JP2014522355A - Granular porous carbon material, method of using the granular porous carbon material in a lithium battery - Google Patents

Granular porous carbon material, method of using the granular porous carbon material in a lithium battery Download PDF

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Abstract

炭素相と、
上記炭素相に配置される一つ以上の細孔相と、を含み、
粒子の炭素相が、上記細孔相とともに、ほぼ共連続で不規則な相領域を形成し、細孔相の隣接する領域の間の距離が実質的に50nm以下であることを特徴とする粒状多孔質炭素材料。
【選択図】図1
The carbon phase,
Including one or more pore phases disposed in the carbon phase,
The particulate carbon phase, together with the pore phase, forms a substantially co-continuous and irregular phase region, and the distance between adjacent regions of the pore phase is substantially 50 nm or less Porous carbon material.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、炭素C相及び細孔相を含む新規な粒状多孔質炭素材料、及び当該材料のリチウム電池における使用方法に関する。また、本発明は、このような炭素材料の製造方法、並びに元素状硫黄及び一種以上の本発明の粒状多孔質炭素材料を含む複合材料に関する。   The present invention relates to a novel granular porous carbon material containing a carbon C phase and a pore phase, and a method of using the material in a lithium battery. The present invention also relates to a method for producing such a carbon material, and a composite material containing elemental sulfur and one or more granular porous carbon materials of the present invention.

増大するモバイル社会において、モバイル電気機器は、これまでも大きな役割を果たしている。ここ数年来、電池、特に再充電可能な電池(いわゆる二次電池又は蓄電池)がほぼ毎日の生活の一部において使用されている。現在、二次電池には、電気的性質及び機械的性質に関して複雑な特性が要求されている。例えば、電気工業では、長い寿命を実現するために高い容量及び高いサイクル安定性を有する新規の小型で軽量の二次電池又は蓄電池が要求されている。さらに、高い信頼性及び効率を保証するためには、感温性及び自己放電率は、僅かであるべきである。同時に、利用の際の高い安全基準が要求される。上記性質を有するリチウムイオン二次電池は、特に自動車部門にとっても重要であり、例えばこれから先、電気自動車又はハイブリッド自動車における電力蓄積器として使用され得る。   In the growing mobile society, mobile electrical devices have played a major role in the past. In recent years, batteries, particularly rechargeable batteries (so-called secondary batteries or accumulators) have been used in almost every part of daily life. Currently, secondary batteries are required to have complex characteristics with respect to electrical properties and mechanical properties. For example, in the electrical industry, there is a demand for new small and lightweight secondary batteries or accumulators with high capacity and high cycle stability to achieve a long life. Furthermore, the temperature sensitivity and self-discharge rate should be small to ensure high reliability and efficiency. At the same time, high safety standards are required for use. The lithium ion secondary battery having the above properties is particularly important for the automobile sector, and can be used, for example, as a power storage device in an electric vehicle or a hybrid vehicle.

さらに、この場合には、高い電流密度を実現させるために、好ましい界面動電特性を有する蓄電池が必要とされる。また、新しい種類の蓄電池システムを開発する場合には、再充電可能な蓄電池を安価な方法で製造しうることが特に重要である。また、新規の蓄電池システムを開発する場合には、環境的視点は、ますます重要な役割を果たす。   Furthermore, in this case, in order to realize a high current density, a storage battery having preferable electrokinetic characteristics is required. Also, when developing a new type of storage battery system, it is particularly important that a rechargeable storage battery can be manufactured in an inexpensive manner. Also, when developing new storage battery systems, the environmental perspective plays an increasingly important role.

現在の高エネルギーリチウム電池の正極は、今日では、電気活物質として通常、リチウム遷移金属酸化物又はスピネル型の複合酸化物を含む。これらの例は、LiCoO、LiNiO、LiNi1−x−yCo(0<x<1、y<1,Mは、例えば、Al又はMn)、若しくはLiMn、又はリチウム鉄リン酸塩である。現在のリチウム電池の負極の構成については、ここ数年で、リチウムグラファイトインターカレーション化合物を使用することが示されている(Journal Electrochem. Soc. 1990, 2009)。さらに、負極材料として、リチウムシリコンインターカレーション化合物、リチウム合金、及びチタン酸リチウムについて研究されている(K.E.Aifantisによる「Next generation anodes for secondary Li−ion batteries” in High Energy Density Li−Batteries,Wiley−VCH,2010」の129〜162ページを参照)。 Current positive electrodes of high energy lithium batteries nowadays typically include lithium transition metal oxides or spinel type complex oxides as electroactive materials. These examples, LiCoO 2, LiNiO 2, LiNi 1-x-y Co x M y O 2 (0 <x <1, y <1, M is, for example, Al or Mn), or LiMn 2 O 4, Or lithium iron phosphate. As for the structure of the negative electrode of the current lithium battery, it has been shown in recent years that a lithium graphite intercalation compound is used (Journal Electrochem. Soc. 1990, 2009). In addition, lithium silicon intercalation compounds, lithium alloys, and lithium titanates have been studied as negative electrode materials ("Next generation anodds for secondary Li-ion batteries" in High Energy Density Li-Batteries by KE Aifantis). , Wiley-VCH, 2010 ”, pages 129-162).

これら2つの電極は、液体電解質又は固体電解質を使用したリチウム電池においては、相互に結合される。リチウム電池を(再)充電する場合には、正極物質が酸化される(例えば、次の式:LiCoO→nLi+Li1−nCoO+neによる)。これによって、リチウムは、正極材料から脱離され、リチウムイオンの態様で負極に移動する。この負極でリチウムイオンは、負極物質の還元にもとない結合されて、そしてグラファイトの場合には、グラファイトの還元とともにリチウムイオンがインターカレートされる。この場合、リチウムは、グラファイト構造において中間層の部分を占める。蓄電池を放電する場合、負極に結合されていたリチウムは、負極からリチウムイオンの形で放出され、負極材料の酸化が行なわれる。リチウムイオンは、電解質を通って正極に移動し、正極の還元にともない結合される。蓄電池の放電の場合及び蓄電池の再充電の場合には、リチウムイオンは、セパレータを通って移動する。 These two electrodes are coupled to each other in a lithium battery using a liquid electrolyte or a solid electrolyte. When (re) charging a lithium battery, the positive electrode material is oxidized (eg, according to the following formula: LiCoO 2 → nLi + + Li 1-n CoO 2 + ne ). Thereby, lithium is desorbed from the positive electrode material and moves to the negative electrode in the form of lithium ions. In this negative electrode, lithium ions are bonded based on the reduction of the negative electrode material, and in the case of graphite, lithium ions are intercalated with the reduction of graphite. In this case, lithium occupies a portion of the intermediate layer in the graphite structure. When discharging the storage battery, lithium bonded to the negative electrode is released from the negative electrode in the form of lithium ions, and the negative electrode material is oxidized. Lithium ions move to the positive electrode through the electrolyte and are combined as the positive electrode is reduced. In the case of discharging the storage battery and in the case of recharging the storage battery, the lithium ions move through the separator.

一般に蓄電池における問題の中心は、リチウム電池の場合も同様であるが、それらの限られた容量密度又はエネルギー密度にある。近年では、リチウム硫黄電池(すなわち、正極材料が元素又はポリマー結合の形で硫黄を含むリチウム電池である)が重要である。リチウム硫黄電池では、放電の過程において正極でポリスルフィドアニオンが形成され、負極において放電される。化学反応及び正極の反応は、2Li+S+2e→Li 2−の簡略した形に表現できる。放電過程の進行において形成されたポリスルフィドアニオンにおいて硫黄原子の数が減少する。理論エネルギー密度が2600Wh/kg程度であることにより(LiSを与える完全な反応を仮定した。「Journal Material Chemistry,2010,20」の2821〜2826ページ参照)、リチウムイオン電池は、リチウム遷移金属酸化物を基礎とする正極材料を用いた従来のリチウムイオン電池の4倍の理論エネルギー密度を有する。 In general, the main problem in storage batteries is the same for lithium batteries, but their limited capacity density or energy density. In recent years, lithium sulfur batteries (ie, lithium batteries in which the positive electrode material contains sulfur in the form of elemental or polymer bonds) are important. In a lithium-sulfur battery, polysulfide anions are formed at the positive electrode during the discharge process and discharged at the negative electrode. The chemical reaction and the positive electrode reaction can be expressed in a simplified form of 2Li + + S x + 2e → Li + 2 S x 2− . The number of sulfur atoms decreases in the polysulfide anion formed in the progress of the discharge process. The theoretical energy density is about 2600 Wh / kg (assuming a complete reaction giving Li 2 S. Refer to pages 2821 to 2826 of “Journal Material Chemistry, 2010, 20”), the lithium ion battery is a lithium transition metal. It has a theoretical energy density four times that of a conventional lithium ion battery using an oxide-based positive electrode material.

しかしながら、リチウム硫黄電池の場合には、繰り返し充電により比較的急速に容量の損失が見られ、これが電池の寿命を制限している点が問題となっていることがわかっている。この容量損失は、電解質に可溶なポリスルフィドアニオンの生成による正極材料からの硫黄の損失に起因している。元素状硫黄そのものは絶縁性であるので、硫黄系正極材料において導電性カーボンブラックや金属粒子等の多量の導電性添加剤を使用する必要がある。しかし、硫化物の移動により、絶縁硫黄層が、アノードの表面又はセパレータの領域に形成されることがある。この結果、電池の抵抗及びインピーダンスが増加する。   However, in the case of lithium-sulfur batteries, it has been found that capacity loss is seen relatively rapidly due to repeated charging, which limits the battery life. This capacity loss is due to the loss of sulfur from the positive electrode material due to the production of polysulfide anions soluble in the electrolyte. Since elemental sulfur itself is insulating, it is necessary to use a large amount of conductive additive such as conductive carbon black or metal particles in the sulfur-based positive electrode material. However, due to the migration of sulfide, an insulating sulfur layer may be formed on the surface of the anode or in the region of the separator. As a result, the resistance and impedance of the battery increase.

正極材料において硫黄の移動及びこれにともなう硫黄の損失を防ぐためのいくつかの基本的なアプローチがある。   There are several basic approaches to prevent sulfur migration and concomitant sulfur loss in the cathode material.

−例えば、ポリカーボンスルフィド等の炭素質ポリマー骨格に硫黄原子を結合すること(例えば、US4833048、WO96/41387、US6117590、及びUS6309778を参照)この方法は、製造の複雑さ及びポリマーの取り扱いが困難であるという欠点がある。   -For example, attaching sulfur atoms to a carbonaceous polymer backbone such as polycarbon sulfide (see, for example, US4833048, WO96 / 41387, US6117590, and US63030978). This method is difficult to manufacture and difficult to handle polymers There is a drawback of being.

−遷移金属をドープした硫化モリブデン、タングステン、硫化物、又はチタン硫化物の使用方法(例えば、US6300009、US6319633、又はUS6376127を参照)。この場合、遷移金属が正極材料において比較的高い割合を占めるので、材料の比容量が低くなる。   A method of using transition metal doped molybdenum sulfide, tungsten, sulfide, or titanium sulfide (see, for example, US6300009, US6319633, or US6376127). In this case, since the transition metal occupies a relatively high ratio in the positive electrode material, the specific capacity of the material is lowered.

−多孔質カーボン(エアロゲル)、シリカゲル、例えばベーマイト及び擬似ベーマイトなどのアルミニウム酸化物等のポリスルフィドアニオンに対する親和性を有する、硫黄又は硫黄含有電気活物質及び吸着剤からなる複合材料の使用方法(例えば、US5162175、WO99/33131、WO2009/114314参照)。   -The use of composites composed of sulfur or sulfur-containing electroactive materials and adsorbents with affinity for polysulfide anions such as porous carbon (aerogel), silica gel, eg aluminum oxides such as boehmite and pseudoboehmite (for example US5162175, WO99 / 33131, WO2009 / 114314).

US4833048US4833048 WO96/41387WO96 / 41387 US6117590US6117590 US6309778US6309778 US6300009US6300009 US6319633US6319633 US6376127US6376127 US5162175US5162175 WO99/33131WO99 / 33131 WO2009/114314WO2009 / 114314

B.Zhangらによる「Energy Environ.Sci.2010,3」の1531〜1537ページには、硫黄が微孔性炭素材料の微孔内にインターカレートされるリチウム−硫黄電池用の正極材料として炭素/硫黄物質が記載されている。しかしながら、複合材料は、42%の硫黄量までしか十分な放電容量を示さない。   B. Zhang et al., “Energy Environ. Sci. 2010, 3”, pages 1531-1537, includes carbon / sulfur as a positive electrode material for lithium-sulfur batteries in which sulfur is intercalated into the micropores of the microporous carbon material. The substance is listed. However, the composite material exhibits a sufficient discharge capacity only up to 42% sulfur content.

要約すると、従来技術から現在までに知られている炭素/硫黄系正極材料の充電/放電速度に関しては、充電/放電エネルギー、及び/又はサイクル安定性、例えば複数の充電/放電サイクル後の容量の減少、及び/又はインピーダンスの増加という観点において不十分である。粒状の半金属又は金属相、及び一種以上の炭素相が、これらの問題を解決するために近年提案されており、これらの問題を一部分解決することができる。このような複合材料の品質は、一般的に再現可能な方法では実現できない。また、一般にその生産は、非常に複雑であり、経済的な使用が不可能である。   In summary, with respect to the charge / discharge rates of carbon / sulfur based cathode materials known from the prior art to date, charge / discharge energy and / or cycle stability, eg capacity after multiple charge / discharge cycles. In terms of reduction and / or increase in impedance, it is insufficient. Particulate metalloids or metal phases and one or more carbon phases have recently been proposed to solve these problems, and these problems can be partially solved. Such quality of the composite material cannot be realized by a generally reproducible method. In general, the production is very complicated and cannot be used economically.

本発明の目的は、特にリチウム−硫黄電池用のリチウム電池用正極材料の製造に適しており、従来技術の欠点を解消する電気活物質を提供することである。この電気活物質を用いて製造される正極材料は、一つ以上、特に二つ以上の下記の性質を有するべきである。   An object of the present invention is to provide an electroactive material that is particularly suitable for the production of a positive electrode material for a lithium battery for a lithium-sulfur battery and that eliminates the disadvantages of the prior art. The positive electrode material produced using this electroactive material should have one or more, especially two or more of the following properties.

−高い比容量、
−高サイクル安定性、
−自己放電が低い、
−優れた機械的安定性。
-High specific capacity,
-High cycle stability,
-Low self-discharge,
-Excellent mechanical stability.

さらに、材料は、経済的で且つ、特に再現可能な品質で製造可能であるべきである。   Furthermore, the material should be economical and particularly manufacturable with reproducible quality.

上記目的は、驚くべきことに、以下で定義される炭素材料を含む硫黄複合材料により達成されることがわかった。   It has surprisingly been found that the above object is achieved by a sulfur composite material comprising a carbon material as defined below.

本発明の炭素材料は、炭素相(以下、炭素C相又はC相とも記載する)と、一つ以上の細孔相(以下、細孔相P又はP相とも記載する)と、を含み、粒子の炭素相及びほぼ非整列の共連続相領域である細孔相を形成し、隣接する細孔相の領域の間の距離が、ほぼ、特に50nm以下、好ましくは20nm以下、又は10nm以下、例えば0.5〜50nm、好ましくは0.7〜20nm、及び特に1〜10nmである粒状多孔質炭素材料である。   The carbon material of the present invention includes a carbon phase (hereinafter also referred to as carbon C phase or C phase) and one or more pore phases (hereinafter also referred to as pore phase P or P phase), Forming a pore phase that is a carbon phase of the particles and a substantially non-aligned co-continuous phase region, and the distance between adjacent pore phase regions is approximately 50 nm or less, preferably 20 nm or less, or 10 nm or less, For example, a granular porous carbon material of 0.5 to 50 nm, preferably 0.7 to 20 nm, and especially 1 to 10 nm.

この炭素材料は新規であり、本発明の主題の第1の部分を構成する。   This carbon material is novel and forms the first part of the subject matter of the present invention.

本発明の粒状炭素材料は、以下の工程を含む簡素な方法により製造することができる。   The granular carbon material of the present invention can be produced by a simple method including the following steps.

I.一つ以上の有機ポリマー相及び一つ以上の無機(半)金属酸化物相を含む粒状複合材料を供給する工程であって、該有機ポリマー相及び無機(半)金属酸化物相が略共連続の相領域を形成し、無機(半)金属酸化物相の隣接する領域間の平均距離が50nm以下、特に20nm以下、特に10nm以下、例えば1〜50nm、好ましくは0.7〜20nm、及び特に1〜10nmであり、
II.複合材料の有機ポリマー相を炭化する工程、
III.浸出によって(半)金属酸化物相を除去する工程。
I. Supplying a granular composite material comprising one or more organic polymer phases and one or more inorganic (semi) metal oxide phases, wherein the organic polymer phase and the inorganic (semi) metal oxide phase are substantially co-continuous And the average distance between adjacent regions of the inorganic (semi) metal oxide phase is 50 nm or less, especially 20 nm or less, especially 10 nm or less, such as 1 to 50 nm, preferably 0.7 to 20 nm, and especially 1-10 nm,
II. Carbonizing the organic polymer phase of the composite material;
III. Removing the (semi) metal oxide phase by leaching.

このようなプロセスは、同様に本発明の主題の一部を構成する。   Such a process likewise forms part of the subject matter of the present invention.

本発明の粒状炭素材料は、特に元素の硫黄を含む硫黄含有複合材料の製造に好適である。この硫黄含有複合材料は、特にリチウム硫黄電池用の正極材料の製造に好適であり、高い比容量、高い機械安定性、及び良好な加工性のみならず、特にサイクル安定性の向上につながり、結果としてリチウム硫黄電池の寿命の向上につながる。   The granular carbon material of the present invention is particularly suitable for producing a sulfur-containing composite material containing elemental sulfur. This sulfur-containing composite material is particularly suitable for the production of a positive electrode material for a lithium-sulfur battery, which leads to not only high specific capacity, high mechanical stability, and good workability, but particularly to improved cycle stability, resulting in As a result, the life of the lithium-sulfur battery is improved.

さらに、本発明は、元素状硫黄及び一種以上の本発明の多孔質炭素材料を含有する複合材料を提供する。   Furthermore, the present invention provides a composite material containing elemental sulfur and one or more porous carbon materials of the present invention.

さらに、本発明は、リチウム硫黄材料における電気活性正極材料としての複合材料の使用方法を提供する。   Furthermore, the present invention provides a method of using the composite material as an electroactive cathode material in a lithium sulfur material.

さらに、本発明は、正極が本発明の複合材料(元素の硫黄及び一種以上の本発明の多孔質炭素材料)を含むリチウム硫黄電池を提供する。   Furthermore, the present invention provides a lithium sulfur battery in which the positive electrode comprises the composite material of the present invention (elemental sulfur and one or more porous carbon materials of the present invention).

本発明の多孔質炭素材料における細孔相(以下、P相)、及び炭素相(以下、C相)は、C相及びP相が特徴的な共連続的配置で領域を形成する。C相及びP相が実質的に共連続的配置で存在する領域は、一般的に80体積%、特に90体積%の本発明の炭素材料を含む。隣接する炭素相の距離が小さいので、非常に小さい平均孔径の相互に連結された細孔の配置態様が形成される。なお、この細孔は、炭素骨格をスポンジ状に貫通している。炭素相及び細孔相の配置は、例えば、透過電子顕微鏡法(TEM)、特にHAADE−STEM(HAADF−STEM:高角度環状暗視野走査型電子顕微鏡)を用いて認識される。   The pore phase (hereinafter referred to as P phase) and the carbon phase (hereinafter referred to as C phase) in the porous carbon material of the present invention form regions in a co-continuous arrangement characterized by the C phase and the P phase. The region in which the C and P phases are present in a substantially co-continuous arrangement generally comprises 80% by volume, in particular 90% by volume, of the inventive carbon material. Since the distance between the adjacent carbon phases is small, an arrangement mode of interconnected pores having a very small average pore diameter is formed. The pores penetrate the carbon skeleton in a sponge shape. The arrangement of the carbon phase and the pore phase is recognized using, for example, transmission electron microscopy (TEM), in particular HAADE-STEM (HAADF-STEM: high angle annular dark field scanning electron microscope).

同様に、本発明の方法により工程Iで提供される複合材料では、広い領域に亘る共連続の配置において、一方では(半)金属酸化物相(相A)及び他方では有機ポリマー相(相B)が存在する。これはつまり、相A及び相Bが、大部分を占めており、すなわち全領域に亘って、非絶縁層領域が任意の連続相領域により囲まれている。   Similarly, in the composite material provided in step I according to the method of the invention, in a co-continuous arrangement over a large area, on the one hand the (semi) metal oxide phase (phase A) and on the other hand the organic polymer phase (phase B). ) Exists. In other words, phase A and phase B occupy most, that is, the non-insulating layer region is surrounded by an arbitrary continuous phase region over the entire region.

また、例えば、透過電子顕微鏡法(TEM)、特にHAADE−STEM(HAADF−STEM:高角度環状暗視野走査型電子顕微鏡)を用いた材料の分析によりわかるように、一方の(半)金属酸化物相A及び他方のポリマー相Bは、空間的に相互に分離し相互に侵入する連続相領域を形成する。   Also, for example, one (semi) metal oxide as shown by analysis of materials using transmission electron microscopy (TEM), in particular HAADE-STEM (HAADF-STEM: high angle annular dark field scanning electron microscope). Phase A and the other polymer phase B form a continuous phase region that is spatially separated from one another and penetrates one another.

「連続相又は相領域」、「非連続相又は相領域」、及び「共連続相又は相領域」という用語に関しては、W.J.Workらによる「Definitions of Terms Related to Polymer Blends,Composites and Multiphase Polymeric Materials,(IUPAC Recommendations 2004),Pure Appl.Chem.,76(2004)」の1985〜2007ページ、特に2003ページに記載されている。これによれば、相に関して「連続」という語は、特定の相の領域の一つの範囲内において、全ての相の領域の境界への連続路が、相領域の境界を横切ることなく描かれていることを意味する。また、上記文献によれば、従って、2以上の相から成る相システムの共連続配置とは、複数の相が相分離した配置態様を意味し、特定の相の領域の一つの範囲内において、全ての相の領域の境界への連続路が、相領域の境界を横切ることなく描かれていることを意味する。従って、共連続配置における相は、相互に侵入している。   For the terms “continuous phase or phase region”, “non-continuous phase or phase region”, and “co-continuous phase or phase region”, see W.W. J. et al. Work et al., “Definitions of Terms Related to Polymer Blends, Composites and Multiphase Polymeric Materials, (IUPAC Recommendations 2004), page 1987, page 7 to Pure Appl. Chem. According to this, the word “continuous” in relation to a phase is drawn within one range of a particular phase region, so that the continuous path to the boundary of all phase regions does not cross the phase region boundary. Means that Further, according to the above document, the co-continuous arrangement of the phase system composed of two or more phases means an arrangement mode in which a plurality of phases are phase-separated, and within one range of a specific phase region, It means that a continuous path to the boundary of all phase regions is drawn without crossing the boundary of the phase regions. Therefore, the phases in the co-continuous arrangement penetrate each other.

本発明の炭素材料では、隣接するC相の領域間の距離は小さく、平均300nm以下、しばしば200nm以下、又は100nm以下、例えば0.5〜300nm、特に1〜200nmの範囲、又は1〜100nmの範囲である。   In the carbon material of the present invention, the distance between adjacent C-phase regions is small, with an average of 300 nm or less, often 200 nm or less, or 100 nm or less, such as 0.5 to 300 nm, particularly 1 to 200 nm, or 1 to 100 nm. It is a range.

好ましい実施の形態では、本発明の炭素材料は、隣接するC相間の距離が5nm以下、例えば、特に0.5〜5nm、特に1〜5nmである領域を有する。また、本発明の炭素材料は、隣接するC相間の平均距離が5nm以上、例えば5nm〜300nm、特に10nm〜200nm、又は15〜200nmの範囲である領域を有していてもよい。   In a preferred embodiment, the carbon material of the present invention has a region in which the distance between adjacent C phases is 5 nm or less, for example, 0.5 to 5 nm, particularly 1 to 5 nm. In addition, the carbon material of the present invention may have a region where the average distance between adjacent C phases is 5 nm or more, for example, 5 nm to 300 nm, particularly 10 nm to 200 nm, or 15 to 200 nm.

特定の実施の形態では、本発明の炭素材料は、ほぼ、炭素材料の全体積を基準にして、80体積%以上、特に90体積%以上程度までの上記領域(隣接するC相間の平均距離が5nm以上、例えば5nm〜300nm、特に10nm〜200nm、又は15〜200nmの範囲である)を独占的に有する。   In a specific embodiment, the carbon material according to the present invention has the above-mentioned region (average distance between adjacent C phases of about 80% by volume or more, particularly about 90% by volume or more based on the total volume of the carbon material. Exclusively in the range of 5 nm to 300 nm, for example in the range of 10 nm to 200 nm, or 15 to 200 nm.

さらなる実施の形態では、本発明の炭素材料は、隣接するC相間の平均距離が10nm未満、例えば0.5〜10nm、又は0.5〜5nm、特に1〜5nmの領域を有し、例えば10nm〜300nm、特に10nm〜200nm又は15nm〜200nmである。これらの領域において、隣接するC相間の距離が10nm以上、及び特に5nm以下の領域における体積比率は、通常、5〜70体積%の範囲であり、隣接するC相間の距離が10nm以上、及び特に15nm以上の領域における体積比率は、通常、30〜95体積%の範囲である。なお、体積%の基準は、炭素材料の全体積量である。   In a further embodiment, the carbon material of the present invention has a region where the average distance between adjacent C phases is less than 10 nm, such as 0.5-10 nm, or 0.5-5 nm, especially 1-5 nm, such as 10 nm. ˜300 nm, in particular 10 nm to 200 nm or 15 nm to 200 nm. In these regions, the volume ratio in the region where the distance between adjacent C phases is 10 nm or more, and particularly 5 nm or less is usually in the range of 5 to 70% by volume, and the distance between adjacent C phases is 10 nm or more, and particularly The volume ratio in the region of 15 nm or more is usually in the range of 30 to 95% by volume. The volume% standard is the total volume of the carbon material.

本発明の粒状炭素材料は、通常、微細孔を有している。これは、10nm未満、例えば1〜5nmの平均孔径d(平均孔半径rの2倍に対応する)を有する細孔であることを意味している。微小孔の比容積、すなわち、炭素材料1gあたりの微小孔の容積は、一般的に0.1cm/g以上、特に0.2cm/g以上、特に0.3cm/g以上、並びに通常、0.1〜1.5cm/g、しばしば0.2〜1.2cm/g、及び特に0.3〜1.0cm/gである。本発明の特定の実施の形態では、炭素材料の1g当たりの微小孔の容積は、0.5〜1cm/gの範囲である。細孔の比容積は、ドイツ工業規格DIN66134で規定された「Barrett, Joyner and Halenda」(BJH窒素吸着)の方法により測定することができる。そして、この比容積は、ここで報告される値の基礎となる(「E.P. Barrett, L.G. Joyner, P.P. Halenda, J. Am. Chem. Soc. 73 (1951) 373」も参照)。 The granular carbon material of the present invention usually has fine pores. This means that the pores have an average pore diameter d (corresponding to twice the average pore radius r) of less than 10 nm, for example 1 to 5 nm. The specific volume of micropores, that is, the volume of micropores per gram of carbon material is generally 0.1 cm 3 / g or more, particularly 0.2 cm 3 / g or more, particularly 0.3 cm 3 / g or more, and usually 0.1-1.5 cm 3 / g, often 0.2-1.2 cm 3 / g, and especially 0.3-1.0 cm 3 / g. In certain embodiments of the present invention, the volume of micropores per 1g of carbon material is in the range of 0.5 to 1 cm 3 / g. The specific volume of the pores can be measured by the method of “Barrett, Joyner and Halenda” (BJH nitrogen adsorption) defined by German Industrial Standard DIN 66134. This specific volume is then the basis for the values reported here ("EP Barrett, LG Joyner, PP Halenda, J. Am. Chem. Soc. 73 (1951) 373). See also).

微小孔の場合と同様に、本発明の粒状炭素材料は、メソ細孔を有していても良い。これは、5〜300nmの範囲、特に10〜200nm、又は15〜200nmの範囲の平均孔径dを有する細孔であることが理解される。メソ細孔の特定容積、すなわち、炭素材料の1g当たりのメソ細孔の容積は、一般的に0.1cm/g以上、特に0.2cm/g又は0.3cm/gであり、例えば0.1〜2.9cm/gの範囲、特に0.2〜2.7cm/gの範囲、又は0.3〜2.5cm/gの範囲である。メソ細孔の比容積は、BJH窒素吸着法により、ドイツ工業規格DIN66134にしたがいBJH窒素吸着により測定される。 As in the case of micropores, the granular carbon material of the present invention may have mesopores. This is understood to be pores having an average pore diameter d in the range of 5 to 300 nm, in particular in the range of 10 to 200 nm, or 15 to 200 nm. The specific volume of mesopores, ie the volume of mesopores per gram of carbon material is generally 0.1 cm 3 / g or more, in particular 0.2 cm 3 / g or 0.3 cm 3 / g, for example 0.1~2.9cm 3 / g range, especially 0.2~2.7cm 3 / g range, or 0.3~2.5cm ranges from 3 / g. The specific volume of the mesopores is determined by BJH nitrogen adsorption according to the German industry standard DIN 66134 by the BJH nitrogen adsorption method.

本発明の炭素材料の全細孔比容積は、通常、0.3〜3cm/gの範囲、しばしば0.5〜2.9cm/gの範囲、及び特に0.6〜2.8cm/gの範囲であり、この値はドイツ工業規格DIN66134にしたがい測定される。 Total pore specific volume of the carbon material of the present invention is usually in the range of 0.3~3cm 3 / g, and often ranges of 0.5~2.9cm 3 / g, and particularly 0.6~2.8Cm 3 This value is measured according to German Industrial Standard DIN 66134.

微小孔及び任意のメソ細孔の容積が高いために、本発明の炭素材料は、通常、200〜3000m/gの範囲、しばしば500〜3000m/gの範囲、特に800〜1500m/gの範囲、及び特に900〜1400m/gの範囲の高いBET比表面積を有する。なお、このBET比表面積の測定は、DIN ISO69277において記載されている「Brunauer, Emmett and Teller」の窒素吸着法によって測定される。 Because of the high micropores and any mesopore volume, the carbon material of the present invention is usually in the range of 200~3000m 2 / g, and often ranges of 500~3000m 2 / g, especially 800~1500m 2 / g And a high BET specific surface area, especially in the range of 900 to 1400 m 2 / g. The BET specific surface area is measured by the “Brunauer, Emmett and Teller” nitrogen adsorption method described in DIN ISO 69277.

本発明の炭素材料は、実質的に、該炭素材料の全質量を基準として、85質量%以上、しばしば95質量%以上、特に98質量%以上の元素の炭素からなっている。さらに、本発明の炭素材料は、炭素以外の元素を含んでいても良く、ここでは、異質の元素を少量含んでいても良い。この異質な元素の比率は、一般的に、炭素材料の全質量を基準として、15質量%以下、しばしば5質量%以下、特に2質量%以下、及び1質量%以下である。上記異質の元素は、通常、炭素材料の製造過程で生じる水素及び酸素、並びに任意に遷移金属又はハロゲン元素である。水素含有量は、炭素材料の全質量を基準として、一般的に1質量%以下、特に0.5質量%以下である。ハロゲン元素含有量は、炭素材料の全質量を基準として、1質量%以下、特に0.5質量%以下である。遷移金属の含有量は、炭素材料の全質量を基準として、一般的に1質量%以下、特に0.5質量%以下である。酸素含有量は、炭素材料の全質量を基準として、一般的に15質量%以下、しばしば5質量%以下、特に2質量%以下、特に1質量%以下である。炭素含有量及び異質の元素の含有量は、それ自体、元素分析により公知の方法で測定することができる。   The carbon material of the present invention consists essentially of 85% by mass or more, often 95% by mass or more, in particular 98% by mass or more of elemental carbon, based on the total mass of the carbon material. Furthermore, the carbon material of the present invention may contain an element other than carbon, and here, it may contain a small amount of a foreign element. The proportion of this extraneous element is generally 15% by weight or less, often 5% by weight or less, in particular 2% by weight or less, and 1% by weight or less, based on the total weight of the carbon material. The heterogeneous elements are usually hydrogen and oxygen generated in the process of producing the carbon material, and optionally a transition metal or a halogen element. The hydrogen content is generally 1% by mass or less, in particular 0.5% by mass or less, based on the total mass of the carbon material. The halogen element content is 1% by mass or less, particularly 0.5% by mass or less, based on the total mass of the carbon material. The content of the transition metal is generally 1% by mass or less, particularly 0.5% by mass or less, based on the total mass of the carbon material. The oxygen content is generally not more than 15% by weight, often not more than 5% by weight, in particular not more than 2% by weight, in particular not more than 1% by weight, based on the total weight of the carbon material. The carbon content and the content of extraneous elements can themselves be measured by a known method by elemental analysis.

本発明の炭素材料は粒状である。粒子は、形状が規則的又は不規則であり、例えば、対称形状、球状、回転楕円形状、又は楕円形状を有していても良い。しかしながら、粒子は、ラズベリー形態等の相互に侵入している球形状又は楕円形状からなるような不規則な形状であっても良い。粒子は、相互に侵入するC相及び実質的に細孔を有するいくつかのP相は、キャビティの壁部を形成し、キャビティの内部はメソ細孔により形成されて完全に中空である。   The carbon material of the present invention is granular. The particles are regular or irregular in shape, and may have, for example, a symmetric shape, a spherical shape, a spheroidal shape, or an elliptical shape. However, the particles may have an irregular shape such as a spherical shape or an elliptical shape penetrating each other such as a raspberry shape. The particles are C-phase interpenetrating and several P-phases having substantially pores form the walls of the cavity, the interior of the cavity being formed by mesopores and completely hollow.

通常、粒子の重量平均粒径は、20nm〜50μm、しばしば50nm〜50μm、好ましくは200nm〜20μm、特に1μm〜20μmの範囲である。ここで報告される粒子サイズ及び粒子サイズ分布は、23℃における遠心分離による測定に基づく質量比で判別される粒子径を基礎としている。この測定は、通常、遠心分離を用いた標準的な方法により実行される。この方法は、例えば、H.Colfenによる「Analytical Ultracentrifugation of Nanoparticles in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, (American Scientific Publishers,2004)」の67〜88ページ、又はW.Machtle及びL.Borgerによる「Analytical Ultracentrifugation of Polymers and Nanoparticles”,(Springer,Berlin,2006)」に記載されている。   Usually the weight average particle size of the particles is in the range of 20 nm to 50 μm, often 50 nm to 50 μm, preferably 200 nm to 20 μm, especially 1 μm to 20 μm. The particle size and particle size distribution reported here is based on the particle size determined by the mass ratio based on measurement by centrifugation at 23 ° C. This measurement is usually performed by standard methods using centrifugation. This method is described, for example, in H.H. “Analytical Ultracentrifugation of Nanoparticulates in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, (American Scientific Pub. Machtle and L. Borger, “Analytical Ultracentrifugation of Polymers and Nanoparticles”, (Springer, Berlin, 2006).

また、本発明は、上述の粒状多孔質炭素材料の製造方法、及びこの製造方法によって得られる粒状多孔質炭素材料に関する。本発明による方法は、以下の工程を含む。   Moreover, this invention relates to the manufacturing method of the above-mentioned granular porous carbon material, and the granular porous carbon material obtained by this manufacturing method. The method according to the invention comprises the following steps.

I.一つ以上の有機ポリマー相及び一つ以上の無機(半)金属酸化物相を有する粒状複合材料を供給する工程、ただし、有機ポリマー相P及び無機(半)金属酸化物相は、実質的に連続な相領域を含み、(半)金属酸化物相の2つの隣接する領域間の距離は、50nm以下、特に20nm、特に10nm以下、例えば、1〜50nm、特に0.7〜20nm、特に1〜10nmである。   I. Providing a particulate composite material having one or more organic polymer phases and one or more inorganic (semi) metal oxide phases, wherein the organic polymer phase P and the inorganic (semi) metal oxide phase are substantially The distance between two adjacent regions of the (semi) metal oxide phase, including a continuous phase region, is 50 nm or less, in particular 20 nm, in particular 10 nm or less, for example 1 to 50 nm, in particular 0.7 to 20 nm, in particular 1 -10 nm.

II.複合材料の有機ポリマー相を炭化する工程、
III.浸出によって(半)金属酸化物相を除去する工程。
II. Carbonizing the organic polymer phase of the composite material;
III. Removing the (semi) metal oxide phase by leaching.

複合材料は、本発明の方法による工程Iにしたがい、いわゆるツイン重合とよばれる公知の方法を用いて製造することができる。ツイン重合は、基本的に公知であり、例えば、Spangeらによる「Angew.Chem.Int.Ed.,46(2007)」の628〜632ページ、WO2009/083083、WO2009/133086、WO2010/112580、WO2010/112581、WO2010/128144、及びWO2011/000858に記載されている。なお、これら文献の内容は、本明細書に参照される。   The composite material can be produced according to Step I according to the method of the present invention, using a known method called so-called twin polymerization. Twin polymerization is basically known, for example, “Angew. Chem. Int. Ed., 46 (2007)” by Spange et al., Pages 628 to 632, WO2009 / 083083, WO2009 / 133580, WO2010 / 112580, WO2010. / 112581, WO2010 / 128144, and WO2011 / 000858. The contents of these documents are referred to in this specification.

本発明において、ツイン重合とは、モノマーM(ツインモノマーと呼ばれる)の重合を意味すると理解され、
a)一種以上の一般にカチオン重合性の第一の有機モノマー単位と、
b)通常、カチオン重合条件で重合可能なモノマー単位に酸素を介して結合して(半)金属酸化物を生成する一種以上の金属又は(半)金属と、を有する。なお、上記カチオン重合では、重合可能なモノマー単位A及び重合可能なモノマー単位Bが、A及びBの間の結合を破壊するように同調して重合する。また、重合は、任意に、粒状の金属酸化物又は半金属酸化物の存在下で行われる。
In the present invention, twin polymerization is understood to mean the polymerization of monomer M (referred to as twin monomer),
a) one or more generally cationically polymerizable first organic monomer units;
b) Usually having one or more metals or (semi) metals that bond via oxygen to monomer units polymerizable under cationic polymerization conditions to form (semi) metal oxides. In the cationic polymerization, the polymerizable monomer unit A and the polymerizable monomer unit B are polymerized in synchronism so as to break the bond between A and B. In addition, the polymerization is optionally performed in the presence of a particulate metal oxide or metalloid oxide.

これらのプロセスにより、高い収率及び良好な再現性を有する良好なナノ複合材料が得られる。重合生成物は、モノマーに存在し且つ任意に使用される(半)金属酸化物粒子中に存在する(半)金属を含む無機(半)金属酸化物相、及びモノマー単位Aの重合で得られる有機ポリマー相の双方を有する。粒子内において、異なる相は共連続の態様をとり、同一相の相領域は、通常50nm以下、特に20nm以下、特に10nm以下の平均間隔を有し、これは例えば、0.5〜50nm、特に0.7〜20nm、特に1〜10nmである。(半)金属酸化物相の近接する領域間の平均距離、すなわち、有機ポリマー相の単一の領域により分離される(半)金属酸化物相の領域の間の平均距離は、一般的に50nm以下、特に20nm以下、特に10nm以下である。同様に、有機ポリマー相の近接する領域の間の平均距離、すなわち、有機ポリマー相の単一の領域により分離される(半)金属酸化物相の領域の間の平均距離は、一般的に50nm以下、特に20nm以下、特に10nm以下である。しかし、いくつかの例では、有機ポリマー相の近接する領域間の平均距離は300nm又は100nmであってもよい。同一相の間の平均距離は、C相の寸法を測定するための上述の方法により測定することができる。この測定方法は、例えば小角X線散乱(SAXS)によって、又は透過電子顕微鏡法(TEM)、特にHAADF−STEMによるものである。   These processes yield good nanocomposites with high yields and good reproducibility. The polymerization product is obtained by polymerization of the inorganic (semi) metal oxide phase containing the (semi) metal present in the monomer and optionally present in the (semi) metal oxide particles, and the monomer unit A. It has both organic polymer phases. Within the particles, the different phases take a co-continuous form, and the phase region of the same phase usually has an average spacing of 50 nm or less, in particular 20 nm or less, in particular 10 nm or less, for example 0.5-50 nm, in particular 0.7-20 nm, in particular 1-10 nm. The average distance between adjacent regions of the (semi) metal oxide phase, ie the average distance between regions of the (semi) metal oxide phase separated by a single region of the organic polymer phase is typically 50 nm. Hereinafter, it is 20 nm or less, particularly 10 nm or less. Similarly, the average distance between adjacent regions of the organic polymer phase, ie, the average distance between regions of the (semi) metal oxide phase separated by a single region of the organic polymer phase is typically 50 nm. Hereinafter, it is 20 nm or less, particularly 10 nm or less. However, in some examples, the average distance between adjacent regions of the organic polymer phase may be 300 nm or 100 nm. The average distance between the same phases can be measured by the method described above for measuring the dimensions of the C phase. This measuring method is for example by small-angle X-ray scattering (SAXS) or by transmission electron microscopy (TEM), in particular HAADF-STEM.

工程(III)において要求される(半)金属酸化物相の除去に関し、モノマーM中又は(半)金属酸化粒子中に存在する(半)金属は、Si、Sn、Al、B、Ti、及びZrから選択されることが望ましいとわかった。より好ましくは、(半)金属は、シリコン又はアルミニウム、特にシリコンである。   Regarding the removal of the (semi) metal oxide phase required in step (III), the (semi) metal present in the monomer M or in the (semi) metal oxide particles is Si, Sn, Al, B, Ti, and It has been found desirable to select from Zr. More preferably, the (semi) metal is silicon or aluminum, especially silicon.

ツインモノマーMとして好適なモノマーは、公知であるか又は上述の方法と同様の方法により製造することができる。例えば、冒頭に引用された刊行物及び次の刊行物が挙げられる。   Monomers suitable as the twin monomer M are known or can be prepared by methods similar to those described above. Examples include the publications cited at the beginning and the following publications.

・シリルエノールエーテル(Chem.Ber.119,3394(1986);J.Organomet.Chem.244,381(1981);JACS 112,6965(1990))
・シクロボロキサン(Bull.Chem.Jap.51,524(1978);Can.J.Chem.67,1384(1989);J.Organomet.Chem.590,52(1999))
・シクロシリケート(Chemistry of Heterocyclic Compounds,42,1518,(2006);Eur.J.Inorg.Chem.(2002),1025;J.Organomet.Chem.1,93(1963);J.Organomet.Chem.212,301(1981);J.Org.Chem.34.2496(1968);Tetrahedron 57,3997(2001)、並びにWO2009/083082及びWO2009/083083)
・シクロスタンナン(J.Organomet.Chem.1,328(1963))
・シクロジルコネート(JACS 82,3495(1960))
好適なモノマーMは、一般式Iにより表すことができる。
Silyl enol ether (Chem. Ber. 119, 3394 (1986); J. Organomet. Chem. 244, 381 (1981); JACS 112, 6965 (1990))
Cycloboroxan (Bull. Chem. Jap. 51, 524 (1978); Can. J. Chem. 67, 1384 (1989); J. Organomet. Chem. 590, 52 (1999))
Cyclosilicate (Chemistry of Heterocyclic Compounds, 42, 1518, (2006); Eur. J. Inorg. Chem. (2002), 1025; J. Organomet. Chem. 1, 93 (1963); 212, 301 (1981); J. Org. Chem. 34.2496 (1968); Tetrahedron 57, 3997 (2001), and WO2009 / 083082 and WO2009 / 083083).
・ Cyclostannane (J. Organomet. Chem. 1, 328 (1963))
・ Cyclozirconate (JACS 82,3495 (1960))
Suitable monomers M can be represented by the general formula I:

Figure 2014522355
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ただし、式中、
Mは、金属又は半金属、好ましくは周期律表の第3族、第4族、又は第4遷移族の金属又は半金属であり、特にB、Al、Ti、Zr、又はSi、より好ましくはB、Si、又はTi、特にSiであり;
、Rは、それぞれ、同一であっても異なっていても良く、Ar−C(R、R)−ラジカルである。ただし、この場合、Arは、任意に、ハロゲン、CN、C〜Cアルキル、C〜Cアルコキシ、及びフェニルから選択される1又は2の置換基を有する芳香族又はヘテロ芳香族環であり、R、Rは、相互に独立に水素若しくはメチル基であるか、又はこれらが共に酸素原子、若しくはメチリデン基(=CH)、及び特に双方とも水素であり、又はRO及びROは共に式Aのラジカルである。
However, in the formula:
M is a metal or metalloid, preferably a metal or metalloid of Group 3, Group 4 or Group 4 of the periodic table, in particular B, Al, Ti, Zr or Si, more preferably B, Si or Ti, in particular Si;
R 1 and R 2 may be the same or different and are each an Ar—C (R a , R b ) -radical. However, in this case, Ar is optionally halogen, CN, aromatic or heteroaromatic ring having C 1 -C 6 alkyl, C 1 -C 6 alkoxy, and 1 or 2 substituents selected from phenyl R a and R b are each independently hydrogen or a methyl group, or they are both an oxygen atom or a methylidene group (═CH 2 ), and particularly both are hydrogen, or R 1 O And R 2 O are both radicals of formula A.

Figure 2014522355
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上記式中、Aは、二重結合に結合された芳香族又はヘテロ芳香族環であり、mは、0、1又は2を表わし、ラジカルRは、同一でも異なっていてもよく、それぞれが、ハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択され、R、Rは、上述の定義にしたがう。 In the above formula, A is an aromatic or heteroaromatic ring bonded to a double bond, m represents 0, 1 or 2, and the radicals R may be the same or different. Selected from halogen, CN, C 1 -C 6 -alkyl, C 1 -C 6 -alkoxy, and phenyl, R a and R b are as defined above.

qは、Mの価数又は電荷を表し、0、1、又は2、特に1である。   q represents the valence or charge of M, and is 0, 1, or 2, especially 1.

X、Yは、同一でも異なっていてもよく、それぞれが、Oであるか、又は化学結合であり、特にOである。   X and Y may be the same or different, and each is O or a chemical bond, particularly O.

1’、R2’は、同一でも異なっていてもよく、それぞれが、C−C−アルキル、C−C−シクロアルキル、アリール、又はAr’−C(Ra’、Rb’)−ラジカルである。ここで、Ar’は、Arとして定義され、Ra’、Rb’は、相互にR、Rとして定義され、特に水素であり、R1’、R2’は、X及びYと共に、上述のように、式Aのラジカルである。 R 1 ′ and R 2 ′ may be the same or different, and each is C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 6 -cycloalkyl, aryl, or Ar′-C (R a ′ , R b ' )-radical. Here, Ar ′ is defined as Ar, R a ′ and R b ′ are mutually defined as R a and R b , particularly hydrogen, and R 1 ′ and R 2 ′ together with X and Y , As described above, a radical of formula A.

ツイン重合に適したものとして、式1のモノマーが挙げられる。ここで、M、R、R、q、Y、及びR2’は相互に上述のように定義され、R1’ラジカルは、以下の式: Suitable for twin polymerization is the monomer of formula 1. Where M, R 1 , R 2 , q, Y, and R 2 ′ are mutually defined as described above, and the R 1 ′ radical has the following formula:

Figure 2014522355
のラジカルである。
Figure 2014522355
The radical of

ただし、式中、R、R、R2’、及びYは、上述のように定義され、♯は、Mへの結合を意味する。これらの間で、M、R、R、q、Y、及びR2’は、好ましいものとして指定した定義を有するようなモノマー、特にRO及びROラジカルは、共に式Aのラジカルである。 In the formula, R 1 , R 2 , R 2 ′ , and Y are defined as described above, and # means a bond to M. Among these, M, R 1 , R 2 , q, Y, and R 2 ′ are monomers such as those having the definitions specified as preferred, in particular R 1 O and R 2 O radicals, of formula A It is a radical.

また、ツイン共重合に適しているのは、式Iのモノマーである。ただし、Mは、Ti又はZrであり、q=1である。特にこれらのモノマーは、μ−オキシド架橋オリゴマー、例えばテトラマーである。   Also suitable for twin copolymerization are the monomers of formula I. However, M is Ti or Zr, and q = 1. In particular, these monomers are μ-oxide cross-linked oligomers such as tetramers.

式Iのモノマーにおいて、R及びROに対応する分子の部分は、重合可能な有機モノマー単位を構成する。X及びYが化学結合でない場合、及びR1’X及びR2’が、C−C−アルキル、C−C−シクロアルキル、又はアリール等の不活性ラジカルでない場合、同様に、R1’X及びR2’ラジカルは、重合可能な有機モノマー単位Aを構成する。 In the monomer of formula I, the part of the molecule corresponding to R 1 and R 2 O constitutes a polymerizable organic monomer unit. Similarly, when X and Y are not chemical bonds, and R 1 ′ X and R 2 ′ are not inert radicals such as C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 6 -cycloalkyl, or aryl, The R 1 ′ X and R 2 ′ radicals constitute a polymerizable organic monomer unit A.

本発明では、芳香族ラジカル、又はアリールが、例えばフェニル又はナフチル等の芳香族カルボン酸炭化水素ラジカルを意味すると理解される。   In the present invention, an aromatic radical, or aryl, is understood to mean an aromatic carboxylic hydrocarbon radical, such as, for example, phenyl or naphthyl.

本発明では、ヘテロ芳香族ラジカル又はヘテロアリールは、一般的に5〜6員であり、環の一つが窒素、酸素、及び硫黄であり、並びにヘテロ原子である複素環式芳香族ラジカルを意味するものと理解される。また、1又は2の他の環員が、窒素原子であり、残りの環員が炭素であっても良い。ヘテロ芳香族基の例は、フニル、チエニル、ピロリル、ピラゾリル、イミダゾリル、オキサゾリル、イソオキサゾリル、ピリジル、ピリミジニル、ピリダジニル、又はチアゾリルである。   In the present invention, a heteroaromatic radical or heteroaryl refers to a heteroaromatic radical that is generally 5- to 6-membered, one of the rings being nitrogen, oxygen, and sulfur, and being a heteroatom. Understood. Moreover, the other ring member of 1 or 2 may be a nitrogen atom, and the remaining ring members may be carbon. Examples of heteroaromatic groups are funyl, thienyl, pyrrolyl, pyrazolyl, imidazolyl, oxazolyl, isoxazolyl, pyridyl, pyrimidinyl, pyridazinyl or thiazolyl.

本発明において、結合された芳香族ラジカル又は環は、上述の複素環式芳香族化合物を意味するものとして理解される。この複素環式芳香族化合物では、2個の隣接する炭素原子が、式A又は式II及びIIIに示されるように二重結合を形成する。   In the context of the present invention, bonded aromatic radicals or rings are understood as meaning the above-mentioned heterocyclic aromatic compounds. In this heteroaromatic compound, two adjacent carbon atoms form a double bond as shown in Formula A or Formulas II and III.

式Iのモノマーにおける第1の実施の形態において、RO基及びRO基は共に、上述の式Aのラジカル、特に式Aaのラジカルである。 In a first embodiment of the monomer of formula I, the R 1 O group and the R 2 O group are both radicals of the above-mentioned formula A, in particular the radical of formula Aa.

Figure 2014522355
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ここで、♯、m、R、R、及びRは、それぞれ上述のように定義されている。式A及びAaにおいて、変数mは0である。mが1又は2である場合、Rは特にメチル又はメトキシ基である。式A及びAaにおいて、R及びRは、特に、相互に水素である。 Here, #, m, R, R a , and R b are defined as described above. In the expressions A and Aa, the variable m is 0. When m is 1 or 2, R is in particular a methyl or methoxy group. In the formulas A and Aa, R a and R b are in particular hydrogen with respect to each other.

第1の実施の形態のモノマーにおいて、式Iのモノマーでは特にq=1、及びX−R1’、及びY−R2’基が相互に、式Aのラジカルであり、特に式Aaのラジカルである。このようなモノマーは、式II及びIIaで表すことができる。 In the monomer of the first embodiment, especially in the monomer of formula I, q = 1, and the X—R 1 ′ and Y—R 2 ′ groups are each a radical of the formula A, in particular a radical of the formula Aa It is. Such monomers can be represented by Formulas II and IIa.

Figure 2014522355
Figure 2014522355

Figure 2014522355
Figure 2014522355

第1の実施の形態のツインモノマーのうち、好ましいのは、式Iのモノマーであり、qは0又は1であり、X−R基が式A’又はAa’のラジカルであるものである。 Of the twin monomers of the first embodiment, preferred are those of formula I, q is 0 or 1, and the X—R 1 group is a radical of formula A ′ or Aa ′. .

Figure 2014522355
Figure 2014522355

Figure 2014522355
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式中、m、A、R、R、R、Y、R2’、及びqは、それぞれ、上述した定義のものであり、特に、好ましく明確に定義されたものである。 In the formula, m, A, R, R a , R b , Y, R 2 ′ , and q are each as defined above, and are particularly preferably defined clearly.

このようなモノマーは、下記式II’又はIIa’で表すことができる。   Such a monomer can be represented by the following formula II 'or IIa'.

Figure 2014522355
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Figure 2014522355
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式II及びII’において、各変数は、次のように定義される。   In Formulas II and II ', each variable is defined as follows:

Mは、金属又は半金属、好ましくは周期律表の第3若しくは第4主族、又は第4遷移元素である金属又は半金属であり、特にB、Al、Ti、Zr又はSi、より好ましくはB、Si、又はTi、特に、Siである。   M is a metal or metalloid, preferably the third or fourth main group of the periodic table, or a metal or metalloid that is a fourth transition element, in particular B, Al, Ti, Zr or Si, more preferably B, Si or Ti, in particular Si.

A、A’は、それぞれ独立に二重結合部分に結合した芳香族又は複素芳香族環である。   A and A ′ are each independently an aromatic or heteroaromatic ring bonded to a double bond moiety.

m、nはそれぞれ独立して、0、1、又は2、特に0であり、
R、R’はそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択され、特にそれぞれがメチル又はメトキシであり、
、R、Ra’、Rb’は、それぞれ、水素及びメチルから選択されるか、又はR及び/又はR及び/又はRa’及びRb’は、それぞれ、酸素原子又は=CHであり、特にR、R、Ra’、Rb’がそれぞれ水素であり、
Lは、(Y−R2’基である(ただし、Y、R2’及びqは、それぞれ上述のように定義され、特にqは1である)。
m and n are each independently 0, 1 or 2, especially 0;
R, R ′ are each independently selected from halogen, CN, C 1 -C 6 -alkyl, C 1 -C 6 -alkoxy, and phenyl, in particular each is methyl or methoxy;
R a , R b , R a ′ and R b ′ are each selected from hydrogen and methyl, or R a and / or R b and / or R a ′ and R b ′ are each an oxygen atom Or = CH 2 , in particular R a , R b , R a ′ , R b ′ are each hydrogen,
L is a (Y—R 2 ′ ) q group (where Y, R 2 ′ and q are each defined as described above, and in particular, q is 1).

式IIa及び式IIa’において変数は、下記のように定義される;
Mは、金属又は半金属、好ましくは金属、又は周期律表の第3若しくは第4主族、若しくは第4遷移金属、特にB、Al、Ti、Zr、又はSi、好ましくはB、Si、又はTi、特にSiであり;
m、nはそれぞれ独立して0,1又は2、特に0であり;
R、R’はそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択され、特にそれぞれメチル又はメトキシであり;
、R、Ra’、Rb’は、それぞれ、水素及びメチルから選択されるか、又はR及び/又はR及び/又はRa’及びRb’は、それぞれ、酸素原子又は=CHであり、特にR、R、Ra’、Rb’がそれぞれ水素であり;
Lは、(Y−R2’基である(ただし、Y、R2’及びqは、それぞれ上述のように定義され、特にqは1である);
式IIa及び式IIa’のモノマーの一例は、2,2’−スピロビス[4H−1,3,2−ベンゾジオキサリン](M=Si、m=n=0、R=R=Ra’=Rb’=水素である式IIaの化合物)である。このようなモノマーは、従来技術である国際特許出願WO2009/083082及びPCT/EP2008/010169(WO2009/083083)により知られている。また、このモノマーは、これら文献に記載されている方法により製造することができる。モノマーIIaの他の例は、2,2−スピロビ[4H−1,3,2−ベンゾジオキサリン](M=B、m=n=0、R=R=Ra’=Rb’である式IIaの化合物)である(Bull.Chem.Soc.Jap.51(1978) 524参照)。式IIa’のモノマーの他の例は、ビス[4H−1,3,2−ベンゾジオキサリン−2−イル]酸化物(M=B、m=n=0、R=R=Ra’=Rb’=水素である式IIa’の化合物)である(Bull.Chem.Soc.Jap.51(1978)524参照)。
In Formula IIa and Formula IIa ′, the variables are defined as follows:
M is a metal or metalloid, preferably a metal, or the third or fourth main group of the periodic table, or a fourth transition metal, in particular B, Al, Ti, Zr, or Si, preferably B, Si, or Ti, especially Si;
m and n are each independently 0, 1 or 2, especially 0;
R, R ′ are each independently selected from halogen, CN, C 1 -C 6 -alkyl, C 1 -C 6 -alkoxy, and phenyl, in particular each methyl or methoxy;
R a , R b , R a ′ and R b ′ are each selected from hydrogen and methyl, or R a and / or R b and / or R a ′ and R b ′ are each an oxygen atom Or = CH 2 , in particular R a , R b , R a ′ , R b ′ are each hydrogen;
L is a (Y—R 2 ′ ) q group (where Y, R 2 ′ and q are each defined as above, particularly q is 1);
An example of a monomer of formula IIa and formula IIa ′ is 2,2′-spirobis [4H-1,3,2-benzodioxaline] (M = Si, m = n = 0, R a = R b = R a compound of formula IIa wherein a ′ = R b ′ = hydrogen). Such monomers are known from the prior art international patent applications WO2009 / 083082 and PCT / EP2008 / 010169 (WO2009 / 083083). Moreover, this monomer can be manufactured by the method described in these literatures. Another example of monomer IIa is 2,2-spirobi [4H-1,3,2-benzodioxaline] (M = B, m = n = 0, R a = R b = R a ′ = R b 'is a compound of formula IIa) is (Bull.Chem.Soc.Jap.51 (1978) refer to 524). Other examples of monomers of formula IIa ′ are bis [4H-1,3,2-benzodioxalin-2-yl] oxide (M = B, m = n = 0, R a = R b = R a ′ = R b ′ = a compound of formula IIa ′ in which hydrogen (see Bull. Chem. Soc. Jap. 51 (1978) 524).

原則として、モノマーMは、下記の式III及びIIIaのモノマーを含む。   In principle, monomer M comprises monomers of the following formulas III and IIIa:

Figure 2014522355
Figure 2014522355

Figure 2014522355
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式IIIにおいて、変数はそれぞれ以下のように定義される:
Mは、金属又は半金属、好ましくは金属、又は周期律表の第3若しくは第4種族、若しくは第4遷移金属、特にB、Al、Ti、Zr、又はSi、好ましくはB、Si、又はTi、特にSiであり;
Aは、二重結合部分に結合した芳香族又は複素芳香族環であり;
mは、0、1又は2、特に0であり;
qは、Mの価数及び電荷に応じて、0,1又は2であり;
Rは、ハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択され、特にそれぞれメチル又はメトキシであり;
、Rは、それぞれ、水素及びメチルから選択されるか、又はR及びRが共に、酸素原子又は=CHであり、特に双方とも水素であり;
、Rはそれぞれ独立して、C−C−アルキル、C−C−シクロアルキル、及びアニールから選択され、特にそれぞれメチルである。
In formula III, the variables are defined as follows:
M is a metal or metalloid, preferably a metal, or a third or fourth group of the periodic table, or a fourth transition metal, particularly B, Al, Ti, Zr, or Si, preferably B, Si, or Ti , Especially Si;
A is an aromatic or heteroaromatic ring bonded to a double bond moiety;
m is 0, 1 or 2, especially 0;
q is 0, 1 or 2 depending on the valence and charge of M;
R is selected from halogen, CN, C 1 -C 6 -alkyl, C 1 -C 6 -alkoxy, and phenyl, in particular each methyl or methoxy;
R a , R b are each selected from hydrogen and methyl, or R a and R b are both oxygen atoms or ═CH 2 , especially both are hydrogen;
R c and R d are each independently selected from C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 6 -cycloalkyl, and anneal, and in particular are each methyl.

式IIIaにおいては、変数はそれぞれ以下のように定義される:
Mは、金属又は半金属、好ましくは金属、又は周期律表の第3若しくは第4主族、若しくは第4遷移金属、特にB、Al、Ti、Zr、又はSi、好ましくはB、Si、又はTi、特にSiであり;
mは、0、1又は2、特に0であり;
qは、Mの価数及び電荷に応じて、0,1又は2であり;
Rラジカルは、独立してハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択され、特にそれぞれメチル又はメトキシであり;
、Rは、それぞれ、水素及びメチルから選択されるか、又はR及びRは、それぞれ、酸素原子又は=CHであり、特に双方とも水素であり;
、Rは、同一であるか異なっていても良く、C−C−アルキル、C−C−シクロアルキル、及びアニールから選択され、特にそれぞれメチルである。
In formula IIIa, the variables are defined as follows:
M is a metal or metalloid, preferably a metal, or the third or fourth main group of the periodic table, or a fourth transition metal, in particular B, Al, Ti, Zr, or Si, preferably B, Si, or Ti, especially Si;
m is 0, 1 or 2, especially 0;
q is 0, 1 or 2 depending on the valence and charge of M;
R radicals are independently selected from halogen, CN, C 1 -C 6 -alkyl, C 1 -C 6 -alkoxy and phenyl, in particular each methyl or methoxy;
R a , R b are each selected from hydrogen and methyl, or R a and R b are each an oxygen atom or ═CH 2 , especially both are hydrogen;
R c and R d may be the same or different and are selected from C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 6 -cycloalkyl, and anneal, and in particular are each methyl.

式III又はIIIaのモノマーの例としては、2,2−ジメチル−4H−1,3,2−ベンザジオキサシリン(M=Si、q=1、m=0、R=R=水素、R=R=メチルの式IIIaである化合物)、2,2−ジメチル−4H−1,3,2−ベンゾオキサザシリン(ただし、M=Si、q=1、m=0、G=NH、R=R=水素、R=R=メチルである式IIIaの化合物)、2,2−ジメチル−4−オキソ−1,3,2−ベンゾジオキサシリン(ただし、M=Si、q=1、m=0、R+R=O、R=R=メチルの式IIIaである化合物)、及び2,2−ジメチル−4−オキソ−1,3,2−ベンゾオキサザシリン(ただし、M=Si、q=1、m=0、G=NH、R+R=O、R=R=メチルの式IIIaの化合物)である。このようなモノマーは、例えば、Wieberらによる「Journal of Organometallic Chemistry;1,1963,93,94」により知られている。モノマーIIIaの他の例は、2,2−ジフェニル[4H−1,3,2−ベンゾジオキサシリン](「J.Organomet.Chem.71(1974)225」参照);2,2−ジ−n−ブチル[4H−1,3,2−ベンゾジオキサスタニン](「Bull.Soc.Chim.Belg.97(1988)873」参照);2,2−ジメチル[4−メチリデン−1,3,2−ベンゾジオキサシリン](「J.Organomet.Chem.,244,C5−C8(1983)」参照);2−メチル−2−ビニル[4−オキソ−1,3,2−ベンゾジオキサザシリン]である。 Examples of monomers of formula III or IIIa include 2,2-dimethyl-4H-1,3,2-benzadioxacillin (M = Si, q = 1, m = 0, R a = R b = hydrogen, R c = R d = methyl compound of formula IIIa), 2,2-dimethyl-4H-1,3,2-benzoxazacillin (where M = Si, q = 1, m = 0, G = NH A compound of formula IIIa wherein R a = R b = hydrogen, R c = R d = methyl), 2,2-dimethyl-4-oxo-1,3,2-benzodioxacillin where M = Si, a compound of formula IIIa wherein q = 1, m = 0, R a + R b = O, R c = R d = methyl), and 2,2-dimethyl-4-oxo-1,3,2-benzoxaza Syrin (where M = Si, q = 1, m = 0, G = NH, R a + R b = O, R c = R d = methyl compound of formula IIIa). Such monomers are known, for example, from “Journal of Organometallic Chemistry; 1, 1963, 93, 94” by Wieber et al. Other examples of monomer IIIa are 2,2-diphenyl [4H-1,3,2-benzodioxacillin] (see “J. Organomet. Chem. 71 (1974) 225”); 2,2-di-n -Butyl [4H-1,3,2-benzodioxastannin] (see "Bull. Soc. Chim. Belg. 97 (1988) 873"); 2,2-dimethyl [4-methylidene-1,3,2] -Benzodioxacillin] (see “J. Organomet. Chem., 244, C5-C8 (1983)”); 2-methyl-2-vinyl [4-oxo-1,3,2-benzodioxazacillin] It is.

式III又はIIIaのモノマーは、好ましくは単独で共重合されたものではなく、式II及びIIaのモノマーと組み合わせたものであることが好ましい。   The monomer of formula III or IIIa is preferably not copolymerized alone, but preferably in combination with monomers of formula II and IIa.

さらに好ましい実施の形態において、式Iのモノマーは、式IV、V、Va、VI又はVIaで表されるものである。   In a further preferred embodiment, the monomer of formula I is of the formula IV, V, Va, VI or VIa.

Figure 2014522355
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式IVにおいて、各変数は以下のように定義される。   In Formula IV, each variable is defined as follows:

Mは、金属又は半金属、好ましくは金属、又は周期律表の第3若しくは第4主族、若しくは第4遷移金属、特にB、Al、Ti、Zr、又はSi、好ましくはB、Si、又はTi、特にSiであり;
Ar、Ar’は同一か又は異なっており、それぞれが芳香族環又は芳香族複素環、特に2−フニル又はフェニルであり、芳香族環又は芳香族複素環は任意に、ハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択される1個又は2個の置換基を有し;
、R、Ra’、Rb’は、それぞれ、水素及びメチルから選択されるか、又はR及び/又はR及び/又はRa’及びRb’は、それぞれ、酸素原子又は=CHであり、特にR、R、Ra’、Rb’がそれぞれ水素であり;
qはMの価数に応じて、0,1又は2であり、特に1であり;
X、Yは同一であるか又は異なり、Oであるか又は化学結合であり;
そして、R1’、R2’は、同一であるか異なっており、それぞれC−C−アルキル、C−C−シクロアルキル、アニール、又はAr’’−C(R’’,R’’)−ラジカルである(ただし、Ar’’は、Ar及びR’として定義され、R’’,R’’は、R、R若しくはR’、R’として定義され、又はR1’、R2’は、X及びYとともに、式Aのラジカル、特に上述の式Aaのラジカルと定義する)。
M is a metal or metalloid, preferably a metal, or the third or fourth main group of the periodic table, or a fourth transition metal, in particular B, Al, Ti, Zr, or Si, preferably B, Si, or Ti, especially Si;
Ar and Ar ′ are the same or different and each is an aromatic ring or an aromatic heterocycle, especially 2-funyl or phenyl, and the aromatic ring or aromatic heterocycle is optionally halogen, CN, C 1 -C 6 - alkyl, C 1 -C 6 - have alkoxy, and one or two substituents selected from phenyl;
R a , R b , R a ′ and R b ′ are each selected from hydrogen and methyl, or R a and / or R b and / or R a ′ and R b ′ are each an oxygen atom Or = CH 2 , in particular R a , R b , R a ′ , R b ′ are each hydrogen;
q is 0, 1 or 2, depending on the valence of M, in particular 1;
X and Y are the same or different and are O or a chemical bond;
R 1 ′ and R 2 ′ are the same or different and are each C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 6 -cycloalkyl, annealed, or Ar ″ -C (R a ″). , R b ″) -radical (where Ar ″ is defined as Ar and R ′, and R a ″, R b ″ is R a , R b or R a ′, R b ′). Or R 1 ′ , R 2 ′ together with X and Y are defined as radicals of formula A, in particular radicals of formula Aa as described above).

式IVのモノマーのうち特に好ましいのは、q=0、1又は2、特にq=1であり、X−R1’及びY−R2’基が同一か又は異なっており、それぞれがAr’’−C(R’’,R’’)O基であり、好ましくはそれぞれ、Ar’’−CHO基(R=R=水素)である。なお、ここで、Ar’’は上述のように定義され、特に、フニル、チエニル、ピロリル、及びフェニルから選択され、上述の4つの環は非置換であるか、又はハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択される1個若しくは2個の置換基を有する。このようなモノマーは、次の式V及びVaとによって記載することができる。 Particularly preferred among the monomers of formula IV are q = 0, 1 or 2, especially q = 1, wherein the X—R 1 ′ and Y—R 2 ′ groups are the same or different, each Ar ′ '—C (R a ″, R b ″) O group, preferably Ar ″ —CH 2 O group (R a = R b = hydrogen), respectively. Here, Ar ″ is defined as described above, in particular, selected from funyl, thienyl, pyrrolyl, and phenyl, and the four rings described above are unsubstituted or halogen, CN, C 1 — It has 1 or 2 substituents selected from C 6 -alkyl, C 1 -C 6 -alkoxy, and phenyl. Such monomers can be described by the following formulas V and Va.

Figure 2014522355
Figure 2014522355

Figure 2014522355
Figure 2014522355

式V及びVaにおいては、変数はそれぞれ以下のように定義される:
Mは、金属又は半金属、好ましくは金属、又は周期律表の第3若しくは第4主族、若しくは第4遷移金属、特にB、Al、Ti、Zr、又はSi、好ましくはB、Si、又はTi、特にSiであり;
Ar、Ar’は同一か又は異なっており、それぞれが芳香族環又は芳香族複素環、特に2−フニル又はフェニルであり、芳香族環又は芳香族複素環は任意に、ハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択される1個又は2個の置換基を有し;
、R、Ra’、Rb’は、それぞれ、水素及びメチルから選択されるか、又はR及び/又はR及び/又はRa’及びRb’は、ともに、酸素原子又は=CHであり、特にR、R、Ra’、Rb’がそれぞれ水素であり;
qはMの価数に応じて、0,1又は2であり、特に1である。
In equations V and Va, the variables are defined as follows:
M is a metal or metalloid, preferably a metal, or the third or fourth main group of the periodic table, or a fourth transition metal, in particular B, Al, Ti, Zr, or Si, preferably B, Si, or Ti, especially Si;
Ar and Ar ′ are the same or different and each is an aromatic ring or an aromatic heterocycle, especially 2-funyl or phenyl, and the aromatic ring or aromatic heterocycle is optionally halogen, CN, C 1 -C 6 - alkyl, C 1 -C 6 - have alkoxy, and one or two substituents selected from phenyl;
R a , R b , R a ′ and R b ′ are each selected from hydrogen and methyl, or R a and / or R b and / or R a ′ and R b ′ are both oxygen atoms Or = CH 2 , in particular R a , R b , R a ′ , R b ′ are each hydrogen;
q is 0, 1 or 2, depending on the valence of M, and is especially 1.

式Vaにおいては、mは0,1又は2、特に0であり、Rはハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択され、特にメチル及びメトキシである。 In the formula Va, m is 0, 1 or 2, in particular 0, R is selected from halogen, CN, C 1 -C 6 -alkyl, C 1 -C 6 -alkoxy and phenyl, in particular methyl and methoxy It is.

式V又はVaのモノマーの一例は、テトラフルフリロキシシラン(M=Si、q=1、m=0、R=R=水素である式Vaの化合物)(「Angew.Chem.Int.Ed.,46(2007)628」参照)である。式V又はVaのモノマーの他の例は、テトラフルフリロチタネートである(「Adv.Mater.2008,20,4113」参照)。この化合物は、(μ−オキシド)−ヘキサキス(m−フルフリロキソ)オクタキス(フルフリロキソ)テトラチタニウムに四量体化される。これは、ツインモノマーとして使用される。モノマーV又はVaの例は、トリフルフリロキシボラン(M=B、q=0、m=0、R=R=水素である式Vaの化合物)である。 An example of a monomer of formula V or Va is tetraflufuryloxysilane (compound of formula Va wherein M = Si, q = 1, m = 0, R a = R b = hydrogen) (“Angew. Chem. Int. Ed , 46 (2007) 628). Another example of a monomer of formula V or Va is tetraflufurirotitanate (see “Adv. Mater. 2008, 20, 4113”). This compound is tetramerized to (μ 4 -oxide) -hexakis (m-furfuryloxo) octakis (furfuriroxo) tetratitanium. This is used as a twin monomer. An example of monomer V or Va is trifluorofuryloxyborane (compound of formula Va where M = B, q = 0, m = 0, R a = R b = hydrogen).

また、式IVのモノマーは、X−R1’及びY−R2’基が同一か又は異なっており、それぞれの基がC−C−アルキル、特にメチル、C−C−シクロアルキル、及びアリールから選択され、例えばフェニルであり、すなわち、X及びYはそれぞれ化学結合である。この種のモノマーは、下記の式VI及びViaで表される。 Also, the monomer of formula IV has the same or different X—R 1 ′ and Y—R 2 ′ groups, each group being C 1 -C 4 -alkyl, especially methyl, C 3 -C 6 -cyclo Selected from alkyl and aryl, for example phenyl, ie X and Y are each a chemical bond. This type of monomer is represented by the following formulas VI and Via.

Figure 2014522355
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Figure 2014522355
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式VI及びVIAにおいて、変数はそれぞれ以下のように定義される:
MMは、金属又は半金属、好ましくは金属、又は周期律表の第3若しくは第4主族、若しくは第4遷移金属、特にB、Al、Ti、Zr、又はSi、より好ましくはB、Si、又はTi、特にSiであり;
Ar、Ar’は式(VI)において同一か又は異なっており、それぞれが芳香族環又は芳香族複素環、特に2−フニル又はフェニルであり、芳香族環又は芳香族複素環は任意に、ハロゲン、CN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択される1個又は2個の置換基を有し;
、R、Ra’、Rb’は、それぞれ、水素及びメチルから選択されるか、又はR及び/又はR及び/又はRa’及びRb’は、それぞれ、酸素原子又は=CHであり、特にR、R、Ra’、Rb’がそれぞれ水素であり;
qはMの価数に応じて、0,1又は2であり、特に1であり;
、Rは、同一であるか異なっていても良く、C−C−アルキル、C−C−シクロアルキル、及びアニールから選択され、特にそれぞれメチルである。
In formulas VI and VIA, the variables are defined as follows:
MM is a metal or metalloid, preferably a metal, or the third or fourth main group of the periodic table, or a fourth transition metal, in particular B, Al, Ti, Zr or Si, more preferably B, Si, Or Ti, in particular Si;
Ar and Ar ′ are the same or different in the formula (VI) and each is an aromatic ring or an aromatic heterocycle, in particular 2-funyl or phenyl, and the aromatic ring or aromatic heterocycle is optionally halogenated 1 or 2 substituents selected from: CN, C 1 -C 6 -alkyl, C 1 -C 6 -alkoxy, and phenyl;
R a , R b , R a ′ and R b ′ are each selected from hydrogen and methyl, or R a and / or R b and / or R a ′ and R b ′ are each an oxygen atom Or = CH 2 , in particular R a , R b , R a ′ , R b ′ are each hydrogen;
q is 0, 1 or 2, depending on the valence of M, in particular 1;
R c and R d may be the same or different and are selected from C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 6 -cycloalkyl, and anneal, and in particular are each methyl.

式VIaにおいて、mは、0、1又は2、特に0であり、RはCN、C−C−アルキル、C−C−アルコキシ、及びフェニルから選択され、特にそれぞれメチル又はメトキシである。 In formula VIa, m is 0, 1 or 2, in particular 0, R is selected from CN, C 1 -C 6 -alkyl, C 1 -C 6 -alkoxy and phenyl, in particular each of methyl or methoxy is there.

式VI又はVIaのモノマーの一例は、ビス(フルフリロキシ)ジメチルシラン(M=Si、q=1、m=0、R=R=水素、R=R=メチルである式VIaの化合物)である。 An example of a monomer of formula VI or VIa is a compound of formula VIa where bis (furfuryloxy) dimethylsilane (M = Si, q = 1, m = 0, R a = R b = hydrogen, R c = R d = methyl) ).

このような式IV、V、Va、VI、及びVIaのモノマーは、例えば、Spangeらによる論文等に記載された従来技術により知られているか、同様の方法で製造することができる。   Such monomers of formulas IV, V, Va, VI and VIa are known, for example, from the prior art described in the papers by Spange et al. Or can be prepared in a similar manner.

式VI又はVIaのモノマーは、好ましくは単独で重合されず、式V及び式Vaのモノマーと組み合わせられる。   The monomer of formula VI or VIa is preferably not polymerized alone and is combined with the monomer of formula V and formula Va.

本発明のさらなる実施の形態では、ツインモノマーMは、同一又は異なるアリール基、特にベンゼン環に結合した2以上のトリアルキルシリロキシメチル基及び/又はアリールジアルキルシリロキシメチル基を平均に有する芳香族化合物から選択される。本明細書においてアルキルとは、1〜4個の炭素原子を有するアルキル、特にメチル又はエチルである。本明細書においてアリールとは、フェニル又はナフチル、特にフェニルである。トリアルキルシリロキシメチル基の一つの例は、トリメチルシリロキシメチル((HC)Si−O−CH−)である。アリールジアルキルシリロキシメチル基は、例えばジメチルフェニルシリロキシメチル基(フェニル(HC)Si−O−CH−)である。この場合、トリアルキルシリロキシメチル基及び/又はアリールジアルキルシリロキシメチル基に結合するアリール環は、例えば、メトキシ等のC−C−アルコキシ、C−C−アルキル、トリアルキルシロキシ、又はアリールジアルキルシリロキシ等の他の置換基を有する。より好ましくは、このようなツインモノマーは、フェノール化合物のフェニル環に結合した2個以上のトリアルキルシリロキシメチル基及び/又はアリールジアルキルシリロキシメチル基を有するフェノール性化合物である。なお、このフェノール性化合物のOH基は、特にトリアルキルシリル基及び/又はアリールジアルキルシリル基でエーテル化されていても良い。このような化合物は、芳香族化合物、特にフェノール化合物をヒドロキシメチル化して、トリアルキルハロシラン又はアリールジアルキルハロシランを反応させることにより製造することができる。フェノール性の出発材料の場合、ヒドロキシメチル基だけでなく、フェノール性OH基を対応するシリルエーテルに変換する。芳香族化合物の例は、特に、フェノール、クレゾール、及びビスフェノールA(=2,2−bis−(4−ヒドロキシフェニル)プロパン)等のフェノール性化合物である。 In a further embodiment of the invention, the twin monomer M is an aromatic having on average an identical or different aryl group, in particular two or more trialkylsilyloxymethyl groups and / or aryldialkylsilyloxymethyl groups bonded to the benzene ring. Selected from compounds. As used herein, alkyl is alkyl having 1 to 4 carbon atoms, particularly methyl or ethyl. As used herein, aryl is phenyl or naphthyl, particularly phenyl. One example of a trialkylsilyloxymethyl group is trimethylsilyloxymethyl ((H 3 C) 3 Si—O—CH 2 —). The aryldialkylsilyloxymethyl group is, for example, a dimethylphenylsilyloxymethyl group (phenyl (H 3 C) 3 Si—O—CH 2 —). In this case, the aryl ring bonded to the trialkylsiloxymethyl group and / or the aryldialkylsiloxymethyl group is, for example, C 1 -C 4 -alkoxy such as methoxy, C 1 -C 4 -alkyl, trialkylsiloxy, Or it has other substituents, such as aryl dialkyl silyloxy. More preferably, such a twin monomer is a phenolic compound having two or more trialkylsilyloxymethyl groups and / or aryldialkylsilyloxymethyl groups bonded to the phenyl ring of the phenol compound. The OH group of this phenolic compound may be etherified with a trialkylsilyl group and / or an aryldialkylsilyl group. Such a compound can be produced by hydroxymethylating an aromatic compound, particularly a phenol compound, and reacting with a trialkylhalosilane or aryldialkylhalosilane. In the case of phenolic starting materials, not only hydroxymethyl groups but also phenolic OH groups are converted into the corresponding silyl ethers. Examples of aromatic compounds are in particular phenolic compounds such as phenol, cresol and bisphenol A (= 2,2-bis- (4-hydroxyphenyl) propane).

上述の、同一又は異なるアリール基、特にベンゼン環に結合した2以上のトリアルキルシリロキシメチル基及び/又はアリールジアルキルシリロキシメチル基を平均に有する芳香族化合物は、それ自体、ホモ重合又は共重合することができる。同一又は異なるアリール基、特にベンゼン環に結合した2以上のトリアルキルシリロキシメチル基及び/又はアリールジアルキルシリロキシメチル基を平均に有する芳香族化合物を、式II、IIa、II’、又はII’aのモノマー、又は式IV、V、又はVaの化合物と共重合することが好ましい。   The aromatic compounds having on average the same or different aryl groups, in particular two or more trialkylsilyloxymethyl groups and / or aryldialkylsilyloxymethyl groups bonded to the benzene ring, are themselves homopolymerized or copolymerized. can do. Aromatic compounds having, on average, two or more trialkylsilyloxymethyl groups and / or aryldialkylsilyloxymethyl groups bonded to the same or different aryl groups, in particular a benzene ring, can be represented by the formula II, IIa, II ′, or II ′. It is preferred to copolymerize with the monomer of a or the compound of formula IV, V or Va.

本発明に係る好ましいモノマーMは、式II、IIa、II’、及びII’aのモノマー、特に式IIaのモノマーから選択される。これら式II、IIa、II’、又はII’aのモノマーであって、MがSiであることが好ましく、MがSiである式IIaのモノマーが最も好ましい。   Preferred monomers M according to the invention are selected from monomers of the formulas II, IIa, II 'and II'a, in particular monomers of the formula IIa. These monomers of formula II, IIa, II 'or II'a, wherein M is preferably Si, are most preferred monomers of formula IIa where M is Si.

モノマーMは、通常、有機非プロトン性溶媒又は溶媒混合物中で重合される。生成されたナノコンポジット材料が不溶(25℃の溶解度が1g/リットル未満)である非プロトン性溶媒であることが好ましい。結果として、ポリマー材料の特に小さい粒子が、重合条件下において形成される。   Monomer M is typically polymerized in an organic aprotic solvent or solvent mixture. The produced nanocomposite material is preferably an aprotic solvent insoluble (solubility at 25 ° C. of less than 1 g / liter). As a result, particularly small particles of polymeric material are formed under polymerization conditions.

重合の際に生成されたナノコンポジット材料が溶けない非プロトン性溶媒を使用することで、基本的に粒子の生成が促進される。重合が粒状無機材料の存在下で実行される場合、粒子の生成は、粒状無機材料の存在により制御されることとなり得る。これにより、粗い粒子材料の生成が防止される。   By using an aprotic solvent that does not dissolve the nanocomposite material produced during polymerization, the production of particles is basically promoted. If the polymerization is carried out in the presence of a particulate inorganic material, the production of particles can be controlled by the presence of the particulate inorganic material. This prevents the generation of coarse particulate material.

非プロトン性溶媒は、好ましくは、モノマーが少なくとも部分的に可溶性となるように選択される。これは、重合条件下において溶媒へのモノマーの溶解度が50g/リットル以上、特に100g/リットル以上であることを意味する。一般に、有機溶媒は、20℃におけるモノマーの溶解度が50g/リットル、特に100g/リットルとなるように選択される。より詳細には、モノマーがほぼ又は完全に溶解するように溶媒が選択される。すなわち、モノマーに対する溶媒の比は、重合条件下において、モノマーMMの80%以上、特に90%以上、全てが溶解した状態となるように選択される。   The aprotic solvent is preferably selected so that the monomer is at least partially soluble. This means that the solubility of the monomer in the solvent under the polymerization conditions is 50 g / liter or more, in particular 100 g / liter or more. In general, the organic solvent is selected such that the solubility of the monomer at 20 ° C. is 50 g / liter, in particular 100 g / liter. More particularly, the solvent is selected such that the monomer is almost or completely dissolved. That is, the ratio of the solvent to the monomer is selected so that 80% or more, particularly 90% or more, of the monomer MM is completely dissolved under the polymerization conditions.

「非プロトン性」とは、重合に使用される溶媒が、O,S、又はN等のヘテロ原子に結合する一以上のプロトンを実質的に含む溶媒(したがって、多かれ少なかれ酸性である)を含まないことを意味する。従って、重合に使用される溶媒又は溶媒混合物中におけるプロトン性溶媒の割合は、有機溶媒の全量に対して、10体積%未満、特に1体積%未満、特に0.1体積%未満である。   “Aprotic” includes solvents in which the polymer used in the polymerization substantially contains one or more protons attached to a heteroatom such as O, S, or N (and is therefore more or less acidic). Means no. Therefore, the proportion of the protic solvent in the solvent or solvent mixture used for the polymerization is less than 10% by volume, in particular less than 1% by volume, in particular less than 0.1% by volume, based on the total amount of the organic solvent.

モノマーMの重合は、水がほぼ存在しない状態で行われることが好ましく、すなわち、重合開始時の水の含有量が、使用される溶媒の量を基準として500ppm未満であることが好ましい。   The polymerization of the monomer M is preferably performed in a state in which almost no water is present, that is, the water content at the start of polymerization is preferably less than 500 ppm based on the amount of solvent used.

溶媒は、無機若しくは有機であっても良く、又は無機溶媒及び有機溶媒の混合物であっても良い。好ましくは、有機溶媒である。   The solvent may be inorganic or organic, or a mixture of an inorganic solvent and an organic solvent. Preferably, it is an organic solvent.

好適な非プロトン性有機溶媒は、例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエタン、トリクロロエタン、1,2−ジクロロエタン、1,1,1−トリクロロエタン、1−クロロブタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン等のハロゲン化炭化水素、並びに脂肪族、脂環式又は芳香族である純粋な炭化水素、及びこれら炭化水素とハロゲン化炭化水素の混合物である。純粋な炭化水素の例は、一般に2〜8、好ましくは3〜8個の炭素原子を有する非環式脂肪族炭化水素、特にエタン、イソ−及びn−プロパン、n−ブタン、及びこれらの異性体、n−ペンタン及びその異性体、n−ヘキサン及びその異性体、n−ヘプタン及びその異性体、及びn−オクタン及びその異性体等のアルカン、5〜8個の炭素原子を有するシクロペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、及びシクロヘプタン等のシクロアルカン等の脂環式炭化水素、並びにベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、クメン(2−プロピルベンゼン)、イソクメン(1−プロピルベンゼン)、及びtert−ブチルベンゼン等の芳香族炭化水素である。   Suitable aprotic organic solvents are, for example, halogenated hydrocarbons such as dichloromethane, chloroform, dichloroethane, trichloroethane, 1,2-dichloroethane, 1,1,1-trichloroethane, 1-chlorobutane, chlorobenzene, dichlorobenzene, fluorobenzene and the like. And pure hydrocarbons that are aliphatic, cycloaliphatic or aromatic, and mixtures of these hydrocarbons and halogenated hydrocarbons. Examples of pure hydrocarbons are generally acyclic aliphatic hydrocarbons having 2-8, preferably 3-8 carbon atoms, in particular ethane, iso- and n-propane, n-butane, and isomers thereof. , N-pentane and its isomers, n-hexane and its isomers, n-heptane and its isomers, and alkanes such as n-octane and its isomers, cyclopentane having 5 to 8 carbon atoms, Alicyclic hydrocarbons such as methylcyclopentane, cyclohexane, methylcyclohexane, and cycloalkanes such as cycloheptane, and benzene, toluene, xylene, mesitylene, ethylbenzene, cumene (2-propylbenzene), and isocumene (1-propylbenzene) And aromatic hydrocarbons such as tert-butylbenzene.

好ましくは、上述の炭化水素とハロゲン化炭化水素の混合物であり、例えば、クロロメタン、ジクロロメタン、トリクロロメタン、クロロエタン、1,2−ジクロロエタン、1,1,1−トリクロロエタン、及び1−クロロブタン等のハロゲン化脂肪族炭化水素、並びにクロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、及びフルオロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素である。   Preferably, it is a mixture of the above-mentioned hydrocarbons and halogenated hydrocarbons, such as halogens such as chloromethane, dichloromethane, trichloromethane, chloroethane, 1,2-dichloroethane, 1,1,1-trichloroethane, and 1-chlorobutane. And halogenated aromatic hydrocarbons such as chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, and fluorobenzene.

無機プロトン性溶媒の例は、特に超臨界二酸化炭素、酸化硫化炭素、二硫化炭素、二酸化窒素、塩化チオニル、塩化スルフリル、及び液体二酸化硫黄であり、また、重合開始剤として作用するのは後者の3つの溶媒である。   Examples of inorganic protic solvents are in particular supercritical carbon dioxide, carbon oxysulfide, carbon disulfide, nitrogen dioxide, thionyl chloride, sulfuryl chloride, and liquid sulfur dioxide, and the latter acting as a polymerization initiator. Three solvents.

モノマーMは、通常、重合開始剤又は触媒の存在下で重合される。重合開始剤は、モノマーM(すなわち、モノマー単位A)のカチオン重合が開始されるように選択され、及び触媒は(半)金属酸化物相の生成についての触媒として作用するように選択される。従って、モノマーMの重合の過程において、モノマー単位Aが重合し、(半)金属酸化物相が同期して生成される。   The monomer M is usually polymerized in the presence of a polymerization initiator or a catalyst. The polymerization initiator is selected such that cationic polymerization of monomer M (ie, monomer unit A) is initiated, and the catalyst is selected to act as a catalyst for the formation of the (semi) metal oxide phase. Therefore, in the course of the polymerization of the monomer M, the monomer unit A is polymerized, and a (semi) metal oxide phase is generated synchronously.

なお、「同期」という用語は、必ずしも、モノマー単位Aの重合と(半)金属酸化物相の生成が同じ速度で進行することを意味するものではない。しかし、「同期」は、これらのプロセスが速度的に合わされ、カチオン重合条件によって引き起こされることを意味する。   Note that the term “synchronous” does not necessarily mean that the polymerization of the monomer unit A and the generation of the (semi) metal oxide phase proceed at the same rate. However, “synchronous” means that these processes are combined kinetically and caused by cationic polymerization conditions.

原則として好適な重合開始剤又は触媒は、カチオン重合において触媒として作用することが知られているすべての物質である。このような物質には、プロトン酸(ブレンステッド酸)及び非プロトン性ルイス酸が含まれる。好ましいプロトン性触媒はブレンステッド酸であり、例えば有機カルボン酸、例えばトリフルオロ酢酸又は乳酸、特にメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸又はトルエンスルホン酸等の有機スルホン酸である。同様に、例えばHCl、HSO又はHClO等の無機ブレンステッド酸も好ましい。使用されるルイス酸は、例えば、BF、BCl、SnCl、TiCl、又はAlClをあってもよい。複雑に結合されているか又はイオン性液体に溶解したルイス酸を使用することも可能である。重合開始剤又は触媒は、モノマーMを基準として、通常0.1〜10質量%、好ましくは0.5〜5質量%の量で使用される。 In principle, suitable polymerization initiators or catalysts are all substances known to act as catalysts in cationic polymerization. Such materials include protic acids (Bronsted acids) and aprotic Lewis acids. Preferred protic catalysts are Bronsted acids, for example organic carboxylic acids such as trifluoroacetic acid or lactic acid, in particular organic sulfonic acids such as methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid or toluenesulfonic acid. Similarly, inorganic Bronsted acids such as HCl, H 2 SO 4 or HClO 4 are also preferred. The Lewis acid used may be, for example, BF 3 , BCl 3 , SnCl 4 , TiCl 4 , or AlCl 3 . It is also possible to use Lewis acids that are complexly bound or dissolved in an ionic liquid. The polymerization initiator or catalyst is usually used in an amount of 0.1 to 10% by mass, preferably 0.5 to 5% by mass, based on the monomer M.

モノマーMの重合において要求される温度は、通常、0〜150℃の範囲、特に10〜120℃の範囲である。酸触媒の重合の場合においては、重合温度は0〜100℃の範囲、特に10〜80℃の範囲である。   The temperature required in the polymerization of the monomer M is usually in the range of 0 to 150 ° C, particularly in the range of 10 to 120 ° C. In the case of polymerization of an acid catalyst, the polymerization temperature is in the range of 0 to 100 ° C, particularly in the range of 10 to 80 ° C.

本発明の一実施の形態では、モノマーMの重合は、一種以上の粒状材料の存在下で行われる。本発明の方法の工程(III)に関しては、材料は無機酸化物材料、好ましくは(半)金属酸化物である。これらのうち、好ましいのは、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化アルミニウム、又は酸化ホウ素、特に二酸化ケイ素及び酸化アルミニウムである。   In one embodiment of the invention, the polymerization of the monomer M is carried out in the presence of one or more particulate materials. With regard to step (III) of the method of the invention, the material is an inorganic oxide material, preferably a (semi) metal oxide. Of these, preferred are titanium oxide, silicon oxide, tin oxide, aluminum oxide, or boron oxide, particularly silicon dioxide and aluminum oxide.

粒状材料は、一般的に、5μm以下、好ましくは1μm以下、特に0.5μm以下の粒子サイズを有する。粒子が一次粒子の凝集体である場合、粒子サイズとは、凝集体を形成する一次粒子の大きさ(一次粒子径)を意味するものと理解される。粒状無機材料は、平均粒子径(重量平均粒径)を有し、これは一次粒子の凝集体の場合において(重量平均一次粒径)は、5〜5000nm、しばしば5〜1000nm、特に10〜500nm、又は15〜200nmである。ここに平均粒子径は、光散乱又は超遠心機を用いて、それ自体公知の方法で測定された質量平均又は重量平均に基づいている。   The particulate material generally has a particle size of 5 μm or less, preferably 1 μm or less, in particular 0.5 μm or less. When the particles are aggregates of primary particles, the particle size is understood to mean the size of the primary particles (primary particle diameter) forming the aggregates. The particulate inorganic material has an average particle size (weight average particle size), which in the case of aggregates of primary particles (weight average primary particle size) is 5 to 5000 nm, often 5 to 1000 nm, especially 10 to 500 nm. Or 15 to 200 nm. Here, the average particle diameter is based on a mass average or a weight average measured by a method known per se using light scattering or an ultracentrifuge.

好ましい粒状(半)金属酸化物は、二酸化チタン粉末(特に発熱性の二酸化チタン)、酸化アルミニウム粉末(特に発熱性の酸化アルミニウム)、及びシリカ粉末(特にヒュームドシリカ又は沈降シリカ等の微粉末シリカ)であり、この場合、粒子は、上述のように定められた粒径又は一次粒子径を有することが好ましい。このような材料は、Aerosil(登録商標)及びAeroxide(登録商標)(Evonik社)、Cab−O−Sil(登録商標)(Cabot社)、又はSyloid(登録商標)(Grace社)の商品名で市販されている。本発明の特に好ましい実施の形態では、無機粒状材料は、微粉末シリカ、特にヒュームドシリカである。さらに、好適なものは、ゼオライト、特に酸性の活性部分を有するものである。   Preferred granular (semi) metal oxides are titanium dioxide powder (especially exothermic titanium dioxide), aluminum oxide powder (especially exothermic aluminum oxide), and silica powder (especially finely divided silica such as fumed silica or precipitated silica). In this case, the particles preferably have a particle size or a primary particle size determined as described above. Such materials are under the trade names Aerosil® and Aeroxide® (Evonik), Cab-O-Sil® (Cabot), or Syloid® (Grace). It is commercially available. In a particularly preferred embodiment of the invention, the inorganic particulate material is finely divided silica, in particular fumed silica. Further preferred are zeolites, especially those having an acidic active moiety.

本実施の形態の好ましい構成においては、粒状(半)金属酸化物が、重合開始剤又は触媒の少なくとも一部を含有する。これは、例えば、粒状(半)重合開始剤又は触媒の金属酸化物を処理することによって、また、例えば重合開始剤又は触媒の溶液(例えば重合に使用される有機溶媒における溶液)に粒子(半)金属酸化物を懸濁させることによって実現される。   In a preferred configuration of the present embodiment, the granular (semi) metal oxide contains at least a part of a polymerization initiator or a catalyst. This can be done, for example, by treating the particulate (semi-) polymerization initiator or catalyst metal oxide, and also for example in the solution of the polymerization initiator or catalyst (e.g. a solution in the organic solvent used for the polymerization) into the particles (semi-solid). This is achieved by suspending the metal oxide.

重合が、粒状(半)金属酸化物の存在下で行われる場合、通常、該酸化物は、モノマーAの1質量部を基準として、0.01〜100質量部、特に0.05〜50質量部の量で使用される(モノマーAの全量を基準として、10000質量%、特に5〜5000質量%の量で、又はモノマーAに対する粒子(半)金属酸化物の量の比が100:1〜1:100、特に50:1〜1:20の量)。   When the polymerization is carried out in the presence of a particulate (semi) metal oxide, the oxide is usually 0.01-100 parts by weight, in particular 0.05-50 parts by weight, based on 1 part by weight of monomer A. Used in an amount of 10000 parts by weight (based on the total amount of monomer A, in particular 5 to 5000% by weight, or the ratio of the amount of particles (semi) metal oxide to monomer A is 100: 1 1: 100, especially 50: 1 to 1:20).

本発明の好ましい実施の形態では、粒状(半)金属酸化物は、モノマーAの1質量部を基準として、0.01〜1質量部、特に0.055〜0.5質量部の量で使用される。他の好ましい実施の形態において、粒子材料は、モノマーAの1質量部を基準として、1〜100質量部、特に1.5〜50質量部の量で使用される。一方、第1に、得られる粒状複合材料の特性は、重合において生成された成分によって決定され、第2に、重合で得られる粒子は、重合において使用される粒状(半)金属酸化物から成るコア、及び該コアに配置されモノマーMの重合により得られる複合材料から成るシェルを有する。   In a preferred embodiment of the invention, the particulate (semi) metal oxide is used in an amount of 0.01 to 1 part by weight, in particular 0.055 to 0.5 part by weight, based on 1 part by weight of monomer A. Is done. In another preferred embodiment, the particulate material is used in an amount of 1-100 parts by weight, in particular 1.5-50 parts by weight, based on 1 part by weight of monomer A. On the other hand, first, the properties of the resulting granular composite material are determined by the components produced in the polymerization, and secondly, the particles obtained in the polymerization consist of granular (semi) metal oxides used in the polymerization. A core and a shell composed of a composite material disposed in the core and obtained by polymerization of the monomer M;

さらなる処理の前に、このようにして得られた複合材料を有機溶媒又は溶媒混合物を用いて洗浄して不純物を除去する。また、さらなる処理の前に、複合材料を乾燥させ及び/又は粉砕することが好ましい。   Prior to further processing, the composite material thus obtained is washed with an organic solvent or solvent mixture to remove impurities. It is also preferred that the composite material be dried and / or ground prior to further processing.

本発明に係る方法の第2工程(II)において、工程(I)で製造される粒状複合材料を炭化する。   In the second step (II) of the method according to the present invention, the granular composite material produced in step (I) is carbonized.

この炭化を行うために、工程(I)において得られる粒状複合材料を、
通常、ほぼ酸素を排除した状態で500℃を超える温度、特に700℃を超える温度、例えば、500〜1500℃の範囲の温度、特に700〜1200℃の範囲の温度まで加熱する。「ほぼ酸素を排除した状態」とは、炭化が行われる反応領域における酸素の分圧が低く、好ましくは20mbar以下、特に10mbarであることを意味する。不活性ガス雰囲気下、例えば窒素又はアルゴン雰囲気下で炭化を行うことが好ましい。不活性ガス雰囲気下は、好ましくは1体積%未満、特に0.1体積%未満しか酸素を含まない。
In order to perform this carbonization, the granular composite material obtained in step (I) is
Usually, heating is performed to a temperature exceeding 500 ° C., in particular, exceeding 700 ° C., for example, a temperature in the range of 500 to 1500 ° C., particularly a temperature in the range of 700 to 1200 ° C., with almost oxygen excluded. By “substantially excluded oxygen” is meant that the partial pressure of oxygen in the reaction zone where carbonization is carried out is low, preferably 20 mbar or less, in particular 10 mbar. Carbonization is preferably performed in an inert gas atmosphere, for example, in a nitrogen or argon atmosphere. The inert gas atmosphere preferably contains less than 1% by volume, especially less than 0.1% by volume oxygen.

粒状複合材料は、好ましくは、乾燥状態、すなわちほぼ溶媒を含まない粉末状態で炭化処理を行うために使用することが好ましい。以下において「ほぼ溶媒を含まない」とは、複合材料の溶媒含有量が、1質量%未満、特に0.1質量%未満であることを意味する。   The granular composite material is preferably used for carbonization in a dry state, that is, a powder state substantially free of a solvent. In the following, “substantially free of solvent” means that the solvent content of the composite material is less than 1% by mass, particularly less than 0.1% by mass.

任意に、炭化を、グラファイトの生成を促進する酸化剤、例えば三塩化鉄等の遷移金属ハロゲン化物の存在下で実行しても良い。これにより、本発明の炭素材料中における炭素が、全てグラファイト又はグラフェン単位の形態(すなわち、構造単位に結合する多環の形態であって、それぞれの炭素が他の3個の炭素に共通結合している形態)をとるという効果が得られる。このような酸化剤の量は複合材料を基準として、一般的に1〜20質量%である。この種の酸化剤を炭化において使用する場合、通常、複合材料と酸化剤を相互に混合し、該混合物を、ほぼ溶媒を含まない粉末状で炭化する。炭化の後に任意に、例えば酸化剤の抽出洗浄により、酸化剤を除去しても良い。この除去では、酸化剤及びその反応生成物が可溶である溶媒又は溶媒混合物を使用しても良いし、気化による方法をとっても良い。   Optionally, carbonization may be carried out in the presence of an oxidant that promotes the formation of graphite, for example a transition metal halide such as iron trichloride. As a result, the carbon in the carbon material of the present invention is all in the form of graphite or graphene units (that is, a polycyclic form bonded to a structural unit, and each carbon is commonly bonded to the other three carbons. Effect). The amount of such an oxidizing agent is generally 1 to 20% by mass based on the composite material. When this type of oxidizing agent is used in carbonization, the composite material and the oxidizing agent are usually mixed with each other and the mixture is carbonized in the form of a powder substantially free of solvent. Optionally, after the carbonization, the oxidizing agent may be removed by extraction cleaning of the oxidizing agent, for example. In this removal, a solvent or a solvent mixture in which the oxidizing agent and its reaction product are soluble may be used, or a vaporization method may be used.

このようにして、工程(II)において、炭素及び(半)金属酸化物から成る材料が得られる。この材料は一以上の炭素相(C相)及び一以上の無機(半)金属酸化物相を有する。このC相及び無機(半)金属酸化物相は、不規則な配列の実質的な共連続相領域を形成する。(半)金属酸化物相の2つの隣接する領域の間の距離は、50nm以下、特に20nm以下、好ましくは10nm以下、例えば、0.5〜50nmの範囲内、特に0.7〜20nm、特に1〜10nmの範囲内である。(半)金属酸化物相の2つの隣接する領域の間の距離の測定に関し、工程(I)において得られる複合材料に対する上述の方法を、同様に適用することができる。材料の粒子サイズに関しては、炭素材料の粒子サイズと同様である。   In this way, in step (II), a material composed of carbon and (semi) metal oxide is obtained. This material has one or more carbon phases (C phase) and one or more inorganic (semi) metal oxide phases. The C phase and the inorganic (semi) metal oxide phase form a substantially co-continuous phase region with an irregular arrangement. The distance between two adjacent regions of the (semi) metal oxide phase is 50 nm or less, in particular 20 nm or less, preferably 10 nm or less, for example in the range of 0.5 to 50 nm, in particular 0.7 to 20 nm, in particular It is in the range of 1 to 10 nm. Regarding the measurement of the distance between two adjacent regions of the (semi) metal oxide phase, the method described above for the composite material obtained in step (I) can be applied as well. The particle size of the material is the same as that of the carbon material.

本発明に係る方法の工程(III)において、一以上の(半)金属酸化物相は、工程(II)において得られる粒子材料から搾り取られる。   In step (III) of the method according to the invention, one or more (semi) metal oxide phases are squeezed out of the particulate material obtained in step (II).

驚くべきことに、工程(II)において炭化の過程において、及び(半)金属酸化物相の搾取の過程において、工程(I)で得られる複合材料の相構造がほぼ保持される。工程(II)において得られた炭素及び(半)金属酸化物から成る複合材料からの(半)金属酸化物相の搾取により、本発明の粒状多孔性炭素材料が形成される。炭素材料における細孔は、一以上の(半)金属酸化物相が工程(II)において得られた炭素及び(半)金属酸化物から成る複合材料中に存在する領域に形成される可能性が高い。   Surprisingly, in the process of carbonization in step (II) and in the process of squeezing out the (semi) metal oxide phase, the phase structure of the composite material obtained in step (I) is almost retained. The granular porous carbon material of the present invention is formed by squeezing the (semi) metal oxide phase from the carbon and (semi) metal oxide composite material obtained in step (II). The pores in the carbon material may be formed in regions where one or more (semi) metal oxide phases are present in the composite material composed of carbon and (semi) metal oxide obtained in step (II). high.

工程(II)で得られた粒状材料からの一以上の(半)金属酸化物相の搾取は、工程(II)で得られた粒状材料を非酸化性の酸の水溶液を用いて処理するという簡易な方法で行うことができる。なお、この非酸化性の酸は、水性媒体中における(半)金属酸化物を溶解させるのに好適である。好適な例としては、水酸化ナトリウム水溶液若しくは水酸化カリウム水溶液等のアルカリ金属水酸化物溶液、又は塩酸水溶液若しくはフッ化水素酸等の酸性水溶液である。また、特に(半)金属酸化物相が二酸化ケイ素である場合には、気相状HFが好ましい。アルカリ金属水酸化物水溶液が使用される場合、アルカリ金属水酸化物の含有率は1〜50質量%の範囲である。塩酸水溶液等の水性非酸化性酸、又はフッ化水素酸などが使用される場合、酸含有率は通常、1〜60質量%の範囲である。(半)金属酸化物相の搾取は、通常、10〜150℃の範囲、例えば20〜25℃の範囲の温度で水性HFを用いて行われる。(半)金属酸化物相の搾取に要する時間は、所定の実験によって、当業者によって測定することが可能である。この時間は当然に、使用される溶媒の種類や温度に依存するが、通常は1時間から24時間の範囲である。   Exploitation of one or more (semi) metal oxide phases from the particulate material obtained in step (II) is to treat the particulate material obtained in step (II) with an aqueous solution of a non-oxidizing acid. It can be done in a simple way. This non-oxidizing acid is suitable for dissolving the (semi) metal oxide in the aqueous medium. Preferable examples are alkali metal hydroxide solutions such as sodium hydroxide aqueous solution or potassium hydroxide aqueous solution, or acidic aqueous solutions such as hydrochloric acid aqueous solution or hydrofluoric acid. In particular, when the (semi) metal oxide phase is silicon dioxide, gas phase HF is preferred. When the alkali metal hydroxide aqueous solution is used, the content of the alkali metal hydroxide is in the range of 1 to 50% by mass. When an aqueous non-oxidizing acid such as aqueous hydrochloric acid or hydrofluoric acid is used, the acid content is usually in the range of 1 to 60% by mass. Exploitation of the (semi) metal oxide phase is usually performed using aqueous HF at a temperature in the range of 10 to 150 ° C, for example in the range of 20 to 25 ° C. The time required to extract the (semi) metal oxide phase can be measured by a person skilled in the art by a predetermined experiment. Of course, this time depends on the type and temperature of the solvent used, but is usually in the range of 1 to 24 hours.

このようにして得られた本発明の粒状多孔性炭素材料は、使用の前に洗浄しても良い。この洗浄とは、例えば、水若しくは水と水混和性有機溶媒の混合物若しくは溶媒混合物等の溶媒を用いた不純物の除去である。また、本発明の粒状多孔質炭素材料の他の使用の前に、乾燥し及び/又は粉砕することが好ましい。   The granular porous carbon material of the present invention thus obtained may be washed before use. This washing is, for example, removal of impurities using a solvent such as water or a mixture of water and a water-miscible organic solvent or a solvent mixture. Moreover, it is preferable to dry and / or grind | pulverize before the other use of the granular porous carbon material of this invention.

本発明に係る方法により、本発明の粒状多孔質炭素材料は容易に且つ大量に製造することができる。さらに、この材料は、例えば、ガス貯蔵用材料、フィルタ材料、及び触媒担体、スーパーキャパシタ用、リチウムイオン電池用の負極材料、太陽電池用、又は水浄化用等の多くの用途に適している。   By the method according to the present invention, the granular porous carbon material of the present invention can be produced easily and in large quantities. Furthermore, this material is suitable for many applications such as gas storage materials, filter materials, and catalyst carriers, anode materials for supercapacitors, lithium ion batteries, solar cells, or water purification.

このようにして得られた粒状多孔質炭素材料は、電気化学セル(特にリチウム電池)内の電極材料の構成要素として特に適している。   The granular porous carbon material thus obtained is particularly suitable as a constituent element of an electrode material in an electrochemical cell (particularly a lithium battery).

本明細書において、電気化学電池又はバッテリとは、任意の種類のバッテリ、キャパシタ、及びアキュムレータ(二次電池)、特にアルカリ金属電池又はバッテリ、例えばリチウム、リチウムイオン、リチウム−硫黄、及びアルカリ土類金属バッテリ及びアキュムレータを意味し、また、Supercaps、Goldcaps、BoostCaps、又はUltracapsの名称で知られている高エネルギー又は高効率システムの態様において用いられるものを含む。   As used herein, an electrochemical cell or battery refers to any type of battery, capacitor, and accumulator (secondary battery), particularly an alkali metal battery or battery, such as lithium, lithium ion, lithium-sulfur, and alkaline earth. Metal batteries and accumulators are meant and include those used in the aspects of high energy or high efficiency systems known under the names Supercaps, Goldcaps, BoostCaps, or Ultracaps.

より具体的には、本発明の粒状多孔質炭素材料は、アルカリ金属イオンの移動に基づく電気化学セルに適している。この電気化学セルは、特にリチウム金属電池、ナトリウム−硫黄金属電池、リチウム−硫黄電池、並びにリチウムイオン電池である。本発明の多孔質炭素材料は、特に、ナトリウム−硫黄電池又はリチウム−硫黄電池等のアルカリ金属−硫黄電池からなる群からの電気化学セルに特に適している。   More specifically, the granular porous carbon material of the present invention is suitable for an electrochemical cell based on the movement of alkali metal ions. This electrochemical cell is in particular a lithium metal battery, a sodium-sulfur metal battery, a lithium-sulfur battery, and a lithium ion battery. The porous carbon material of the present invention is particularly suitable for electrochemical cells from the group consisting of alkali metal-sulfur batteries such as sodium-sulfur batteries or lithium-sulfur batteries.

リチウム−硫黄電池においては、本発明の粒状多孔質炭素材料は特に、硫黄含有複合材料の形態で使用される。このような硫黄含有複合材料は、元素状硫黄及び一以上の本発明の粒状多孔質炭素材料を含む。このような複合材料は、電気的に活性であり、アルカリ金属−硫黄電池(特にリチウム硫黄電池)用の正極材料として好適である。また、ナトリウム−硫黄電池用の正極材料としても好適である。   In lithium-sulfur batteries, the granular porous carbon material of the present invention is used in particular in the form of a sulfur-containing composite material. Such sulfur-containing composite materials include elemental sulfur and one or more particulate porous carbon materials of the present invention. Such a composite material is electrically active and is suitable as a positive electrode material for an alkali metal-sulfur battery (particularly a lithium-sulfur battery). It is also suitable as a positive electrode material for sodium-sulfur batteries.

硫黄含有複合材料においては、本発明の多孔質炭素材料が少量であっても、正極材料の特性の著しい改善をもたらすために十分である。本発明の硫黄含有複合材料は、一般的に、該硫黄含有複合材料全体を基準として、本発明の炭素材料を1〜45質量%、特に2〜30質量%、特に3〜20質量%、及び特に3〜20質量%の量で含む。元素状硫黄の量は、通常、硫黄含有複合材料を基準として、55〜99質量%、特に70〜98質量%、及び特に80〜97質量%である。   In the sulfur-containing composite material, a small amount of the porous carbon material of the present invention is sufficient to bring about a significant improvement in the properties of the positive electrode material. The sulfur-containing composite material of the present invention is generally 1 to 45% by mass, particularly 2 to 30% by mass, particularly 3 to 20% by mass, and especially 3 to 20% by mass of the carbon material of the present invention, based on the entire sulfur-containing composite material. In particular, it is contained in an amount of 3 to 20% by mass. The amount of elemental sulfur is usually 55 to 99% by weight, in particular 70 to 98% by weight, and in particular 80 to 97% by weight, based on the sulfur-containing composite material.

本発明の多孔質炭素材料の一部は、導電性カーボンブラック又は無機充填剤のような従来の炭素材料に置き換えることができる。   A portion of the porous carbon material of the present invention can be replaced with a conventional carbon material such as conductive carbon black or an inorganic filler.

本発明の硫黄含有複合材料の製造は、本発明の多孔質炭素材料を所望量取り込むことによって元素状硫黄を溶融させて容易に実行することができる。これを実行するために要求される温度は120〜300℃、及び好ましくは120〜150℃の温度範囲である。これに代えて、本発明の多孔質炭素材料を好適な有機溶媒中の元素状硫黄の溶液に取り込んでも良く、その後、溶媒を除去しても良い。好適な溶媒の例は、特に、トルエン、キシレン、及びクロロベンゼン等の芳香族炭化水素及びハロゲン化された芳香族炭化水素、並びに二硫化炭素及び二臭化炭素である。   The production of the sulfur-containing composite material of the present invention can be easily performed by melting elemental sulfur by incorporating a desired amount of the porous carbon material of the present invention. The temperature required to do this is in the temperature range of 120-300 ° C, and preferably 120-150 ° C. Alternatively, the porous carbon material of the present invention may be taken into a solution of elemental sulfur in a suitable organic solvent, and then the solvent may be removed. Examples of suitable solvents are in particular aromatic and halogenated aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene and chlorobenzene, and carbon disulfide and carbon dibromide.

本発明の硫黄含有複合材料は、アルカリ金属硫黄電池(特にリチウム硫黄電池)における正極用の電気活性要素として特に適している。従って、本発明は、アルカリ金属硫黄電池(特にリチウム硫黄電池、特にリチウム硫黄二次電池)、及び本発明の硫黄含有複合材料を含有するリチウム硫黄電池(特にリチウム硫黄二次電池)用の正極に硫黄含有複合材料の使用方法を提供する。   The sulfur-containing composite material of the present invention is particularly suitable as an electroactive element for a positive electrode in an alkali metal sulfur battery (particularly a lithium sulfur battery). Therefore, the present invention provides a positive electrode for an alkali metal sulfur battery (particularly a lithium sulfur battery, particularly a lithium sulfur secondary battery) and a lithium sulfur battery (particularly a lithium sulfur secondary battery) containing the sulfur-containing composite material of the present invention. A method of using a sulfur-containing composite material is provided.

本発明の硫黄含有複合材料に加えて、正極は通常、硫黄含有複合材料の電気活性要素及び他の電気光学的な導電又は電気活性要素を結合するための一種以上のバインダを含む。また、正極は、一般に、電荷の供給及び除去のための電気的接点を有する。本発明の硫黄含有複合材料の量は、正極材料の総質量を基準として、集電体及び電気的接点の分を引いて、通常20質量%以上、しばしば30質量%以上、特に40質量%以上、例えば20〜80質量%、しばしば30〜70質量%、特に40〜65質量%、及び特に50〜60質量%である。   In addition to the sulfur-containing composite material of the present invention, the positive electrode typically includes one or more binders for bonding the electroactive element of the sulfur-containing composite material and other electro-optic conductive or electroactive elements. The positive electrode generally has electrical contacts for supplying and removing charges. The amount of the sulfur-containing composite material of the present invention is usually 20% by mass or more, often 30% by mass or more, particularly 40% by mass or more, based on the total mass of the positive electrode material, subtracting the current collector and the electrical contacts. For example 20 to 80% by weight, often 30 to 70% by weight, in particular 40 to 65% by weight, and in particular 50 to 60% by weight.

さらに、好適な導電性又は電気活性要素は、冒頭の従来技術、及び関連する研究論文(例えば「M.E.Spahr,Carbon Conductive Additives for Lithium−Ion Batteries,in M. Yoshio et al.(eds.) Lithium Ion Batteries,Springer Science+Business Media,New York 2009,」の117〜154ページの記載事項参照)によって知られている。本発明の正極における他の有用な導電性又は電気活性材料としては、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、又は導電性ポリマーが挙げられる。通常、負極に使用される導電性材料は、負極材料の総質量を基準として集電体及び電気的接点の分を引いて、約2.5〜40質量%であり、該導電性材料は、50〜97.5質量%、しばしば60〜95質量%の本発明の硫黄含有複合材料とともに用いられる。   Further, suitable conductive or electroactive elements are described in the opening prior art and related research papers (see, for example, “ME Spahr, Carbon Conductives for Lithium-Ion Batteries, in M. Yoshio et al. (Eds. ) Lithium Ion Batteries, Springer Science + Business Media, New York 2009, ”described on pages 117 to 154). Other useful conductive or electroactive materials in the positive electrode of the present invention include carbon black, graphite, carbon fiber, carbon nanofiber, carbon nanotube, or conductive polymer. Usually, the conductive material used for the negative electrode is about 2.5 to 40% by mass, after subtracting the current collector and the electrical contact, based on the total mass of the negative electrode material. Used with 50-97.5 wt%, often 60-95 wt% of the sulfur-containing composite material of the present invention.

原則として、上述の電気活性材料を使用する正極の製造に適したバインダとしては、正極材料に適した従来のバインダ全てが挙げられる。この従来のバインダは、冒頭で示した従来技術及び関連する研究論文(例えば、「A.Nagai,Applications of PVdF−Related Materials for Lithium−Ion Batteries,in M.Yoshio et al.(eds.) Lithium Ion Batteries,Springer Science + Business Media,New York 2009」の155〜162ページ、及び「H.Yamamoto and H.Mori, SBR Binder (for negative electrode) and ACM Binder (for positive electrode),ibid.」の163〜180ページを参照」)に記載されている。   In principle, binders suitable for the production of positive electrodes using the above-mentioned electroactive materials include all conventional binders suitable for positive electrode materials. This conventional binder is disclosed in the prior art and related research papers (for example, “A. Nagai, Applications of PVdF-Related Materials for Lithium-Ion Batteries, in M. Yoshio et al. (Eds.) Ith. 155-162 of Batteries, Springer Science + Business Media, New York 2009, and "H. Yamamoto and H. Mori, SBR Binder (for negative electrode) See page 180 ") It is.

有用なバインダとしては、特に以下のものが挙げられる;ポリエチレンオキシド(PEO)、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル−メチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、スチレン−ブタジエンコポリマー、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレンコポリマー、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVDF−HFP)、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、テトラフルオロエチレン、ペルフルオロアルキル−ビニルエーテルコポリマー、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレンコポリマー、エチレン−クロロ−フルオロエチレンコポリマー、エチレン−アクリル酸コポリマー(ナトリウムイオンの含有の有無にかかわらない)、エチレン−メタクリル酸コポリマー(ナトリウムイオンの含有の有無にかかわらない)、エチレン−メタクリル酸エステルコポリマー(ナトリウムイオンの含有の有無にかかわらない)、ポリイミド、及びポリイソブテン。   Useful binders include in particular: polyethylene oxide (PEO), cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile-methyl methacrylate, polytetrafluoroethylene, styrene- Butadiene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), tetrafluoroethylene hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene, perfluoroalkyl-vinyl ether copolymer, Vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, ethylene-tetraf Oroethylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-chloro-fluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer (with or without sodium ion), ethylene-methacrylic acid copolymer (with sodium ion) With or without), ethylene-methacrylic acid ester copolymers (with or without sodium ions), polyimide, and polyisobutene.

バインダは、任意に、製造に使用される任意の溶媒の性質を考慮して選択される。バインダは、一般に、正極材料、すなわち硫黄含有複合材料及び任意の他の電気活性又は導電性材料の混合物全体を基準として、1〜10質量%である。好ましくは、2〜8質量%、特に3〜7質量%である。   The binder is optionally selected taking into account the nature of any solvent used in the production. The binder is generally 1-10% by weight, based on the total mixture of positive electrode material, i.e. sulfur-containing composite material and any other electroactive or conductive material. Preferably, it is 2 to 8% by mass, particularly 3 to 7% by mass.

正極は、それ自体は、冒頭で示された従来技術及び研究論文(例えば「R.J.Brodd,M.Yoshio,Production processes for Fabrication of Lithium−Ion Batteries,in M. Yoshio et al. (eds.)Lithium Ion Batteries, Springer Science+Business Media,New York 2009」の181〜194ページ参照)により知られている標準的な方法で製造することができる。例えば、正極は、任意に有機溶媒又は溶媒混合物(例えば、N−メチルピロリジノン、又は炭化水素溶剤)を使用して、本発明の硫黄含有複合材料を正極材料の他の要素(他の電気活性若しくは導電性要素及び/又は有機バインダ)と混合し、任意に成型工程又は不活性金属箔(例えば、Au、Ag、又はCu箔)の施与工程に付することにより製造することができる。その後、必要に応じて乾燥しても良い。乾燥は、例えば、80〜150℃の温度で行われる。乾燥作業は、減圧下で3〜48時間の間続けられる。任意に、成形のために溶融工程又は焼結工程を行っても良い。   The positive electrode itself has the prior art and research papers shown at the beginning (for example, “RJ Brodd, M. Yoshio, Production processes for Fabrication of Lithium-Ion Batteries, in M. Yoshi et al. (Eds. ) Lithium Ion Batteries, Springer Science + Business Media, New York 2009, ”pages 181 to 194)). For example, the positive electrode optionally uses an organic solvent or solvent mixture (eg, N-methylpyrrolidinone, or a hydrocarbon solvent) to connect the sulfur-containing composite material of the present invention to other components of the positive electrode material (other electroactive or Mixed with a conductive element and / or organic binder) and optionally subjected to a molding step or an application step of an inert metal foil (eg, Au, Ag, or Cu foil). Then, you may dry as needed. Drying is performed at a temperature of 80 to 150 ° C., for example. The drying operation is continued for 3 to 48 hours under reduced pressure. Optionally, a melting step or a sintering step may be performed for molding.

また、本発明は、本発明の電気活性材料を含有する一つ以上の正極を含むアルカリ金属硫黄電池、特にリチウム硫黄電池、特にリチウム硫黄二次電池を提供する。   The present invention also provides an alkali metal sulfur battery, particularly a lithium sulfur battery, particularly a lithium sulfur secondary battery, comprising one or more positive electrodes containing the electroactive material of the present invention.

このような電池は、通常、一つ以上の本発明の正極、リチウム硫黄電池に好適な負極、電解質、及び任意にセパレータを含む。   Such a battery typically includes one or more positive electrodes of the present invention, a negative electrode suitable for a lithium sulfur battery, an electrolyte, and optionally a separator.

好適な負極材料に関し、好適な電解質及びセパレータを可能な配置及び可能な形状で構成する。可能な配置については、例えば冒頭で示した従来技術において知られている。可能な形状については、例えば、「Wakihara et al.(editor) in Lithium Ion Batteries,1st edition,Wiley VCH,Weinheim,1998;David Linden:Handbook of Batteries(McGraw−Hill Handbooks),3rdedition,McGraw−Hill Professional,New York 2008;J.O.Besenhard:Handbook of Battery Materials.Wiley−VCH, 1998;M. Yoshio et al.(ed.) Lithium Ion Batteries,Springer Science + Business Media,New York 2009;K.E. Aifantis,S.A.Hackney,R.V.Kumar, (ed.),High Energy Density Lithium Batteries,Wiley−VCH, 2010」に記載されている。 Concerning suitable negative electrode materials, suitable electrolytes and separators are constructed in possible arrangements and possible shapes. Possible arrangements are known, for example, in the prior art shown at the beginning. The possible shapes, for example, "Wakihara et al (editor) in Lithium Ion Batteries, 1 st edition, Wiley VCH, Weinheim, 1998; David Linden:. Handbook of Batteries (McGraw-Hill Handbooks), 3 rd edition, McGraw -Hill Professional, New York 2008; J. O. Besenhard: Handbook of Battery Materials. Wiley-VCH, 1998; M. Yoshio et al. (Ed.) Lithium Ion Bet. rk 2009;. K.E Aifantis, S.A.Hackney, R.V.Kumar, are described in, High Energy Density Lithium Batteries, Wiley-VCH, 2010 "(ed.).

有用な負極には、グラファイト、金属リチウム、リチウム−グラファイト化合物、リチウム合金(例えば、リチウム−ケイ素合金)、ナノ結晶シリコン、又はリチウム金属酸化物(チタン酸リチウム(例えばLiTi12)等)を電極活性要素として含有する負極材料が含まれる。 Useful negative electrodes include graphite, metallic lithium, lithium-graphite compounds, lithium alloys (eg, lithium-silicon alloys), nanocrystalline silicon, or lithium metal oxides (such as lithium titanate (eg, Li 4 Ti 5 O 12 )). ) As an electrode active element.

負極は、電気活性要素の他にさらなる要素を含んでいても良い。さらなる要素は、例えば、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、又は導電性ポリマー等の導電性又は電気活性要素、及び上述の極と関連する結合剤である。 The negative electrode may contain further elements in addition to the electroactive elements. Further elements are, for example, conductive or electroactive elements such as carbon black, graphite, carbon fibers, carbon nanofibers, carbon nanotubes or conductive polymers, and binders associated with the positive electrodes described above.

電極は、電解質を含浸させたセパレータの間に配置される。セパレータの例は、特にガラス繊維不織布、及びポリプロピレンやPVdF等のポリエチレン多孔質フィルムである。また、電解質及びセパレータに代えて、ポリマー電解質を使用することも可能である。   The electrodes are disposed between separators impregnated with electrolyte. Examples of separators are in particular glass fiber nonwoven fabrics and polyethylene porous films such as polypropylene and PVdF. Moreover, it is also possible to use a polymer electrolyte instead of the electrolyte and the separator.

2つの電極(すなわち、負極及び正極)は、液体又は他の固体電解質及び任意に好適なセパレータを用いて、それ自体公知の方法で相互に接続される。この目的のために、例えば、セパレータをラミネート状に、出力導体を有する2つの電極の内の一つ(負極又は正極)に施し、電解質で含浸して、出力導体が設けられた逆の電荷が帯電する電極にセパレータを施し、得られたサンドウィッチ構造を任意に巻回して電池ハウジングに導入する。   The two electrodes (ie, negative electrode and positive electrode) are connected to each other in a manner known per se using a liquid or other solid electrolyte and optionally a suitable separator. For this purpose, for example, a separator is laminated in one of two electrodes having an output conductor (negative electrode or positive electrode), impregnated with an electrolyte, and the reverse charge provided by the output conductor is applied. A separator is applied to the charged electrode, and the obtained sandwich structure is arbitrarily wound and introduced into the battery housing.

有用な液体電解質としては、リチウム塩及び溶融リチウム塩の非水性溶液(通常、水含有率<20ppm)が挙げられる。これは、例えば、六フッ化リン酸リチウム、過塩素酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、トリフルオロメチルスルホネート、リチウムbis(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、又は四フッ化ホウ酸リチウム、特に六フッ化リン酸リチウム又は四フッ化ホウ酸リチウムを、好適な非プロトン性溶媒、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジオキソラン、及びそれらの混合物、並びにこれらと一種以上の以下の混合物:ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、メチルプロピオネート、プロピオン酸エチル、ブチロラクトン、アセトニトリル、酢酸エチル、酢酸メチル、トルエン、及びキシレン、特にエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物中に含むものである。使用される固体電解質は、例えば、イオン伝導性ポリマーであってよい。   Useful liquid electrolytes include non-aqueous solutions of lithium and molten lithium salts (usually water content <20 ppm). For example, lithium hexafluorophosphate, lithium perchlorate, lithium hexafluoroarsenate, trifluoromethyl sulfonate, lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, or lithium tetrafluoroborate, especially hexafluoride. Lithium phosphate or lithium tetrafluoroborate is replaced with a suitable aprotic solvent such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dioxolane, and mixtures thereof, and one or more of the following mixtures: dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethoxy Ethane, methyl propionate, ethyl propionate, butyrolactone, acetonitrile, ethyl acetate, methyl acetate, toluene, and xylene, especially those contained in a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate. The solid electrolyte used may be, for example, an ion conductive polymer.

本発明のリチウム硫黄電池は、プリズム薄膜構造を有していてもよい。このプリズム薄膜構造では、固体電解質薄膜が、負極を構成する膜と正極を構成する膜の間に配置されている。中央のカソード出力導体は、両面セル構成を形成するために、各々の正極膜の間に配置されている。他の実施の形態では、単一の正極出力導体が単一の負極/セパレータ/正極の要素の組み合わせに割り当てられている片面セル構成を用いることもできる。この構成では、通常、絶縁膜が個々の負極/セパレータ/正極/出力導体の要素の組み合わせの間に配置されている。   The lithium sulfur battery of the present invention may have a prism thin film structure. In this prism thin film structure, the solid electrolyte thin film is disposed between the film constituting the negative electrode and the film constituting the positive electrode. A central cathode output conductor is disposed between each positive electrode film to form a double-sided cell configuration. Other embodiments may use a single-sided cell configuration in which a single positive output conductor is assigned to a single negative / separator / positive element combination. In this configuration, the insulating film is typically disposed between the individual negative electrode / separator / positive electrode / output conductor element combinations.

実施例7.3の試料のTEM分析(バーは50nm)TEM analysis of the sample of Example 7.3 (bar is 50 nm) 実施例9a及び9bの試料の熱重量分析Thermogravimetric analysis of the samples of Examples 9a and 9b

以下の図面及び実施例は本発明を説明するものであるが、それらの各々の態様に限定して理解されるべきものではない。   The following drawings and examples illustrate the invention, but should not be understood as being limited to each of these embodiments.

TEM分析及びHAADF−STEM分析を、薄層法(マトリックスとしての合成樹脂中への試料の埋め込み)により、TecnaiF20透過型電子顕微鏡(FEI,Eindhoven,the Netherlands)を用いて200kVの動作電圧で行った。   TEM analysis and HAADF-STEM analysis were performed at 200 kV operating voltage using the Tecnai F20 transmission electron microscope (FEI, Eindhoven, the Netherlands) by the thin layer method (embedding the sample in a synthetic resin as a matrix). .

比表面積及び細孔径分布を、「Barret,Joyner and Halender」法によりドイツ工業規格DIN66134に基づき、窒素吸着・脱着等温線を測定することにより解析した。BET表面積を、窒素吸着を用いてDINISO9277にしたがい測定した。   Specific surface area and pore size distribution were analyzed by measuring nitrogen adsorption / desorption isotherms based on the German Industrial Standard DIN 66134 by the “Barret, Joyner and Halender” method. The BET surface area was measured according to DINISO 9277 using nitrogen adsorption.

熱重量分析試験を、TGA7熱重量分析計(Perkin Elmer社製)により、白金るつぼを使用して40K/minの加熱速度で行った。   The thermogravimetric analysis test was performed with a TGA7 thermogravimetric analyzer (Perkin Elmer) using a platinum crucible at a heating rate of 40 K / min.

出発材料:
2,2’−スピロビ[4H−1,3,2−ベンゾジオキサシリン]をWO2010/112580に規定する方法により製造した。
Starting material:
2,2′-spirobi [4H-1,3,2-benzodioxacillin] was produced by the method defined in WO2010 / 112580.

使用した粒状材料は、Aerosil(登録商標)300(一次粒子径7nm)及びAerosil(登録商標)OX50(一次粒子径40nm)のヒュームドシリカであった。   The particulate material used was fumed silica with Aerosil® 300 (primary particle size 7 nm) and Aerosil® OX50 (primary particle size 40 nm).

トルエン、及びジクロロメタンをp.a.品質で使用した。   Toluene and dichloromethane were added p. a. Used in quality.

実施例1〜7:粒状材料を用いた一般的な炭素材料の製造方法
1)表1で示された1gの粒状材料を200mlのジクロロメタンに懸濁した。これに240mgのメタンスルホン酸を添加し、得られた分散液を22℃で15分間攪拌した。次に、溶媒を減圧下で除去した。このようにして得られた固体を200mlのトルエンで溶解させた。これに対して50mlのトルエンに2gの2,2’−スピロビ[4H−1,3,2−ベンゾジオキサシリン]を溶解させた溶液を滴下し、混合物を22℃で15分間攪拌した。続いて、粉末状固体を濾過し、40℃で一定質量になるまで減圧下において乾燥した。
Examples 1 to 7: Method for producing general carbon material using granular material 1) 1 g of granular material shown in Table 1 was suspended in 200 ml of dichloromethane. 240 mg of methanesulfonic acid was added thereto, and the resulting dispersion was stirred at 22 ° C. for 15 minutes. The solvent was then removed under reduced pressure. The solid thus obtained was dissolved in 200 ml of toluene. On the other hand, a solution in which 2 g of 2,2′-spirobi [4H-1,3,2-benzodioxacillin] was dissolved in 50 ml of toluene was dropped, and the mixture was stirred at 22 ° C. for 15 minutes. Subsequently, the powdered solid was filtered and dried under reduced pressure at 40 ° C. until a constant mass was reached.

2)次に、工程(i)で得られた粉末を、管状炉内で、800℃又は1100℃のアルゴン流により2時間焼成した。このようにして黒色粉末を得た。   2) Next, the powder obtained in step (i) was calcined in a tubular furnace with an argon flow at 800 ° C. or 1100 ° C. for 2 hours. A black powder was thus obtained.

3)その後、ステップ1で得られた粉体を、40%HF水溶液中で3日間保存した。次に、残りの粉末を濾別し、これを水とエタノールで洗浄し、一定質量となるまで減圧下において40℃で乾燥した。   3) Thereafter, the powder obtained in Step 1 was stored in a 40% HF aqueous solution for 3 days. Next, the remaining powder was filtered off, washed with water and ethanol, and dried at 40 ° C. under reduced pressure until a constant mass was reached.

実施例8:粒状材料を使用しない炭素材料の製造のための一般的な方法
1)240mgのメタンスルホン酸を200mlのトルエンに溶解した。これに対して50mlのトルエンに2gの2,2’−スピロビ[4H−1,3,2−ベンゾジオキサシリン]を溶解させた溶液を滴下し、混合物を22℃で15分間攪拌した。続いて、粉末状固体を濾過し、40℃で一定質量になるまで減圧下において乾燥した。
Example 8: General method for the production of carbon material without using particulate material 1) 240 mg of methanesulfonic acid was dissolved in 200 ml of toluene. On the other hand, a solution in which 2 g of 2,2′-spirobi [4H-1,3,2-benzodioxacillin] was dissolved in 50 ml of toluene was dropped, and the mixture was stirred at 22 ° C. for 15 minutes. Subsequently, the powdered solid was filtered and dried under reduced pressure at 40 ° C. until a constant mass was reached.

2)次に、工程(i)で得られた粉末を、管状炉内で、800℃又は1100℃のアルゴン流により2時間焼成した。このようにして黒色粉末を得た。   2) Next, the powder obtained in step (i) was calcined in a tubular furnace with an argon flow at 800 ° C. or 1100 ° C. for 2 hours. A black powder was thus obtained.

3)その後、ステップ1で得られた粉体を、40%HF水溶液中で3日間保存した。次に、残りの粉末を濾別し、これを水とエタノールで洗浄し、一定質量となるまで減圧下において40℃で乾燥した。   3) Thereafter, the powder obtained in Step 1 was stored in a 40% HF aqueous solution for 3 days. Next, the remaining powder was filtered off, washed with water and ethanol, and dried at 40 ° C. under reduced pressure until a constant mass was reached.

このようにして得られた粉末は元素分析によると、炭素含有量が84質量%より大きく、ケイ素含有量が2質量%より小さかった。酸素含有量は15%未満であり、水素含有量は1.5%未満であった。   According to elemental analysis, the powder thus obtained had a carbon content of greater than 84% by mass and a silicon content of less than 2% by mass. The oxygen content was less than 15% and the hydrogen content was less than 1.5%.

図1のTEMイメージには、実施例7の工程3(実施例7.3)から得られた中空カーボン粒子が示されている。当図では、中空カーボン粒子の炭素材料が多孔質であることが示されている。   The TEM image in FIG. 1 shows the hollow carbon particles obtained from Step 3 of Example 7 (Example 7.3). This figure shows that the carbon material of the hollow carbon particles is porous.

表1は、炭素質材料の製造について示している。   Table 1 shows the production of the carbonaceous material.

Figure 2014522355
Figure 2014522355

実施例9a:硫黄及び本発明の炭素材料からの硫黄含有複合材料の製造:
実施例7.3からの粉末1gを140°Cの温度で6gの元素状硫黄とともに溶融し、この温度で5時間放置した。冷却の過程で得られた固体を乳鉢と乳棒を用いて粉末に粉砕した。
Example 9a: Production of a sulfur-containing composite material from sulfur and the carbon material of the invention:
1 g of the powder from Example 7.3 was melted with 6 g of elemental sulfur at a temperature of 140 ° C. and left at this temperature for 5 hours. The solid obtained in the cooling process was pulverized into powder using a mortar and pestle.

実施例9b:硫黄並びに炭素及び二酸化ケイ素から成る硫黄含有複合材料炭素からの硫黄含有複合材料の製造
実施例7.2からの粉末1gを140°Cの温度で6gの元素状硫黄とともに溶融し、この温度で5時間放置した。冷却の過程で得られた固体を乳鉢と乳棒を用いて粉末に粉砕した。
Example 9b: Sulfur-containing composite material consisting of sulfur and carbon and silicon dioxide Production of sulfur-containing composite material from carbon 1 g of powder from Example 7.2 was melted with 6 g of elemental sulfur at a temperature of 140 ° C. It was left at this temperature for 5 hours. The solid obtained in the cooling process was pulverized into powder using a mortar and pestle.

実施例9a及び9bの実施例の材料を、熱重量分析計を用いて分析した(図2参照)。   The materials of the examples of Examples 9a and 9b were analyzed using a thermogravimetric analyzer (see FIG. 2).

図2の曲線を参照すれば明らかなように、実施例7.3からの炭素材料、すなわち、無機(半)金属酸化物相が除去された後の材料は、実施例7.2の材料に比べて、硫黄の結合性能が有意に増加している。これは、炭素及び二酸化ケイ素からなる複合材料(実施例9b)と比較して硫黄の昇華温度が増加していることにより説明される。これは、硫黄炭素複合材料(実施例9a)における硫黄が、実施例7.3の炭素材料の細孔に挿入されたことを示している。   As can be seen with reference to the curve in FIG. 2, the carbon material from Example 7.3, ie, the material after the removal of the inorganic (semi) metal oxide phase, is the material of Example 7.2. In comparison, the binding performance of sulfur is significantly increased. This is explained by the increased sulfur sublimation temperature compared to the composite of carbon and silicon dioxide (Example 9b). This indicates that sulfur in the sulfur carbon composite material (Example 9a) was inserted into the pores of the carbon material of Example 7.3.

実施例10:実施例9aに係る硫黄含有複合材料を用いた正極の製造
まず、硫黄含有複合材料のインクを、水/イソプロパノール混合物中において製造した。この目的のために、実験室のガラスの瓶内において、0.02gのポリビニルアルコールを16.0gの水/イソプロパノール(10:1v/v)に溶解させた。この溶液に、0.47gの導電性ブラック(スイスのTimcal社製のSuper P 6743 Bodio)、0.07gの合成黒鉛(スイスのTimcal社製のKS6 6743 Bodio)、及び1.71gの実施例9の硫黄含有複合材料を添加し、混合物を均一な懸濁状態が得られるまで撹拌した。分散のために、懸濁液をステンレス製ベッセル内に移し、その後、ステンレス製ボールにおいて300rpmで30分撹拌しつつボールミル(Fritsch社製、Pulverisette)を用いて粉砕した。この分散により、クリーム状の非常に均一なインクが生じた。
Example 10: Production of positive electrode using the sulfur-containing composite material according to Example 9a First, an ink of a sulfur-containing composite material was produced in a water / isopropanol mixture. For this purpose, 0.02 g of polyvinyl alcohol was dissolved in 16.0 g of water / isopropanol (10: 1 v / v) in a laboratory glass bottle. To this solution, 0.47 g of conductive black (Super P 6743 Bodio from Timcal, Switzerland), 0.07 g of synthetic graphite (KS6 6743 Bodio from Timcal, Switzerland), and 1.71 g of Example 9 Of sulfur-containing composite material was added and the mixture was stirred until a uniform suspension was obtained. For dispersion, the suspension was transferred into a stainless steel vessel and then ground using a ball mill (Pulversette, manufactured by Fritsch) with stirring at 300 rpm for 30 minutes in a stainless steel ball. This dispersion produced a creamy, very uniform ink.

このインクを、真空テーブル(温度は60℃)上においてエアーブラシ法を用いてアルミニウム箔上に噴霧した。噴霧には窒素を用いた。2.5mg/cmの固体量が実現された。 This ink was sprayed onto an aluminum foil using an air brush method on a vacuum table (temperature is 60 ° C.). Nitrogen was used for spraying. A solids amount of 2.5 mg / cm 2 was realized.

参考例10:硫黄を用いた正極の製造
正極を、インクを下記の懸濁液を製造することにより製造した点以外については、実施例10で記載した方法と同様の方法で製造した。
Reference Example 10 Production of Positive Electrode Using Sulfur A positive electrode was produced in the same manner as described in Example 10 except that the positive electrode was produced by producing the following suspension.

実験室のガラス瓶において、0.02gのポリビニルアルコールを、16.0gの水/イソプロパノール(10:1、v/v)に溶解した。この溶液に、1.25gの導電性ブラック(スイスのTimcal社製のSuper P 6743 Bodio)、0.07gの合成黒鉛(スイスのTimcal社製のKS6 6743 Bodio)、及び0.93gの硫黄実施例9の硫黄を添加し、混合物を均一な懸濁状態が得られるまで撹拌した。さらに、インクを与える工程、及び電極を製造する工程を、実施例10に記載した方法と同様の方法により行った。   In a laboratory glass bottle, 0.02 g of polyvinyl alcohol was dissolved in 16.0 g of water / isopropanol (10: 1, v / v). To this solution was added 1.25 g of conductive black (Super P 6743 Bodio from Timcal, Switzerland), 0.07 g of synthetic graphite (KS6 6743 Bodio from Timcal, Switzerland), and 0.93 g of the sulfur example. 9 sulfur was added and the mixture was stirred until a uniform suspension was obtained. Further, the step of supplying ink and the step of manufacturing the electrode were performed by the same method as described in Example 10.

実施例11:
実施例10及び10aの電極の電気化学的特性を評価するために、電気化学セルを構成した。負極:厚さ50μmのリチウム箔、セパレータ:厚み38μmのCelgard 2340、上述の実施例10及び10aの正極である。
Example 11:
In order to evaluate the electrochemical properties of the electrodes of Examples 10 and 10a, an electrochemical cell was constructed. Negative electrode: lithium foil having a thickness of 50 μm, separator: Celgard 2340 having a thickness of 38 μm, and the positive electrodes of Examples 10 and 10a described above.

ジオキソラン及びジメトキシエタンの1:1(v/v)の混合物中に、電解質1M LiTFSI(LiN(SOCF)を溶解させたもの。電池の充電及び放電を、1.8〜2.5の間の電圧で7.50mAの電流を用いて行った。結果を表2に示す。 An electrolyte 1M LiTFSI (LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ) dissolved in a 1: 1 (v / v) mixture of dioxolane and dimethoxyethane. The battery was charged and discharged using a current of 7.50 mA at a voltage between 1.8 and 2.5. The results are shown in Table 2.

Figure 2014522355
Figure 2014522355

Claims (23)

炭素相と、
上記炭素相に配置される一つ以上の細孔相と、を含み、
粒子の炭素相が、上記細孔相とともに、ほぼ共連続で不規則な複数の相領域を形成し、細孔相の隣接する相領域の間の距離が実質的に50nm以下であることを特徴とする粒状多孔質炭素材料。
The carbon phase,
Including one or more pore phases disposed in the carbon phase,
The carbon phase of the particle forms a plurality of substantially co-continuous and irregular phase regions together with the pore phase, and the distance between adjacent phase regions of the pore phase is substantially 50 nm or less. A granular porous carbon material.
0.1cm/g以上、特に0.2〜1cm/gの割合の細孔が、DIN66134に準じたBJH窒素吸着法による測定で1〜5nmの範囲の孔径を有する請求項1に記載の炭素材料。 0.1 cm 3 / g or more, particularly pores in the proportion of 0.2~1cm 3 / g are as defined in claim 1 having a pore size in the range of 1~5nm measured by BJH nitrogen adsorption method in accordance with DIN66134 Carbon material. さらに、0.1cm/g以上、特に0.3〜2.7cm/gの割合の細孔が、DIN66134に準じたBJH窒素吸着法による測定で5〜300nmの範囲の孔径を有する請求項2に記載の炭素材料。 Further, 0.1 cm 3 / g or more, claim particular pore ratio of 0.3~2.7cm 3 / g is, with pore diameters in the range of 5~300nm measured by BJH nitrogen adsorption method in accordance with DIN66134 2. The carbon material according to 2. DIN66134に準じたBJH窒素吸着法による測定で、0.3〜3cm/g、特に0.5〜2.9cm/gの範囲の全細孔体積を有する請求項1〜3の何れか1項に記載の炭素材料。 Any one of claims 1 to 3 having a total pore volume in the range of 0.3 to 3 cm 3 / g, particularly 0.5 to 2.9 cm 3 / g, as measured by the BJH nitrogen adsorption method according to DIN 66134. The carbon material according to item. DIN ISO 9277にしたがう窒素吸着法による測定で、200〜3000m/gのBET比表面積を有する請求項1〜4の何れか1項に記載の炭素材料。 As determined by the nitrogen adsorption method according to DIN ISO 9277, the carbon material according to claim 1 having a BET specific surface area of 200~3000m 2 / g. 20nm〜50μmの範囲の重量平均粒子径を有する請求項1〜5の何れか1項に記載の炭素材料。   The carbon material according to any one of claims 1 to 5, which has a weight average particle diameter in a range of 20 nm to 50 µm. 炭素材料の全質量を基準として、95質量%以上の炭素含有率を有する請求項1〜6の何れか1項に記載の炭素材料。   The carbon material according to any one of claims 1 to 6, which has a carbon content of 95% by mass or more based on the total mass of the carbon material. I.一つ以上の有機ポリマー相及び一つ以上の無機(半)金属酸化物相を含む粒状複合材料であって、該有機ポリマー相P及び無機(半)金属酸化物相がほぼ共連続の複数の相領域を形成し、無機(半)金属酸化物相の隣接する相領域間の平均距離が50nm以下である粒状複合材料を供給する工程と、
II.複合材料の有機ポリマー相を炭化する工程と、
III.浸出によって(半)金属酸化物相を除去する工程と、
を有することを特徴とする粒状炭素材料の製造方法。
I. A particulate composite material comprising one or more organic polymer phases and one or more inorganic (semi) metal oxide phases, wherein the organic polymer phase P and the inorganic (semi) metal oxide phase are substantially co-continuous. Forming a phase region and supplying a granular composite material having an average distance between adjacent phase regions of the inorganic (semi) metal oxide phase of 50 nm or less;
II. Carbonizing the organic polymer phase of the composite material;
III. Removing the (semi) metal oxide phase by leaching;
The manufacturing method of the granular carbon material characterized by having.
工程Iにおける粒状複合材料の供給工程には、
a)カチオン重合性の一種以上の有機モノマー単位と、
b)カチオン重合性のモノマー単位に酸素を介して結合して(半)金属酸化物を生成する一種以上の(半)金属と、
を有する一種以上のモノマーMの、カチオン重合条件下における重合工程が含まれる請求項8に記載の製造方法。
In the supply step of the granular composite material in step I,
a) one or more cationically polymerizable organic monomer units;
b) one or more (semi) metals bonded to the cationically polymerizable monomer units via oxygen to form (semi) metal oxides;
The manufacturing method of Claim 8 in which the superposition | polymerization process under cationic polymerization conditions of the 1 or more types of monomer M which has this is included.
(半)金属がケイ素である請求項9に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 9, wherein the (semi) metal is silicon. 一種以上のモノマーMを、粒状(半)金属酸化物の存在下で重合させる請求項9又は10に記載の製造方法。   The production method according to claim 9 or 10, wherein the one or more monomers M are polymerized in the presence of a particulate (semi) metal oxide. 粒状(半)金属酸化物が、二酸化ケイ素である請求項11に記載の製造方法。   The production method according to claim 11, wherein the granular (semi) metal oxide is silicon dioxide. 粒状(半)金属酸化物が、5nm〜5000nmの範囲の平均粒子径を有する請求項11又は12に記載の製造方法。   The production method according to claim 11 or 12, wherein the granular (semi) metal oxide has an average particle diameter in the range of 5 nm to 5000 nm. 粒状(半)金属酸化物が、重合の前に酸で処理されている請求項11〜13の何れか1項に記載の製造方法。   The method according to any one of claims 11 to 13, wherein the granular (semi) metal oxide is treated with an acid before polymerization. 請求項8〜14の何れか1項に記載の製造方法により得られる粒状炭素材料。   The granular carbon material obtained by the manufacturing method of any one of Claims 8-14. 請求項1〜7の何れか1項に記載の特徴を有する請求項15に記載の粒状炭素材料。   The granular carbon material according to claim 15 having the characteristics according to any one of claims 1 to 7. 請求項1〜7、15、又は16の何れか1項に記載の炭素材料を電気化学セルの製造に使用する方法。   The method to use the carbon material of any one of Claims 1-7, 15, or 16 for manufacture of an electrochemical cell. 元素状硫黄及び請求項1〜7、15、又は16の何れか1項に記載の一種以上の炭素材料を含む複合材料。   A composite material comprising elemental sulfur and one or more carbon materials according to any one of claims 1 to 7, 15, or 16. 複合材料の全質量を基準として、1〜45質量%の炭素、及び55〜99質量%の硫黄を含む請求項18に記載の複合材料。   19. A composite material according to claim 18 comprising 1 to 45% by weight of carbon and 55 to 99% by weight of sulfur, based on the total weight of the composite material. 請求項1〜7、15、又は16の何れか1項に記載の粒状炭素材料を供給する工程と、
粒状炭素材料を元素状硫黄の溶融物に導入する工程と、
を有する複合材料の製造方法。
Supplying the granular carbon material according to any one of claims 1 to 7, 15, or 16;
Introducing a granular carbon material into a melt of elemental sulfur;
The manufacturing method of the composite material which has this.
アルカリ金属硫黄電池、特にリチウム硫黄電池における正極材料として、請求項18又は19に記載の複合材料を使用する方法。   The method of using the composite material of Claim 18 or 19 as a positive electrode material in an alkali metal sulfur battery, especially a lithium sulfur battery. 請求項18及び19の何れかに記載の一種以上の複合材料を含む、アルカリ金属硫黄電池、特にリチウム硫黄電池用の正極。   A positive electrode for an alkali metal sulfur battery, in particular a lithium sulfur battery, comprising one or more composite materials according to claim 18. 請求項22に記載の正極を一つ以上含むアルカリ金属硫黄電池。   An alkali metal sulfur battery comprising one or more positive electrodes according to claim 22.
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