JP7373008B2 - アルカリ金属含有重合体、並びにそれを含む電解質組成物及び電池 - Google Patents
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Description
(式(B)中、Wは、アニオンレセプターとしての機能を有する官能基であり、R1~R3は、それぞれ独立に水素原子若しくは1価の置換基である、又はR3は水素原子若しくは1価の置換基であり、R1及びR2は一緒になって2価の有機基を形成している。*は、構造単位(A)が他の構造単位と結合する位置を表す。)
(式(B)中、Wは電子不足の原子を有する官能基であり、R1~R3は、それぞれ独立に水素原子若しくは1価の置換基である、又はR3は水素原子若しくは1価の置換基であり、R1及びR2は一緒になって2価の有機基を形成している。*は、構造単位(B)が他の構造単位と結合する位置を表す。)
(式(B1)中、WBは周期表第13族に属する原子であり、R5は共有結合又は2価の有機基であり、R6及びR7はハロゲン原子若しくは1価の有機基である、又は一緒になって2価の有機基を形成している。)
(式(B)中、Wは、アニオンレセプターとしての機能を有する官能基であり、R1~R3は、それぞれ独立に水素原子若しくは1価の置換基である、又はR3は水素原子若しくは1価の置換基であり、R1及びR2は一緒になって2価の有機基を形成している。*は、構造単位(B)が他の構造単位と結合する位置を表す。)
(式(B1)中、WBは周期表第13族に属する原子であり、R5は共有結合又は2価の有機基であり、R6及びR7はハロゲン原子若しくは1価の有機基である、又は一緒になって2価の有機基を形成している。R6及びR7は同じ基であっても異なる基であってもよい。)
(式(B1a)中、X1及びX2はそれぞれ酸素原子(エーテル結合)又は共有結合であり、R11及びR12は、それぞれハロゲン原子、1価の炭化水素基、水素原子、又は1価のハロゲン置換炭化水素基であり、ハロゲン原子、1価の炭化水素基、又は1価のハロゲン置換炭化水素基であってよく、R11及びR12の少なくとも一方が1価の炭化水素基、又は1価のハロゲン置換炭化水素基であってよい。R11及びR12は同じ基であってよく、異なる基であってもよい。)
(式(B1b)中、X3及びX4はそれぞれ酸素原子(エーテル結合)又は共有結合であり、R13は、2価の炭化水素基、又は2価のハロゲン置換炭化水素基である。)
(式(A1)において、Xは、1~20個の炭素原子を有する2価の有機基であり、Yは、ハロゲン原子、又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基であり、Mは、Li、Na及びKから選択されるアルカリ金属元素であり、*は、構造単位(A1)が他の構造単位と結合する位置を表す。)
(式(A2)中、Y2は、アルカリ金属化されたフェノール性水酸基を有する基、又はスルホン酸の共役アニオンを有する基であり、*は、構造単位(A2)の他の構造単位との結合位置を表す。R15~R17は、それぞれ独立に水素原子若しくは1価の置換基である、又はR16は水素原子若しくは1価の置換基であり、R15及びR17は一緒になって2価の置換基を形成している。)
(式(A21)中、RA基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、アルカリ金属であり、Li、Na又はKであってよい。式(A22)中、RB基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、アルカリ金属であり、Li、Na又はKであってよい。式(A23)中、RC基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、アルカリ金属であり、Li、Na又はKであってよい。式(A24)中、RD基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、アルカリ金属であり、Li、Na又はKであってよい。式(A25)中、RE基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、アルカリ金属であり、Li、Na又はKであってよい。式(A26)中、RF基のうち少なくとも一つが-OM基であり、残りは、水素原子又は1価の置換基であり、Mは、アルカリ金属であり、Li、Na又はKであってよい。)
(式(A3)において、R19は、共有結合又は2価の有機基である。Mは、Li、Na又はKである。)
(式(C1)において、R21~R24は、それぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である。*は、構造単位(C1)が他の構造単位と結合する位置を表す。)
(式(C2)中、R25は、1~20個の炭素原子を有する2価の有機基であり、R26及びR27は、それぞれ、水素原子、ハロゲン原子、又は1~20個の炭素原子を有する1価の有機基である。)
重合体の製造方法としては、特に限定されないが、例えば、アルカリ金属イオン化されたアニオン性官能基を有する単量体又は当該アニオン性官能基の前駆体を有する単量体(以下、単量体(A')と呼ぶ。)と、アニオンレセプターとしての機能を有する官能基を有する単量体(B’)とを含む単量体(単量体混合物)を重合させる方法が挙げられる。単量体は更に単量体(A’)及び単量体(B’)と異なる単量体(C’)を含んでいてよい。
(式(A1’)のX、Y及びM+は式(A)と同じ意味である。)
(式(A2’)において、R15~R17は、式(A2)のR15~R17と同じ意味であり、Y2’は、式(A2)におけるY2が有する-OM基に対応するフェノール性水酸基を誘導することができる基、又はY2が有する-SO3M基に対応するスルホン酸基を誘導することができる基を有する基である。)
(式中、R1~R3及びWは、式(B)におけるR1~R3及びWと同じ意味である。)
以下に説明するとおり、単量体(A1)及び単量体(B1)を用意した。
窒素雰囲気下、トリフルオロメタンスルホンアミド(52.5mmol、7.83g、東京化成工業株式会社製)を脱水アセトニトリル(150mL、関東化学株式会社製)に溶解させた。この溶液に水酸化リチウム(105mmol、2.51g、東京化成工業株式会社製)及び4-アセトアミドベンゼンスルホニルクロリド(50mmol、11.68g、東京化成工業株式会社製)を順に加えて5時間加熱還流した。室温への冷却後、過剰量のアセトニトリル(700mL)を加えて固体を析出させ、ろ過で分離したのちジクロロメタン(関東化学株式会社製)で洗浄し、中間体1を得た。収率は、97.1%であった。
・中間体1の構造式:
・中間体2の構造式:
・中間体3の構造式:
・単量体A1:下記化合物(A1)
単量体B1(下記式(B1))については、以下のとおり、合成した。
無水硫酸マグネシウム(MgSO4)4.21g(5mmol)とピナコール4.14g(35mmol)にジエチルエーテル175mLを加え、撹拌して得られた白濁溶液に、4-ビニルフェニルボロン酸(VPBA、5.18g(35mmol)を加えて室温で19時間撹拌した。濾過して得られた溶液をエバポレーションし、シリカゲルクロマトグラフィーで精製し(溶離液:ヘキサン/酢酸エチル20/1(体積比))、収率92.1%で目的とする単量体B1を得た。
単量体A1:0.78g、単量体B1:0.46g、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN):16.4mgとなるように各成分の溶液を混合し、内部標準物質としてテトラリンを加えてモノマー消費率を確認しながら、窒素雰囲気下60℃で24時間反応させた。溶媒としては、アセトニトリルを使用した。反応後の溶液をアセトニトリル中で透析し、120℃で真空乾燥することで、共重合体1を1.08g(収率87%)得た。モノマー導入比はA1:B1=48:52であった。モノマー導入比は共重合体の1H-NMRより算出した。
共重合体1は数平均分子量Mn=7.4×104、重量平均分子量Mw=1.8×105、分子量分布Mw/Mn=2.40であった。
単量体A1:0.558g、スチレン:0.149g、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN):11.7mgを脱水アセトニトリル13.4mLに溶解させ、内部標準物質としてテトラリンを加えてモノマー消費率を確認しながら、窒素雰囲気下60℃で24時間反応させた。重合溶液をアセトニトリル中で透析し、120℃で真空乾燥することで、共重合体2を0.64g(収率87%)得た。モノマー導入比はA1:スチレン=52:48であった。モノマー導入比は共重合体の1H-NMRより算出した。
共重合体2は数平均分子量Mn=8.7×104、重量平均分子量Mw=2.2×105、分子量分布Mw/Mn=2.55であった。
共重合体1に対して、可塑剤として200質量%のエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶媒(体積比1:1)を添加し、電解質組成物を製造した。
グローブボックス内、乾燥アルゴン雰囲気下にて、コイン型電池CR2032の評価セルを組み立てた。具体的には、評価セル内に以下の順に各層を積層して試験用積層体を作製した。
(ステンレス板/電解質組成物/ステンレス板)
インピーダンス測定装置を用いて、25℃、周波数範囲0.1Hz~1MHz、印加電圧10mV(vs.開回路電圧)の条件で測定する。イオン伝導度σは次の式で算出できる。
σ(S・cm-1)=t(cm)/(R(Ω)×A(cm2))
式中、Rは、インピーダンスの値を表す。Aは、サンプルの面積を表す。tは、サンプルの厚さを表す。結果を表1に示す。
上記評価セルを用いたイオン伝導度測定を30、40、50、60、及び70℃の条件においても実施し、温度に対するイオン伝導度の変化を測定した。イオン伝導度の常用対数値と温度の逆数のグラフの傾きからアレニウスの式(logk=logA-Ea/RT、k:反応速度定数、A:頻度因子、Ea:活性化エネルギー、R:気体定数、T:絶対温度)により活性化エネルギーを算出した。
グローブボックス内、乾燥アルゴン雰囲気下にて、コイン型リチウム電池CR2032の評価セルを組み立てた。具体的には、評価セル内に以下の順に各層を積層して試験用積層体を作製した。(リチウム/電解質組成物/リチウム)
室温(25℃)において、試験用積層体に10mVを印加し、初期電流値(I0)および10000秒後の定常電流値(Iss)を測定した。得られた値を次式に導入してリチウムイオン輸率(tLi+)を求めた。
tLi+=Iss/I0
更にリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)を、共重合体の構造単位(B)に対して50モル%添加したこと以外は、実施例1と同様に電解質組成物を製造し、各種測定を行った。
共重合体1を共重合体2に変更したこと以外、実施例1と同様に電解質組成物を製造し、各種測定を行った。
共重合体1に対して、可塑剤として400質量%のエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶媒(体積比1:1)、及びフッ素系樹脂100質量%を添加し、電解質組成物を製造した。実施例1と同様に各種測定を行った。結果を表2に示す。なお、使用したフッ素系樹脂は、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF-HFP、アルドリッチ社製、Mw:~400,000、Mn:~130,000、ペレット状、製品番号:427160)である。
更にリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)を、共重合体の構造単位(B)に対して50モル%添加したこと以外は、実施例3と同様に電解質組成物を製造し、各種測定を行った。結果を表2に示す。
共重合体1を共重合体2に変更したこと以外、実施例4と同様に電解質組成物を製造し、各種測定を行った。結果を表2に示す。
リチウム塩としてLiFSIに代えてLiBF4を使用したこと以外は実施例2と同様に電解質組成物を製造し、実施例5として各種測定を行った。
リチウム塩としてLiFSIに代えてLiTFSIを使用したこと以外は実施例4と同様に電解質組成物を製造し、実施例6として各種測定を行った。
それぞれの結果を表3に示す。
Claims (15)
- アルカリ金属イオンを対カチオンとするアニオン部分を有する構造単位(A)と、アニオンレセプターとしての機能を有する官能基を有する構造単位(B)と、を含む重合体であって、
前記重合体の総量に対する前記構造単位(B)の含有量は、20~95質量%である、重合体。 - 構造単位(B)が下記式(B)で表される構造単位の少なくとも1種を含む、請求項1に記載の重合体。
- 前記官能基がルイス酸性を有する、請求項1又は2に記載の重合体。
- 前記官能基が電子不足の原子を有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の重合体。
- 前記電子不足の原子が周期表第13族に属する原子である、請求項4に記載の重合体。
- 前記構造単位(A)がスルホニルイミド基の共役アニオン、スルホン酸基の共役アニオン、及びフェノール性水酸基の共役アニオンの少なくとも一つを有する、請求項1~5のいずれか一項に記載の重合体。
- 前記重合体に含まれる全構造単位に対する構造単位(A)のモル比nが0.2~0.8であり、前記重合体に含まれる全構造単位に対する構造単位(B)のモル比mが0.2~0.8である、請求項1~6のいずれか一項に記載の重合体。
- 前記重合体の総量に対して、構造単位(A)の含有量が、5~80質量%である、請求項1~7のいずれか一項に記載の重合体。
- アルカリ金属イオンを対カチオンとするアニオン部分を有する構造単位(A)と、下記式(B)で表される構造単位(B)と、を含む重合体であって、
前記重合体の総量に対する前記構造単位(B)の含有量は、20~95質量%である、重合体。
- Wが下記式(B1)で表される基を有する、請求項9に記載の重合体。
- 請求項1~10のいずれか一項に記載の重合体を含む、電解質組成物。
- 更に可塑剤を含む、請求項11に記載の電解質組成物。
- 更にアルカリ金属塩を含む、請求項11又は12に記載の電解質組成物。
- 更に、フッ素系樹脂を含有する、請求項11~13のいずれか一項に記載の電解質組成物。
- 請求項1~10のいずれか一項に記載の重合体又は請求項11~14のいずれか一項に記載の電解質組成物を含む、電池。
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