JP4640544B2 - Gphrato copolymer having poly (quaternary ammonium salt) side chain and electrolyte membrane - Google Patents

Gphrato copolymer having poly (quaternary ammonium salt) side chain and electrolyte membrane Download PDF

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Description

本発明は、側鎖に4級アンモニウム塩ポリマー鎖を有するグラフト共重合体および該グラフト共重合体を使用した電解質膜に関する。   The present invention relates to a graft copolymer having a quaternary ammonium salt polymer chain in the side chain and an electrolyte membrane using the graft copolymer.

例えばリチウムイオン電池には、リチウム塩を含んでいる非水電解液が一般に使用されている。この溶液は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどのカーボネート類、γ−ブチロラクトンなどのラクトン、テトラヒドロフランなどのエーテルのような非プロトン性の極性溶媒にリチウム塩を溶かしたものである。しかしながらこれら有機溶媒は揮発し易く、引火性であり、過充電、過放電、及び短絡などの際に安全性の問題がある。また液体電解液は電池を液密にシールする際の取扱いが困難である。ゲル化した非水電解液を使用しても有機溶媒の揮発および引火危険性の問題は解消せず、ゲルから相分離した電解液が漏れる問題は依然残っている。   For example, a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt is generally used for a lithium ion battery. This solution was obtained by dissolving a lithium salt in an aprotic polar solvent such as carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate, lactones such as γ-butyrolactone, and ethers such as tetrahydrofuran. Is. However, these organic solvents are volatile, flammable, and have safety problems during overcharge, overdischarge, short circuit, and the like. Also, the liquid electrolyte is difficult to handle when sealing the battery in a liquid-tight manner. Even if the gelled non-aqueous electrolyte is used, the problem of volatilization of the organic solvent and the danger of ignition are not solved, and the problem that the electrolyte separated from the gel leaks still remains.

最近4級アンモニウムカチオンを含む常温溶融塩にリチウム塩を溶かした非水電解質を使ったリチウムイオン電池が提案されている。例えば特開平10−92467、特開平10−265674、特開平11−92467、特開2002−11230参照。常温溶融塩は常温で液状でありながら、不揮発性で且つ不燃性であるため安全であるが、マトリックスポリマーによりゲル化しても液体を含むため力学的性質が不十分であり、かつ液体が相分離することがあるので、取扱上の問題および電池設計上の問題は依然残っている。   Recently, a lithium ion battery using a non-aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in a room temperature molten salt containing a quaternary ammonium cation has been proposed. For example, see JP-A-10-92467, JP-A-10-265673, JP-A-11-92467, and JP-A-2002-11230. Normal temperature molten salt is safe because it is liquid at normal temperature but is non-volatile and non-flammable, but it contains liquid even when gelled by matrix polymer, and its mechanical properties are insufficient, and the liquid is phase separated. As such, handling issues and battery design issues remain.

イオン伝導性溶融塩を形成するイミダゾリウム塩にビニル基を導入し、この単量体を重合して全固体高分子電解質を製造する提案もなされている。特開平10−83821および特開2000−11753参照。しかしながらこの高分子電解質も充分な力学的強度を持っていない。   There has also been proposed a method for producing an all solid polymer electrolyte by introducing a vinyl group into an imidazolium salt forming an ion conductive molten salt and polymerizing the monomer. See JP-A-10-83821 and JP-A-2000-11753. However, this polymer electrolyte also does not have sufficient mechanical strength.

従って高いイオン伝導度と満足な力学的性質を持っている安全な高分子電解質に対する要望は依然残っている。   Therefore, there remains a need for safe polyelectrolytes with high ionic conductivity and satisfactory mechanical properties.

近年電子機器、特にポータブル電子機器は増々軽量小型化される傾向にあり、そのような機器の電源としてのリチウムイオン電池の電解質材料は、理想的には液体電解質と同程度のイオン伝導度を持ち、一般の熱可塑性プラスチックと同様な機械的強度と成形性を持ち、膜として電極間に配置した時信頼性あるセパレータとしての機能を発揮することが望ましい。   In recent years, electronic devices, in particular portable electronic devices, are becoming lighter and smaller in size, and the electrolyte material of a lithium ion battery as a power source for such devices has ideally the same ionic conductivity as a liquid electrolyte. It is desirable to have the same mechanical strength and moldability as general thermoplastics and to function as a reliable separator when placed between electrodes as a film.

本発明は、4級アンモニウム常温溶融塩(イオン性液体)構造を持つ繰り返し単位を有するポリマー鎖を側鎖に有するグラフト共重合体を提供する。このグラフト共重合体は、ハロゲン置換エチレン性不飽和炭化水素モノマーの単独または共重合体へ、原子移動ラジカル重合法によってグラフト重合した複数のポリ(4級アンモニウム塩)側鎖を有する。   The present invention provides a graft copolymer having a polymer chain having a repeating unit having a quaternary ammonium room temperature molten salt (ionic liquid) structure as a side chain. This graft copolymer has a plurality of poly (quaternary ammonium salt) side chains graft-polymerized to a homo- or copolymer of a halogen-substituted ethylenically unsaturated hydrocarbon monomer by an atom transfer radical polymerization method.

本発明はまた、本発明のグラフト共重合体へリチウム塩をドープしてなるリチウムイオン電池用等電解質膜を提供する。   The present invention also provides an electrolyte membrane for a lithium ion battery obtained by doping the graft copolymer of the present invention with a lithium salt.

好ましい実施態様Preferred embodiment

原子移動ラジカル重合法(ATRP)とは、WO96/30421,WO97/1824,WO98/01480,WO99/54368,WO02/22712に記載されているように、遷移金属の錯塩を触媒に使用するリビング重合法であり、Mw/Mnで表わした分子量分布の狭いポリマーが得られる重合法として知られている。ポリフッ化ビニリデンのようなハロゲン置換エチレン性不飽和炭化水素のポリマーへATRPを使用して他のビニルモノマーをグラフト共重合することもできる。WO02/22712参照。本発明の場合、ハロゲン化エチレン性不飽和炭化水素ポリマー(幹ポリマー)が遷移金属錯塩によって活性化され、フリーラジカルを持つマクロ開始剤が生成する(開始反応)。次に生成したマクロ開始剤がビニル基を有する4級アンモニウム塩モノマーと反応し(成長反応)、停止反応で終る。これらの反応の繰り返しによって幹ポリマーへ4級アンモニウム塩ポリマー鎖がグラフト共重合される。幹ポリマーの主鎖に規則的に結合したハロゲンを持っている場合には生成したグラフト共重合体は櫛型構造となる。
また前記重合方法において、ビニル基と水酸基、エポキシ基、イソシアネート基などの官能基を有するモノマーをグラフトした後、官能基を利用して溶融アンモニウム塩を側鎖に導入することもできる。このようなモノマーとしては、メタクリル酸2ヒドロキシエチル、メタクリル酸グリシジル、2-メタクリロイルオキシエチルイソシアネート、などが挙げられる。
The atom transfer radical polymerization method (ATRP) is a living polymerization method using a transition metal complex salt as a catalyst as described in WO96 / 30421, WO97 / 1824, WO98 / 01480, WO99 / 54368, WO02 / 22712. It is known as a polymerization method for obtaining a polymer having a narrow molecular weight distribution represented by Mw / Mn. Other vinyl monomers can also be graft copolymerized using ATRP to a halogen-substituted ethylenically unsaturated hydrocarbon polymer such as polyvinylidene fluoride. See WO02 / 22712. In the case of the present invention, the halogenated ethylenically unsaturated hydrocarbon polymer (trunk polymer) is activated by the transition metal complex salt to produce a macroinitiator having free radicals (initiation reaction). Next, the produced macroinitiator reacts with a quaternary ammonium salt monomer having a vinyl group (growth reaction), and ends with a termination reaction. By repeating these reactions, a quaternary ammonium salt polymer chain is graft-copolymerized to the backbone polymer. When the halogen has regularly bonded to the main chain of the backbone polymer, the resulting graft copolymer has a comb structure.
In the polymerization method, after grafting a monomer having a vinyl group and a functional group such as a hydroxyl group, an epoxy group, or an isocyanate group, the molten ammonium salt can be introduced into the side chain using the functional group. Examples of such monomers include 2-hydroxyethyl methacrylate, glycidyl methacrylate, 2-methacryloyloxyethyl isocyanate, and the like.

ATRPにおいて触媒として使用し得る錯塩の中心遷移金属種およびリガンド種は上で引用したPCT国際公開公報に詳しく述べられており、ATRPによるグラフト共重合についてはWO02/22712に詳しく開示されている。一般にATRPの開始剤はハロゲン含有化合物であり、錯体の金属種は7族から11族に属する遷移金属、例えば銅、鉄、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、レニウムである。本重合は成長末端のハロゲン原子がモノマーの挿入毎に移動することから、原子移動ラジカル重合と呼ばれている。しかしながら4級アンモニウム塩モノマーをグラフト共重合すること、および生成したグラフト共重合体をリチウムイオン電池のセパレータを兼ねた電解質膜材料に使用することは知られていない。従ってここでは主に幹ポリマーおよびグラフト共重合すべき4級アンモニウム塩モノマーについて詳細に説明することにする。   The central transition metal species and ligand species of complex salts that can be used as catalysts in ATRP are described in detail in the above-cited PCT International Publication, and graft copolymerization with ATRP is disclosed in detail in WO 02/22712. In general, the initiator of ATRP is a halogen-containing compound, and the metal species of the complex is a transition metal belonging to Group 7 to Group 11, such as copper, iron, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, rhenium. This polymerization is called atom transfer radical polymerization because the halogen atom at the growth end moves each time the monomer is inserted. However, it is not known to graft copolymerize a quaternary ammonium salt monomer and to use the resulting graft copolymer as an electrolyte membrane material that also serves as a separator for a lithium ion battery. Therefore, here, the trunk polymer and the quaternary ammonium salt monomer to be graft copolymerized will be mainly described in detail.

本発明において使用し得る幹ポリマーは、ハロゲン化エチレン性不飽和炭化水素モノマーの単独または共重合体である。そのようなモノマーの典型例は塩化ビニル、塩化ビニリデン、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンである。ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリヘキサフルオロプロピレンおよびそれらの共重合体が好ましい。幹ポリマーの分子量は任意であるが、満足な機械的強度を持たせるためには数平均分子量(Mn)が少なくとも50,000〜500,000であることが好ましい。   The backbone polymer that can be used in the present invention is a homo- or copolymer of a halogenated ethylenically unsaturated hydrocarbon monomer. Typical examples of such monomers are vinyl chloride, vinylidene chloride, vinylidene fluoride, tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene. Polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropropylene and copolymers thereof are preferred. The molecular weight of the backbone polymer is arbitrary, but it is preferable that the number average molecular weight (Mn) is at least 50,000 to 500,000 in order to give satisfactory mechanical strength.

4級アンモニウム塩モノマーは、エチレン性不飽和基(ビニルおよびアリル基を含む)を有するアンモニウムカチオンと、フッ素原子含有アニオンとの塩である。   The quaternary ammonium salt monomer is a salt of an ammonium cation having an ethylenically unsaturated group (including vinyl and allyl groups) and a fluorine atom-containing anion.

アンモニウムカチオン種の典型例は、1−ビニル−3−アルキルイミダゾリウムカチオン、4−ビニル−1−アルキルピリジニウムカチオン、1−アルキル−3−アリルイミダゾリウムカチオン、1−(4−ビニルオキシエチル)−3−アルキルイミダゾリウムカチオン、1−ビニルイミダゾリウムカチオン、1−アリルイミダゾリウムカチオン、N−アリルベンゾイミダゾリウムカチオン、N,N-ジアリルアルキルアンモニウムカチオン、ビニルベンジルアルキルアンモニウムカチオン、アクリロイルアミノアルキルアンモニウムカチオンおよびN−(メタ)アクリロイルオキシアルキル−N,N,N−トリアルキルアンモニウムカチオンを含む。
Typical examples of ammonium cation species include 1-vinyl-3-alkylimidazolium cation, 4-vinyl-1-alkylpyridinium cation, 1-alkyl-3-allylimidazolium cation, 1- (4-vinyloxyethyl)- 3-alkyl imidazolium cation, 1-vinyl imidazolium cation, 1-allyl imidazolium cation, N-allyl benzimidazolium cation, N, N-diallylalkyl ammonium cation, vinyl benzyl alkyl ammonium cation, acryloylaminoalkyl ammonium cation and Includes N- (meth) acryloyloxyalkyl-N, N, N-trialkylammonium cations.

フッ素含有アニオン種の典型例は、ビス〔(トリフルオロメチル)スルフォニル〕アミドアニオン、2,2,2−トリフルオロ−N−(トリフルオロメチルスルフォニル)アセトアミドアニオン、ビス〔(ペンタフルオロエチル)スルフォニル〕アミドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)アミドアニオン、テトラフルオロボレートアニオン、およびトリフルオロメタンスルフォネートアニオンを含む。   Typical examples of fluorine-containing anion species are bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide anion, 2,2,2-trifluoro-N- (trifluoromethylsulfonyl) acetamide anion, bis [(pentafluoroethyl) sulfonyl]. Including amide anion, bis (fluorosulfonyl) amide anion, tetrafluoroborate anion, and trifluoromethanesulfonate anion.

幹ポリマーへ第1の反応性官能基を有するエチレン性不飽和モノマーをグラフト共重合し、生成したグラフト重合体の側鎖の第1の反応性官能基との反応により連結基を形成する第2の反応性官能基を有する溶融アンモニウム塩を反応させることによって、溶融アンモニウム塩型のグラフト共重合体を製造することもできる。   A second copolymer is formed by graft-copolymerizing an ethylenically unsaturated monomer having a first reactive functional group to a trunk polymer, and forming a linking group by reacting with the first reactive functional group on the side chain of the resulting graft polymer. A molten ammonium salt-type graft copolymer can also be produced by reacting a molten ammonium salt having a reactive functional group.

連結基を形成する第1の反応性官能基と第2の反応性官能基の組合わせの非限定例は、イソシアネート基とヒドロキシル基またはアミノ基、およびグリシジル基とカルボキシル基である。当業者に自明な反応副生成物を伴わない他の組合わせも勿論本発明の範囲内である。   Non-limiting examples of the combination of the first reactive functional group and the second reactive functional group forming the linking group are an isocyanate group and a hydroxyl group or an amino group, and a glycidyl group and a carboxyl group. Other combinations without reaction byproducts obvious to those skilled in the art are of course within the scope of the present invention.

第1の反応性官能基を有するエチレン性不飽和モノマーは、好ましくは(メタ)アクリル酸エステルである。その例は2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート、2−シアナートエチル(メタ)アクリレートなどである。第2の反応性官能基は4級アンモニウム塩の窒素へ結合した炭化水素基の一つへ結合しており、第1の反応性官能基がヒドロキシル基の場合はイソシアネート基、グリシジル基の場合はカルボキシル基、イソシアネート基の場合はヒドロキシル基またはアミノ基である。例えばN−(3−カルボキシプロピル)−N,N,N−トリメチルアンモニウム塩、ヒドロキシエチルトリメチルアンモニウム塩が好ましい。これらアンモニウム塩のアニオン種は上に挙げたフッ素原子含有アニオン、好ましくはビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドアニオンである。第1または第2の反応官能基がイソシアネート基の場合はこれを公知のブロック剤でブロックすることが好ましい。加熱によってイソシアネート基を再生する任意のブロック剤を使用することができるが、オキシム、例えばメチルエチルケトンとヒドロキシルアミンの反応生成物であるメチルエチルケトオキシムが好ましい。   The ethylenically unsaturated monomer having the first reactive functional group is preferably a (meth) acrylic acid ester. Examples are 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, glycidyl (meth) acrylate, 2-cyanatoethyl (meth) acrylate and the like. The second reactive functional group is bonded to one of the hydrocarbon groups bonded to nitrogen of the quaternary ammonium salt. When the first reactive functional group is a hydroxyl group, it is an isocyanate group, and when it is a glycidyl group, In the case of a carboxyl group or an isocyanate group, it is a hydroxyl group or an amino group. For example, N- (3-carboxypropyl) -N, N, N-trimethylammonium salt and hydroxyethyltrimethylammonium salt are preferable. The anion species of these ammonium salts are the fluorine atom-containing anions mentioned above, preferably bis (trifluoromethylsulfonyl) imide anions. When the first or second reactive functional group is an isocyanate group, it is preferably blocked with a known blocking agent. Although any blocking agent that regenerates isocyanate groups by heating can be used, oximes such as methyl ethyl ketoxime, the reaction product of methyl ethyl ketone and hydroxylamine, are preferred.

ATRPによるグラフト重合反応の条件は先に引用したWO02/22712に記載されている。ATRPによるグラフト共重合の利点の一つは、グラフト共重合体の主鎖の分子量が常に幹ポリマーの主鎖の分子量以上であることである。換言すれば幹ポリマーの解重合を伴わない。従ってグラフト共重合体全体の分子量はグラフトした4級アンモニウム塩ポリマー側鎖全体の分子量分だけ増加する。リチウム塩をドープしたグラフト共重合体に実用的なイオン伝導度を持たせるためには、グラフト共重合体全体の分子量が幹ポリマーの分子量の少なくとも1.5倍、特に2〜5倍であることが好ましい。   The conditions for the graft polymerization reaction by ATRP are described in WO02 / 22712 cited above. One advantage of graft copolymerization with ATRP is that the molecular weight of the main chain of the graft copolymer is always greater than or equal to the molecular weight of the main chain of the backbone polymer. In other words, there is no depolymerization of the trunk polymer. Accordingly, the molecular weight of the entire graft copolymer increases by the molecular weight of the entire grafted quaternary ammonium salt polymer side chain. In order to make the graft copolymer doped with lithium salt have practical ionic conductivity, the molecular weight of the entire graft copolymer should be at least 1.5 times, especially 2 to 5 times the molecular weight of the trunk polymer. Is preferred.

本発明のグラフト共重合体の用途は、典型的にはリチウムイオン電池において負極と正極の間に配置されるセパレータを兼ねた電解質膜の材料であるがこれに限られない。例えば燃料電池のプロトン伝導膜、色素増感湿式太陽電池の電解質膜などの材料にも適している。ここでは例示としてリチウムイオン電池の電解質膜の製造について述べる。   The use of the graft copolymer of the present invention is typically a material for an electrolyte membrane that also serves as a separator disposed between a negative electrode and a positive electrode in a lithium ion battery, but is not limited thereto. For example, it is also suitable for materials such as proton conductive membranes for fuel cells and electrolyte membranes for dye-sensitized wet solar cells. Here, the production of an electrolyte membrane for a lithium ion battery will be described as an example.

この電解質膜はリチウム塩を支持塩として含まなければならない。任意のリチウム塩を使用することができるが、好ましいリチウム塩の典型例は、LiBF,LiPF,CnH2n+1COLi,(FSONLi,(CFSONLi,(CFSOCLi,(CFSO−N−COCF)Li,および(R−SO−N−SOCF)Li〔式中nは1〜4の整数、Rはアルキル基またはアリール基〕を含む。リチウム塩のドープ量は、重量比でグラフト共重合体を1とした場合、一般に0.05〜0.8、好ましくは0.1〜0.7、最も好ましくは0.15〜0.5の範囲である。 This electrolyte membrane must contain a lithium salt as a supporting salt. Although any lithium salt can be used, typical examples of preferred lithium salts are LiBF 4 , LiPF 6 , CnH 2n + 1 CO 2 Li, (FSO 2 ) 2 NLi, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (CF 3 SO 2 ) 3 CLi, (CF 3 SO 2 —N—COCF 3 ) Li, and (R—SO 2 —N—SO 2 CF 3 ) Li [wherein n is an integer of 1 to 4, R is an alkyl group Or an aryl group]. The dope amount of the lithium salt is generally 0.05 to 0.8, preferably 0.1 to 0.7, and most preferably 0.15 to 0.5, when the graft copolymer is 1 by weight ratio. It is a range.

電池の使用温度よりグラフト共重合体のTgが高い場合、または機械的強度とのバランスを保ちつつ膜のイオン伝導度を高めたい場合には、グラフト共重合体を可塑化ないしゲル化することができる。この目的に使用し得る可塑剤は、リチウムイオン電池に一般に使用されている非水液体電解質の溶媒でも良いが、好ましいのはイオン性液体、すなわち重合性官能基を持たないアンモニウム塩系常温溶融塩である。多数のそのようなイオン性液体が知られているが、好ましい典型例はアンモニウムカチオン種がN−メチル−N−プロピルピリジニウムカチオン、N−メトキシエチル−N−メチル−N,N−ジエチルアンモニウムカチオン、またはN,N,N−トリエチル−N−メトキシエチルアンモニウムカチオンから選ばれ、アニオン種がビス〔(トリフルオロメチル)スルフォニル〕アミドアニオン、またはテトラフルオロボレートアニオンから選ばれた4級アンモニウム塩化合物である。イオン性液体による可塑化もやはりグラフト共重合体膜の機械的強度に影響するので、イオン伝導度と機械的強度が最適にバランスするようにその量を定めなければならない。重量比でグラフト共重合体を1とした場合、イオン性液体の比率は一般に1.0以下、好ましくは1.0〜0.5である。   If the Tg of the graft copolymer is higher than the operating temperature of the battery, or if it is desired to increase the ionic conductivity of the membrane while maintaining a balance with the mechanical strength, the graft copolymer may be plasticized or gelled. it can. The plasticizer that can be used for this purpose may be a solvent of a non-aqueous liquid electrolyte generally used in lithium ion batteries, but is preferably an ionic liquid, that is, an ammonium salt-based room temperature molten salt having no polymerizable functional group. It is. A number of such ionic liquids are known, but the preferred typical example is that the ammonium cation species is N-methyl-N-propylpyridinium cation, N-methoxyethyl-N-methyl-N, N-diethylammonium cation, Or a quaternary ammonium salt compound selected from N, N, N-triethyl-N-methoxyethylammonium cations and an anion species selected from bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide anions or tetrafluoroborate anions. . Since plasticization with an ionic liquid also affects the mechanical strength of the graft copolymer membrane, the amount must be determined so that the ionic conductivity and mechanical strength are optimally balanced. When the weight ratio of the graft copolymer is 1, the ratio of the ionic liquid is generally 1.0 or less, preferably 1.0 to 0.5.

電解質膜は、例えばN−メチル-2ピロリドン(NMP)のような溶媒にグラフト共重合体を溶解し、これにドープすべきリチウム塩および使用する場合イオン性液体を溶解し、得られた溶液をガラスプレートまたはポリエステルフィルムのような基板の上にキャストし、溶媒を乾燥した後フィルムを剥離することによって製造することができる。その後膜をコンパクト化するため真空下ヒートプレスすることが好ましい。このようにして製造した電解質膜は信頼性あるセパレータとしても機能する十分な性能を備えているものと信じられるが、必要あればシリカウィスカー、ガラス短繊維のような電気化学的に不活性な補強材を上の溶液に懸濁し、膜を補強してもよい。   The electrolyte membrane is prepared by dissolving a graft copolymer in a solvent such as N-methyl-2pyrrolidone (NMP), dissolving a lithium salt to be doped therein and an ionic liquid when used, and dissolving the obtained solution. It can be produced by casting on a substrate such as a glass plate or polyester film, drying the solvent and then peeling the film. Thereafter, it is preferable to heat press under vacuum in order to make the membrane compact. The electrolyte membrane produced in this way is believed to have sufficient performance to function as a reliable separator, but if necessary, electrochemically inert reinforcements such as silica whiskers and short glass fibers. The material may be suspended in the above solution to reinforce the membrane.

得られた電解質膜はリチウムイオン電池に使用される公知の負極と正極の間にサンドイッチされる。負極および正極の活物質の上にも上の溶液を塗布または含浸し、同様に溶媒を乾燥後真空下ヒートプレスしてコンパクト化するのが好ましい。   The obtained electrolyte membrane is sandwiched between a known negative electrode and a positive electrode used in a lithium ion battery. It is preferable to apply or impregnate the above solution also on the negative electrode and the positive electrode active material, and similarly to dry the solvent and then heat-press it under vacuum to make it compact.

以下実施例によって本発明を例証する。これら実施例においては幹ポリマーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、遷移金属塩として塩化銅(I)を、錯塩の配位子として4,4’−ジメチル−2,2’−ジピリジル(BPY)を使用したが、先行技術に開示されている他の幹ポリマー、遷移金属塩および配位子を使用して本発明のグラフト共重合体を合成し得ることが認められるであろう。なお実施例中使用されている略号の意味は次のとおりである。   The following examples illustrate the invention. In these examples, polyvinylidene fluoride (PVDF) is used as the backbone polymer, copper (I) chloride is used as the transition metal salt, and 4,4′-dimethyl-2,2′-dipyridyl (BPY) is used as the ligand of the complex salt. Although used, it will be appreciated that other backbone polymers, transition metal salts and ligands disclosed in the prior art can be used to synthesize the graft copolymers of the present invention. In addition, the meaning of the symbol used in the Example is as follows.

PVDF:ポリフッ化ビニリデン
NMP:N−メチル-2-ピロリドン
BPY:4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジル
MOETMA・TFSI:N−メタクリロイルオキシエチル−N,N,N−トリメチルアンモニウム・ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド塩
HTFSI:ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド酸
PVDF: polyvinylidene fluoride NMP: N-methyl-2-pyrrolidone BPY: 4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridyl MOETMA • TFSI: N-methacryloyloxyethyl-N, N, N-trimethylammonium bis ( Trifluoromethylsulfonyl) imide salt HTFSI: bis (trifluoromethylsulfonyl) imidic acid

攪拌機を備えた三口フラスコにPVDF2gとNMP30gを加えて溶解し、次いてMOETMA・TFSI28g(PVDFの1繰返し単位に対して2mol相当)を加えて攪拌溶解した。次にこの溶液へNMP10g中BPY0.2gと塩化銅(CuCl)0.04gの溶液を加えて攪拌しながらアルゴンガスを吹き込んだ。そして水浴中90℃で20時間反応させた。反応終了後反応液へ40%エタノール水溶液500mlを加えて攪拌し、析出物を濾過によって分離し、NMP30gに再溶解し、再び40%エタノール水溶液500mlを加えてグラフト共重合体を析出させ、濾過したのち70℃で真空乾燥してグラフト共重合体8.8gを得た。赤外スペクトル分析により、MOETMA・TFSIが33mol%グラフトしていることが確かめられた。   In a three-necked flask equipped with a stirrer, 2 g of PVDF and 30 g of NMP were added and dissolved, and then 28 g of MOETMA · TFSI (corresponding to 2 mol per 1 PVDF repeating unit) was added and dissolved by stirring. Next, a solution of 0.2 g of BPY and 0.04 g of copper chloride (CuCl) in 10 g of NMP was added to this solution, and argon gas was blown into the solution while stirring. And it was made to react at 90 degreeC for 20 hours in a water bath. After completion of the reaction, 500 ml of 40% ethanol aqueous solution was added to the reaction solution and stirred, and the precipitate was separated by filtration, redissolved in 30 g of NMP, and again added with 500 ml of 40% ethanol aqueous solution to precipitate the graft copolymer and filtered. Thereafter, it was vacuum dried at 70 ° C. to obtain 8.8 g of a graft copolymer. Infrared spectrum analysis confirmed that 33 mol% of MOETMA · TFSI was grafted.

攪拌機を備えた三口フラスコにPVDF2gとNMP30gを加えて溶解し、次いてMOETMA・HCl6.5g(PVDF1単位あたり1molに相当)を加えて溶解した。次にこの溶液へNMP10g中BPY0.2gと塩化銅(CuCl)0.04gの溶液を加えて攪拌しながらアルゴンガスを吹き込んだ。そして水浴中90℃で20時間反応させた。反応終了後反応生成物を実施例1と同様に精製・乾燥してグラフト共重合体3.0gを得た。これをNMP30gに再溶解し、70%HTFSI水溶液2gを加え、50℃で1時間攪拌し、反応液へ40%エタノール水溶液500mlを加えて生成物を析出させ、この操作を2回繰り返した後70℃で4時間真空乾燥し、アニオン交換されたグラフト共重合体4.1gを得た。赤外スペクトル分析により、MOETMA・TFSIが12mol%グラフトしていることが確かめられた。   In a three-necked flask equipped with a stirrer, 2 g of PVDF and 30 g of NMP were added and dissolved, and then 6.5 g of MOETMA · HCl (corresponding to 1 mol per unit of PVDF) was added and dissolved. Next, a solution of 0.2 g of BPY and 0.04 g of copper chloride (CuCl) in 10 g of NMP was added to this solution, and argon gas was blown into the solution while stirring. And it was made to react at 90 degreeC for 20 hours in a water bath. After completion of the reaction, the reaction product was purified and dried in the same manner as in Example 1 to obtain 3.0 g of a graft copolymer. This was redissolved in 30 g of NMP, 2 g of 70% HTFSI aqueous solution was added, and the mixture was stirred at 50 ° C. for 1 hour, and 500 ml of 40% ethanol aqueous solution was added to the reaction solution to precipitate the product. Vacuum drying at 4 ° C. for 4 hours yielded 4.1 g of an anion exchanged graft copolymer. Infrared spectrum analysis confirmed that 12 mol% of MOETMA · TFSI was grafted.

イソシアネート基とヒドロキシル基の反応による溶融アンモニウム塩基の導入
攪拌機を備えた三口フラスコにPVDF2gとNMP30gを加えて溶解し、次いで2−シアナートエチルメタアクリートのメチルエチルケトオキシムブロック化物15g(PVDF1単位あたり2mol)を加えて溶解した。次にこの溶液へNMP10g中BPY0.2gと塩化銅(CuCl)0.04gの溶液を加えて攪拌しながらアルゴンガスを吹き込んだ。そして水浴中90℃で20時間反応させた。反応生成物を実施例1と同様に精製・乾燥してグラフト共重合体4.2gを得た。このポリマーをNMP40gに溶解し、ヒドロキシエチルトリメチルアンモニウム・TFSI3.5gを加え、145℃で1時間反応させ、側鎖に溶融アンセニウム塩を導入した。反応終了後実施例1と同様に精製することによって溶融アンモニウム塩基が導入された側鎖を有するグラフト共重合体が得られる。
Introduction of molten ammonium base by reaction of isocyanate group and hydroxyl group In a three-necked flask equipped with a stirrer, 2 g of PVDF and 30 g of NMP were added and dissolved. In addition, it was dissolved. Next, a solution of 0.2 g of BPY and 0.04 g of copper chloride (CuCl) in 10 g of NMP was added to this solution, and argon gas was blown into the solution while stirring. And it was made to react at 90 degreeC for 20 hours in a water bath. The reaction product was purified and dried in the same manner as in Example 1 to obtain 4.2 g of a graft copolymer. This polymer was dissolved in 40 g of NMP, 3.5 g of hydroxyethyltrimethylammonium · TFSI was added, and the mixture was reacted at 145 ° C. for 1 hour to introduce a molten ansenium salt into the side chain. After completion of the reaction, purification is carried out in the same manner as in Example 1 to obtain a graft copolymer having a side chain into which a molten ammonium base has been introduced.

エポキシ基とカルボキシル基の反応による溶融アンモニウム塩基の導入
攪拌機を備えた三口フラスコにPVDF2gとNMP30gを加えて溶解し、次いでグリシジルメタクリレート6.7g(PVDF1単位あたり1.5mol)とNMP10g中BPY0.2gおよび塩化銅(CuCl)0.04gの溶液を加えて攪拌し、アルゴンガスを吹き込んだ。そして水浴中90℃で20時間反応させた。反応生成物を実施例1と同様に精製・乾燥してグラフト共重合体2.9gを得た。このポリマーをNMP40gに溶解し、N−(2−カルボキシプロピル)−N,N,N−トリメチルアンモニウム・TFSI2.7gを加え、80℃で1時間反応させ、側鎖に溶融アンセニウム塩を導入した。反応終了後実施例1と同様に精製することによって溶融アンモニウム塩基が導入された側鎖を有するグラフト共重合体が得られる。
Introduction of molten ammonium base by reaction of epoxy group and carboxyl group In a three-necked flask equipped with a stirrer, 2 g of PVDF and 30 g of NMP were added and dissolved, then 6.7 g of glycidyl methacrylate (1.5 mol per unit of PVDF) and 0.2 g of BPY in 10 g of NMP and A solution of copper chloride (CuCl) 0.04 g was added and stirred, and argon gas was blown in. And it was made to react at 90 degreeC for 20 hours in a water bath. The reaction product was purified and dried in the same manner as in Example 1 to obtain 2.9 g of a graft copolymer. This polymer was dissolved in 40 g of NMP, 2.7 g of N- (2-carboxypropyl) -N, N, N-trimethylammonium · TFSI was added, and the mixture was reacted at 80 ° C. for 1 hour to introduce a molten ansenium salt into the side chain. After completion of the reaction, purification is carried out in the same manner as in Example 1 to obtain a graft copolymer having a side chain into which a molten ammonium base has been introduced.

電解質膜の成形
実施例1の操作に従ってPVDF:MOETMA・TFSIの重量比17:3のグラフト共重合体を製造した。このグラフト共重合体をジメチルアセタミドに溶解し、LiTFSIを加えてグラフト共重合体:リチウム塩の重量比が7:3の溶液とし、ジメチルアセタミドで20重量%に濃度を調整した。この溶液を目盛りを100μmに調節したアプリケーターを用いてガラス板に塗工し、真空下110℃で10分間乾燥し、膜厚30μmのリチウムイオン電池用の電解質膜を得た。この電解質膜のイオン伝導度は26×10−3S/cmであり、引張り強度は13MPaであった。
Molding of electrolyte membrane A graft copolymer having a PVDF: MOETMA · TFSI weight ratio of 17: 3 was produced according to the procedure of Example 1. This graft copolymer was dissolved in dimethylacetamide, LiTFSI was added to obtain a solution having a graft copolymer: lithium salt weight ratio of 7: 3, and the concentration was adjusted to 20% by weight with dimethylacetamide. This solution was applied to a glass plate using an applicator whose scale was adjusted to 100 μm, and dried at 110 ° C. for 10 minutes under vacuum to obtain an electrolyte membrane for a lithium ion battery having a thickness of 30 μm. The electrolyte membrane had an ionic conductivity of 26 × 10 −3 S / cm and a tensile strength of 13 MPa.

電解質膜の厚みは塗工量(アプリケーターの目盛り)を調節することによって10μmから100μmの範囲で変更可能である。   The thickness of the electrolyte membrane can be changed in the range of 10 μm to 100 μm by adjusting the coating amount (applicator scale).

Claims (15)

ハロゲン置換エチレン性不飽和炭化水素モノマーの単独または共重合体よりなる幹ポマーへ、原子移動ラジカル重合法によりグラフト共重合した側鎖にポリ(4級アンモニウムカチオン)とフッ素原子含有アニオンを有するグラフト共重合体。A graft copolymer having a poly (quaternary ammonium cation) and a fluorine atom-containing anion in the side chain graft-copolymerized by a atom transfer radical polymerization method to a trunk pomer comprising a halogen-substituted ethylenically unsaturated hydrocarbon monomer alone or as a copolymer. Polymer. ハロゲン置換エチレン性不飽和炭化水素モノマーの単独または共重合体よりなる幹ポマーへ、原子移動ラジカル重合法により、エチレン性不飽和基を有する4級アンモニウムカチオンとフッ素原子含有アニオンとの溶融塩である単量体をグラフト共重合し、側鎖にポリ(4級アンモニウムカチオン)とフッ素原子含有アニオンを有するグラフト共重合体。 It is a molten salt of a quaternary ammonium cation having an ethylenically unsaturated group and a fluorine atom-containing anion by an atom transfer radical polymerization method into a trunk pomer comprising a halogen-substituted ethylenically unsaturated hydrocarbon monomer alone or as a copolymer. A graft copolymer obtained by graft copolymerizing monomers and having poly (quaternary ammonium cation) and a fluorine atom-containing anion in the side chain. 前記幹ポリマーは、ポリフッ化ビニリデン、ポリ(テトラフルオロエチレン)、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン)、又はそれらの共重合体である請求項1または2記載のグラフト共重合体。The graft copolymer according to claim 1 or 2, wherein the trunk polymer is polyvinylidene fluoride, poly (tetrafluoroethylene), poly (hexafluoropropylene), or a copolymer thereof. 前記エチレン性不飽和基を有する4級アンモニウムカチオンは、1−ビニル−3−アルキルイミダゾリウムカチオン、4−ビニル−1−アルキルピリジニウムカチオン、1−アルキル−3−アリルイミダゾリウムカチオン、1−(4−ビニルオキシエチル)−3−アルキルイミダゾリウムカチオン、1−ビニルイミダゾリウムカチオン、1−アリルイミダゾリウムカチオン、N−アリルベンゾイミダゾリウムカチオン、N,N−ジアリルアルキルアンモニウムカチオン、N−アルキルピペリジニウムカチオン、ビニルベンジルアルキルアンモニウムカチオン、アクリロイルアミノアルキルアンモニウムカチオンおよびN−(メタ)アクリロイルオキシアルキル−N,N,N−トリアルキルアンモニウムカチオンからなる群から選ばれる請求項1〜3のいずれかに記載のグラフト共重合体。  The quaternary ammonium cation having an ethylenically unsaturated group includes 1-vinyl-3-alkylimidazolium cation, 4-vinyl-1-alkylpyridinium cation, 1-alkyl-3-allylimidazolium cation, 1- (4 -Vinyloxyethyl) -3-alkylimidazolium cation, 1-vinylimidazolium cation, 1-allylimidazolium cation, N-allylbenzimidazolium cation, N, N-diallylalkylammonium cation, N-alkylpiperidinium Claims selected from the group consisting of cations, vinylbenzylalkylammonium cations, acryloylaminoalkylammonium cations and N- (meth) acryloyloxyalkyl-N, N, N-trialkylammonium cations. Graft copolymer according to any one of to 3. 前記フッ素含有アニオンは、ビス〔(トリフルオロメチル)スルフォニル〕アミドアニオン、2,2,2−トリフルオロ−N−(トリフルオロメチルスルフォニル)アセトアミドアニオン、ビス〔(ペンタフルオロエチル)スルフォニル〕アミドアニオン、ビス(フルオロスルフォニル)アミドアニオン、テトラフルオロボレートアニオン、およびトリフルオロメタンスルフォネートアニオンからなる群から選ばれる請求項1〜4のいずれかに記載のグラフト共重合体。  The fluorine-containing anion includes a bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide anion, 2,2,2-trifluoro-N- (trifluoromethylsulfonyl) acetamide anion, bis [(pentafluoroethyl) sulfonyl] amide anion, The graft copolymer according to any one of claims 1 to 4, which is selected from the group consisting of a bis (fluorosulfonyl) amide anion, a tetrafluoroborate anion, and a trifluoromethanesulfonate anion. 前記アンモニウム塩基の導入は、幹ポリマーへイソシアネート基およびグリシジル基から選ばれた第1の反応性官能基を有するエチレン性不飽和モノマーをグラフト共重合し、グラフト共重合後側鎖の第1の反応性官能基との反応によって連結基を形成するヒドロキシル基、アミノ基およびカルボキシル基から選ばれる第2の反応性官能基を有する溶融アンモニウム塩を反応させることによって行われる請求項1〜5のいずれかに記載のグラフト共重体。The introduction of the ammonium base involves graft copolymerization of an ethylenically unsaturated monomer having a first reactive functional group selected from an isocyanate group and a glycidyl group into the trunk polymer, and the first reaction of the side chain after the graft copolymerization. 6. The reaction according to claim 1, which is performed by reacting a molten ammonium salt having a second reactive functional group selected from a hydroxyl group, an amino group, and a carboxyl group, which forms a linking group by reaction with the functional group. The graft copolymer described in 1. 前記第1の反応性官能基と第2の反応性官能基の組合わせは、イソシアネート基とヒドロキシル基もしくはアミノ基の組合わせ、またはグリシジル基とカルボキシル基の組合わせから選ばれる請求項6記載のグラフト共重合体。  The combination of the first reactive functional group and the second reactive functional group is selected from a combination of an isocyanate group and a hydroxyl group or an amino group, or a combination of a glycidyl group and a carboxyl group. Graft copolymer. 前記第1の反応性官能基を有するエチレン性不飽和モノマーはグリシジル(メタ)アクリレートであり、第2の反応性官能基を有する溶融アンモニウム塩はN−(3−カルボキシプロピル)−N,N,N−トリメチルアンモニウムカチオンとビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドアニオンとの塩である請求項6記載のグラフト共重合体。  The ethylenically unsaturated monomer having the first reactive functional group is glycidyl (meth) acrylate, and the molten ammonium salt having the second reactive functional group is N- (3-carboxypropyl) -N, N, The graft copolymer according to claim 6, which is a salt of N-trimethylammonium cation and bis (trifluoromethylsulfonyl) imide anion. 前記第1の反応官能基を有するエチレン性不飽和モノマーは2−イソシアナートエチル(メタ)アクリレートのブロック体であり、第2の反応性官能基を有する溶融アンモニウム塩はヒドロキシエチルトリメチルアンモニウムカチオンとビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、アニオンとの塩である請求項6記載のグラフト共重合体。  The ethylenically unsaturated monomer having the first reactive functional group is a block of 2-isocyanatoethyl (meth) acrylate, and the molten ammonium salt having the second reactive functional group is a hydroxyethyltrimethylammonium cation and bis. The graft copolymer according to claim 6, which is a salt with (trifluoromethylsulfonyl) imide and an anion. 請求項1〜9のいずれかに記載のグラフト共重合体に、リチウム塩をドープしたリチウムイオン電池用電解質膜。 The electrolyte membrane for lithium ion batteries which doped the lithium salt to the graft copolymer in any one of Claims 1-9 . 前記リチウム塩は、LiBF,LiPF,CnF2n+1COLi,(FSONLi,(CFSONLi,(CSONLi,(CFSO−N−COCF)Li,および(R−SO−N−SOCF)Li〔式中nは1〜4の整数、Rはアルキル基またはアリール〕からなる群から選ばれる請求項10記載の電解質膜。The lithium salt includes LiBF 4 , LiPF 6 , CnF 2n + 1 CO 2 Li, (FSO 2 ) 2 NLi, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi, (CF 3 SO 2 − n-COCF 3) Li, and (R-SO 2 -N-SO 2 CF 3) Li [wherein n is an integer of 1 to 4, R represents an alkyl group or an aryl] claim 10 selected from the group consisting of Electrolyte membrane. 非重合性溶融4級アンモニウム塩化合物で可塑化されている請求項10または11に記載の電解質膜。  The electrolyte membrane according to claim 10 or 11, which is plasticized with a non-polymerizable molten quaternary ammonium salt compound. 前記非重合性4級アンモニウム塩化合物は、アンモニウムカチオン種がN−メチル−N−プロピルピペジニウムカチオン、N−メトキシエチル−N−メチル−N,N−ジエチルアンモニウムカチオンおよびN,N,N−トリエチル−N−メトキシエチルアンモニウムカチオンから選ばれるカチオンと、ビス〔(トリフルオロメチル)スルフォニル〕アミドアニオン、およびテトラフルオロボレートアニオンから選ばれるアニオンを含む塩化合物である請求項12に記載の電解質膜。In the non-polymerizable quaternary ammonium salt compound, the ammonium cation species is N-methyl-N-propylpipedinium cation, N-methoxyethyl-N-methyl-N, N-diethylammonium cation and N, N, N- The electrolyte membrane according to claim 12, which is a salt compound containing a cation selected from triethyl-N-methoxyethylammonium cation , a bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide anion, and an anion selected from a tetrafluoroborate anion. 前記リチウム塩のグラフト共重合体に対する重量比が0.1:1〜1:1である請求項10〜13のいずれかに記載の電解質膜。  The electrolyte membrane according to claim 10, wherein a weight ratio of the lithium salt to the graft copolymer is 0.1: 1 to 1: 1. 前記非重合性4級アンモニウム塩化合物のグラフト共重合体に対する重量比が0.1:1〜1:1である請求項10〜14のいずれかに記載の電解質膜。  The electrolyte membrane according to claim 10, wherein a weight ratio of the non-polymerizable quaternary ammonium salt compound to the graft copolymer is 0.1: 1 to 1: 1.
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