JP2023077150A - 重合体及びその製造方法、電解質組成物、並びに電池 - Google Patents

重合体及びその製造方法、電解質組成物、並びに電池 Download PDF

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Abstract

【課題】アルカリ金属イオンの輸率が高い重合体を提供すること。【解決手段】式(A)により表される構造単位(A)及び特定のマレイミド系構造単位(B)含み、重合体に含まれる全構造単位に対する構造単位(A)のモル比nが0.2~0.8であり、重合体に含まれる全構造単位に対する構造単位(B)のモル比mが0.2~0.8である、重合体。TIFF2023077150000055.tif36149(式中、Yは、リチウム化されたフェノール性水酸基を有する基であり、*は、構造単位(A)の他の構造単位との結合位置を表す。)【選択図】なし

Description

本発明は、重合体及びその製造方法、電解質組成物並びに電池に関する。
リチウムイオン電池等は、高容量であることから盛んに研究が進められている。リチウムイオン電池の電解質としては、有機溶媒又はイオン液体を含むリチウム塩の溶液、固体電解質、ポリマー材料等、様々なものが知られている(特許文献1及び非特許文献1)。また、リチウムイオン電池以外にも、ナトリウムイオン、カリウムイオン等のアルカリ金属イオンのイオン伝導を利用した電池も知られている。
特開平11-502819号公報
RSC Advances, 2016, vol. 6, issue58, pp. 53140-53147
ここで、従来の電解質では、電圧が印可された際にアニオン等、アルカリ金属イオン以外のイオンも移動してしまい、アルカリ金属イオンの輸率が十分ではない。そのため、アルカリ金属イオンの輸率が高い電解質が求められている。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、アルカリ金属イオンの輸率が高い重合体の提供を目的とする。また、本発明は、そのような重合体の製造方法、及びそのような重合体を含む電解質組成物又は電池を提供することを目的とする。
本発明の重合体は、下記式(A)により表される構造単位(A)の少なくとも一種である第1の構造単位と、下記式(B)により表される構造単位(B)及び下記式(C)により表される構造単位(C)の少なくとも一方である第2の構造単位を含む重合体であり、重合体に含まれる全構造単位に対する第1の構造単位のモル比nが0.2~0.8であり、当該重合体に含まれる全構造単位に対する第2の構造単位のモル比mが0.2~0.8である。
Figure 2023077150000001

(式中、Yは、下記式(A1)~(A6)により表されるいずれかの基であり、*は、構造単位(A)の他の構造単位との結合位置を表す。)
Figure 2023077150000002

(式(A1)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A2)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A3)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A4)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A5)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A6)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。)
Figure 2023077150000003

(式(B)中、Xは酸素原子、又はNRにより表される第3級アミノ基であり、Rは1~20個の炭素原子を有する有機基であり、*は、構造単位(B)の他の構造単位との結合位置を表す。)
Figure 2023077150000004

(式(C)中、Zは共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-、-OC(=O)-、-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である。R12は水素原子、又は1価の置換基である。Zが共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-又は-OC(=O)-である場合、R11は水素原子又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基であり、Zが-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である場合、R11、R13及びR14はそれぞれ水素原子若しくは1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である、又はR11は、R13又はR14と一緒になって環員として3~10個の原子を有する環を形成している。*は、構造単位(C)の他の構造単位との結合位置を示す。)
上記重合体が構造単位(B)を含むと好ましい。
本発明の電解質組成物は、上記重合体と、可塑剤とを含む。
上記可塑剤が、カーボネート系溶媒、エーテル系溶媒、フッ素系溶媒、及びイオン液体からなる群から選択される少なくとも一種であると好ましい。
本発明の電解質組成物は、リチウム化されたフェノール性水酸基を含有する重合体と、可塑剤と、を含む。
上記電解質組成物は、可塑剤としてイオン液体を含むと好ましい。
上記リチウム化されたフェノール性水酸基を含有する重合体が、主鎖としての炭素鎖と、ペンダント基としてのリチウム化されたフェノール性水酸基を含有する芳香族部分を含む基とを備えると好ましい。当該重合体において、上記主鎖は架橋されていてもよい。
上記電解質組成物は、更にアニオンレセプターを含有すると好ましい。
上記電解質組成物は、アルカリ金属化されたフェノール性水酸基又はそのアニオンの酸素原子上の非共有電子対を受容可能な低分子化合物を更に含有すると好ましい。
上記電解質組成物は、リチウムイオンの輸率が0.5以上であると好ましい。
本発明のアルカリ金属含有重合体の製造方法は、下記式(A’)により表される単量体(A’)の少なくとも一種である第1の単量体と、下記式(B’)により表される単量体(B’)及び下記式(C’)により表される単量体(C’)の少なくとも一方である第2の単量体とを含む単量体を重合させて原料重合体を得る工程と原料重合体が有する加水分解されて水酸基となる基を-OM基に変換する工程とを含み、Mは、Li、Na又はKである。
Figure 2023077150000005

(式中、Y’は、下記式(A1’)~(A6’)により表されるいずれかの基である。)
Figure 2023077150000006

(式(A1’)中、RA’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A2’)中、RB’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A3’)中、RC’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A4’)中、RD’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A5’)中、RE’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A6’)中、RF’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。)
Figure 2023077150000007

(式(B’)中、Xは酸素原子、又はNRにより表される第3級アミノ基であり、Rは1~20個の炭素原子を有する有機基である。)
Figure 2023077150000008

(式(C’)中、Zは共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-、-OC(=O)-、-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である。R12は水素原子、又は1価の置換基である。Zが共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-又は-OC(=O)-である場合、R11は水素原子又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基であり、Zが-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である場合、R11、R13及びR14はそれぞれ水素原子若しくは1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である、又はR11は、R13又はR14と一緒になって環員として3~10個の原子を有する環を形成している。)
本発明のアルカリ金属含有重合体は、下記式(A’)により表される単量体(A’)の少なくとも一種である第1の単量体と、下記式(B’)により表される単量体(B’)及び下記式(C’)により表される単量体(C’)の少なくとも一方である第2の単量体とを含む単量体を重合させて原料重合体を得て、当該原料重合体の加水分解されて水酸基となる基を-OM基に変換することにより得られるアルカリ金属含有重合体であって、Mは、Li、Na又はKである。
Figure 2023077150000009

(式中、Y’は、下記式(A1’)~(A6’)により表されるいずれかの基である。)
Figure 2023077150000010

(式(A1’)中、RA’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A2’)中、RB’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A3’)中、RC’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A4’)中、RD’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A5’)中、RE’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A6’)中、RF’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。)
Figure 2023077150000011

(式(B’)中、Xは酸素原子、又はNRにより表される第3級アミノ基であり、Rは1~20個の炭素原子を有する有機基である。)
Figure 2023077150000012

(式(C’)中、Zは共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-、-OC(=O)-、-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である。R12は水素原子、又は1価の置換基である。Zが共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-又は-OC(=O)-である場合、R11は水素原子又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基であり、Zが-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である場合、R11、R13及びR14はそれぞれ水素原子若しくは1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である、又はR11は、R13又はR14と一緒になって環員として3~10個の原子を有する環を形成している。)
本発明の電池は、上記重合体、上記アルカリ金属含有重合体、又は上記電解質組成物を含む。
本発明によれば、アルカリ金属イオンの輸率が高い重合体を提供することができる。また、本発明によれば、そのような重合体の製造方法、及びそのような重合体を含む電解質組成物又は電池を提供することができる。
本実施形態に係る電解質組成物は、アルカリ金属化されたフェノール性水酸基を含有する重合体(アルカリ金属含有重合体又はアルカリ金属含有樹脂)と、可塑剤と、を含む。ここで、アルカリ金属としては、Li、Na及びKが挙げられ、Liが好ましい。なお、アルカリ金属化されたフェノール性水酸基とは、フェノール性水酸基である-OHのHがアルカリ金属Mにより置換された-OM基を指す。また、電池の充放電に伴い電流が流れる際に、電解質におけるアニオンは重合体の官能基であるため、重合体に固定され電荷の担体とならない。そのため、上記電解質組成物は、アルカリ金属イオン、特にリチウムイオンの輸率に優れる。そのため、上記電解質組成物は、電池の電解質として好適に使用できる。なお、アルカリ金属含有重合体を単に重合体とも呼ぶ。
(アルカリ金属含有重合体)
本実施形態に係るアルカリ金属化されたフェノール性水酸基を含有する重合体としては、アルカリ金属化されたフェノール性水酸基を含有する芳香族部分を構造単位として有する重合体であれば特に限定されない。当該構造単位は、2価以上の構造単位であってよく、重合体は、鎖状の重合体に限らず、櫛型、星形、網目状、3次元の網目状等どのような構造の重合体であってもよい。
アルカリ金属化されたフェノール性水酸基を含有する重合体は、主鎖としての炭素鎖と、ペンダント基としてのリチウム化されたフェノール性水酸基を含有する芳香族部分を含む基とを備えると好ましい。当該重合体の主鎖は架橋されていてもよい。主鎖である炭素鎖としては、例えば、エチレン性不飽和基を有する化合物のラジカル付加重合により形成された炭素鎖であってよい。
上記重合体としては、下記式(A)により表される構造単位(A)の少なくとも一種である第1の構造単位と、下記式(B)により表される構造単位(B)及び下記式(C)により表される構造単位(C)の少なくとも一方である第2の構造単位を含む重合体であると好ましい。上記重合体は、構造単位(B)を含むとより好ましい。当該重合体に含まれる全構造単位に対する第1の構造単位のモル比nが0.2~0.8であると好ましい。また、当該重合体に含まれる全構造単位に対する第2の構造単位のモル比mが0.2~0.8であると好ましい。このような重合体は、リチウムイオンの輸率がより高い傾向にある。そのため、電池の電解質材料として好適に使用できる。
また、上記重合体は、以下の条件(1)及び(2)の少なくとも一方を満たすと好ましい。
(1)重合体に含まれる全構造単位に対する第1の構造単位のモル比nが0.2~0.8であり、当該重合体に含まれる全構造単位に対する第2の構造単位のモル比mが0.2~0.8である。
(2)重合体の総質量に対する第1の構造単位の含有量が15~80質量%であり、第2の構造単位の含有量が20~85質量%である。
Figure 2023077150000013

(式中、Yは、下記式(A1)~(A6)により表されるいずれかの基であり、*は、構造単位(A)の他の構造単位との結合位置を表す。)
Figure 2023077150000014

(式(A1)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A2)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A3)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A4)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A5)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A6)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。)
Figure 2023077150000015

(式(B)中、Xは酸素原子、又はNRにより表される第3級アミノ基であり、Rは1~20個の炭素原子を有する有機基であり、*は、構造単位(B)の他の構造単位との結合位置を表す。)
Figure 2023077150000016

(式(C)中、Zは共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-、-OC(=O)-、-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である。R12は水素原子、又は1価の置換基である。Zが共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-又は-OC(=O)-である場合、R11は水素原子又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基であり、Zが-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である場合、R11、R13及びR14はそれぞれ水素原子若しくは1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である、又はR11は、R13又はR14と一緒になって環員として3~10個の原子を有する環を形成している。*は、構造単位(C)の他の構造単位との結合位置を示す。)
式(A1)において、R基のうち1~3個が-OM基であると好ましく、1又は2個が-OM基であるとより好ましい。また、-OM基又は水素原子であるR基は、4個以上であると好ましく、5個であるとより好ましい。-OM基以外のR基は、すべて水素原子であってもよい。Mは、Liであると好ましい。
式(A1)において、1価の置換基は、電子求引基であると好ましい。電子求引基としては、ハロゲン原子、スルホン酸基又はその塩、スルホン酸エステル、ニトロ基、ニトリル基などが挙げられる。ハロゲン原子としては、F、Cl、Br及びIのいずれであってもよい。
また、式(A1)において、1価の置換基は、1~20個の炭素原子を有する有機基であると好ましい。当該有機基が有する炭素原子の個数は、1~15個であってよく、1~10個であってよく、1~5個であってよく、1~3個であってよい。有機基としては、炭化水素基、当該炭化水素基における一つ以上の炭素原子(メチレン基)が-O-、-S-、-C(=O)-又は-C(=O)O-の連結基により置換されて形成された化学構造を有する基等、複素環を有する基等の1価の基が挙げられる。また、上記1価の基は、炭素原子に結合する水素原子を置換する置換基を有していてもよい。置換基としては、例えば、ハロゲン原子等が挙げられる。上記炭化水素基としては特に限定されず、脂肪族炭化水素基であってもよく、芳香族炭化水素基であってもよい。脂肪族炭化水素基としては、直鎖状炭化水素基、分岐鎖状炭化水素基、及び環式炭化水素基のいずれであってもよい。また、炭化水素基は、飽和炭化水素基及び不飽和炭化水素基のいずれであってもよい。炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、フェニル基等が挙げられる。なお、1価の有機基は、電子求引基であってもよい。
式(A1)により表される基としては、ベンゼン環のパラ位、メタ位、及びオルト位のいずれかに-OM基を有するものが挙げられるが、以下のものが好ましい。
Figure 2023077150000017
式(A2)において、R基のうち1~3個が-OM基であると好ましく、1又は2個が-OM基であるとより好ましい。-OM基以外のR基は、すべて水素原子であってもよい。Mは、Liであると好ましい。R基が1価の置換基である場合、当該置換基としては、R基が1価の置換基を有する場合に例示したものが挙げられる。
式(A3)において、R基のうち1~3個が-OM基であると好ましく、1又は2個が-OM基であるとより好ましい。-OM基以外のR基は、すべて水素原子であってもよい。Mは、Liであると好ましい。R基が1価の置換基である場合、当該置換基としては、R基が1価の置換基を有する場合に例示したものが挙げられる。
式(A4)において、R基のうち1~3個が-OM基であると好ましく、1又は2個が-OM基であるとより好ましい。-OM基以外のR基は、すべて水素原子であってもよい。Mは、Liであると好ましい。R基が1価の置換基である場合、当該置換基としては、R基が1価の置換基を有する場合に例示したものが挙げられる。
式(A5)において、R基のうち1~3個が-OM基であると好ましく、1又は2個が-OM基であるとより好ましい。-OM基以外のR基は、すべて水素原子であってもよい。Mは、Liであると好ましい。R基が1価の置換基である場合、当該置換基としては、R基が1価の置換基を有する場合に例示したものが挙げられる。
式(A6)において、R基のうち1~3個が-OM基であると好ましく、1又は2個が-OM基であるとより好ましい。-OM基以外のR基は、すべて水素原子であってもよい。Mは、Liであると好ましい。R基が1価の置換基である場合、当該置換基としては、R基が1価の置換基を有する場合に例示したものが挙げられる。
上記重合体は、1種又は複数種の構造単位(A)を有していてよい。上記重合体における重合単位(A)一個当たりの平均の-OM基の数は、1~3個であってよく、1~2個であってよい。また、重合体が有する-OM基におけるMは、実質的にLi、Na及びKのいずれか一種のアルカリ金属であると好ましい。
式(B)中、Xは、NRにより表される第3級アミノ基であると好ましい。Rが有する炭素原子の個数は、2~15個であってよく、2~10個であってよく、2~8個であってよい。Rとしては、炭化水素基、当該炭化水素基における一つ以上の炭素原子(メチレン基)が-O-、-S-、-C(=O)-又は-C(=O)O-の連結基により置換されて形成された化学構造を有する基等、複素環を有する基等の1価の基が挙げられる。また、上記1価の基は、炭素原子に結合する水素原子を置換する置換基を有していてもよい。置換基としては、例えば、ハロゲン原子等が挙げられる。上記炭化水素基としては特に限定されず、脂肪族炭化水素基であってもよく、芳香族炭化水素基であってもよい。脂肪族炭化水素基としては、直鎖状炭化水素基、分岐鎖状炭化水素基、及び環式炭化水素基のいずれであってもよい。また、炭化水素基は、飽和炭化水素基及び不飽和炭化水素基のいずれであってもよい。
としては、炭化水素基又はフッ素により置換された炭化水素基が好ましく、エチル基、2,2,2-トリフルオロエチル基、n-ドデシル基、シクロヘキシル基、又はベンジル基がより好ましい。上記重合体は、1種又は複数種の構造単位(B)を有していてよい。
条件(1)について、mは、0.3~0.7であると好ましく、0.4~0.6であるとより好ましい。nは、0.3~0.7であると好ましく、0.4~0.6であるとより好ましい。
m及びnの合計は、1以下であれば問題ないが、0.95以下であってもよい。また、m及びnの合計は、0.5以上であってよく、0.6以上であってよく、0.7以上であってよく、0.8以上であってよく、0.9以上であってよく、0.95以上であってよい。
条件(2)について重合体の総質量に対する第1の構造単位の含有量が25~70質量%であり、第2の構造単位の含有量が30~75質量%であると好ましい。
第1の構造単位と第2の構造単位との含有量の合計は、重合体の総質量に対して70質量%以上であってよく、80質量%以上であってよく、90質量%以上であってよく、95質量%以上であってよい。
式(C)中、Zは共有結合、-O-、-C(=O)O-、-OC(=O)-又は-C(=O)NR13-であると好ましく、共有結合、-O-又は-C(=O)NR13-であるとより好ましく、-O-であると更に好ましい。
11が1価の有機基である場合、R11が有する炭素原子の個数は、1~18であると好ましく、2~15であるとより好ましく、3~13であると更に好ましい。R11としては、具体的には、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-ヘプチル基、n-オクチル基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ウンデシル基、n-ドデシル基、n-トリデシル基等の炭化水素基が挙げられる。
13及びR14が1価の有機基である場合、これらはそれぞれ独立に炭化水素基、置換炭化水素基、又は複素環を有する基であってよく、炭化水素基であると好ましい。R13及びR14が有する炭素原子の個数は、それぞれ1~18であると好ましく、2~15であるとより好ましく、3~13であると更に好ましい。
13は、水素原子であると好ましい。また、R14は、水素原子であると好ましい。
11は、R13又はR14と一緒になって環員として3~10個の原子を有する環を形成している場合、形成される環としては、脂肪族及び芳香族のいずれであってもよい。当該環は、環員として3~6個の原子を含んでいてもよい。当該環は環員として炭素原子を2~9個含んでいてよく、2~6個含んでいてもよい。また、環員である炭素原子に結合する水素原子が置換基により置換されていてもよい。例えば、R13又はR14と、R11とが、-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-の窒素原子と共にN-スクシンイミジル基等を形成している場合が挙げられる。
12は水素原子、又は1価の置換基である。1価の置換基としては、ハロゲン原子、1~20個の炭素原子を有する有機基等が挙げられる。ハロゲン原子としては、ハロゲン原子としては、F、Cl、Br及びIのいずれであってもよい。有機基としては、炭素数1~5個の炭素原子を有する炭化水素基、1~5個の炭素原子を有するフッ素置換された炭化水素基であってよく、メチル基が好ましい。R12は水素原子であってよい。
また、重合体は、構造単位(A)~(C)のいずれでもない、他の構造単位を含んでいてもよい。他の構造単位としては、下記式(D)により表される構造単位(D)が挙げられる。
Figure 2023077150000018

(式(D)中、R31~R34は、それぞれ独立に水素原子、又は1~20個の炭素原子を有する1価の置換基である、若しくはR31~R34のうち、2つが一緒になって、環員として3~10個の原子を有する環を形成しており、残りが水素原子又は一価の置換基である。)
構造単位(D)には、構造単位(A)~(C)のいずれかに含まれる構造単位は含まれない。すなわち、構造単位(D)は、第1の構造単位及び第2の構造単位のいずれでもない。式(D)において、R31~R34のうち、3つ以下が水素原子であってよく、1つが水素原子である又はいずれも水素原子でなくてもよい。1価の置換基としては、ハロゲン原子、-C(=O)OH、-CN、又は-C(=O)NR35(R35は、水素原子、又は1価の有機基である、又はR31~R34のいずれかと環を形成していてもよい。)等が挙げられる。R31~R34のうち、2つが一緒になって、環員として3~10個の原子を有する環を形成している場合、当該環は、複素環であっても炭素環であってもよい。当該複素環又は炭素環の環員である炭素原子は、置換基により置換されていてもよい。
第2の構造単位は、構造単位(B)及び構造単位(C)のいずれか一方のみを含んでいてもよく、両方を含んでいてもよい。第2の構造単位に含まれる構造単位(B)及び構造単位(C)はそれぞれ一種のみであっても、複数種であってもよい。
重合体が、構造単位(B)と共に構造単位(C)を含む場合、重合体に含まれる全構造単位に対する構造単位(C)のモル比は、0.5以下であってよく、0.3以下であってよく、0.1以下であってよい。
重合体が、構造単位(D)を含む場合、重合体に含まれる全構造単位に対する構造単位(D)のモル比は、0.5以下であってよく、0.3以下であってよく、0.1以下であってよい。
上記重合体は、架橋剤に由来する構造単位を含んでいてもよい。架橋剤としては、架橋剤としては、ヘキサンジオールジアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート等が挙げられる。
重合体の数平均分子量(Mn)は、2000~100000であってよく、5000~100000であってよく、8000~80000であってよい。重合体の分子量分布(Mw/Mn)は、1.0~10であればよく、1.0~8.0であればよい。重合体の数平均分子量及び分子量分布は、例えば、ゲルパーミエイションクロマトグラフィーにより測定することができる。
(可塑剤)
可塑剤としては、有機溶媒、イオン液体等が挙げられる。有機溶媒は、非プロトン性溶媒であってよく、カーボネート系溶媒、フッ素系溶媒、及びエーテル系溶媒からなる群から選択される少なくとも一種であってよい。電解質組成物は、イオン液体と有機溶媒の両方を含んでいてよい。
カーボネート系溶媒としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネートが挙げられる。
エーテル系溶媒としては、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3-ジオキソラン等の環状エーテル;1,2-ジエトキシエタン、及びエトキシメトキシエタン等の鎖状エーテルが挙げられる。フッ素系溶媒としては、ハイドロフルオロカーボン類(パーフルオロオクタン等)、ハイドロフルオロエーテル類(メチルノナフルオロブチルエーテル、エチルノナフルオロブチルエーテル等)、ハイドロフルオロオレフィン類(1,3,3,3-テトラフルオロプロペン等)などが挙げられる。また、有機溶媒としては、ジメチルスルホキシド(DMSO);ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)等のアミド系溶媒などの非プロトン性溶媒が挙げられる。
電解質組成物における有機溶媒の含有量は、上記重合体100質量部に対して、20~600質量部であってよく、50~400質量部であってよく、80~300質量部であってよい。
イオン液体としては、特に制限はなく、イミダゾリウム塩、ピロリジニウム塩、ピペリジニウム塩、ピリジニウム塩、第4級アンモニウム塩、第4級ホスホニウム塩等が挙げられる。イオン液体が有するアニオンとしては特に制限はなく、例えば、Cl、Br、I、ClO 、PF 、BF 、CFSO 、(FSO、(CFSO、(C2r+1SO(rは2以上の整数)、HSO 等が挙げられ、電気化学的な安定性の観点からはPF 、BF 、CFSO 、(FSO、(CFSO又は(C2m+1SOが好ましく、(CFSOがより好ましい。イオン液体は、25℃で液体であってよい。
ピロリジニウム塩が有するピロリジニウムカチオンとしては、例えば以下のものが挙げられる。
Figure 2023077150000019

式中、R41及びR42は、それぞれ独立に1価の有機基であり、当該有機基は1~15個の炭素原子を有すると好ましい。1価の有機基としては、ブチル基等の1~15個の炭素原子を有するアルキル基、又は式:-A-O-(A-O)-Aにより表される基(Aは1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは、1~3個の炭素原子を有するアルキル基であり、kは0~3である。)である。
式:-A-O-(A-O)-Aにより表される基としては、1~10個の炭素原子を有する基であると好ましく、-CHOCHCHOCH基又は-CHCH-O-CHがより好ましい。R41は、1~3個の炭素原子を有するアルキル基であり、メチル基であってよい。R41及びR42は同じであっても異なっていてもよい。なお、ピロリジン環を構成する炭素原子に結合している水素は置換基により置換されていてもよい。
ピペリジニウム塩が有するピペリジニウムカチオンとしては、例えば以下のものが挙げられる。
Figure 2023077150000020

式中、R43及びR44は、それぞれ独立に1価の有機基であり、当該有機基は1~15個の炭素原子を有すると好ましい。1価の有機基としては、1~15個の炭素原子を有するアルキル基又は式:-A-O-(A-O)-Aにより表される基(Aは1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは、1~3個の炭素原子を有するアルキル基であり、kは0~3である。)である。
44のアルキル基は、ブチル基等の2~6個の炭素原子を有するアルキル基であるとより好ましい。式:-A-O-(A-O)-Aにより表される基としては、1~10個の炭素原子を有する基であると好ましく、-CHOCHCHOCH基又は-CHCH-O-CHがより好ましい。R43は、1~3個の炭素原子を有するアルキル基であり、メチル基であってよい。R43及びR44は同じであっても異なっていてもよい。なお、ピペリジン環を構成する炭素原子に結合している水素は置換基により置換されていてもよい。
イミダゾリウム塩が有するイミダゾリウムカチオンとしては、例えば以下のものが挙げられる。
Figure 2023077150000021

式中、R46及びR47は、それぞれ独立に1価の有機基であり、当該有機基は1~15個の炭素原子を有すると好ましい。1価の有機基としては、1~15個の炭素原子を有するアルキル基又は式:-A-O-(A-O)-Aにより表される基(Aは1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは、1~3個の炭素原子を有するアルキル基であり、kは0~3である。)である。
47のアルキル基としては、ブチル基等の2~6個の炭素原子を有するアルキル基であると好ましい。式:-A-O-(A-O)-Aにより表される基としては、1~10個の炭素原子を有する基であると好ましく、-CHOCHCHOCH基又は-CHCH-O-CHがより好ましい。R46は、1~3個の炭素原子を有するアルキル基であり、メチル基であってよい。R46及びR47は同じであっても異なっていてもよい。なお、イミダゾール環を構成する炭素原子に結合している水素は置換基により置換されていてもよい。
第4級アンモニウム塩が有するアンモニウムカチオンとしては、例えば以下のものが挙げられる。
Figure 2023077150000022

式中、R51~R54はそれぞれ独立に1価の有機基であり、当該有機基は1~15個の炭素原子を有すると好ましい。1価の有機基としては、1~15個の炭素原子を有するアルキル基又は式:-A-O-(A-O)-Aにより表される基(Aは1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは、1~3個の炭素原子を有するアルキル基であり、kは0~3である。)であると好ましい。R51~R54はすべて同じであってよいが、2つ以上の異なる基であってもよい。例えば、R51が1~10個の炭素原子を有するアルキル基であり、R52~R54が1~3個の炭素原子を有するアルキル基であると好ましく、R51がブチル基等の3~8個の炭素原子を有するアルキル基であり、R52~R54がメチル基又はエチル基であるとより好ましい。式:-A-O-(A-O)-Aにより表される基としては、1~10個の炭素原子を有する基であると好ましく、-CHOCHCHOCH基又は-CHCH-O-CHがより好ましい。
第4級ホスホニウム塩が有するホスホニウムカチオンとしては、例えば以下のものが挙げられる。
Figure 2023077150000023

式中、R56~R59はそれぞれ独立に1価の有機基であり、当該有機基は1~15個の炭素原子を有すると好ましい。1価の有機基としては、1~15個の炭素原子を有するアルキル基又は式:-A-O-(A-O)-Aにより表される基(Aは1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、Aは、1~3個の炭素原子を有するアルキル基であり、kは0~3である。)であると好ましい。R56~R59はすべて同じであってよいが、2つ以上の異なる基であってもよい。例えば、R56が1~10個の炭素原子を有するアルキル基であり、R57~R59が1~3個の炭素原子を有するアルキル基であると好ましく、R56がペンチル基等の3~8個の炭素原子を有するアルキル基であり、R57~R59がメチル基又はエチル基であるとより好ましい。)
イオン液体としては、具体的には、1-(2-メトキシエトキシメチル)-1-メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、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、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1-n-ブチル-1-メチルピロリジニウムビス(フルオロスルホニル)イミド、1-n-ブチル-1-メチルピロリジニウムトリフルオロメタンスルホン酸、1-n-ブチル-1-メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、トリエチル-n-ペンチルホスホニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、n-ブチルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド等が挙げられる。
電解質組成物におけるイオン液体の含有量は、上記重合体100質量部に対して、20~600質量部であってよく、50~350質量部であってよく、80~300質量部であってよい。
電解質組成物の輸率は、0.5以上であってよく、0.6以上であってよく。0.7以上であってよい。輸率は室温(25℃)において測定された輸率であってよい。
電解質組成物は、他の樹脂を含んでいてもよい。他の樹脂としては、フッ化ポリビニリデンやフッ化ポリビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン重合体等のフッ素系樹脂が挙げられる。
電解質組成物は、(a)アニオンレセプター又は(b)アルカリ金属化されたフェノール性水酸基(上記-OM基)又はそのアニオン(-O-)の酸素原子上の非共有電子対を受容可能な低分子化合物を更に含有してよい。このような化合物(a)又は(b)は、重合体のリチウム化されたフェノール性水酸基の酸素原子上の非共有電子対を受容し、当該酸素原子と酸塩基錯体を形成する傾向がある。すなわち、電解質組成物が、化合物(a)又は(b)を含む場合、重合体のアルカリ金属化されたフェノール性水酸基は電子対供与体(ルイス塩基)として作用し、化合物(a)又は(b)は、電子対受容体(ルイス酸)として作用する。これにより、電解質組成物のアルカリイオン伝導性を更に高めることができる。
(a)アニオンレセプターは、アニオンをトラップする物質である。アニオンレセプターとしては、特に限定しないが、負の電荷を持ったアニオンを受け入れ、アニオンになることができる物質を用いることができる。
(a)アニオンレセプターとしては、例えば、米国特許第5705689号及び米国特許第6120941号(アザ-エーテル系化合物);米国特許第6022643号(フッ化ホウ素系化合物);米国特許第6352798号(フェニルホウ素系化合物)に開示される化合物が挙げられる。参考のため、これらの米国特許の開示内容の全てを本明細書に援用する。
(a)アニオンレセプターは、3価のホウ素化合物(B(-R)、B(-OR))であってよい。上記ホウ素化合物におけるRは、芳香族であってもよいし、脂肪族であってもよい。脂肪族の中でも、例えばアルキル基、アルコキシ基などであり得る。また、3価のホウ素化合物はボロキシン構造であってもよい。アザエーテル系化合物は、直鎖状、分岐鎖状、環状のアザエーテル化合物であってよく、電子求引基を有していてもよい。
上記(b)低分子化合物は、アニオンの電子対を受容する物質である。特に限定しないが、負の電荷を持ったアニオンを受け入れ、アニオンになることができる物質を用いることができる。
上記(b)低分子化合物としては、例えば、米国特許第5705689号及び米国特許第6120941号(アザ-エーテル系化合物);米国特許第6022643号(フッ化ホウ素系化合物);米国特許第6352798号(フェニルホウ素系化合物)に開示される化合物が挙げられる。参考のため、これらの米国特許の開示内容の全てを本明細書に援用する。
上記(b)低分子化合物は、3価のホウ素化合物(B(-R)、B(-OR))であってよい。上記ホウ素化合物におけるRは、芳香族であってもよいし、脂肪族であってもよい。脂肪族の中でも、例えばアルキル基、アルコキシ基などであり得る。また、3価のホウ素化合物はボロキシン構造であってもよい。アザエーテル系化合物は、直鎖状、分岐鎖状、環状のアザエーテル化合物であってよく、電子求引基を有していてもよい。
(重合体の製造方法)
上記重合体の製造方法は特に制限はなく、リチウム化されたフェノール性水酸基を有する単量体を重合してもよいし、フェノール性水酸基を有する単量体を重合した後で水酸基をリチウム化してもよい。
ここで、第1の構造単位及び第2の構造単位含む重合体の製造方法としては、例えば、
下記式(A’)により表される単量体(A’)の少なくとも一種である第1の単量体と、下記式(B’)により表される単量体(B’)及び下記式(C’)により表される単量体(C’)の少なくとも一方である第2の単量体とを含む単量体(単量体混合物)を重合させて原料重合体を得る工程と、当該原料重合体の加水分解されて水酸基となる基を-OM基に変換する工程とを含む方法が挙げられる。単量体を重合させる反応としてはラジカル付加反応であってよい。
Figure 2023077150000024

(式中、Y’は、下記式(A1’)~(A6’)により表されるいずれかの基である。)
Figure 2023077150000025

(式(A1’)中、RA’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A2’)中、RB’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A3’)中、RC’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A4’)中、RD’基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A5’)中、RE’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A6’)中、RF’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。)
Figure 2023077150000026

(式(B’)中、Xは、構造単位(B)のXに対応する基である。)
Figure 2023077150000027

(式(C’)中、Zは共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-、-OC(=O)-、-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である。R12は水素原子、又は1価の置換基である。Zが共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-又は-OC(=O)-である場合、R11は水素原子又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基であり、Zが-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である場合、R11、R13及びR14はそれぞれ水素原子若しくは1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である、又はR11は、R13又はR14と一緒になって環員として1~10個の原子を有する環を形成している。)
単量体は、得られる重合体が所望の組成となるように、第1の単量体及び第2の単量体を含み、任意に第1の単量体及び第2の単量体以外のその他の単量体を含んでいてもよい。その他の単量体は、例えば、ラジカル重合により上記構造単位(D)を与える単量体であってよい。
構造単位(A)が有する-OM基は、原料重合体における加水分解されて水酸基となる基(加水分解性基)を変換したものである。ここで、加水分解性基としては特に限定されず、式-OR’で与えられる基が挙げられ、R’は、1価の炭化水素基、シリル基(-Si(Rで与えられる基であってよく、Rはアルキル基等の炭化水素基であってよい。複数あるRはすべて同じものであっても異なるものを含んでいてもよい。)等が挙げられる。式-OR’で与えられる基としては、例えば、tert-ブトキシ基等のアルキル基などが挙げられる。R’が含む炭素原子の個数は、例えば1~15個であってよく、1~10個であってよい。
加水分解性基を加水分解する方法としては、特に制限されず、酸の存在下で加水分解する方法等が挙げられる。
加水分解性基を加水分解すると、芳香環に直接結合した水酸基(フェノール性水酸基)が生じる。当該水酸基をアルカリ金属の水酸化物塩、炭酸塩等のアルカリ金属を含む塩基で中和することにより、水酸基を-OM基に置換することができる。原料重合体に含まれるフェノール性水酸基はほぼすべてが-OM基に置換されることが好ましく、未反応のフェノール性水酸基は、原料重合体が含む加水分解性基の5モル%以下であってよく、3モル%以下であってもよい。
構造単位(B)及び構造単位(C)は、それぞれ単量体(B’)及び単量体(C’)をラジカル付加重合して得られる構造単位である。
単量体(B’)としては、N-(2,2,2-トリフルオロエチル)マレイミド、N-ベンジルマレイミド、N-エチルマレイミド等のマレイミド化合物が挙げられる。
単量体(C’)としては、特に限定されず、オレフィン化合物、置換オレフィン化合物、(メタ)アクリル酸エステル、ビニルエーテル化合物、ビニルスルフィド化合物、ビニルエステル化合物、不飽和ケトン、不飽和アルデヒド、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリルイミド、及びこれらの誘導体などが挙げられる。具体的には、N-ドデシルアクリルアミド等が挙げられる。
単量体は架橋剤を含んでいてもよい。架橋剤としては、ヘキサンジオールジアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジビニルベンゼン、トリエチレングリコールジビニルエーテル等の分子内に複数のエチレン性不飽和基を有する化合物が挙げられる。
上記重合は、ラジカル重合開始剤により開始させてもよい。その場合、上記単量体と開始剤とを含む重合性組成物を調製し、重合性組成物中において、単量体の重合反応を行う。また、重合性組成物は、溶媒を含んでいてもよい。なお、単量体(A’)と単量体(B’)とが電子受容体と電子供与体との関係にある場合、重合体は、構造単位(A)及び構造単位(B)が交互に並んだブロックを有する傾向にある。なお、第1の単量体と第2の単量体とが電子受容体と電子供与体との関係にある場合、重合体は、第1の構造単位と第2の構造単位とが交互に並んだ一次構造を有する傾向にある。
ラジカル重合開始剤は熱開始剤及び光開始剤のいずれであってもよい。たとえば、熱開始剤としては、2,2-アゾビス(イソブチロニトリル)(AIBN);2,2-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)(AMBN)、2,2-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(ADVN)、1,1-アゾビス(1-シクロヘキサンカルボニトリル)(ACHN、V-40)、ジメチル-2,2-アゾビスイソブチレート(MAIB)等のアゾ系開始剤;ジベンゾイルパーオキシド、ジ-8,5,5-トリメチルヘキサノイルパーオキシド、ジラウロイルパーオキシド、ジデカノイルパーオキシド、ジ(2,4-ジクロロベンゾイル)パーオキシド等の有機過酸化物などが挙げられる。光開始剤としては、オキシム系化合物、メタロセン系化合物、アシルホスフィン系化合物、アミノアセトフェノン化合物などが挙げられる。開始剤は、1種又は2種以上を使用してよい。
重合性組成物は、四塩化炭素、チオール化合物等の連鎖移動剤を含んでいてもよい。
上記重合体(アルカリ金属含有重合体)は、アルカリ金属イオンの輸率が高いため、電池、キャパシタ等に材料として含まれると好適である。電池としては、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池等が挙げられる。電池は、正極と、負極と、正極及び負極の間に配置された電解質とを含み、当該電解質が上記重合体を含んでいてよい。すなわち、本実施形態の重合体は、電解質材料として使用できる。
以下の単量体(A1)、単量体(B1)~(B3)を用意した。
単量体(A1):4-tert-ブトキシスチレン(Wako、純度>98%)を水素化カルシウムを用いて蒸留したものを使用。
Figure 2023077150000028

単量体(B1):以下のN-(2,2,2-トリフルオロエチル)マレイミド
Figure 2023077150000029

単量体(B2):以下のN-ベンジルマレイミド
Figure 2023077150000030

単量体(B3):以下のN-エチルマレイミド
Figure 2023077150000031
(製造例1)
シュレンクチューブに単量体B1(0.8955g、5mmol)と2,2’-アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製、純度98%)(0.0164g、0.1mmol)を加え、-78℃に冷却した後、真空ポンプを用いてガス抜きを行った。その後、乾燥アルゴン雰囲気下にて、単量体A1(0.941mL、5mmol)及びトルエン(キシダ化学、純度99.5%)(4.0mL)をシュレンクチューブ内に加えた。その後、60℃のオイルバスにて1時間反応させたのち、空気をバブリングさせることで反応を停止させた。反応溶液をTHFにて希釈した後、過剰量のメタノールに滴下させ重合物を沈殿させた。沈殿物をろ過し、メタノールで洗浄した後、1,4-ジオキサンに溶解させ、凍結乾燥させることで目的重合体を得た(収率99.2%、Mn=141,000、Mw/Mn=2.26、A1/B1=51/49)。モノマー組成の比率は、H-NMRにより求めた。なお、製造例1~3において重合体の数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn、Mwは重量平均分子量)はゲルパーミエイションクロマトグラフィーにより測定した。
上記で得た重合体(2.1g)をフラスコに加え、THF(74mL)に溶解させた。この溶液に飽和塩酸水溶液(15mL)をゆっくりと加えた後、20時間還流を行った。冷却した後、大量の水に滴下した後、沈殿物をろ過にて収集した。沈殿物を、純水にて洗浄した(洗浄後の水のpHが7になるまで洗浄を行った)。沈殿物を1,4-ジオキサンに溶解させ、凍結乾燥させることでtert-ブトキシ基をOH基に変換した目的重合体を得た(収率60%)。
上記で得たOH基を有する重合体(153.7mg、0.5mmol)と水酸化リチウム(14.4mg、0.6mmol)をフラスコに加え、脱水ジメチルホルムアミド(15mL)に溶かした。フラスコ内を乾燥窒素で置換し、135℃で12時間反応させた。反応溶液をアルゴンで置換したグローブボックス内にて、ろ過し過剰量のLiOHを取り除き溶媒をエバポレータにて除去した。H-NMR及びIRにてOH基に由来するピークが消えていることを確認した。
(製造例2)
シュレンクチューブに単量体B2(1.872g、10mmol)と2,2’-アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製、純度98%)(0.0328g、0.2mol)を加え、-78℃に冷却した後、真空ポンプを用いてガス抜きを行った。その後、乾燥アルゴン雰囲気下にて、単量体A1(1.883mL、10mmol)及びトルエン(キシダ化学、純度99.5%)(7.9mL)をシュレンクチューブ内に加えた。その後、60℃のオイルバスにて1時間反応させたのち、空気をバブリングさせることで反応を停止させた。反応溶液をTHFにて希釈した後、過剰量のメタノールに滴下させ重合物を沈殿させた。沈殿物をろ過し、メタノールで洗浄した後、1,4-ジオキサンに溶解させ、凍結乾燥させることで目的重合体を得た(収率99.2%、Mn=60,000、Mw/Mn=7.85、A1/B1=51/49)。モノマー組成の比率は、H-NMRにより求めた。
上記で得た重合体(3.3g)をフラスコに加え、THF(83mL)に溶解させた。この溶液に飽和塩酸水溶液(11mL)をゆっくりと加えた後、20時間還流を行った。冷却した後、大量の水に滴下した後、沈殿物をろ過にて収集した。沈殿物を、純水にて洗浄した(洗浄後の水のpHが7になるまで洗浄をおこなった)。沈殿物を1,4-ジオキサンに溶解させ、凍結乾燥させることでtert-ブトキシ基をOH基に変換した目的重合体を得た(収率58%、Mn=52,000、Mw/Mn=3.43)。
上記で得たOH基を有する重合体(153.7mg、0.5mmol)と水酸化リチウム(14.4mg、0.6mmol)をフラスコに加え、脱水ジメチルホルムアミド(15mL)に溶かした。フラスコ内を乾燥窒素で置換し、135℃で12時間反応させた。反応溶液をアルゴンで置換したグローブボックス内にて、ろ過し過剰量のLiOHを取り除き溶媒をエバポレータにて除去した。H-NMRおよびIRにてOH基に由来するピークが消えていることを確認した。
(製造例3)
シュレンクチューブに単量体B3(1.25g、10mmol)と2,2’-アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製、純度98%)(0.0328g、0.2mol)を加え、-78℃に冷却した後、真空ポンプを用いてガス抜きを行った。その後、乾燥アルゴン雰囲気下にて、スチレン(1.145mL、10mmol)およびトルエン(キシダ化学、純度99.5%)(8.7mL)を加えた。その後、60℃のオイルバスにて2時間反応させたのち、空気をバブリングさせることで反応を停止させた。反応溶液をTHFにて希釈した後、過剰量のメタノールに滴下させ重合物を沈殿させた。沈殿物をろ過し、メタノールで洗浄した後、1,4-ジオキサンに溶解させ、凍結乾燥させることで目的重合体を得た(収率99.3%、Mn=71,700、Mw/Mn=2.84、A1/B1=49/51)。モノマーの組成比率は、H-NMRにより求めた。
表1に製造された各重合体の原料である単量体及び組成を示す。
Figure 2023077150000032
(実施例1~9)
表2に示す組成となるように、重合体に有機溶媒、及び必要に応じて樹脂又はイオン液体を添加して電解質組成物を製造した。表2中、有機溶媒、樹脂及びイオン液体の添加量は、重合体100質量部に対する量(質量部)である。有機溶媒としては、エチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートを1:1の体積比で含む混合溶媒を使用した。使用した樹脂は、フッ化ポリビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP、アルドリッチ社製、Mw:~400,000、Mn:~130,000、ペレット状、製品番号:427160)である。また、使用したイオン液体は、以下のイオン液体A~Hである。
イオン液体A:
Figure 2023077150000033


イオン液体B:
Figure 2023077150000034


イオン液体C:
Figure 2023077150000035


イオン液体D:
Figure 2023077150000036


イオン液体E:
Figure 2023077150000037


イオン液体F:
Figure 2023077150000038


イオン液体G:
Figure 2023077150000039


イオン液体H:
Figure 2023077150000040

なお、OTfは、トリフラート(トリフルオロメタンスルホネート)アニオンであり、FSIは、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオンであり、TFSIは、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドイオンである。
(比較例1~3)
比較例1~3として、表3に記載するとおりの組成の各電解質組成物を調製した。なお、比較例1~2では、重合体に代えてリチウム塩(LiTFSI)を使用した。また、比較例3では、リチウムを含まない重合体とリチウム塩との組み合わせを用いた。有機溶媒としては、いずれの電解質組成物でも実施例1と同じ混合溶媒を用いた。
実施例1~9及び比較例1~3の電解質組成物について、以下の条件でイオン伝導度、活性化エネルギー及びリチウムイオン輸率の測定を行った。結果を表2及び表3に示す。
イオン伝導度:
グローブボックス内、乾燥アルゴン雰囲気下にて、コイン型電池CR2032の評価セルを組み立てた。具体的には、評価セル内に以下の順に各層を積層して試験用積層体を作製した。(ステンレス板/電解質組成物/ステンレス板)
インピーダンス測定装置を用いて、25℃、周波数範囲0.1Hz~1MHz、印加電圧10mV(vs.開回路電圧)の条件で測定する。イオン伝導度σは次の式で算出できる。
σ(S・cm-1)=t(cm)/(R(Ω)×A(cm))
式中、Rは、インピーダンスの値を表す。Aは、サンプルの面積を表す。tは、サンプルの厚さを表す。
活性化エネルギー:
上記評価セルを用いたイオン伝導度測定を25、30、40、50、60、及び70℃の条件においても実施し、温度に対するイオン伝導度の変化を測定した。イオン伝導度の常用対数値と温度の逆数のグラフの傾きからアレニウスの式(logk=logA-Ea/RT、k:反応速度定数、A:頻度因子、Ea:活性化エネルギー、R:気体定数、T:絶対温度)により活性化エネルギーを算出した。
リチウムイオン輸率:
グローブボックス内、乾燥アルゴン雰囲気下にて、コイン型リチウム電池CR2032の評価セルを組み立てた。具体的には、評価セル内に以下の順に各層を積層して試験用積層体を作製した。(リチウム/電解質組成物/リチウム)
リチウムイオン輸率測定法は、Polymer,28,2324(1987)に紹介されているものである。
すなわち、室温(25℃)で、試験用積層体に10mVを印加し、初期電流値(I)および定常電流値(Iss)を測定し、さらに電圧印加前の界面抵抗測定値Rと電圧印加後の界面抵抗測定値RSSとを複素インピーダンス法により求めた。そして、得られた値を次式に代入してリチウムイオン輸率(tLi+)を求めた。式中のVは印加電圧である。
Li+=Iss(V-I)/I(V-ISSSS
Figure 2023077150000041
Figure 2023077150000042

Claims (13)

  1. 下記式(A)により表される構造単位(A)の少なくとも一種である第1の構造単位と、
    下記式(B)により表される構造単位(B)及び下記式(C)により表される構造単位(C)の少なくとも一方である第2の構造単位を含む重合体であり、
    前記重合体に含まれる全構造単位に対する第1の構造単位のモル比nが0.2~0.8であり、前記重合体に含まれる全構造単位に対する第2の構造単位のモル比mが0.2~0.8である、重合体。
    Figure 2023077150000043

    (式中、Yは、下記式(A1)~(A6)により表されるいずれかの基であり、*は、構造単位(A)の他の構造単位との結合位置を表す。)
    Figure 2023077150000044

    (式(A1)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A2)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A3)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A4)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A5)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A6)中、R基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。)
    Figure 2023077150000045

    (式(B)中、Xは酸素原子、又はNRにより表される第3級アミノ基であり、Rは1~20個の炭素原子を有する有機基であり、*は、構造単位(B)の他の構造単位との結合位置を表す。)
    Figure 2023077150000046

    (式(C)中、Zは共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-、-OC(=O)-、-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である。R12は水素原子、又は1価の置換基である。Zが共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-又は-OC(=O)-である場合、R11は水素原子又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基であり、Zが-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である場合、R11、R13及びR14はそれぞれ水素原子若しくは1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である、又はR11は、R13又はR14と一緒になって環員として3~10個の原子を有する環を形成している。*は、構造単位(C)の他の構造単位との結合位置を示す。)
  2. 前記構造単位(B)を含む、請求項1に記載の重合体。
  3. 請求項1又は2に記載の重合体と、可塑剤とを含む、電解質組成物。
  4. 前記可塑剤が、カーボネート系溶媒、エーテル系溶媒、フッ素系溶媒、及びイオン液体からなる群から選択される少なくとも一種である、請求項3に記載の電解質組成物。
  5. リチウム化されたフェノール性水酸基を含有する重合体と、可塑剤と、を含む、電解質組成物。
  6. 前記可塑剤がイオン液体を含む、請求項5に記載の電解質組成物。
  7. 前記リチウム化されたフェノール性水酸基を含有する重合体が、主鎖としての炭素鎖と、ペンダント基としてのリチウム化されたフェノール性水酸基を含有する芳香族部分を含む基とを備え、前記主鎖は架橋されていてもよい、請求項5又は6に記載の電解質組成物。
  8. 更にアニオンレセプターを含有する、請求項3~7のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  9. アルカリ金属化されたフェノール性水酸基又はそのアニオンの酸素原子上の非共有電子対を受容可能な低分子化合物を更に含有する、請求項3~7のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  10. リチウムイオンの輸率が0.5以上である、請求項3~9のいずれか一項に記載の電解質組成物。
  11. 下記式(A')により表される単量体(A’)の少なくとも一種である第1の単量体と、下記式(B’)により表される単量体(B’)及び下記式(C’)により表される単量体(C’)の少なくとも一方である第2の単量体とを含む単量体を重合させて原料重合体を得ることと、
    前記原料重合体が有する加水分解されて水酸基となる基を-OM基に変換する工程を含み、
    Mは、Li、Na又はKである、アルカリ金属含有重合体の製造方法。
    Figure 2023077150000047

    (式中、Y’は、下記式(A1’)~(A6’)により表されるいずれかの基である。)
    Figure 2023077150000048

    (式(A1’)中、RA’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A2’)中、RB’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A3’)中、RC’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A4’)中、RD’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A5’)中、RE’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A6’)中、RF’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。)
    Figure 2023077150000049

    (式(B’)中、Xは酸素原子、又はNRにより表される第3級アミノ基であり、Rは1~20個の炭素原子を有する有機基である。)
    Figure 2023077150000050

    (式(C’)中、Zは共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-、-OC(=O)-、-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である。R12は水素原子、又は1価の置換基である。Zが共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-又は-OC(=O)-である場合、R11は水素原子又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基であり、Zが-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である場合、R11、R13及びR14はそれぞれ水素原子若しくは1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である、又はR11は、R13又はR14と一緒になって環員として3~10個の原子を有する環を形成している。)
  12. 下記式(A')により表される単量体(A’)の少なくとも一種である第1の単量体と、下記式(B’)により表される単量体(B’)及び下記式(C’)により表される単量体(C’)の少なくとも一方である第2の単量体とを含む単量体を重合させて原料重合体を得て、前記原料重合体の加水分解されて水酸基となる基を-OM基に変換することにより得られるアルカリ金属含有重合体であって、Mは、Li、Na又はKである、アルカリ金属含有重合体。
    Figure 2023077150000051

    (式中、Y’は、下記式(A1’)~(A6’)により表されるいずれかの基である。)
    Figure 2023077150000052

    (式(A1’)中、RA’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A2’)中、RB’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A3’)中、RC’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A4’)中、RD’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A5’)中、RE’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。式(A6’)中、RF’基のうち少なくとも一つが加水分解されて水酸基となる基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基である。)
    Figure 2023077150000053

    (式(B’)中、Xは酸素原子、又はNRにより表される第3級アミノ基であり、Rは1~20個の炭素原子を有する有機基である。)
    Figure 2023077150000054

    (式(C’)中、Zは共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-、-OC(=O)-、-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である。R12は水素原子、又は1価の置換基である。Zが共有結合、-O-、-S-、-C(=O)-、-C(=O)O-又は-OC(=O)-である場合、R11は水素原子又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基であり、Zが-C(=O)NR13-又は-NR14C(=O)-である場合、R11、R13及びR14はそれぞれ水素原子若しくは1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である、又はR11は、R13又はR14と一緒になって環員として3~10個の原子を有する環を形成している。)
  13. 請求項1若しくは2に記載の重合体、請求項12に記載のアルカリ金属含有重合体、又は請求項3~10のいずれか一項に記載の電解質組成物を含む、電池。
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