JP2008500693A - ポリマー電解質及びこのようなポリマー電解質を備える電気化学装置 - Google Patents

ポリマー電解質及びこのようなポリマー電解質を備える電気化学装置 Download PDF

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Abstract

電気化学装置に使用するポリマー電解質が開示される。前記ポリマー電解質は、イオン交換可能官能基をもつ少なくとも１つのポリマーを有する。該ポリマーは、イオン液体官能基も有する。上記イオン交換可能官能基は、スルホネート（sulfonate）、カルボキシラート（calboxylate）、ホスホネート（phosphonate）又はアニオン界面活性基のようなポリマー結合アニオン基を有する。前記ポリマー電解質材料を有する電気装置も開示される。このような電気装置は、好ましくは燃料電池、電気的バッテリ、スーパーキャパシタ、エレクトロクロミックウィンドウ（electrochromic window）又は太陽電池からなる。

Description

本発明は、電気化学装置に使用するポリマー電解質に関する。本発明は、更に、このようなポリマー電解質を有する電気装置に関する。
ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））のような現行のポリマー電解質材料は、上昇した温度８０℃より上、特に１００℃より高温での膜性能の損失のため、使用が制限される。ナフィオン（登録商標）におけるイオン交換可能スルホネート基は、対イオン、例えばプロトン、リチウム、ナトリウム、カリウム及び他の適切な無機又は有機カチオンの移動度を改善する。もしポリマー電解質が溶媒、特に水又はメタノールでぬらされているならば、これらの移動性カチオンは、溶液中でスルホネート基から解離されたままである。現行のポリマー電解質の高温での伝導度は、不十分な溶媒の保持率、すなわち溶媒がポリマー電解質から蒸発するため、不満足なものである。８０℃より上、特に１００℃より上の温度では、溶媒は、ポリマー電解質材料から蒸発する。脱溶媒（水又はメタノールが使用される場合は脱水）は、ポリマーのアニオン基と導電性のカチオンとの間の静電相互作用の増加を引き起こす。解離の度合いが減少した結果、不十分なイオン導電性となり、ポリマー電解質の性能の低下となる。
ナフィオン（登録商標）のような現行のポリマー電解質が電気化学装置に適用される場合、装置が動作しうる温度範囲は、高温（８０℃より上）での伝導度の損失により制限される。装置の継続した動作時に溶媒（典型的に水又は水溶液）の蒸発を避けるために、動作範囲は、８０℃より低い温度に制限される。高温でポリマー電解質が動作可能であることが望ましい電気化学装置の特殊な一例は、燃料電池である。８０℃より上の高温での燃料電池の動作は、電解質及び燃料電池電極の触媒表面の一酸化炭素被毒を軽減させるという利点を持つ。現行のポリマー電解質は、該ポリマー電解質が使用される電気化学装置の動作温度に限界を設けているので、この限界を克服する電解質に対して非常に大きなニーズがある。
本発明は、常温及び高温で十分なイオン伝導度を提供する電気化学装置に使用するためのポリマー電解質材料を提供することを目的とする。
本発明は、電気化学装置に使用するポリマー電解質を提供し、該ポリマー電解質は、
イオン交換可能官能基をもつ少なくとも１つのポリマーを有し、前記ポリマーがイオン液体官能基を有することを特徴とする。現行のポリマー電解質とは対照的に、本発明によるポリマー電解質は、常温及び高温（８０℃より上）の広い温度領域に渡って、十分なイオン伝導度を提供する。さらに、本発明によるポリマー電解質は、溶媒がない場合さえも機能する。この記述において、イオン交換可能官能基は、イオン伝導度のために移動性の対イオンを供給するイオン基として規定される。通常水のような溶媒は、アニオン／カチオン相互作用を遮蔽し、イオン伝導を可能にするために必要とされる。このような溶媒は、通常ポリマー電解質に加えられる。溶媒がない場合には、イオン交換可能官能基は、通常きつく拘束されており、伝導イオンを非移動化する。例えばイオン交換可能官能基は、水のような溶媒が存在する場合にイオン伝導のためにプロトンを供給する酸性の官能基であり得る。溶媒がない場合にプロトンは、酸性の基によりきつく拘束され、イオン伝導を抑制する。イオン液体官能基は、イオン液体アニオン／カチオン対から導出される官能基として規定される。イオン液体の一般的な定義は、１）１００℃より低い融点を持つカチオン／アニオン対、２）室温で液体として振舞うカチオン／アニオン対、である。本発明の場合イオン液体は、ここでは１２０℃より低い融点を持つカチオン／アニオン対として規定される。イオン液体官能基は、通常有機カチオン及び無機アニオンを有し、少なくとも該アニオン又は該カチオンがポリマーに拘束することにより固定化される。上のイオン液体の定義に述べられた融点は、ポリマー電解質の材料におけるイオン液体官能基領域の融点として解釈されるべきである。したがって、イオン液体官能基の融点は、イオン液体官能基の領域が液体の振る舞いを示す温度である。イオン液体官能基は、よく知られた合成化学の方法により如何なる利用可能なイオン液体からも導出され得る。非ポリマー拘束対イオンは、通常低イオン移動度のバルキーな対イオンである。これは、イオン交換可能基により供給される小さいサイズの移動性対イオンとは著しく異なる。他の違いは、イオン交換可能基とは対照的にイオン液体官能基は、イオン液体のアニオン及びカチオンがより小さい導電性イオンのイオン移動を促進するマトリクスを形成する領域を形成しうることである。アニオン及びカチオンの両方がポリマーに結合されるということは、非常にあり得る。イオン液体官能基は、マトリクスにおける移動性イオンの解離を促進することによりポリマーを通じたイオン輸送を容易にする、ポリマー電解質におけるイオンマトリクスを供給する。水のような溶媒とは対照的に、イオン液体官能基の蒸発は、該官能基がポリマーに化学的に結合しているので起こり得ない。したがって、イオン液体官能基を含むことによりイオン伝導は、水のような溶媒がない場合でさえもポリマー電解質により促進される。これは、高温、特に水のような一般的な溶媒の沸点より上の温度におけるポリマー電解質の性能を高める。イオン液体基によるイオン伝導は、高温でのポリマー電解質における熱運動の増加のため、高温でさえも増加する。低い温度では、イオン液体の熱運動は低くなり、これらの温度ではイオン液体基のイオン伝導への寄与は、溶媒が存在する場合のイオン交換可能基の寄与と比較して、やや小さい。
したがって、イオン交換可能基とイオン液体基との組み合わせが、比較的低い温度及び高い温度の両方でのイオン伝導を可能にするポリマー電解質を提供する。本発明によると、イオン交換可能基を含むメソゲンユニット又はイオン液体機能及び関連する構造をもつメソゲンユニットの利用は、当業者により予期されるだろう。水又はメタノールのような十分にぬらす溶媒がポリマー電解質において利用可能である限り、イオン交換可能基の対イオンは、解離されて移動性になり、低温におけるイオン伝導を供給する。しかしながら、イオン交換可能基により促進されるイオン伝導が溶媒分子の欠損のために低下し始める８０℃よりも上の温度範囲では、該イオン伝導は、温度に伴って増加してイオン液体官能基により促進されるイオン伝導により補償され、したがって、常温及び高い（８０℃より上の）温度の両方での十分なイオン伝導特性につながる。
イオン交換可能官能基の対イオンは、比較的低温（例えば８０℃より下）でのイオン伝導のために交換可能移動性イオンを供給する。溶媒分子、好ましくは、水分子は該イオン伝導を促進する。まさにその性質（特に可撓性）に依存して、イオン液体官能基は、比較的低温でのイオン伝導にいくらか寄与しうる。イオン液体基のイオン伝導への寄与は、温度上昇に伴って増加する。高温（８０〜１００℃より上）では、水がシステムに使用されているならば脱水が起こり得、イオン伝導は、主にイオン液体官能基により促進される。高温では、分子レベルでの移動度は増加し、イオン液体官能基によるイオン伝導の効率は低温と比較して増大する。
イオン交換可能官能基及びイオン液体官能基の両方は、ポリマー主鎖に組み込まれる及び／又は側基としてポリマー主鎖（backbone）に結合される。該ポリマーは線状ポリマーであり得るが、非常に枝分かれした、樹枝状の又は混合したポリマー構造でもあり得る。前記ポリマーは、水溶液、硫酸、リン酸、イミダゾール又はいかなる（非ポリマー結合の）イオン液体のようなイオン輸送を高める溶媒を組み込むマトリクスとして作用し得る。
好適な実施例では、イオン交換可能官能基は、イオン交換可能基は、ポリマー結合アニオン基を有する。アニオン基は、プロトン（Ｈ＋又はＨ３Ｏ＋）、リチウム（Ｌｉ＋）、ナトリウム（Ｎａ＋）、カリウム（Ｋ＋）及び他の適切な無機又は有機のカチオンのようなイオン伝導のための高移動度カチオン対イオンの使用を可能にする。アニオン基は、ポリアニオン領域に配置される。複数のアニオン基を互いに近い範囲内にすることは、移動性伝導カチオンの容易な「ホッピング」を可能にし、伝導度を高める。
アニオン基がスルホネート、カルボキシラート及びホスホネートの基の少なくとも１つ又は他のアニオン界面活性剤タイプの基を有するならば、有利である。これらの基は、移動性カチオンイオンのための対イオンとして役立ち、水が存在する場合にイオン伝導を促進する。水分子がある場合に、これらの基は、（Ｈ＋又はＨ３Ｏ＋）、リチウム（Ｌｉ＋）、ナトリウム（Ｎａ＋）及びカリウム（Ｋ＋）のような対イオンの高移動度を可能にする傾向がある。水又は他の溶媒分子がない場合、前記イオン交換可能基は、カチオンイオンに相対的に強く会合し、イオンの移動度を抑制する傾向にある。
好適な実施例では、液体イオン官能基は、ポリマー結合カチオン基を有する。代替として、輸送されるべきターゲットイオンに依存して、アニオン基の誘導体は、ポリマーにも結合され得る。逆のコンフィギュレーションでは、アニオン基のみがポリマーに結合され、アニオンカチオン対のカチオン基は、バルキーな対イオンとしてポリマーに結合されないままである。ポリマー結合カチオン基の使用は、電気化学安定性を改善すると共に、ポリマー電解質の熱安定性を高める。カチオン基の適切な塩は、イオン液体特性を示す。適切な対イオンの例は、バルキーなアニオン、例えば塩化物［Ｃｌ］−、臭化物［Ｂｒ］−、ヨウ化物［Ｉ］−のようなハロゲン化物イオン、ヘキサフルオロホスフェート［ＰＦ６］−、テトラフルオロボレート［ＢＦ４］−、硝酸［ＮＯ３］−、アセテート［ＣＨ３ＣＯ２］−、トリフルオロアセテート［ＣＦ３ＣＯ２］−、［ＴＦＳＩ］−、［ＡｓＦ６］−、［ＳｂＦ６］−、［Ｆ（ＨＦ）２］−、［ＢＥＴＩ］−、メチルスルフェート［ＣＨ３ＳＯ３］−、トリフルオロ［ＣＦ３ＳＯ３］−、［Ｎ（ＣＮ）２］−、トシレート、アニオンホウ素クラスター、例えば［ＣＢ１１Ｈ１２］−、塩化アルミニウム、例えば［ＡｌＣｌ４］−及び［ＡｌＣｌ７］−である。結合イオン液体は、移動性イオンの解離を高めるマトリクスを形成する。これらのバルキーなイオンは、相対的に低い移動度を持ち、その結果イオン伝導は、好ましくは例えばプロトン、リチウム（Ｌｉ＋）又はヒドロキシＯＨ−アニオンのような相対的に小さく移動性のアニオンにより実施される。好ましくはイオン液体の基は、伝導イオンの輸送を促進する領域に設けられ、したがってポリマー電解質材料のイオン伝導に対する電気抵抗は低下し、ポリマー電解質のイオン伝導性能は向上する。
好ましくは、カチオン基は、以下の基、ピリジン、イミダゾリン、ピロリジン、アルキルアンモニウム、アルキルホスホニウム、スルホニウム、チアゾリウム、トリアゾリウム、オキサゾリウム、ピラゾリウム、ウンデセニウム、グアニジウム、イソキノリニウム、の少なくとも１つからの誘導体を有する。これらの基及び関連する誘導体にとって、誘導体は、標準的な化学のカップリング方法により、ポリマーに容易に化学的に結合される。
好ましい実施例では、少なくとも一部のイオン液体官能基は、第１の長さの可撓性スペーサによりポリマーに結合される。可撓性スペーサは、イオン液体官能基の移動度を改善し、したがってイオンの伝導度を改善し、ポリマー電解質材料のイオン伝導の改善に寄与する。典型的なスペーサは、ポリマーの主鎖からイオン液体官能基まで数えて、典型的な長さが２〜８原子、好ましくは３〜６原子、最も好ましくは４原子で、アルキル鎖又はアルキルエーテル鎖により形成されるだろう。この長さにおいて、最適値は、スペーサの疎水性のために起こる相分離と可撓性との間に達する。
少なくともいくらかのイオン交換可能官能基が第２の長さの可撓性スペーサによりポリマーに結合されるならば、有利である。可撓性スペーサは、イオン交換可能官能基の移動度を改善し、したがってイオンの伝導度を改善し、ポリマー電解質材料の改善されたイオン導電性に寄与する。典型的なスペーサは、アルキル鎖又はアルキルエーテル鎖により形成され、ポリマー主鎖からイオン液体官能基まで数えて、典型的な長さが２〜８原子、好ましくは３〜６原子、最も好ましくは４原子になるだろう。
好ましくは、ポリマー主鎖に組み込まれた全てのモノマーに対するイオン交換可能基の割合は、ポリマーに組み込まれた全てのモノマーに対するイオン交換可能基の割合が、１０〜５０％、好ましくは４０〜５０％の範囲内にあるような、範囲内にある。相対的に多量のイオン交換可能基は、相対的に低温でのイオン伝導のために十分な移動性対イオンの利用可能性を保証する。こうすることは、ポリマー電解質のよいイオン伝導を与える。さらに、イオン交換可能基の多くは、水を吸収及び保持するためのポリマー電解質の能力を向上させる。こうすることは、ポリマーからの水の蒸発に耐えることを助け、水が伝導を助ける特に８０〜１００℃の高温の範囲での十分な伝導度を維持することにおける重要な要素である。
好ましくは、ポリマーに組み込まれたイオン液体官能基に対するイオン交換可能官能基の分子比は、０．５〜２、好ましくは０．８〜１．２の範囲にある。この範囲内では、十分なイオン伝導特性が室温から高温（８０℃より上）までのあらゆる温度において維持される。
ポリマーが相対的に可撓性のポリマーと相対的に硬質のポリマーとのブロックコポリマーを有するならば、有利である。高温では、ブロックコポリマーは、機械的な安定性の改善と、イオン伝導の改善とを示す。相対的に可撓性のポリマーと相対的に硬質のポリマーとの可能な組み合わせの例は、それぞれＰＥＯ／パラＰＰＴＡ、ＰＥＯスルホン化パラＰＰＴＡ、スルホン化メタＰＰＴＡ（別にノーメックスとして知られる）／スルホン化パラＰＰＴＡ、Ｎ，Ｎ'‐ジアルキルイミダゾリウムＳパラＰＰＴＡである。当業者は、特定の応用に好ましい機械的特性及び／又はイオン伝導特性に関して最適化されたポリマー電解質を得るために、これらのブロックコポリマーにおけるポリマーを当該分野において知られた適切なポリマーで置換するだろう。相対的に可撓性のポリマーと相対的に硬質なポリマーとが少なくとも部分的にミクロ相分離を示すことが好ましい。ミクロ相分離は、相対的に可撓性のポリマーと相対的に硬質のポリマーとを、１タイプのポリマー（該可撓性ポリマー又は該硬質ポリマー）の非常に集中した部分を含む領域へ、自己組織化することである。この自己組織化は、ポリマー電解質のイオン伝導特性の向上を暗示する。更に、もし相対的に硬質のポリマーが少なくとも部分的に液晶の配列を示すならば有利である。相対的に硬質のポリマーは、ポリマー電解質における液晶領域を形成し、これによりポリマー電解質のイオン伝導の増加を引き起こす。ブロックコポリマーの相対的に硬質のポリマーの液晶配列は、ポリマー電解質の改善されたイオン伝導を維持するために、領域が組織化されたままである温度範囲を拡張する。ポリマー電解質の液晶配列は、高温でのイオン伝導を改善する。更に液晶配列は、高温での電解質の機械的安定性の改善に寄与するだろう。
本発明の好ましい実施例では、ポリマーは、スルホン化アラミドを有する。スルホン化アラミドは、ポリマー電解質に相対的に良い機械的強さと、改善された熱的及び化学的安定性を供給する。更にこれらのアラミドは、プロセスするのが容易であり、ポリマーのケミカルエンジニアリングは、イオン液体官能基の組み込みとして容易になされ、イオン交換可能官能基は、よく知られた化学合成方法により簡便に達成される。
ポリマー電解質が架橋を有するならば有利である。架橋は、改善された電解質の熱的安定性及び機械的な補強を備える。一般的に架橋密度は、ポリマーにおけるモノマーユニットの数に関して１〜５％以内であるべきである。これは、改善された機械的安定性と、溶媒を吸収（吸水膨張）するポリマーの能力との間の良いバランスを備える。十分な膨張は、ポリマー電解質に組み込まれ得る溶媒／液体の量に相当し、したがって（８０℃より下の）室温でのポリマー電解質の性能に影響を及ぼす。いかなるタイプの架橋も適用され得るが、好ましくは、アルキル鎖が前記架橋を形成する。これらの架橋は、アルキルジイソシアン酸エステル、ジハロゲンアルキル、桂皮酸基のようなポリマー化学の分野において知られた標準的な架橋剤により容易に組み込まれる。
好ましい実施例では、ポリマーは、支持マトリクス構造に組み込まれる。好ましくは、該支持マトリクスは、ポリマー電解質によって良いイオン伝導を可能にするために、多孔性の材料を有する。該マトリクス構造は、ＤＳＭのソルポア（Ｓｏｌｕｐｏｒ）（登録商標）、セルガード（Celguard）（登録商標）、多孔性ＰＶＤＦ、ガラスファイバ若しくは多孔性構造をもつ硬質のポリマーマトリクス、又はゼオライト（zeolite）のような多孔性のセラミック材料を有し得る。当該マトリクス構造は、改善された機械的強度と、改善された熱的及び電気化学的安定性を備える。ポリマーは、機械的強度と熱的安定性を更に強めるために、物理的又は化学的にマトリクス構造に結合しうる。
本発明は、更に、ポリマー電解質材料を有する電気装置を提供し、該ポリマー電解質は、イオン交換可能官能基を特徴とする少なくとも１つのポリマーを有し、該ポリマーがイオン液体官能基の機能を持つことを特徴とする。このような電気装置は、（８０℃より下の）室温から（８０℃より上、好ましくは１００℃より上の）高温までの、高められた操作可能な範囲を示す。さらに、電気装置のエネルギー効率は、低減された電気的抵抗のため改善されるだろう。好ましくは、電気装置は、電気化学装置である。化学反応を通じて電気的エネルギーを供給するいかなる装置、又は化学反応を行うために電気的エネルギーを使用する装置である。適用されたポリマー電解質は、本明細書に記載されるように本発明によるポリマー電解質の適用可能な特徴を有し得る。該ポリマー電解質は、本発明によるポリマー電解質を有するポリマー膜に組み込まれうる。このようなポリマー膜は、イオン導電特性をもつ薄い層からなる。ポリマー電解質の特性のため、このような膜は、（８０℃より上、好ましくは１００℃より上の）高温において適用可能であり、これらの温度において改善された熱的安定性をもつ。該膜は、例えば電極表面、例えば金属又は炭素の電極表面に適用され得る。このような膜は、ポリマー電解質膜が電極間でスタックされる、電極スタックに組み込まれ得る。
好ましい実施例では、前記電気装置は燃料電池である。幅広い温度範囲にわたって高められた性能を別として、本発明による燃料電池は、８０℃より上の温度でも動作は低下せず、電極に使用される触媒の被毒は避けられるので、さらに装置の耐久性及び全体の性能を向上する。
他の好ましい実施例では、前記電気装置は、電気的なバッテリである。該装置は、バッテリが（８０℃より上の）高温で使用されることを可能にする。該装置は、高温であることが予想される、消火、採鉱、宇宙旅行のような環境下で動作しなければならないバッテリ動作機械に特に役立つ。さらにこのようなバッテリは、急速な放電が電池を熱し得る、高負荷のアプリケーションに適しているだろう。該バッテリは、例えばリチウムイオン又はリチウム金属タイプのバッテリになり得る。
また他の好ましい実施例では、前記電気装置はスーパーキャパシタである。このようなスーパーキャパシタは、特に（８０℃より上の）高温で、改善された信頼性及び向上した寿命の期待を示すだろう。
他の好ましい実施例では、前記電気装置はエレクトロクロミックウィンドウ（electrochromic window）である。このようなエレクトロクロミックウィンドウは、（８０℃より上の）高温で動作することができるだろう。ウィンドウのエネルギー効率も電気抵抗低減により改善されるだろう。
他の好ましい実施例では、前記電気装置は、太陽電池である。このような太陽電池は（８０℃より上の）高温で動作することができ、信頼性の向上から利益を得、装置の耐久性も向上するだろう。さらに、太陽の放射輝度から電気へ変換する効率の損失は、抵抗低下のため減少されるだろう。
明らかに多くのタイプの装置が、特に（８０℃より上、特に１００℃より上の）高い動作温度が予想される場合、本発明による電解質の使用から利益を得るだろう。
本発明は、以下の例及び図により説明されるだろう。
[実施例１] 本実施例では、本発明によるポリマー電解質に使用されうるポリマーの構造的な特徴が示される。
図１は、２つのイオン交換可能なスルホネート基（‐ＳＯ３Ｈ）を示すスルホン酸ポリアラミド（スルホン化パラフェニレンテレフタルアミド、ＳパラＰＰＴＡ）の分子構造を示す。該スルホネート基は、規則正しく又はランダムな形式で包含され得る。スルホネート基の代わりに、例えばリチウム、ナトリウム、カリウムを対イオンとして持つスルホネート塩も適用され得る。モノスルホン化モノマーユニットの代わりに、ジスルホン化モノマーユニットも役立つだろう。
図２は、機能化することができるスルホン化ポリ（アラミド）を示す。テレフタル酸リグ（rig）の-ＯＨ基は、イオン液体基と共に機能化又は架橋に使用することに適した脱離基として作用するように、いかなるハロゲンによっても置換することができる。スルホン酸基は、イオン輸送のためのいかなるカチオンも保持するために作用する。
図３は、ある比率のスルホン化テレフタル酸（Ｘ）とヒドロキシテレフタル酸（Ｙ）とを含む機能化されたポリ（アラミド）の一例を示す。ヒドロキシテレフタル酸は、イオン液体基により機能化又は架橋に使用されうる。
図４は、ポリマー主鎖へのエーテル結合をもつアルキル結合を通じて結合されるイオン液体機能で機能化されたポリ（アラミド）の一例を示す。イオン液体官能基はこの場合イミダゾールである。対イオンは明確にするために省略される。バルキーな対イオンがイオン伝導を高めるために好ましいのだが、原則として熱的に安定ないかなるカチオンも適用され得る。‐ＳＯ３Ｈ基は、いくらかの長さ（ｎ）のアルキル鎖スペーサを介しても結合することができることに留意されたい。図では、残っている‐ＯＨ基は、架橋又は異なるタイプのイオン液体官能基の結合に使用することができる。
[実施例２] この例では、本発明によるポリマー電解質において相対的に可撓性のポリマーと相対的に硬質なポリマーとのブロックコポリマーの使用の利点が説明される。
図５は、スルホン化パラＰＰＴＡ及びメタＰＰＴＡのブロックセグメントを含むブロックコポリマーの一例であり、ここでメタＰＰＴＡは相対的に可撓性のポリマーであり、パラＰＰＴＡは相対的に硬質なポリマーである。スルホン化パラＰＰＴＡは、液晶配列を示し、メタＰＰＴＡは自己組織化されたパラＰＰＴＡ領域に接続する可撓性コイルを形成する。この特定の場合では、導電性改善のために、メタＰＰＴＡブロックセグメントはスルホン化することができる。メタＰＰＴＡ（Ｘ）のスルホン化パラＰＰＴＡ（Ｙ）に対する比は、ポリマーコンポーネントのミクロ相分離を得るために、変化することができる。ミクロ相分離は、特に熱運動が増加する高温でのイオン導電性の改善をもたらす。ある比率のパラＰＰＴＡ及びメタＰＰＴＡでは、ブロックセグメントの長さにも依存して、液晶配列が、六角形の「チャネル化」構造の形態を導出し得る（図７を参照されたい）。ここではイオンが低温時に可撓性セグメントを通じてチャネル化され、高温時にさらに良いイオン伝導をもたらす。
図６は、相対的に可撓性のポリ（エチレンオキサイド）（ＰＥＯ）及び相対的に硬質なスルホン化パラＰＰＴＡを用いた、ブロックコポリマーの他の一例を示す。スルホン化パラＰＰＴＡは、主にスルホン化パラＰＰＴＡを有する領域及び主にＰＥＯを有する領域へブロックコポリマーの自己組織化を可能にする液晶特性も示す。
図５及び図６に対して、図３及び図４の変形がイオン液体機能及び硬質のセグメントの架橋能力を導出するためのブロックコポリマーにも組み込まれ得ることも、考察することができる。
図７ａ及び図７ｂは、ブロックコポリマー、例えば図５又は６からのブロックコポリマーのコイルセグメントと硬質な部分との間のミクロ層分離を用いた本発明によるポリマー電解質の膜における鋳型構造を示す。図７ａは、ポリマーの可撓性セグメントを、硬質のポリマー３のマトリクスにより囲まれた、円として示される領域２へ配置する膜（１）の上面図を示す。図７ｂでは、膜４の側面は、硬質のポリマーマトリクス６における可撓性ポリマーのチューブ５を示す。このような構造は、溶媒の制御された蒸発及び材料の同時の組織化により形成することができる。
図１は、本発明のポリマー電解質におけるポリマー主鎖に適用され得るスルホン化ポリアラミドの構造的な特徴を示す。該ポリマーは、燃料電池のような電気化学装置に組み込むことに適した薄膜又は膜を形成するようにプロセスすることができる。 図２は、本発明のポリマー電解質におけるポリマー主鎖に適用され得るスルホン化ポリアラミドの構造的な特徴を示す。該ポリマーは、燃料電池のような電気化学装置に組み込むことに適した薄膜又は膜を形成するようにプロセスすることができる。 図３は、本発明のポリマー電解質におけるポリマー主鎖に適用され得るスルホン化ポリアラミドの構造的な特徴を示す。該ポリマーは、燃料電池のような電気化学装置に組み込むことに適した薄膜又は膜を形成するようにプロセスすることができる。 図４は、本発明のポリマー電解質におけるポリマー主鎖に適用され得るスルホン化ポリアラミドの構造的な特徴を示す。該ポリマーは、燃料電池のような電気化学装置に組み込むことに適した薄膜又は膜を形成するようにプロセスすることができる。 図５は、本発明のポリマー電解質におけるポリマー主鎖に適用され得るスルホン化ポリアラミドの構造的な特徴を示す。該ポリマーは、燃料電池のような電気化学装置に組み込むことに適した薄膜又は膜を形成するようにプロセスすることができる。 図６は、本発明のポリマー電解質におけるポリマー主鎖に適用され得るスルホン化ポリアラミドの構造的な特徴を示す。該ポリマーは、燃料電池のような電気化学装置に組み込むことに適した薄膜又は膜を形成するようにプロセスすることができる。 図７ａは、本発明によるポリマー電解質の自己組織化の例を示す。 図７ｂは、本発明によるポリマー電解質の自己組織化の例を示す。

Claims (21)

  1. イオン交換可能官能基を持つ少なくとも１つのポリマーを有する、電気化学装置に使用するポリマー電解質であって、前記ポリマーがイオン液体官能基を有することを特徴とする、ポリマー電解質。
  2. 前記イオン交換可能官能基がポリマー結合アニオン基を有することを特徴とする、請求項１に記載のポリマー電解質。
  3. 前記アニオン基が、スルホネート、カルボキシラート及びホスホネートの基の少なくとも１つ、又はいかなるアニオン界面活性基を有することを特徴とする、請求項２に記載のポリマー電解質。
  4. 前記イオン液体官能基がポリマー結合カチオン基を有することを特徴とする、請求項１乃至３の何れか一項に記載のポリマー電解質。
  5. 前記カチオン基が、ピリジニウム、イミダゾリウム、ピロリジニウム、アルキルアンモニウム、アルキルホスホニウム、スルホニウム、チアゾリウム、トリアゾリウム、オキサゾリウム、ピラゾリウム、ウンデセニウム、グアニジニウム、イソキノリニウムの基の少なくとも１つの誘導体を有することを特徴とする、請求項４に記載のポリマー電解質。
  6. 少なくとも一部の前記イオン液体官能基が、第１の長さをもつ可撓性スペーサにより前記ポリマーに結合されることを特徴とする、請求項１乃至５の何れか一項に記載のポリマー電解質。
  7. 少なくともいくらかの前記イオン交換可能官能基が、第２の長さを持つ可撓性スペーサにより前記ポリマーに結合されることを特徴とする、請求項１乃至６の何れか一項に記載のポリマー電解質。
  8. 前記ポリマーに組み込まれたモノマー全てに対する前記イオン交換可能基の比が、１０〜５０％、好ましくは４０〜５０％の範囲内であることを特徴とする、請求項１乃至７の何れか一項に記載のポリマー電解質。
  9. 前記ポリマーに組み込まれた前記イオン官能基に対する前記イオン交換可能官能基の分子比が０．５〜２、好ましくは０．８〜１．２の範囲内にあることを特徴とする、請求項１乃至８の何れか一項に記載のポリマー電解質。
  10. 前記ポリマーが相対的に可撓性のポリマーと相対的に硬質なポリマーとのブロックコポリマーを有することを特徴とする、請求項１乃至９の何れか一項に記載のポリマー電解質。
  11. 前記相対的に可撓性のポリマー及び前記相対的に硬質のポリマーが少なくとも部分的にミクロ相分離を示すことを特徴とする、請求項１０に記載のポリマー電解質。
  12. 前記相対的に硬質のポリマーが少なくとも部分的に液晶配列を示すことを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のポリマー電解質。
  13. 前記ポリマーがスルホン化アラミドを有することを特徴とする、請求項１乃至１２の何れか一項に記載のポリマー電解質。
  14. 前記ポリマーが架橋を有することを特徴とする、請求項１乃至１３の何れか一項に記載のポリマー電解質。
  15. 前記ポリマーが支持マトリクス構造に組み込まれることを特徴とする、請求項１乃至１４の何れか一項に記載のポリマー電解質。
  16. ポリマー電解質材料がイオン交換可能官能基を持つ少なくとも１つのポリマーを有し、該ポリマー電解質材料を有する電気装置であって、該ポリマーがイオン液体官能基を有することを特徴とする、ポリマー電解質を有する電気装置。
  17. 前記装置が燃料電池であることを特徴とする、請求項１６に記載の電気装置。
  18. 前記電気装置が電気バッテリであることを特徴とする、請求項１６に記載の電気装置。
  19. 前記電気装置がスーパーキャパシタであることを特徴とする、請求項１６に記載の電気装置。
  20. 前記電気装置がエレクトロクロミックウィンドウであることを特徴とする、請求項１６に記載の電気装置。
  21. 前記電気装置が太陽電池であることを特徴とする、請求項１６に記載の電気装置。
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