JP2022513294A - 有機電池用の固体電解質 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機電池の技術分野にある。「有機電池」という用語は、有機電荷蓄積材料を電荷の蓄積のための活性電極材料として使用する電気化学セルを意味することが一般に理解される。これらの電池は、急速充電性、長寿命、軽量、高柔軟性および易加工性等の非常に優れた特性で注目される。
W. Huang, Z. Zhu, L. Wang, S. Wang, H. Li, Z. Tao, J. Shi, L. Guan, J. Chen, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 9162 - 9166には、ポリ(メタクリレート)およびポリエチレングリコールから構成されるポリマー電解質を有する電池が記載されている。この電池は、LiClO4を導電性塩として含有する。カソードに使用される活性材料は、カーボン電極中のリチウムイオンと結合するカリックス[4]アレーン(C28H24O4)である。
かかる固体電解質を含み、この課題を解決する電荷蓄積ユニットが今回見出された。
本発明は、第1の態様において、以下の工程:
(a)式(I)の少なくとも1つの化合物、式(II)の少なくとも1つの化合物:
および少なくとも1つのイオン液体ILを含む混合物Mを重合させて、ポリマー電解質Peleを得る工程、
(b)工程(a)で得られたポリマー電解質Peleを2つの電極EcatおよびEanの間に配置する工程であって、EcatおよびEanが、それぞれ独立して少なくとも1つの伝導性添加剤Lおよび少なくとも1つの有機レドックス活性ポリマーPredoxを含む工程
を含む、電荷蓄積ユニットの製造方法に関する。
電荷蓄積ユニットの製造方法の工程(a)は、式(I)の少なくとも1つの化合物、式(II)の少なくとも1つの化合物:
および少なくとも1つのイオン液体ILを含む混合物Mを重合させて、ポリマー電解質Peleを得ることを含む。
電荷蓄積ユニットの製造のための本発明による方法の工程(a)における混合物Mに含まれる少なくとも1つのイオン液体ILは特に限定されず、例えば国際公開第2004/016631号、国際公開第2006/134015号、米国特許出願公開第2011/0247494号明細書または米国特許出願公開第2008/0251759号明細書に記載されている。
そこでのQ+は、以下の構造(Q1)、(Q2)、(Q3)、(Q4)、(Q5):
RQ9、RQ10、RQ11、RQ12、RQ13、RQ14、RQ15、RQ16、RQ17、RQ18、RQ19、RQ20、RQ21、RQ22、RQ23、RQ24、RQ25、RQ26、RQ27、RQ28、RQ29、RQ30、RQ31、RQ32、RQ33、RQ34、RQ35は、それぞれ独立して水素、アルキル基、(ポリ)エーテル基、ハロアルキル基、シクロアルキル基からなる群から選択される]
からなる群から選択されるカチオンである。
RQ9、RQ10、RQ11、RQ12、RQ13、RQ14、RQ15、RQ16、RQ17、RQ18、RQ19、RQ20、RQ21、RQ22、RQ23、RQ24、RQ25、RQ26、RQ27、RQ28、RQ29、RQ30、RQ31、RQ32、RQ33、RQ34、RQ35は、それぞれ独立して水素、1個~25個、好ましくは1個~10個の炭素原子を有するアルキル基、1個~25個、好ましくは1個~10個の炭素原子を有する(ポリ)エーテル基からなる群から選択される。
RQ9、RQ10、RQ11、RQ12、RQ13は、それぞれ独立して水素、1個~25個、好ましくは1個~10個の炭素原子を有するアルキル基からなる群から選択され、RQ10、RQ11、RQ13は、より好ましくはそれぞれ水素であり、RQ9、RQ12は、それぞれ独立して1個~6個の炭素原子を有するアルキル基である。
上述の式Q+A-において、A-は、特にホスフェート、ホスホネート、アルキルホスホネート、モノアルキルホスフェート、ジアルキルホスフェート、ビス[トリフルオロメタンスルホニル]イミド、アルキルスルホネート、ハロアルキルスルホネート、アルキルスルフェート、ハロアルキルスルフェート、ビス[フルオロスルホニル]イミド、ハロゲン化物、ジシアナミド、ヘキサフルオロホスフェート、スルフェート、テトラフルオロボレート、トリフルオロメタンスルホネート、ペルクロレート、水素スルフェート、ハロアルキルカルボキシレート、アルキルカルボキシレート、ホルメート、ビスオキサラトボレート、テトラクロロアルミネート、二水素ホスフェート、モノアルキル水素ホスフェート、ニトレートからなる群から選択されるアニオンである。
電荷蓄積ユニットの製造のための本発明による方法の工程(a)において混合物Mに含まれるイオン液体ILの量は、それ以上の制限を受けない。
当業者に知られているように、本発明による方法の工程(a)における混合物Mの重合は、重合開始剤を添加することによって開始する。ここで好ましいフリーラジカル重合の場合、開始剤はフリーラジカル開始剤である。
機械的特性の最適化のために、本発明による方法の工程(a)において、架橋剤、例えばエチレングリコールメタクリレートもしくはトリエチレングリコールメタクリレート、またはエチレングリコールアクリレートもしくはトリエチレングリコールアクリレートを添加することもできる。
電荷蓄積ユニットの製造のための本発明による方法の工程(b)では、工程(a)で得られたポリマー電解質Peleが2つの電極EcatおよびEanの間に配置され、EcatおよびEanは、それぞれ独立して少なくとも1つの伝導性添加剤Lおよび少なくとも1つの有機レドックス活性ポリマーPredoxを含む。
本発明の第1の態様における電荷蓄積ユニットの製造方法に使用される2つの電極EcatおよびEanは、本発明による電極材料、特に基板を含む。
電極EcatおよびEanに含まれる電極材料は、少なくとも1つの伝導性添加剤Lおよび少なくとも1つの有機レドックス活性ポリマーPredoxを含む。
(iii)で特定される結合は、いずれの場合にもSpとの結合を示し、
RW1、RW2、RW3、RW4、RW5、RW6、RW7は、独立して水素、アルキル基、ハロアルキル基、RW8=Hまたはアルキルである-COORW8からなる群から選択され、
RW1、RW2、RW3、RW4、RW5、RW6、RW7は、好ましくは独立して水素、メチル、-COOH、-COOCH3からなる群から選択され、
さらに好ましくは、構造(III)中のW基は、RW1、RW2、RW3のうちの1つがメチルであり、かつ他の2つが水素であるか、またはRW1、RW2、RW3が全て水素である構造(W1)を有し、
構造(III)中のSp基は、直接結合、(Sp1)、(Sp2):
pA1、pA2、pA3は、「pA2=0、pA1=pA3=1」の場合を除いて、いずれの場合にも0または1であり、
qA1、qA2、qA3は、「qA2=0、qA1=qA3=1」の場合を除いて、いずれの場合にも0または1であり、
qA4、qA5、qA6は、「qA5=0、qA4=qA6=1」の場合を除いて、いずれの場合にも0または1であり、qA4、qA5、qA6の少なくとも1つが1であり、
BSpは、
二価(ヘテロ)芳香族基、好ましくはフェニル、
好ましくはアルキレンであり、任意にニトロ基、-NH2、-CN、-SH、-OH、ハロゲンから選択される少なくとも1つの基によって置換され、任意にエーテル、チオエーテル、アミノエーテル、カルボニル基、カルボン酸エステル、カルボキサミド基、スルホン酸エステル、リン酸エステルから選択される少なくとも1つの基を有する二価脂肪族基
からなる群から選択され、
SpがRX基中の非炭素原子に結合する場合、構造(Sp1)は、付加的な条件「qA3=0、qA2=1、qA1=1またはqA3=qA2=qA1=0またはqA3=0、qA2=1、qA1=0」、好ましくは条件「qA3=qA2=qA1=0」に従い、構造(Sp2)は、「qA6=0、qA5=1、qA4=1またはqA6=0、qA5=1、qA4=0」の付加的な条件に従い、
からなる群から選択され、構造(IV-1)、(IV-2)、(IV-3)、(IV-4)、(IV-5)、(IV-6)、(IV-7)の(iv)で特定される結合は、いずれの場合にも(v)で特定される結合に結合し、構造(IV-1)、(IV-2)、(IV-3)、(IV-4)、(IV-5)、(IV-6)、(IV-7)において、少なくとも1つの芳香族炭素原子がアルキル基、ハロゲン基、アルコキシ基、ヒドロキシル基から選択される基によって置換されていてもよい。
式P1の単位の(vi)で特定される結合は、隣接する式P1の単位の(vii)で特定される結合に結合し、
式P2の単位の(viii)で特定される結合は、隣接する式P2の単位の(ix)で特定される結合に結合し、
式P3の単位の(x)で特定される結合は、隣接する式P3の単位の(xi)で特定される結合に結合する。
および化学構造(III)中では「(ii)」で規定される結合に存在し、化学構造P1中では「(vii)」で規定される結合に存在し、化学構造P1中では「(ix)」で規定される結合に存在し、化学構造P1中では「(xi)」で規定される結合に存在し、化学構造(IV-1)、(IV-2)、(IV-3)、(IV-4)、(IV-5)、(IV-6)、(IV-7)のそれぞれにおいては「(v)」で規定される結合に存在する本発明のポリマーPredox中の最後の繰返し単位の末端基は、
特に限定されず、ポリマーPredoxの製造法に用いられる重合法から明らかである。このため、これらは開始剤または繰返し単位の末端フラグメント(termination fragments)であり得る。好ましくは、これらの末端基は水素、ハロゲン、ヒドロキシル、非置換の基、または-CN、-OH、ハロゲンによって置換された脂肪族基(特に非置換のまたは相応に置換されたアルキル基であり得る)、好ましくはフェニル基、ベンジル基またはα-ヒドロキシベンジルである(ヘテロ)芳香族基から選択される。
ポリマーPredoxは、当業者に既知の方法によって得ることができる。
本発明の第1の態様において電荷蓄積ユニットの製造方法に使用される電極EcatおよびEanに含まれるポリマーPredoxは、ホモポリマーまたはコポリマーのいずれであってもよい。ホモポリマーは、1つのモノマーのみから合成されたポリマーである。コポリマーは、2つ以上のモノマーから合成されたポリマーである。使用される更なるモノマー(「コモノマー」)は、1つの重合性基を有するか、または2つ以上の重合性基を有するモノマー、例えばジビニルベンゼン、ジエチニルベンゼン、ジエチニルチアントレン、オリゴまたはポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレートであり得る。これによりポリマー中に付加的な架橋が生じる。このことは当業者に既知である(例えば、国際公開第2018/060680号の段落[0028]に記載されている)。この場合に得られるポリマーの架橋度は、コモノマーの添加量、またはそうでなければ時間遅延による当業者に既知の方法(例えば、重合が進行した段階になるまでコモノマーを添加しない)によって制御することができる。2つ以上のモノマーが合成に使用される場合、本発明によるポリマーPredox中の繰返し単位のモノマーは、ランダム分布で、ブロックとして、または交互に存在し得る。
本発明の第1の態様において電荷蓄積ユニットの製造方法に使用される電極EcatおよびEanに含まれる伝導性添加剤Lは、特に炭素材料、導電性ポリマー、金属、半金属、(半)金属化合物からなる群から選択され、好ましくは炭素材料、導電性ポリマーから選択される少なくとも1つの導電性材料である。
本発明の第1の態様による方法において電極EcatまたはEanに含まれる伝導性添加剤Lの量は、それ以上の制限を受けない。しかしながら、電極EcatまたはEanに含まれる伝導性添加剤Lの総重量は、電極EcatまたはEanに含まれるレドックスポリマーPredoxの総重量をベースとして、0.1%~1000重量%の範囲、好ましくは10%~500重量%の範囲、より好ましくは30%~100重量%の範囲、さらにより好ましくは40%~80重量%の範囲、さらに好ましくは50重量%~60重量%の範囲、最も好ましくは58.3重量%であることが好ましい。
本発明の第1の態様において電荷蓄積ユニットの製造方法に使用される電極EcatおよびEanは、特にバインダー添加剤も含む。
2つの電極EcatおよびEanは、特に基板も有する。
本発明は、第2の態様において、本発明の第1の態様における電荷蓄積ユニットの製造方法によって得られる電荷蓄積ユニットにも関する。
本発明は、第3の態様において、2つの電極EcatおよびEanの間に配置されたポリマー電解質Peleを含み、EcatおよびEanが、それぞれ独立して少なくとも1つの伝導性添加剤Lおよび少なくとも1つの有機レドックス活性ポリマーPredoxを含む電荷蓄積ユニット、特に二次電池であって、
ポリマー電解質Peleが、式(I)の少なくとも1つの化合物、式(II)の少なくとも1つの化合物:
および少なくとも1つのイオン液体ILを含む混合物Mを重合させることによって得られることを特徴とする、電荷蓄積ユニット、特に二次電池にも関する。
本発明の第3の態様における電荷蓄積ユニットに使用可能なイオン液体ILは、特に限定されず、例えば国際公開第2004/016631号、国際公開第2006/134015号、米国特許出願公開第2011/0247494号明細書または米国特許出願公開第2008/0251759号明細書に記載されている。
ポリマー電解質Peleを得るための混合物Mの重合は、上記の項目1.3に記載のように行うことができる。
混合物Mは、好ましくは、架橋剤として2つ以上の重合性基を有する化合物も含む。好ましい架橋剤は、項目1.4に記載されている。
本発明の第3の態様における電荷蓄積ユニットでは、ポリマー電解質Peleが電荷蓄積ユニットの2つの電極EcatおよびEanの間に配置される。
本発明の第3の態様において電荷蓄積ユニットに含まれる電極EcatおよびEanは、電極材料、特に基板を含む。
電極EcatおよびEanに含まれる電極材料は、少なくとも1つの伝導性添加剤Lおよび少なくとも1つの有機レドックス活性ポリマーPredoxを含む。
本発明の第3の態様において電荷蓄積ユニットに含まれる電極EcatおよびEanに含まれる伝導性添加剤Lは、特に上記の項目1.6.4に記載されるものである。
本発明の第3の態様において電荷蓄積ユニットに使用される電極EcatおよびEanは、特にバインダー添加剤も含む。
本発明の第3の態様における電荷蓄積ユニットの2つの電極EcatおよびEanは、特に項目1.6.7に記載のような基板も含む。
本発明との関連における「(メタ)アクリレート」は、アクリレートおよびメタクリレートからなる群から選択される少なくとも1つの化合物を意味する。
1.使用される化学物質
全ての溶媒および材料は商業的製造業者から提供され、さらに精製せずに使用される。
カーボンペーストの製造は、実験用溶解機(VMA Getzmann)を用いて行った。この目的で、例I1~I3およびC1~C4およびI9については、ポリ(フッ化ビニリデン)(=PVDF)ベースのバインダーをDMSO(ジメチルスルホキシド)に溶解し、実験用溶解機を用いて1時間撹拌した。続いて、それぞれのポリマーと、さらに1時間後にカーボン(Super P)とを5/60/35(バインダー/ポリマー/Super P)の比率で添加した。Super Pの添加後に、分散液を同様に1時間撹拌した後、出力導体(output conductor)に塗布した。得られた電極を空気循環乾燥キャビネット内で乾燥させた。
完全有機試験セルの製造のために、既述のポリマーPcat、Pan1およびPan2を活性電極材料として使用し、Pcatをカソードとして用い、Pan1(例C1、C2、I1、I2)またはPan2(例I3、I5~I7、C3~C8)のいずれかをアノードとして用いた。例I1~I3およびC1~C4では、ポリ(フッ化ビニリデン)(PVDF)をカソードに、ポリ(フッ化ビニリデン)-co-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)をアノードにバインダーとして使用した。例I5~I7およびC5~C8では、カルボキシメチルセルロースナトリウム(Na-CMC)をバインダーとして使用した。
電解質系は、以下に示すスキーム1に従い、それぞれのアクリレートおよびメタクリレートのモノマー、架橋剤、イオン液体、開始剤系および(半)金属酸化物粒子の混合物からなる。モノマーは、ベンジル(メタ)アクリレート1およびポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(メタ)アクリレート2である。これらを、下記スキームに示すように重合させ、電極上で重合を行う。ポリマーもその上で架橋させる。R1*、R2*基は、メチルまたは水素のいずれかである。変数vは整数であり、概して9である。
5.1.1 ベンジルメタクリレート(R2*=CH3の化合物2;3.75mmol、660mg、635μl)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(R1*=CH3の化合物1;Mn:500g/mol;1.25mmol、625mg、580μl)、トリエチレングリコールジメタクリレート(0.375mmol、107mg、98μl)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;9.5mmol、3.7g、2.45ml;1および2の合計をベースとして1.90モル当量)、Ivocerin(登録商標)(50μmol、20mg)およびヒュームドシリカ(7nm;256mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.2.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;3.75mmol、610mg、575μl)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;1.25mmol、600mg、550μl)、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(Mn:250g/mol;0.25mmol、62.5mg、56μl)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;8.7mmol、3.42g、2.25ml;1および2の合計をベースとして1.74当量)、Ivocerin(登録商標)(50μmol、20mg)およびヒュームドシリカ(7nm;232mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.3.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;3.375mmol、550mg、520μl)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;1.125mmol、540mg、495μl)、ベンジルメタクリレート(R2*=CH3の化合物2;0.375mmol、66mg、64μl)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(R1*=CH3の化合物1;Mn:500g/mol;0.125mmol、62.5mg、58μl)、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(Mn:250g/mol;0.25mmol、62.5mg、56μl)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;8.81mmol、3.45g、2.27ml;1および2の合計をベースとして1.76モル当量)、Ivocerin(登録商標)(50μmol、20mg)およびヒュームドシリカ(7nm;237mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.4.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;3mmol、487mg、460μl)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;1mmol、480mg、440μl)、ベンジルメタクリレート(R2*=CH3の化合物2;0.75mmol、132mg、127μl)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(R1*=CH3の化合物1;Mn:500g/mol;0.25mmol、125mg、116μl)、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(Mn:250g/mol;0.25mmol、62.5mg、56μl)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;8.81mmol、3.45g、2.27ml;1および2の合計をベースとして1.76モル当量)、Ivocerin(登録商標)(50μmol、20mg)およびヒュームドシリカ(7nm;237mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.5.1 ベンジルメタクリレート(R2*=CH3の化合物2;9.23mmol、1.63g)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(R1*=CH3の化合物1;Mn:500g/mol;3.08mmol、1.54g)、トリ(エチレングリコール)ジメタクリレート(1.23mmol、0.35g)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;25.8mmol、10.1g;1および2の合計をベースとして2.10モル当量)、Ivocerin(登録商標)(73μmol、29mg)、カンファーキノン(73μmol、12mg)、エチルジメチルアミノベンゾエート(109μmol、21mg)およびヒュームドシリカ(7nm;683mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.6.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;10.36mmol、1.68g)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;3.45mmol、1.66g)、トリ(エチレングリコール)ジアクリレート(0.69mmol、178mg)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;25.8mmol、10.1g;1および2の合計をベースとして1.87モル当量)、Ivocerin(登録商標)(73μmol、29mg)、カンファーキノン(73μmol、12mg)、エチルジメチルアミノベンゾエート(109μmol、21mg)およびヒュームドシリカ(7nm;683mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.7.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;9.32mmol、1.51g)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;3.11mmol、1.49g)、ベンジルメタクリレート(R2*=CH3の化合物2;1.04mmol、183mg)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(R1*=CH3の化合物1;Mn:500g/mol;0.35mmol、173mg)、トリ(エチレングリコール)ジアクリレート(0.69mmol、178mg)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;25.8mmol、10.1g;1および2の合計をベースとして1.87モル当量)、Ivocerin(登録商標)(73μmol、29mg)、カンファーキノン(73μmol、12mg)、エチルジメチルアミノベンゾエート(109μmol、21mg)およびヒュームドシリカ(7nm;683mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
この場合にPcat電極(バインダーとしてNa-CMCを有する)を使用した点を除いて比較例C3を繰り返し、比較例C3と同じ観察結果を得た。
5.9.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;10.36mmol、1.68g)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;3.45mmol、1.66g)、トリ(エチレングリコール)ジアクリレート(0.69mmol、178mg)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;25.8mmol、10.1g;1および2の合計をベースとして1.87モル当量)、Ivocerin(登録商標)(73μmol、29mg)、カンファーキノン(73μmol、12mg)、エチルジメチルアミノベンゾエート(109μmol、21mg)およびヒュームドシリカ(7nm;683mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.10.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;9.32mmol、1.51g)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;3.11mmol、1.49g)、ベンジルメタクリレート(R2*=CH3の化合物2;1.04mmol、183mg)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(R1*=CH3の化合物1;Mn:500g/mol;0.35mmol、173mg)、トリ(エチレングリコール)ジアクリレート(0.69mmol、178mg)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;25.8mmol、10.1g;1および2の合計をベースとして1.87モル当量)、Ivocerin(登録商標)(73μmol、29mg)、カンファーキノン(73μmol、12mg)、エチルジメチルアミノベンゾエート(109μmol、21mg)およびヒュームドシリカ(7nm;683mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.11.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;8.29mmol、1.34g)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;2.76mmol、1.33g)、ベンジルメタクリレート(R2*=CH3の化合物2;2.07mmol、365mg)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(R1*=CH3の化合物1;Mn:500g/mol;0.69mmol、345mg)、トリ(エチレングリコール)ジアクリレート(0.69mmol、178mg)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mn=391.31g/mol;25.8mmol、10.1g;1および2の合計をベースとして1.87モル当量)、Ivocerin(登録商標)(73μmol、29mg)、カンファーキノン(73μmol、12mg)、エチルジメチルアミノベンゾエート(109μmol、21mg)およびヒュームドシリカ(7nm;683mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.12.1 ベンジルメタクリレート(R2*=CH3の化合物2;9.23mmol、1.63g)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(R1*=CH3の化合物1;Mn:500g/mol;3.08mmol、1.54g)、トリ(エチレングリコール)ジメタクリレート(1.23mmol、0.35g)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート(Mn=260.23g/mol;9.3g、35.7mmol;1および2の合計をベースとして2.90モル当量)、Ivocerin(登録商標)(73μmol、29mg)、カンファーキノン(73μmol、12mg)、エチルジメチルアミノベンゾエート(109μmol、21mg)およびヒュームドシリカ(7nm;683mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.13.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;10.36mmol、1.68g)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;3.45mmol、1.66g)、トリ(エチレングリコール)ジアクリレート(0.69mmol、178mg)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート(Mn=260.23g/mol;9.3g、35.7mmol;1および2の合計をベースとして2.59モル当量)、Ivocerin(登録商標)(73μmol、29mg)、カンファーキノン(73μmol、12mg)、エチルジメチルアミノベンゾエート(109μmol、21mg)およびヒュームドシリカ(7nm;683mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
5.14.1 ベンジルアクリレート(R2*=Hの化合物2;9.32mmol、1.51g)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(R1*=Hの化合物1;Mn:480g/mol;3.11mmol、1.49g)、ベンジルメタクリレート(R2*=CH3の化合物2;1.04mmol、183mg)、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(R1*=CH3の化合物1;Mn:500g/mol;0.35mmol、173mg)、トリ(エチレングリコール)ジアクリレート(0.69mmol、178mg)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート(Mn=260.23g/mol;9.3g、35.7mmol;1および2の合計をベースとして2.58モル当量)、Ivocerin(登録商標)(73μmol、29mg)、カンファーキノン(73μmol、12mg)、エチルジメチルアミノベンゾエート(109μmol、21mg)およびヒュームドシリカ(7nm;683mg)を均一に混合し、減圧下で脱気した。
上述の例において構築した電池の放電容量を、Maccor Battery Cyclerでの定電流放電によって測定し、下記表1に報告する。ここで、より低容量の電極(Pcat)の容量を充電/放電電流の計算のために制限容量として用いた。表1に報告する値は、それぞれの制限ポリマーの最大比放電容量に相当する[A)1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドベースのゲル;B)1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネートベースのゲル;充電レート=0.1Cは、600分以内の完全充電を意味する;充電レート=1Cは、60分以内の完全充電を意味する;充電レート=5Cは、12分以内の完全充電を意味する]。
表1の結果から以下のことが明らかである:
1)メタクリレートモノマーのみをベースとするポリマー電解質は、十分に迅速に重合しない。
2)本発明による電解質系で観察される放電容量は、比較例において観察される放電容量よりもはるかに高かった(例I1、I2とC1、C2;例I3とC3、C4;例I5、I6とC5、C6;例I7と例C7、C8を参照されたい)。これは、アクリレートモノマーの使用が、より放電容量が低い電池をもたらし、ポリマー電解質Peleを得るためにメタクリレートモノマーおよびアクリレートモノマーの混合物を重合に使用した場合にのみ、より高い放電容量が確実となるという事実に起因する。これは様々な電解質について観察される。
3)また、放電容量の増加が0.1、1または5Cの異なるCレートでも維持されることが例によって示された。
4)これにより、有機電池のより高い電荷容量が本発明のポリマー電解質Peleを用いて達成されることが示される。
Claims (22)
- 電荷蓄積ユニットの製造方法であって、以下の工程:
(a)式(I)の少なくとも1つの化合物、式(II)の少なくとも1つの化合物:
および少なくとも1つのイオン液体ILを含む混合物Mを重合させて、ポリマー電解質Peleを得る工程、
(b)工程(a)で得られた前記ポリマー電解質Peleを2つの電極EcatおよびEanの間に配置する工程であって、EcatおよびEanが、それぞれ独立して少なくとも1つの伝導性添加剤Lおよび少なくとも1つの有機レドックス活性ポリマーPredoxを含む工程
を含む、方法。 - 工程(a)において、前記混合物Mに含まれる式(I)の全ての化合物と前記混合物Mに含まれる式(II)の全ての化合物とのモル比が、99:1~1:99の範囲である、請求項1記載の方法。
- 前記イオン液体ILが、構造Q+A-を有し、ここでQ+は、構造(Q1)、(Q2)、(Q3)、(Q4)、(Q5):
RQ9、RQ10、RQ11、RQ12、RQ13、RQ14、RQ15、RQ16、RQ17、RQ18、RQ19、RQ20、RQ21、RQ22、RQ23、RQ24、RQ25、RQ26、RQ27、RQ28、RQ29、RQ30、RQ31、RQ32、RQ33、RQ34、RQ35は、それぞれ独立して水素、アルキル基、(ポリ)エーテル基、ハロアルキル基、シクロアルキル基からなる群から選択される]
からなる群から選択されるカチオンであり、
A-は、特にホスフェート、ホスホネート、アルキルホスホネート、モノアルキルホスフェート、ジアルキルホスフェート、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、ハロアルキルスルホネート、アルキルスルホネート、アルキルスルフェート、ハロアルキルスルフェート、ビス[フルオロスルホニル]イミド、ハロゲン化物、ジシアナミド、ヘキサフルオロホスフェート、スルフェート、テトラフルオロボレート、トリフルオロメタンスルホネート、ペルクロレート、水素スルフェート、アルキルカルボキシレート、ハロアルキルカルボキシレート、ホルメート、ビスオキサラトボレート、テトラクロロアルミネート、二水素ホスフェート、モノアルキル水素ホスフェート、ニトレートからなる群から選択されるアニオンである、請求項1または2記載の方法。 - 工程(a)において前記混合物Mに含まれる全てのイオン液体ILの総モル量が、前記混合物Mに含まれる式(I)および(II)の全ての化合物の総モル量をベースとして、0.1モル当量以上である、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
- 工程(a)を、前記電極EcatおよびEanの少なくとも一方の表面上で行う、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
- 前記ポリマーPredoxが、構造(IV-1)、(IV-2)、(IV-3)、(IV-4)、(IV-5)、(IV-6)、(IV-7):
構造(IV-1)、(IV-2)、(IV-3)、(IV-4)、(IV-5)、(IV-6)、(IV-7)において、少なくとも1つの芳香族炭素原子がアルキル、ハロゲン、アルコキシ、OHから選択される基によって置換されていてもよい、請求項6記載の方法。 - 構造(III)中のW基が、構造(W1)、(W2)、(W3):
ここで式(W1)、(W2)、(W3)の単位の(i)で特定される結合は、いずれの場合にも隣接する式(W1)、(W2)または(W3)の単位の(ii)で特定される結合に結合し、
(iii)で特定される結合は、いずれの場合にもSpとの結合を示し、
RW1、RW2、RW3、RW4、RW5、RW6、RW7は、独立して水素、アルキル基、ハロアルキル基、RW8=Hまたはアルキルである-COORW8からなる群から選択され、
構造(III)中のSpは直接結合、(Sp1)、(Sp2):
pA1、pA2、pA3は、「pA2=0、pA1=pA3=1」の場合を除いて、いずれの場合にも0または1であり、
qA1、qA2、qA3は、「qA2=0、qA1=qA3=1」の場合を除いて、いずれの場合にも0または1であり、
qA4、qA5、qA6は、「qA5=0、qA4=qA6=1」の場合を除いて、いずれの場合にも0または1であり、qA4、qA5、qA6の少なくとも1つが1であり、
BSpは、
二価(ヘテロ)芳香族基、
任意にニトロ基、-NH2、-CN、-SH、-OH、ハロゲンから選択される少なくとも1つの基によって置換され、任意にエーテル、チオエーテル、アミノエーテル、カルボニル基、カルボン酸エステル、カルボキサミド基、スルホン酸エステル、リン酸エステルから選択される少なくとも1つの基を有する二価脂肪族基
からなる群から選択され、
SpがRX基中の非炭素原子に結合する場合、構造(Sp1)は、付加的な条件「qA3=0、qA2=1、qA1=1またはqA3=qA2=qA1=0またはqA3=0、qA2=1、qA1=0」、好ましくは条件「qA3=qA2=qA1=0」に従い、構造(Sp2)は、「qA6=0、qA5=1、qA4=1またはqA6=0、qA5=1、qA4=0」の付加的な条件に従い、
- 前記伝導性添加剤Lが、炭素材料、導電性ポリマー、金属、半金属、金属化合物、半金属化合物からなる群から選択される、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
- 請求項1から11までのいずれか1項記載の方法によって得ることができる電荷蓄積ユニット。
- 2つの電極EcatおよびEanの間に配置されたポリマー電解質Peleを含み、EcatおよびEanが、それぞれ独立して少なくとも1つの伝導性添加剤Lおよび少なくとも1つの有機レドックス活性ポリマーPredoxを含む電荷蓄積ユニットであって、
前記ポリマー電解質Peleが、式(I)の少なくとも1つの化合物、式(II)の少なくとも1つの化合物:
および少なくとも1つのイオン液体ILを含む混合物Mを重合させることによって得られることを特徴とする、電荷蓄積ユニット。 - 前記混合物Mに含まれる式(I)の全ての化合物と前記混合物Mに含まれる式(II)の全ての化合物とのモル比が、99:1~1:99の範囲である、請求項13記載の電荷蓄積ユニット。
- 前記イオン液体ILが、構造Q+A-を有し、ここでQ+は、構造(Q1)、(Q2)、(Q3)、(Q4)、(Q5):
RQ9、RQ10、RQ11、RQ12、RQ13、RQ14、RQ15、RQ16、RQ17、RQ18、RQ19、RQ20、RQ21、RQ22、RQ23、RQ24、RQ25、RQ26、RQ27、RQ28、RQ29、RQ30、RQ31、RQ32、RQ33、RQ34、RQ35は、それぞれ独立して水素、アルキル基、(ポリ)エーテル基、ハロアルキル基、シクロアルキル基からなる群から選択される]
からなる群から選択されるカチオンであり、
A-は、特にホスフェート、ホスホネート、アルキルホスホネート、モノアルキルホスフェート、ジアルキルホスフェート、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、アルキルスルホネート、ハロアルキルスルホネート、ハロアルキルスルフェート、アルキルスルフェート、ビス[フルオロスルホニル]イミド、ハロゲン化物、ジシアナミド、ヘキサフルオロホスフェート、スルフェート、テトラフルオロボレート、トリフルオロメタンスルホネート、ペルクロレート、水素スルフェート、ハロアルキルカルボキシレート、アルキルカルボキシレート、ホルメート、ビスオキサラトボレート、テトラクロロアルミネート、二水素ホスフェート、モノアルキル水素ホスフェート、ニトレートからなる群から選択されるアニオンである、請求項13または14記載の電荷蓄積ユニット。 - 前記混合物Mに含まれる全てのイオン液体ILの総モル量が、前記混合物Mに含まれる式(I)および(II)の全ての化合物の総モル量をベースとして、0.1モル当量以上である、請求項13から15までのいずれか1項記載の電荷蓄積ユニット。
- 前記ポリマーPredoxが、構造(IV-1)、(IV-2)、(IV-3)、(IV-4)、(IV-5)、(IV-6)、(IV-7):
構造(IV-1)、(IV-2)、(IV-3)、(IV-4)、(IV-5)、(IV-6)、(IV-7)において、少なくとも1つの芳香族炭素原子がアルキル、ハロゲン、アルコキシ、OHから選択される基によって置換されていてもよい、請求項17記載の電荷蓄積ユニット。 - 構造(III)中のW基が、構造(W1)、(W2)、(W3):
ここで式(W1)、(W2)、(W3)の単位の(i)で特定される結合は、いずれの場合にも隣接する式(W1)、(W2)または(W3)の単位の(ii)で特定される結合に結合し、
(iii)で特定される結合は、いずれの場合にもSpとの結合を示し、
RW1、RW2、RW3、RW4、RW5、RW6、RW7は、独立して水素、アルキル基、ハロアルキル基、RW8=Hまたはアルキルである-COORW8からなる群から選択され、
構造(III)中のSpは直接結合、(Sp1)、(Sp2):
pA1、pA2、pA3は、「pA2=0、pA1=pA3=1」の場合を除いて、いずれの場合にも0または1であり、
qA1、qA2、qA3は、「qA2=0、qA1=qA3=1」の場合を除いて、いずれの場合にも0または1であり、
qA4、qA5、qA6は、「qA5=0、qA4=qA6=1」の場合を除いて、いずれの場合にも0または1であり、qA4、qA5、qA6の少なくとも1つが1であり、
BSpは、
二価(ヘテロ)芳香族基、
任意にニトロ基、-NH2、-CN、-SH、-OH、ハロゲンから選択される少なくとも1つの基によって置換され、任意にエーテル、チオエーテル、アミノエーテル、カルボニル基、カルボン酸エステル、カルボキサミド基、スルホン酸エステル、リン酸エステルから選択される少なくとも1つの基を有する二価脂肪族基
からなる群から選択され、
SpがRX基中の非炭素原子に結合する場合、構造(Sp1)は、付加的な条件「qA3=0、qA2=1、qA1=1またはqA3=qA2=qA1=0またはqA3=0、qA2=1、qA1=0」、好ましくは条件「qA3=qA2=qA1=0」に従い、構造(Sp2)は、「qA6=0、qA5=1、qA4=1またはqA6=0、qA5=1、qA4=0」の付加的な条件に従い、
- 前記伝導性添加剤Lが、炭素材料、導電性ポリマー、金属、半金属、金属化合物、半金属化合物からなる群から選択される、請求項13から21までのいずれか1項記載の電荷蓄積ユニット。
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