bringing them into contact with an acid such as an organic acid.

また、上記触媒系において使用することのできる「塩」としては、フッ化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどのナトリウム化合物、フッ化カリウム、塩化カリウム、臭化カリウム、ヨウ化カリウム、硫酸カリウムなどのカリウム化合物;フッ化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、硫酸テトラエチルアンモニウムなどのアンモニウム化合物などが挙げられる。これらのうち、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化カリウム、臭化テトラエチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウムが好ましい。   Examples of the “salt” that can be used in the above catalyst system include sodium compounds such as sodium fluoride, sodium chloride, sodium bromide, sodium iodide, sodium sulfate, potassium fluoride, potassium chloride, potassium bromide, Examples include potassium compounds such as potassium iodide and potassium sulfate; ammonium compounds such as tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetraethylammonium iodide, and tetraethylammonium sulfate. Of these, sodium bromide, sodium iodide, potassium bromide, tetraethylammonium bromide, and tetraethylammonium iodide are preferred.

各成分の使用割合は、遷移金属塩または遷移金属錯体が、上記モノマーの総計((D)+(E)、以下同じ)1モルに対し、通常、0.0001〜10モル、好ましくは0.01〜0.5モルである。遷移金属塩または遷移金属錯体が少ないと、重合反応が十分に進行しないことがあり、一方、遷移金属塩または遷移金属錯体が多くても、得られるポリマーの分子量が低下することがある。   The proportion of each component used is usually 0.0001 to 10 moles, preferably 0.001 moles per mole of transition metal salt or transition metal complex ((D) + (E), hereinafter the same). 01-0.5 mol. If there are few transition metal salts or transition metal complexes, the polymerization reaction may not proceed sufficiently. On the other hand, even if there are many transition metal salts or transition metal complexes, the molecular weight of the resulting polymer may be reduced.

触媒系において、遷移金属塩および配位子成分を用いる場合、この配位子成分の使用割合は、遷移金属塩1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。配位子成分が少ないと触媒活性が不十分となることがあり、一方、配位子成分が多くても、得られるポリマーの分子量が低下することがある。
また、還元剤の使用割合は、上記モノマーの総計1モルに対し、通常、0.1〜100モル、好ましくは1〜10モルである。還元剤が少ないと重合が十分進行しないことがあり、還元剤が多すぎると得られる重合体の精製が困難になることがある。
さらに、「塩」を使用する場合、その使用割合は、上記モノマーの総計1モルに対し、通常、0.001〜100モル、好ましくは0.01〜1モルである。「塩」の量が少ないと重合速度を上げる効果が不十分であることがあり、「塩」の量が多すぎると得られる重合体の精製が困難となることがある。
When a transition metal salt and a ligand component are used in the catalyst system, the ratio of the ligand component used is usually 0.1 to 100 mol, preferably 1 to 10 mol, per 1 mol of the transition metal salt. is there. If the ligand component is small, the catalytic activity may be insufficient. On the other hand, if the ligand component is large, the molecular weight of the resulting polymer may be reduced.
Moreover, the usage-amount of a reducing agent is 0.1-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 1-10 mol. If the amount of the reducing agent is small, the polymerization may not proceed sufficiently. If the amount of the reducing agent is too large, it may be difficult to purify the resulting polymer.
Furthermore, when using "salt", the usage-ratio is 0.001-100 mol normally with respect to the total of 1 mol of the said monomer, Preferably it is 0.01-1 mol. If the amount of “salt” is small, the effect of increasing the polymerization rate may be insufficient, and if the amount of “salt” is too large, purification of the resulting polymer may be difficult.

モノマー(D)とオリゴマー(E)とを反応させる際に、必要に応じて、重合溶媒を使用することができる。重合溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトン、N,N'−ジメチルイミダゾリジノンなどが挙げられる。これらのうち、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N,N'−ジメチルイミダゾリジノンが好ましい。これらの重合溶媒は、十分に乾燥してから用いることが好ましい。
重合溶液(溶媒とモノマー)中における上記モノマーの総計の濃度は、通常、1〜90重量%、好ましくは5〜40重量%である。
また、重合する際の重合温度は、通常、0〜200℃、好ましくは50〜120℃である。また、重合時間は、通常、0.5〜100時間、好ましくは1〜40時間である。
モノマー(D)を用いて得られたスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンは、スルホン酸エステル基を加水分解して、スルホン酸基に変換することによりスルホン酸基を有するポリアリーレンとすることができる。
When reacting the monomer (D) and the oligomer (E), a polymerization solvent can be used as necessary. Examples of the polymerization solvent include tetrahydrofuran, cyclohexanone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-butyrolactone, N, N′-dimethylimidazolidinone and the like. Can be mentioned. Of these, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, and N, N′-dimethylimidazolidinone are preferable. These polymerization solvents are preferably used after sufficiently dried.
The total concentration of the monomers in the polymerization solution (solvent and monomer) is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 40% by weight.
Moreover, the superposition | polymerization temperature at the time of superposing | polymerizing is 0-200 degreeC normally, Preferably it is 50-120 degreeC. The polymerization time is usually 0.5 to 100 hours, preferably 1 to 40 hours.
The polyarylene having a sulfonic acid ester group obtained using the monomer (D) can be converted into a polyarylene having a sulfonic acid group by hydrolyzing the sulfonic acid ester group and converting it to a sulfonic acid group. .

加水分解は、
(1)少量の塩酸を含む過剰量の水またはアルコールに、上記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを投入し、5分間以上撹拌する方法
(2)トリフルオロ酢酸中で上記スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを80〜120℃程度の温度で5〜10時間程度反応させる方法
(3)スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン中のスルホン酸エステル基(−SO3R)1モルに対して1〜3倍モルのリチウムブロマイドを含む溶液、例えばN−メチルピロリドンなどの溶液中で上記ポリアリーレンを80〜150℃程度の温度で3〜10時間程度反応させた後、塩酸を添加する方法
などを挙げることができる。
Hydrolysis is
(1) A method in which polyarylene having the sulfonic acid ester group is added to an excess amount of water or alcohol containing a small amount of hydrochloric acid and stirred for 5 minutes or longer. (2) The sulfonic acid ester group is contained in trifluoroacetic acid. Method of reacting polyarylene for about 5 to 10 hours at a temperature of about 80 to 120 ° C. (3) 1 to 3 mol per mol of sulfonic acid ester group (—SO 3 R) in polyarylene having a sulfonic acid ester group Examples include a method in which the polyarylene is reacted at a temperature of about 80 to 150 ° C. for about 3 to 10 hours in a solution containing double moles of lithium bromide, such as N-methylpyrrolidone, and then hydrochloric acid is added. Can do.

スルホン酸基を有するポリアリーレンは、上記一般式(D)で表されるモノマー(D)と同様の骨格を有しスルホン酸エステル基を有しないモノマーを用いて、ポリアリーレンを予め合成し、このポリアリーレンをスルホン化することにより合成することもできる。この場合、上記合成方法に準じた方法によりスルホン酸基を有しないモノマーとオリゴマー(E)とを共重合させてポリアリーレンを製造した後、スルホン化剤を用い、スルホン酸基を有しないポリアリーレンにスルホン酸基を導入することによりスルホン酸基を有するポリアリーレンを得ることができる。   The polyarylene having a sulfonic acid group is synthesized in advance using a monomer having a skeleton similar to the monomer (D) represented by the general formula (D) and having no sulfonic acid ester group. It can also be synthesized by sulfonating polyarylene. In this case, after producing a polyarylene by copolymerizing a monomer having no sulfonic acid group and an oligomer (E) by a method according to the above synthesis method, a polyarylene having no sulfonic acid group is prepared using a sulfonating agent. A polyarylene having a sulfonic acid group can be obtained by introducing a sulfonic acid group into.

このスルホン化の反応条件としては、スルホン酸基を有しないポリアリーレンを、無溶剤下、あるいは溶剤存在下で、スルホン化剤を用い、常法によりスルホン酸基を導入することにより得ることが出来る。
スルホン酸基を導入する方法としては、例えば、上記スルホン酸基を有しないポリアリーレンを、無水硫酸、発煙硫酸、クロルスルホン酸、硫酸、亜硫酸水素ナトリウムなどの公知のスルホン化剤を用いて、公知の条件でスルホン化することができる〔Polymer Preprints,Japan,Vol.42,No.3,p.730(1993);Polymer Preprints,Japan,Vol.43,No.3,p.736(1994);Polymer Preprints,Japan,Vol.42,No.7,p.2490〜2492(1993)〕。
すなわち、このスルホン化の反応条件としては、上記スルホン酸基を有しないポリアリーレンを、無溶剤下、あるいは溶剤存在下で、上記スルホン化剤と反応させる。溶剤としては、例えばn−ヘキサンなどの炭化水素溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶剤、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドのような非プロトン系極性溶剤のほか、テトラクロロエタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素などが挙げられる。反応温度は特に制限はないが、通常、−50〜200℃、好ましくは−10〜100℃である。また、反応時間は、通常、0.5〜1,000時間、好ましくは1〜200時間である。
上記のような方法により製造されるスルホン酸基を有するポリアリーレン中の、スルホン酸基量は通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く実用的ではない。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがあるため好ましくない。
上記のスルホン酸基量は、例えばモノマー(D)とオリゴマー(E)の種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。
As the reaction conditions for this sulfonation, polyarylene having no sulfonic acid group can be obtained by introducing a sulfonic acid group by a conventional method using a sulfonating agent in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. .
As a method for introducing a sulfonic acid group, for example, the polyarylene having no sulfonic acid group is known by using a known sulfonating agent such as sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfuric acid, sodium hydrogen sulfite and the like. [Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, No. 3, p. 730 (1993); Polymer Preprints, Japan, Vol. 43, No. 3, p. 736 (1994); Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, No. 7, p. 2490-2492 (1993)].
That is, as the reaction conditions for the sulfonation, the polyarylene having no sulfonic acid group is reacted with the sulfonating agent in the absence of a solvent or in the presence of a solvent. Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, tetrachloroethane, dichloroethane, chloroform, and chloride. And halogenated hydrocarbons such as methylene. The reaction temperature is not particularly limited, but is usually −50 to 200 ° C., preferably −10 to 100 ° C. Moreover, reaction time is 0.5 to 1,000 hours normally, Preferably it is 1 to 200 hours.
In the polyarylene having a sulfonic acid group produced by the method as described above, the amount of the sulfonic acid group is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably 0.8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and not practical. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered, which is not preferable.
The amount of the sulfonic acid group can be adjusted, for example, by changing the type, usage ratio, and combination of the monomer (D) and the oligomer (E).

このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。
スルホン酸基を有するポリアリーレンには、老化防止剤、好ましくは分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物を含有させて使用してもよく、老化防止剤を含有することで電極用電解質としての耐久性をより向上させることができる。
The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).
The polyarylene having a sulfonic acid group may contain an anti-aging agent, preferably a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more, and the anti-aging agent can be used as an electrode electrolyte. Can be further improved.

本発明で使用することのできる分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物としては、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロオネート](商品名:IRGANOX 245)、1,6−ヘキサンジオール−ビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 259)、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−3,5−トリアジン(商品名:IRGANOX 565)、ペンタエリスリチルーテトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 1010)、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX 1035)、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート)(商品名:IRGANOX 1076)、N,N−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロシンナマミド)(IRGAONOX 1098)、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4’−ヒドロキシベンジル)ベンゼン(商品名:IRGANOX 1330)、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレイト(商品名:IRGANOX 3114)、3,9−ビス[2−〔3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ〕−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン(商品名:Sumilizer GA-80)などを挙げることができる。
本発明において、スルホン酸基を有するポリアリーレン100重量部に対して分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物は0.01〜10重量部の量で使用することが好ましい。
As a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more that can be used in the present invention, triethylene glycol-bis [3- (3-t-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) proonate] (trade name: IRGANOX 245) 1,6-hexanediol-bis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 259), 2,4-bis- (n- Octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-di-t-butylanilino) -3,5-triazine (trade name: IRGANOX 565), pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-di-t -Butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1010), 2,2-thio-diethylenebis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate ] (Trade name: IRGANOX 1035), octadecyl-3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate) (trade name: IRGANOX 1076), N, N-hexamethylene bis (3.5 -Di-t-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamamide) (IRGAONOX 1098) 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-t-butyl-4'- Hydroxybenzyl) benzene (trade name: IRGANOX 1330), tris- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate (trade name: IRGANOX 3114), 3,9-bis [2- [3- (3-tert-Butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5.5] undecane (product) Name: Sumilizer GA-80).
In the present invention, the hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more with respect to 100 parts by weight of the polyarylene having a sulfonic acid group is preferably used in an amount of 0.01 to 10 parts by weight.

(電気化学キャパシタ)
本発明に係る電気化学キャパシタは、
1対の窒素原子含有共役芳香族系化合物および導電補助材含む電極層と、 両電極層に挟持された高分子電解質膜と を備える膜−電極構造体を有するものであり、高分子電解質膜として、前記したスルホン酸基を有するポリアリーレンを含むものである。
次に本発明に係る電気化学キャパシタの膜−電極構造体に使用される電極について具体的に説明する。
(Electrochemical capacitor)
The electrochemical capacitor according to the present invention is:
A membrane-electrode structure comprising: a pair of nitrogen atom-containing conjugated aromatic compounds and an electrode layer containing a conductive auxiliary material; and a polymer electrolyte membrane sandwiched between both electrode layers. And polyarylene having a sulfonic acid group as described above.
Next, the electrode used for the membrane-electrode structure of the electrochemical capacitor according to the present invention will be specifically described.

(電極材料)
本発明で使用できる電極材料としては、置換または非置換の窒素原子含有共役芳香族系化合物からなり、その酸化還元反応が窒素原子に脱吸着するプロトンによることを特徴とするプロトン伝導型導電性化合物を含有する。
窒素原子含有共役芳香族系化合物としては、例えば、アニリン類、インドール類、キノキサリン類およびそれらの誘導体などを挙げることができる。
電極材料には、導電性を確保するために必要に応じて導電補助材を添加する。導電補助材としては、結晶性カーボン、カーボンブラック、グラファイト等の導電材料が挙げられる。
また、電極の成形性を維持したり、プロトン伝導型導電性化合物および導電補助在を集電体、電解質膜上に固定するために、必要に応じてバインダーを添加してもよい。バインダーとしては、前記プロトン伝導性置換基を有する芳香族ポリマーを用いることもできる。プロトン伝導性を有する高分子バインダーを用いることにより、電極と電解質の界面におけるプロトンの交換反応が円滑に進み良好な蓄電特性が得られる。
(Electrode material)
An electrode material that can be used in the present invention is a proton-conducting conductive compound comprising a substituted or unsubstituted nitrogen atom-containing conjugated aromatic compound, and its oxidation-reduction reaction is caused by protons that are desorbed on nitrogen atoms. Containing.
Examples of the nitrogen atom-containing conjugated aromatic compound include anilines, indoles, quinoxalines, and derivatives thereof.
In order to ensure conductivity, a conductive auxiliary material is added to the electrode material as necessary. Examples of the conductive auxiliary material include conductive materials such as crystalline carbon, carbon black, and graphite.
In addition, a binder may be added as necessary in order to maintain the moldability of the electrode or to fix the proton conductive type conductive compound and the conductive auxiliary presence on the current collector and electrolyte membrane. As a binder, the aromatic polymer which has the said proton conductive substituent can also be used. By using a polymer binder having proton conductivity, the proton exchange reaction at the interface between the electrode and the electrolyte proceeds smoothly, and good power storage characteristics are obtained.

電極の構成材料の混合比は所望の特性が得られる限り任意であるが、単位質量または単位容量当たりの効率を考慮すると、プロトン伝導型導電性化合物が20〜98質量%、導電補助材が3〜60質量%、バインダーが0〜25質量%の範囲が望ましい。
本発明に係わるプロトン伝導型導電性化合物は、電気化学的又は化学的手法により、ドーピングしてもよい。例えば硫酸イオン、ハロゲン化物イオン、過塩素酸イオン、トリフルオロ酢酸イオン等であるが、プロトン伝導型導電性化合物にドープし電気化学的活性を付与するものであれば、これらに限定されない。
このようにドーピングされたプロトン伝導型導電性化合物は、プロトンの吸脱着を伴う電気化学反応を起こす。すなわち、プロトン伝導型導電性化合物の酸化還元反応に伴う電子授受において、プロトンの吸脱着のみが関与する。
The mixing ratio of the constituent materials of the electrode is arbitrary as long as the desired characteristics can be obtained, but considering the efficiency per unit mass or unit capacity, the proton conductive type conductive compound is 20 to 98% by mass, and the conductive auxiliary material is 3%. The range of ˜60 mass% and the binder of 0 to 25 mass% is desirable.
The proton conductive compound according to the present invention may be doped by an electrochemical or chemical method. For example, sulfate ions, halide ions, perchlorate ions, trifluoroacetate ions, and the like, but are not limited to these as long as they are doped into a proton conductive compound and impart electrochemical activity.
The proton-conducting conductive compound thus doped causes an electrochemical reaction that accompanies adsorption / desorption of protons. That is, only the adsorption / desorption of protons is involved in the electron transfer accompanying the oxidation-reduction reaction of the proton conductive compound.

(電気化学キャパシタの製造方法)
次に、添付の図面を参照しながら本発明に係る電気化学キャパシタについて説明する。図1は電気化学キャパシタに用いる膜−電極構造体の一構成例を示す説明的断面図である。
電気化学キャパシタは、例えば図1に示す構成の膜−電極構造体を備えている。前記膜−電極構造体は、集電体1及び6上にそれぞれ形成された正極電極層2及び負極電極層4が高分子電解質膜3を挟んで対向配置され、高分子電解質膜3を介して正極材料層2及び負極材料層4が積層された積層体の両側面には絶縁ゴム等からなるガスケット5が設けられている。
前記高分子電解質膜3は前記プロトン伝導性置換基を有する芳香族ポリマーからなる膜により構成されており、前記電極層2及び負極電極層4は、前記プロトン伝導型導電性化合物を有している。また、集電体1及び6はカーボンペーパーあるいは金属箔からなり、必要に応じてカーボンペーパーあるいは金属箔上に下地層を形成する。下地層は、カーボンペーパーあるいは金属箔と電極層との良好な電気的接合を得るために設けるものである。
前記膜−電極構造体において、金属箔は硫酸水溶液などの電解液による腐食の恐れがないためチタン等の特殊で高価な金属を用いる必要はなく、SUS,ニッケル、アルミ等の使用が可能である。
(Method for producing electrochemical capacitor)
Next, an electrochemical capacitor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing a configuration example of a membrane-electrode structure used for an electrochemical capacitor.
The electrochemical capacitor includes, for example, a membrane-electrode structure having the configuration shown in FIG. In the membrane-electrode structure, the positive electrode layer 2 and the negative electrode layer 4 formed on the current collectors 1 and 6 are arranged opposite to each other with the polymer electrolyte membrane 3 interposed therebetween, and the polymer electrolyte membrane 3 is interposed therebetween. Gaskets 5 made of insulating rubber or the like are provided on both side surfaces of the laminate in which the positive electrode material layer 2 and the negative electrode material layer 4 are laminated.
The polymer electrolyte membrane 3 is composed of a membrane made of an aromatic polymer having the proton conductive substituent, and the electrode layer 2 and the negative electrode layer 4 have the proton conductive compound. . The current collectors 1 and 6 are made of carbon paper or metal foil, and a base layer is formed on the carbon paper or metal foil as necessary. The underlayer is provided in order to obtain good electrical bonding between the carbon paper or metal foil and the electrode layer.
In the membrane-electrode structure, the metal foil does not need to be corroded by an electrolytic solution such as an aqueous sulfuric acid solution, so there is no need to use a special and expensive metal such as titanium, and SUS, nickel, aluminum, etc. can be used. .

電極層と集電体の接合は、前記電極材料を有する電極ペーストを集電体に直接塗工して形成するか、ポリエステルフィルム上にペーストを塗工し乾燥した電極層を集電体に熱プレスにより形成する。
また、電極層と高分子電解質膜の接合は、高分子電解質溶液を電極層に直接塗工して形成するか、高分子電解質膜を電極層に熱プレスにより形成する。
そして、高分子電解質膜3、正極電極層2及び負極電極層4をそれぞれ水中で含水させた状態で外装ケースである封止缶にセットされ、封口することにより、電気化学キャパシタが形成される。
封止缶の材質は硫酸水溶液などの電解液による腐食を考慮する必要がないのでSUSを使用することができる。
The electrode layer and the current collector are joined by directly applying an electrode paste having the above electrode material to the current collector, or by applying a paste on a polyester film and drying the electrode layer to the current collector. It is formed by pressing.
The electrode layer and the polymer electrolyte membrane can be joined by directly applying a polymer electrolyte solution to the electrode layer, or by forming the polymer electrolyte membrane on the electrode layer by hot pressing.
The polymer electrolyte membrane 3, the positive electrode layer 2, and the negative electrode layer 4 are each set in a sealing can which is an outer case in a state of being water-containing in water, and sealed to form an electrochemical capacitor.
As the material of the sealing can, SUS can be used because it is not necessary to consider corrosion due to an electrolytic solution such as an aqueous sulfuric acid solution.

上記のように電解液に換えて高分子電解質膜を用いることにより、プロトン伝導型導電性化合物の安定性の向上、腐食、漏液の抑制で信頼性が向上し、セパレーターを排することで、薄膜化、フレキシブルなデバイスに適するといった長所がある。 By using a polymer electrolyte membrane instead of the electrolyte solution as described above, the reliability of the proton conductive compound is improved, the corrosion is improved by suppressing leakage, and the separator is removed. It has the advantages of being thin and suitable for flexible devices.

[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例において、スルホン酸当量、分子量およびプロトン伝導度は以下のようにして求めた。
1.スルホン酸当量
得られたスルホン酸基を有する重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーに残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点から、スルホン酸当量を求めた。
2.分子量の測定
スルホン酸基を有しないポリアリーレン重量平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
In the examples, the sulfonic acid equivalent, molecular weight, and proton conductivity were determined as follows.
1. Sulfonic acid equivalent The polymer having the sulfonic acid group was washed with water until the water was neutral, thoroughly washed with water except for free remaining acid, dried, weighed a predetermined amount, THF / Phenolphthalein dissolved in a mixed solvent of water was used as an indicator, titration was performed using a standard solution of NaOH, and the sulfonic acid equivalent was determined from the neutralization point.
2. Measurement of molecular weight The polyarylene weight average molecular weight having no sulfonic acid group was determined by GPC using tetrahydrofuran (THF) as a solvent, and the molecular weight in terms of polystyrene was obtained. The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group was determined by GPC using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as a solvent as an eluent.

[合成例1]
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン(ビスフェノールAF)67.3g(0.20モル)、4,4'−ジクロロベンゾフェノン(4,4'−DCBP)60.3g(0.24モル)、炭酸カリウム71.9g(0.52モル)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)300mL、トルエン150mLを入れ、オイルバス中、窒素雰囲気下で攪拌および加熱を行い、撹拌しながら130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean-Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。その後、反応温度を130℃から徐々に150℃まで上げながら大部分のトルエンを除去し、150℃で10時間反応を続けた後、4,4'−DCBP10.0g(0.040モル)を加え、さらに5時間反応を続けた。得られた反応液を放冷後、副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を4Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収して乾燥後、テトラヒドロフラン300mLに溶解した。これをメタノール4Lに投入して再沈殿させ、目的の化合物95g(収率85%)を得た。
得られた化合物のGPC(THF溶媒)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)は11,200であった。また、得られた重合体はTHF、NMP、DMAc、スルホランなどに可溶で、Tgは110℃、熱分解温度は498℃であった。
得られた化合物は式(I)で表されるオリゴマー(以下、「BCPAFオリゴマー」という)であった。
[Synthesis Example 1]
2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3 was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube, and three-way cock for introducing nitrogen. , 3,3-hexafluoropropane (bisphenol AF) 67.3 g (0.20 mol), 4,4′-dichlorobenzophenone (4,4′-DCBP) 60.3 g (0.24 mol), potassium carbonate 71 .9 g (0.52 mol), N, N-dimethylacetamide (DMAc) 300 mL, and toluene 150 mL were added, and the mixture was stirred and heated in a nitrogen atmosphere in an oil bath, and reacted at 130 ° C. with stirring. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was produced in about 3 hours. Thereafter, most of the toluene was removed while gradually raising the reaction temperature from 130 ° C. to 150 ° C., and the reaction was continued at 150 ° C. for 10 hours. Then, 10.0 g (0.040 mol) of 4,4′-DCBP was added. The reaction was continued for another 5 hours. The resulting reaction solution was allowed to cool, and the precipitate of the inorganic compound produced as a by-product was removed by filtration, and the filtrate was poured into 4 L of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and then dissolved in 300 mL of tetrahydrofuran. This was put into 4 L of methanol and reprecipitated to obtain 95 g (yield 85%) of the target compound.
The number average molecular weight (Mn) in terms of polystyrene determined by GPC (THF solvent) of the obtained compound was 11,200. Further, the obtained polymer was soluble in THF, NMP, DMAc, sulfolane and the like, Tg was 110 ° C., and thermal decomposition temperature was 498 ° C.
The obtained compound was an oligomer represented by the formula (I) (hereinafter referred to as “BCPAF oligomer”).

Figure 2006032372
Figure 2006032372

[合成例2]
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、4−[4−(2,5−ジクロロベンゾイル)フェノキシ]ベンゼンスルホン酸neo-ペンチル(A−SO3 neo-Pe)39.58g(98.64ミリモル)、合成例1で得られたBCPAFオリゴマー(Mn=11,200)15.23g(1.36ミリモル)、Ni(PPh32Cl2 1.67g(2.55ミリモル)、PPh3 10.49g(40ミリモル)、NaI 0.45g(3ミリモル)、亜鉛末 15.69g(240ミリモル)、乾燥NMP 390mLを窒素下で加えた。反応系を攪拌下に加熱し(最終的には75℃まで加温)、3時間反応させた。重合反応液をTHF 250mLで希釈し、30分攪拌し、セライトを濾過助剤に用いて濾過し、濾液を大過剰のメタノール1500mLに注いで凝固させた。凝固物を濾集、風乾し、さらにTHF/NMP(それぞれ200/300mL)に再溶解し、大過剰のメタノール1500mLで凝固析出させた。風乾後、加熱乾燥により目的の黄色繊維状のネオペンチル基で保護されたスルホン酸誘導体からなる共重合体(PolyAB-SO3 neo-Pe)47.0g(収率99%)を得た。GPCによる分子量は、Mnが47,600、Mw(重量平均分子量)が159,000であった。
[Synthesis Example 2]
4- [4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenoxy] benzenesulfonic acid neo was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, condenser, Dean-Stark tube, and three-way cock for introducing nitrogen. -Pentyl (A-SO 3 neo-Pe) 39.58 g (98.64 mmol), BCPAF oligomer obtained in Synthesis Example 1 (Mn = 11,200) 15.23 g (1.36 mmol), Ni (PPh 3) 2 Cl 2 1.67g (2.55 mmol), PPh 3 10.49 g (40 mmol), NaI 0.45 g (3 mmol), zinc dust 15.69 g (240 mmol), under nitrogen dry NMP 390 mL Added in. The reaction system was heated with stirring (finally heated to 75 ° C.) and allowed to react for 3 hours. The polymerization reaction solution was diluted with 250 mL of THF, stirred for 30 minutes, filtered using Celite as a filter aid, and the filtrate was poured into a large excess of 1500 mL of methanol to coagulate. The coagulum was collected by filtration, air-dried, redissolved in THF / NMP (200/300 mL each), and coagulated with 1500 mL of a large excess of methanol. After air drying, 47.0 g (yield 99%) of a copolymer (PolyAB-SO 3 neo-Pe) composed of a sulfonic acid derivative protected with a target yellow fibrous neopentyl group was obtained by heat drying. The molecular weight by GPC was 47,600 for Mn and 159,000 for Mw (weight average molecular weight).

[合成例3]
合成例2で得られたPolyAB-SO3 neo-Pe 5.1gをNMP60mLに溶解し、90℃に加温した。反応系にメタノール50mLと濃塩酸8mLの混合物を一時に加えた。懸濁状態となりながら、温和な還流条件で10時間反応させた。蒸留装置を設置し、過剰のメタノールを溜去させ、淡緑色の透明溶液を得た。この溶液を大量の水/メタノール(1:1重量比)中に注いで、ポリマーを凝固させた後、洗浄水のpHが6以上となるまで、イオン交換水でポリマーを洗浄した。こうして得られたポリマーのIRスペクトルおよびイオン交換容量の定量分析から、スルホン酸エステル基(−SO3a)は定量的にスルホン酸基(−SO3H)に転換していることが確認された。
得られたスルホン酸基を有するポリアリーレン共重合体のGPCによる分子量は、Mnが53,200、Mwが185,000であり、スルホン酸当量は1.9meq/gであった。
[Synthesis Example 3]
5.1 g of PolyAB-SO 3 neo-Pe obtained in Synthesis Example 2 was dissolved in 60 mL of NMP and heated to 90 ° C. A mixture of 50 mL of methanol and 8 mL of concentrated hydrochloric acid was added to the reaction system at one time. While in suspension, the reaction was allowed to proceed for 10 hours under mild reflux conditions. A distillation apparatus was installed, and excess methanol was distilled off to obtain a light green transparent solution. This solution was poured into a large amount of water / methanol (1: 1 weight ratio) to solidify the polymer, and then the polymer was washed with ion-exchanged water until the pH of the washing water became 6 or more. From the IR spectrum of the polymer thus obtained and the quantitative analysis of the ion exchange capacity, it was confirmed that the sulfonate group (—SO 3 R a ) was quantitatively converted to the sulfonate group (—SO 3 H). It was.
The obtained polyarylene copolymer having a sulfonic acid group had a molecular weight of GPC of Mn of 53,200, Mw of 185,000, and a sulfonic acid equivalent of 1.9 meq / g.

[実施例1]
図1に示す前述の構造を持つ電池を常法により作製した。外装材としては、絶縁ゴムからなるガスケット5を設け、集電体1、6としては導電ゴムからなるものを用いた。高分子電解質膜としては、合成例3で合成したスルホン酸基を有するポリアリーレンをN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、キャスティング法により作製した乾燥膜厚40μm膜を用いた。
正極電極層2には、プロトン伝導型導電性化合物として6−ニトロインドールの三量体からなるインドール系三量体を用い、導電補助材として気相成長カーボン繊維を用いた。
負極電極層4には、プロトン伝導型導電性化合物として下記式で表されるポリフェニルキノキサリンを用い、導電補助材としてカーボンブラックを用いた。電極を構成するプロトン伝導型導電性化合物と導電補助材の混合比は、正電極及び負電極のいずれにおいても、質量比で75:25(プロトン伝導型導電性化合物:導電補助材)とした。
前記高分子電解質膜、正極電極層、及び負極電極層は、80℃の純水中で30分間浸漬し含水させて、図1の構造を作製しSUS製の封止缶にセット、かしめ装置にて封口し、本発明の電気化学キャパシタを形成した。
[Example 1]
A battery having the above-described structure shown in FIG. As the exterior material, a gasket 5 made of insulating rubber was provided, and the current collectors 1 and 6 made of conductive rubber were used. As the polymer electrolyte membrane, a dry film thickness of 40 μm prepared by casting the polyarylene having a sulfonic acid group synthesized in Synthesis Example 3 in N-methyl-2-pyrrolidone and using a casting method was used.
For the positive electrode layer 2, an indole-based trimer composed of a trimer of 6-nitroindole was used as a proton conductive conductive compound, and vapor-grown carbon fiber was used as a conductive auxiliary material.
For the negative electrode layer 4, polyphenylquinoxaline represented by the following formula was used as a proton conductive compound, and carbon black was used as a conductive auxiliary material. The mixing ratio of the proton conductive conductive compound and the conductive auxiliary material constituting the electrode was 75:25 (proton conductive conductive compound: conductive auxiliary material) in mass ratio for both the positive electrode and the negative electrode.
The polymer electrolyte membrane, the positive electrode layer, and the negative electrode layer are immersed in pure water at 80 ° C. for 30 minutes to contain water, and the structure shown in FIG. 1 is prepared and set in a SUS sealing can. The electrochemical capacitor of the present invention was formed.

作製した電池の評価を行うため、充放電試験を行った。10mA/cm2で1.2Vまで定電流充電を行い、1〜200mA/cm2の定電流で放電を行った。放電容量は活物質の重量基準で表した。0.9Vまでの容量を表1に示す。
また、1.2Vまで充電、0.9Vまで放電(充放電電流は10mA/cm2の定電流)を繰り返すサイクル試験を行った。20%までの容量減少サイクル数を表1に示す。
また、キャパシタの温度特性を調べるため、恒温層中で上記と同様の充放電条件で−20℃での放電容量の変化を評価した。20℃の容量を100とした時の変化量を表1に示す。
A charge / discharge test was performed in order to evaluate the produced battery. The battery was charged at a constant current of up to 1.2 V at 10 mA / cm 2 and discharged at a constant current of 1 to 200 mA / cm 2. The discharge capacity was expressed based on the weight of the active material. Table 1 shows the capacity up to 0.9V.
Further, a cycle test was repeated in which charging to 1.2 V and discharging to 0.9 V (charging / discharging current was a constant current of 10 mA / cm 2) were repeated. Table 1 shows the number of capacity reduction cycles up to 20%.
Moreover, in order to investigate the temperature characteristic of a capacitor, the change of the discharge capacity in -20 degreeC was evaluated on the charge / discharge conditions similar to the above in a thermostat. Table 1 shows the amount of change when the 20 ° C. capacity is taken as 100.

[比較例1]
高分子電解質膜として、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物(デュポン社製ナフィオン(商標))製のフィルムを用いた他は実施例1と同様にして電気化学キャパシタを構成し、同様の評価を行った。
[比較例2]
高分子電解質膜の代わりに、セパレーターとして電解液を含浸させた多孔質フィルムからなるセパレーターを用い、電解液に40%硫酸水溶液を用いた以外は実施例1と同様な電池を作製した。
[Comparative Example 1]
An electrochemical capacitor was constructed in the same manner as in Example 1 except that a film made of a perfluoroalkylenesulfonic acid polymer compound (Nafion (trademark) manufactured by DuPont) was used as the polymer electrolyte membrane, and the same evaluation was performed. It was.
[Comparative Example 2]
A battery similar to that of Example 1 was prepared except that a separator made of a porous film impregnated with an electrolytic solution was used as a separator instead of the polymer electrolyte membrane, and a 40% sulfuric acid aqueous solution was used as the electrolytic solution.

[比較例3]
また硫酸水溶液による外装ケース缶の腐食を防ぐため、あらかじめ
SEBSのトルエン溶液にケッチェンブラックECを、SEBS/ケッチェンブラックEC=10/6となるように添加し充分に混練りしたスラリーを外装ケース缶内壁に塗工し乾燥したものを外装ケース缶として用いた以外は比較例2と同様に電気化学キャパシタを構成し、実施例1と同様の評価を行った。
[Comparative Example 3]
In addition, in order to prevent corrosion of the outer case can due to sulfuric acid aqueous solution, a slurry obtained by adding ketjen black EC to SEBS toluene solution in advance so that SEBS / Ketjen black EC = 10/6 and sufficiently kneading is added to the outer case. An electrochemical capacitor was constructed in the same manner as in Comparative Example 2 except that a coated and dried product on the inner wall of the can was used as an outer case can, and the same evaluation as in Example 1 was performed.

Figure 2006032372
Figure 2006032372

電気化学キャパシタの断面図Cross section of electrochemical capacitor

符号の説明Explanation of symbols

1 集電体
2 正極電極層
3 高分子電解質膜
4 負極電極層
5 絶縁体
6 集電体


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Current collector 2 Positive electrode layer 3 Polymer electrolyte membrane 4 Negative electrode layer 5 Insulator 6 Current collector


Claims (7)

1対の、窒素原子含有共役芳香族系化合物および導電補助材含む電極層と、両電極層に挟持された高分子電解質膜とを備える膜−電極構造体を有する電気化学キャパシタにおいて、前記高分子電解質膜が、芳香族ポリマーからなることを特徴とする電気化学キャパシタ。 In the electrochemical capacitor having a membrane-electrode structure comprising a pair of an electrode layer containing a nitrogen atom-containing conjugated aromatic compound and a conductive auxiliary material, and a polymer electrolyte membrane sandwiched between both electrode layers, the polymer An electrochemical capacitor, wherein the electrolyte membrane is made of an aromatic polymer. 前記芳香族ポリマーが、スルホン酸基、リン酸基、あるいはカルボン酸基からなるイオン伝導性置換基を有するポリマーセグメント(A)と、プロトン伝導性置換基を有しないポリマーセグメント(B)とが共有結合しているブロック共重合体であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学キャパシタ。 In the aromatic polymer, the polymer segment (A) having an ion conductive substituent composed of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, or a carboxylic acid group and the polymer segment (B) having no proton conductive substituent are shared. The electrochemical capacitor according to claim 1, wherein the electrochemical capacitor is a bonded block copolymer. 前記芳香族ポリマーが、芳香環を結合基で共有結合させた構造を主鎖骨格に有することを特徴とする請求項1に記載の電気化学キャパシタ。   2. The electrochemical capacitor according to claim 1, wherein the aromatic polymer has a structure in which a main chain skeleton has a structure in which an aromatic ring is covalently bonded with a bonding group. 前記芳香族ポリマーが、下記一般式(A)で表される繰り返し単位および下記一般式(B)で表される繰り返し単位からなるスルホン酸基を有するポリアリーレンであることを特徴とする電気化学キャパシタ;
Figure 2006032372
・・・(A)
(式(A)中、Yは単結合、電子吸引基または電子供与基を示し、Arは単核または多核芳香族基を示し、mは0〜10の整数を示し、mが1〜10のときはYは互いに同一でも異なっていてもよく、kは0〜5の整数を示し、lは0〜4の整数を示し、k+l≧1である。)
Figure 2006032372
・・・(B)
(式(B)中、R1〜R8は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基およびアリール基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
Wは2価の電子吸引性基または単結合を示す。
Tは単結合、2価の電子吸引性基、2価の電子供与性基、下記一般式(C−1)または(C−2)で表される2価の基より選ばれた少なくとも1種を示し、nは2以上の整数を示す。)
Figure 2006032372

(式(C−1)および(C−2)中、R9〜R20は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アリル基およびアリール基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示し、Qは単結合または2価の電子供与性基を示す。
Jは単結合、アルキレン基、フッ素置換アルキレン基、アリール置換アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、アリーレン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−、−CO−、−CONH−、−COO−、−SO−および−SO2−からなる群より選ばれた1種の原子または基を示す。)。
The electrochemical capacitor, wherein the aromatic polymer is a polyarylene having a sulfonic acid group composed of a repeating unit represented by the following general formula (A) and a repeating unit represented by the following general formula (B) ;
Figure 2006032372
... (A)
(In the formula (A), Y represents a single bond, an electron withdrawing group or an electron donating group, Ar represents a mononuclear or polynuclear aromatic group, m represents an integer of 0 to 10, and m represents 1 to 10. Y may be the same as or different from each other, k represents an integer of 0 to 5, l represents an integer of 0 to 4, and k + l ≧ 1.)
Figure 2006032372
... (B)
(In Formula (B), R 1 to R 8 may be the same as or different from each other, and at least one selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, and an aryl group) Indicates an atom or group of species.
W represents a divalent electron-withdrawing group or a single bond.
T is at least one selected from a single bond, a divalent electron-withdrawing group, a divalent electron-donating group, and a divalent group represented by the following general formula (C-1) or (C-2). N represents an integer of 2 or more. )
Figure 2006032372

(In the formulas (C-1) and (C-2), R 9 to R 20 may be the same as or different from each other, and are selected from a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, an allyl group, and an aryl group. Q represents at least one atom or group selected from the group consisting of Q and Q represents a single bond or a divalent electron-donating group.
J represents a single bond, an alkylene group, a fluorine-substituted alkylene group, an aryl-substituted alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, an arylene group, a fluorenylidene group, -O-, -S-, -CO-, -CONH-, -COO-, One atom or group selected from the group consisting of —SO— and —SO 2 — is shown. ).
上記スルホン酸基を有するポリアリーレンが、スルホン酸基を0.3〜5.0meq/gの範囲で含有するポリアリーレンであることを特徴とする請求項4に記載の電気化学キャパシタ。   5. The electrochemical capacitor according to claim 4, wherein the polyarylene having a sulfonic acid group is a polyarylene containing a sulfonic acid group in a range of 0.3 to 5.0 meq / g. 前記窒素原子含有共役芳香族系化合物が、アニリン類、インドール類またはキノキサリン類であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学キャパシタ。   2. The electrochemical capacitor according to claim 1, wherein the nitrogen atom-containing conjugated aromatic compound is an aniline, an indole or a quinoxaline. 前記導電補助材が結晶性カーボン、カーボンブラックまたはグラファイトであることを特徴とする請求項1に記載の電気化学キャパシタ。



2. The electrochemical capacitor according to claim 1, wherein the conductive auxiliary material is crystalline carbon, carbon black, or graphite.



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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009059774A (en) * 2007-08-30 2009-03-19 Jsr Corp Method of manufacturing electrochemical capacitor
KR101101517B1 (en) * 2008-10-02 2012-01-04 성균관대학교산학협력단 Electrochemical capacitor and dye-sensitized solar cell including polymer electrolyte

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