JP2009245900A - Electrode active material, and electrode using the same - Google Patents

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秀雄 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode active material which can provide an electrochemical element having a high operating voltage, large capacity, and high energy density. <P>SOLUTION: The electrode active material is formed of poly 9, 9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene. When the electrode active material is compared with a conventional electrode active material formed of poly 9, 9-dialkylfluorene providing an electrochemical element having a high operating voltage, they are equivalent to each other in terms of the capacity to p-doping, but the electrode active material formed of poly 9, 9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene has high capacity to n-doping whereas the electrode active material formed of poly 9, 9-dialkylfluorene does not have capacity to n-doping. Accordingly, an electrochemical element having a high operating voltage, large capacity, and high energy density can be provided by using the electrode active material as a positive electrode active material and/or a negative electrode active material. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、作動電圧が高く、高容量でエネルギー密度が高い電気化学素子を与えることができる電極活物質及びこの電極活物質を用いた電極に関する。   The present invention relates to an electrode active material that can provide an electrochemical element having a high operating voltage, a high capacity, and a high energy density, and an electrode using the electrode active material.

石油消費量の低減、大気汚染の緩和、地球温暖化の原因となる二酸化炭素の排出量の削減等の観点から、ガソリン車やディーゼル車に代わる電気自動車やハイブリッド自動車などの低公害車に対する期待が高まっている。このような低公害車におけるモーター駆動電源として、高エネルギー密度及び高出力密度を有する二次電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学素子が用いられる。   Expectations for low-emission vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles to replace gasoline and diesel vehicles from the viewpoints of reducing oil consumption, mitigating air pollution, and reducing emissions of carbon dioxide that causes global warming. It is growing. As a motor drive power source in such a low pollution vehicle, an electrochemical element such as a secondary battery or an electric double layer capacitor having a high energy density and a high output density is used.

二次電池には、水系電解液を用いた電池と、非水系電解液(有機電解液)を用いた電池とが存在する。   Secondary batteries include batteries using an aqueous electrolyte and batteries using a non-aqueous electrolyte (organic electrolyte).

酸性又はアルカリ性の水系電解液を用いた電池としては、鉛電池、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル水素電池、プロトン電池などがある。これらの二次電池は、水の電気分解電圧が1.23Vであるため、それ以上の高い作動電圧を得ることができない。電気自動車の電源としては200V前後の高電圧が必要であるが、この電圧を得るためには多くの電池を直列に接続しなければならず、電源の小型化・軽量化のためには不利である。しかしながら、水系電解液のイオン伝導性が高いため、充放電の際に大電流が得られるという優れた出力特性を有している。   Examples of batteries using acidic or alkaline aqueous electrolyte include lead batteries, nickel / cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, and proton batteries. Since these secondary batteries have an electrolysis voltage of water of 1.23 V, a higher operating voltage cannot be obtained. As a power source for an electric vehicle, a high voltage of around 200V is required. To obtain this voltage, many batteries must be connected in series, which is disadvantageous for reducing the size and weight of the power source. is there. However, since the aqueous electrolyte has high ionic conductivity, it has excellent output characteristics that a large current can be obtained during charging and discharging.

一方、非水系電解液を用いた電池としては、リチウムイオン二次電池が良く知られている。この電池は、一般に、リチウムイオンを吸蔵、放出する炭素材料を負極とし、コバルト酸リチウム(LiCoO)などのリチウム層状化合物を正極とし、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)などのリチウム塩をエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどの有機溶媒に溶解させた液を電解液としている。このようなリチウムイオン二次電池は、有機溶媒の電気分解電圧が高いため、平均作動電圧として3.6Vを得ることができ、エネルギー密度も高い。しかしながら、充放電反応が電極のリチウムイオンの吸蔵、放出であるため、出力特性に劣り、大きな瞬間電流が必要とされる電気自動車用の電源としては不利である。 On the other hand, lithium ion secondary batteries are well known as batteries using nonaqueous electrolyte solutions. In general, this battery uses a carbon material that occludes and releases lithium ions as a negative electrode, a lithium layered compound such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode, and a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ). A solution dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate is used as an electrolytic solution. Since such a lithium ion secondary battery has a high electrolysis voltage of the organic solvent, an average operating voltage of 3.6 V can be obtained and the energy density is also high. However, since the charge / discharge reaction is occlusion and release of lithium ions in the electrode, the output characteristics are inferior, and it is disadvantageous as a power source for an electric vehicle that requires a large instantaneous current.

電気二重層キャパシタは、活性炭などの分極性電極を正負極とし、電極表面と電解液との界面に生じる電気二重層を静電容量として利用している。電気二重層キャパシタは、出力密度が高く、急速充放電が可能であり、充放電を繰り返しても容量劣化が少ない。電気二重層キャパシタでは、充放電に伴って電解質イオンが電解液内を移動して電極界面に吸脱着するだけであり、電池のような電気化学反応を伴わないためである。   The electric double layer capacitor uses a polarizable electrode such as activated carbon as positive and negative electrodes, and uses an electric double layer generated at the interface between the electrode surface and the electrolytic solution as a capacitance. An electric double layer capacitor has a high output density, can be rapidly charged and discharged, and has little capacity deterioration even after repeated charging and discharging. This is because in an electric double layer capacitor, electrolyte ions move only in the electrolytic solution along with charging / discharging and are adsorbed / desorbed to / from the electrode interface, and do not involve an electrochemical reaction as in a battery.

電気二重層キャパシタにも、水系電解液を用いたキャパシタと、非水系電解液(有機電解液)を用いたキャパシタとが存在する。   Also in the electric double layer capacitor, there are a capacitor using an aqueous electrolyte and a capacitor using a non-aqueous electrolyte (organic electrolyte).

電気二重層キャパシタの作動電圧は主に電解液の電気分解電圧によって決定されるため、水系電解液を用いたキャパシタは非水系電解液(有機電解液)を用いたキャパシタに比較して作動電圧の点で不利である。しかしながら、出力密度が高く安全であるという利点を有している。   Since the operating voltage of an electric double layer capacitor is mainly determined by the electrolysis voltage of the electrolyte, the capacitor using an aqueous electrolyte has a higher operating voltage than the capacitor using a non-aqueous electrolyte (organic electrolyte). It is disadvantageous in terms. However, it has the advantage of high power density and safety.

一方、プロピレンカーボネートなどの有機溶媒に四フッ化ホウ素や六フッ化リンなどの四級オニウム塩を溶解させた非水系電解液を用いる電気二重層キャパシタは、作動電圧が、水系電解液を用いたキャパシタより高いが、二次電池に比較すると低い。また、電気二重層容量によるエネルギー密度が二次電池に比較して低く、電気自動車の電源としては大幅に不足する。   On the other hand, an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte solution in which a quaternary onium salt such as boron tetrafluoride or phosphorus hexafluoride is dissolved in an organic solvent such as propylene carbonate has an operating voltage of an aqueous electrolyte solution. It is higher than the capacitor, but lower than the secondary battery. In addition, the energy density due to the electric double layer capacity is lower than that of the secondary battery, and the power source of the electric vehicle is greatly insufficient.

このような問題点の改善を目的として、電気化学素子に使用される電極活物質の検討が進められている。   In order to improve such problems, studies on electrode active materials used in electrochemical devices are underway.

特許文献1(特開2003−297362号公報)は、p−ドーピング可能な導電性高分子を主体とする正極と、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料を主体とする負極と、リチウム塩を含む有機電解液とを有するハイブリッド二次電源を提案している。重量平均分子量が50000のポリチオフェン、重量平均分子量が80000のポリ(3−メチルチオフェン)等を正極として使用した二次電源により、作動電圧が4.0Vであり、正極として活性炭を使用した二次電源と同等以上の容量を有し、かつ充放電サイクル信頼性の高い二次電源が得られている。   Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-297362) discloses a positive electrode mainly composed of a p-doped conductive polymer, a negative electrode mainly composed of a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions, and a lithium salt. A hybrid secondary power source having an organic electrolyte solution is proposed. A secondary power source using a polythiophene having a weight average molecular weight of 50000, a poly (3-methylthiophene) having a weight average molecular weight of 80000, etc. as a positive electrode, an operating voltage of 4.0 V, and a secondary power source using activated carbon as a positive electrode A secondary power source having a capacity equal to or higher than that of the battery and having high charge / discharge cycle reliability is obtained.

特許文献2(特開平6−104141号公報)は、導電性高分子粉末ペーストを用いて作成した電極を備えた電気二重層キャパシタの高容量化及び内部抵抗の低減を達成する目的で、電解重合法により得られた導電性高分子膜を分極性電極として使用した電気二重層キャパシタを提案している。電解重合法により得られたポリピロール膜の利用により、作動電圧が2.6Vで、粉末ペーストを用いた電極を備えた電気二重層キャパシタより高容量を有する電気二重層キャパシタが得られている。   Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-104141) discloses an electrolytic double layer for the purpose of increasing the capacity and reducing the internal resistance of an electric double layer capacitor provided with an electrode prepared using a conductive polymer powder paste. An electric double layer capacitor using a conductive polymer film obtained by a legal method as a polarizable electrode is proposed. By using the polypyrrole film obtained by the electrolytic polymerization method, an electric double layer capacitor having an operating voltage of 2.6 V and a higher capacity than an electric double layer capacitor having an electrode using a powder paste has been obtained.

電気二重層キャパシタにおける低いエネルギー密度の改善のため、電気二重層の静電容量に加えて電極表面でのレドックス反応あるいは電荷移動反応による付加的な容量を利用する電気化学キャパシタの検討も行われている。このような電気化学キャパシタの電極活物質としては、酸化還元反応が容易に起こる酸化ルテニウム、酸化マンガン、酸化ニッケル等の金属酸化物や、電解液のアニオン、カチオンとのπ電子の授受による電荷移動が比較的容易に起こるポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール等の導電性高分子が検討されている。   In order to improve the low energy density of the electric double layer capacitor, an electrochemical capacitor using an additional capacitance due to a redox reaction or a charge transfer reaction on the electrode surface in addition to the electric double layer capacitance has been studied. Yes. As an electrode active material for such an electrochemical capacitor, charge transfer by exchange of π-electrons with metal oxides such as ruthenium oxide, manganese oxide, nickel oxide, etc. where an oxidation-reduction reaction easily occurs, and anions and cations of electrolytes Conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polypyrrole and the like in which the above occurs relatively easily have been studied.

また、特許文献3(特開2000−315527号公報)は、薄膜状のトリフェニルアミンを繰り返し単位として含む導電性高分子を正極とし、薄膜状の2,2’−ビピリジンを繰り返し単位として含む導電性高分子を負極とする非水電気化学キャパシタを提案しており、2.7Vまでの作動電圧を示し、エネルギー密度が電気二重層キャパシタの3倍以上である非水電気化学キャパシタが得られている。   Patent Document 3 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-315527) discloses a conductive polymer containing a thin film of triphenylamine as a repeating unit as a positive electrode and a thin film of 2,2′-bipyridine as a repeating unit. A non-aqueous electrochemical capacitor having a negative electrode made of a conductive polymer has been proposed, and a non-aqueous electrochemical capacitor exhibiting an operating voltage of up to 2.7 V and having an energy density more than three times that of an electric double layer capacitor has been obtained. Yes.

さらに、特許文献4(特開2006−48974号公報)は、ポリフルオレン又はその誘導体から成る電極材料を開示しており、ポリフルオレン誘導体のn−ドープの酸化還元電位が従来の導電性高分子に比べて低く、ポリフルオレンまたはその誘導体のp−ドープの酸化還元電位が従来の導電性高分子に比べて高く、この電極材料が高電圧特性を有していることを示している。そして、ポリ(9,9−ジメチルフルオレン)を電極活物質として使用すると、ポリ(3−メチルチオフェン)を用いた二次電池及び電気化学キャパシタよりも高い作動電圧を有する二次電池及び電気化学キャパシタが得られることを示している。   Further, Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-48974) discloses an electrode material composed of polyfluorene or a derivative thereof, and the n-doped redox potential of the polyfluorene derivative is compared with a conventional conductive polymer. In comparison, the p-doped redox potential of polyfluorene or its derivatives is higher than that of conventional conductive polymers, indicating that this electrode material has high voltage characteristics. When poly (9,9-dimethylfluorene) is used as the electrode active material, the secondary battery and electrochemical capacitor having a higher operating voltage than the secondary battery and electrochemical capacitor using poly (3-methylthiophene) Is obtained.

特開2003−297362号公報JP 2003-297362 A 特開平6−104141号公報JP-A-6-104141 特開2000−315527号公報JP 2000-315527 A 特開2006−48974号公報JP 2006-48974 A

しかしながら、電気自動車等のモーター駆動電源の小型化・軽量化の要求は恒常的であり、そのため、電源として使用される電気化学素子に対する高作動電圧化、高容量化、高エネルギー密度化の強い要求がある。   However, there is a constant demand for miniaturization and weight reduction of motor drive power supplies for electric vehicles, etc. Therefore, there is a strong demand for higher operating voltage, higher capacity, and higher energy density for electrochemical elements used as power supplies. There is.

そこで、本発明の課題は、作動電圧が高く、高容量でエネルギー密度が高い電気化学素子を与えることが可能な、従来の導電性高分子より高容量を有する電極活物質及びこれを用いた電極を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrode active material having a higher capacity than a conventional conductive polymer capable of providing an electrochemical element having a high operating voltage, a high capacity and a high energy density, and an electrode using the same Is to provide.

上記課題を解決する本発明の電極活物質は、少なくとも1種のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成ることを特徴とする。   The electrode active material of the present invention for solving the above-mentioned problems is characterized by comprising at least one poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene.

本発明のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質を、特許文献4に開示されている高い作動電圧を有する電気化学素子を与えるポリ9,9−ジアルキルフルオレンから成る電極活物質と比較すると、p−ドーピングに対する容量についてはほぼ同等であるものの、ポリ9,9−ジアルキルフルオレンから成る電極活物質がn−ドーピングに対する容量をほとんど有さないのに対し、本発明のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質はn−ドーピングに対しても高容量も有する。すなわち、本発明のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質は、p−ドーピングに対してもn−ドーピングに対しても高容量を有する点で従来のポリ9,9−ジアルキルフルオレンから成る電極活物質より優れており、正極活物質及び/又は負極活物質として好適である。   The electrode active material composed of poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene of the present invention is used as the electrode active material composed of poly 9,9-dialkylfluorene which gives an electrochemical device having a high operating voltage as disclosed in Patent Document 4. Compared to the material, although the capacity for p-doping is almost the same, the electrode active material made of poly-9,9-dialkylfluorene has little capacity for n-doping, whereas the poly-9 of the present invention. , 9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene has an electrode active material with high capacity against n-doping. That is, the electrode active material comprising the poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene of the present invention has a high capacity for both p-doping and n-doping, so that the conventional poly 9,9- It is superior to an electrode active material made of dialkylfluorene, and is suitable as a positive electrode active material and / or a negative electrode active material.

上記ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンにおいて、フルオレン環が実質的に2位と7位で重合しているのが好ましい。なお、「実質的に2位と7位で重合している」の語は、ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンに含まれるフルオレン環の個数の90%以上、好ましくは95%以上、より好ましくは98%以上、特に好ましくは100%のフルオレン環が隣接するフルオレン環と2位と7位で結合していることを意味する。   In the poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene, it is preferable that the fluorene ring is substantially polymerized at the 2-position and the 7-position. The term “substantially polymerized at the 2-position and the 7-position” is 90% or more, preferably 95% or more of the number of fluorene rings contained in poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene. More preferably, it means that 98% or more, particularly preferably 100%, of the fluorene ring is bonded to the adjacent fluorene ring at the 2nd and 7th positions.

フルオレン環が実質的に2位と7位で重合しているポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンを電極活物質として使用すると、フルオレン環の重合位置を制御しないポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンを電極活物質として使用した場合と比較して、容量が大幅に増加することがわかっている。   When poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene in which the fluorene ring is substantially polymerized at the 2-position and the 7-position is used as an electrode active material, poly 9,9-bis (not controlling the polymerization position of the fluorene ring) It has been found that the capacity is greatly increased compared to the use of (alkoxycarbonyl) fluorene as the electrode active material.

本発明はまた、上述のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンからなる電極活物質を含有する活物質層を有する電極を提供する。本発明のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質は、p−ドーピングに対してもn−ドーピングに対しても高容量を有し、正極活物質及び/又は負極活物質として好適である。そのため、本発明の電極は、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する電気化学素子を構築するために好適に使用することができ、二次電池における1対の電極の一方として、又は、電気二重層キャパシタにおける1対の電極の一方として、又は、電気化学キャパシタにおける1対の電極のうちの少なくとも一方として、好適に使用することができる。特に、本発明のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質がp−ドーピングに対してもn−ドーピングに対しても高容量を有するため、本発明の電極を電気化学キャパシタにおける正負両極として使用することにより、得られるキャパシタの高作動電圧化、高容量化、高エネルギー化を達成することができる。   The present invention also provides an electrode having an active material layer containing an electrode active material made of the above-mentioned poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene. The electrode active material comprising poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene of the present invention has a high capacity for both p-doping and n-doping, and is a positive electrode active material and / or a negative electrode active material. It is suitable as. Therefore, the electrode of the present invention can be suitably used to construct an electrochemical device having a high operating voltage, a high capacity and a high energy density, or as one of a pair of electrodes in a secondary battery, or It can be suitably used as one of a pair of electrodes in an electric double layer capacitor or as at least one of a pair of electrodes in an electrochemical capacitor. In particular, since the electrode active material comprising the poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene of the present invention has a high capacity for both p-doping and n-doping, the electrode of the present invention is used as an electrochemical capacitor. By using it as both the positive and negative electrodes in, it is possible to achieve higher operating voltage, higher capacity, and higher energy of the obtained capacitor.

本発明の電極では、上記活物質層が少なくとも1種のカーボンナノチューブを含有するのが好ましい。カーボンナノチューブは、電気伝導度が高いため、活物質と複合化させると、高い電気伝導度の複合体を得ることができる。また外表面積が大きいため、活物質との接触面が広くなり、高効率で導電性を付与することが可能となる。さらに、カーボンナノチューブ自体が電解質溶液との接触において容量を有する。したがって、ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンとカーボンナノチューブとの併用により、高容量を有する上に低インピーダンス特性を有する電極を得ることができる。   In the electrode of the present invention, the active material layer preferably contains at least one kind of carbon nanotube. Since carbon nanotubes have a high electrical conductivity, a composite with a high electrical conductivity can be obtained by compounding with an active material. Further, since the outer surface area is large, the contact surface with the active material is widened, and it is possible to impart conductivity with high efficiency. Furthermore, the carbon nanotubes themselves have a capacity in contact with the electrolyte solution. Therefore, by using poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene and carbon nanotubes in combination, an electrode having high capacity and low impedance characteristics can be obtained.

ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンはカーボンナノチューブに担持されているのが好ましい。カーボンナノチューブとポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンとの間の接触抵抗が小さくなるため、さらに低インピーダンス特性に優れた電極を得ることができる。   Poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene is preferably supported on carbon nanotubes. Since the contact resistance between the carbon nanotube and the poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene is reduced, an electrode having further excellent low impedance characteristics can be obtained.

本発明のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質は、従来の高い作動電圧を有する電気化学素子を与えるポリ9,9−ジアルキルフルオレンから成る電極活物質と比較すると、p−ドーピングに対する容量についてはほぼ同等であるものの、ポリ9,9−ジアルキルフルオレンから成る電極活物質がn−ドーピングに対する容量をほとんど有さないのに対し、本発明のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質はn−ドーピングに対しても高容量も有する。そのため、本発明の電極活物質は正極活物質及び/又は負極活物質として好適であり、本発明の電極活物質を含有する活物質層を有する電極は、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する二次電池、電気二重層キャパシタ、電気化学キャパシタ等の電気化学素子を構築するために極めて有用である。   The electrode active material composed of poly-9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene of the present invention is compared with the conventional electrode active material composed of poly-9,9-dialkylfluorene which gives an electrochemical device having a high operating voltage. -Although the capacity for doping is almost the same, the electrode active material made of poly-9,9-dialkylfluorene has almost no capacity for n-doping, whereas the poly 9,9-bis (alkoxy) of the present invention. An electrode active material comprising carbonyl) fluorene has a high capacity for n-doping. Therefore, the electrode active material of the present invention is suitable as a positive electrode active material and / or a negative electrode active material, and an electrode having an active material layer containing the electrode active material of the present invention has a high operating voltage, high capacity and high energy. It is extremely useful for constructing electrochemical devices such as a secondary battery having a density, an electric double layer capacitor, and an electrochemical capacitor.

本発明の電極活物質は、ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る。本発明の電極活物質は、p−ドーピングに対する容量については従来のポリ9,9−ジアルキルフルオレンから成る電極活物質とほぼ同等であるものの、n−ドーピングに対しても高容量も有する。本発明の電極活物質がn−ドーピングに対して容量を有するのは、アルコキシカルボニル基の極性がアルキル基のものより高いため、ポリマー集合体内部におけるイオン拡散性が向上するためであると考えられる。   The electrode active material of the present invention comprises poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene. The electrode active material of the present invention has a high capacity for n-doping, although the capacity for p-doping is almost the same as that of a conventional poly-9,9-dialkylfluorene. The electrode active material of the present invention has a capacity for n-doping because the polarity of the alkoxycarbonyl group is higher than that of the alkyl group, so that the ion diffusibility inside the polymer assembly is improved. .

電極活物質としてのポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンは、単一のものであっても良く、2種以上のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンの混合物であっても良い。アルコキシカルボニル基は、直鎖状又は分枝状のアルキル部分を有することができる。アルコキシカルボニル基の例としては、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、プロポキシカルボニル、ブトキシカルボニル、ペンチルオキシカルボニル、ヘキシルオキシカルボニル、ヘプチルオキシカルボニル、オクチルオキシカルボニル、ノニルオキシカルボニル、デシルオキシカルボニル、ウンデシルオキシカルボニル、ドデシルオキシカルボニルが挙げられる。   The poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene as the electrode active material may be a single material or a mixture of two or more kinds of poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene. . The alkoxycarbonyl group can have a linear or branched alkyl moiety. Examples of alkoxycarbonyl groups include methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl, propoxycarbonyl, butoxycarbonyl, pentyloxycarbonyl, hexyloxycarbonyl, heptyloxycarbonyl, octyloxycarbonyl, nonyloxycarbonyl, decyloxycarbonyl, undecyloxycarbonyl, dodecyl And oxycarbonyl.

これらのポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレン自体は公知であり、公知の方法により得ることができる。例えば、9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンを含む電解液を用いた電解重合法により、フルオレン環がいずれかの位置で重合している式Iで表されるポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンが得られる。

Figure 2009245900
These poly-9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorenes are known per se and can be obtained by known methods. For example, poly 9,9-bis (alkoxy) represented by the formula I in which the fluorene ring is polymerized at any position by an electrolytic polymerization method using an electrolytic solution containing 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene. Carbonyl) fluorene is obtained.
Figure 2009245900

ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンは式IIに示すように、フルオレン環が実質的に2位と7位で重合しているのが好ましい。

Figure 2009245900
Poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene preferably has a fluorene ring substantially polymerized at the 2nd and 7th positions as shown in Formula II.
Figure 2009245900

式I、式II中、Rはアルキル部分を表わす。図1(a)には、式IIで表されるポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンにおけるフルオレン環連鎖を示し、図1(b)には、式Iで表されるポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンにおけるフルオレン環連鎖を示した。なお、図1(a)、(b)では、簡単化のため、アルコキシカルボニル基が省略されている。式Iで表されるポリマーの分子鎖中には多くのブランチング部位やメタ−共役部位が存在するが、式IIで表されるポリマーの分子鎖中にはブランチング部位やメタ−共役部位がほとんど存在しないため、高い電荷利用率が期待される。そして、式IIで表されるポリマーから成る電極活物質は、式Iで表されるポリマーから成る電極活物質と比較して、容量が大幅に増加することがわかっている。したがって、式IIで表されるフルオレン環の重合位置を精密に制御したポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質を用いることにより、電気化学素子のさらなる高容量化が達成される。このようなフルオレン環の重合位置を精密に制御したポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンは、公知のニッケル触媒を用いたYamamotoカップリング法、パラジウム触媒を用いたSuzuki−Miyauraカップリング法等により得ることができる。   In formula I and formula II, R represents an alkyl moiety. FIG. 1 (a) shows the fluorene ring chain in the poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene represented by the formula II, and FIG. 1 (b) shows the poly 9,9 represented by the formula I. -The fluorene ring chain in bis (alkoxycarbonyl) fluorene was shown. In FIGS. 1A and 1B, the alkoxycarbonyl group is omitted for simplification. There are many branching sites and meta-conjugated sites in the molecular chain of the polymer represented by Formula I, but there are branching sites and meta-conjugated sites in the molecular chain of the polymer represented by Formula II. High charge utilization is expected because it is almost nonexistent. And it has been found that the capacity of the electrode active material composed of the polymer represented by the formula II is greatly increased as compared with the electrode active material composed of the polymer represented by the formula I. Therefore, by using an electrode active material composed of poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene in which the polymerization position of the fluorene ring represented by the formula II is precisely controlled, the capacity of the electrochemical device can be further increased. The Poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene in which the polymerization position of such a fluorene ring is precisely controlled includes a Yamamoto coupling method using a known nickel catalyst, a Suzuki-Miyaura coupling method using a palladium catalyst, etc. Can be obtained.

ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンには、ドーピング処理を施して導電性を付与することができる。ドーピング処理は、化学的ドーピング処理、電気化学的ドーピング処理のいずれの方法を採用しても良い。   Poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene can be doped to impart conductivity. As the doping process, either a chemical doping process or an electrochemical doping process may be employed.

化学的ドーピング処理のためのアクセプターとしては、Br、I、Cl等のハロゲン類、SO、BF、PF、AsF、SbF等のルイス酸、HNO、HSO、HClO、CFSOH、FSOH等のプロトン酸、FeCl、MoCl、WCl、SnCl、MoF等の遷移金属ハライド、テトラシアノエチレン、テトラシアノキノジメタン、クロラニル等の有機物質を使用することができ、ドナーとしては、Li、Na、K、Cs等のアルカリ金属を使用することができる。 Acceptors for chemical doping treatment include halogens such as Br 2 , I 2 and Cl 2 , Lewis acids such as SO 3 , BF 3 , PF 5 , AsF 5 and SbF 5 , HNO 3 and H 2 SO 4. Protonic acids such as HClO 4 , CF 3 SO 3 H, FSO 3 H, transition metal halides such as FeCl 3 , MoCl 5 , WCl 5 , SnCl 4 , MoF 5 , tetracyanoethylene, tetracyanoquinodimethane, chloranil, etc. Organic materials such as Li, Na, K, and Cs can be used as donors.

電気化学的ドーピング処理のためのアクセプターとしては、BF 、PF 、AsF 、SbF 等のルイス酸、I、Br、Cl等のハロゲンアニオンなどを用いることができ、ドナーとしては、Li、Na、K、Cs等のアルカリ金属イオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン等のアルキルアンモニウムイオンなどを用いることができる。 As an acceptor for electrochemical doping treatment, Lewis acids such as BF 4 , PF 6 , AsF 6 and SbF 6 , and halogen anions such as I , Br and Cl can be used. As the donor, alkali metal ions such as Li + , Na + , K + , and Cs + , alkylammonium ions such as tetraethylammonium ions and tetrabutylammonium ions, and the like can be used.

ドーピング量に特に限定はないが、好ましくはフルオレンモノマー単位あたり5〜100モル%、より好ましくはフルオレンモノマー単位あたり20〜50モル%である。重合前の段階でドーピングしてから重合させても良いし、重合後にドーピングする方法を用いても良いし、あるいは電極形成後の充電によりドーピング処理を施しても良い。   The doping amount is not particularly limited, but is preferably 5 to 100 mol% per fluorene monomer unit, more preferably 20 to 50 mol% per fluorene monomer unit. Polymerization may be performed after doping in a stage before polymerization, a method of doping after polymerization may be used, or doping may be performed by charging after electrode formation.

これらのドーピング処理を施した正極活物質は、アニオンの脱ドーピングにより、放電反応、還元反応を生ずる。また、これらのドーピング処理を施した負極活物質は、カチオンの脱ドーピングにより、放電反応、酸化反応を生ずる。   The positive electrode active material subjected to these doping treatments undergoes a discharge reaction and a reduction reaction due to anodization of the anion. Further, the negative electrode active material subjected to these doping treatments causes a discharge reaction and an oxidation reaction due to cation dedoping.

本発明のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンからなる電極活物質を含有する活物質層を集電体上に設けて、電気化学素子用の電極を形成することができる。   An electrode for an electrochemical device can be formed by providing an active material layer containing an electrode active material made of poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene of the present invention on a current collector.

集電体としては、白金、金、ニッケル、アルミニウム、チタン、鋼、カーボン等の導電材料を使用することができる。集電体の形状は、膜状、箔状、板状、網状、エキスパンドメタル状、円筒状等の任意の形状を採用することができる。   As the current collector, a conductive material such as platinum, gold, nickel, aluminum, titanium, steel, or carbon can be used. As the shape of the current collector, any shape such as a film shape, a foil shape, a plate shape, a net shape, an expanded metal shape, and a cylindrical shape can be adopted.

活物質層は、上述のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンをクロロホルム、テトラヒドロフラン、N−メチルピロリドン、イソプロピルアルコール等の溶媒に溶解し、得られた溶液を集電体上に塗布し、乾燥することにより形成しても良い。このようにして形成した膜状の活物質層は、高容量を有する上に、薄く均一で電極の抵抗が低減するため、放電の際のIRドロップが低減して電極の電圧を高く保つことができる。また、ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンを形成するためのモノマーの溶液に集電体を挿入し、集電体の上で重合させて活物質層を形成しても良い。   The active material layer is prepared by dissolving the poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene described above in a solvent such as chloroform, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, isopropyl alcohol, and applying the obtained solution onto a current collector. You may form by drying. The film-shaped active material layer thus formed has a high capacity, is thin and uniform, and reduces the resistance of the electrode. Therefore, the IR drop during discharge can be reduced and the voltage of the electrode can be kept high. it can. Alternatively, an active material layer may be formed by inserting a current collector into a monomer solution for forming poly-9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene and polymerizing the current collector.

また、上述のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンにバインダ及び導電材を混合した混合材料を用いて活物質層を形成しても良い。   Alternatively, the active material layer may be formed using a mixed material in which the above-mentioned poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene is mixed with a binder and a conductive material.

バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリフッ化ビニル、カルボキシメチルセルロース等の公知のバインダを使用することができる。バインダの含有量は、活物質層の総量に対して1〜20質量%であるのが好ましい。1質量%以下であると活物質層の強度が十分でなく、20質量%以上であると容量などの電気化学的特性が不十分になる。   As the binder, known binders such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyvinyl fluoride, and carboxymethyl cellulose can be used. The content of the binder is preferably 1 to 20% by mass with respect to the total amount of the active material layer. When it is 1% by mass or less, the strength of the active material layer is not sufficient, and when it is 20% by mass or more, electrochemical characteristics such as capacity are insufficient.

導電材としては、カーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料、ニッケル及び鉄等の金属粉、ITO等の導電性酸化物、などの公知の導電材を含むこともできる。これらの導電材の含有量は、活物質層の総量に対して1〜20質量%であるのが好ましい。1質量%以下であると活物質層の導電性が十分でなく、20質量%以上であると容量などの電気化学的特性が不十分になる。   The conductive material may include known conductive materials such as carbon materials such as carbon black, natural graphite and artificial graphite, metal powders such as nickel and iron, and conductive oxides such as ITO. The content of these conductive materials is preferably 1 to 20% by mass with respect to the total amount of the active material layer. When the content is 1% by mass or less, the conductivity of the active material layer is insufficient, and when the content is 20% by mass or more, electrochemical characteristics such as capacity are insufficient.

活物質層にはさらに、必要に応じて他の添加物質を混合しても良い。例えば、他の電極活物質、例えば、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセン等の電子伝導性高分子を含むことができる。他の添加物質の量は、活物質層の総量に対して20質量%以下の量であるのが好ましい。20質量%以上であると、容量などの電気化学的特性が不十分になる。   Other active materials may be further mixed in the active material layer as necessary. For example, other electrode active materials, for example, electron conductive polymers such as polythiophene, polypyrrole, and polyacene can be included. The amount of the other additive material is preferably 20% by mass or less based on the total amount of the active material layer. When it is 20% by mass or more, electrochemical characteristics such as capacity become insufficient.

上記混合材料を用いた電極は、バインダを溶解したワニスに本発明の電極活物質、導電材、及び場合により他の添加物質を分散させ、得られた分散液をドクターブレード法などによって集電体上に塗工し、乾燥することにより作成することもできる。また、得られた混合材料を網状の集電体で挟み、電極としても良い。   The electrode using the above-mentioned mixed material is obtained by dispersing the electrode active material of the present invention, a conductive material, and optionally other additive substances in a varnish in which a binder is dissolved, and collecting the obtained dispersion by a doctor blade method or the like. It can also be created by coating on top and drying. Alternatively, the obtained mixed material may be sandwiched between a net-like current collector to form an electrode.

好ましい形態では、活物質層にポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンとカーボンナノチューブとが含まれる。カーボンナノチューブとしては、アーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長(CVD)法等により得られたカーボンナノチューブを使用することができ、単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブの双方を使用することができ、これらを混合して使用しても良い。カーボンナノチューブは、電気伝導度が高いため、活物質と複合化させると、高い電気伝導度の複合体を得ることができる。また外表面積が大きいため、活物質との接触面が広くなり、高効率で導電性を付与することが可能となる。さらに、カーボンナノチューブ自体が電解質溶液との接触において容量を有する。したがって、ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンとカーボンナノチューブとの併用により、高容量を有する上に低インピーダンス特性を有する電極が得られる。   In a preferred form, the active material layer contains poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene and carbon nanotubes. As carbon nanotubes, carbon nanotubes obtained by arc discharge method, laser evaporation method, chemical vapor deposition (CVD) method, etc. can be used, and both single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes can be used. These may be used in combination. Since carbon nanotubes have a high electrical conductivity, a composite with a high electrical conductivity can be obtained by compounding with an active material. Further, since the outer surface area is large, the contact surface with the active material is widened, and it is possible to impart conductivity with high efficiency. Furthermore, the carbon nanotubes themselves have a capacity in contact with the electrolyte solution. Therefore, by using poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene and carbon nanotubes together, an electrode having a high capacity and a low impedance characteristic can be obtained.

ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンとカーボンナノチューブとを混合することにより活物質層を形成することができる。このとき、必要に応じて分散媒を用いて両者を混合した後乾燥させて活物質層を形成しても良い。しかしながら、ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンをカーボンナノチューブに担持して活物質層を形成するのが特に好ましい。担持は、ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンをクロロホルム、テトラヒドロフラン、N−メチルピロリドン、イソプロピルアルコール等の溶媒に溶解した溶液にカーボンナノチューブを浸漬し、所定時間経過後に濾過してカーボンナノチューブを回収し、乾燥することにより行うことができる。乾燥後に、カーボンナノチューブの表面にポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンの膜が形成される。この膜は高容量を有する上に、薄く均一で低抵抗であり、またカーボンナノチューブとポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレン膜との密着性が良好で接触抵抗が小さいため、放電の際のIRドロップがさらに低減し、電極の電圧をさらに高く保つことができる。   An active material layer can be formed by mixing poly9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene and carbon nanotubes. At this time, if necessary, the active material layer may be formed by mixing both using a dispersion medium and then drying. However, it is particularly preferable that poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene is supported on carbon nanotubes to form an active material layer. The carbon nanotubes are immersed in a solution in which poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene is dissolved in a solvent such as chloroform, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, isopropyl alcohol, and filtered after a predetermined time. It can be performed by collecting and drying. After drying, a poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene film is formed on the surface of the carbon nanotubes. This film has a high capacity, is thin and uniform and has a low resistance, and has good adhesion between the carbon nanotube and the poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene film and has a low contact resistance. The IR drop is further reduced, and the voltage of the electrode can be kept higher.

ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンとカーボンナノチューブとの質量比は、一般には9:1〜1:9の範囲であり、好適には8:2〜2:8の範囲である。この範囲を超えると電気化学的特性が不十分になる。   The mass ratio of poly9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene and carbon nanotube is generally in the range of 9: 1 to 1: 9, and preferably in the range of 8: 2 to 2: 8. Exceeding this range results in insufficient electrochemical properties.

ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンとカーボンナノチューブとを含む活物質層をシート状等の所定形状に成形した後、得られた成形体と集電体とを接合して電極を得ることができる。例えば、得られた成形体を集電体上に圧着することにより、電極を得ることができる。成形時に必要に応じてバインダ等を添加しても良い。   After forming an active material layer containing poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene and carbon nanotubes into a predetermined shape such as a sheet, the obtained molded body and a current collector are joined to obtain an electrode. Can do. For example, an electrode can be obtained by pressure-bonding the obtained molded body on a current collector. You may add a binder etc. as needed at the time of shaping | molding.

本発明の電極は、1対の電極と、電極間に配置されるセパレータと、電解質溶液とを有する電気化学素子において好適に使用することができる。   The electrode of the present invention can be suitably used in an electrochemical device having a pair of electrodes, a separator disposed between the electrodes, and an electrolyte solution.

電気化学素子に使用されるセパレータとしては、例えばポリオレフィン繊維不織布、ガラス繊維不織布等が好適に使用される。電解液としては、非水系電解液と水系電解液とがあり、用途に応じて適宜選択される。   As a separator used for an electrochemical element, a polyolefin fiber nonwoven fabric, a glass fiber nonwoven fabric, etc. are used suitably, for example. There are a nonaqueous electrolytic solution and an aqueous electrolytic solution as the electrolytic solution, and they are appropriately selected according to the application.

非水系電解液の溶媒としては、電気化学的に安定なエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、3−メチルスルホラン、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル及びジメトキシエタン、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド又はこれらの混合物を好適に使用することができる。   As the solvent for the non-aqueous electrolyte, electrochemically stable ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, sulfolane, 3-methyl sulfolane, γ-butyrolactone, acetonitrile, and dimethoxyethane, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide or a mixture thereof can be preferably used.

非水系電解液の溶質としては、有機電解液に溶解したときにリチウムイオンを生成する塩を特に限定なく使用することができる。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiN(CFSO、LiCFSO、LiC(SOCF、LiN(SO、LiAsF、LiSbF、又はこれらの混合物を好適に使用することができる。非水系電解液の溶質としてさらに、第4級アンモニウムカチオン又は第4級ホスホニウムカチオンを有する第4級アンモニウム塩又は第4級ホスホニウム塩を使用することができる。例えば、R又はRで表されるカチオン(ただし、R、R、R、Rは炭素数1〜6個のアルキル基を表す)と、PF 、BF 、ClO 、N(CFSO 、CFSO 、C(SOCF 、N(SO 、AsF 又はSbF からなるアニオンとからなる塩、又はこれらの混合物を好適に使用することができる。特に、アニオンとしてPF 、BF 、ClO 、N(CFSO を使用した塩が溶質として好ましい。 As a solute of the nonaqueous electrolytic solution, a salt that generates lithium ions when dissolved in an organic electrolytic solution can be used without any particular limitation. For example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiCF 3 SO 3, LiC (SO 2 CF 3) 3, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, LiAsF 6, LiSbF 6 Or a mixture thereof can be preferably used. Further, a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt having a quaternary ammonium cation or a quaternary phosphonium cation can be used as a solute of the nonaqueous electrolytic solution. For example, a cation represented by R 1 R 2 R 3 R 4 N + or R 1 R 2 R 3 R 4 P + (where R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 have 1 to 6 carbon atoms) Represents an alkyl group), PF 6 , BF 4 , ClO 4 , N (CF 3 SO 3 ) 2 , CF 3 SO 3 , C (SO 2 CF 3 ) 3 , N (SO 2 C A salt composed of an anion composed of 2 F 5 ) 2 , AsF 6 or SbF 6 , or a mixture thereof can be suitably used. In particular, a salt using PF 6 , BF 4 , ClO 4 or N (CF 3 SO 3 ) 2 as the anion is preferable as the solute.

酸性又は中性又はアルカリ性の水系電解液における溶質のカチオンとしては、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属のカチオン、又はプロトンを挙げることができる。水系電解液における溶質のアニオンとしては、硫酸、硝酸、塩酸、リン酸、テトラフルオロ硼酸、六フッ化リン酸、六フッ化ケイ酸等の無機酸のアニオン、飽和モノカルボン酸、脂肪族カルボン酸、オキシカルボン酸、p−トルエンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ラウリン酸等の有機酸のアニオンを挙げることができる。   Examples of the solute cations in the acidic, neutral or alkaline aqueous electrolyte include cations of alkali metals such as sodium and potassium, and protons. Solute anions in aqueous electrolytes include anions of inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, hexafluorosilicic acid, saturated monocarboxylic acids, aliphatic carboxylic acids And anions of organic acids such as oxycarboxylic acid, p-toluenesulfonic acid, polyvinylsulfonic acid and lauric acid.

本発明の電極は、電気化学素子における1対の電極のうちの少なくとも一方として、好適に使用することができる。ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンは、従来の高い作動電圧を有する電気化学素子を与えるポリ9,9−ジアルキルフルオレンから成る電極活物質と比較すると、p−ドーピングに対する容量についてはほぼ同等であるものの、ポリ9,9−ジアルキルフルオレンから成る電極活物質がn−ドーピングに対する容量をほとんど有さないのに対し、本発明のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質はn−ドーピングに対しても高容量も有する。したがって、本発明の電極をあらゆる電気化学素子の電極として使用することにより、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する電気化学素子を得ることができる。以下、電気化学素子が二次電池、電気二重層キャパシタ、電気化学キャパシタである場合のそれぞれについて説明する。   The electrode of the present invention can be suitably used as at least one of a pair of electrodes in an electrochemical device. Poly-9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene is approximately equivalent in capacity to p-doping compared to conventional electrode active materials consisting of poly9,9-dialkylfluorene that provide electrochemical devices with high operating voltages. However, the electrode active material composed of poly 9,9-dialkylfluorene has almost no capacity for n-doping, whereas the electrode active material composed of poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene of the present invention. Also has a high capacity for n-doping. Therefore, by using the electrode of the present invention as an electrode of any electrochemical element, an electrochemical element having a high operating voltage, a high capacity and a high energy density can be obtained. Hereinafter, each case where the electrochemical element is a secondary battery, an electric double layer capacitor, or an electrochemical capacitor will be described.

(二次電池)
リチウム二次電池の場合は、電解液としてリチウム塩を溶質とした非水系電解液を用いる。そして、正極として本発明の電極を、負極として従来のリチウム金属又は天然黒鉛、人造黒鉛、石油コークス等のリチウムイオンを吸蔵、放出する電極活物質を使用した電極を用いる。
(Secondary battery)
In the case of a lithium secondary battery, a non-aqueous electrolyte solution having a lithium salt as a solute is used as the electrolyte solution. Then, the electrode of the present invention is used as the positive electrode, and an electrode using an electrode active material that occludes and releases lithium ions such as conventional lithium metal or natural graphite, artificial graphite, and petroleum coke is used as the negative electrode.

この構成のリチウム二次電池は、本発明の正極が従来のポリ9,9−ジアルキルフルオレンを用いた正極と同様にp−ドーピングの酸化還元電位が高い状態で作動し、さらに非水系電解液の電気分解電圧が高いために作動電圧を高くすることができるため、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する。   In the lithium secondary battery having this configuration, the positive electrode of the present invention operates in a state in which the redox potential of p-doping is high in the same manner as the positive electrode using the conventional poly-9,9-dialkylfluorene, and further the non-aqueous electrolyte solution. Since the electrolysis voltage is high, the operating voltage can be increased, so the operating voltage is high, the capacity is high, and the energy density is high.

また、負極に本発明の電極活物質を使用し、正極に従来のコバルト酸リチウム等の層状化合物又はポリアニリン、ポリフェニレン等の導電性高分子を電極活物質として使用すると、リチウムイオンのインターカレーションがないため、出力特性、サイクル特性が向上し、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られる。   Further, when the electrode active material of the present invention is used for the negative electrode and a conventional layered compound such as lithium cobaltate or a conductive polymer such as polyaniline or polyphenylene is used as the electrode active material for the positive electrode, lithium ion intercalation is caused. Therefore, a lithium secondary battery with improved output characteristics and cycle characteristics, high operating voltage, high capacity and high energy density can be obtained.

プロトン電池を形成する場合は、電解液としてプロトンを有する酸水溶液を用いる。そして、正極として本発明の電極を用い、負極としてキノキサリン系ポリマー等の公知のプロトン電池における負極を用いる。この構成のプロトン電池は、酸水溶液からなる電解液を用いているので充放電特性が良好であり、エネルギー密度が高く、本発明の正極が従来のポリ9,9−ジアルキルフルオレンを用いた正極と同様にp−ドーピングの酸化還元電位が高い状態で作動し、水系電解液を用いた電池における最高作動電圧である1.2Vを示す。   In the case of forming a proton battery, an acid aqueous solution having protons is used as an electrolytic solution. And the electrode of this invention is used as a positive electrode, and the negative electrode in well-known proton batteries, such as a quinoxaline type polymer, is used as a negative electrode. The proton battery having this configuration uses an electrolytic solution made of an acid aqueous solution, so that the charge / discharge characteristics are good, the energy density is high, and the positive electrode of the present invention is a positive electrode using a conventional poly-9,9-dialkylfluorene. Similarly, it operates in a state where the redox potential of p-doping is high, and shows 1.2 V which is the maximum operating voltage in a battery using an aqueous electrolyte.

(電気二重層キャパシタ)
電気二重層キャパシタの電解液としては、上述の非水系電解液及び水系電解液のすべてを用いることができる。非水系電解液を使用した電気二重層キャパシタでは、正極又は負極として本発明の電極を使用し、他方の電極に、活性炭、炭素繊維、フェノール樹脂炭化物、塩化ビニリデン樹脂炭化物、微結晶炭素等の電気二重層容量を有する電極を使用する。本発明の正極が従来のポリ9,9−ジアルキルフルオレンを用いた正極と同様にp−ドーピングの酸化還元電位が高い状態で作動し、又は、本発明の負極がn−ドーピングの酸化還元電位が低い状態で作動する上に大幅に増加した容量を有し、さらに非水系電解液の電気分解電圧が高いために作動電圧を高くすることができるため、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する電気二重層キャパシタが得られる。
(Electric double layer capacitor)
As the electrolytic solution for the electric double layer capacitor, any of the above-mentioned non-aqueous electrolytic solution and aqueous electrolytic solution can be used. In an electric double layer capacitor using a non-aqueous electrolyte, the electrode of the present invention is used as a positive electrode or a negative electrode, and the other electrode is an electric material such as activated carbon, carbon fiber, phenol resin carbide, vinylidene chloride resin carbide, or microcrystalline carbon. An electrode having a double layer capacity is used. The positive electrode of the present invention operates in a state where the redox potential of p-doping is high like the conventional positive electrode using poly 9,9-dialkylfluorene, or the negative electrode of the present invention has a redox potential of n-doping. It operates in a low state and has a greatly increased capacity, and since the electrolysis voltage of the non-aqueous electrolyte is high, the operating voltage can be increased, so the operating voltage is high, high capacity and high energy density An electric double layer capacitor having the following can be obtained.

また、水系電解液を使用した電気二重層キャパシタでは、正極として本発明の電極を使用し、他方の電極に、活性炭、炭素繊維、フェノール樹脂炭化物、塩化ビニリデン樹脂炭化物、微結晶炭素等の電気二重層容量を有する電極を使用する。この構成の電気二重層キャパシタは、酸性、中性、アルカリ性の水溶液を用いることができ、充放電特性が良好であり、エネルギー密度が高く、本発明の正極が従来のポリ9,9−ジアルキルフルオレンを用いた正極と同様にp−ドーピングの酸化還元電位が高い状態で作動し、水系電解液を用いた電気二重層キャパシタにおける最高作動電圧である1.2Vを示す。   In addition, in an electric double layer capacitor using an aqueous electrolyte, the electrode of the present invention is used as a positive electrode, and the other electrode is made of an electric two-layer such as activated carbon, carbon fiber, phenol resin carbide, vinylidene chloride resin carbide, and microcrystalline carbon. An electrode having a multilayer capacity is used. The electric double layer capacitor having this configuration can use acidic, neutral and alkaline aqueous solutions, has good charge / discharge characteristics, high energy density, and the positive electrode of the present invention is a conventional poly 9,9-dialkylfluorene. It operates in a state where the redox potential of p-doping is high as in the positive electrode using, and shows 1.2 V which is the maximum operating voltage in an electric double layer capacitor using an aqueous electrolyte.

(電気化学キャパシタ)
電気化学キャパシタの電解液としては、第4級アンモニウム塩又は第4級ホスホニウム塩を溶質とした非水系電解液が用いられる。そして、正極として本発明の電極を用い、負極として酸化還元反応特性を有するポリアセチレン、ポリアセン、ポリフェニレン等の従来の導電性高分子を電極活物質とした電極を用いることができる。この構成の電気化学キャパシタは、本発明の正極が従来のポリ9,9−ジアルキルフルオレンを用いた正極と同等の容量とp−ドーピングの酸化還元電位とを有するので、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する。
(Electrochemical capacitor)
As an electrolytic solution for the electrochemical capacitor, a nonaqueous electrolytic solution having a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt as a solute is used. Then, the electrode of the present invention can be used as the positive electrode, and an electrode using a conventional conductive polymer such as polyacetylene, polyacene, or polyphenylene having redox reaction characteristics as the negative electrode can be used as the electrode active material. In the electrochemical capacitor of this configuration, the positive electrode of the present invention has a capacity equivalent to that of a positive electrode using conventional poly-9,9-dialkylfluorene and a p-doping oxidation-reduction potential. And has a high energy density.

また、正極として酸化還元反応特性を有するポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフェニレン等の従来の導電性高分子又は酸化ルテニウム、酸化マンガン、酸化ニッケル等の金属酸化物を電極活物質とした電極を用い、負極として本発明の電極を用いることもできる。この構成の電気化学キャパシタは、本発明の負極が従来のポリ9,9−ジアルキルフルオレン又は金属酸化物を電極活物質とした負極よりも大幅に増加した容量を有する上にn−ドーピングの酸化還元電位が低い状態で作動するので、作動電圧が高く、高容量で高エネルギー密度を有する。   In addition, a conventional conductive polymer such as polyaniline, polyacetylene and polyphenylene having redox reaction characteristics or an electrode using a metal oxide such as ruthenium oxide, manganese oxide and nickel oxide as an electrode active material is used as a positive electrode, and this electrode is used as a negative electrode. The electrode of the invention can also be used. In the electrochemical capacitor having this configuration, the negative electrode according to the present invention has a significantly increased capacity as compared with the conventional negative electrode using poly9,9-dialkylfluorene or metal oxide as an electrode active material, and n-doping redox. Since it operates at a low potential, it has a high operating voltage, high capacity and high energy density.

さらに、電気化学キャパシタにおける1対の電極の両方に本発明の電極を用いると、負極のn−ドーピングの酸化還元電位が低く、正極のp−ドーピングの酸化還元電位が高く、p−ドーピングに対してもn−ドーピングに対しても高容量を有するので、従来にない高い作動電圧、高容量、高エネルギー密度を有する電気化学キャパシタが得られる。   Furthermore, when the electrode of the present invention is used for both of the pair of electrodes in the electrochemical capacitor, the redox potential of the negative electrode n-doping is low, the redox potential of the positive electrode p-doping is high, However, since it has a high capacity for n-doping, an electrochemical capacitor having an unprecedented high operating voltage, high capacity, and high energy density can be obtained.

以下に、本発明の実施例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されない。   Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to the following examples.

実施例
10mMの9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレンモノマーと1Mのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートが溶解したアセトニトリル溶液を重合溶液として、作用極に白金電極、対極に活性炭シート、参照極に銀−銀イオン電極を用いて、電位掃引法によりポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレンを重合析出させた。掃引電位範囲は0V〜+1.6V、電位走査速度は100mVs−1とした。重合物を作用極より剥離し、アセトニトリル中に分散後、ろ過、洗浄し、以下の式IIIで表されるポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレンを得た。

Figure 2009245900
Example An acetonitrile solution in which 10 mM 9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene monomer and 1M tetraethylammonium tetrafluoroborate were dissolved was used as a polymerization solution, a platinum electrode as a working electrode, an activated carbon sheet as a counter electrode, and silver as a reference electrode. Poly 9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene was polymerized and precipitated by a potential sweep method using a silver ion electrode. The sweep potential range was 0 V to +1.6 V, and the potential scanning speed was 100 mVs −1 . The polymer was peeled from the working electrode, dispersed in acetonitrile, filtered and washed to obtain poly 9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene represented by the following formula III.
Figure 2009245900

次いで、50mLのイソプロピルアルコールに20mgのポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレン粉末と9.9mgのカーボンナノチューブ粉末(比表面積:200m/g)を加え、機械的攪拌により分散液を得た。その分散液をろ過し、ポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレンがカーボンナノチューブに担持されたポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレン/カーボンナノチューブ複合体のシートを得た。上記シートを約2cmにカットし、同サイズのアルミニウム集電体に圧着することにより、ポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極を得た。複合体層(活物質層)の厚みは20μmであった。 Next, 20 mg of poly 9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene powder and 9.9 mg of carbon nanotube powder (specific surface area: 200 m 2 / g) are added to 50 mL of isopropyl alcohol, and a dispersion is obtained by mechanical stirring. It was. The dispersion was filtered to obtain a sheet of poly 9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene / carbon nanotube composite in which poly 9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene was supported on carbon nanotubes. The sheet was cut to about 2 cm 2 and crimped to an aluminum current collector of the same size to obtain a poly 9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene / carbon nanotube composite electrode. The thickness of the composite layer (active material layer) was 20 μm.

次いで、作用極にポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極を用い、対極に活性炭シート、参照極に銀−銀イオン電極を用いて、三極式セルにてサイクリックボルタモグラムを測定した。電解液には1Mテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを溶解したプロピレンカーボネートを用いた。電位範囲は−3Vから+1.2Vまで、電位走査速度は5mVs−1とした。 Next, a poly9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene / carbon nanotube composite electrode was used as the working electrode, an activated carbon sheet as the counter electrode, and a silver-silver ion electrode as the reference electrode, in a tripolar cell. Click voltammograms were measured. As the electrolytic solution, propylene carbonate in which 1M tetraethylammonium tetrafluoroborate was dissolved was used. The potential range was −3 V to +1.2 V, and the potential scanning speed was 5 mVs −1 .

比較例
実施例1で使用したポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレンの代わりに、以下の式IVで表されるポリ9,9−ジオクチルフルオレン(アルドリッチ製、商品番号571652)を使用し、実施例1の手順を繰り返した。

Figure 2009245900
Comparative Example Instead of the poly 9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene used in Example 1, a poly 9,9-dioctyl fluorene represented by the following formula IV (manufactured by Aldrich, product number 571652) was used. The procedure of Example 1 was repeated.
Figure 2009245900

表1には、実施例と比較例のサイクリックボルタモグラムの結果から得られた、−0.65〜+1.2Vの範囲の容量密度(p−ドーピングに対する容量密度)と、−3.0〜−0.65Vの範囲の容量密度(n−ドーピングに対する容量密度)の値を示す。

Figure 2009245900
Table 1 shows the capacity density in the range of −0.65 to +1.2 V (capacity density with respect to p-doping) obtained from the results of the cyclic voltammograms of Examples and Comparative Examples, and −3.0 to − The value of capacity density (capacity density with respect to n-doping) in the range of 0.65 V is shown.
Figure 2009245900

表1から明らかなように、実施例のポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極は、比較例の9,9−ジオクチルフルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極に比較して、p−ドーピングに対する容量についてはほぼ同等であるものの、比較例のポリ9,9−ジオクチルフルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極がn−ドーピングに対する容量をほとんど有さないのに対し、実施例のポリ9,9−ビス(ヘキシルオキシカルボニル)フルオレン/カーボンナノチューブ複合体電極はn−ドーピングに対しても高容量も有する。   As is apparent from Table 1, the poly 9,9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene / carbon nanotube composite electrode of the example was compared with the 9,9-dioctylfluorene / carbon nanotube composite electrode of the comparative example. Although the capacity for p-doping is almost the same, the comparative poly 9,9-dioctylfluorene / carbon nanotube composite electrode has little capacity for n-doping, whereas the poly 9 , 9-bis (hexyloxycarbonyl) fluorene / carbon nanotube composite electrode has high capacity for n-doping.

(a)は、フルオレン環が実質的に2位と7位で重合しているポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンにおけるフルオレン環連鎖を示す図であり、(b)は、フルオレン環がいずれかの位置で重合しているポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンにおけるフルオレン環連鎖を示す図である。(A) is a figure which shows the fluorene ring chain | strand in the poly 9, 9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene which the fluorene ring has superposed | polymerized in the 2nd and 7th position substantially, (b) It is a figure which shows the fluorene ring chain in the poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene polymerized in any position.

Claims (8)

少なくとも1種のポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンから成る電極活物質。   An electrode active material comprising at least one poly-9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene. 前記ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンにおいてフルオレン環が実質的に2位と7位で重合している、請求項1に記載の電極活物質。   The electrode active material according to claim 1, wherein in the poly-9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene, a fluorene ring is substantially polymerized at the 2-position and the 7-position. 請求項1又は2に記載の電極活物質を含有する活物質層を有する電極。   An electrode having an active material layer containing the electrode active material according to claim 1. 前記活物質層が少なくとも1種のカーボンナノチューブを含有する、請求項3に記載の電極。   The electrode according to claim 3, wherein the active material layer contains at least one carbon nanotube. 前記ポリ9,9−ビス(アルコキシカルボニル)フルオレンが前記カーボンナノチューブに担持されている、請求項4に記載の電極。   The electrode according to claim 4, wherein the poly 9,9-bis (alkoxycarbonyl) fluorene is supported on the carbon nanotube. 二次電池における1対の電極の一方として使用される、請求項3〜5のいずれか1項に記載の電極。   The electrode according to any one of claims 3 to 5, which is used as one of a pair of electrodes in a secondary battery. 電気二重層キャパシタにおける1対の電極の一方として使用される、請求項3〜5のいずれか1項に記載の電極。   The electrode according to any one of claims 3 to 5, which is used as one of a pair of electrodes in an electric double layer capacitor. 電気化学キャパシタにおける1対の電極のうちの少なくとも一方として使用される、請求項3〜5のいずれか1項に記載の電極。   The electrode according to any one of claims 3 to 5, which is used as at least one of a pair of electrodes in an electrochemical capacitor.
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