JP5617828B2 - Cross-linked polyaniline derivative, positive electrode active material and positive electrode for non-aqueous secondary battery, non-aqueous secondary battery, and vehicle - Google Patents
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Description
本発明は、架橋ポリアニリン誘導体、非水系二次電池用の正極活物質及び正極、非水系二次電池、並びに車両に関する。 The present invention relates to a crosslinked polyaniline derivative, a positive electrode active material and a positive electrode for a non-aqueous secondary battery, a non-aqueous secondary battery, and a vehicle.
非水系二次電池は、小型でエネルギー密度が高く、ポータブル電子機器の電源として広く用いられており、更に、車両の駆動源として用いることも考えられている。しかし、現在、主に用いられている非水系二次電池の正極活物質は、比重の大きなコバルトやマンガンの酸化物が用いられているため、非水系二次電池全体の重量は大きい。そこで、非水系二次電池全体の重量を小さくするために、非水系二次電池全体に占める正極活物質の割合を小さくすることが考えられる。 Non-aqueous secondary batteries are small and have high energy density, are widely used as power sources for portable electronic devices, and are also considered to be used as drive sources for vehicles. However, since the positive electrode active material of the non-aqueous secondary battery that is currently used mainly uses cobalt or manganese oxide having a large specific gravity, the weight of the entire non-aqueous secondary battery is large. Therefore, in order to reduce the weight of the entire non-aqueous secondary battery, it is conceivable to reduce the proportion of the positive electrode active material in the entire non-aqueous secondary battery.
近年、軽量な有機化合物を電極活物質として適用することが検討されている。特許文献1には、1段階多電子移動が可能なフェルダシル骨格を有するラジカル有機化合物を電極活物質に用いることが記載されている。 In recent years, it has been studied to apply a light organic compound as an electrode active material. Patent Document 1 describes that a radical organic compound having a Feldacyl skeleton capable of one-step multi-electron transfer is used as an electrode active material.
有機系電極活物質の中でも、特に、π電子共役系の導電性高分子は電極活物質として有望である。例えば、非特許文献1には、ポリアニリンなどの導電性高分子を正極活物質として用いた電池が報告されている。 Among organic electrode active materials, in particular, a π-electron conjugated conductive polymer is promising as an electrode active material. For example, Non-Patent Document 1 reports a battery using a conductive polymer such as polyaniline as a positive electrode active material.
特許文献2には、1段階2電子移動が可能である新規ポリアニリン誘導体及びその化合物をプロトン化したものを正極に用いた二次電池について記載されている。特許文献2によると、その新規ポリアニリン誘導体の化合物を用いた電極材料は高エネルギー密度を有するので、その電極材料を正極とすることは、二次電池において有用であると述べられている。 Patent Document 2 describes a novel polyaniline derivative capable of one-step two-electron transfer and a secondary battery using a protonated version of the compound as a positive electrode. According to Patent Document 2, since the electrode material using the compound of the novel polyaniline derivative has a high energy density, it is stated that using the electrode material as a positive electrode is useful in a secondary battery.
特許文献3には、ポリアントラセン、ポリアニリン、ポリアセチレンなどの共重合体を用いた導電性高分子を電極中に形成させると、サイクル寿命特性及び高率放電特性に優れた電極とすることができることが記載されている。 In Patent Document 3, when a conductive polymer using a copolymer such as polyanthracene, polyaniline, or polyacetylene is formed in an electrode, an electrode having excellent cycle life characteristics and high rate discharge characteristics can be obtained. Have been described.
特許文献4には、アントラキノンを芳香族ジイソシアネート化合物又はトリイソシアネート化合物と反応させて得られるキナゾンポリマーを電極に用いることで、サイクル特性が良好になることが記載されている。 Patent Document 4 describes that by using an quinazone polymer obtained by reacting anthraquinone with an aromatic diisocyanate compound or a triisocyanate compound as an electrode, cycle characteristics are improved.
特許文献5には、共役系導電性高分子化合物とイオン導電性高分子化合物とからなる正極活物質層が記載されており、共役系導電性高分子化合物として、アミノアントラセンやポリアニリン系化合物が用いられ、イオン導電性高分子化合物として、ポリエーテル系高分子化合物などの架橋体を用いることが記載されている。 Patent Document 5 describes a positive electrode active material layer composed of a conjugated conductive polymer compound and an ionic conductive polymer compound, and aminoanthracene or polyaniline compound is used as the conjugated conductive polymer compound. In addition, it is described that a crosslinked body such as a polyether polymer compound is used as the ion conductive polymer compound.
特許文献6には、ポリアニリンを主鎖として、この主鎖が架橋構造を形成してなりポリエーテル構造を有する架橋鎖又は側鎖を有する導電性高分子を含有する電極活物質層を設けることにより、ドープ・脱ドープ(酸化・還元)サイクルが安定になることが記載されている。 In Patent Document 6, by providing an electrode active material layer containing a conductive polymer having a polyaniline as a main chain, the main chain forming a cross-linked structure and a cross-linked chain or side chain having a polyether structure. It is described that the dope / dedope (oxidation / reduction) cycle becomes stable.
特許文献7には、アミノアントラセンとアニリンの共重合体は、電気伝導性を有することが記載されている。 Patent Document 7 describes that a copolymer of aminoanthracene and aniline has electrical conductivity.
しかしながら、有機材料は充放電のサイクルを重ねるごとに劣化したり或いは電解液に溶出したりする問題があり、満足なサイクル特性が得られない。 However, there is a problem that the organic material deteriorates or elutes into the electrolytic solution every time the charge / discharge cycle is repeated, and satisfactory cycle characteristics cannot be obtained.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、正極活物質として用いたときに電池のサイクル特性を向上させることができる架橋ポリアニリン誘導体、並びに架橋ポリアニリン誘導体を用いた非水系二次電池用の正極活物質及び正極、非水系二次電池、及び車両を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a crosslinked polyaniline derivative capable of improving the cycle characteristics of the battery when used as a positive electrode active material, and a non-aqueous secondary battery using the crosslinked polyaniline derivative. It is an object to provide a positive electrode active material, a positive electrode, a non-aqueous secondary battery, and a vehicle.
(1)本発明の架橋ポリアニリン誘導体は、下記一般式(1)で表される構造を有することを特徴とする。 (1) The crosslinked polyaniline derivative of the present invention is characterized by having a structure represented by the following general formula (1).
(一般式(1)中、R1は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基及び置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上を含む基、又は単結合を示し、R2、R3、R4は、各々独立に、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基、置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基、置換基、及び水素基の群から選ばれる1種以上を含む基を示し、R5は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基、及び置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上を含む基、又は単結合を示し、X1、X2は、各々独立に、置換基又は水素基を示し、lは1以上の整数を示し、nは、2以上の整数である。R1とR2又は/及びR3とR4は、結合して環を形成していてもよい。) (In the general formula (1), R1 represents a group containing one or more selected from the group of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group and a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, or a single bond; R2, R3, and R4 each independently represent a group containing one or more selected from the group consisting of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group, a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, a substituent, and a hydrogen group. R5 represents a group containing one or more selected from the group of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group and a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, or a single bond, X1 and X2 are Each independently represents a substituent or a hydrogen group, l represents an integer of 1 or more, and n represents an integer of 2 or more, and R1 and R2 or / and R3 and R4 combine to form a ring. May be.)
(2)本発明の非水系二次電池用の正極活物質は、上記記載の架橋ポリアニリン誘導体からなることを特徴とする。 (2) The positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery of the present invention is characterized by comprising the above-mentioned crosslinked polyaniline derivative.
(3)本発明の非水系二次電池用の正極は、上記記載の正極活物質を有することを特徴とする。 (3) The positive electrode for a non-aqueous secondary battery of the present invention is characterized by having the above-described positive electrode active material.
(4)本発明の非水系二次電池は、上記記載の正極と、負極と、電解質とを備えることを特徴とする。 (4) A non-aqueous secondary battery of the present invention includes the positive electrode described above, a negative electrode, and an electrolyte.
(5)本発明の車両は、上記記載の非水系二次電池を備えていることを特徴とする。 (5) The vehicle of the present invention includes the non-aqueous secondary battery described above.
本発明の架橋ポリアニリン誘導体は、上記一般式(1)に示される構造を有しているため、正極活物質として用いたときに電池のサイクル特性を向上させることができる。また、本発明の正極活物質は、上記架橋ポリアニリン誘導体からなるため、電池のサイクル特性を向上させることができる。また、本発明の非水系二次電池は、上記正極活物質を用いているため、サイクル特性にすぐれている。また、本発明の車両は上記非水系二次電池を搭載しているため、高い出力を発揮することができる。 Since the crosslinked polyaniline derivative of the present invention has the structure represented by the general formula (1), the cycle characteristics of the battery can be improved when used as a positive electrode active material. Moreover, since the positive electrode active material of this invention consists of the said bridge | crosslinking polyaniline derivative, the cycling characteristics of a battery can be improved. Moreover, since the non-aqueous secondary battery of the present invention uses the positive electrode active material, it has excellent cycle characteristics. In addition, since the vehicle of the present invention is equipped with the non-aqueous secondary battery, it can exhibit high output.
本発明の実施形態である架橋ポリアニリン誘導体、並びに架橋ポリアニリン誘導体を用いた非水系二次電池用の正極活物質及び正極、非水系二次電池、及び車両について詳細に説明する。 The cross-linked polyaniline derivative, which is an embodiment of the present invention, and a positive electrode active material and positive electrode for a non-aqueous secondary battery using the cross-linked polyaniline derivative, a non-aqueous secondary battery, and a vehicle will be described in detail.
(1)架橋ポリアニリン誘導体
架橋ポリアニリン誘導体は、一般式(1)に示される構造を有している。この架橋ポリアニリン誘導体は、ポリアニリン誘導体を架橋した架橋体であるため、電解液への溶出が抑えられる。また、本発明の架橋ポリアニリン誘導体は、ポリアニリン誘導体がエチニル基による二重結合で重合されることで、ポリアニリン誘導体同士が架橋している。このため、単結合で重合されている高分子と比べて高分子構造が安定している。そのため、高分子構造の劣化が抑制され、電池とした場合に充放電のサイクル特性が向上する。
(1) Crosslinked polyaniline derivative The crosslinked polyaniline derivative has a structure represented by the general formula (1). Since this crosslinked polyaniline derivative is a crosslinked product obtained by crosslinking the polyaniline derivative, elution into the electrolytic solution can be suppressed. In the crosslinked polyaniline derivative according to the present invention, the polyaniline derivative is polymerized by a double bond with an ethynyl group, so that the polyaniline derivatives are crosslinked with each other. For this reason, the polymer structure is more stable than a polymer polymerized by a single bond. Therefore, the deterioration of the polymer structure is suppressed, and the charge / discharge cycle characteristics are improved in the case of a battery.
互いに架橋されているポリアニリン誘導体は、主鎖に芳香族環をもち、イミノ基を介して芳香族環が結合して高分子を形成している。電池反応のさいには、イミノ基の窒素原子にLiイオンが配位し、窒素原子とその両側の芳香族環との間で電子の授受を行うことで、1段階で多数の電子が移動する。このような1段階多電子移動の芳香族環を有するため、電池反応で生成する電子が多く、エネルギー密度が高い。また、架橋ポリアニリン誘導体ではπ共役系が広がっており、円滑な多電子移動が可能である。ゆえに、本発明の架橋ポリアニリン誘導体を正極活物質として用いた電池は、充放電容量が高くなることが期待される。 Polyaniline derivatives that are cross-linked with each other have an aromatic ring in the main chain, and the aromatic ring is bonded via an imino group to form a polymer. In the battery reaction, Li ions are coordinated to the nitrogen atom of the imino group, and electrons are transferred between the nitrogen atom and the aromatic rings on both sides thereof, so that a large number of electrons move in one step. . Since it has such a one-stage multi-electron transfer aromatic ring, it produces many electrons in the battery reaction and has a high energy density. In the crosslinked polyaniline derivative, the π-conjugated system is widened, and smooth multi-electron transfer is possible. Therefore, a battery using the crosslinked polyaniline derivative of the present invention as a positive electrode active material is expected to have a high charge / discharge capacity.
更に、本発明の架橋ポリアニリン誘導体を、ラジカル分子を有する高分子(例えば、特許文献1)と比較すると以下のことが言える。ラジカル分子での電子の挙動は多段階多電子移動である。ラジカル分子は基本的に酸化還元部位が1段目と2段目で大きく離れている。更に2段目の酸化還元電位は、例えば3V未満と低い電位に留まる。そのため、側鎖にラジカル分子を有する高分子を正極活物質として用いると、電池として要望される平均電圧より平均電圧が下がってしまい、エネルギー密度が低下してしまう。本発明の架橋ポリアニリン誘導体のユニットでは、1段目のポテンシャルエネルギーよりも2段目の方が低く1番目の電子の電位で2番目の電子が協奏的に移動する。このため、本発明の架橋ポリアニリン誘導体のユニットでは、容易に1段階で多電子移動でき、電池の正極活物質として用いることで、平均電圧及びエネルギー密度を高くすることができる。 Furthermore, the following can be said when the crosslinked polyaniline derivative of the present invention is compared with a polymer having a radical molecule (for example, Patent Document 1). The behavior of electrons in radical molecules is multistage multielectron transfer. In radical molecules, the redox sites are basically largely separated in the first and second stages. Further, the redox potential at the second stage remains at a low potential of, for example, less than 3V. Therefore, when a polymer having radical molecules in the side chain is used as the positive electrode active material, the average voltage is lower than the average voltage desired for the battery, and the energy density is lowered. In the unit of the crosslinked polyaniline derivative of the present invention, the second electron moves in concert with the potential of the first electron which is lower than the potential energy of the first step. For this reason, in the unit of the crosslinked polyaniline derivative of the present invention, multiple electrons can be easily transferred in one step, and the average voltage and energy density can be increased by using the unit as a positive electrode active material of a battery.
本発明の架橋ポリアニリン誘導体は、ポリアニリン誘導体同士がエチニル基を介して架橋している。エチニル基は二重結合をもち、ポリアニリン誘導体は、二重結合を介して架橋していることになる。このため、ポリアニリン誘導体の分子間及び分子内での電子の授受を行うことができ、導電性が高い。 In the crosslinked polyaniline derivative of the present invention, the polyaniline derivatives are crosslinked through an ethynyl group. The ethynyl group has a double bond, and the polyaniline derivative is cross-linked through the double bond. Therefore, electrons can be exchanged between and within the polyaniline derivative, and the conductivity is high.
一般式(1)中、R1は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基及び置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上を含む基、又は単結合を示し、R2、R3、R4は、各々独立に、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基、置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基、置換基、及び水素基の群から選ばれる1種以上を含む基を示し、R5は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基、及び置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上を含む基、又は単結合を示し、X1、X2は、各々独立に、置換基又は水素基を示し、lは1以上の整数を示し、nは、2以上の整数である。R1とR2又は/及びR3とR4は、結合して環を形成していてもよい。オルト位はその立体因子により円滑な電子授受が妨げるため、オルト置換体は、1段階2電子移動が発現しない。また、オルト位の立体障害によりジイミンユニットが合成しにくい。そのため、X1、X2は、パラ位またはメタ位に付加されるのが望ましい。 In the general formula (1), R1 represents a group containing one or more selected from the group consisting of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group and a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, or a single bond; , R3 and R4 each independently represents a group containing at least one selected from the group consisting of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group, a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, a substituent, and a hydrogen group. R5 represents a group containing one or more selected from the group of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group and a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, or a single bond, and X1 and X2 are Each independently represents a substituent or a hydrogen group, l represents an integer of 1 or more, and n is an integer of 2 or more. R1 and R2 or / and R3 and R4 may be bonded to form a ring. Since the ortho position prevents smooth electron transfer due to its steric factor, ortho substitution does not exhibit one-step two-electron transfer. In addition, diimine units are difficult to synthesize due to steric hindrance at the ortho position. Therefore, it is desirable that X 1 and X 2 are added to the para position or the meta position.
ここで、置換の脂肪族炭化水素基、又は置換の芳香族炭化水素基とは、脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基が、更に置換基で置換されることを意味し、例えば、置換のアリーレン基又は置換の環状置換基である場合には、そのアリーレン基部分又はその環状置換基の環状部分に少なくとも1つの置換基を有することを意味する。 Here, the substituted aliphatic hydrocarbon group or the substituted aromatic hydrocarbon group means that the aliphatic hydrocarbon group or the aromatic hydrocarbon group is further substituted with a substituent. The arylene group or the substituted cyclic substituent means that the arylene group portion or the cyclic portion of the cyclic substituent has at least one substituent.
R1、R2、R3、R4、R5は、置換の脂肪族炭化水素基及び置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上からなる基であってもよい。脂肪族炭化水素基及び芳香族炭化水素基がもつ置換基、即ち、脂肪族炭化水素基及び芳香族炭化水素基が、置換基で置換されるときの置換基としては特に限定されることはないが、例えば、置換基は、フェニル基、トリル基、ナフチル基等のアリール基、メトキシ基、エトキシ基、プロピオキシ基、イソプロピオキシ基、ブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基等のアルコキシル基が挙げられる。また、この置換基は、C(炭素)とH(水素)からなる炭化水素基に加えて、他の元素を有する基を有していても良い。他の元素を有する基は、例えば、O(酸素)、N(窒素)、S(硫黄)などを有する基があり、具体例として、水酸基、エーテル結合、ケトン基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトロ基、イミノ基、アミノ基、アミド結合、ハロゲン基(Cl、F、Br、又はIを含む)などが挙げられるが、これらに限定されない。 R 1, R 2, R 3, R 4 and R 5 may be a group consisting of one or more selected from the group of a substituted aliphatic hydrocarbon group and a substituted aromatic hydrocarbon group. The substituent of the aliphatic hydrocarbon group and the aromatic hydrocarbon group, that is, the substituent when the aliphatic hydrocarbon group and the aromatic hydrocarbon group are substituted with the substituent is not particularly limited. However, for example, the substituent is an aryl group such as a phenyl group, a tolyl group or a naphthyl group, an alkoxyl group such as a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, an isopropyloxy group, a butoxy group, a sec-butoxy group or a tert-butoxy group. Is mentioned. In addition to the hydrocarbon group composed of C (carbon) and H (hydrogen), this substituent may have a group having another element. Examples of groups having other elements include groups having O (oxygen), N (nitrogen), S (sulfur), etc., and specific examples thereof include hydroxyl groups, ether bonds, ketone groups, carbonyl groups, carboxyl groups, nitro groups. Groups, imino groups, amino groups, amide bonds, halogen groups (including Cl, F, Br, or I) and the like.
R1、R2、R3、R4、R5は、無置換の脂肪族炭化水素基及び無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上からなる基であってもよい。 R1, R2, R3, R4, and R5 may be a group consisting of one or more selected from the group of an unsubstituted aliphatic hydrocarbon group and an unsubstituted aromatic hydrocarbon group.
R1、R2、R3、R4、R5の無置換の脂肪族炭化水素基及び無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上からなる基は、たとえば、各々独立に、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基などの鎖状アルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等の環状アルキル基、ビニル基、アリル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基、ナフチル基等のアリール基を有していてもよい。 The group consisting of one or more selected from the group of unsubstituted aliphatic hydrocarbon groups and unsubstituted aromatic hydrocarbon groups represented by R1, R2, R3, R4, and R5 is, for example, each independently a methyl group, ethyl Group, chain alkyl group such as n-propyl group, isopropyl group, sec-butyl group, isobutyl group and tert-butyl group, cyclic alkyl group such as cyclopentyl group and cyclohexyl group, alkenyl group such as vinyl group and allyl group, You may have aryl groups, such as a phenyl group, a tolyl group, and a naphthyl group.
R1は、単結合であってもよい。この場合には、一般式(1)中のエチニル基架橋部分と、芳香族基部分とが直接に単結合(一重結合)で結合している。R1は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基及び置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上からなる基、即ち、一般式(1)中の芳香族炭化水素基とエチニル基とを連結する連結基であってもよい。R1が連結基である場合、R1はフェニル基であるとよい。 R1 may be a single bond. In this case, the ethynyl group bridging moiety in the general formula (1) and the aromatic group moiety are directly bonded by a single bond (single bond). R1 is a group consisting of one or more selected from the group consisting of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group and a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, that is, an aromatic hydrocarbon group in the general formula (1) And a linking group that links the ethynyl group. When R1 is a linking group, R1 is preferably a phenyl group.
R5は、単結合であってもよい。この場合には、一般式(1)中のユニット内のフェニル基と他のユニット中のフェニル基とが直接に単結合(一重結合)で結合している。R5は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基及び置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上からなる基、即ち、一般式(1)中のユニット内のフェニル基と他のユニット中のフェニル基とを連結する連結基であってもよい。芳香族炭化水素基とエチニル基とを連結する連結基であってもよい。R5が連結基である場合、R5は、エチレン基などの脂肪族炭化水素基であるとよい。 R5 may be a single bond. In this case, the phenyl group in the unit in the general formula (1) and the phenyl group in the other unit are directly bonded by a single bond (single bond). R5 represents a group consisting of one or more selected from the group consisting of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group and a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, that is, a phenyl group in the unit of the general formula (1). And a linking group that links the phenyl group in another unit. A linking group that links an aromatic hydrocarbon group and an ethynyl group may also be used. When R5 is a linking group, R5 is preferably an aliphatic hydrocarbon group such as an ethylene group.
R2、R3、R4は、それ自体が置換基であってもよい。置換基としては、特に限定されることはないが、例えば、置換基は、フェニル基、トリル基、ナフチル基等のアリール基、メトキシ基、エトキシ基、プロピオキシ基、イソプロピオキシ基、ブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基等のアルコキシル基が挙げられる。また、置換基は、O(酸素)、N(窒素)、S(硫黄)などを有する基でもよく、具体例として、水酸基、ニトロ基、イミノ基、アミノ基、ハロゲン基(Cl、F、Br、又はIを含む)などが挙げられる。R2、R3、R4は、水素基であってもよい。 R2, R3, and R4 may themselves be a substituent. The substituent is not particularly limited. For example, the substituent may be an aryl group such as a phenyl group, a tolyl group, or a naphthyl group, a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, an isopropyloxy group, a butoxy group, sec. An alkoxyl group such as a -butoxy group and a tert-butoxy group can be mentioned. In addition, the substituent may be a group having O (oxygen), N (nitrogen), S (sulfur), etc., and specific examples include a hydroxyl group, a nitro group, an imino group, an amino group, a halogen group (Cl, F, Br). , Or I). R2, R3, and R4 may be a hydrogen group.
R1、R2、R3、R4は、互いに別個の基を形成していてもよい。また、R1とR2は、互いに結合して環を形成していてもよく、R3とR4は、互いに結合して環を形成していてもよい。R1とR2又は/及びR3とR4は、結合して環を形成することで、1つのユニット内に、ベンゼン骨格、ナフタセン骨格、アントラセン骨格、ペンタセン骨格などの縮合多環芳香族基が形成される。更に、R1とR2は、互いに結合して環を形成している部分と、それぞれ別個の基を形成している部分とを有していてもよい。R3とR4は、互いに結合して環を形成している部分と、それぞれ別個の基を形成している部分とを有していてもよい。 R1, R2, R3 and R4 may form a group different from each other. R1 and R2 may be bonded to each other to form a ring, and R3 and R4 may be bonded to each other to form a ring. R1 and R2 or / and R3 and R4 combine to form a ring, thereby forming a condensed polycyclic aromatic group such as a benzene skeleton, a naphthacene skeleton, an anthracene skeleton, or a pentacene skeleton in one unit. . Furthermore, R1 and R2 may have a portion that is bonded to each other to form a ring and a portion that forms a separate group. R3 and R4 may have a portion that is bonded to each other to form a ring, and a portion that forms a separate group.
一般式(1)の中のX1、X2は、各々独立に、置換基又は水素基を示す。置換基は、フェニル基、トリル基、ナフチル基等のアリール基、メトキシ基、エトキシ基、プロピオキシ基、イソプロピオキシ基、ブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基等のアルコキシル基が挙げられる。また、この置換基は、C(炭素)とH(水素)からなる炭化水素基に加えて、他の元素を有する基を有していても良い。他の元素を有する基は、例えば、O(酸素)、N(窒素)、S(硫黄)などを有する基があり、具体例として、水酸基、エーテル結合、ケトン基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトロ基、イミノ基、アミノ基、アミド結合、ハロゲン基(Cl、F、Br、又はIを含む)などが挙げられるが、これらに限定されない。 X1 and X2 in the general formula (1) each independently represent a substituent or a hydrogen group. Examples of the substituent include aryl groups such as phenyl group, tolyl group, and naphthyl group, and alkoxyl groups such as methoxy group, ethoxy group, propoxy group, isopropyloxy group, butoxy group, sec-butoxy group, and tert-butoxy group. In addition to the hydrocarbon group composed of C (carbon) and H (hydrogen), this substituent may have a group having another element. Examples of groups having other elements include groups having O (oxygen), N (nitrogen), S (sulfur), etc., and specific examples thereof include hydroxyl groups, ether bonds, ketone groups, carbonyl groups, carboxyl groups, nitro groups. Groups, imino groups, amino groups, amide bonds, halogen groups (including Cl, F, Br, or I) and the like.
一般式(1)のlは、架橋ポリアニリン誘導体の中のポリアニリン誘導体同士がエチニル基を介して架橋する架橋度を示し、1以上の整数であればよい。 In the general formula (1), l represents a degree of cross-linking in which the polyaniline derivatives in the cross-linked polyaniline derivative are cross-linked via an ethynyl group, and may be an integer of 1 or more.
一般式(1)中のエチニル基の架橋度を示すlは、ポリアニリン誘導体の分子鎖同士が結合する場合(分子間:架橋の場合)と、1つの分子鎖の中で結合する場合(分子内)がある。 In the general formula (1), l indicating the degree of crosslinking of the ethynyl group is expressed when the molecular chains of the polyaniline derivative are bonded to each other (intermolecular: in the case of crosslinking) and when bonded within one molecular chain (intramolecular )
一般式(1)のnは、架橋ポリアニリン誘導体の中のポリアニリン誘導体のユニットの重合度を示し、2以上の整数であればよい。好ましくは、nは2以上2000以下であることがよく、更には50以上500以下であることが好ましい。nが50未満である場合には、架橋ポリアニリン誘導体が電解液へ溶解するおそれがある。nが500を超える場合には、分子内での重合が優先的に起こるおそれがある。 N in the general formula (1) indicates the degree of polymerization of the unit of the polyaniline derivative in the crosslinked polyaniline derivative, and may be an integer of 2 or more. Preferably, n is 2 or more and 2000 or less, and more preferably 50 or more and 500 or less. When n is less than 50, the crosslinked polyaniline derivative may be dissolved in the electrolytic solution. When n exceeds 500, there is a possibility that polymerization within the molecule will occur preferentially.
架橋ポリアニリン誘導体は、下記一般式(2)で表される構造を有していてもよい。 The crosslinked polyaniline derivative may have a structure represented by the following general formula (2).
一般式(2)中、R1,R2、R3、R4、R5、X1、X2、l、nは、上記の一般式(1)中のR1,R2、R3、R4、R5、X1、X2、l、nと同じである。一般式(2)中、mは、1以上の整数である。 In general formula (2), R1, R2, R3, R4, R5, X1, X2, l, and n are R1, R2, R3, R4, R5, X1, X2, and l in general formula (1). , N. In general formula (2), m is an integer of 1 or more.
一般式(2)の架橋ポリアニリン誘導体は、ポリアニリン誘導体内のエチニル基が、他のポリアニリン誘導体のエチニル基と架橋している。架橋ポリアニリン誘導体に含まれるすべてのエチニル基が架橋している必要はなく、一般式(2)に示すように、未架橋のエチニル基が残っていても良い。この場合、未架橋のユニットの自由度が高く、各ユニット内で1段階で多電子が移動しやすくなり、電池容量が高くなる。 In the crosslinked polyaniline derivative of the general formula (2), the ethynyl group in the polyaniline derivative is crosslinked with the ethynyl group of another polyaniline derivative. It is not necessary for all ethynyl groups contained in the crosslinked polyaniline derivative to be crosslinked, and as shown in the general formula (2), uncrosslinked ethynyl groups may remain. In this case, the degree of freedom of the uncrosslinked unit is high, and it becomes easy for many electrons to move in one stage within each unit, and the battery capacity is increased.
架橋ポリアニリン誘導体の中の1つのポリアニリン誘導体において、架橋しているエチニル基を有するユニットと、未架橋のエチニル基を有するユニットとは、規則的に、又は無規則的に、配列していてもよい。1つのポリアニリン誘導体のもつすべてのユニットのエチニル基が他のポリアニリン誘導体と架橋していてもよいし、1つのポリアニリン誘導体の中の1又は複数のユニットのエチニル基が他のポリアニリン誘導体と架橋していてもよい。 In one polyaniline derivative among the crosslinked polyaniline derivatives, the unit having a cross-linked ethynyl group and the unit having an uncross-linked ethynyl group may be arranged regularly or irregularly. . All units of ethynyl groups of one polyaniline derivative may be cross-linked with other polyaniline derivatives, or one or more units of ethynyl groups in one polyaniline derivative are cross-linked with other polyaniline derivatives. May be.
架橋ポリアニリン誘導体の具体例としては、例えば、下記の一般式(3)で表される化合物を挙げることができる。このうち、一般式(3)で表される化合物は、正極活物質として用いた場合に、電池容量を大きくすることができるため、好ましい。 Specific examples of the crosslinked polyaniline derivative include a compound represented by the following general formula (3). Among these, the compound represented by the general formula (3) is preferable because the battery capacity can be increased when used as a positive electrode active material.
一般式(3)中、R5は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基、及び置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上を含む基、又は単結合を示し、R6は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基及び置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる1種以上を含む基、又は単結合を示し、R7、R8、R9は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基、置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基、置換基、及び水素基の群から選ばれる1種以上を含む基を示し、X1、X2は、各々独立に、置換基又は水素基を示し、lは1以上の整数を示し、nは、2以上の整数である。 In general formula (3), R5 represents a group containing one or more selected from the group of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group and a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, or a single bond. R6 represents a group containing one or more selected from the group of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group and a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, or a single bond, and R7, R8, and R9 are substituted Or a group containing at least one selected from the group of an unsubstituted aliphatic hydrocarbon group, a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, a substituent, and a hydrogen group, and X1 and X2 are each independently, Represents a substituent or a hydrogen group, l represents an integer of 1 or more, and n represents an integer of 2 or more.
一般式(3)は、アントラセン環を主鎖にもつポリアニリン誘導体がエチニル基を介して架橋した架橋体である。一般式(3)で表される化合物は、アントラセン骨格をもち、正極活物質として用いた場合に、アントラセン骨格又は/及びアントラセン骨格と炭素材料間のπ―π相互作用により円滑な電子の授受が行え、電池容量を大きくすることができるため、好ましい。一般式(3)では、アントラセン環の2位にエチニル基がR6を介して連結している。エチニル基とアントラセン環との間のR6は、連結基又は単結合である。 The general formula (3) is a crosslinked product in which a polyaniline derivative having an anthracene ring as a main chain is crosslinked via an ethynyl group. The compound represented by the general formula (3) has an anthracene skeleton, and when used as a positive electrode active material, a smooth electron transfer can be performed by an anthracene skeleton or / and a π-π interaction between the anthracene skeleton and the carbon material. This is preferable because the battery capacity can be increased. In the general formula (3), an ethynyl group is connected to the 2-position of the anthracene ring via R6. R6 between the ethynyl group and the anthracene ring is a linking group or a single bond.
R6が連結基である場合、連結基は、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基、又は置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基の群から選ばれる少なくとも1種からなる。例えば、連結基は、例えば、置換又は無置換のメチル基、置換又は無置換のエチル基、置換又は無置換のプロピル基、置換又は無置換のフェニル基、置換又は無置換のビフェニル基、置換又は無置換のチオフェニル基、置換又は無置換のチエニル基、置換又は無置換のフラニル基、置換又は無置換のピロリル基等が挙げられる。このうち、R6は置換又は無置換のフェニル基がよく、無置換のフェニル基が好ましい。 When R6 is a linking group, the linking group comprises at least one selected from the group consisting of a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group or a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group. For example, the linking group may be, for example, a substituted or unsubstituted methyl group, a substituted or unsubstituted ethyl group, a substituted or unsubstituted propyl group, a substituted or unsubstituted phenyl group, a substituted or unsubstituted biphenyl group, substituted or unsubstituted Examples thereof include an unsubstituted thiophenyl group, a substituted or unsubstituted thienyl group, a substituted or unsubstituted furanyl group, and a substituted or unsubstituted pyrrolyl group. Among these, R6 is preferably a substituted or unsubstituted phenyl group, and is preferably an unsubstituted phenyl group.
一般式(3)の中のR7、R8、R9は、各々独立して、置換若しくは無置換の脂肪族炭化水素基、置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基を構成していてもよい。また、R7、R8、R9は、それ自体がアントラセン環の置換基を構成していても良いし、水素基であってもよい。一般式(3)の中のR5、l、nは、一般式(1)中のR5、l、nと同様である。 R7, R8 and R9 in the general formula (3) may each independently constitute a substituted or unsubstituted aliphatic hydrocarbon group or a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group. R7, R8, and R9 may themselves constitute a substituent of the anthracene ring or may be a hydrogen group. R5, l and n in the general formula (3) are the same as R5, l and n in the general formula (1).
架橋ポリアニリン誘導体は、一般式(4)で表される構造を有していてもよい。 The crosslinked polyaniline derivative may have a structure represented by the general formula (4).
一般式(4)中、R5、R6,R7、R8、R9、X1、X2、l、nは、上記の一般式(3)中のR5、R6,R7、R8、R9、X1、X2、l、nと同じである。一般式(4)中、mは、1以上の整数である。 In general formula (4), R5, R6, R7, R8, R9, X1, X2, l, and n are R5, R6, R7, R8, R9, X1, X2, and l in general formula (3). , N. In general formula (4), m is an integer of 1 or more.
一般式(3)に示される架橋ポリアニリン誘導体に含まれるすべてのエチニル基が架橋している必要はなく、一般式(4)に示すように、未架橋のエチニル基が残っていても良い。この場合、未架橋のユニットの自由度が高く、各ユニット内で1段階で多電子が移動しやすくなり、電池容量が高くなる。 It is not necessary that all ethynyl groups contained in the crosslinked polyaniline derivative represented by the general formula (3) are crosslinked, and an uncrosslinked ethynyl group may remain as represented by the general formula (4). In this case, the degree of freedom of the uncrosslinked unit is high, and it becomes easy for many electrons to move in one stage within each unit, and the battery capacity is increased.
架橋ポリアニリン誘導体の中の1つのポリアニリン誘導体において、架橋しているエチニル基を有するユニットと、未架橋のエチニル基を有するユニットとは、規則的に、又は無規則的に、配列していてもよい。1つのポリアニリン誘導体のもつすべてのユニットのエチニル基が他のポリアニリン誘導体と架橋していてもよいし、1つのポリアニリン誘導体の中の1又は複数のユニットのエチニル基が他のポリアニリン誘導体と架橋していてもよい。 In one polyaniline derivative among the crosslinked polyaniline derivatives, the unit having a cross-linked ethynyl group and the unit having an uncross-linked ethynyl group may be arranged regularly or irregularly. . All units of ethynyl groups of one polyaniline derivative may be cross-linked with other polyaniline derivatives, or one or more units of ethynyl groups in one polyaniline derivative are cross-linked with other polyaniline derivatives. May be.
本発明の架橋ポリアニリン誘導体は、ポリアニリン誘導体のエチニル基を、他のポリアニリン誘導体のエチニル基と架橋させることにより生成される。 The crosslinked polyaniline derivative of the present invention is produced by crosslinking an ethynyl group of a polyaniline derivative with an ethynyl group of another polyaniline derivative.
ポリアニリン誘導体の架橋時には、触媒が添加されるとよい。触媒は、公知のRh、Ru、W、Moなどの遷移金属化合物を用いればよいが、例えば、Rh触媒(ノルボルナジエン ロジウムクロリド 2量体)、WCl6、MoCl6などが挙げられる。 A catalyst may be added when the polyaniline derivative is crosslinked. As the catalyst, known transition metal compounds such as Rh, Ru, W, and Mo may be used. Examples thereof include Rh catalyst (norbornadiene rhodium chloride dimer), WCl 6 , MoCl 6 and the like.
ポリアニリン誘導体の架橋は、室温でも進行するが、0〜180℃、好ましくは10〜100℃で行うと良い。重合の時間は、モノマー量、重合触媒の種類やそのほかの重合条件にもよるが、1〜48時間、好ましくは6〜30時間であるとよい。 Cross-linking of the polyaniline derivative proceeds even at room temperature, but it may be performed at 0 to 180 ° C, preferably 10 to 100 ° C. The polymerization time is 1 to 48 hours, preferably 6 to 30 hours, although it depends on the amount of monomer, the type of polymerization catalyst and other polymerization conditions.
ポリアニリン誘導体を架橋させる架橋反応は、カーボンブラックなどの炭素材料存在下でも実施できる。カーボンブラックとしては、ケチェンブラック、アセチレンブラックなどを用いることができる。炭素材料存在下で架橋して形成された架橋ポリアニリン誘導体は、導電性を有する炭素材料に吸着する。このため、電子伝導性が高くなり、高速電子移動が可能になる。 The crosslinking reaction for crosslinking the polyaniline derivative can be performed even in the presence of a carbon material such as carbon black. As carbon black, ketjen black, acetylene black, etc. can be used. The crosslinked polyaniline derivative formed by crosslinking in the presence of the carbon material is adsorbed on the carbon material having conductivity. For this reason, electron conductivity becomes high and high-speed electron movement becomes possible.
架橋前のポリアニリン誘導体を合成するにあたっては、例えば、出発物質として、イミノ基導入部位に2つのオキソ基を結合させた芳香族化合物を準備する。この芳香族化合物にエチニル基を導入する。エチニル基は保護基で保護しておくとよい。エチニル基を導入した芳香族化合物に、ジアニリン類を脱水縮合反応により芳香族化合物に結合させる。このとき、芳香族化合物のオキソ基がジアニリン類の窒素原子に替わり、イミノ基を介してジアニリン類が芳香族化合物と結合する。これにより、ジアニリン類と芳香族化合物とが交互に連結して連なるポリアニリン誘導体が得られる。 In synthesizing the polyaniline derivative before crosslinking, for example, an aromatic compound in which two oxo groups are bonded to the imino group introduction site is prepared as a starting material. An ethynyl group is introduced into this aromatic compound. The ethynyl group is preferably protected with a protecting group. Dianilines are bonded to the aromatic compound by dehydration condensation reaction to the aromatic compound into which the ethynyl group has been introduced. At this time, the oxo group of the aromatic compound is replaced with the nitrogen atom of the dianiline, and the dianiline is bonded to the aromatic compound via the imino group. Thereby, the polyaniline derivative which a dianiline and an aromatic compound connect alternately and continues is obtained.
具体的には、たとえば、架橋ポリアニリン誘導体が、化学式(3)に示すように、アントラセン環にイミノ基を介してフェニル基が結合している構造を有する場合に、その架橋前のポリアニリン誘導体は、例えば、工程1で、2−(トリメチルシリルエチニル)アントラキノンを、ジアニリン類と四塩化チタン及び塩基の存在下で脱水縮合反応を行うことによりイミンとする。このとき、イミノ基を介してアントラセン環とジアニリン類とが連結されて、ポリアニリン誘導体が生成する。ここで用いる2−(トリメチルシリルエチニル)アントラキノンは、2−ブロモアントラキノンに薗頭反応によりトリメチルシリルエチニル基を導入することにより得られる。また、ジアニリン類は、アミノ基を有する2つの芳香族炭化水素基が単結合又は連結基で連結された化合物であり、芳香族炭化水素基はアミノ基の他に置換基を有していてもよく、置換基を有していなくても良い。塩基は、塩基性触媒であれば特に限定されることはないが、例えば、1,4−ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン(DABCO)が挙げられる。 Specifically, for example, when the crosslinked polyaniline derivative has a structure in which a phenyl group is bonded to an anthracene ring via an imino group as shown in chemical formula (3), the polyaniline derivative before the crosslinking is For example, in step 1, 2- (trimethylsilylethynyl) anthraquinone is converted to an imine by performing a dehydration condensation reaction in the presence of dianilines, titanium tetrachloride and a base. At this time, the anthracene ring and the dianiline are linked via the imino group to produce a polyaniline derivative. The 2- (trimethylsilylethynyl) anthraquinone used here is obtained by introducing a trimethylsilylethynyl group into 2-bromoanthraquinone by Sonogashira reaction. The dianilines are compounds in which two aromatic hydrocarbon groups having an amino group are linked by a single bond or a linking group, and the aromatic hydrocarbon group may have a substituent in addition to the amino group. It does not have to have a substituent. The base is not particularly limited as long as it is a basic catalyst, and examples thereof include 1,4-diazabicyclo [2,2,2] octane (DABCO).
工程2で、脱シリル化剤によりトリメチルシリル基を脱保護することで、化学式(3)に示す架橋ポリアニリン誘導体の架橋前のポリアニリン誘導体を合成することができる。脱シリル化剤としては、テトラアルキルアンモニウムフルオリド、フッ化カリウムなどのアルカリ金属フルオリド、酸又はアルカリ等を用いることができるが、好ましい脱シリル化剤としては、テトラブチルアンモニウムフルオリド(nBu4NF)のようなテトラアルキルアンモニウムフルオリドが挙げられる。 In step 2, the polyaniline derivative before crosslinking of the crosslinked polyaniline derivative represented by the chemical formula (3) can be synthesized by deprotecting the trimethylsilyl group with a desilylating agent. As the desilylating agent, tetraalkylammonium fluoride, alkali metal fluoride such as potassium fluoride, acid or alkali can be used, but as a preferable desilylating agent, tetrabutylammonium fluoride (nBu 4 NF) is used. ) Tetraalkylammonium fluoride.
(2)非水系二次電池用の正極活物質
本発明の非水系二次電池用の正極活物質は、上記架橋ポリアニリン誘導体であって、ポリアニリン誘導体の1ユニット内に少なくとも2つのイミノ基を有する。ここで、非水系二次電池用の正極活物質とは、非水系二次電池の充電反応及び放電反応において、非水系二次電池の正極で直接寄与する物質のことをいう。
(2) Positive electrode active material for non-aqueous secondary battery The positive electrode active material for non-aqueous secondary battery of the present invention is the above-mentioned crosslinked polyaniline derivative, and has at least two imino groups in one unit of the polyaniline derivative. . Here, the positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery refers to a substance that directly contributes to the positive electrode of the non-aqueous secondary battery in the charge reaction and discharge reaction of the non-aqueous secondary battery.
(3)非水系二次電池用の正極
本発明の非水系二次電池用の正極は、上記架橋ポリアニリン誘導体を有する正極活物質を有する。正極は、上記の正極活物質を、集電体の少なくとも表面に設けているとよい。集電体とは、非水系二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子高伝導体をいう。集電体はその電子高伝導体で形成された箔、板、メッシュ等の形状を有する。集電体に用いられる材料は、銅、アルミニウムなどが挙げられ、この中、銅が好ましい。
(3) Positive electrode for non-aqueous secondary battery The positive electrode for a non-aqueous secondary battery of the present invention has a positive electrode active material having the crosslinked polyaniline derivative. The positive electrode is preferably provided with the positive electrode active material described above on at least the surface of the current collector. The current collector refers to a chemically inert electronic high conductor that keeps a current flowing through an electrode during discharging or charging of a non-aqueous secondary battery. The current collector has a shape such as a foil, a plate, or a mesh formed of the electronic high conductor. Examples of the material used for the current collector include copper and aluminum. Among these, copper is preferable.
正極活物質を集電体の少なくとも表面に設けるための1つの方法としては、例えば、集電体の表面に正極活物質を塗布することが挙げられる。塗布する方法としては、特に限定しないが、例えば、ロールコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などが挙げられる。 One method for providing the positive electrode active material on at least the surface of the current collector includes, for example, applying the positive electrode active material to the surface of the current collector. Although it does not specifically limit as a coating method, For example, a roll coat method, a dip coat method, a doctor blade method, a spray coat method, a curtain coat method etc. are mentioned.
本発明の非水系二次電池用の正極は、本発明の正極活物質と合わせて導電助剤を集電体表面に設けることがよい。導電助剤は正極の導電性を高めるために添加される。導電助剤は、例えば、炭素質粒子であるカーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケチェンブラック、カーボンファイバーなどが挙げられる。これらは、単独で添加してもよいし、又はそれらを2種以上組み合わせて添加してもよい。導電助剤の添加量は、本発明の正極活物質100質量部当たり、10〜2000質量部であることが好ましく、100〜1000質量部であることがより好ましく、200〜800質量部であることが更に好ましい。 The positive electrode for a non-aqueous secondary battery of the present invention is preferably provided with a conductive additive on the current collector surface together with the positive electrode active material of the present invention. A conductive additive is added to increase the conductivity of the positive electrode. Examples of the conductive aid include carbon black, graphite, acetylene black, ketjen black, and carbon fiber, which are carbonaceous particles. These may be added alone or in combination of two or more thereof. The addition amount of the conductive auxiliary is preferably 10 to 2000 parts by mass, more preferably 100 to 1000 parts by mass, and 200 to 800 parts by mass per 100 parts by mass of the positive electrode active material of the present invention. Is more preferable.
(4)非水系二次電池
本発明の非水系二次電池は、正極と、負極と、電解質とを少なくとも構成要素とし、正極が本発明の正極である。
(4) Non-aqueous secondary battery The non-aqueous secondary battery of the present invention includes at least the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte, and the positive electrode is the positive electrode of the present invention.
負極は、負極活物質を有する。負極は、負極活物質と、負極活物質を少なくとも表面に設けた集電体とからなるとよい。負極活物質は金属リチウム又はリチウム合金を用いるとよい。集電体としては、ニッケル、ステンレスなどを用いることができ、箔、板、メッシュなどのいずれの形状を有していてもよい。このように負極活物質として金属リチウム又はリチウム合金を用いた電池をリチウム二次電池という。負極活物質として、金属リチウム又はリチウム合金のかわりに、Si系又は/及びSn系材料をも用いることができる。負極活物質としてLiイオンを吸蔵・放出し得るリチウム金属又はリチウム合金を用いた二次電池は、リチウム二次電池といい、それ以外の物質でLiイオンを吸蔵・放出し得るものを用いた場合をリチウムイオン二次電池という。 The negative electrode has a negative electrode active material. The negative electrode is preferably composed of a negative electrode active material and a current collector provided with at least the surface of the negative electrode active material. As the negative electrode active material, metallic lithium or a lithium alloy is preferably used. As the current collector, nickel, stainless steel, or the like can be used, and the current collector may have any shape such as a foil, a plate, and a mesh. A battery using metallic lithium or a lithium alloy as the negative electrode active material is referred to as a lithium secondary battery. As the negative electrode active material, a Si-based material and / or a Sn-based material can be used instead of metallic lithium or a lithium alloy. A secondary battery using a lithium metal or lithium alloy capable of occluding and releasing Li ions as a negative electrode active material is called a lithium secondary battery, and other materials that can occlude and release Li ions are used. Is called a lithium ion secondary battery.
また、負極は、正極同様、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる負極活物質と結着剤とから構成されていてもよい。負極活物質としては、たとえば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物加熱体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。結着剤としては、正極同様、含フッ素樹脂、熱可塑性樹脂などを用いることができる。また、負極にナトリウムを用いたナトリウム二次電池とすることもできる。 Moreover, the negative electrode may be comprised from the negative electrode active material and binder which can occlude / desorb lithium ion like a positive electrode. As the negative electrode active material, for example, a natural graphite, artificial graphite, an organic compound heating body such as a phenol resin, or a carbonaceous powder such as coke can be used. As the binder, as in the positive electrode, a fluorine-containing resin, a thermoplastic resin, or the like can be used. Moreover, it can also be set as the sodium secondary battery which used sodium for the negative electrode.
本発明の非水二次電池は、正極と負極との間にセパレータを設けていても良い。セパレータは、必要に応じて用いられる。セパレータは、正極と負極とを分離し非水電解液を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。 In the nonaqueous secondary battery of the present invention, a separator may be provided between the positive electrode and the negative electrode. A separator is used as needed. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and holds the non-aqueous electrolyte, and a thin microporous film such as polyethylene or polypropylene can be used.
電解質は、非水電解液に含まれているとよい。非水電解液は、有機溶媒に電解質であるフッ化塩を溶解させたものである。電解質であるフッ化塩は、有機溶媒に可溶なアルカリ金属フッ化塩であることが好ましい。アルカリ金属フッ化塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、NaPF6、NaBF4、NaAsF6、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、(CF3SO2)2NLi、(CF3SO2)3CLi、及びLiClO4の群から選ばれる少なくとも1種を用いるとよい。非水電解液の有機溶媒は、非プロトン性有機溶媒であることがよく、たとえば、鎖状カーボネート、環状カーボネート、環状エステル、ニトリル化合物、酸無水物、アミド化合物、ホスフェート化合物、アミン化合物などが含まれる。具体例としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメトキシエタン、γ―プロラクチン、N−メチルピロリジノン、N、N’―ジメチルアセトアミド、プロピレンカーボネートとジメトキシエタンとの混合物、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物、スルホランとテトラヒドロフランとの混合物から選ばれる一種以上を用いることができる。 The electrolyte may be contained in the nonaqueous electrolytic solution. The nonaqueous electrolytic solution is obtained by dissolving a fluoride salt as an electrolyte in an organic solvent. The electrolyte fluoride salt is preferably an alkali metal fluoride salt soluble in an organic solvent. Examples of the alkali metal fluoride include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaAsF 6, CF 3 SO 3 Li, C 4 F 9 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi , (CF 3 SO 2 ) 3 CLi, and LiClO 4 may be used. The organic solvent of the non-aqueous electrolyte is preferably an aprotic organic solvent, and includes, for example, chain carbonates, cyclic carbonates, cyclic esters, nitrile compounds, acid anhydrides, amide compounds, phosphate compounds, amine compounds, and the like. It is. Specific examples include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), dimethoxyethane, γ-prolactin, N-methylpyrrolidinone, N, One or more selected from N′-dimethylacetamide, a mixture of propylene carbonate and dimethoxyethane, a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate, and a mixture of sulfolane and tetrahydrofuran can be used.
また、電解質は、電解質の溶液を含むポリマーゲルで構成されたポリマーゲル電解質であってもよい。ポリマーゲル電解質に含まれる電解質としては、例えば、等のリチウム塩が挙げられる。 The electrolyte may be a polymer gel electrolyte composed of a polymer gel containing an electrolyte solution. Examples of the electrolyte contained in the polymer gel electrolyte include lithium salts such as.
ポリマーゲルとしては、光重合開始剤(例えば、IRGACURE184など)で重合するプレポリマーTA210(ポリオキシアルキレン鎖を有する多官能アクリレートポリマー)を用いることがよく、また、アクリロニトリルとアクリル酸メチル若しくはメタアクリル酸とのコポリマーを用いてもよい。ポリマーゲル電解質は、ポリマーを電解質溶液中に浸漬するか、又は電解質溶液の存在下でポリマーの構成単位(モノマー/化合物)を重合することによって得ることができる。 As the polymer gel, it is preferable to use a prepolymer TA210 (polyfunctional acrylate polymer having a polyoxyalkylene chain) that is polymerized with a photopolymerization initiator (for example, IRGACURE 184), and acrylonitrile and methyl acrylate or methacrylic acid. Copolymers may be used. The polymer gel electrolyte can be obtained by immersing the polymer in the electrolyte solution or polymerizing the polymer structural units (monomer / compound) in the presence of the electrolyte solution.
正極および負極にセパレータを挟装させ電極体とする。正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電用リード等を用いて接続した後に電極体に非水電解液を含浸させて非水系二次電池とするとよい。 A separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode body. A non-aqueous secondary battery in which a non-aqueous electrolyte is impregnated into the electrode body after connecting between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal leading to the outside using a current collecting lead or the like It is good to do.
非水系二次電池の形状は、特に限定なく、円筒型、積層型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。 The shape of the non-aqueous secondary battery is not particularly limited, and various shapes such as a cylindrical shape, a laminated shape, a coin shape, and a laminated shape can be adopted.
(5)車両など
非水系二次電池は、車両に搭載してもよい。上記の粒径特性をもつ負極活物質粒子を用いた非水系二次電池で走行用モータを駆動することにより、大容量、大出力で、長時間使用することができる。車両は、その動力源の全部あるいは一部に非水系二次電池による電気エネルギーを使用している車両であれば良く,例えば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両に本発明の非水系二次電池を搭載する場合には、非水系二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。
(5) Vehicle, etc. The nonaqueous secondary battery may be mounted on the vehicle. By driving the traveling motor with a non-aqueous secondary battery using negative electrode active material particles having the above particle size characteristics, it can be used for a long time with a large capacity and a large output. The vehicle may be a vehicle that uses electric energy from a non-aqueous secondary battery for all or a part of its power source, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle. When mounting the non-aqueous secondary battery of the present invention on a vehicle, a plurality of non-aqueous secondary batteries may be connected in series to form an assembled battery.
非水系二次電池は、車両以外にも、例えば、パーソナルコンピュータ,携帯通信機器など,電池で駆動される各種の家電製品,オフィス機器,産業機器に用いることができる。 The non-aqueous secondary battery can be used for various home appliances, office devices, and industrial devices driven by batteries such as personal computers and portable communication devices, in addition to vehicles.
以下に示すように、本発明の架橋ポリアニリン誘導体を実施例1〜3の3種類合成し、比較例1のポリアニリン及び比較例2のポリアニリン誘導体とともに、電池特性を評価した。 As shown below, three kinds of crosslinked polyaniline derivatives of the present invention were synthesized in Examples 1 to 3, and battery characteristics were evaluated together with the polyaniline of Comparative Example 1 and the polyaniline derivative of Comparative Example 2.
(実施例1)
本実施例1の架橋ポリアニリン誘導体の合成スキームを、「化5」に示すように合成した。
Example 1
The synthesis scheme of the crosslinked polyaniline derivative of Example 1 was synthesized as shown in “Chemical Formula 5”.
工程1では、2-(トリメチルシリルエチニル)アントラキノン(0.1533 g, 0.50 mmol) , 4,4’-エチレンジアニリン(0.10736 g, 0.50 mmol), 及び1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO) (0.51720 g, 4.6 mmol)のクロロベンゼン(5 ml)の混合溶液に四塩化チタンTiCl4(0.1 ml, 0.91 mmol)のクロロベンゼン(1ml)溶液が90 oCで徐々に添加された。反応混合物は、125 oCで一晩中攪拌された。沈殿物は、濾過により除去された。濾液は、蒸発され、大量のメタノールに再沈殿させて、重合体からなる化合物1(0.17567 g, 0.40 mmol) を収率73%で得た。ゲル浸透ガスクロマトグラフ(GPC):数平均分子量(Mn )= 8412, 質量平均分子量/数平均分子量(Mw/Mn)= 1.416。赤外線吸収スペクトル(IR)(ATR, cm-1)1622, 1589, 1559, .1498, 1473, 1456, 1293, 1247, 1093, 880, 834, 758, 729, 677, 649, 637, 571, 518。 1H-NMRスペクトル(500 MHz, CDCl3) d 8.42-8.24 (m, 2H), 7.62-7.00 (m, 9H), 6.82-6.72 (m, 4H), 2.91 (brs, 4H), 0.27-0.09 (m, 9H)。 In step 1, 2- (trimethylsilylethynyl) anthraquinone (0.1533 g, 0.50 mmol), 4,4'- ethylenedianiline (0.10736 g, 0.50 mmol), and 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (DABCO) To a mixed solution of (0.51720 g, 4.6 mmol) of chlorobenzene (5 ml), a solution of titanium tetrachloride TiCl4 (0.1 ml, 0.91 mmol) in chlorobenzene (1 ml) was gradually added at 90 ° C. The reaction mixture was stirred at 125 ° C. overnight. The precipitate was removed by filtration. The filtrate was evaporated and reprecipitated in a large amount of methanol to obtain a polymer compound 1 (0.17567 g, 0.40 mmol) in a yield of 73%. Gel permeation gas chromatograph (GPC): number average molecular weight (Mn) = 8412, mass average molecular weight / number average molecular weight (Mw / Mn) = 1.416. Infrared absorption spectrum (IR) (ATR, cm-1) 1622, 1589, 1559, .1498, 1473, 1456, 1293, 1247, 1093, 880, 834, 758, 729, 677, 649, 637, 571, 518. 1H-NMR spectrum (500 MHz, CDCl3) d 8.42-8.24 (m, 2H), 7.62-7.00 (m, 9H), 6.82-6.72 (m, 4H), 2.91 (brs, 4H), 0.27-0.09 (m , 9H).
工程2では、化合物1(0.11389 g, 0.24 mmol)のテトラヒドロフラン(THF)(4ml)溶液に、 テトラブチルアンモニウムフリオリド(n-Bu4NF) (0.9 ml, 1M in THF)が添加された。反応混合物は室温で3時間攪拌された。反応混合物は、多量のメタノールに再沈殿されて、化合物2 (0.07233 g, 0.18 mmol)を収率94%で得た。 GPC: Mn= 6895, Mw/Mn = 1.517。IRスペクトル (ATR, cm-1) 1624, 1591, 1499, 1296, 1270, 1234, 946, 911, 835, 771, 680, 650, 639, 621, 582, 559, 539, 490, 442, 407。 1H-NMRスペクトル(500 MHz, CDCl3) d 8.43-8.27 (m, 2H), 7.64-7.06 (m, 9H), 6.81-6.72 (m, 4H), 3.26-3.10 (m, 9H), 2.91 (brs, 4H)。 In Step 2, tetrabutylammonium fluoride (n-Bu 4 NF) (0.9 ml, 1M in THF) was added to a solution of Compound 1 (0.11389 g, 0.24 mmol) in tetrahydrofuran (THF) (4 ml). The reaction mixture was stirred at room temperature for 3 hours. The reaction mixture was reprecipitated in a large amount of methanol to obtain Compound 2 (0.07233 g, 0.18 mmol) in 94% yield. GPC: M n = 6895, M w / M n = 1.517. IR spectrum (ATR, cm −1 ) 1624, 1591, 1499, 1296, 1270, 1234, 946, 911, 835, 771, 680, 650, 639, 621, 582, 559, 539, 490, 442, 407. 1 H-NMR spectrum (500 MHz, CDCl 3 ) d 8.43-8.27 (m, 2H), 7.64-7.06 (m, 9H), 6.81-6.72 (m, 4H), 3.26-3.10 (m, 9H), 2.91 (brs, 4H).
工程3では、化合物2(0.04026 g, 0.099 mmol)及びトリエチルアミン(Et3N) (100 μl)のTHF(4.5 ml)の混合溶液に、ノルボルナジエンロジウムクロリド2量体 [Rh(nbd)Cl]2(0.00275 g, 0.0060 mmol) のTHF(0.5 ml)溶液を添加し、反応混合物をアルゴン存在下、30℃で24時間攪拌させた。反応混合物を多量のメタノールに再沈殿させて化合物3(0.0402 g, 0.099 mmol) を定量得た。IRスペクトル(ATR, cm-1) 1620, 1587, 1497, 1454, 1439, 1291, 1230, 1174, 1142, 1095, 1015, 943, 910, 828, 769, 677, 577, 535, 519。 In Step 3, a mixed solution of Compound 2 (0.04026 g, 0.099 mmol) and triethylamine (Et 3 N) (100 μl) in THF (4.5 ml) was mixed with norbornadiene rhodium chloride dimer [Rh (nbd) Cl] 2 ( 0.00275 g, 0.0060 mmol) in THF (0.5 ml) was added and the reaction mixture was allowed to stir at 30 ° C. for 24 hours in the presence of argon. The reaction mixture was reprecipitated in a large amount of methanol to quantitatively obtain Compound 3 (0.0402 g, 0.099 mmol). IR spectrum (ATR, cm −1 ) 1620, 1587, 1497, 1454, 1439, 1291, 1230, 1174, 1142, 1095, 1015, 943, 910, 828, 769, 677, 577, 535, 519.
得られた化合物3は、「化6」に示す架橋ポリアニリン誘導体である。この化合物3は、電解液(1M LiPF6/エチレンカーボネート(EC):ジエチレンカーボネート(DEC)(1:1体積/体積%)及び一般的な有機溶媒(トリクロロメタン(CHCl3)、THF、ジメチルスルホキシド(DMSO)、アセトン)に不溶であった。即ち、これらの各溶媒を化合物3に加え、静置後、それぞれの上澄み液の可視紫外スペクトルを250nmから800nmの範囲で測定した。可視紫外スペクトルを250nmから800nmの範囲で測定したところ、その範囲の吸光度は0(ゼロ)であった。 The obtained Compound 3 is a crosslinked polyaniline derivative represented by “Chemical Formula 6”. This compound 3 contains an electrolyte (1M LiPF 6 / ethylene carbonate (EC): diethylene carbonate (DEC) (1: 1 volume / volume%)) and a common organic solvent (trichloromethane (CHCl 3 ), THF, dimethyl sulfoxide). In other words, each of these solvents was added to Compound 3 and allowed to stand, and then the visible ultraviolet spectrum of each supernatant was measured in the range of 250 nm to 800 nm. When measured in the range of 250 nm to 800 nm, the absorbance in that range was 0 (zero).
また、工程3に示す架橋反応の前の化合物2と架橋反応後の化合物3とでフーリエ変換赤外分光(FT−IR)スペクトルを測定した。その結果、図1の上段に示すように、化合物2と3とでは、スペクトルに変化はなかった。このことから、工程3では、架橋反応が1段階2電子移動ユニットの構造を保って進行したと考えられる。 Further, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectra were measured for compound 2 before the crosslinking reaction shown in step 3 and compound 3 after the crosslinking reaction. As a result, as shown in the upper part of FIG. 1, there was no change in the spectrum between compounds 2 and 3. From this, it is considered that in step 3, the crosslinking reaction proceeded while maintaining the structure of the one-step two-electron transfer unit.
(実施例2)
本実施例2の架橋ポリアニリン誘導体の合成スキームを、「化7」に示すように合成した。本実施例2では、工程1において、出発物質として、2-(トリメチルシリルエチニル)アントラキノンと、トリメチルシリルエチニル基を有しないアントラキノンと、4,4’-エチレンジアニリンとを1:4:5(モル比)の割合で用いて脱水縮合反応を行っている点が、実施例1と相違する。
(Example 2)
The synthesis scheme of the crosslinked polyaniline derivative of Example 2 was synthesized as shown in “Chemical Formula 7”. In Example 2, in Step 1, 2- (trimethylsilylethynyl) anthraquinone, anthraquinone having no trimethylsilylethynyl group, and 4,4′-ethylenedianiline were used as starting materials in a 1: 4: 5 (molar ratio). ) Is different from Example 1 in that the dehydration condensation reaction is carried out at a ratio of
本実施例2では、工程1において、2-(トリメチルシリルエチニル)アントラキノン (0.03045 g, 0.10 mmol), アントラキノン(0.08337 g, 0.40 mmol)、4,4’-エチレンジアニリン(0.10619 g, 0.50 mmol),及び1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO) (1.02402 g, 9.1 mmol)のクロロベンゼン (5 ml)の混合溶液に、TiCl4 (0.1 ml, 0.91 mmol)のクロロベンゼン(2ml)を90 oCで添加した。反応混合物は125 oCで一晩中攪拌された。沈殿物は、濾過により除去された。濾液は、蒸発され、大量のメタノールに再沈殿させて、重合体からなる化合物4 (0.15131 g, 0.38 mmol) を収率75%で得た。GPC: Mn = 6868, Mw/Mn = 1.581; IR スペクトル(ATR, cm-1) 1670, 1623, 1590, 1499, 1302, 1272, 1233, 1158, 1145, 1095, 960, 946, 881, 833, 783, 759, 670, 638, 581, 519.
工程2では、化合物4 (0.08044 g, 0.20 mmol)のTHF (5 ml) 溶液にn-Bu4NF (0.5 ml, 1M in THF)が添加された。反応混合物は室温で5時間攪拌された。反応混合物は、多量のメタノールで再沈殿させて、化合物5 (0.05606 g, 0.14 mmol)を収率72%で得た。GPC: Mn = 6988, Mw/Mn = 1.521; IRスペクトル (ATR, cm-1) 1622, 1590, 1499, 1301, 1271, 1231, 960, 945, 828, 782, 757, 669, 633, 581, 519, 482, 463, 442, 419, 404.
工程3では、化合物5(0.04026 g, 0.099 mmol)及びトリエチルアミン(Et3N)(100 μl)のTHF(4.5 ml)溶液に、[Rh(nbd)Cl]2(0.00273 g, 0.0059 mmol)のTHF(0.5 ml)溶液が添加され、反応混合物はアルゴン存在下、30℃で24時間攪拌された。反応混合物は、多量のメタノールで再沈殿されて、化合物6(0.03918 g, 0.099 mmol)を収率97%で得た。GPC: Mn = 12940, Mw/Mn = 2.982; IR (ATR, cm-1) 1622, 1590, 1499, 1301, 1271, 1231, 1158, 1144, 1094, 960, 945, 828, 782, 669, 632, 579, 552, 516, 470, 411。
In this Example 2, in step 1, 2- (trimethylsilylethynyl) anthraquinone (0.03045 g, 0.10 mmol), anthraquinone (0.08337 g, 0.40 mmol), 4,4′-ethylenedianiline (0.10619 g, 0.50 mmol), And 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (DABCO) (1.02402 g, 9.1 mmol) in chlorobenzene (5 ml) were mixed with TiCl 4 (0.1 ml, 0.91 mmol) in chlorobenzene (2 ml) at 90 ° C. Added at. The reaction mixture was stirred at 125 ° C. overnight. The precipitate was removed by filtration. The filtrate was evaporated and reprecipitated in a large amount of methanol to obtain a polymer compound 4 (0.15131 g, 0.38 mmol) in a yield of 75%. GPC: M n = 6868, M w / M n = 1.581; IR spectrum (ATR, cm -1 ) 1670, 1623, 1590, 1499, 1302, 1272, 1233, 1158, 1145, 1095, 960, 946, 881, 833, 783, 759, 670, 638, 581, 519.
In Step 2, n-Bu 4 NF (0.5 ml, 1M in THF) was added to a solution of compound 4 (0.08044 g, 0.20 mmol) in THF (5 ml). The reaction mixture was stirred at room temperature for 5 hours. The reaction mixture was reprecipitated with a large amount of methanol to obtain Compound 5 (0.05606 g, 0.14 mmol) in a yield of 72%. GPC: M n = 6988, M w / M n = 1.521; IR spectrum (ATR, cm -1 ) 1622, 1590, 1499, 1301, 1271, 1231, 960, 945, 828, 782, 757, 669, 633, 581, 519, 482, 463, 442, 419, 404.
In Step 3, compound 5 (0.04026 g, 0.099 mmol) and triethylamine (Et 3 N) (100 μl) in THF (4.5 ml) were mixed with [Rh (nbd) Cl] 2 (0.00273 g, 0.0059 mmol) in THF. (0.5 ml) solution was added and the reaction mixture was stirred at 30 ° C. for 24 hours in the presence of argon. The reaction mixture was reprecipitated with a large amount of methanol to obtain Compound 6 (0.03918 g, 0.099 mmol) in a yield of 97%. GPC: M n = 12940, M w / M n = 2.982; IR (ATR, cm -1 ) 1622, 1590, 1499, 1301, 1271, 1231, 1158, 1144, 1094, 960, 945, 828, 782, 669 , 632, 579, 552, 516, 470, 411.
得られた化合物6は、「化8」に示す架橋ポリアニリン誘導体である。化合物5と6のFT―IRスペクトルを測定した。図1の中段に示すように、化合物5と6とでIRスペクトルに変化はなかった。このことから、工程3では、架橋反応が1段階2電子移動ユニットの構造を保って進行したと考えられる。 The obtained compound 6 is a crosslinked polyaniline derivative represented by “Chemical Formula 8”. FT-IR spectra of compounds 5 and 6 were measured. As shown in the middle part of FIG. 1, there was no change in the IR spectrum between compounds 5 and 6. From this, it is considered that in step 3, the crosslinking reaction proceeded while maintaining the structure of the one-step two-electron transfer unit.
図2の上段に、化合物5と6のGPC(ゲル浸透ガスクロマトグラフ)チャートを示す。図2の上段に示すように、架橋反応である工程3の前の化合物5の数平均分子量Mnが6988であったのに対して、工程3の後の化合物6のMnが12940と約2倍に増加していることがわかった。このことから、化合物6は、架橋反応が進行し、ポリアニリン誘導体同士(化合物5の分子間)が架橋していると推定される。 The GPC (gel permeation gas chromatograph) chart of compounds 5 and 6 is shown in the upper part of FIG. As shown in the upper part of FIG. 2, the number average molecular weight M n of the compound 5 before the step 3 which is a crosslinking reaction was 6988, whereas the M n of the compound 6 after the step 3 was about 12940. It was found that the number increased twice. From this, it is presumed that the compound 6 has undergone a crosslinking reaction and the polyaniline derivatives (the molecules of the compound 5) are crosslinked.
また、化合物5および化合物6に同量のエチレンカーボネートを加え、静置後、上澄み液の可視紫外スペクトルを250nmから800nmの範囲で測定したところ、化合物6の可視紫外スペクトルの吸光度が化合物5よりも減少した。このことから、化合物5よりも電解液への溶解度が低下していることはわかる。 Further, the same amount of ethylene carbonate was added to Compound 5 and Compound 6, and after standing, the visible ultraviolet spectrum of the supernatant was measured in the range of 250 nm to 800 nm. As a result, the absorbance of Compound 6 in the visible ultraviolet spectrum was higher than that of Compound 5. Diminished. From this, it can be seen that the solubility in the electrolytic solution is lower than that of the compound 5.
(実施例3)
本実施例3の架橋ポリアニリン誘導体の合成スキームを、「化9」に示すように合成した。本実施例3では、工程1において、出発物質として、2-(4-トリイソプロピルシリルエチニルフェニル)アントラキノンと、4-トリイソプロピルシリルエチニルフェニル基を有しないアントラキノンと、4,4’-エチレンジアニリンとを1:4:5(モル比)の割合で用いて脱水縮合反応を行っている点が、実施例1と相違する。
Example 3
The synthesis scheme of the crosslinked polyaniline derivative of Example 3 was synthesized as shown in “Chemical Formula 9”. In Example 3, in Step 1, as starting materials, 2- (4-triisopropylsilylethynylphenyl) anthraquinone, anthraquinone having no 4-triisopropylsilylethynylphenyl group, and 4,4′-ethylenedianiline Is different from Example 1 in that the dehydration condensation reaction is carried out at a ratio of 1: 4: 5 (molar ratio).
本実施例3では、工程1において、2-(4-トリイソプロピルシリルエチニルフェニル)アントラキノン (0.04656 g, 0.10 mmol), アントラキノン (0.08334 g, 0.40 mmol) 、及び4,4’-エチレンジアニリン (0.10623 g, 0.50 mmol), 及び1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO) (1.0423 g, 9.29 mmol) のクロロベンゼン(5 ml)の混合溶液に、TiCl4 (0.1 ml, 0.91 mmol) のクロロベンゼン (2ml)を90 oCで徐々に添加した。反応混合物は125 oCで一晩中攪拌された。沈殿物は、濾過により除去された。濾液は蒸発され、多量のメタノールで再沈殿されて、化合物7(0.16589 g, 0.38 mmol)を収率76%で得た。GPC: Mn = 6969, Mw/Mn = 1.609; IRスペクトル (ATR, cm-1) 1622, 1590, 1499, 1460, 1302, 1271, 1231, 1158, 1145, 1094, 1015, 960, 944, 828, 782, 756, 669, 574, 518.
工程2では、化合物7(0.10032 g, 0.23 mmol)のTHF (5 ml)溶液にn-Bu4NF (0.5 ml, 1M in THF)が添加された。反応混合物は室温で4.5時間攪拌された。反応混合物は多量のメタノールで再沈殿されて、化合物8(0.09056 g, 0.22 mmol)を収率97%で得た。GPC: Mn = 6988, Mw/Mn = 1.521; IRスペクトル (ATR, cm-1) 1669, 1622, 1590, 1499, 1302, 1271, 1231, 1158, 1145, 1094, 960, 945, 828, 783, 757, 670, 633, 579, 543, 518.
工程3では、化合物8(0.04051 g, 0.10 mmol) 及びEt3N (100 μl)のTHF(4.5 ml)溶液に [Rh(nbd)Cl]2(0.00249 g, 0.0054 mmol) のTHF(0.5 ml)溶液が添加された。反応混合物はアルゴン存在下、30℃で24時間攪拌された。反応混合物は、多量のメタノールで再沈殿されて化合物9(0.03842 g, 0.095 mmol)を収率95%で得た。GPC: Mn = 12940, Mw/Mn = 2.982; IRスペクトル (ATR, cm-1) 1622, 1589, 1498, 1301, 1271, 1230, 1158, 1145, 1094, 1015, 960, 944, 827, 782, 669, 639, 580, 551, 517, 409.
In Example 3, in step 1, 2- (4-triisopropylsilylethynylphenyl) anthraquinone (0.04656 g, 0.10 mmol), anthraquinone (0.08334 g, 0.40 mmol), and 4,4′-ethylenedianiline (0.10623 g, 0.50 mmol), and 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (DABCO) (1.0423 g, 9.29 mmol) in chlorobenzene (5 ml) mixed with TiCl 4 (0.1 ml, 0.91 mmol) in chlorobenzene. (2 ml) was added slowly at 90 ° C. The reaction mixture was stirred at 125 ° C. overnight. The precipitate was removed by filtration. The filtrate was evaporated and reprecipitated with a large amount of methanol to give compound 7 (0.16589 g, 0.38 mmol) in 76% yield. GPC: M n = 6969, M w / M n = 1.609; IR spectrum (ATR, cm -1 ) 1622, 1590, 1499, 1460, 1302, 1271, 1231, 1158, 1145, 1094, 1015, 960, 944, 828, 782, 756, 669, 574, 518.
In Step 2, n-Bu 4 NF (0.5 ml, 1M in THF) was added to a solution of compound 7 (0.10032 g, 0.23 mmol) in THF (5 ml). The reaction mixture was stirred at room temperature for 4.5 hours. The reaction mixture was reprecipitated with a large amount of methanol to obtain Compound 8 (0.09056 g, 0.22 mmol) in a yield of 97%. GPC: M n = 6988, M w / M n = 1.521; IR spectrum (ATR, cm -1 ) 1669, 1622, 1590, 1499, 1302, 1271, 1231, 1158, 1145, 1094, 960, 945, 828, 783, 757, 670, 633, 579, 543, 518.
In step 3, compound 8 (0.04051 g, 0.10 mmol) and Et 3 N (100 μl) in THF (4.5 ml) were mixed with [Rh (nbd) Cl] 2 (0.00249 g, 0.0054 mmol) in THF (0.5 ml). The solution was added. The reaction mixture was stirred for 24 hours at 30 ° C. in the presence of argon. The reaction mixture was reprecipitated with a large amount of methanol to obtain Compound 9 (0.03842 g, 0.095 mmol) in a yield of 95%. GPC: M n = 12940, M w / M n = 2.982; IR spectrum (ATR, cm -1 ) 1622, 1589, 1498, 1301, 1271, 1230, 1158, 1145, 1094, 1015, 960, 944, 827, 782, 669, 639, 580, 551, 517, 409.
得られた化合物9は、「化10」に示す架橋ポリアニリン誘導体である。化合物8と9のFT―IRスペクトルを測定した。図1の下段に示すように、化合物8と9とでIRスペクトルに変化はなかった。このことから、工程3では、架橋反応が1段階2電子移動ユニットの構造を保って進行したと考えられる。 The resulting compound 9 is a crosslinked polyaniline derivative represented by “Chemical Formula 10”. FT-IR spectra of compounds 8 and 9 were measured. As shown in the lower part of FIG. 1, there was no change in the IR spectrum between compounds 8 and 9. From this, it is considered that in step 3, the crosslinking reaction proceeded while maintaining the structure of the one-step two-electron transfer unit.
図2の下段に、化合物8と9のGPCチャートを示す。図2の下段に示すように、架橋反応である工程3の前の化合物8の数平均分子量Mnが6969であったのに対して、工程3の後の化合物9のMnが12940と約2倍に増加していることがわかった。このことから、化合物9は、架橋反応が進行し、ポリアニリン誘導体同士(化合物8の分子間)が架橋していると推定される。 The GPC chart of compounds 8 and 9 is shown in the lower part of FIG. As shown in the lower part of FIG. 2, the number average molecular weight M n of the compound 8 before the step 3 which is a crosslinking reaction was 6969, whereas the M n of the compound 9 after the step 3 was about 12940. It was found that the number increased twice. From this, it is presumed that the compound 9 has undergone a crosslinking reaction and the polyaniline derivatives (between the molecules of the compound 8) are crosslinked.
また、化合物8および化合物9に同量のエチレンカーボネートを加え、静置後、上澄み液の可視紫外スペクトルを250nmから800nmの範囲で測定したところ、化合物9の可視紫外スペクトルの吸光度が化合物8よりも減少した。このことから、化合物5よりも電解液への溶解度が低下していることはわかる。 Further, the same amount of ethylene carbonate was added to Compound 8 and Compound 9, and after standing, the visible ultraviolet spectrum of the supernatant was measured in the range of 250 nm to 800 nm. As a result, the absorbance of Compound 9 in the visible ultraviolet spectrum was higher than that of Compound 8. Diminished. From this, it can be seen that the solubility in the electrolytic solution is lower than that of the compound 5.
(比較例1)
本比較例1の化合物10は、市販のポリアニリン(ALDRICH社製)である。
(Comparative Example 1)
Compound 10 of Comparative Example 1 is a commercially available polyaniline (manufactured by ALDRICH).
(比較例2)
本比較例2の化合物11は、下記の「化11」に示すポリアニリン誘導体である。「化11」に示されるポリアニリン誘導体を製造するにあたっては、アントラキノン(2.499g、12.0mmol)と4,4’−エチレンジアニリン (2.548g、12.0mmol)とDABCO(12.75g、113.7mmol)をモノクロロベンゼン(145ml)に溶かし、TiCl4(2ml、18.1mmol)のモノクロロベンゼン溶液(15ml)を滴下した後、撹拌しながら125℃で24時間反応させた。反応終了後、沈殿物をろ過し、得られた溶液を真空乾固した後、少量のモノクロロベンゼンに溶解して酢酸エチル中で再沈殿した。(68% 3.408g)。GPCにより生成物の数平均分子量(Mn):9670であり、質量平均分子量/数平均分子量(Mw/Mn)=1.626であった。
(Comparative Example 2)
Compound 11 of Comparative Example 2 is a polyaniline derivative represented by the following “Chemical Formula 11”. In producing the polyaniline derivative represented by “Chemical Formula 11”, anthraquinone (2.499 g, 12.0 mmol), 4,4′-ethylenedianiline (2.548 g, 12.0 mmol) and DABCO (12.75 g, 113.7 mmol) Was dissolved in monochlorobenzene (145 ml), and a monochlorobenzene solution (15 ml) of TiCl 4 (2 ml, 18.1 mmol) was added dropwise, followed by reaction at 125 ° C. for 24 hours with stirring. After completion of the reaction, the precipitate was filtered, and the resulting solution was vacuum-dried, dissolved in a small amount of monochlorobenzene, and reprecipitated in ethyl acetate. (68% 3.408 g). According to GPC, the product had a number average molecular weight (Mn) of 9670 and a mass average molecular weight / number average molecular weight (Mw / Mn) = 1.626.
<電池の充放電特性>
下記のように実施例1〜3および比較例1、2の化合物3,6,9、10、11を正極活物質として用いて二次電池を作製し、電池性能を評価した。
<Charge / discharge characteristics of battery>
Secondary batteries were produced using the compounds 3, 6, 9, 10, and 11 of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 as positive electrode active materials as described below, and the battery performance was evaluated.
<電池の作製>
化合物3,6,9、10、11をそれぞれ正極活物質とし、この正極活物質(2 mg, 20 wt%)、ケチェンブラック(4 mg, 40 wt%)、TAB(アセチレンブラックとPTFEが2:1で混合したもの, 4 mg, 40 wt%)を混合しシート化し、アルミメッシュ(14φ)に圧着した。それを真空下120 oCで6時間以上乾燥し、ポリアニリン誘導体を含む電極とした。以後は、グローブボックス内で行った。この電極をコイン電池を構成する正極集電体上に置き、電解液[1M LiPF6 / EC : DEC(体積比で1 : 1)]に含浸させた。その電極上にポリプロピレン多孔質フィルムからなるセパレーター、ガラスフィルターを積層し、さらに負極となるリチウム箔(14φ)を積層した。その後、周囲に絶縁パッキンを配置した状態でコイン電池のアルミ外装を重ねた。それをしめ機によって加圧し、正極活物質として上記各化合物、負極活物質として金属リチウムを用いた密閉型コイン電池(リチウム二次電池)を作製した。
<Production of battery>
Compounds 3, 6, 9, 10, and 11 were used as positive electrode active materials, respectively. This positive electrode active material (2 mg, 20 wt%), Ketjen black (4 mg, 40 wt%), TAB (acetylene black and PTFE were 2 : 1 mixed, 4 mg, 40 wt%) was mixed to form a sheet, which was crimped to an aluminum mesh (14φ). It was dried at 120 ° C. under vacuum for 6 hours or more to obtain an electrode containing a polyaniline derivative. After that, it went in the glove box. This electrode was placed on a positive electrode current collector constituting a coin battery, and impregnated with an electrolytic solution [1M LiPF6 / EC: DEC (1: 1 by volume)]. A separator made of a polypropylene porous film and a glass filter were laminated on the electrode, and a lithium foil (14φ) serving as a negative electrode was further laminated. Then, the aluminum exterior of a coin battery was piled up in the state where insulating packing was arranged around. It was pressurized with a crimping machine to produce a sealed coin battery (lithium secondary battery) using each of the above compounds as the positive electrode active material and metallic lithium as the negative electrode active material.
<充放電試験>
充放電試験は、作製した各電池に4.0 Vから2.0 Vの範囲で25 mA/gの電流密度を流すことにより行った。最初に活物質がLiイオンを有していないことから2Vまで放電し、次いで4Vまで充電した。初期のサイクルは1段階2電子移動ユニットのレドックス(酸化還元反応)に相当するプラトー(平坦部)を示さなかったことから、その後のステップを1サイクル目とした。
<Charge / discharge test>
The charge / discharge test was carried out by passing a current density of 25 mA / g in the range of 4.0 V to 2.0 V through each manufactured battery. Since the active material did not have Li ion first, it was discharged to 2V, and then charged to 4V. Since the initial cycle did not show a plateau (flat part) corresponding to the redox (redox reaction) of the one-stage two-electron transfer unit, the subsequent step was designated as the first cycle.
架橋反応生成物である化合物3,6,9の充放電曲線を図3に示した。図3に示すように、化合物3の充放電曲線では、1段階2電子ユニットのレドックスに相当するプラトーがおおよそ3Vで観測されなかった。化合物3は、エチニル基の架橋割合が高く、1段階2電子ユニットで電池反応が十分働く反応空間がなかった可能性がある。また、その架橋高分子内に電解液が十分に浸透しなかった可能性もある。 The charge / discharge curves of compounds 3, 6, and 9, which are crosslinking reaction products, are shown in FIG. As shown in FIG. 3, in the charge / discharge curve of Compound 3, a plateau corresponding to the redox of the one-step two-electron unit was not observed at about 3V. Compound 3 may have a high cross-linking ratio of ethynyl groups, and there may be no reaction space in which a battery reaction sufficiently works in a one-step two-electron unit. Moreover, there is a possibility that the electrolyte did not sufficiently penetrate into the crosslinked polymer.
化合物6、9の充放電曲線では、1段階2電子ユニットに由来するレドックスが観測され、充放電サイクルを重ねるごとに容量が増加した。 In the charge / discharge curves of compounds 6 and 9, redox derived from one-step two-electron unit was observed, and the capacity increased with each charge / discharge cycle.
表1には、実施例1,2,3の化合物3,6,9を用いた電池についてそれぞれ、実施例1の理論容量を1としたときの理論容量の比、実施例1の実測容量を1としたときの実測容量の比を示した。実測容量は、1サイクル目の放電容量とした。表1に示すように、化合物3,6,9を用いた電池の理論容量は、ほぼ等しかった。それらの実測容量については、化合物6、9を用いた電池は化合物3を用いた電池の1.4倍程度になった。 Table 1 shows the ratio of the theoretical capacity when the theoretical capacity of Example 1 is 1, and the measured capacity of Example 1 for the batteries using the compounds 3, 6, and 9 of Examples 1, 2, and 3. The ratio of the measured capacity when 1 is shown. The measured capacity was the discharge capacity at the first cycle. As shown in Table 1, the theoretical capacities of the batteries using compounds 3, 6, and 9 were almost equal. Regarding the measured capacity, the battery using the compounds 6 and 9 was about 1.4 times the battery using the compound 3.
これは、化合物6,9は化合物3よりもエチニル基架橋部分が少なく、ポリマー主鎖中のユニットが移動しやすく、1段階多電子移動が生じやすくなったためであると考えられる。 This is considered to be because compounds 6 and 9 have fewer ethynyl group cross-linked moieties than compound 3 and units in the polymer main chain easily move and one-step multi-electron transfer easily occurs.
また、化合物3の架橋ポリアニリン誘導体の架橋可能部位(エチニル基)は、アントラセン骨格ユニットのすべてに結合している。化合物6、9の架橋ポリアニリン誘導体の架橋可能部位(エチニル基)はすべてのアントラセンユニットの内の20%に結合している。この架橋可能部位の割合は、アセチレンをもつアントラキノンとアセチレンをもたないアントラキノンの比率で決定される。架橋可能部位がすべてのユニットに結合している化合物3は、容量が比較的低く、架橋可能部位が一部のユニットに結合している化合物6,9の容量は比較的高かった。 Moreover, the crosslinkable site (ethynyl group) of the crosslinked polyaniline derivative of Compound 3 is bonded to all of the anthracene skeleton units. The crosslinkable site (ethynyl group) of the crosslinked polyaniline derivative of compounds 6 and 9 is bonded to 20% of all anthracene units. The ratio of this crosslinkable site is determined by the ratio of anthraquinone with acetylene and anthraquinone without acetylene. Compound 3 in which the crosslinkable site was bonded to all units had a relatively low capacity, and the capacity of compounds 6 and 9 in which the crosslinkable site was bonded to some units was relatively high.
また、図3に示すように、化合物3,6,9は、充放電を重ねるごとに容量が増加し、10サイクル目からほぼ容量が一定になった。比較例1,2の化合物10,11も同様に10サイクル目から容量がほぼ一定になった。そこで、各化合物の10サイクル目の容量を1としたときの50サイクル目の容量(10サイクル目の容量に対する相対容量)を表2に示した。表2に示すように、実施例1〜3の化合物3,6,9を用いた電池では、50サイクル目の相対容量はほぼ10サイクル目と変わらなかった。一方、比較例1,2の化合物10,11は、相対容量が低下した。このことから、架橋反応である工程3を行って生成された架橋ポリアニリン誘導体(化合物3,6,9)は、電解液に溶解しにくくなり、そのため、サイクル特性が向上したと考えられる。 Moreover, as shown in FIG. 3, the capacity | capacitances of the compounds 3, 6, and 9 increased each time charging / discharging repeated, and the capacity | capacitance became substantially constant from the 10th cycle. Similarly, the capacities of the compounds 10 and 11 of Comparative Examples 1 and 2 became almost constant from the 10th cycle. Therefore, Table 2 shows the capacity at the 50th cycle (relative capacity with respect to the capacity at the 10th cycle) when the capacity at the 10th cycle of each compound is 1. As shown in Table 2, in the battery using the compounds 3, 6, and 9 of Examples 1 to 3, the relative capacity at the 50th cycle was almost the same as that at the 10th cycle. On the other hand, the relative capacities of Compounds 10 and 11 of Comparative Examples 1 and 2 decreased. From this, it is considered that the cross-linked polyaniline derivative (compounds 3, 6, and 9) produced by performing Step 3 which is a cross-linking reaction is hardly dissolved in the electrolytic solution, and thus the cycle characteristics are improved.
<電池のレート特性>
化合物9を正極活物質として用いた電池を電流密度25 mA/gで充電し、電流密度を25 mA/gから500 mA/gまで変化させ放電させた。図4に示すように、電流密度500mA/g(10分で放電)の容量は、87.3 mAh/gで、電流密度25mA/gのときの容量96.4 mAh/gを89%維持した。このことから、化合物9は、高速大出力が可能であり、レート特性に優れることがわかる。化合物3,6のレート特性についても、化合物9と同様の結果が得られた。
<Battery rate characteristics>
A battery using Compound 9 as the positive electrode active material was charged at a current density of 25 mA / g, and discharged by changing the current density from 25 mA / g to 500 mA / g. As shown in FIG. 4, the capacity at a current density of 500 mA / g (discharged in 10 minutes) was 87.3 mAh / g, and the capacity of 96.4 mAh / g at a current density of 25 mA / g was maintained at 89%. From this, it can be seen that the compound 9 is capable of high-speed and large output and is excellent in rate characteristics. Regarding the rate characteristics of the compounds 3 and 6, the same results as those of the compound 9 were obtained.
Claims (8)
(一般式(2)中、R1,R2、R3、R4、R5、X1、X2、l、nは、請求項1の一般式(1)中のR1,R2、R3、R4、R5、X1、X2、l、nと同じ。一般式(2)中、mは、1以上の整数である。) The crosslinked polyaniline derivative according to claim 1, which has a structure represented by the following general formula (2).
(In the general formula (2), R1, R2, R3, R4, R5, X1, X2, 1, and n are R1, R2, R3, R4, R5, X1, in the general formula (1) of claim 1; Same as X2, l, n. In general formula (2), m is an integer of 1 or more.)
(一般式(4)中、R5、R6,R7、R8、R9、X1、X2、l、nは、請求項3の一般式(3)中のR5、R6,R7、R8、R9、X1、X2、l、nと同じ。一般式(4)中、mは、1以上の整数である。) The crosslinked polyaniline derivative according to claim 3, which has a structure represented by the general formula (4).
(In the general formula (4), R5, R6, R7, R8, R9, X1, X2, 1, and n are R5, R6, R7, R8, R9, X1, in the general formula (3) of claim 3. Same as X2, l and n. In general formula (4), m is an integer of 1 or more.)
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