JP6976444B2 - 高分子電解質及びこの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、エチレンオキシド単量体を含む高分子;及び
リチウム塩;を含む高分子電解質であって、
前記高分子の末端が1個ないし4個の窒素化合物官能基またはリン化合物官能基に置換されていて、
前記高分子の末端と窒素化合物官能基またはリン化合物官能基はC2ないしC20のアルキレンリンカー、C2ないしC20のエーテルリンカー及びC2ないしC20のアミンリンカーからなる群から選択される1種によって連結された高分子電解質を提供する。
(b)リチウム塩を添加する段階;を含む高分子電解質の製造方法を提供する。
前記固体高分子電解質は、前記本発明の高分子電解質であることを特徴とする全固体電池を提供する。
本発明は、エチレンオキシド単量体を含む高分子;及び
リチウム塩;を含む高分子電解質であって、
前記高分子の末端が1個ないし4個の窒素化合物官能基またはリン化合物官能基に置換されていて、
前記高分子の末端と窒素化合物官能基またはリン化合物官能基は、C2ないしC20のアルキレンリンカー、C2ないしC20のエーテルリンカー及びC2ないしC20のアミンリンカーからなる群から選択される1種によって連結された高分子電解質に関する。
また、本発明は、前記のような高分子電解質を製造するために、
(a)エチレンオキシド単量体を含む高分子に、窒素化合物またはリン化合物を添加して前記高分子の末端を改質する段階;及び
(b)リチウム塩を添加する段階;を含む高分子電解質の製造方法を提供する。
また、本発明は、正極、負極及びその間に介在される固体高分子電解質を含んで構成される全固体電池に係り、前記固体高分子電解質は上述した本発明の高分子電解質である。
ポリスチレン−b−ポリエチレンオキシド(Poly(styrene−b−ethylene oxide)、SEO、Mn=16495g/mol、2.0g、0.12mmol)とアクリロニトリル(acrylonitrile)(40mL)を0℃で30分間撹拌させた後、KOH(20mg、0.36mmol)を入れた。反応物の色が黄色になると、10mLのHClを入れて反応を終了させた。得られた反応物をジクロロメタン(dichloromethane)を利用して抽出した後、回転蒸発濃縮機を利用して溶媒を取り除いて高分子を得て、前記高分子を、エーテル(ether)を利用して精製した。
50mLの丸底フラスコにジエチルビニルホスホネート(diethylvinylphosphonate、2.5mL、16.3mmol)、セシウムカーボネート(cesium carbonate、0.5g、1.5mmol)をアルゴン(Ar)雰囲気で混ぜて90℃で30分間撹拌した後、SEO(Mn=16495g/mol、2.0g、0.12mmol)をacetonitrile 12mLに溶かして落とした。3日間反応させた後、HClを入れて反応を終決させた。
末端がホスホネート(phosphonate)に置換されたSEO(0.5g、0.03mmol)を12mLクロロホルム(chloroform)に溶かして0℃にした。ブロモトリメチルシラン(bromotrimethylsilane、0.1mL、0.75mmol)をゆっくり落とした。40℃で15時間反応させた後、メタノールを入れて反応を終決させた。
末端がジ−ヒドロキシル(di−hydroxyl)に置換されたポリエチレングリコールメチルエーテル(poly(ethylene glycol)methyl ether、2.0g、0.96mmol)とアクリロニトリル(acrylonitrile)(20mL)を0℃で30分間撹拌させた後、KOH(10mg、0.18mmol)を入れた。反応物の色が黄色になると、5mLのHClを入れて反応を終了させた。得られた反応物をジクロロメタン(dichloromethane)を利用して抽出した後、回転蒸発濃縮機を利用して溶媒を取り除いた。得られた高分子をエーテル(ether)を利用して精製した。
50mLの丸底フラスコにジエチルビニルホスホネート(diethylvinylphosphonate、2.5mL、16.3mmol)、セシウムカーボネート(cesium carbonate、0.5g、1.5mmol)をアルゴン(Ar)雰囲気で混ぜて90℃で30分間撹拌させた後、末端がジ−ヒドロキシル(di−hydroxyl)に置換されたポリエチレングリコールメチルエーテル(poly(ethylene glycol)methyl ether、2.0g、0.96mmol)をacetonitrile 12mLに溶かして落とした。3日間反応させた後、HClを入れて反応を終決させた。
ジ−ホスホネート(di−phosphonate)に置換されたポリエチレングリコールメチルエーテル(poly(ethylene glycol)methyl ether、1.0g、0.4mmol)を25mLのクロロホルム(chloroform)に溶かして0℃にした。ブロモトリメチルシラン(bromotrimethylsilane、0.1mL、0.75mmol)をゆっくり落とした。40℃で15時間反応させた後、メタノールを入れて反応を終決させた。
末端がアミン(amine)に置換されたポリエチレングリコールメチルエーテル(poly(ethylene glycol)methyl ether、0.5g、0.24mmol)とジエチルビニルホスホネート(diethylvinylphosphonate、0.3mL、4mmol)を蒸溜水(10mL)に溶かした後、60℃で24時間反応させた。得られた反応物をジクロロメタン(dichloromethane)を利用して抽出した後、回転蒸発濃縮機を利用して溶媒を取り除いた。得られた高分子を、エーテル(ether)を利用して精製した。
末端がジ−ホスホネート(di−phosphonate)に置換されたポリエチレングリコールメチルエーテル(poly(ethylene glycol)methyl ether、1.0g、0.4mmol)を25mLのクロロホルム(chloroform)に溶かして0℃にした。ブロモトリメチルシラン(bromotrimethylsilane、0.1mL、0.75mmol)をゆっくり落とした。40℃で15時間反応させた後、メタノールを入れて反応を終決させた。
末端がアミン(amine)に置換されたSEO(0.3g、0.018mmol)とアクリロニトリル(acrylonitrile)(0.5mL、7.6mmol)をTHF15mLに完全に溶かした後、蒸溜水15mLを入れた。反応は60℃で24時間行った。得られた反応物を、回転蒸発濃縮機を利用して溶媒を取り除いて、エーテル(ether)を利用して沈殿精製した。
末端がアミン(amine)に置換されたSEO(0.3g、0.018mmol)とジエチルビニルホスホネート(diethylvinylphosphonate、0.5mL、6.7mmol)をTHF15mLに完全に溶かした後、蒸溜水15mLを入れた。反応は60℃で24時間行った。得られた反応物を回転蒸発濃縮機を利用して溶媒を取り除いて、エーテル(ether)を利用して沈殿精製した。
溶媒で使用するベンゼン(Benzene)をCaH2で一日、sec−ブチルリチウム(sec−Butyllithium)で一日攪拌(stirring)して精製した。スチレン単量体(Styrene monomer)は、CaH2で一日、ジ−n−ブチルマグネシウム(Di−n−butylmagnsium)で一日間精製を行い、エチレンオキシド単量体(Ethylene oxide monomer)はCaH2で一日、n−ブチルリチウム(n−Butyllithium)で30分間攪拌(stirring)を2回繰り返して精製した。精製した200mLのベンゼン(Benzene)にsec−BuLi(0.9mL、1.26mmol)を入れて脱ガス(degassing)を行って真空状態にした。これに精製したスチレン(styrene)(8.8mL、77mmol)を蒸溜した後、40℃で4時間反応させた。精製したエチレンオキシド(ethylene oxide)1mLを入れてエンドキャッピング(end−capping)後にグローブボックスに移してt−Bu−P4(1.5mL、1.5mmol)を入れて脱ガス(degassing)を行って真空状態にした。これに精製したエチレンオキシド(ethylene oxide)(9mL、182mmol)を蒸溜した後、40℃で3日間反応させた。反応は10mLのMeOHを入れて終決させた。反応を終決させた後、エーテル(ether)を利用して沈殿精製を行った。
エチレンオキシド単量体(Ethylene oxide monomer)は、CaH2で一日、n−ブチルリチウム(n−Butyllithium)で30分間攪拌(stirring)を2回繰り返して行って精製した。メタノール(Methanol)はマグネシウム(magnesium)を利用して精製し、溶媒で使用するTHFはベンゾフェノンケチル(benzophenone kethyl)を利用して精製した。精製した100mLのTHFにメタノール(Methanol)(0.04mL、1mmol)、t−Bu−P4(1mL、1mmol)を入れて脱ガス(degassing)を行って真空状態とする。これに精製したエチレンオキシド(ethylene oxide)(5mL、100mmol)を蒸留(distill)した後、常温で3日間反応させる。反応は0.1mLの酢酸(acetic acid)を入れて終決させる。反応を終決させた後、ヘキサン(hexane)を利用して精製させた。
ボラン−THF錯体(Borane−THF complex)(5mL、THFにおいて1M、5mmol)を無水THF(anhydrous THF)(15mL)と混ぜた後、0℃に下げた。末端がニトリル(nitrile)に置換されたポリエチレングリコールメチルエーテル(poly(ethylene glycol)methyl ether、2.0g、0.97mmol)を無水THF(anhydrous THF)(10mL)に溶かした後で落とした。アルゴン(Ar)雰囲気で4時間反射(reflex)して反応を行った。温度を0℃に下げて、MeOH(5mL)を入れた。HCl(0.25mL)をゆっくり加えた後、1時間反応させた。得られた反応物をジクロロメタン(dichloromethane)を利用して抽出した後、回転蒸発濃縮機を利用して溶媒を取り除いた。得られた高分子を、エーテル(ether)を利用して精製する。
(1)実施例1ないし3
1H NMRを通じて実施例1ないし3で製造した高分子の末端置換効率を確認した。ニトリル官能基が導入された実施例1のSEO−CN高分子の場合、99%以上の高い置換効率を示し、ジエチルホスホネート官能基が導入された実施例2のSEO−PE高分子も77%以上の高い置換効率を有することが分かった。また、実施例2のSEO−PEを加水分解して合成したホスホン酸官能基を有する実施例3のSEO−PAの場合、100%の加水分解効率を示した。さらに31P NMRを通じて実施例3のSEO−PAの加水分解効率が100%であることを確認し、副反応も起きなかったことを確認した。
1H NMRを通じてPEOの末端と2個の官能基がエーテル基によって連結された実施例4ないし6で製造した高分子の末端置換効率を確認した。ニトリル官能基が2個導入された実施例4のPEO−O−2CN高分子の場合は約62%、ジエチルホスホネート官能基が2個導入された実施例5のPEO−O−2PEは約52%の置換効率を示した。また、実施例5のPEO−O−2PEを加水分解して実施例6のPEO−O−2PAを合成し、100%加水分解が行われたことを31P NMRを通じてさらに確認した。
1H NMRを通じてPEOの末端と2個の官能基がアミン基によって連結された実施例7及び8で製造した高分子の末端置換高分子の置換効率を確認した。ジエチルホスホネート官能基が2個導入された実施例7のPEO−N−2PEは約75%の置換効率を示した。実施例7のPEO−N−2PEを加水分解して実施例8のPEO−N−2PAを合成し、100%加水分解が行われたことを31P NMRを通じてさらに確認した。
前記実施例1ないし8及び比較例1ないし2で製造した高分子のDSC温度記録図(thermogram)は、TA機器(Instruments)(model Q20)を利用して測定した。約5mgの試料をアルゴンで満たされたグローブボックスの中でアルミニウムパンに入れ、空いたアルミニウムファンを基準(reference)にして使用した。10℃/minの昇温/冷却速度に対して−65℃〜120℃の間の熱力学的特性が測定された。
示差走査熱量分析法(Differential Scanning Calorimeter、DSC)を通じて末端官能基が結晶性に及ぼす影響を定量的に分析し、その結果を表1及び図4に示す。
示差走査熱量分析法(Differential Scanning Calorimeter、DSC)を通じて末端官能基が結晶性に及ぼす影響を定量的に分析し、その結果を表2及び図5に示す。
前記実施例1ないし8及び比較例1ないし2で製造した高分子にリチウム塩(LiTFSI)をドーピングした後、ポテンシオスタット(Potentiostat)(VersaSTAT3、Princeton Applied Research)を用いてイオン伝導度を分析した。
リチウム塩を2%ドーピング(r=0.02)した結果を図6に示す。
リチウム塩を2%ドーピング(r=0.02)した結果を図8に示す。
リチウム塩を6%ドーピング(r=0.06)した結果を図9に示す。
リチウム塩と高分子の末端官能基の間の相互作用が電解質内部でのイオンの拡散に及ぼす影響を分析するために電極分極を測定した。
前記実施例1ないし3及び比較例1で製造した高分子にリチウム塩(LiTFSI)を6%ドーピング(r=0.06)した後、2つのリチウム電極の間に位置させて分極実験を行った。試料の温度は45℃にし、分極電圧(polarization voltage、DV)は0.1Vに維持したまま、2時間流れる電流を観察した。全ての過程はアルゴン環境のグローブボックス(glove box)で行われた。
前記実施例4ないし6及び比較例2で製造した高分子にリチウム塩(LiTFSI)を6%ドーピング(r=0.06)した後、2つのリチウム電極の間に位置させて分極実験を行った。試料の温度は30℃にし、分極電圧(polarization voltage、DV)は0.1Vに維持したまま、2時間流れる電流を観察した。全ての過程はアルゴン環境のグローブボックス(glove box)で行われた。
前記実施例1ないし3、9、10及び比較例1で製造した高分子のX線小角散乱実験(Small Angle X−Ray Scattering、SAXS)を行って前記高分子の構造を分析した。
比較例1(SEO)、実施例1(SEO−CN)及び実施例2(SEO−PE)は、いずれも1q*、2q*のブラッグピーク(Bragg peak)を示し、これは整列されたラメラ(lamellar)構造の形成を意味する。比較例1(SEO)、実施例1(SEO−CN)及び実施例2(SEO−PE)に対して、ドメイン間隔(domain spacing)(d100)がそれぞれ17.4nm、17.7nm及び17nmでほぼ類似な相分離挙動を示す。
ポリスチレン−b−ポリエチレンオキシド(SEO)と2個の末端官能基がアミン基によって連結された実施例9(SEO−N−2CN)及び実施例10(SEO−N−2PE)の高分子は、末端官能基の種類と関係なくジャイロイド(gyroid)構造が観察された。図12に示された逆三角形は、√6q*、√8q*、√14q*、√16q*、√20q*、√22q*、√24q*、√30q*、√32q*、√38q*、√42q*、√46q*、そして√48q*のブラッグピーク(Bragg peaks)を示し、これはとてもよく整列されたジャイロイド構造を示す(図13)。ジャイロイド構造は各ブロックが3次元的に連結されたドメインを有するので、高い機械的強度と伝導特性を同時に具現することができる構造的長所があるが、相図(phase diagram)上で凄く狭い領域に分布していて具現しにくい構造で知られている。しかし、本発明では末端を官能基に置換する簡単な方法で前記構造を具現することができ、とても高い構造再現性を示した。
Claims (10)
- エチレンオキシド単量体を含む高分子;及び
リチウム塩;を含む高分子電解質であって、
前記高分子の末端が1個ないし4個の窒素化合物官能基またはリン化合物官能基に置換されていて、
前記高分子の末端と窒素化合物官能基またはリン化合物官能基は、C2ないしC20のアルキレンリンカー、C2ないしC20のエーテルリンカー及びC2ないしC20のアミンリンカーからなる群から選択される1種によって連結され、
前記エチレンオキシド単量体を含む高分子は、下記化学式1ないし10からなる群から選択される1種以上である、高分子電解質。
[化学式1]
- 前記化学式9及び化学式10は、ジャイロイド(gyroid)構造であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質。
- 前記リチウム塩は、LiTFSI, LiFSI, LiPF6, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li、クロロボランリチウム及び4−フェニルホウ酸リチウムからなる群から選択される1種以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の高分子電解質。
- 前記エチレンオキシド単量体を含む高分子の分子量は1ないし20kg/molであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の高分子電解質。
- 前記高分子電解質において、
前記エチレンオキシド単量体を含む高分子の[EO]と前記リチウム塩の[Li+]の割合である[Li+]/[EO]値が0.02ないし0.08であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の高分子電解質。 - 前記高分子電解質のイオン輸送特性が10−5ないし10−3S/cmであることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の高分子電解質。
- 前記高分子電解質は全固体電池用固体電解質であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の高分子電解質。
- (a)エチレンオキシド単量体を含む高分子に、窒素化合物またはリン化合物を添加して前記高分子の末端を改質する段階;及び
(b)リチウム塩を添加する段階;を含む高分子電解質の製造方法であって、
前記高分子電解質が、請求項1から7のいずれか一項に記載の高分子電解質である、高分子電解質の製造方法。 - 前記高分子に窒素化合物またはリン化合物を添加する前に、エチレンオキシド単量体を含む高分子の末端をヒドロキシ基またはアミン基で改質する段階をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の高分子電解質の製造方法。
- 正極、負極及びその間に介在される固体高分子電解質を含んで構成される全固体電池であって、
前記固体高分子電解質は、請求項1から7のいずれか一項に記載の高分子電解質であることを特徴とする全固体電池。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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