JP2008251533A - Cation conductor, intermediate, polymer electrolyte membrane, and battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イオン伝導性の有機電解質、高分子電解質膜、その中間体および電解質膜を用いたリチウム電池などの電池に関する。 The present invention relates to an ion conductive organic electrolyte, a polymer electrolyte membrane, an intermediate thereof, and a battery such as a lithium battery using the electrolyte membrane.
電子技術の進歩により、電子機器の性能が向上して小型化・ポータブル化が進み、その電源としてエネルギー密度の高い二次電池が望まれている。これらの要求に応え、近年、エネルギー密度を大幅に向上できる非水電解液系二次電池、すなわち、有機電解液系リチウムイオン二次電池(以下、単に「リチウム電池」と記す)が開発され、急速に普及している。リチウム電池には、例えば正極の活物質としてリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム含有金属複合酸化物が用いられ、負極の活物質としてはリチウムイオンの層間への挿入(リチウム層間化合物の形成)および層間からのリチウムイオンの放出が可能な多層構造を有する炭素材料が主に用いられている。 Due to advances in electronic technology, the performance of electronic devices has improved and miniaturization / portability has progressed, and a secondary battery with high energy density is desired as its power source. In response to these demands, in recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries that can significantly improve energy density, that is, organic electrolyte lithium ion secondary batteries (hereinafter simply referred to as “lithium batteries”) have been developed. It is rapidly spreading. Lithium batteries use, for example, lithium-containing metal composite oxides such as lithium cobalt composite oxide as the positive electrode active material, and lithium ion insertion (lithium intercalation compound formation) and interlayer as the negative electrode active material A carbon material having a multilayer structure capable of releasing lithium ions from is mainly used.
リチウム電池は電解液として可燃性の有機電解液を使用しているため、電池のエネルギー密度向上に伴い、過充電、過放電などの濫用時の安全性確保が困難になりつつある。このため、可燃性の有機電解液を固体のリチウムイオン伝導性高分子に置き換えたリチウムポリマー電池が開発されている。 Since lithium batteries use flammable organic electrolytes as electrolytes, it is becoming difficult to ensure safety during abuse, such as overcharge and overdischarge, as the energy density of the batteries increases. For this reason, lithium polymer batteries in which combustible organic electrolytes are replaced with solid lithium ion conductive polymers have been developed.
現在までに検討されているイオン伝導性高分子のイオン伝導メカニズムは、高分子の分子鎖の運動と協同的に起こることが知られている。イオン伝導度は分子鎖の運動性に支配されており、セグメント運動に必要な活性化エネルギーの大きい分子鎖の運動により支配されることになる。そのため、室温でのイオン伝導度は10−4Scm−1程度であるが、低温になるに従って大きく減少する。 It is known that the ionic conduction mechanism of ion-conducting polymers studied to date occurs cooperatively with the movement of the molecular chains of the polymer. The ionic conductivity is governed by the mobility of the molecular chain, and is governed by the motion of the molecular chain having a large activation energy necessary for the segment motion. Therefore, although the ionic conductivity at room temperature is about 10 −4 Scm −1 , it greatly decreases as the temperature decreases.
そこで、本発明者らはこれまでに特許文献1で開示したように、分子鎖の運動に支配されないイオン伝導メカニズムとして、活性化エネルギーの低い単結合の回転をイオンの伝導に用いることを着想した。そして、リチウムイオンの配位子となる官能基を有する有機基が、他の有機基に単結合により結合され、広い温度領域で自由な回転が可能となるイオン伝導性高分子を見出した。このイオン伝導性高分子は、回転により隣接する同様の官能基とリチウムイオンを交換し、この交換作用を利用することによりイオン伝導を実現する。このイオン伝導機構により温度依存性に優れるポリマー電解質を達成することが可能となった。
Therefore, the present inventors have conceived of using rotation of a single bond with a low activation energy for ion conduction as an ion conduction mechanism that is not governed by the movement of molecular chains, as disclosed in
特許文献2には、室温から300℃の範囲で液体の挙動を示す含フッ素重合体からなるイオン性液体に関するもので、その原料として種々の物質が開示されている。
特許文献3には、新規の高分子固体電解質として、5員環構造を有するビニルイミダゾリン重合体が開示されている。
本発明は、単結合の回転を利用したイオン伝導体の低温特性を維持するとともに、イオン伝導度を更に向上することを目的とする。 An object of the present invention is to maintain the low temperature characteristics of an ionic conductor utilizing the rotation of a single bond and further improve the ionic conductivity.
本発明によるカチオン伝導体は、室温から約300℃の範囲で固体であり、かつカチオンに対して配位能を有する物質を含むことを特徴とする。 The cationic conductor according to the present invention is characterized in that it contains a substance that is solid in the range of room temperature to about 300 ° C. and has a coordination ability with respect to the cation.
本発明によるカチオン伝導体は、下記一般式(1) The cationic conductor according to the present invention has the following general formula (1):
(式中、Rは重合可能な不飽和結合を有する化合物が重合した有機基、iはRの重合度で、50〜1000が好ましく、XはQまたはS−Vであり、QはRと単結合を介して結合し、カチオンに対して配位能を有する複素環式化合物の有機基、Mk+はk価のカチオン、n、mは1以上の整数)で示される。この一般式において、前記複素環式有機基QまたはVは主鎖のRに対して一軸回転容易な構造をとり、その結果QまたはVに配位したカチオンが他のQまたはVの配位可能な原子に容易に移動する結果、ポリマーのイオン伝導度が改善される。そのため、QまたはVは、その一軸回転がなるべく妨げられないような、立体障害の少ない構造をとることが重要である。 (In the formula, R is an organic group in which a compound having a polymerizable unsaturated bond is polymerized, i is a polymerization degree of R, preferably 50 to 1000, X is Q or SV, and Q is a single unit with R. An organic group of a heterocyclic compound that is bonded through a bond and has a coordination ability to a cation, M k + is a k-valent cation, and n and m are integers of 1 or more. In this general formula, the heterocyclic organic group Q or V has a structure that allows easy uniaxial rotation with respect to R of the main chain, so that a cation coordinated with Q or V can coordinate with other Q or V. As a result, the ionic conductivity of the polymer is improved. Therefore, it is important that Q or V has a structure with less steric hindrance so that the uniaxial rotation is not hindered as much as possible.
また、上記一般式(1)は、下記一般式(2)で示されるカチオン伝導体を含む。 Moreover, the said general formula (1) contains the cation conductor shown by the following general formula (2).
(式中、Rは重合可能な不飽和結合を有する化合物が重合した有機基、iはRの重合度で、50から1000が好ましく、QはRと単結合を介して結合し、カチオンに対して配位能を有する複素環式化合物の有機基、Mk+はk価のカチオン、n、mは1以上の整数。 (In the formula, R is an organic group in which a compound having a polymerizable unsaturated bond is polymerized, i is a polymerization degree of R, preferably 50 to 1000, Q is bonded to R through a single bond, An organic group of a heterocyclic compound having coordination ability, M k + is a k-valent cation, and n and m are integers of 1 or more.
更に、上記一般式(1)は、下記一般式(3)で示されるカチオン伝導体を含む。 Furthermore, the general formula (1) includes a cation conductor represented by the following general formula (3).
(式中、Rは重合可能な不飽和結合を有する化合物が重合した有機基、iはRの重合度で50〜1000が好ましく、Sは前記Rと結合する有機基、Vは前記Sと単結合を介して結合し、カチオンに対して配位能を有する複素環式化合物の有機基、Mk+はk価のカチオン、n、m、kは1以上の整数)で示されるカチオン伝導体。 (In the formula, R is an organic group in which a compound having a polymerizable unsaturated bond is polymerized, i is preferably a polymerization degree of R of 50 to 1000, S is an organic group bonded to R, and V is a single unit with S. A cation conductor represented by an organic group of a heterocyclic compound that is bonded via a bond and has a coordination ability to a cation, M k + is a k-valent cation, and n, m, and k are integers of 1 or more.
本発明は、前記カチオン伝導体の前駆体である中間体を提供するもので、その一般式(4)は以下のとおりである。 This invention provides the intermediate body which is a precursor of the said cation conductor, The general formula (4) is as follows.
(式中、Rは重合可能な不飽和結合を有する化合物が重合した有機基、XはQまたはS−Vであり、QはRと単結合を介して結合し、カチオンに対して配位能を有する複素環式化合物の有機基、Mk+はk価のカチオン、n、mは1以上の整数)
前記一般式(4)は、下記の一般式(5)で示されるカチオン伝導体の中間体を含む。
(In the formula, R is an organic group in which a compound having a polymerizable unsaturated bond is polymerized, X is Q or SV, Q is bonded to R via a single bond, and is capable of coordinating with a cation. An organic group of a heterocyclic compound having, M k + is a k-valent cation, and n and m are integers of 1 or more)
The general formula (4) includes an intermediate of a cation conductor represented by the following general formula (5).
(式中、Rは重合可能な不飽和結合を有する化合物が重合した有機基、QはRと単結合を介して結合し、カチオンに対して配位能を有する複素環式化合物の有機基、Mk+はk価のカチオン、n、mは1以上の整数)
また、上記一般式(4)は、下記一般式(6)で示されるカチオン導電体の中間体を含む。
(Wherein R is an organic group in which a compound having a polymerizable unsaturated bond is polymerized, Q is an organic group of a heterocyclic compound that binds to R through a single bond and has a coordination ability to a cation, M k + is a k-valent cation, n and m are integers of 1 or more)
Moreover, the said General formula (4) contains the intermediate body of the cation conductor shown by following General formula (6).
(式中、Rは重合可能な不飽和結合を有する化合物が重合した有機基、Sは前記Rと結合する有機基、Vは前記Sと単結合を介して結合し、カチオンに対して配位能を有する複素環式化合物の有機基、Mk+はk価のカチオン、n、m、kは1以上の整数)
前記一般式(1)〜(3)で示されるカチオン伝導体の好ましい具体例として、下記一般式(7)で示されるカチオン伝導体を含む。
(In the formula, R is an organic group in which a compound having a polymerizable unsaturated bond is polymerized, S is an organic group bonded to R, V is bonded to S through a single bond, and is coordinated to a cation. An organic group of a heterocyclic compound having a function, M k + is a k-valent cation, and n, m, and k are integers of 1 or more)
Preferred specific examples of the cation conductor represented by the general formulas (1) to (3) include a cation conductor represented by the following general formula (7).
(式中、Rは重合可能な不飽和結合を有する化合物が重合した有機基、iはRの重合度、Sは前記Rと結合する有機基、Mk+はk価のカチオン、n、m、kは1以上の整数) (Wherein R is an organic group in which a compound having a polymerizable unsaturated bond is polymerized, i is a polymerization degree of R, S is an organic group bonded to R, M k + is a k-valent cation, n, m, k is an integer of 1 or more)
本発明によれば、単結合の回転を利用したイオン伝導体の低温特性を維持するとともに、イオン伝導度を更に向上した電解質、その中間体、電解質膜およびそれを用いたリチウム二次電池等の電池を提供することができる。 According to the present invention, while maintaining the low temperature characteristics of an ionic conductor utilizing the rotation of a single bond, an electrolyte having further improved ionic conductivity, an intermediate thereof, an electrolyte membrane, a lithium secondary battery using the electrolyte, and the like A battery can be provided.
本発明の実施の形態を以下に詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below.
本発明に係る一実施例としてのカチオン伝導体は、前記一般式(3)で示されるものを用いた。特に、本実施例のカチオン伝導体は、有機基Sと有機基Vとの結合が単結合であり、この単結合を介してVが自由に回転している。また、本実施例における化合物は、カチオンに対して配位能を有する複素環式化合物の有機基Qに配位したカチオンMk+が隣接する有機基Q同士で容易に移動交換することによりカチオン伝導性を示す。 As the cation conductor as an example according to the present invention, the cation conductor represented by the general formula (3) was used. In particular, in the cationic conductor of this example, the bond between the organic group S and the organic group V is a single bond, and V freely rotates through this single bond. In addition, the compound in this example is a cation-conducting agent because the cation M k + coordinated to the organic group Q of the heterocyclic compound having the coordination ability to the cation is easily exchanged between adjacent organic groups Q. Showing gender.
つぎに、一般式(3)で示される具体的なカチオン伝導体の合成方法1を示す。アミノ−2、6−ジオキサン10gをピリジン0.2dm3に溶解した溶液に対して、攪拌しながら4−ビニルベンゾイルクロライド(19g、110mmol)を添加し、室温下で100時間反応させた。反応溶液に2%塩酸(0.2dm3)を添加した後に、酢酸エチルを用いて分液抽出を行った。硫酸ナトリウムで乾燥後、減圧濃縮して中間体1(N−2、6−ジオキサニル−4−ビニル−ベンズアミド)を得た。
Next, a specific cationic
得られた上記重合体の中間体1の化学式を以下に示す。 The chemical formula of the obtained intermediate 1 of the polymer is shown below.
得られた中間体1の5gをN−メチルピロリドン0.1dm3に溶解させ、そこに2、2’−アゾビスイソブチロニトリル0.02gを溶解させたN−メチルピロリドン溶液4cm3を滴下して加え、攪拌し、100℃に加熱した。この反応溶液にメタノールを滴下して再沈させて室温から300℃において固体であるポリマー1(ポリ(N−2、6−ジオキサニル−4−ビニル−ベンズアミド))を得た。 5 g of the obtained intermediate 1 was dissolved in 0.1 dm 3 of N-methylpyrrolidone, and 4 cm 3 of N-methylpyrrolidone solution in which 0.02 g of 2,2′-azobisisobutyronitrile was dissolved was dropped. Added, stirred and heated to 100 ° C. Methanol was added dropwise to the reaction solution for reprecipitation to obtain polymer 1 (poly (N-2,6-dioxanyl-4-vinyl-benzamide)) that was solid at room temperature to 300 ° C.
このポリマー1gとリチウムトリフルオロスルホンイミド塩2gをN−メチルピロリドン20mlに溶解させて、四フッ化エチレンシート上にキャストして、常温で減圧乾燥させて、膜厚が100μmのポリマー電解質1のキャストフィルムを作製した。このキャストフィルムを直径15mmのステンレス(SUS304)電極間にはさみ、評価セルを作製した。
1 g of this polymer and 2 g of lithium trifluorosulfonimide salt are dissolved in 20 ml of N-methylpyrrolidone, cast on a tetrafluoroethylene sheet, dried under reduced pressure at room temperature, and cast of
室温においてこのセルに振幅電圧10mVを印加し、交流インピーダンスの測定を行った。周波数範囲は1Hzから1MHzとした。交流インピーダンス測定から得られたバルク抵抗値の逆数からイオン伝導度を求めた。イオン伝導度は比較例におけるポリマー電解質より高い伝導度を示した。 An AC voltage was measured by applying an amplitude voltage of 10 mV to the cell at room temperature. The frequency range was 1 Hz to 1 MHz. The ionic conductivity was determined from the reciprocal of the bulk resistance value obtained from the AC impedance measurement. The ionic conductivity was higher than that of the polymer electrolyte in the comparative example.
前記一般式(3)の重合体について説明する。 The polymer of the general formula (3) will be described.
本実施例のカチオン伝導体は、有機基Sと有機基Vとの結合が単結合であり、この単結合を介して有機基Vが自由に回転している。また、本実施例における化合物は、有機基Vに配位したカチオンMk+が隣接する有機基V同士で容易に移動交換することによりカチオン伝導性を示す。 In the cation conductor of this example, the bond between the organic group S and the organic group V is a single bond, and the organic group V is freely rotated through this single bond. Moreover, the compound in a present Example shows cation conductivity by the cation Mk + coordinated to the organic group V carrying out transfer exchange easily between the adjacent organic groups V. FIG.
ここで、有機基Sと有機基Vとの結合が単結合であることが重要であるが、有機基Rと有機基Sとの結合は単結合に限定されない。 Here, it is important that the bond between the organic group S and the organic group V is a single bond, but the bond between the organic group R and the organic group S is not limited to a single bond.
つぎに、一般式(3)で示される具体的なカチオン伝導体の合成方法2を示す。2−アミノ−s−トリアジン12.5gをピリジン0.2dm3に溶解した溶液に対して、攪拌しながら4−ビニルベンゾイルクロライド19gを添加し、室温下で100時間反応させた。反応溶液に2%塩酸0.2dm3を添加した後に、酢酸エチルを用いて分液抽出を行った。硫酸ナトリウムで乾燥後、減圧濃縮して固体と思われる中間体2(N−s−トリアジニル−4−ビニルベンズアミド)を得た。
Next, a specific cationic
得られた中間体2の化学式を以下に示す。
The chemical formula of the obtained
得られた中間体2の5gをN−メチルピロリドン0.1dm3に溶解させ、そこに2、2’−アゾビスイソブチロニトリル0.02gを溶解させたN−メチルピロリドン溶液4cm3を滴下して加え、攪拌し、100℃に加熱した。この反応溶液にメタノールを滴下して再沈させて室温から300℃において固体であるポリマー2(ポリ(N−s−トリアジニル−4−ビニルベンズアミド))を得た。 5 g of the obtained intermediate 2 was dissolved in 0.1 dm 3 of N-methylpyrrolidone, and 4 cm 3 of an N-methylpyrrolidone solution in which 0.02 g of 2,2′-azobisisobutyronitrile was dissolved was dropped. Added, stirred and heated to 100 ° C. Methanol was added dropwise to the reaction solution for reprecipitation to obtain polymer 2 (poly (Ns-triazinyl-4-vinylbenzamide)) that was solid at room temperature to 300 ° C.
このポリマー1gとリチウムトリフルオロスルホンイミド塩2.5gとをN−メチルピロリドン20mlに溶解させて、四フッ化エチレンシート上にキャストして、常温で減圧乾燥させて、膜厚が100μmのポリマー電解質2によるキャストフィルムの膜を作製した。このキャストフィルムを直径15mmのステンレス(SUS304)電極間にはさみ、評価セルを作製した。 1 g of this polymer and 2.5 g of lithium trifluorosulfonimide salt are dissolved in 20 ml of N-methylpyrrolidone, cast on a tetrafluoroethylene sheet, dried under reduced pressure at room temperature, and a polymer electrolyte having a thickness of 100 μm. A cast film membrane according to 2 was produced. This cast film was sandwiched between stainless steel (SUS304) electrodes having a diameter of 15 mm to produce an evaluation cell.
室温においてこのセルに振幅電圧10mVを印加し、交流インピーダンス測定を行った。周波数範囲は1Hzから1MHzとした。交流インピーダンス測定から得られたバルク抵抗値の逆数からイオン伝導度を求めた。イオン伝導度は比較例におけるポリマー電解質より高い伝導度を示した。 An AC voltage was measured by applying an amplitude voltage of 10 mV to the cell at room temperature. The frequency range was 1 Hz to 1 MHz. The ionic conductivity was determined from the reciprocal of the bulk resistance value obtained from the AC impedance measurement. The ionic conductivity was higher than that of the polymer electrolyte in the comparative example.
前記一般式(3)の重合体について説明する。 The polymer of the general formula (3) will be described.
本実施例において、有機基Rはポリスチレンとしているが、本来、有機基Rは特に制限がなく、飽和炭化水素化合物、不飽和炭化水素化合物、芳香族系炭化水素化合物など種々の有機基が適用可能である。炭化水素化合物の有機基に限らず窒素、硫黄、酸素などの元素を含んでいてもよい。分子量にも制限がなく、低分子量化合物から高分子量化合物まで使用可能である。高分子量化合物は低分子量化合物単量体の重合体であってもよい。 In this example, the organic group R is polystyrene, but the organic group R is not particularly limited, and various organic groups such as saturated hydrocarbon compounds, unsaturated hydrocarbon compounds, and aromatic hydrocarbon compounds can be applied. It is. It is not limited to the organic group of the hydrocarbon compound and may contain elements such as nitrogen, sulfur and oxygen. The molecular weight is not limited, and low molecular weight compounds to high molecular weight compounds can be used. The high molecular weight compound may be a polymer of a low molecular weight compound monomer.
Rが高分子化合物である場合、単量体の重合度に対応した数であってもよい。また、各単量体が複数個置換されていてもよい。重合の手段について制限はなく、付加重合、重付加、重縮合などを用いることができる。 When R is a polymer compound, it may be a number corresponding to the degree of polymerization of the monomer. In addition, a plurality of each monomer may be substituted. There is no restriction | limiting about the means of superposition | polymerization, Addition polymerization, polyaddition, polycondensation, etc. can be used.
本実施例における有機基Vはカチオンを配位しうる元素を1個以上持った複素環式化合物である。特に、有機基Vとして複素環式芳香族化合物であるピリジル基、ピリミジル基、s−トリアジニル基が望ましい。 The organic group V in this example is a heterocyclic compound having one or more elements capable of coordinating cations. In particular, the organic group V is preferably a heterocyclic aromatic compound such as a pyridyl group, a pyrimidyl group, or an s-triazinyl group.
特許文献1に記載されたカチオン伝導体は、6員環構造を有する芳香族化合物に対して、置換基としてリチウムイオン配位性を有する官能基、例えばメトキシ基(−OCH3)が導入された構造、すなわちジメトキシフェニル基がアミド基を介してポリマー主鎖に対して結合した構造を有している。このジメトキシフェニル基とアミド基とを結合する単結合を介して運動することにより、イオン伝導が起きる。
In the cation conductor described in
この運動の際に、置換基として導入されているリチウムイオン配位性を有するメトキシ基が、その官能基自身の分子の大きさによって、イオン伝導を行う運動に対して阻害的に働くことが考えられる。また、リチウムイオン配位性を有する置換基は、単結合の回転を阻害するだけでなく、カチオン伝導体の有機溶媒に対する溶解度に影響を与えて加工性を損ねることがある。 During this movement, it is considered that the methoxy group having lithium ion coordinating properties introduced as a substituent acts inhibitory to the movement that conducts ions depending on the molecular size of the functional group itself. It is done. In addition, the substituent having lithium ion coordinating properties not only inhibits the rotation of a single bond, but also affects the solubility of the cation conductor in an organic solvent, thereby impairing workability.
本発明によるカチオン伝導体においては、有機基Vは、6員環構造を有するが、炭素原子、水素原子以外の種類の原子を含有する複素環式芳香族化合物である。その際、含有する原子が、6員環構造内に存在する場合にイオン配位性を示す。 In the cation conductor according to the present invention, the organic group V is a heterocyclic aromatic compound having a six-membered ring structure but containing atoms other than carbon atoms and hydrogen atoms. In that case, when the atom to contain exists in a 6-membered ring structure, ion coordination property is shown.
イオン伝導を行うための単結合を介した運動を達成するための構造において、イオンが配位するための機能は、イオン配位性を有する官能基である置換基ではなく、イオン配位性を示す元素から構成される6員環構造のみで達成することができる。このため、イオン伝導のための回転運動を阻害されることがなく、上記の課題を解決することが可能である。 In the structure for achieving movement through a single bond for conducting ionic conduction, the function for coordination of ions is not a substituent which is a functional group having ion coordination, but ion coordination. This can be achieved only with a 6-membered ring structure composed of the elements shown. For this reason, the above-mentioned problem can be solved without hindering the rotational movement for ion conduction.
つぎに、一般式(3)で示される具体的なカチオン伝導体の合成方法3を示す。2−ヒドロキシピリミジンハイドロクロライド13.3gをテトラヒドロフラン0.2dm3に溶解し、トリエチルアミン12.1gを加えた。この溶液に対して、攪拌しながらメタクリル酸−2−イソシアネートエチルエステル15.5gを添加して60度で30時間反応させた。反応溶液を減圧濃縮した後に、2%塩酸0.2dm3を添加した後に、酢酸エチルを用いて分液抽出を行った。硫酸ナトリウムで乾燥後、減圧濃縮して固体と思われる中間体3を得た。
Next, a specific cationic
得られた中間体3の化学式を以下に示す。 The chemical formula of the obtained intermediate 3 is shown below.
得られた中間体3の5gをN−メチルピロリドン0.1dm3に溶解させ、そこに2、2’−アゾビスイソブチロニトリル0.02gを溶解させたN−メチルピロリドン溶液4cm3を滴下して加え、攪拌し、100℃に加熱した。この反応溶液にメタノールを滴下して再沈させて室温から300℃において固体であるポリマー3を得た。
5 g of the obtained intermediate 3 was dissolved in 0.1 dm 3 of N-methylpyrrolidone, and 4 cm 3 of an N-methylpyrrolidone solution in which 0.02 g of 2,2′-azobisisobutyronitrile was dissolved was dropped. Added, stirred and heated to 100 ° C. Methanol was added dropwise to the reaction solution for reprecipitation to obtain
このポリマー1gとリチウムトリフルオロスルホンイミド塩2.3gとをN−メチルピロリドン20mlに溶解させて、四フッ化エチレンシート上にキャストして、常温で減圧乾燥させて、膜厚が100μmのポリマー電解質3によるキャストフィルムの膜を作製した。このキャストフィルムを直径15mmのステンレス(SUS304)電極間にはさみ、評価セルを作製する。 1 g of this polymer and 2.3 g of lithium trifluorosulfonimide salt are dissolved in 20 ml of N-methylpyrrolidone, cast onto a tetrafluoroethylene sheet, dried under reduced pressure at room temperature, and a polymer electrolyte having a thickness of 100 μm. A cast film membrane according to 3 was prepared. This cast film is sandwiched between stainless steel (SUS304) electrodes having a diameter of 15 mm to produce an evaluation cell.
室温においてこのセルに振幅電圧10mVを印加し、交流インピーダンス測定を行った。周波数範囲は1Hzから1MHzとした。交流インピーダンス測定から得られたバルク抵抗値の逆数からイオン伝導度を求めた。イオン伝導度は比較例におけるポリマー電解質より高い伝導度を示した。 An AC voltage was measured by applying an amplitude voltage of 10 mV to the cell at room temperature. The frequency range was 1 Hz to 1 MHz. The ionic conductivity was determined from the reciprocal of the bulk resistance value obtained from the AC impedance measurement. The ionic conductivity was higher than that of the polymer electrolyte in the comparative example.
さらに、本発明に係る一実施例としてのカチオン伝導体は、一般式(3)におけるSがアミド基であり、RにC(炭素原子)が結合し、アミド基のN(チッ素原子)にピリミジル基が結合したアミド基を有する一般式(8)で示される化合物である。このような化合物が最も好ましい。 Further, in the cation conductor according to an embodiment of the present invention, S in the general formula (3) is an amide group, C (carbon atom) is bonded to R, and N (nitrogen atom) of the amide group is bonded to the cation conductor. It is a compound represented by the general formula (8) having an amide group to which a pyrimidyl group is bonded. Such compounds are most preferred.
このような化合物において、ピリミジル基のイオン配位性である2つの窒素原子に対してそれぞれカチオンが配位するときの構造について記述する。カチオンに対する配位能を有する窒素原子を6員環構造中に有するピリミジル基の近傍にアミド基が存在することにより、アミド基中のカルボニル基(−C=O)の酸素原子とピリミジル基の窒素原子との2つのイオン配位性官能基によりカチオンに配位することが可能となる。ピリミジル基の6員環構造中に2つある窒素原子のもう一つの方においては、カチオンが配位可能な官能基はピリミジル基の6員環構造中の窒素原子のみとなる。このようにピリミジル基の2つの窒素原子に対してそれぞれカチオンが配位するとき、片方はピリミジル基の窒素原子とカルボニル基の酸素原子とあわせて2つの配位、もう一方はピリミジル基の窒素原子のみの配位、といったように、配位能が異なることになる。 In such a compound, a structure when a cation is coordinated to each of two nitrogen atoms which are ion-coordinating properties of a pyrimidyl group will be described. The presence of an amide group in the vicinity of the pyrimidyl group having a nitrogen atom capable of coordinating to the cation in the 6-membered ring structure, thereby allowing the oxygen atom of the carbonyl group (—C═O) in the amide group and the nitrogen of the pyrimidyl group. It becomes possible to coordinate to a cation by two ion-coordinating functional groups with an atom. In the other of the two nitrogen atoms in the 6-membered ring structure of the pyrimidyl group, the functional group to which the cation can coordinate is only the nitrogen atom in the 6-membered ring structure of the pyrimidyl group. Thus, when the cation is coordinated to two nitrogen atoms of the pyrimidyl group, one side is two coordinations with the nitrogen atom of the pyrimidyl group and the oxygen atom of the carbonyl group, and the other is the nitrogen atom of the pyrimidyl group. Coordination ability will be different, such as only coordination.
このような異なる配位能の官能基が同一分子内に存在する構造が多数配置された状態において、カチオンの移動が促進される。これによりカチオンの配位能が低い官能基から配位能の高い官能基へのカチオンの移動が促進される。このようなメカニズムを用いる場合、すなわち、活性化エネルギーの低い単結合の回転運動をイオン伝導に用いる場合、例えば高分子のセグメント運動が抑制される低い温度においても高いイオン伝導度が得られる。さらに、アミド基などの有機基Sを含む方がカチオンの配位能の高低差を発現することにより、一層高いイオン伝導度が得られる。 In such a state where a large number of structures having functional groups having different coordinating abilities existing in the same molecule are arranged, the movement of the cation is promoted. Thereby, the movement of the cation from the functional group having a low cation coordination ability to the functional group having a high coordination ability is promoted. When such a mechanism is used, that is, when the rotational motion of a single bond having a low activation energy is used for ionic conduction, for example, high ionic conductivity can be obtained even at a low temperature at which the segment motion of the polymer is suppressed. Furthermore, when the organic group S such as an amide group is included, a higher ionic conductivity can be obtained by expressing the difference in the coordination ability of the cation.
つぎに、一般式(8)で示される具体的なカチオン伝導体の合成方法3を示す。2−アミノピリミジン12gをピリジン0.2dm3に溶解した溶液に対して、攪拌しながら4−ビニルベンゾイルクロライド19gを添加し、室温下で97時間反応させた。反応溶液に2%塩酸0.2dm3を添加した後に、酢酸エチルを用いて分液抽出を行った。硫酸ナトリウムで乾燥後、減圧濃縮して固体の中間体4(N−ピリミジニル−4−ビニルベンズアミド)を得た。
Next, a specific cationic
得られた中間体4の化学式を以下に示す。 The chemical formula of the obtained intermediate 4 is shown below.
得られた中間体4の5gをN−メチルピロリドン0.1dm3に溶解させ、そこに2、2’−アゾビスイソブチロニトリル0.05gを溶解させたN−メチルピロリドン溶液4cm3を滴下して加え、攪拌し、100℃に加熱した。この反応溶液にメタノールを滴下して再沈させて室温から300℃において固体であるポリマー4(ポリ(N−ピリミジニル−4−ビニルベンズアミド))を得た。この合成反応全体を示せば以下のとおりである。 5 g of the obtained intermediate 4 was dissolved in 0.1 dm 3 of N-methylpyrrolidone, and 4 cm 3 of an N-methylpyrrolidone solution in which 0.05 g of 2,2′-azobisisobutyronitrile was dissolved was dropped. Added, stirred and heated to 100 ° C. Methanol was added dropwise to the reaction solution for reprecipitation to obtain polymer 4 (poly (N-pyrimidinyl-4-vinylbenzamide)) that was solid at room temperature to 300 ° C. The overall synthesis reaction is as follows.
このポリマー1gとリチウムトリフルオロスルホンイミド塩2.5gとをN−メチルピロリドン20mlに溶解させて、四フッ化エチレンシート上にキャストして、常温で減圧乾燥させ、膜厚が100μmのポリマー電解質4によるキャストフィルムの膜を作製した。このキャストフィルムを直径15mmのステンレス(SUS304)電極間にはさみ、評価セルを作製した。
1 g of this polymer and 2.5 g of lithium trifluorosulfonimide salt are dissolved in 20 ml of N-methylpyrrolidone, cast onto a tetrafluoroethylene sheet, dried under reduced pressure at room temperature, and
室温においてこのセルに振幅電圧10mVを印加し、交流インピーダンス測定を行う。周波数範囲は1Hzから1MHzとした。交流インピーダンス測定から得られたバルク抵抗値の逆数からイオン伝導度を求めた。イオン伝導度は比較例におけるポリマー電解質より高い伝導度を示した。 An AC voltage is measured by applying an amplitude voltage of 10 mV to the cell at room temperature. The frequency range was 1 Hz to 1 MHz. The ionic conductivity was determined from the reciprocal of the bulk resistance value obtained from the AC impedance measurement. The ionic conductivity was higher than that of the polymer electrolyte in the comparative example.
下記一般式(9)の重合体について説明する。 The polymer of the following general formula (9) will be described.
2−ピリミジンカルボキリッククロライド14.3gを蒸留乾燥したテトラヒドロフラン0.3dm3に溶解させ、4−アミノスチレン12.0gをゆっくりと滴下して2日間室温で攪拌する。反応溶液を濃縮して、酢酸エチルおよび2規定の塩酸から酢酸エチル層を抽出する。これを塩酸、飽和食塩水で洗浄して硫酸ナトリウムで乾燥した後に濃縮、精製して固体と思われる中間体5(N−(4−ビニルフェニル)ピリミジン−2−カルボキシリックアミド)を得た。 14.3 g of 2-pyrimidinecarboxyl chloride is dissolved in 0.3 dm 3 of distilled and dried tetrahydrofuran, and 12.0 g of 4-aminostyrene is slowly added dropwise and stirred at room temperature for 2 days. The reaction solution is concentrated, and the ethyl acetate layer is extracted from ethyl acetate and 2N hydrochloric acid. This was washed with hydrochloric acid and saturated brine, dried over sodium sulfate, concentrated and purified to obtain Intermediate 5 (N- (4-vinylphenyl) pyrimidine-2-carboxylic amide) which appeared to be a solid.
得られた中間体5の化学式を以下に示す。 The chemical formula of the obtained intermediate 5 is shown below.
得られた中間体5の5gをN−メチルピロリドン0.1dm3に溶解させ、そこに2、2’−アゾビスイソブチロニトリル0.05gを溶解させたN−メチルピロリドン溶液4cm3を滴下して加え、攪拌し、100℃に加熱した。この反応溶液にメタノールを滴下して再沈させて室温から300℃において固体であるポリマー5(ポリ(N−(4−ビニルフェニル)ピリミジン−2−カルボキシリックアミド))を得た。 5 g of the obtained intermediate 5 was dissolved in 0.1 dm 3 of N-methylpyrrolidone, and 4 cm 3 of an N-methylpyrrolidone solution in which 0.05 g of 2,2′-azobisisobutyronitrile was dissolved was dropped. Added, stirred and heated to 100 ° C. Methanol was added dropwise to the reaction solution for reprecipitation to obtain polymer 5 (poly (N- (4-vinylphenyl) pyrimidine-2-carboxylic amide)) that was solid at room temperature to 300 ° C.
このポリマー1gに、側鎖に対して当量数を変化させてそれぞれ所定量のリチウムトリフルオロスルホンイミド塩を加え、N−メチルピロリドン20mlに溶解させて、四フッ化エチレンシート上にキャストして、常温で減圧乾燥させて、膜厚が100μmのポリマー電解質5のキャストフィルムを作製した。このキャストフィルムを直径15mmのステンレス(SUS304)電極間にはさみ、評価セルを作製した。
To 1 g of this polymer, a predetermined amount of lithium trifluorosulfonimide salt was added to each side chain while changing the number of equivalents, dissolved in 20 ml of N-methylpyrrolidone, cast on a tetrafluoroethylene sheet, The film was dried under reduced pressure at room temperature to produce a cast film of
室温においてこのセルに振幅電圧10mVを印加し、交流インピーダンス測定を行った。周波数範囲は1Hzから1MHzとした。交流インピーダンス測定から得られたバルク抵抗値の逆数からイオン伝導度を求める。イオン伝導度は比較例におけるポリマー電解質より高い伝導度を示した。測定結果を図2に示す。 An AC voltage was measured by applying an amplitude voltage of 10 mV to the cell at room temperature. The frequency range was 1 Hz to 1 MHz. The ionic conductivity is obtained from the reciprocal of the bulk resistance value obtained from the AC impedance measurement. The ionic conductivity was higher than that of the polymer electrolyte in the comparative example. The measurement results are shown in FIG.
本図において、横軸にリチウム塩の添加当量、縦軸にイオン伝導度をとっている。グラフの下方に本発明の実施例5および従来例の構造式を示してある。本発明の実施例5の場合、リチウム塩の添加当量を0.5当量から5当量まで変化させて測定した結果を示してある。一方、従来例の場合、リチウム塩の添加当量を1当量および2当量として測定した結果である。 In this figure, the horizontal axis represents the addition equivalent of lithium salt, and the vertical axis represents ionic conductivity. Below the graph, structural formulas of Example 5 and the conventional example of the present invention are shown. In the case of Example 5 of the present invention, the measurement result is shown by changing the addition equivalent of the lithium salt from 0.5 equivalent to 5 equivalent. On the other hand, in the case of a conventional example, it is the result of measuring the addition equivalent of lithium salt as 1 equivalent and 2 equivalents.
本発明の実施例5の場合、2当量でイオン伝導度が極大となっている。本図から、実施例5の場合、従来例に比べて、リチウムイオンの添加当量が0.5〜5当量の範囲でイオン伝導度が高いことがわかる。そして、望ましいリチウムイオンの添加当量は、1〜2当量である。 In Example 5 of the present invention, the ionic conductivity is maximized at 2 equivalents. From this figure, in the case of Example 5, it turns out that ion conductivity is high in the range whose addition equivalent of lithium ion is 0.5-5 equivalent compared with the prior art example. And the addition equivalent of a desirable lithium ion is 1-2 equivalent.
ピリミジル基の2つの窒素原子に対してそれぞれカチオンが配位する場合、片方はピリミジル基の窒素原子とカルボニル基の酸素原子とあわせて2つの配位、もう一方はピリミジル基の窒素原子のみの配位といったように、異なる配位状態を形成することが可能である。 When cations are coordinated to the two nitrogen atoms of the pyrimidyl group, one is coordinated with the nitrogen atom of the pyrimidyl group and the oxygen atom of the carbonyl group, and the other is coordinated with only the nitrogen atom of the pyrimidyl group. It is possible to form different coordination states such as positions.
そのため、官能基Rとピリミジル基とを結合するアミド基の結合方向が異なることで、アミド基中のカルボニル基(−C=O)の酸素原子とピリミジル基の窒素原子との2つのイオン配位性官能基のカチオンに対する配位距離が変化する。このため、官能基Rとピリミジル基とを結合するアミド基の結合方向は、カチオンへの配位能の高低差を制御することになる。 Therefore, two ionic coordinations between the oxygen atom of the carbonyl group (—C═O) in the amide group and the nitrogen atom of the pyrimidyl group due to different bonding directions of the amide group that bonds the functional group R and the pyrimidyl group. The coordination distance of the functional functional group to the cation changes. For this reason, the bonding direction of the amide group that bonds the functional group R and the pyrimidyl group controls the difference in the coordination ability to the cation.
このような異なる配位能の官能基が同一分子内に存在する構造が多数配置された状態において、カチオンの移動が促進されるため、前述のアミド基の結合方向についても効果がある。そのため、カチオンの配位能が低い官能基から配位能の高い官能基へのカチオンの移動が影響される。 Since the movement of the cation is promoted in a state where a large number of structures having functional groups having different coordinating ability in the same molecule are arranged, the bonding direction of the amide group is also effective. Therefore, the movement of a cation from a functional group having a low cation coordination ability to a functional group having a high coordination ability is affected.
また、比較例に示した従来材料におけるリチウムイオンが配位する官能基がメトシキ基の酸素原子であるのに対して、本発明におけるリチウムイオンが配位する官能基は、側鎖を形成するピリミジル基の窒素原子であるため、イオンの配位様式が異なると考える。 The functional group to which lithium ions coordinate in the conventional material shown in the comparative example is an oxygen atom of the methoxy group, whereas the functional group to which lithium ions coordinate in the present invention is a pyrimidyl that forms a side chain. Since it is a nitrogen atom of the group, it is thought that the coordination mode of ions is different.
本実施例では、使用するカチオンとしてリチウムを用いているが、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属イオン、マグネシウム等のアルカリ土類金属、あるいは水素イオンなどを用いることも考えられる。中でも、リチウムイオンが最も好ましい。 In this embodiment, lithium is used as the cation to be used, but it is also possible to use alkali metal ions such as sodium and potassium, alkaline earth metals such as magnesium, or hydrogen ions. Of these, lithium ions are most preferred.
また、リチウムイオンの供給源としてリチウム塩を用いることができる。リチウム塩としては、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6などのうち1種類もしくは2種類以上を選択して用いることができる。リチウムイオンの添加量についてはリチウム伝導に関わる有機基V1つに対してモル比で1当量以上が好ましい。 A lithium salt can be used as a supply source of lithium ions. As the lithium salt, one or more of LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , and LiAsF 6 are selected and used. be able to. About the addition amount of lithium ion, 1 equivalent or more is preferable by molar ratio with respect to one organic group V in connection with lithium conduction.
図3は、本発明による実施例5と特許文献3記載のデータとを比較したグラフである。
FIG. 3 is a graph comparing Example 5 according to the present invention with data described in
本図において、横軸に温度、縦軸にイオン伝導度をとっている。実施例5のリチウム塩の添加当量を1当量および2当量とした場合を示してある。 In this figure, the horizontal axis represents temperature and the vertical axis represents ion conductivity. The case where the addition equivalent of the lithium salt of Example 5 is 1 equivalent and 2 equivalent is shown.
本発明による実施例5と特許文献3記載のデータとの比較から、通常の使用温度である40℃以下では、本発明による実施例5の方が、イオン伝導度が高いことがわかる。
From comparison between Example 5 according to the present invention and the data described in
なお、特許文献3記載の高分子固体電解質は、ビニルイミダゾリン重合体、金属塩および可塑剤を混合したものである。これに対して、本発明による高分子固体電解質は可塑剤等の添加物を使用していない。この点で、本発明による高分子固体電解質の方が簡便に製造することができると考える。
The solid polymer electrolyte described in
図1は、本発明の一実施例としてのカチオン伝導性ポリマー電解質を用いたリチウム電池の断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a lithium battery using a cation conductive polymer electrolyte as one embodiment of the present invention.
本実施例のリチウムイオン伝導性のポリマー電解質3は、ポリマーとリチウム塩との複合体からなるものであるが、イオン伝導に寄与する有機基を有するカチオン伝導体の中間体とリチウム塩とを有機溶媒に溶解した溶液を重合した後に、有機溶媒を除去することによって得ることができる。
The lithium ion
ポリマー電解質3の形態は、リチウム電池用の電解質として用い、正極1と負極2との間のセパレータとしての機能を兼ねさせる場合、シート状に形成する。このシート状のポリマー電解質3を得るには、イオン伝導に寄与する有機基を有するカチオン伝導体の中間体とリチウム塩とを有機溶媒に溶解した溶液を加熱により付加重合することにより重合を行い、有機溶媒を蒸発除去するという方法により得られる。また、カチオン伝導体を有機溶媒に溶解した溶液を混合したものにリチウム塩を添加した後に、ポリ四フッ化エチレンシート上にキャストした後に、有機溶媒を蒸発除去するという方法によっても得られる。
When the
ポリマー電解質3とリチウム塩とを溶解させる有機溶媒としては、リチウム塩を充分に溶解し、ポリマー電解質3と反応しない物質、例えばN−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、トルエン、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどが用いられる。
Examples of the organic solvent for dissolving the
さらに、リチウムを可逆的に吸蔵・放出する正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)などの層状化合物、もしくは一種以上の遷移金属を置換したもの、マンガン酸リチウム(Li1+xMn2−xO4(ただしx=0〜0.33)、Li1+xMn2−x−yMyO4(ただし、MはNi、Co、Cr、Cu、Fe、Al、Mgより選ばれた少なくとも1種の金属を含み、x=0〜0.33、y=0〜1.0、2−x−y>0)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2、LiMn2−xMxO2(ただし、MはCo、Ni、Fe、Cr、Zn、Taより選ばれた少なくとも1種の金属を含み、x=0.01〜0.1)、Li2Mn3MO8(ただし、MはFe、Co、Ni、Cu、Znより選ばれた少なくとも1種の金属を含む)、銅−リチウム酸化物(Li2CuO2)、LiV3O8、LiFe3O4、V2O5、V6O12、VSe、Cu2V2O7などのバナジウム酸化物、ジスルフィド化合物、Fe2(MoO4)3などを含む混合物、あるいはポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの1種または2種以上が挙げられる。
Further, as a positive electrode active material that reversibly occludes / releases lithium, a layered compound such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), or one substituted with one or more transition metals, manganic acid Lithium (Li 1 + x Mn 2-x O 4 (where x = 0 to 0.33), Li 1 + x Mn 2-xy M y O 4 (where M is Ni, Co, Cr, Cu, Fe, Al, Including at least one metal selected from Mg, x = 0 to 0.33, y = 0 to 1.0, 2 -xy> 0), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , LiMn 2-x M x O 2 (where M includes at least one metal selected from Co, Ni, Fe, Cr, Zn, and Ta, x = 0.01 to 0.1), Li 2 Mn 3 MO 8 (was And, M includes Fe, Co, Ni, Cu, at least one metal selected from Zn), copper - lithium oxide (Li 2 CuO 2), LiV 3 O 8, LiFe 3
また、リチウムを可逆的に吸蔵・放出する負極活物質としては、天然黒鉛、石油コークス、石炭ピッチコークス等から得られる易黒鉛化材料を2500℃以上の高温で熱処理したもの、メソフェーズカーボン、非晶質炭素、炭素繊維、リチウム金属、リチウムと合金化する金属、または炭素粒子表面に金属を担持した材料が用いられる。例えば、リチウム、アルミニウム、スズ、ケイ素、インジウム、ガリウム、マグネシウムより選ばれた金属あるいはそれらの合金である。また、該金属または該金属の酸化物を負極活物質として利用できる。 Examples of the negative electrode active material that reversibly occludes and releases lithium include graphitized materials obtained from natural graphite, petroleum coke, coal pitch coke, etc., heat-treated at a high temperature of 2500 ° C. or higher, mesophase carbon, amorphous Carbonaceous carbon, carbon fiber, lithium metal, metal alloying with lithium, or a material having a metal supported on the surface of carbon particles is used. For example, a metal selected from lithium, aluminum, tin, silicon, indium, gallium, and magnesium, or an alloy thereof. Further, the metal or the oxide of the metal can be used as a negative electrode active material.
本実施例のポリマー電池は、上記正極活物質を用いて作成した正極1と、上記負極活物質を用いて作製した負極2とでシート状のポリマー電解質3を挟むことで得られる。他にも、正極活物質とポリマー電解質3との密着性、あるいは負極活物質とポリマー電解質3との密着性を向上するために、ポリマー電解質3を含む正極1・負極2を作製することが可能である。
The polymer battery of this example can be obtained by sandwiching a sheet-shaped
また、本実施例のポリマー電池は、正極1および負極2を、ポリマー電解質3を介して巻回または積層することにより作製することもできる。
Further, the polymer battery of this example can also be produced by winding or laminating the
その際は、正極1・負極2上で前述のようにイオン伝導に寄与する有機基を有するカチオン伝導体の中間体とリチウム塩とを有機溶媒に溶解した溶液を加熱により付加重合することにより重合を行い、有機溶媒を蒸発除去するという方法により得られる。またカチオン伝導体を有機溶媒に溶解した溶液を混合したものにリチウム塩を添加した溶液を電極上にキャストして有機溶媒を除去することによって得られる。このようにして得られた正極1・負極2を張り合わせることでポリマー電池を得ることも可能である。
In this case, polymerization is performed by heating and adding a solution in which an intermediate of a cation conductor having an organic group contributing to ionic conduction and a lithium salt is dissolved in an organic solvent on the
また、以下に示すような電気機器に搭載することに適する。例えば、電気自動車、電動式自転車、パソコン、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオレコーダー、ミニディスクポータブルプレイヤー、デジタルオーディオプレイヤー、パーソナルデジタルアシスタント、腕時計、ラジオ、電子手帳、電動工具、掃除機、玩具、エレベーター、災害用ロボット、医療介護用歩行補助機、医療介護用車椅子、医療介護用移動式ベッド、非常用電源、ロードコンディショナー、電力貯蔵システムなどの電源としてのリチウム二次電池の電解質として用いることができる(実施例6)。 Moreover, it is suitable for mounting on the electrical equipment as shown below. For example, electric car, electric bicycle, personal computer, mobile phone, digital camera, video recorder, mini-disc portable player, digital audio player, personal digital assistant, wristwatch, radio, electronic notebook, electric tool, vacuum cleaner, toy, elevator, It can be used as an electrolyte for lithium secondary batteries as power sources for disaster robots, walking aids for medical care, wheelchairs for medical care, mobile beds for medical care, emergency power supplies, road conditioners, power storage systems, etc. ( Example 6).
また、電解液を用いないため、安全性が高まり、保護回路が不必要となることが予想されるため、家庭用の充電池として用いることができる他、大型化することが可能となるため、家庭・地域用の分散電源に適する。また、低温時においても常温並みの性能が維持され、高温においても液漏れが起こらないため、これら民生用の用途以外にも、広い温度条件で用いることができるため、軍需用、宇宙用、災害用の用途にも適する。 In addition, since no electrolyte is used, the safety is expected to increase and the protection circuit is expected to be unnecessary, so that it can be used as a rechargeable battery for home use, and can be enlarged. Suitable for distributed power supply for home and community. In addition, since the performance at room temperature is maintained even at low temperatures and liquid leakage does not occur at high temperatures, it can be used in a wide range of temperature conditions in addition to these consumer applications. Also suitable for applications.
他にも、電池をアルミラミネートフィルム4で封止したラミネート電池とすることが可能である。この場合、薄型化・小型化ができるため、電子ペーパー、センサーネットワークの用途にも適する。
In addition, a laminated battery in which the battery is sealed with an aluminum laminated
また、一般式(1)〜(3)におけるMk+を水素イオンとすることにより燃料電池の電解質膜として用いることも考えられる。
(比較例)
特許文献1に記載した方法により得た比較例中間体(特許文献1記載の中間体1)からなる単独重合体を用いたカチオン伝導体の合成方法を示す。なお、中間体の構造は以下に示すとおりである。
It is also conceivable that M k + in the general formulas (1) to (3) is used as an electrolyte membrane of a fuel cell by using hydrogen ions.
(Comparative example)
A method for synthesizing a cation conductor using a homopolymer composed of a comparative example intermediate (intermediate 1 described in Patent Document 1) obtained by the method described in
得られたカチオン伝導体の比較例中間体140gをテトラヒドロフラン5dm3に溶解させ、そこにアゾビスイソブチロニトリル0.4gを加えて65℃で攪拌した。この反応溶液をn−ヘキサン10dm3に滴下して比較例ポリマー(ポリ(N−(4−ビニルフェニル)−2、6−ジメトキシ−安息香酸アミド))を得た。得られたポリマーの構造は、以下のとおりである。 140 g of the comparative example intermediate of the obtained cation conductor was dissolved in 5 dm 3 of tetrahydrofuran, 0.4 g of azobisisobutyronitrile was added thereto, and the mixture was stirred at 65 ° C. This reaction solution was added dropwise to 10 dm 3 of n-hexane to obtain a comparative polymer (poly (N- (4-vinylphenyl) -2,6-dimethoxy-benzoic acid amide)). The structure of the obtained polymer is as follows.
得られたポリマー50gをN−メチルピロリドン2dm3に溶解させて、側鎖に対して1当量、2当量となるように所定量のリチウムトリフルオロスルホンイミド塩を加えて混合した後に、テフロン(登録商標)シート上にキャストし、60℃で減圧乾燥させて膜厚が100μmである比較例ポリマー電解質のキャストフィルムの膜を作製した。このキャストフィルムを用いて実施例1と同様の方法でイオン伝導度を求めた。 50 g of the obtained polymer was dissolved in 2 dm 3 of N-methylpyrrolidone, a predetermined amount of lithium trifluorosulfonimide salt was added and mixed so as to be 1 equivalent and 2 equivalents with respect to the side chain, and then Teflon (registered) The film was cast on a sheet and dried under reduced pressure at 60 ° C. to prepare a cast film of a comparative polymer electrolyte film having a thickness of 100 μm. Using this cast film, the ionic conductivity was determined in the same manner as in Example 1.
比較例中間体および比較例ポリマーの構造から理解されるように、主鎖に結合する6員環の近傍にCOやOが比較的密集しているために、6員環の回転が阻害されると考えられる。これに対し、本発明のポリマーは立体障害ができるだけ少ないように工夫されているのでイオン伝導度が高くなる。 As can be understood from the structures of the comparative intermediate and the comparative polymer, CO and O are relatively close to each other in the vicinity of the 6-membered ring bonded to the main chain, so that the rotation of the 6-membered ring is inhibited. it is conceivable that. On the other hand, since the polymer of the present invention is devised so as to have as little steric hindrance as possible, the ionic conductivity is increased.
1…正極、2…負極、3…ポリマー電解質、4…アルミラミネートフィルム。
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