JP5678394B2 - Batteries containing polytrimethylene oxide and polytrimethylene oxide as electrolyte - Google Patents
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Description
本発明は、新規なポリトリメチレンオキシド及び該ポリトリメチレンオキシドを電解質として含む電池に関する。 The present invention relates to a novel polytrimethylene oxide and a battery containing the polytrimethylene oxide as an electrolyte.
近年、携帯電話や、パソコン更には電気自動車など電池で稼働する機器類が多く用いられている。それにつれて、電池の大容量化、大出力化或いは安全性、場合によっては、小型化が、種々検討されている。 In recent years, devices that operate on batteries, such as mobile phones, personal computers, and even electric vehicles, are often used. Along with this, various studies have been made on increasing the capacity, increasing the output or safety of the battery, and possibly reducing the size.
なかでも、リチウムイオン等無機化合物を含む非水系の電解質を用いた電池が注目されている。これらの液体電解質は、イオンの移動に優れており、高負荷充放電特性を有するが、液漏れを起こす可能性は否定できず、安全性に問題がある。そこで、これら電解質液を高分子材料によって保持させ、所謂ゲルとして用いることも提案されているが、一般にゲル化された電解質といえども、高温下では、やはり液体を分離し、液漏れを完全に回避することはできないし、また低温化では性能の低下を来たす傾向がある。 In particular, a battery using a non-aqueous electrolyte containing an inorganic compound such as lithium ion has attracted attention. These liquid electrolytes are excellent in ion migration and have high load charge / discharge characteristics, but the possibility of causing liquid leakage cannot be denied, and there is a problem in safety. Therefore, it has been proposed to hold these electrolyte solutions with a polymer material and use them as so-called gels. However, even in the case of generally gelled electrolytes, at high temperatures, the liquids are still separated and liquid leakage is completely prevented. It cannot be avoided, and there is a tendency for performance to decrease at low temperatures.
そこで、液体電解質を実質的に用いない、所謂高分子固体電解質を用いることも提案されている。高分子固体電解質の有利点は、液体又はゲル化電解質を用いた場合のような液漏れの危険が無いということに止まらず、高分子固体電解質は加工性が良く希望する形状にしやすくなり、且つ液漏れの問題がないため電池容器を簡素化でき、製品の軽量化や小型化などの利点がある。しかし、反面、従来の固体電解質は、一般にイオン伝導度が低く、実用化には十分とはいえず、イオン伝導度を高める技術について、数多くの提案もなされている。例えば、連結基を介してシアノ基を有するモノマーと多官能性モノマーとのポリマーを固体電解質とする技術(特許文献1)や、シアノ基を有するセルロースにイソシアネート基を反応させて得られた架橋構造を有する高分子固体電解質(特許文献2)などが知られている。 Therefore, it has also been proposed to use a so-called solid polymer electrolyte that does not substantially use a liquid electrolyte. Advantages of the polymer solid electrolyte are not limited to the risk of liquid leakage as in the case of using a liquid or gelled electrolyte, and the polymer solid electrolyte is easy to process and has a desired shape, and Since there is no problem of liquid leakage, the battery container can be simplified, and there are advantages such as lighter and smaller products. However, conventional solid electrolytes generally have low ionic conductivity, which is not sufficient for practical use, and many proposals have been made on techniques for increasing ionic conductivity. For example, a technique of using a polymer of a monomer having a cyano group and a polyfunctional monomer as a solid electrolyte via a linking group (Patent Document 1), or a crosslinked structure obtained by reacting an isocyanate group with cellulose having a cyano group A polymer solid electrolyte (Patent Document 2) having a cation is known.
更に本発明者の一人もまた、ポリオキセタンに着目し、側鎖にシアノ基を一つ有するオキセタン誘導体の重合体を用い、特に2価の金属塩に対し、優れた伝導性を有する固体電解質を提案している(特許文献3)。 Furthermore, one of the inventors also paid attention to polyoxetane, and used a polymer of an oxetane derivative having one cyano group in the side chain, and a solid electrolyte having excellent conductivity especially for divalent metal salts. It has been proposed (Patent Document 3).
特許文献1の固体電解質は、高負荷充放電特性やサイクル特性に優れ、高容量で安全なリチウム二次電池をもたらすことができるという特徴があるうえ、高いイオン伝導性を有するとされている。また、特許文献2の固体電解質は、多量の溶剤を含んでも取り扱い可能であるという特徴があるうえ、高いイオン伝導性を有するとされている。
The solid electrolyte of
また、本発明者の一人が提案した特許文献3の固体電解質は、オキセタン誘導体のポリマーの側鎖にシアノ基を一つ有するもので、主鎖がポリトリメチレンオキシド構造を有する高分子であり、このトリメチレンオキシド構造を有する高分子は、一般に固体電解質としてよく用いられるエチレンオキシド構造よりなる高分子と同様の効果を有するが、主鎖の酸素間に存在する炭素の数が多いため、2価イオンに対しても、1価イオンにおけるエチレンオキシドとほぼ同等の性能が得られるという特徴を有する。すなわち、マグネシウムイオン等の2価イオンに対して、リチウムイオンを用いたエチレンオキシド系固体電解質と同程度の伝導性が得られるのである。
Further, the solid electrolyte of
しかしながら、従来の固体電解質においては、非特許文献1に総説として示されているように安全性、信頼性及びデザインの簡易性の点で、液体電解質に優っているが、固体電解質は一般的に液体電解質に比べてイオン伝導性が低いのである。事実、イオンキャリアーとしてリチウムイオン等を用いた場合、一般に30℃〜70℃あたりでの固体電解質の伝導性は10−6s・cm―1程度であり、先に本発明者の一人が提案した、高分子固体電解質であっても、10−4〜10−5s・cm−1程度で、溶液電解質の場合に比べて1〜2桁程度は劣るのである。
However, the conventional solid electrolyte is superior to the liquid electrolyte in terms of safety, reliability, and design simplicity as shown as a review in Non-Patent
本発明者らは、より伝導性の大きい高分子固体電解質を得ることを目的として、本発明者の一人が先に提案した側鎖にシアノ基を有するポリトリメチレンオキシドをベースとして、改良を試みた結果、液体電解質に匹敵する高い伝導性を有する固体電解質の開発に成功し本発明を提案するに至った。 For the purpose of obtaining a polymer solid electrolyte with higher conductivity, the present inventors have attempted improvement based on polytrimethylene oxide having a cyano group in the side chain previously proposed by one of the present inventors. As a result, the present inventors have succeeded in developing a solid electrolyte having high conductivity comparable to that of a liquid electrolyte and have proposed the present invention.
本発明のうち請求項1に係る発明は、下記一般式(1)で表わされるポリトリメチレンオキシドである。
The invention according to
請求項2に係る発明は、R2及びR3がそれぞれ独立してメチレン基又はジメチレン基である請求項1記載のポリトリメチレンオキシドである。
The invention according to
請求項3に係る発明は、R1がエチル基である請求項1又は2記載のポリトリメチレンオキシドである。
The invention according to
請求項4に係る発明は、請求項1乃至3のうちいずれか1項記載のポリトリメチレンオキシドよりなる固体電解質である。
The invention according to
請求項5に係る発明は、イオンキャリアーを含む請求項4記載のポリトリメチレンオキシドよりなる固体電解質である。
The invention according to
請求項6に係る発明は、補強材を含む請求項4又は5記載のポリトリメチレンオキシドよりなる固体電解質である。
The invention according to
請求項7に係る発明は、請求項4乃至6のうちいずれか1項記載のポリトリメチレンオキシドよりなる固体電解質を電解質として含む電池である。
The invention according to
本発明は、1モノマー当たり側鎖に3個のシアノ基を有するポリトリメチレンオキシドよりなる新規ポリマーであり、実質的に溶媒を含まない固体電解質である。本発明のポリマーは、リチウム電池等の電池の電解質として特に有用であり、電池の固体電解質として用いた場合、公知の固体電解質の特性、すなわち液漏れをしないことによる安全性や、それに伴い液漏れ対策を不要とするので容器の簡略化による軽量や小型化に加え、液体電解質と同等の伝導性能を有するのである。 The present invention is a novel polymer composed of polytrimethylene oxide having three cyano groups in the side chain per monomer, and is a solid electrolyte substantially free of a solvent. The polymer of the present invention is particularly useful as an electrolyte of a battery such as a lithium battery. When used as a solid electrolyte of a battery, the characteristics of a known solid electrolyte, that is, safety due to no liquid leakage, and liquid leakage associated therewith. Since no measures are required, in addition to light weight and miniaturization by simplification of the container, it has a conductive performance equivalent to that of a liquid electrolyte.
本発明の最大の特徴は、下記一般式(1)に示す新規ポリトリメチレンオキシドにある。 The greatest feature of the present invention resides in a novel polytrimethylene oxide represented by the following general formula (1).
また、R2は、メチレン、エチレン、プロピレン、ヘキサメチレン等の炭素数1〜6のアルキレン基、シクロヘキセン等の炭素数4〜6のシクロアルキレン基、又はフェニレン等のアリーレン基である。中でもメチレン基が好ましい。また、シクロアルキレンやアリーレン等は、伝導性の向上には資するが合成上の問題及び高分子化する場合の重合度が上がらない傾向がある。 R 2 is an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms such as methylene, ethylene, propylene or hexamethylene, a cycloalkylene group having 4 to 6 carbon atoms such as cyclohexene, or an arylene group such as phenylene. Of these, a methylene group is preferred. Cycloalkylene, arylene, and the like contribute to improvement in conductivity, but there is a tendency for the synthesis problem and the degree of polymerization to increase when polymerized.
R3は、エチレン、プロピレン、ヘキサメチレン等の炭素数2〜6のアルキレン基又は−(R4O)m−基であり、R4は炭素数2〜3の炭化水素基、すなわち、エチレン基又は側鎖としてメチル基を有するエチレン基である。これらは、合成の容易性等によるものである。また、mは1〜3の整数である。mが大きくなると本化合物の重合が困難になる。nは、整数であり、一般に数拾程度までである。 R 3 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms such as ethylene, propylene, hexamethylene or the like, or — (R 4 O) m — group, and R 4 is a hydrocarbon group having 2 to 3 carbon atoms, that is, an ethylene group. Alternatively, it is an ethylene group having a methyl group as a side chain. These are due to the ease of synthesis and the like. Moreover, m is an integer of 1-3. When m increases, polymerization of the present compound becomes difficult. n is an integer, generally up to several picks.
本発明の特徴は、トリメチレンオキシド基が主鎖を形成し、且つ、モノマー単位の中央の炭素に側鎖を有すること及び、該側鎖に3個のシアノ基が存在していることにある。本発明者の一人はすでに側鎖に1個のシアノ基を有するオキセタン重合体よりなる固体電解質を提案しているが、本件発明では、側鎖に3個のシアノ基を有することにより、予測を超えて重合体の伝導性が向上するのである。 The feature of the present invention is that the trimethylene oxide group forms a main chain and has a side chain at the central carbon of the monomer unit and that there are three cyano groups in the side chain. . One of the inventors of the present invention has already proposed a solid electrolyte made of an oxetane polymer having one cyano group in the side chain, but in the present invention, prediction is made by having three cyano groups in the side chain. Beyond that, the conductivity of the polymer is improved.
すなわち、図1は非特許文献1の図14に示された改良されたポリエチレンオキシドの固体電解質についてのリチウムイオンを含む約0℃〜80℃間の伝導度(logσs・cm−1)の値であり、本発明の例をこの表中に重ねて示すと、黒塗りつぶしの逆三角形の線の如くなる。なお、図1のCYAMEOの場合の伝導度を示す線(―)は、特許文献3のポリマーによる伝導度も参考に示したものである。なお、図中PEOMAはメチルエチルメタクリレート、PAEOAは、ポリ(アクリル−オリゴ(エチレンオキシド)アクリレート)、PEDA−PEGは、ポリ(エチレングリコール(PEG)のジアルリレート)共重合体、PDEIGは、ポリ(エチレングリコールジメタクリレート)、PMEはポリ(エチレングリコール)メタアクリレート、PEGMAはポリ(エチレングリコール)メチルエーテル、メタアクリレート、TEGDAは、トリ(エチレングリコール)ジアクリレートを表しており、大概これらはポリエチレンオキシドと同程度か、それより高い程度である。しかるに、本発明は約20℃〜80℃の間において、明らかに高く、10−3S・cm−1オーダーの伝導性を示すのである。
That is, FIG. 1 shows the conductivity (logσs · cm −1 ) between about 0 ° C. and 80 ° C. containing lithium ions for the improved polyethylene oxide solid electrolyte shown in FIG. 14 of
本発明のポリマーの特徴は、主鎖としてトリメチレンオキシドのモノマー単位を有し、且つその中央の炭素は一方でアルキル基が置換されており、また他方でアミド結合によりターシャリーの炭素を介して3個のアルキレンオキシ基、シクロアルキレン基又はアリーレンオキシ基が結合しており、それぞれのアルキレン基等を介して、それぞれ末端にシアノ基が結合していることである。 The polymer of the present invention is characterized by having trimethylene oxide monomer units as the main chain, and the central carbon is substituted on the one hand with an alkyl group, and on the other hand through a tertiary carbon by an amide bond. Three alkyleneoxy groups, cycloalkylene groups, or aryleneoxy groups are bonded, and a cyano group is bonded to each terminal via each alkylene group.
本発明のポリマーが高い伝導性を示す理由は、必ずしも明らかではないが主鎖が3個の炭素と酸素との繰り返し単位であること及び各繰り返し単位ごとに少なくとも一つのエーテル結合を介して3個のシアノ基が存在する構造にあると考えられる。 The reason why the polymer of the present invention exhibits high conductivity is not necessarily clear, but the main chain is a repeating unit of three carbons and oxygen, and there are three via at least one ether bond for each repeating unit. It is considered that the structure has a cyano group.
本発明のポリマーは、比較的長い側鎖のため、重合度はあまり大きくなく、高々10乃至数拾位であり、一般にやわらかく粘性及び延性を持っており、特にシアノ基に系る側鎖が長くなるとモノマーの重合度は大きくならない。 Since the polymer of the present invention has a relatively long side chain, the degree of polymerization is not so large, it is at most 10 to several positions, generally soft and viscous and ductile, and in particular, the side chain based on a cyano group is long. As a result, the degree of polymerization of the monomer does not increase.
本発明のポリマーが粘性や延性を有することはむしろイオンキャリアーである無機塩類の混合や電極活物質或いは集電体への接触を容易にするという特徴ともなる。 Rather, the polymer of the present invention has viscosity and ductility, but is also characterized by facilitating the mixing of inorganic salts which are ion carriers and the contact with the electrode active material or current collector.
本発明のポリマーを電池の電解質として用いる場合、イオンキャリアーとして用いられる無機塩類は、従来のリチウム電池等に用いられる1価又は2価の金属塩類が何等制限なく使用できる。例えば、LiPF6,LiBF4,LiClO4,LiAsF6,Li2SiF6,LiCF3SO3,Li(CF3SO2)2N,Li(CF3CF2SO2)2N,LiB(C2O2)2,LiPF3(CF3CF2)3等のリチウムオキザリール化合物、Mg(ClO4)2,Mg(CF3SO3)2等が挙げられるが、これらに限られるものではない。また、特に好ましい無機塩はリチウム塩、マグネシウム塩、中でもLiPF6,LiBF4である。 When the polymer of the present invention is used as a battery electrolyte, the monovalent or divalent metal salts used in conventional lithium batteries can be used without any limitation as the inorganic salts used as ion carriers. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li 2 SiF 6 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N, LiB (C 2 Examples include, but are not limited to, lithium oxalyl compounds such as O 2 ) 2 and LiPF 3 (CF 3 CF 2 ) 3 , Mg (ClO 4 ) 2 , and Mg (CF 3 SO 3 ) 2. . Particularly preferred inorganic salts are lithium salts and magnesium salts, especially LiPF 6 and LiBF 4 .
上記無機塩は、一般に固体電解質中に10〜100重量%程度混合される(なお後述する補強材は含めない)。好ましくは、50〜80重量%である。10%未満では伝導性や高負荷充放電性に劣る。また、100%を超えて多量の無機塩類を混合することは困難であり、全体が硬くなり且つ脆くなり成型性が劣る。 The inorganic salt is generally mixed in a solid electrolyte by about 10 to 100% by weight (not including a reinforcing material described later). Preferably, it is 50 to 80% by weight. If it is less than 10%, the conductivity and the high-load charge / discharge performance are inferior. Moreover, it is difficult to mix a large amount of inorganic salts exceeding 100%, and the whole becomes hard and brittle, resulting in poor moldability.
本発明のポリマーは、それ自体単独で固体電解質として電池等に用いることもできるが、すでに述べたとおり、やわらかいポリマーであり、補強材として他の高分子物質を混合し、成型性や形の維持力を高めることができる。 The polymer of the present invention can be used as a solid electrolyte by itself for a battery or the like, but as already mentioned, it is a soft polymer, and other polymer substances are mixed as a reinforcing material to maintain moldability and shape. You can increase your power.
この場合に用いられる他の高分子物質としては、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFPと略す)、ポリアクリロニトリル、アクリル酸エステル、又はメタアクリル酸エステルの重合体、アクリル酸、又はメタアクリル酸の重合体、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシドなどの極性基を持つ重合体が使用できるが、特にPVDF−HFPが耐久性があり、好ましい。 Other polymer substances used in this case include vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (abbreviated as PVDF-HFP), polyacrylonitrile, acrylic acid ester, or methacrylic acid ester polymer, acrylic acid, Alternatively, a polymer having a polar group such as a polymer of methacrylic acid, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, or polyethylene oxide can be used, but PVDF-HFP is particularly preferable because of its durability.
これらの補強材は、一般に本発明のポリマーに対し、200重量%程度まで混合できる。補強材の混合割合が少ないと形成時の強度が劣り、200%を超えて大量に混合すれば強度は向上するが、伝導性は低下する。そこで、一般に50〜100%程度を目安として、適宜目的に応じて混合割合を決めればよい。 These reinforcing materials can generally be mixed up to about 200% by weight with respect to the polymer of the present invention. If the mixing ratio of the reinforcing material is small, the strength at the time of formation is inferior, and if it is mixed in a large amount exceeding 200%, the strength is improved, but the conductivity is lowered. Therefore, in general, the mixing ratio may be appropriately determined according to the purpose, using about 50 to 100% as a guide.
次に電池として用いる場合、その構造は、特に制限されるものではなく、一般の電池、特に公知の固体電解質を用いた一次電池又は二次電池と同じ構造が採用される。 Next, when used as a battery, the structure is not particularly limited, and the same structure as a general battery, in particular, a primary battery or a secondary battery using a known solid electrolyte is adopted.
すなわち、正極と負極及びその間に必要に応じて短絡防止の隔膜を配し、両極間に固体電解質を存在させる。 That is, a positive electrode, a negative electrode, and a short-circuit preventing diaphragm are disposed between the positive electrode and the negative electrode as necessary, and a solid electrolyte is present between the two electrodes.
正極としては、イオンキャリアーを吸蔵及び放出することができる材料である。正極としては、正極活物質として、例えばリチウム電池の場合、LixMO2,LiyM2O4(但し、Mは遷移金属、Xは0〜1の数、yは0〜2の数)などであり、具体的にはLiCoO2、LiMnO2,LiMn2O4,LizMO2(Mは、Ni,Mn,Co,Al又はMg,Zは0.9〜1.2の数を表す)。
The positive electrode is a material that can occlude and release ion carriers. As the positive electrode, as a positive electrode active material, for example, in the case of a lithium battery, LixMO 2 , LiyM 2 O 4 (where M is a transition metal, X is a number from 0 to 1, y is a number from 0 to 2), etc. Specifically LiCoO 2, LiMnO 2, LiMn 2
また、リチウムを含まない正極活物質としては、S,MnO2,FeO2,FeS2,V2O5,V6O13,TiO2,TiS2,MoS2,NbSe或いは、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリピロール等も正極活物質となり得る。 Examples of the positive electrode active material not containing lithium include S, MnO 2 , FeO 2 , FeS 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , TiO 2 , TiS 2 , MoS 2 , NbSe, or polyaniline, polythiophene, polyacetylene. Polypyrrole or the like can also be a positive electrode active material.
これらの中でも、リチウム含有化合物は高電圧及び高エネルギー密度を得ることができるので好ましい。 Among these, a lithium-containing compound is preferable because a high voltage and a high energy density can be obtained.
正極活物質の粒子径は、一般に0.1μm〜100μm好ましくは、1μm〜10μmである。 The particle diameter of the positive electrode active material is generally 0.1 μm to 100 μm, preferably 1 μm to 10 μm.
正極は一般に前記正極活物質に対して導電助剤やバインダ等を加えてペーストとし、正極集電体に塗布する。本発明にあっては、本発明のポリマー自体に付着性があるため、導電助剤やバインダを省略することができ一層有利となる。 The positive electrode is generally applied to the positive electrode current collector by adding a conductive additive or a binder to the positive electrode active material to form a paste. In the present invention, since the polymer itself of the present invention has adhesiveness, the conductive auxiliary agent and the binder can be omitted, which is further advantageous.
正極集電体はAl、Ni又はステンレスの箔又は不織布等である。 The positive electrode current collector is Al, Ni or stainless steel foil or nonwoven fabric.
負極は、負極活物としてイオンキャリアーとなる無機塩構成金属、例えばリチウムイオンを吸蔵又は放出することができる材料、例えば金属リチウム等、或いはアモルファスカーボン、黒鉛、熱分解炭素、コークス、グラッシーカーボン、炭素繊維、活性炭、カーボンブラック等、或いは、フェノール樹脂やフラン樹脂の焼成体などの炭化物等も利用できる。更にイオンキャリアーとなる金属イオン、例えばリチウムと他の金属の合金も、負極活物質となり得る。例えば、Ti,Sn,Pb,Al,In,Si,Zn,Sb,Bi,Ga,Ge,As,Ag,Hf,Zr,Yなどの合金も使用することができる。中でもTi,Si,及びSn等が好ましい合金材料である。 The negative electrode is an inorganic salt constituting metal serving as an ion carrier as a negative electrode active material, for example, a material that can occlude or release lithium ions, such as metallic lithium, or amorphous carbon, graphite, pyrolytic carbon, coke, glassy carbon, carbon Carbon, such as fiber, activated carbon, carbon black, or a fired body of phenol resin or furan resin can also be used. Furthermore, metal ions that serve as ion carriers, for example, alloys of lithium and other metals can also serve as the negative electrode active material. For example, alloys such as Ti, Sn, Pb, Al, In, Si, Zn, Sb, Bi, Ga, Ge, As, Ag, Hf, Zr, and Y can be used. Among these, Ti, Si, Sn and the like are preferable alloy materials.
負極活物質は、粒径0.1μm〜100μm、好ましくは、1μm〜10μmである。 The negative electrode active material has a particle size of 0.1 μm to 100 μm, preferably 1 μm to 10 μm.
負極についても正極と同様、導電助剤やバインダ−を加え、必要により、溶剤に分散してベースとし、負極集電体に塗布するが、正極同様、本発明のポリマー自体の粘性及び延伸を利用することもできる。 As with the positive electrode, a conductive additive and a binder are added to the negative electrode, and if necessary, dispersed in a solvent to form a base and applied to the negative electrode current collector. As with the positive electrode, the viscosity and stretching of the polymer itself of the present invention are used. You can also
負極の集電体は、例えばCu,Ni又はステンレス等の箔や不織布等である。 The current collector for the negative electrode is, for example, a foil, a nonwoven fabric, or the like such as Cu, Ni, or stainless steel.
また、必要に応じて用いられるセパレータは、イオン透過性が大きく、機械的強度に優れた絶縁性膜であり、例えば織布、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜などが用いられる。 Moreover, the separator used as needed is an insulating film having high ion permeability and excellent mechanical strength. For example, a woven cloth, a porous film such as polyethylene, polypropylene, or the like is used.
本発明のポリマーは、新規重合体であり、その製造方法は、特に限定されないが、そのモノマーの合成から、一つのスキームを示すと次の例を示すことができる。 The polymer of the present invention is a novel polymer, and its production method is not particularly limited. From the synthesis of the monomer, one scheme can be shown as follows.
[本発明のポリマーの製造]
[Production of polymer of the present invention]
なお、実施例中に示す文献は、次の参考文献である。
参考文献
[1] Partha Basu, Victor N. Nemykin, and Raghvendra S. Sengar,
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[2] 学校法人神奈川大学、東亜合成株式会社、自己重付加反応性化合物、重合物及びその製造方法、特開2007-210946、2007-08-23
[3] 学校法人神奈川大学、宇部興産株式会社、ポリアミノ酸誘導体及びその製造方法、特開2010-65159、2010-3-25
[4] A.Bowers, T.G.Halsall, E.R.H.Jones, A.J.Lemin, J. Chem. Soc, 2548, (1953)
[5] Ye Lin, Feng Zeng-Guo, Zhao Yu-Mei, Wu Feng, Chen Shi, Wang
Guo-Qing, Polymer Chemistry, 44, 3650-3665 (2006)
In addition, the literature shown in an Example is the following reference.
Reference [1] Partha Basu, Victor N. Nemykin, and Raghvendra S. Sengar,
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Guo-Qing, Polymer Chemistry, 44, 3650-3665 (2006)
まず参考例としてモノマーの合成及び固定方法を示す。
(参考例1)
トリス(シアノエトキシメチル)アミノメタン(TCEMAM)の合成
文献[1]を参考に合成を行った。トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン10g(82.5mmol)とジオキサン10mL、20wt%水酸化カリウム水溶液2.5mLをナスフラスコに加え、次にアクリロニトリル17.6mL(268mmol)を加えて室温で24h撹拌した。撹拌後、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下で溶媒の除去を行った。溶媒除去後、ジクロロメタン100mLに溶かし、イオン交換水を50mL加えて、4回洗浄した。洗浄した有機層に無水硫酸マグネシウムを加え脱水処理を行い、得られた有機層をロータリーエバポレーターを用いて減圧下で溶媒の除去を行い、黄色液体を得た。収量は10.15gで収率は43.9%であった。なお、この反応における合成経路を下記に示す。
First, as a reference example, a method for synthesizing and fixing a monomer is shown.
(Reference Example 1)
Synthesis of tris (cyanoethoxymethyl) aminomethane (TCEMAM)
The synthesis was performed with reference to the literature [1]. 10 g (82.5 mmol) of tris (hydroxymethyl) aminomethane, 10 mL of dioxane, and 2.5 mL of 20 wt% potassium hydroxide aqueous solution were added to the eggplant flask, and then 17.6 mL (268 mmol) of acrylonitrile was added and stirred at room temperature for 24 hours. After stirring, the solvent was removed under reduced pressure using a rotary evaporator. After removing the solvent, the residue was dissolved in 100 mL of dichloromethane, and 50 mL of ion-exchanged water was added and washed 4 times. Anhydrous magnesium sulfate was added to the washed organic layer for dehydration treatment, and the resulting organic layer was removed of the solvent under reduced pressure using a rotary evaporator to obtain a yellow liquid. The yield was 10.15 g and the yield was 43.9%. The synthesis route in this reaction is shown below.
1)TCEMAMのFT−IRスペクトル
図4の(a)にアクリロニトリル、(b)にトリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン、(c)にTCEMAMのFT−IRスペクトルを示す。(a)と(c)を比較すると、ビニル基に帰属されるピーク(650〜700cm−1及び950〜1000cm−1)が減少し、エーテル構造に帰属されるピーク(550〜650cm−1及び1050〜1150cm−1)が観測された。このことからTCEMAMが合成できたと考えられる。また、(a),(b),(c)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
(a)のスペクトル
650〜700cm−1(CH2=CH2)
950〜1000cm−1(CH2=CH2)
2100〜2200cm−1(−CN)
(b)のスペクトル
3300〜3400cm−1(−OH)
(c)のスペクトル
2100〜2200cm−1(−CN)
550〜650cm−1及び1050〜1150cm−1(C−O−C、エーテル構造由来)
2)TCEMAMの1H NMRスペクトル
図5の(a)にアクリロニトリル,(b)にトリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン,(c)にTCEMAMの1H NMRスペクトルを示す。(a)と(c)を比較すると、(c)では、(a)でみられたビニル基に帰属されるピークが消失し、新たに(1)と(3)に帰属されるピーク(2.54ppm,3.61ppm)が観測された。このことからTCEMAMが合成できたと考えられる。また、(a),(b),(c)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
1) FT-IR spectrum of TCEMAM
4A shows acrylonitrile, FIG. 4B shows tris (hydroxymethyl) aminomethane, and FIG. 4C shows the FT-IR spectrum of TCEMAM. When (a) and (c) are compared, the peaks attributed to the vinyl group (650 to 700 cm −1 and 950 to 1000 cm −1 ) decrease, and the peaks attributed to the ether structure (550 to 650 cm −1 and 1050). ˜1150 cm −1 ) was observed. From this, it is considered that TCEMAM could be synthesized. In addition, assignment of observed spectra in (a), (b), and (c) is shown below.
Spectrum (a) 650 to 700 cm −1 (CH 2 ═CH 2 )
950 to 1000 cm −1 (CH 2 ═CH 2 )
2100-2200cm -1 (-CN)
Spectrum of (b) 3300-3400 cm −1 (—OH)
Spectrum (c) 2100-2200 cm −1 (—CN)
550 to 650 cm −1 and 1050 to 1150 cm −1 (C—O—C, derived from ether structure)
2) 1 H NMR spectrum of TCEMAM FIG. 5A shows acrylonitrile, FIG. 5B shows tris (hydroxymethyl) aminomethane, and FIG. 5C shows 1 H NMR spectrum of TCEMAM. When (a) and (c) are compared, in (c), the peak attributed to the vinyl group observed in (a) disappears and the peak attributed to (1) and (3) newly (2 .54 ppm, 3.61 ppm) was observed. From this, it is considered that TCEMAM could be synthesized. In addition, assignment of observed spectra in (a), (b), and (c) is shown below.
図6の(a)にアクリロニトリル,(b)にトリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン,(c)にTCEMAMの13C NMRスペクトルを示す。(a)と(c)を比較すると、(c)では、(a)でみられたビニル基に帰属されるピークが消失し、新たに(1)に帰属されるピーク(18.86
ppm)が観測された。このことからTCEMAMが合成できたと考えられる。また、(a),(b),(c)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
ppm) was observed. From this, it is considered that TCEMAM could be synthesized. In addition, assignment of observed spectra in (a), (b), and (c) is shown below.
3−エチル−3−カルボキシルオキセタン(ECO)の合成
文献[2−4]を参考に合成を行った。500mLナスフラスコにJones試薬46mL(1.5eq)、アセトン300mLを加え、0℃にて撹拌した。これに、3−エチル−3−ヒドロキシルメチルオキセタン(EHO)を5.56g(24mmol)とアセトン100mLの混合物を5hかけて滴下し、続いて室温にて1h撹拌を行った。反応終了後、0℃にてイソプロピルアルコールを5mL加え反応を停止させた。得られた混合物を減圧ろ過し、その後セライトにて自然ろ過を行った。次に、得られたろ液をロータリーエバポレーターを用いて減圧下でアセトン、イソプロピルアルコールの除去を行った。残留した液体にNaOH水溶液を加えpH11とした後、ジクロロメタンを用いて洗浄を3回行った。水層にH2SO4を加えpH1とした後、ジクロロメタンによる抽出を行い、有機層を無水硫酸マグネシウムで脱水処理を行った。その後、溶媒を減圧下で除去した後、減圧蒸留により生成し、無色透明液体を得た。収量は、3.137g、収率は50.4%であった。なお、この反応における合成経路を下記に示す。
Synthesis of 3-ethyl-3-carboxyl oxetane (ECO)
The synthesis was performed with reference to the literature [2-4]. Jones reagent 46mL (1.5eq) and acetone 300mL were added to a 500mL eggplant flask, and it stirred at 0 degreeC. To this, a mixture of 5.56 g (24 mmol) of 3-ethyl-3-hydroxylmethyloxetane (EHO) and 100 mL of acetone was added dropwise over 5 h, followed by stirring at room temperature for 1 h. After completion of the reaction, 5 mL of isopropyl alcohol was added at 0 ° C. to stop the reaction. The obtained mixture was filtered under reduced pressure, and then naturally filtered through Celite. Next, acetone and isopropyl alcohol were removed from the obtained filtrate under reduced pressure using a rotary evaporator. A NaOH aqueous solution was added to the remaining liquid to adjust the pH to 11, followed by washing with dichloromethane three times. H 2 SO 4 was added to the aqueous layer to adjust the pH to 1, followed by extraction with dichloromethane, and the organic layer was dehydrated with anhydrous magnesium sulfate. Then, after removing the solvent under reduced pressure, it was produced by distillation under reduced pressure to obtain a colorless transparent liquid. The yield was 3.137 g, and the yield was 50.4%. The synthesis route in this reaction is shown below.
1)ECOのFT−IRスペクトル
図7の(a)に3−エチル−3−ヒドロキシメチルオキセタン(EHO)、(b)にECOのFT−IRスペクトルを示す。(a)、(b)を比較すると、カルボキシル基に帰属されるピーク(1650〜1750cm−1及び2500〜3300cm−1)が観測された。このことからTCEMAMが合成できたと考えられる。また、(a)、(b)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
(a)のスペクトル
900〜1000cm−1(ring’s C−O−C)
1000〜1100cm−1(OH)
2800〜3000cm−1(CH2)
3100〜3600cm−1(OH)
(b)のスペクトル
900〜1000cm−1(ring’s C−O−C)
1200〜1300cm−1(−COOH)
1650〜1750cm−1(−COOH)
2800〜3000cm−1(CH2)
2500〜3500cm−1(−COOH)
2) ECOの1H NMRスペクトル
図8に(a)EHOと(b)ECOの1H NMRスペクトルを示す。(a)と(b)を比較すると、(b)では、(a)でみられたヒドロキシル基に帰属されるピークが消失し、新たにカルボキシル基に帰属されるピーク(10.6ppm)が観測された。このことから、ECOが合成できたと考えられる。
また、(a),(b)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
1) FT-IR spectrum of ECO
FIG. 7 (a) shows 3-ethyl-3-hydroxymethyloxetane (EHO), and FIG. 7 (b) shows the FT-IR spectrum of ECO. When (a) and (b) were compared, peaks (1650 to 1750 cm −1 and 2500 to 3300 cm −1 ) attributed to carboxyl groups were observed. From this, it is considered that TCEMAM could be synthesized. In addition, assignment of the observed spectra in (a) and (b) is shown below.
Spectrum of (a) 900 to 1000 cm −1 (ring's C—O—C)
1000-1100 cm −1 (OH)
2800 to 3000 cm −1 (CH 2 )
3100-3600 cm −1 (OH)
Spectrum of (b) 900 to 1000 cm −1 (ring's C—O—C)
1200-1300 cm −1 (—COOH)
1650-1750 cm < -1 > (-COOH)
2800 to 3000 cm −1 (CH 2 )
2500-3500 cm −1 (—COOH)
2) 1 H NMR spectrum of ECO
FIG. 8 shows 1 H NMR spectra of (a) EHO and (b) ECO. When (a) and (b) are compared, in (b), the peak attributed to the hydroxyl group observed in (a) disappears, and a new peak attributed to the carboxyl group (10.6 ppm) is observed. It was done. From this, it is considered that ECO was synthesized.
In addition, assignment of the observed spectra in (a) and (b) is shown below.
図9に(a)EHO,(b)ECOの13C NMRスペクトルを示す。(a)と(b)を比較すると、(b)では、(a)でみられた(4)に帰属されるピークが消失し、新たにカルボン酸に帰属されるピーク(179.26ppm)が観測された。このことから、ECOは合成できたと考えられる。また、(a),(b)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
N−[2−(2−シアノエトキシ−1−ビス[(2−シアノエトキシ)メチル]エチル]−3−エチル−3−オキセタンアミド(COA)の合成
文献[2,3]を参考に合成を行った。100mLナスフラスコに1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミドヒドロクロライド(EDC塩酸塩)3.83g(20mmol)、ジクロロメタン20mLを加え窒素雰囲気下、0℃で1h撹拌した。この後、ECO2.6g、TCEMAM5.6g、トリエチルアミン2.23mL、ジクロロメタン25mLを加え、室温、窒素雰囲気下で24h撹拌を行った。反応終了後、反応液を1M
HClで2回、重曹水で2回、さらに水で2回洗浄を行った後、有機層を無水硫酸マグネシウムで脱水処理を行った。溶媒を減圧下にて除去し黄色液体を得た。収量は3.33g、収率は42.6%であった。なお、この反応における合成経路を下記に示す。
Synthesis of N- [2- (2-cyanoethoxy-1-bis [(2-cyanoethoxy) methyl] ethyl] -3-ethyl-3-oxetamide (COA)
The synthesis was carried out with reference to the literature [2, 3]. To a 100 mL eggplant flask were added 3.83 g (20 mmol) of 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC hydrochloride) and 20 mL of dichloromethane, and the mixture was stirred at 0 ° C. for 1 h under a nitrogen atmosphere. Thereafter, 2.6 g of ECO, 5.6 g of TCEMAM, 2.23 mL of triethylamine, and 25 mL of dichloromethane were added, and the mixture was stirred for 24 hours at room temperature in a nitrogen atmosphere. After completion of the reaction, the reaction solution is 1M.
After washing twice with HCl, twice with aqueous sodium bicarbonate, and twice with water, the organic layer was dehydrated with anhydrous magnesium sulfate. The solvent was removed under reduced pressure to give a yellow liquid. The yield was 3.33 g, and the yield was 42.6%. The synthesis route in this reaction is shown below.
3-1-3 COAの同定
1) COAのFT−IRスペクトル
図10の(a)にECO,(b)にTCEMAM,(c)にCOAのFT−IRスペクトルを示す。(b)と(c)を比較すると、(c)では新たにオキセタン環に帰属されるピーク(900〜1000cm−1)とアミド基に帰属されるピーク(1450〜1650cm−1)が観測された。このことからCOAが合成できたと考えられる。また、(a),(b),(c)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
(a)のスペクトル
900〜1000cm−1(ring’s C−O−c)
1200〜1300cm−1(−COOH)
1650〜1750cm−1(−COOH)
2800〜3000cm−1(CH2)
2500〜3500cm−1(−COOH)
(b)のスペクトル
550〜650cm−1(CH2−O−CH2)
800〜900cm−1(NH2)
1050〜1150cm−1(CH2−O−CH2)
1350〜1500cm−1(CH2)
1600〜1700cm−1(NH2)
2200〜2250cm−1(CN)
2700〜3000cm−1(CH2)
3300〜3600cm−1(NH2)
(c)のスペクトル
900〜1000cm−1(ring’s C−O−C)
1450〜1650cm−1(CONHR)
1650〜1750cm−1(CONHR)
2200〜2250cm−1(CN)
2700〜3000cm−1(CH2)
3300〜3600cm−1(CONHR)
2) COAの1H NMRスペクトル
図11の(a)にECO,(b)にTCEMAM,(c)にCOAの1H NMRスペクトルを示す。(b)の(2)のピークが磁場環境の変化により、(c)では、低磁場側にシフトしている。また、(a)のカルボン酸に帰属されるピーク(10.6ppm)が(c)では存在しない。このようなことから、COAは合成できたと考えられる。また、(a),(b),(c)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
3-1-3 Identification of COA
1) FT-IR spectrum of COA
FIG. 10A shows ECO, FIG. 10B shows TCEMAM, and FIG. 10C shows the FT-IR spectrum of COA. (B) and a comparison of (c), were observed peaks attributed to the newly oxetane ring in (c) peak attributed to a (900~1000cm -1) and amide groups (1450~1650cm -1) . From this, it is considered that COA could be synthesized. In addition, assignment of observed spectra in (a), (b), and (c) is shown below.
Spectrum of (a) 900 to 1000 cm −1 (ring's C—Oc)
1200-1300 cm −1 (—COOH)
1650-1750 cm < -1 > (-COOH)
2800 to 3000 cm −1 (CH 2 )
2500-3500 cm −1 (—COOH)
Spectrum of (b) 550 to 650 cm −1 (CH 2 —O—CH 2 )
800 to 900 cm −1 (NH 2 )
1050-1150 cm −1 (CH 2 —O—CH 2 )
1350-1500 cm −1 (CH 2 )
1600-1700 cm −1 (NH 2 )
2200-2250cm -1 (CN)
2700 to 3000 cm −1 (CH 2 )
3300-3600 cm −1 (NH 2 )
Spectrum of (c) 900 to 1000 cm −1 (ring's C—O—C)
1450-1650 cm −1 (CONHR)
1650-1750 cm −1 (CONHR)
2200-2250cm -1 (CN)
2700 to 3000 cm −1 (CH 2 )
3300-3600cm -1 (CONHR)
2) 1 H NMR spectrum of COA
FIG. 11 (a) shows ECO, (b) shows TCEMAM, and (c) shows the 1 H NMR spectrum of COA. The peak of (2) in (b) is shifted to the low magnetic field side in (c) due to the change in the magnetic field environment. Moreover, the peak (10.6 ppm) attributed to the carboxylic acid of (a) does not exist in (c). For this reason, it is considered that COA could be synthesized. In addition, assignment of observed spectra in (a), (b), and (c) is shown below.
図12の(a)にECO、(b)にTCEMAM、(c)にCOAの13C NMRスペクトルを示す。(a)と(c)を比較すると、(c)では、(a)のカルボニル炭素に帰属されるピーク(179.22ppm)が消失し、新たにアミド結合の炭素に帰属されるピーク(174.04ppm)が観測された。このようなことからCOAが合成できたと考えられる。また、(a),(b),(c)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
(実施例1)
N-[2-(2-シアノエトキシ)-1,1-ビス[(2-シアノエトキシ)メチル]エチル]-3-エチル-3-オキセタンアミド(COA)の重合
文献[5]を参考に合成を行った。50 mLナスフラスコにジクロロメタン2 mLと、モノマー と 開始剤BF3・Et2Oをモル比が8.2 : 1 、5.9 : 1になるように加え、窒素雰囲気下で72 h撹拌した。得られた溶液を100 mLのエタノールを用いて再沈殿し、上澄みを取り除いた。得られた沈殿物を室温で24 h以上溶媒の除去を行いpoly(COA)を回収した。表1に反応条件を示す。なお、この重合反応における反応機構を下記に示す。
FIG. 12 (a) shows ECO, FIG. 12 (b) shows TCEMAM, and FIG. 12 (c) shows the 13 C NMR spectrum of COA. When (a) and (c) are compared, in (c), the peak (179.22 ppm) attributed to the carbonyl carbon in (a) disappears, and a new peak (174. 04 ppm) was observed. From this, it is considered that COA could be synthesized. In addition, assignment of observed spectra in (a), (b), and (c) is shown below.
Example 1
Polymerization of N- [2- (2-cyanoethoxy) -1,1-bis [(2-cyanoethoxy) methyl] ethyl] -3-ethyl-3-oxetanamide (COA)
The synthesis was performed with reference to the literature [5]. To a 50 mL eggplant flask, 2 mL of dichloromethane, a monomer and an initiator BF 3 · Et 2 O were added so that the molar ratios were 8.2: 1 and 5.9: 1, and the mixture was stirred for 72 hours under a nitrogen atmosphere. The obtained solution was reprecipitated using 100 mL of ethanol, and the supernatant was removed. The resulting precipitate was subjected to removal of the solvent at room temperature for 24 hours or more to recover poly (COA). Table 1 shows the reaction conditions. The reaction mechanism in this polymerization reaction is shown below.
ポリマーは、粘性及び伸び性がある黄色の固体であった。ガラス転移点は−12.2℃であった。 The polymer was a yellow solid with viscosity and elongation. The glass transition point was -12.2 ° C.
1) poly(COA)のFT-IRスペクトル
図3−1−4−1の(a)にCOA, (b)にpoly(COA)のFT−IRスペクトルを示す。(a), (b)を比較すると、(b)では環状エーテルに帰属されるピーク(900〜1000 cm-1)が減少していた。このことからpoly(COA)は合成できたと考えられる。また、(a), (b)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
(a)のスペクトル
900〜1000 cm-1(ring’s C-O-C)
1450〜1650 cm-1(CONHR)
1650〜1750 cm-1(CONHR)
2200〜2250 cm-1(CN)
2700〜3000 cm-1(CH2)
3300〜3600 cm-1(CONHR)
(b)のスペクトル
1450〜1650 cm-1(CONHR)
1650〜1750 cm-1(CONHR)
2200〜2250 cm-1(CN)
2700〜3000 cm-1(CH2)
3300〜3600 cm-1(CONHR)
2) poly(COA)の1H NMRスペクトル
図3の(a)にCOA,(b)にpoly(COA)の1H NMRスペクトルを示す。(a)と(b)を比較すると、(b)では、(a)でみられた環状エーテルに帰属されるピーク(4.42 ppm,4.83 ppm)が消失した。このようなことからpoly(COA)は合成できたと考えられる。また、(a), (b)における観測されたスペクトルの帰属を以下に示す。
1) FT-IR spectrum of poly (COA)
3-1-4-1 (a) shows the FT-IR spectrum of COA, and (b) shows the FT-IR spectrum of poly (COA). When comparing (a) and (b), the peak (900 to 1000 cm −1 ) attributed to the cyclic ether decreased in (b). From this, it is considered that poly (COA) could be synthesized. The observed spectral assignments in (a) and (b) are shown below.
Spectrum of (a)
900-1000 cm -1 (ring's COC)
1450-1650 cm -1 (CONHR)
1650-1750 cm -1 (CONHR)
2200-2250 cm -1 (CN)
2700 ~ 3000 cm -1 (CH 2 )
3300-3600 cm -1 (CONHR)
Spectrum of (b)
1450-1650 cm -1 (CONHR)
1650-1750 cm -1 (CONHR)
2200-2250 cm -1 (CN)
2700 ~ 3000 cm -1 (CH 2 )
3300-3600 cm -1 (CONHR)
2) 1 H NMR spectrum of poly (COA)
3A shows the 1 H NMR spectrum of COA, and FIG. 3B shows the 1 H NMR spectrum of poly (COA). When (a) and (b) were compared, in (b), the peaks (4.42 ppm, 4.83 ppm) attributed to the cyclic ether observed in (a) disappeared. Therefore, it is considered that poly (COA) has been synthesized. The observed spectral assignments in (a) and (b) are shown below.
伝導度の測定 Conductivity measurement
電解質膜の調製は、ポリマーとリチウム塩の比率を変化させて行った。RunN0.1,2及び比較例を以下に示す。
<No.1>
サンプル管に上記表1に示す条件で合成したpoly(COA)を0.0303 g、PVDF-HFPを0.0304
g 、LiBF4を0.0124 g加えた。これにアセトンを2 ml加え、撹拌し、均一溶液とした。この溶液をテフロン(登録商標)板にキャストした後、真空乾燥器に12時間以上置き、溶媒を除去し、電解質膜を調製した。
<No.2>
サンプル管に上記表1に示す条件で合成したpoly(COA)を0.0285 g 、PVDF-HFPを0.0290 g 、LiBF4を0.0238 g 加えた。これにアセトンを2 ml加え、撹拌し、均一溶液とした。この溶液をテフロン(登録商標)板にキャストした後、真空乾燥器に12時間以上置き、溶媒を除去し、電解質膜を調製した。
<比較例1>
サンプル管に参考例4で使用したPVDF-HFPを0.0408 g、LiBF4を0.0168 g加えた。これにアセトンを2 ml加え、撹拌し、均一溶液とした。この溶液をテフロン(登録商標)板にキャストした後、真空乾燥器に12時間以上置き、溶媒を除去し、電解質膜を調製した。
<比較例2>
サンプル管に参考例4で使用したPVDF-HFPを0.0409 g、LiBF4を0.0322 g加えた。これにアセトンを2 ml加え、撹拌し、均一溶液とした。この溶液をテフロン(登録商標)板にキャストした後、真空乾燥器に12時間以上置き、溶媒を除去し、電解質膜を調製した。
なお、調製した高分子固体電解質膜の各成分の組成を、COAの質量を基準として、表2に示した。例えば、No.1の電解質は、COAの1 gに対して、PVDF−HFPが1 g、LiBF4が0.4 g含まれていることを示している。
The electrolyte membrane was prepared by changing the ratio of the polymer and the lithium salt. RunN0.1,2 and a comparative example are shown below.
<No.1>
0.0303 g of poly (COA) synthesized under the conditions shown in Table 1 above and 0.0304 of PVDF-HFP in the sample tube
g, 0.0124 g of LiBF 4 was added. To this, 2 ml of acetone was added and stirred to obtain a homogeneous solution. This solution was cast on a Teflon (registered trademark) plate and then placed in a vacuum dryer for 12 hours or longer to remove the solvent, thereby preparing an electrolyte membrane.
<No.2>
0.0285 g poly (COA) synthesized under the conditions shown in Table 1 above, 0.0290 g PVDF-HFP, and 0.0238 g LiBF 4 were added to the sample tube. To this, 2 ml of acetone was added and stirred to obtain a homogeneous solution. This solution was cast on a Teflon (registered trademark) plate and then placed in a vacuum dryer for 12 hours or longer to remove the solvent, thereby preparing an electrolyte membrane.
<Comparative Example 1>
0.0408 g of PVDF-HFP used in Reference Example 4 and 0.0168 g of LiBF 4 were added to the sample tube. To this, 2 ml of acetone was added and stirred to obtain a homogeneous solution. This solution was cast on a Teflon (registered trademark) plate and then placed in a vacuum dryer for 12 hours or longer to remove the solvent, thereby preparing an electrolyte membrane.
<Comparative Example 2>
0.0409 g of PVDF-HFP and 0.0322 g of LiBF 4 used in Reference Example 4 were added to the sample tube. To this, 2 ml of acetone was added and stirred to obtain a homogeneous solution. This solution was cast on a Teflon (registered trademark) plate and then placed in a vacuum dryer for 12 hours or longer to remove the solvent, thereby preparing an electrolyte membrane.
The composition of each component of the prepared polymer solid electrolyte membrane is shown in Table 2 on the basis of the mass of COA. For example, the electrolyte of No. 1 indicates that 1 g of PVDF-HFP and 0.4 g of LiBF 4 are contained with respect to 1 g of COA.
調製したフィルムのイオン伝導度を20〜70℃の温度範囲で測定した。調製したフィルムを直径10mmの円形に切り抜き、このフィルムを2枚のステンレス板で挟み、ステンレス板間のインピーダンスを測定した。測定は印加電圧50
mVにて、100kHz〜10Hzまで行った。なお、使用機器はHIOKI3532-80LCRHitester[日置電機(株)]である。その測定結果を表3に示した。
なお、導電率(σ)は、次の式(1)により求めた。
σ = L / (R × S)・・・(1)
但し、式中、σは導電率( S / cm)、Rは抵抗(Ω)、Sは高分子固体電解質膜の測定時の断面積(cm2)、Lは電極間距離(cm)を示す。
The ionic conductivity of the prepared film was measured in a temperature range of 20 to 70 ° C. The prepared film was cut out into a circle having a diameter of 10 mm, the film was sandwiched between two stainless plates, and the impedance between the stainless plates was measured. Measurement is applied
It was performed from 100 kHz to 10 Hz at mV. The equipment used is HIOKI3532-80LCR Hitester [Hioki Electric Co., Ltd.]. The measurement results are shown in Table 3.
The conductivity (σ) was obtained by the following equation (1).
σ = L / (R × S) (1)
However, in the formula, σ is the conductivity (S / cm), R is the resistance (Ω), S is the cross-sectional area (cm 2 ) when measuring the polymer solid electrolyte membrane, and L is the distance between the electrodes (cm). .
表3から、No.1のイオン伝導度は、比較例1と比較すると二桁向上した。また、表3から、No.2のイオン伝導度は、比較例2と比較すると二桁向上した。この結果から、poly(COA)は伝導性を向上させることが分かる。
図13のa)はNo.1、b)はNo.2、c)は比較例1、d)は比較例2でそれぞれ得られた高分子固体電解質のX線回折測定の結果である。
図13から、No.1〜2あるいは比較例1〜2で調製された高分子固体電解質膜は、非晶質であり、添加したリチウム塩もポリマーにより疑似溶媒和され、イオンに解離していることが分かる。
なお測定装置は、以下を用いた。
(1)NMR フーリエ変換核磁気共鳴装置 GSX-500[日本電子(株)]
測定は合成物をクロロホルム-d、もしくはジメチルスルホキシド-d6に溶解し、NMR測定用サンプルチューブに充填して行った。
(2)FTIR フーリエ変換赤外分光光度計IR Prestige-21[島津製作所(株)]
測定はKBr錠剤法あるいは、フィルム法により測定した。
(3)DSC 示差走査熱量測定装置[ブルカー・エイ・エックス・エス(株) DSC3100S]
測定は調製した膜を所定のシール容器に秤量し、サンプルシーラーにより密封後、同様なシール容器にα-アルミナを詰めた標準試料と共に測定装置にセットし、測定を行った。測定条件は、昇温速度・降温速度を共に10℃ min-1とし、-100 〜 100℃の温度範囲で2サイクル測定を行った。
(4)伝導度 CHEMICAL
IMPEDANCEMETER[日置電機(株) 3532-80]
交流インピーダンス法により、調製した各電解質膜のイオン伝導度を測定した。測定試料は調製した膜を直径1.5 cmもしくは1.0 cmの円形にそれぞれ切り抜き、スクリューセルを用いて恒温水槽[東京理科器機(株) EYELA
NCB-3100]中で温度制御を行いながら20〜70℃の温度範囲で測定を行った。
(5)X線回折測定は、粉末X線回折装置((株)島津製作所 XRD−D1)を用いて室温下において測定を行った。測定に用いたX線は、Cukα線を用いて行った。
From Table 3, the ionic conductivity of No. 1 was improved by two orders of magnitude compared with Comparative Example 1. Also, from Table 3, the ionic conductivity of No. 2 was improved by two orders of magnitude as compared with Comparative Example 2. From this result, it can be seen that poly (COA) improves conductivity.
In FIG. 13, a) is the result of X-ray diffraction measurement of the solid polymer electrolyte obtained in No. 1, b) is No. 2, c) is Comparative Example 1, and d) is Comparative Example 2.
From FIG. 13, the polymer solid electrolyte membranes prepared in Nos. 1 and 2 or Comparative Examples 1 and 2 are amorphous, and the added lithium salt is also pseudo-solvated by the polymer and dissociated into ions. I understand that.
The following measuring apparatus was used.
(1) NMR Fourier transform nuclear magnetic resonance system GSX-500 [JEOL Ltd.]
The measurement was performed by dissolving the synthesized product in chloroform-d or dimethyl sulfoxide-d 6 and filling the sample tube for NMR measurement.
(2) FTIR Fourier transform infrared spectrophotometer IR Prestige-21 [Shimadzu Corporation]
The measurement was performed by the KBr tablet method or the film method.
(3) DSC differential scanning calorimeter [Bruker AXS Co., Ltd. DSC3100S]
For the measurement, the prepared membrane was weighed into a predetermined sealed container, sealed with a sample sealer, and then set in a measuring apparatus together with a standard sample packed with α-alumina in a similar sealed container. The measurement conditions were a temperature increase rate and a temperature decrease rate of 10 ° C. min −1, and two-cycle measurement was performed in a temperature range of −100 to 100 ° C.
(4) Conductivity CHEMICAL
IMPENCANCEMETER [Hioki Electric Co., Ltd. 3532-80]
The ionic conductivity of each prepared electrolyte membrane was measured by the AC impedance method. Samples were prepared by cutting out the prepared membranes into circles with a diameter of 1.5 cm or 1.0 cm, respectively, and using a screw cell, a constant temperature water bath [Tokyo Science Equipment Co., Ltd.
NCB-3100] was measured in the temperature range of 20 to 70 ° C. with temperature control.
(5) X-ray diffraction measurement was performed at room temperature using a powder X-ray diffractometer (Shimadzu Corporation XRD-D1). X-rays used for the measurement were performed using Cukα rays.
本発明のポリマーは固体電解質として電池やキャパシタに用いられる。またリチウム電池等として携帯電話やパソコン等の電子機器や自動車のバッテリー等に用いることができる。
The polymer of the present invention is used as a solid electrolyte in batteries and capacitors. Further, it can be used as a lithium battery or the like for an electronic device such as a mobile phone or a personal computer, an automobile battery, or the like.
Claims (7)
A battery comprising a solid electrolyte made of the polytrimethylene oxide according to any one of claims 4 to 6 as an electrolyte.
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