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
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Abstract
Description
(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。)
(式(A1)中、RA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、RB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、RC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、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価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A5)中、RE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、RF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(B)中、Xは酸素原子、又はNR6により表される第3級アミノ基であり、R6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。)
(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。)
(式中、Y’は、下記式(A1’)~(A6’)により表されるいずれかの基である。)
(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。)
(式(B’)中、Xは酸素原子、又はNR6により表される第3級アミノ基であり、R6は1~20個の炭素原子を有する有機基である。)
(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。)
(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。)
(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。)
(式(B’)中、Xは酸素原子、又はNR6により表される第3級アミノ基であり、R6は1~20個の炭素原子を有する有機基である。)
(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。
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。
(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。)
(式(A1)中、RA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、RB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、RC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、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価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A5)中、RE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、RF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(B)中、Xは酸素原子、又はNR6により表される第3級アミノ基であり、R6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。)
(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。)
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(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。)
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。
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。
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:-A1-O-(A2-O)k-A3により表される基(A1は1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A2は2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A3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:-A1-O-(A2-O)k-A3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、-CH3OCH2CH2OCH3基又は-CH2CH2-O-CH3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。
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:-A1-O-(A2-O)k-A3により表される基(A1は1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A2は2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A3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。
R44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:-A1-O-(A2-O)k-A3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、-CH3OCH2CH2OCH3基又は-CH2CH2-O-CH3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。
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:-A1-O-(A2-O)k-A3により表される基(A1は1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A2は2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A3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。
R47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:-A1-O-(A2-O)k-A3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、-CH3OCH2CH2OCH3基又は-CH2CH2-O-CH3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。
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:-A1-O-(A2-O)k-A3により表される基(A1は1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A2は2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A3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:-A1-O-(A2-O)k-A3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、-CH3OCH2CH2OCH3基又は-CH2CH2-O-CH3がより好ましい。
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:-A1-O-(A2-O)k-A3により表される基(A1は1又は2個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A2は2又は3個の炭素原子を有するアルキレン基であり、A3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。)
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。
(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。)
(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。)
(式(B’)中、Xは、構造単位(B)のXに対応する基である。)
(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(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。
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
単量体(B2):以下のN-ベンジルマレイミド
単量体(B3):以下のN-エチルマレイミド
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、1H-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。1H-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。
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、1H-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。1H-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。
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、1H-NMRにより求めた。
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。
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。
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(cm2))
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。
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。
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(I0)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R0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。
tLi+=Iss(V-I0R0)/I0(V-ISSRSS)
Claims (13)
- 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。
(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。)
(式(A1)中、RA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、RB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、RC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、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価の置換基であり、Mは、Li、Na又はKである。式(A5)中、RE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、RF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(B)中、Xは酸素原子、又はNR6により表される第3級アミノ基であり、R6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。)
(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。) - 前記構造単位(B)を含む、請求項1に記載の重合体。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
(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。)
(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。)
(式(B’)中、Xは酸素原子、又はNR6により表される第3級アミノ基であり、R6は1~20個の炭素原子を有する有機基である。)
(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。) - 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。
(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。)
(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。)
(式(B’)中、Xは酸素原子、又はNR6により表される第3級アミノ基であり、R6は1~20個の炭素原子を有する有機基である。)
(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。) - 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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