JP5270600B2 - ポリキノン系イオン性化合物から得られる新規電極材料及びそれらの電気化学的ジェネレーターにおける使用 - Google Patents
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Description
M+ は、アルカリ金属陽イオン、アルカリ土類金属陽イオン、遷移金属陽イオン、希土類陽イオン、有機金属陽イオン、「ニウム」型の有機陽イオン、陽イオン性酸化型共役ポリマーの繰返し単位、又は酸化還元性を有していてもよい単量体若しくは重合体陽イオンを表し;
Xは酸素、NCN又はC(CN)2 であり;
ZはC−Y- 又はN- であり;
Yは、酸素、硫黄、NCN、−C(CN)2 であるが、Yが硫黄である場合にn≦4でありXが酸素であることを条件とし;
R1 は、存在しないか又はO、S、NH、−(C=C)r −、−(W=W)r −であり、ここでWは独立にCR6 又はNであり;
rは1〜12であり;
R6 は、H、ハロゲン、CN、又は任意に1つ以上の置換基オキサ、アザ又はチアを有していても良いC1-12アルキル、C2-12アルケニル若しくはC6-14アリールであり、2つのR6 基が結合して3〜7員環を形成していても良く;
R2 及びR3 は、同じであっても相異なっていても良く、存在しないか、又は任意にアザ、オキサ若しくはチアにより置換されていても良い二価炭素基であり;
qは0〜pであり;
pは1〜5であり;
nは1〜104 であり;
R1 、R2 及びR3 のうちの2つが結合しあって3〜7員環を形成していてもよい)
により表される少なくとも1つの酸化状態を有する酸化還元化合物から構成される。
2.10gのロジゾン酸二水和物(Lancaster Windham )をイソプロパノール中で839mg の水酸化リチウム一水和物により処理した。懸濁液を濾過し、黒色沈澱物を50℃で予備乾燥させると次のロジゾン酸リチウム:
厚さ30mmのリチウムフィルム、リチウムイオンに対するポリマーの酸素の数の比が12:1となるように分子量9×104 のポリエチレンオキシドとリチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(LiTFSI)の錯体から調製されたポリマー電解質を用いてリチウムバッテリを作製した。常用の溶剤を溶媒とする溶液を塗布し、蒸発させ、乾燥させると、厚さ約80μmのフィルムが形成された。正極は、例1で調製されたロジゾン酸リチウム40% v/v 、カーボンブラック(Ketjen black(登録商標))5重量%及び前述の電解質組成物の電解質5% v/v の混合物を含むものであったが、得られたものは分子量が105 であるポリマーであった。アセトニトリルを混合物に加え、得られた懸濁液を、ステンレススチール容器内でジルコンボールにより均質化した。直径1.6cm のステンレススチールディスク上に懸濁液を塗布し、溶剤を蒸発させた後厚さ60mmの層を形成させることによって、電極を得た。中性雰囲気(ヘリウム雰囲気、O2 ,H2 O<1ppm )中で、3つの部材、すなわちアノード−電解質−カソードをプレスすることによってボタンバッテリ型のバッテリを集成し、デジタル式ポテンシオスタット Macpile(登録商標)を用いて80℃でスローボルタンメトリーで試験した。305mAh・g-1の容量にそれぞれ対応する2つの活性領域が、Li+ /Li0 対に関して約2.8 V〜約1.8 Vにあった。比較のために、マンガンスピネルLiMn2 O4 を基材とする電極の容量は、2.9 Vで153mAh・g-1の理論最大容量を有し、マンガンの溶解を制限するためにこの化合物を修飾したもの、例えばLi1.05Mn1.85Al0.1 O4 は115mAh・g-1の容量を示した。
イソプロパノール溶液中で過剰のリチウムイソプロポキシドによりテトラヒドロキシベンゾキノンを処理すると、次の反応:
ロジゾン酸カリウムK2 C6 O6 (Fluka )を、例2の条件と同様な条件で処理して電気化学的ジェネレーターを作製した。容量は、225mAh・g-1の理論容量の93%に相当する210mAh・g-1であった。
3.5 gのロジゾン酸二水和物と3.5 gの酢酸銅二水和物とをメタノール中で反応させることによりロジゾン酸銅を調製した。溶剤及び反応により生成した酢酸の蒸発後、ロジゾン酸銅を110 ℃でほぼ真空で乾燥させた。リチウムアノード及びゲル型電解質(フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロペンのコポリマー45%、LiBF4 の1Mγ−ブチロラクトン溶液55%)を含むジェネレーターで得られた容量は、3.3 〜2.5 V対Li+ /Li0 で4つの電子に対する理論容量の94%に相当する450mAh・g-1であった。
DMF中でテトラフルオロベンゾキノンに2当量のシアナミドの二リチウム塩Li2 NCNを反応させることによって、化合物:
濃硫酸中で没食子酸を縮合させることによりRobiquetの方法(Ann. 19, (1836), 204)に従ってルフィ没食子酸を調製した。中性条件下でTHF中にルフィ没食子酸を懸濁させ、リチウムイソプロポキシドで処理することによって、6置換リチウム塩を調製した。得られた塩を濾過し、乾燥窒素中で乾燥させた。ジキノン型への酸化は、アセトニトリル中でこの化合物4.0 gと化学量論的量の[ビス(トリフルオロアセトキシ)ヨード]ベンゼン(10.18 g)とを反応させることにより行った。濾過及び乾燥後、次の化合物:
この化合物は、2.5 〜3.2 V対Li+ /Li0 で358mAh・cm-2の可逆的容量を有する。
メタノール中で1.40gのtrans-trans ムコン酸(Sigma )を0.739 gの炭酸リチウムで処理した。蒸発及び真空乾燥後、ムコン酸リチウム25% v/v 、Ketjen black10%及び高分子電解質65%のカソード混合物を使用することによって、例2のものと同様なジェネレーターを作製した。この化合物は、リチウムに対して1.3 Vで、式当たり電子0.8 個の可逆的容量を有する。この化合物をリチウムイオン型バッテリにおいて負極として使用することもできる。
酢酸中で24時間攪拌しながらジヒドロキシ酒石酸ナトリウム塩(22.6g,Janssen Chemicals )に5gのヒドラジン一水和物N2 H4 ・H2 Oを作用させることによって、5gのヒドラジン共役したアジノ官能基(還元された状態にあるジアゾ官能基)を有するポリマーを調製した。暗褐色のポリマーをイソプロパノール中で沈澱させ、濾過により分離し、乾燥させた。この化合物は、ポリマーの繰返し単位当たり2個の電子が関与する酸化還元特性を有する(容量は290mAh・g-1)。イオン交換カラムに通すことにより得られたリチウム塩は360mAh・g-1の容量を有する。その容量が50%減少したポリマーの式は、
エタノール中でジブトキシ−3,4−シクロブタン−1,2−ジオン(22.62 g,Aldrich )にカリウムヒドロゲノスルフィド(14.43 g,Alpha )を反応させることによりジチオスクアリン酸のカリウム塩を調製した。黄色塩が得られ、水−エタノール混合物中で再結晶化させた。この塩は、式:
アセトニトリル中の懸濁液の状態にあるこの塩18gに、機械的攪拌のもとに、テトラブチルアンモニウムトリブロミド(34.6g)のアセトニトリル溶液を加えた。1時間後、黄色沈澱物を濾過し、乾燥させると、
この化合物は、2.8 V対Li+ /Li0 の平均電位で385mAh・g-1の可逆的容量を有し、プロピレンカーボネート及びその混合物又はポリエチレンオキシドを基材とする溶媒和しうるポリマーのような電解質へのその溶解度はポリジメルカプトチアジアゾールとは対照的にごくわずかである。
ピリジンの存在下、プロピレンカーボネート中でチオウレアにチオホスゲンを反応させることによりシッフポリ塩基であるポリ(チオシアン)酸を調製した。暗褐色の懸濁液を100mlの水に入れ、沈澱物を濾過し、水で洗浄した。この生成物は、展開した式が、
還元された状態にあるこのポリマーを、ピリジンの存在下でアセトニトリル溶液中のヨウ素により酸化させ、残留懸濁液を無色溶出液が得られるまでアセトニトリルで洗浄した。褐色を帯びた黒色の粉末は、ポリマー:
このようして得られた化合物を40% v/v 含む正極を使用する例2に記載のものと同様な電気化学的ジェネレーターは、3〜2.4 V対Li+ /Li0 で360mAh・g-1の容量、すなわち478mAh・g-1の理論容量の75%の容量を示した。
チオウレアをシアノ酢酸のチオアミドで置換することにより例11と同様にして、式:
Wallenfel & al. (Ann. 1963, 667)の方法に従ってテトラアミノベンゾキノンを調製した。この化合物16.8gとクロラニル(テトラクロロベンゾキノン)2.46gをボールミルで混合し、Buchi TO51オーブン内250 ℃でアルゴン中で加熱し、続いて真空中350 ℃で処理した。得られた化合物は、式:
このポリマーの懸濁液をリチウムイソプロポキシドのイソプロパノール溶液で処理することによって前記化合物のリチウム塩を得た。この化合物は、2.4 〜3V対Li+ /Li0 で 345Ah・g-1の可逆的容量、すなわち420mAh・g-1である理論容量の75%である可逆的容量を有する。このポリマーのリチウム塩を、無水DMF中で一緒に摩砕することによりモル比1:2でテトラクロロベンゾキノンを窒化リチウムを反応させることにより得ることができた。
エチレンと一酸化炭素が完全に交互に並んだポリマーをHiraguri等(J. Am. Chem. Soc., 1987, 109, 3779)の方法に従って得た。このポリマー56.06 gをヘキサフルオロプロパノールに溶解させ、還流下、10.39 gの亜硝酸リチウムで処理した。式:
イソプロパノール中で化学量論的量のヒドラジン水和物とグリオキシル酸(Sigma )とを反応させることによりアジノ二酢酸を調製した。黄色を帯びた橙色の沈澱物を乾燥させ、濾過し、化学量論的量の炭酸リチウムを加えることによりメタノール−水(50:50)溶液中でリチウム塩を調製した。その塩を減圧乾燥させ、例7におけるのと同様な条件で試験した。この化合物は、リチウムに対して1.7 Vで可逆的酸化還元活性を有していた。
DMF中でのシュウ酸メチルと1,4−フェニレンジアミンとの重縮合により式:
この生成物は、2.7 V対Li+ /Li0 で310mAh・g-1の容量(理論値347 )を有していた。同様なポリマーを、1,4−フェニレンジアミンに対してトリフルオロエチルフマレートを反応させることにより(2.7 V対Li+ /Li0 )又は3,6−ジアミノピリダジンに対して塩化オキサリルを反応させることにより(2.9 V対Li+ /Li0 )調製した。
2当量のピリジンの存在下で、DMF中で溶液状態にあるN,N’−ジメチルヘキサメチレンジアミンに対して塩化フマリルを反応させることにより酸化還元ポリマーを調製した。ポリマーを水中で沈澱させ、アセトンに再溶解させることにより精製し、次いでメタノール中に再沈澱させた。カーボンブラックと混合されたこのポリマーは、1V対Li+ /Li0 で195mAh・g-1の容量(理論値247)の酸化還元活性を示した。
例10におけるのと同様にして、DMF中で1,8−ビス(メチルアミノ)−3,6−ジオキサオクタン(Janssen )に対してオキサリルジイミダゾールを重縮合させることによってイオン伝導性を有する酸化還元ポリマーを調製した。このポリマーも1V対Li+ /Li0 で酸化還元活性を示した。中性状態で、このポリマーは、塩に対する錯化性を有し、そのイオン導電性によって酸化還元反応が促進される。このポリマーの部分的還元状態での構造は、
前記アミンと1,5−ビス(メチルアミノ)−3−オキサペンタンの混合物を使用することによりアモルファスコポリマーが得られた。同様にして、オキサリル基をフマリル基又はムコニル基で置換できる。
Claims (12)
- 酸化還元対が0.1〜2V対Li+/Li0で構成される場合に電気化学的ジェネレーターにおける負極としての、又は酸化還元対が2〜3.7V対Li+/Li0で構成される場合に電気化学的ジェネレーターにおける正極としての請求項1記載の電極の使用。
- 少なくとも1つの導電体及び少なくとも1つのバインダーをさらに含むことを特徴とする請求項1記載の電極。
- 前記導電体がカーボンブラック又はグラファイト粉末であり、前記バインダーがポリテトラフルオロエチレン、又はエチレン、プロピレン及びジエンのコポリマー又はターポリマーであることを特徴とする請求項3記載の電極。
- 電極での不動態層の形成により生じる固有損失を補償するためのリチウム源としての請求項1、3又は4に記載の電極の使用。
- 電解質と、請求項1、3又は4記載の少なくとも1つの負極及び少なくとも1つの正極を含む、一次若しくは二次ジェネレーター又はスーパーキャパシターの電気エネルギー貯蔵装置。
- アルカリ金属陽イオンがリチウム陽イオンであることを特徴とする請求項6記載の装置。
- 負極が、酸化リチウム中のナノメートル分散体の形態にあってもよい金属リチウム又はそれらの合金であるか、リチウムと遷移金属の複窒化物であるか、一般式:Li1+yTi2-x/4O4(式中、x及びyは0〜1である)により表される低ポテンシャル酸化物であるか、炭素及び有機物質の熱分解から得られる炭化生成物であることを特徴とする請求項6又は7記載の貯蔵装置。
- 正極が、遷移金属の酸化物及び硫化物から選ばれる電極材料である別の化合物を含むことを特徴とする請求項7または8記載の貯蔵装置。
- 電解質が、極性型ポリマー、極性溶剤又はそれらの混合物と少なくとも1種のイオン性塩を含むことを特徴とする請求項7または8記載の貯蔵装置。
- 極性型ポリマーがポリエーテル、フッ化ビニリデン系ホモ−若しくはコポリマー、アクリロニトリル系ホモ−若しくはコポリマー、又はメチルメタクリレート系ホモ−若しくはコポリマーであることを特徴とする請求項10記載の貯蔵装置。
- 極性溶剤が、非環式及び環式カーボネート、γ−ブチロラクトン、モノアルキルアミド及びジアルキルアミド、テトラアルキルスルファミド、モノ−、ジ−、トリ−及びテトラエチレングリコールのジアルキルエーテル、分子量2000g/モル未満のオリゴマー、並びにこれらの混合物から選ばれることを特徴とする請求項10又は11記載の貯蔵装置。
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