JPS60139745A - 共役主鎖ポリマーに電子を導入する方法 - Google Patents

共役主鎖ポリマーに電子を導入する方法

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JPS60139745A
JPS60139745A JP59252790A JP25279084A JPS60139745A JP S60139745 A JPS60139745 A JP S60139745A JP 59252790 A JP59252790 A JP 59252790A JP 25279084 A JP25279084 A JP 25279084A JP S60139745 A JPS60139745 A JP S60139745A
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chain polymer
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ロナルド・リー・エルゼンボーマー
グランビル・ガイ・ミラー
ジエームズ・エドワード・トス
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
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    • H01M4/60Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of organic compounds
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10Organic polymers or oligomers
    • H10K85/141Organic polymers or oligomers comprising aliphatic or olefinic chains, e.g. poly N-vinylcarbazol, PVC or PTFE
    • H10K85/143Polyacetylene; Derivatives thereof
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ポリアセチレンのような共役主tr)1 ’
?:Hするポリマー\の電子供与型化合物(ドナー)ド
ーぎングに関する。
ポリアセチレンのような共役主鎖を有するポリマーは、
アルカリ金属カチオンを化学的にあるいは電気化学的に
内位添加し得ることは知られている。化学的ドーピング
ではポリマーはアルカリ金属のナツタリド(例えばリチ
ウムナツタリドまたはナトリウムナツタリド)のような
電気的に活性なアルカリ金属の有機金属化合物と反応す
る。このような方法の実施例はA、G、MacDiar
midらおよびA 、 J、 HevgerのSyn、
 Metals、 Vol、 1 + rlp101〜
118(1’9’80) に記載されている。電子供与
型化合物ドープしたポリアセテレ/については特にHe
egerらの米国特許第4’204216号(1980
)に記載されている。
電気化学的ド−ピングでは、ポリマー(例えばポリアセ
チレン)を塩溶液(例えばプロピレンカーボネー トに
過塩素酸リチウムを加えたもの)lて接触させて電子を
ポリマーに供与させそして対極から引き出しそれによっ
てポリマーがネガティブに充電され、塩のカチオン(例
えばリチウムカチオン)は対イオンとしてポリマー内に
向って移動するようになる。このような電気化学的なド
ーピングは電池に対する充電機構として利用することが
できる(例えばMacDiarmidらの米国特許第4
;’321.、 i ]、 44号1982)を参照の
こと)。
しかしながら初めに中性ポリマーを陽極として使用する
場合、ドープされていないポリマーは電子の初期導入を
妨げるような高い内部抵抗をもっているから、このよう
な電池を使いならすのは困難なことである。ドープされ
ていない状態の電極をよシ低い抵抗のものにする方法と
しては、導電性物質(例えば黒鉛粉)をポリマーに混合
するかまたはポリマーを初めに化学的にド−プするかの
何れかによる。しかしながら、両方法共電池内に異質の
物質(例えばナフタリンまたは黒鉛)を持ち込むもので
あシ、重tt増しある場合は電極の活性量を増加させる
ことなく副反応(ナフタリンによって弱められる電池の
自己放電のような)を入り組ませるものである。
共役主鎖を有するポリマーは、アルカリ金属が電気的に
活性でない有機成分に共有結合されているアルカリ金属
の有機金属化合物との接触で化学的に不可逆的にドープ
され得ることが見出された。
すなわちこれらの有機成分は炭素数が1〜12のアルキ
ル、フェニルおよび炭素数が7〜12のアルキルフェニ
ルである。従って、本発明は共役主鎖を有するポリマー
内にアルカリ金属カチオンでもって電子を導入する方法
を含むものであシ1Mがアルカリ金属で、Rが炭素数1
〜12のアルキル、フェニルおよび炭素数7〜12のア
ルキルフェニルから々る群から選ばれる場合において1
M十カチオyを挿入されてネガティブに充電された共役
主鎖を有するポリマーおよびネガティブに充電された共
役主鎖を有するポリマーとの反応で化合物MRを再生成
することのない有機副生成物を生成する条件のもとに、
前記共役主鎖ボ・1マーを式MRの化合物と接触させる
ことからなるものである。
本発明は、いろいろな共役主鎖ポリマ・−のドーピング
に利用し得るもので、特に電池用電極に構成される1易
合がそうであるけれども、他の構成の場合にも、址だ他
の用途にも利用することができる。ポリマーとして(r
iポリアセチl/ン、ポリフェニレンビニレン、ポリキ
ノリン、ポリチオフェンまたはこれらの置換体が用いら
れ得るが、好ましいのはポリアセチレンである。ポリア
セチレンはシラカワらの方法(J、Polymer S
oc、、’ Polym、 Chem。
Ed、、Vol、1.2.p 11(1974))によ
ってつくられる繊維状微結晶の形のものが好ましく、ま
たドーピングの時にはシス型に富むものであっても、ト
ランス型に富むものであってもよい。トランス型はより
高いレベルにド−プされ、電池構成における開路電圧を
より低くする。
ト置−プに使用される化合物は式MRで表わすことがで
きる。′M′はリチウム、ナトリウム、カワウ′J−ま
たはセリウムのようなアルカリ金属であり、好ましいの
はリチウム、ナトリウムまたはカリウムである。”R”
は′アルキル、フェニルまたはアルキルフェニル、すな
わちメチル、エチル、アリール、インプロピル、ブチル
、t−ブチル、5eC−ブチル、アミル、ヘキシル、デ
フル、ドブフル、フェニル、p−メチルフェニル、p−
イソプロピルフェニル、2.4−)メチルフェニル、2
.4−ジイソプロピルフェニル、クメニル、p−へキン
ルフェニルまたはベンジルアルいハ(CH3) 3Si
CH2−のようなものであり得る。軽量しい化合物はn
 RRが炭素数2〜4のアルキルである場合のそれらの
リチウム、ナトリウムおよびカリウム化合物で一般には
リチウムおよびナトリウム化合物がさらに好ましい。R
群の性質が与えられた温度(他の条件は一定として)で
の最終的な1・8− ピンクレベルを決定する。従って
ドーピングの程度および初期導電性の大きさは適切なR
を選択することによってコントロールすることがでさる
接触は、接触時間や溶媒のような他の接触条件と共に、
アルカリ金属のカチオンが挿入されネガティブに充電さ
れた共役主鎖ポリマーの製造を容易にする都合のよい温
度と圧力で行なわせることができる。捷だ、温度は高い
ほどド−ピングのレベルも高くなりやすい。類似のナフ
タリン化合物でのドーピングとは異なシ、有機金属化合
物全再生成する逆反応は一般に本方法では生じないので
、逆反応を避けるための特別な条件は必要どしない。
有機副生成物は一般に飽和炭化水素R−Rでもあろうし
、あるいは協和および不飽和炭化水素の混合物(たとえ
ばブチルナトリウムから生成された1−ブテンとオクタ
ン)または2つのフェニル環を縮合させてつくったビフ
ェニルなどR基の他の縮合生成物であってもよい。有機
金属化合物の濃度には特別の制限は必要でなく、一般に
は少なくとも10−”S/crrL の導電率にまでポ
リマーをドープするのに十分な量が用いられる。
本発明は、特にポリアセチレン電池電極など電極内に構
成される共役主鎖ポリマーの1・゛−ピングに利用でき
る。このような実施態様では電池各基には少なくとも2
つの電極が、そしてそのうちの少なくとも1つは共役主
鎖ポリマーからなる電極が含−まれる。化合物MRは電
池容器内に導入され、そしてM−1−カチオンが挿入さ
れてネガティブに充電された共役主鎖ポリマーを形成さ
せ、そしてネガティブに充電されたポリマーと反応して
化合物MRを再生成することのない、また電池の機能を
損ねるような対電極物質との反応をすることもない有機
副生成物を形成させる条件のもとで、共役主鎖ポリマー
と接触する。両電極が共役主鎖1r リマ−である場合
には、両電極共に電子供与型化合物のドープになる。1
つの電極がアルカリ金属(リチウム)であるか、合金(
例えばリチウム−アルミニウム合金)であるかの場合に
は、共役主鎖ポリマーのみが本方法によって影響を受け
る。
1つの電極が共役主鎖ポリマーであり、他の電極が遷移
金属のカルコゲン化物(チタニウムの二硫化物のような
)である場合には共役主袋ポリマーと遷移金Mのカルコ
ゲ/化物の双方共がアルカリ金属でドープされる。n−
ブチルリチウムがアルカリ金属カルコゲン化物のリチウ
ム誘導体を形成しイ4IることはM、S、Whitti
ngham、 Prog、 5olid St。
Chem、、 Vol、、 12. pagss 41
〜49 (1978)(%にpFlf’、(う45〜4
6)の報文から知られている。
これらの線に沿った他の文献からはブチルリチウムは黒
鉛をドープしないことが指摘されている。
すなわち、M、S、Whittingham et a
l、、 J、Electrochem。
Sci、 a−nd TechnoI+、、 Vol、
 124 、1387〜88(1977) ; M、B
、Dinec、 Mat、 Res、 Bull、、V
ol。
1(1,prl 287−92(’1975)である。
従ってこのようなポリマー対遷移金属カルコゲン化物電
池において、このような方法で遷移金属カルコゲン化物
にアルカリ金属がドープまたは挿入されるということは
驚くことではない。しかし、ある遷移金属カルコゲン化
物ではこのようなドーピング方法ではナトリウム、カリ
ウムまたはセリウムではなくリチウムのみを挿入させる
ことが可能である。
それ故にもしナトリウムまたはカリウムの有機金属化合
物を用いるならば、共役主鎖ポリマーのみをこの方法で
ド−プさせることが可能−Cある。本発明のすべての形
において、そして特に共役主鎖ポリマ・−が電池電極で
ある場合、副生成物が電子供与型化合物ドープした電極
または電池の溶媒その他の構成分に影響をおよぼすこと
なくガスとして電池電極から除去され得るように、ガス
状の副生成物を生成するRどの有機金属比合物分選ぶこ
と、および/または副生成物のガス状である操作条件を
選ぶことによってこの方法を実施することができる。こ
の理由でもって、Rが炭素数2〜4のアルキルであると
ころの有機金属化合物が特に推奨されるのである。
本発明の方法によって、電池電極がいったん部分的にド
ープされるとそれらは従来方法で電気化学的に急速充電
が可能となり、従ってドープされていないΣ1!:リマ
ーを用いる場合に必要な標準的なならしのサイクル(ま
たは長ったらしい製造時間および/またはならし時間)
と省略することが可能となる。
電池の1つの電極がリチウム、ナトリウム、カリウムま
たはセリウムのようなアルカリ金属で、他の電極が共役
ポリマーであるとき、化合物RMは相応するRX化合物
の導入でその場に生成されイ:jる。XはCe、 Br
%I、SCN、SR′テR′はRとして記述された成分
であってもよい。すなわちRXは次式によってRMに転
換される。
R−X+2M 、RM+MX こ\で生成されたRMはポリマー用の不可逆性の化学ド
ーeング剤として働く。たとえばブチルブロマイドをリ
チウム対ポリアセチレン電池に導入させることによって
ブチルブロマイドとリチウム19隠との反応でブチルリ
チウムとリチウムブロマイドが生成することになる。生
成されたブチルリチウムは次いでポリアセチレン全ドー
プし、最初に使用されたブチルブロマイドの濃度に応じ
て10−5ないし約10S/cInの導電率をそれに付
与するようになる。この改良によって屯池蜆造工程で非
常に活性なアルカリ金属化合物を@り扱う必要性が除か
れる。
以上に述べたように、ドーピングのレベルはRの個性そ
して恐らくはMの11(至)性およびドーピングの温度
によってコントロールされ得る。リチウム対電極(10
%以−ヒの1.、; +、Qンクレベルに相当する)に
対する0、6ボルトという低い開路電11ミが71?リ
アセチレンに適用された本方法によって得られる。
実施例1 n−ブチルリチウムによるトゝ−ピング乾燥した2つの
脚部を有する反応容器の中に1片のポリアセチレン薄膜
(シラカワ法で製した)5cHX5儒X0.02儂およ
び、溶液としてヘギサ7 (1,6M 夜1.0 ml
、 Aldrich製→に添加して調製された過剰の1
1−ブチルリチウムを含む溶液をアルゴンガスの存在下
に入れた。薄膜全室温で64時間n−ブチルリチウム溶
液内にそのままおいた。反応容器を10 トルに減圧し
、そして浴tを反応容器の他方の脚部に薄膜から離脱せ
しめて流し出した。使用済みのrl−メチルリチウム液
からヘキサンを、ドープされた薄膜上に蒸留させ、次い
で使用済み液の入った脚部に液を傾は返すことによシ、
薄膜を繰返し洗浄した。次に薄膜を具空下(10””ト
ル)で乾燥しアルゴンを満した乾燥箱に移した。金色を
した薄膜の導電率は3S/crrLであることがわかっ
た。元素分析で平均組成−7,: (C,、。Hl、。
”10.037)X に相当する9 0.00%c17
.50%H,]、、96%L1が得られた。この薄膜の
Ll 金属電極に対する開路電圧は1.2ボルト(テト
ラヒドロフランへ1.5 M LiC(goiを加えた
電解質)であ・ることかわかった。
実施例2 反応溶媒としてヘキサン/テトラヒドロフラノ(l:1
 )の混合物を用い、接触時間′f:36時間とした実
施例Jの繰シ返えしでは工5S/Cmの導電率をもった
1へ゛−プ薄膜が得られた。元素分析で(C1゜。Hl
、。Li o、。7)xに相当する平均組成が得られた
実施例3 n−ブチルリチウムの代りにフェニルリチウム(Ven
tron製、/クロヘキサン/エーテル(7:3)へ2
M添加)を用いて実施例1に記載した操作を繰シ返した
。作条終了後、薄膜は1.3O8/鋼の導電率分水しだ
。元素分析で(cl、。鳩、。”10.]0)xに相当
する組成が得られた。ドープされた薄膜のLl 金属対
照電極に対する開路電圧は1.09ボルト(テトラヒド
ロフランに1.5 M LiCe0.1 を加えた電解
質)であった。
実施例4 tert−ブチルリチウムによるドーピングn−ブチル
リチウムの代りにt−ブチルリチウム(Aldrir、
h製パンタンへ1.7M添加)を用い室温で44時間の
接触時間で実施例1の操作を繰り1区えした。作業終了
後、薄膜は108/crnという導電率を示した。分析
で(CHLlo、057 )n に相当する平均組成が
得られた。
実施例5 メチルリチウムによるドーピング n−ブチルリチウムの代シにメチルリチウム(A 1i
 r 1c h ’JJジメチルエーテルへ1.2M添
加)′gf:用い実施例1の操作を繰シ返見した。接触
時間は44時間であった。作条終了後、薄膜は4 X 
1O−3S/mの導電率を示した。分析で(’CE(L
i O,037’ Xに相当する平均組成が得られた。
実施例6 n−7’チルリチウムの代シに5ec−ブチルリチウム
(シクロヘキサンに1.4M添加)を用い実施例■の操
作を繰返えした。接触時間は44時間であった。作業終
了後、薄膜は448/cmの導電率を示し、Liに対し
103ボルトという開路電圧(2−メチルテトラヒドロ
フランにIM LiBr4を加えた電解質)を示した。
実施例7 n−ブチルリチウムの代りにトリフェニル7リルリチウ
ム(Ventron 製テトラヒドロフランに1M添加
)を用いて実施例1の操作を繰シ返えした。
接触時間は44時間であった。作業終了後、薄膜はト9
−プされていないポリアセチレンの導電率とほとんど同
じ導電率を示した。このようにこの試薬はかなりの程度
−までポリアセチレンi +−゛−プしない。
実施例8 ンl?リアセチレ/薄膜の代りにポリ(p−フェニレン
)粉末金剛いて実施例1の操作を繰り返え17た。作業
の終了後、粉末を(KBr赤外線照射)金型を用いアル
インを満した格燥箱の中で啄レットに成形した。処理さ
れたポリマーはレットの導′1”L□率はto−73/
cIrL以下であった。
実施例9 示すもの: n−ブチルマグネシウム塩化物によるドーピングリ 會
昏−−帰一□−□輪−□− 1−ブチルマグネシウム塩化物(Aldrich製ジエ
チルエーテルに2.0M添加)?n−ブチルリチウムの
代りに用いて実施例1の操作を繰シ返えした。作業終了
後、得られた薄膜は大部分がイオンによる]、 0− 
’ S’/cTLという導電率を示した。
実施例10 一ピンク 実施例[の場合のような1片のポリアセチレン薄膜を真
空下180℃で5分間加熱し熱的に異性化1−た。次い
で異性化した薄膜全実施例3におけるように処理した。
接触時間は48時間であった。
作業終了後、薄膜は1588/crnの導電率および0
.65ボルトの開路電圧(2−メチル−テトラヒト90
7ランにl M LiBBu4を添加したd解質で。
リチウム金属に対して)を示した。このようにトランス
形の1ご−ピンクは導電率を高め、開路型IEを低くす
る。
実施例t1 ドーピング 1片のンスlL!lボリアセチンを実施例1Oの場合の
ように異性化し実施例1の場合のようにn−ブチルリチ
ウムによって処理した。接触時間は48時間であった。
作業終了後、薄膜は0.53/傭の導電率および1.0
6ボルトの開路型1−F、(2−メナルー、テトラヒト
ゝロンランにL M LiBBu< k添加した電解質
で、リチウムに対して)を示した。
実施例12 25罰のn−へブタン中に0.5gの蒸留アニンール’
1il−0,33,ワのカリウム金属と共に添加し常r
in’tで16時間]ヤ月゛1′シてフェニルカリウム
金つくった(A、A、Morton and E、J、
Lanph、er、 J、Org。
Chem、、339163’6* (1958)の方法
に類似)。
各1×2×0,02cInの数片のパリアセチレンをア
ルゴン53 囲’A下でフェニルカリウムの灰色粉末の
懸濁体に添加した。48時間後、30m1の水分を含−
まないテトラヒト907ランを添加し、混合物をE過し
た。ポリアセチレン薄膜 トをテトラヒドロフランで洗
浄し真空乾燥した。ポリアセチレン7−トは12〜17
S/cIrLの導電率の範囲を有していた。
実施例13 //L1 電池 少量のメチルリチウム(約0.1M)k含む電解質と1
7で2−メチルーテトラヒドロフラ/にLiBBu4 
f添加したものを使用して、d +)アセチレン陰極対
リチウム陽極の電池を組み立てた。組み立てた電池の開
路電圧はリチウムに対して1.3ボルトであった。電池
の初期抵抗は40オームで、電池の初期放電は急速に行
なわれた。添加物としてメチルリチウムを用いない類似
の電池では24ボルト(リチウムに対し)の開路電圧お
よび1000オームの高い内部抵抗を示した。初期の放
電速度はかなp緩慢であった。
実施例14 今1つの電池全陰極としてポリアセチレン、そして陽(
tとしてリチウム金属を2−メチル−テトラヒト90フ
ランにIMのLIBBu3 ’f加えた電解質と共に用
いて密封ガラス容器内につくった。/J)量(50μe
)のn−ブチフレリチウム(ンクロへギッーンに1.6
 M f添加)ff:組み立てた電池内に添加した際、
開路電圧は24ボルトがら1.00ボルトに降下した。
そして電池の内部抵抗は1000Ωがら10.4Ωに降
下した。電池の初期放電は急速に進み、「ならし」の期
間は不要であった。適用電圧2.2ボルトでの再充電の
後、開路電圧は1.6ボルトに安定していた。2.2ボ
ルトと0.2ボルト間の電池のサイクリングではすぐれ
たクーロン効率が得られた。すなわち10%以上すなわ
ち((Cf()−YL1y〕x でyが0.10以上の
1・゛−ピンダレベルで初めのサイクルでは91%、次
のサイクルで97%以上であった。
特許出願人 アライド・コーポレークヨ/(外5名)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)共役主鎖を有するポリマー内にアルカリ金属カチ
    オンでもって電子を導入する方法であって、M十カチオ
    ンを挿入されてネガティブに充電された共役主鎖ポリマ
    ーおよびネガティブに充電された共役主鎖ポリマーと反
    応して化合物MRを再生成することのない有機副生成物
    が生成される条件のもとで、前記共役主鎖ポリマーを式
    MRの化合物〔ただし、Mはアルカリ金属であシ、Rけ
    炭素数1〜]2のアルキル、フェニルおよび炭素数7〜
    12のアルキルフェニルからなる群から選択される。〕
    と接触させることからなる方法。 (2)Rが炭素数2〜4のアルキルであるこトラ特徴と
    する特許請求の範囲第(1)項に記載の方法。 (3)前記共役主鎖ポリマーがポリアセチレンである′
    ことを特徴とする特許請求の範囲第(1)項または第(
    2)項に記載の方法。 (4)MがLl、Na またはKであることを特徴とす
    る特許請求の範囲第[11項1たは第(2)項またはm
    (3)項に記載の方法。 (5)前記共役、主鎖ポリマーが電池電極に用いられる
    ことを特徴とする特許請求の範囲第(1)〜(4)項の
    何れかに記載の方法。− (6)その少なくとも1つが共役主鎖ポリマーからなる
    少なくとも2つの電極を含み、かつ有機溶媒を含む電池
    容器内[M カチオンが挿入されてネガティブに充電さ
    れた共役主鎖ポリマーとネガティブに充電された共役主
    鎖ポリマーと反応して化合物MF<f再生成することの
    ない有機副生成物とを生成する条件のもとに、化合物M
    R(ただしMはアルカリ金属であシ、Rは炭素数1〜1
    2のアルキル、フェニルおよび炭素数7〜12のアルキ
    ルフェニルからな、る群から選択される〕を導入する。 、工程からなることを特徴とする電池の製造方法。 (力 Mがり、i、、NaまたはKであることを特徴と
    する特許請求の範囲第(6)項に記載の方法。 (8)Rが炭素数2〜4のアルキルであることに4Qj
    徴とする特許請求の範囲第(6)項または第(7)項に
    記載の方法。 (9)前記共役主鎖ポリマーがポリアセチレンであるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第(6)項または第(月
    頃または第(8)項に記載の方法。 (10) 前記電池のアノードおよびカソードがそれぞ
    れ共役主鎖ポリマーからなり、かつ共にM+を内位添加
    されることを特徴とする特許請求の範囲第(6)項また
    は第(月頃または第(8)項に記載の方法。 (11) 1つの電極が遷移金属のカルコゲン化物であ
    シ、他の′電極が共役主鎖ポリマーであることを特徴と
    する特許請求の範囲第(6)項1だは第(7)項1だは
    第(8)項7′f、たは第(9)項に記載の方法。 (1211つの電極がチタン二硫化物であシ、他の電極
    がΣli′l)アセチレンであることを特徴とする特許
    請求の範囲第(11)項に記載の方法。 (131MがLlであることを特徴とする特許請求の範
    囲第(121項に記載の方法。 (14)化合物MRと副生成物MXがその場で生成され
    る条件のもとで、化合物RX とアルカリ金属Mとを導
    入することによって化合物MR[そだし。 xはハロゲンまたはシソイド−・ロゲンである]を電池
    容器内に導入することを特徴とする特許請求の範囲第(
    6)項ないし2I演13)項の何れかに記載の方法。
JP59252790A 1983-11-30 1984-11-29 共役主鎖ポリマーに電子を導入する方法 Pending JPS60139745A (ja)

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