JPWO2009113585A1 - 電気化学素子用膜、電気化学素子用電極及び電池 - Google Patents
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Abstract
電気化学的に可逆な酸化還元反応を示す新規のポリイミド膜を用いた電気化学素子用膜を提供する。表面粗さがRMS値で10μm以上のポリアミドからなる。ポリイミドは、ポリアミド酸を脱水環化させてなるものである。ポリイミドは、ポリアミド酸に導電付与剤を分散させた後にポリアミド酸を脱水環化させてなるもの、又は、ポリイミドは、ポリアミド酸に導電付与剤を分散させて膜を形成した後にポリアミド酸を脱水環化させてなるものであってもよい。
Description
本発明は、レドックス活性を有するポリイミドを用いた電気化学素子用膜、電気化学素子用電極及び電池に関する。
ポリイミドは、エンジニアリングプラスチックとして耐熱性の点で最高位にあり、あらゆる産業分野で広く使用されている。現在までに、多種類のポリイミドが開発、商品化されている。
ポリイミドの代表的合成法は、ジアミンとテトラカルボン酸二無水物の開環重付加−脱水環化反応させる二段合成法(ポリアミド酸を経由するジアミン法)である。第一段階の反応は、二種のモノマーをジメチルアセトアミドなどのアミド系溶媒中、室温下で攪拌することによって進行し、容易に高分子量のポリアミド酸が生成する。
ポリイミドの多くは不溶不融性であるため、可溶性前駆体であるポリアミド酸の状態でフィルムなどに成型加工し、その後250℃付近に加熱して第二段階に相当する脱水環化反応により熱イミド化させ、ポリイミドに転化する方法が採られている。
ポリイミドは、高い耐熱性、セラミックスより低い誘電率により電子材料用絶縁膜として集積回路や実装基板の層間絶縁膜や保護膜としての需要がある。ポリイミド膜の描画を目的として、さまざまな感光性ポリイミドが報告されている。また、イミド骨格の強い電子受容性に基づく電荷移動錯体の形成が調べられ、光導電性を示す材料として研究されている。その他、大きな3次非線形感受率に基づく光学材料、耐熱性と耐溶剤性に基づく分離膜材料として検討されている。しかし、ポリイミドは、絶縁材料として一般に受け入れられているため、酸化還元反応が調べられたことはなく、電化貯蔵材料としての検討例も皆無である。
フタルイミドは、1電子還元体であるアニオンラジカルとの間で電気化学的に可逆な酸化還元を示すことが知られている。すなわち、フタルイミドをImで表すと、以下の式(1)で表されるレドックス反応が−1〜−1.5V vs Ag/AgCl付近の卑な電位で起こり、Im−・が高い化学的安定度を示すことが、ESRスペクトルなどから明らかになっている。
フタルイミドを高分子化すると、ポリマー分子の中で式(1)の反応が多数生起すると考えられ、ポリマーを薄膜の形態にすることによって、不均一系酸化剤や酸化還元触媒として利用できると期待される。しかし、ポリイミドは絶縁体であるため、電子の授受を伴う用途には不向きとされ、このような検討は全くなされていなかった。
そこで、本発明は、電気化学的に可逆な酸化還元反応を示す新規のポリイミド膜を用いた電気化学素子用膜を提供することを目的とする。
本発明の電気化学素子用膜は、表面粗さがRMS値で10μm以上のポリアミドからなることを特徴とする。
また、前記ポリイミドが、ポリアミド酸を脱水環化させてなるものであることを特徴とする。
また、前記ポリイミドが、ポリアミド酸に導電付与剤を分散させた後に前記ポリアミド酸を脱水環化させてなるものであることを特徴とする。
また、前記ポリイミドが、ポリアミド酸に導電付与剤を分散させて膜を形成した後に前記ポリアミド酸を脱水環化させてなるものであることを特徴とする。
また、前記導電付与剤が、カーボンブラック、カーボンファイバー、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレンのいずれかであることを特徴とする。
また、前記ポリアミド酸が、テトラカルボン酸二無水物とジアミンの開環重付加により得られたものであることを特徴とする。
また、前記テトラカルボン酸二無水物が、4,4’−オキシジフタル酸無水物、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物のいずれかであることを特徴とする。
また、前記ジアミンが、1,4−フェニレンジアミン、1,3−フェニレンジアミン、4,4’−オキシジアニリン、4,4’−メチレンジアニリン、エチレンジアミン、プロピレンジアミンのいずれかであることを特徴とする。
本発明の電気化学素子用電極は、電子伝導性を有する集電体と、前記集電体の少なくとも片面に密着したポリイミドとからなり、前記ポリイミドが本発明の電気化学素子用膜であることを特徴とする。
本発明の電池は、負極電極が本発明の電気化学素子用電極であることを特徴とする。
本発明の電気化学素子用膜によれば、電気化学的に可逆な酸化還元反応を示すポリイミド膜を用いた新規の電気化学素子用膜を提供することができる。
以下、本発明の電気化学素子用膜について、詳細に説明する。
本発明の電気化学素子用膜は、表面粗さがRMS値で10μm以上のポリイミドからなる。
ここで、RMS値とは、表面粗さの平均二乗根(Root Mean Square)のことであり、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型トンネル顕微鏡(STM)などにより測定することができる。
そして、本発明の電気化学素子用膜は、ポリイミドのみで電荷を出し入れできる機能を有する。すなわち、本発明の電気化学素子用膜は、導電性付与剤等の添加物を添加しなくとも、レドックス活性を有し、電気化学的に可逆な酸化還元反応を示す。これは、ポリイミドの表面粗さをRMS値で10μm以上として、ポリイミドの表面積を大きくしたことに起因している。ポリイミドの表面積を大きくすることにより、電気化学素子用膜の性能を向上させることができる。ポリイミドの表面粗さを大きくするには、例えば、ポリイミドの表面を紙やすりなどで削ればよい。
本発明の電気化学素子用膜に用いられるポリイミドは、ポリアミド酸を脱水環化、すなわち、熱イミド化によりポリイミドに転化する方法により、容易に得ることができる。
ここで、ポリアミド酸は、種々の方法により合成されたものを用いることができるが、例えば、テトラカルボン酸二無水物とジアミンの開環重付加により得ることができる。この場合、テトラカルボン酸二無水物としては、4,4’−オキシジフタル酸無水物、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物などが好適に用いられる。また、ジアミンとしては、1,4−フェニレンジアミン、1,3−フェニレンジアミン、4,4’−オキシジアニリン、4,4’−メチレンジアニリン、エチレンジアミン、プロピレンジアミンなどが好適に用いられる。
本発明の電気化学素子用膜は、表面積を大きくすることによりレドックス活性を付与したポリイミドを用いるものであるが、さらに、ポリイミドの表面積を大きくするために、ポリイミドに導電付与剤を分散させてもよい。この場合、ポリアミド酸に導電付与剤を分散させた後にポリアミド酸を脱水環化させることにより、導電付与剤を分散させたポリイミドを得ることができる。或いは、ポリアミド酸に導電付与剤を分散させて膜を形成した後に、ポリアミド酸を脱水環化させることにより、導電付与剤を分散させたポリイミドを得てもよい。
ここで、導電付与剤としては、ポリアミド酸への親和性を有し、ポリアミド酸に分散しやすいものであれば特定のものに限定されないが、カーボンブラック、カーボンファイバー、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレンなどが好適に用いられる。
本発明の電気化学素子用膜を構成するポリイミドは、化2又は化3の一般式で表される。
ここで、R1〜R3は1,4−フェニレン基、1,3−フェニレン基などの芳香族基や、アルキレン基又はアルキルエーテルなどの脂肪族鎖である。また、ポリマー骨格はR1〜R3の部分で架橋していてもよい。なお、架橋構造を含む方が、電極として用いる場合の溶媒中への溶出が抑えられ、耐久性が高いことから好適であるが、溶媒中で膨潤するのみで溶出しなければ、架橋構造を有さなくてもよい。また、架橋構造を導入する場合、架橋ユニットにイミド基が含有されていてもよい。イミド基としては、電気化学的に可逆なレドックス特性を示すことから、フタルイミドやピロメリットイミドなどが好適である。
また、本発明の電気化学素子用電極は、本発明のポリイミドからなるポリイミド膜を電気伝導性を有する集電体の少なくとも片面に密着して形成してなるものである。このポリイミドが接する集電体としての電極基板としては、特定のものに限定されるものではないが、白金、金、鉄、ステンレス鋼などの金属基板、或いは、グラッシーカーボン、パイロリティックグラファイト、カーボンフェルトなどの炭素基板、或いは、ITO蒸着ガラスやITO被覆ポリエチレンテレフタレートなどの透明電極を用いることができる。また、このポリイミド電極は、本発明のポリイミド膜中に、上記の電極基板の材料を粒子の形態にしたものを分散させた複合電極であってもよい。
本発明の電池は、負極電極を本発明の電気化学素子用電極としたものである。すなわち、本発明の電池は、本発明の電気化学素子用電極を構成するポリイミド膜を電極活物質として備えたものである。本発明の電気化学素子用膜は、電荷を貯蔵する能力を有する材料である電荷貯蔵材料として働く。正極と負極の間に電解質を挟んで電池が構成される。本発明の電気化学素子用電極と対になる電極を構成する活物質は特定のものに限定されるものではないが、負極を本発明の電気化学素子用電極とし、正極を2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル(TEMPO)基を側鎖に有するラジカルポリマーを電極活物質として備えた電極とすることにより、特に優れた特性を有する電池が構成される。
ここで、前述のとおり、イミドの酸化還元反応は、式(1)のように一段階で可逆性高く進行する。したがって、本発明の電池は、充放電可能な二次電池の負極として作動する。すなわち、正極側に用いる電極活物質の酸化還元電位と、負極側の式(1)の酸化還元電位の差に対応する出力電圧が発生する。イミドが一般に−1〜−1.5V vs.Ag/AgCl以下の卑な電位で酸化還元することから、適当な正極活物質と組み合わせることにより、出力電圧の大きい有機二次電池を構成できる。例えば、TEMPO基を有するラジカルポリマー電極は、+0.5V vs.Ag/AgCl以上の貴な電位で酸化還元し得るため、ポリイミドからなる電気化学素子用電極を負極とし、ラジカルポリマー電極を正極として電解質溶液又は電解質膜を挟んで電池を構成すれば、2V付近の電圧で繰り返し充放電可能、ラジカルポリマーとポリイミド共に電極反応の速度定数が大きいため高速充放電も可能、有機物だけからなる透明性、可撓性、環境適合性を併せ持つ、新規な有機二次電池を構成することができる。
つぎに、図1に基づいて、本発明の電池の一実施例について説明する。
電池の全体を示す図1において、1は、電池の外殻を構成する一対のアルミ外装であり、このアルミ外装1の中には、絶縁パッキン2、負極集電体3、負極4、セパレータ5、正極6、正極集電体7が順に収納されている。負極4には、本発明の電気化学素子用電極が用いられている。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下の具体的実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。
[ポリイミド電極の作製(1)]
アルゴン雰囲気下、30mlナスフラスコに4,4’−オキシジフタル酸無水物310.20mg(0.001mol、1eq)、N,N−ジメチルアセトアミド2ml(0.5M)、1,4−フェニレンジアミン108.15mg(0.001mol、1eq)を加え、室温下で18時間反応させた。反応終了後、アセトンに沈殿させて精製し、白色固体として化4に示す重合体(1)411.8mg(98.4%)を得た。
アルゴン雰囲気下、30mlナスフラスコに4,4’−オキシジフタル酸無水物310.20mg(0.001mol、1eq)、N,N−ジメチルアセトアミド2ml(0.5M)、1,4−フェニレンジアミン108.15mg(0.001mol、1eq)を加え、室温下で18時間反応させた。反応終了後、アセトンに沈殿させて精製し、白色固体として化4に示す重合体(1)411.8mg(98.4%)を得た。
つぎに、NMP0.1g、重合体(1)5.47mg、炭素粉末85mgを混合し、これにNMP0.1gに溶解させたポリテトラフルオロエチレン樹脂バインダ10mgを加え、メノウ乳鉢を用い混練した。10分ほど混合して得られた混合体をアルミ箔、ITO基板などに塗布した。これを、150℃、180℃、200℃、220℃で各20分、250℃で30分と段階的に加熱してイミド化し電気化学素子用電極としてのポリイミド電極を得た。重合体(1)をイミド化した構造を化5に示す。
得られたポリイミド電極を電解液に浸して、電極中の空隙に電解液を染み込ませた。電解液としては、0.1mol/lの過塩素酸テトラブチルアンモニウムのアセトニトリル溶液を用いた。そして、対極には白金電極を、参照極にはAg/AgCl電極を用いて、半電池を作成した。
以上のように作成した半電池を、200μAの定電流で、電圧が−1.8Vになるまで充電、その後、200μAで放電を行った。その結果、図2に示すように、電圧は−1.4V付近で100秒ほぼ一定となり、その後急速に低下した。これにより、本実施例のポリイミド電極は、電荷貯蔵材料として動作していることを確認した。電圧が−0.8Vまで低下したところで再び充電を行い、さらに−0.8〜−1.8Vの範囲で充放電を100回繰り返した。
[ポリイミド電極の作製(2)]
アルゴン雰囲気下、30mlナスフラスコに4,4’−オキシジフタル酸無水物310.20mg(0.001mol、1eq)、N,N−ジメチルアセトアミド2ml(0.5M)、エチレンジアミン74.12mg(0.001mol、1eq)を加え、室温下で18時間反応させた。反応終了後、アセトンに沈殿させて精製し、白色固体として化6に示す重合体(2)382.7mg(99.6%)を得た。
アルゴン雰囲気下、30mlナスフラスコに4,4’−オキシジフタル酸無水物310.20mg(0.001mol、1eq)、N,N−ジメチルアセトアミド2ml(0.5M)、エチレンジアミン74.12mg(0.001mol、1eq)を加え、室温下で18時間反応させた。反応終了後、アセトンに沈殿させて精製し、白色固体として化6に示す重合体(2)382.7mg(99.6%)を得た。
つぎに、NMP0.1g、重合体(2)5.54mg、炭素粉末85mgを混合し、これにNMP0.1gに溶解させたポリテトラフルオロエチレン樹脂バインダ10mgを加え、メノウ乳鉢を用い混練した。10分ほど混合して得られた混合体をアルミ箔、ITO基板などに塗布した。これを、150℃、180℃、200℃、220℃で各20分、250℃で30分と段階的に加熱してポリイミド電極を得た。重合体(2)をイミド化した構造を化7に示す。
得られたポリイミド電極を電解液に浸して、電極中の空隙に電解液を染み込ませた。電解液としては、0.1mol/lの過塩素酸テトラブチルアンモニウムのアセトニトリル溶液を用いた。そして、対極には白金電極を、参照極にはAg/AgCl電極を用いて、半電池を作成した。
以上のように作成した半電池を、200μAの定電流で、電圧が−1.8Vになるまで充電、その後、200μAで放電を行った。その結果、図3に示すように、電圧は−1.4V付近で60秒ほぼ一定となり、その後急速に低下した。これにより、本実施例のポリイミド電極は、電荷貯蔵材料として動作していることを確認した。電圧が−0.8Vまで低下したところで再び充電を行い、さらに−0.8〜−1.8Vの範囲で充放電を10回繰り返した。
[電池の作成]
2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル置換ポリメタクリレート(PTMA)と実施例1で作成したポリイミド電極を、それぞれ、正極、負極に用いて、0.1M過塩素酸テトラブチルアンモニウムアセトニトリル溶液を電解液とした二次電池を試作した。測定したCVではカソード側−2.1Vに安定な酸化還元波を示した。この二次電池を用いてカットオフ電圧−1.8〜−2.5Vで充放電曲線を測定したところ、図4に示すように、CVの酸化還元電位に対応する−2.1Vに電位平坦部が現われ、放電容量は21mAh/g(理論容量の15%)となり、二次電池としての定量的な動作が確認された。
2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル置換ポリメタクリレート(PTMA)と実施例1で作成したポリイミド電極を、それぞれ、正極、負極に用いて、0.1M過塩素酸テトラブチルアンモニウムアセトニトリル溶液を電解液とした二次電池を試作した。測定したCVではカソード側−2.1Vに安定な酸化還元波を示した。この二次電池を用いてカットオフ電圧−1.8〜−2.5Vで充放電曲線を測定したところ、図4に示すように、CVの酸化還元電位に対応する−2.1Vに電位平坦部が現われ、放電容量は21mAh/g(理論容量の15%)となり、二次電池としての定量的な動作が確認された。
[エレクトロクロミズムの検討]
ガラス基板上にITO層(150nm)が予め形成されている基板をスピンコーターに設置した。N,N−ジメチルアセトアミドにポリアミド酸を溶かした5wt%溶液を、回転数1000回転/秒にて10秒、続けて6000回転/秒にて60秒スピンコートした後、150℃、180℃、200℃、220℃で各20分、250℃で30分と段階的に加熱してイミド化し重合体の薄膜を得た。上記の薄膜を240番の紙やすりを用いて100g/cm2の均一な圧力を加えながら1cm/sの速度で往復運動により30秒間かけて削り、表面粗さを増加させた膜を得た。
ガラス基板上にITO層(150nm)が予め形成されている基板をスピンコーターに設置した。N,N−ジメチルアセトアミドにポリアミド酸を溶かした5wt%溶液を、回転数1000回転/秒にて10秒、続けて6000回転/秒にて60秒スピンコートした後、150℃、180℃、200℃、220℃で各20分、250℃で30分と段階的に加熱してイミド化し重合体の薄膜を得た。上記の薄膜を240番の紙やすりを用いて100g/cm2の均一な圧力を加えながら1cm/sの速度で往復運動により30秒間かけて削り、表面粗さを増加させた膜を得た。
0.1mol/Lのテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロリン酸のアセトニトリル溶液中に3−ヘキシルチオフェン 1.24gを混合した。上記溶液中にITO/ガラス基板を浸し、一定電流を30分間流した。得られたポリチオフェン膜を洗浄し室温大気下で乾燥させた。
ポリチオフェン層を作用極に、ポリイミド層を対極に用いたエレクトロクロミックセルを作製した。電極間に0.5mmのシリコンゴムをスペーサーとし、その内部にポリ(エチレングリコール)、KPF6、炭酸プロピレンを重量比5:20:100の割合で混合した電解質溶液を注入した。
上記ECセルに一定電流を流すクロノポテンショメトリー測定では、群青色から赤色へ色調変化し、電流の極性を反転させると再び群青色を呈した。電圧を切った後も数時間にわたって着・消色状態が安定に維持され、色調変化に関するメモリ特性として観測された。
[乾式メモリ素子特性に関する検討]
ガラス基板上にITO層(150nm)が予め形成されている基板をスピンコーターに設置した。N,N−ジメチルアセトアミドにポリアミド酸を溶かした5wt%溶液を、回転数1000回転/秒にて10秒、つづけて6000回転/秒にて60秒スピンコートした後、150℃、180℃、200℃、220℃で各20分、250℃で30分と段階的に加熱してイミド化し重合体の薄膜を得た。上記の薄膜を紙やすりで削り、表面粗さを増加させた膜を得た。
ガラス基板上にITO層(150nm)が予め形成されている基板をスピンコーターに設置した。N,N−ジメチルアセトアミドにポリアミド酸を溶かした5wt%溶液を、回転数1000回転/秒にて10秒、つづけて6000回転/秒にて60秒スピンコートした後、150℃、180℃、200℃、220℃で各20分、250℃で30分と段階的に加熱してイミド化し重合体の薄膜を得た。上記の薄膜を紙やすりで削り、表面粗さを増加させた膜を得た。
上述のようにITO/ポリイミド構造が形成された基板を真空蒸着器のチャンバ内の基板ホルダに設置した。チャンバ内の電極に、Alを巻き付けたフィラメントを取り付けた。つぎに、チャンバ内を減圧し、真空度1〜3×10?5Paの範囲にて、蒸着速度5〜7Å/秒、陰極となるアルミニウムを蒸着させた。蒸着終了後、チャンバ内を大気圧に戻し、基板を取り出した。以上のようにして、ガラス基板上に、ITO/ポリイミド/Alの構造を有するメモリ素子が作製された。
作製したメモリ素子に陽極層と陰極層の間に電圧を印加・掃引すると、所定の閾値電圧において電気伝導率が急激に変化した。挙動は繰り返し安定に観測された。状態保持力テストでは、ONおよびOFF状態を数百回以上安定に保持した。
上記の方法で表面粗さが増加しレドックス活性となったポリイミド膜表面のSEM像を図5に示す。
表面粗さのパラメータは、ラフネスファクターがRMS値で10μm以上のとき、有効なレドックス活性層として働いた。
Claims (10)
- 表面粗さがRMS値で10μm以上のポリイミドからなることを特徴とする電気化学素子用膜。
- 前記ポリイミドが、ポリアミド酸を脱水環化させてなるものであることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子用膜。
- 前記ポリイミドが、ポリアミド酸に導電付与剤を分散させた後に前記ポリアミド酸を脱水環化させてなるものであることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子用膜。
- 前記ポリイミドが、ポリアミド酸に導電付与剤を分散させて膜を形成した後に前記ポリアミド酸を脱水環化させてなるものであることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子用膜。
- 前記導電付与剤が、カーボンブラック、カーボンファイバー、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレンのいずれかであることを特徴とする請求項3又は4に記載の電気化学素子用膜。
- 前記ポリアミド酸が、テトラカルボン酸二無水物とジアミンの開環重付加により得られたものであることを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記載の電気化学素子用膜。
- 前記テトラカルボン酸二無水物が、4,4’−オキシジフタル酸無水物、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物のいずれかであることを特徴とする請求項6に記載の電気化学素子用膜。
- 前記ジアミンが、1,4−フェニレンジアミン、1,3−フェニレンジアミン、4,4’−オキシジアニリン、4,4’−メチレンジアニリン、エチレンジアミン、プロピレンジアミンのいずれかであることを特徴とする請求項6に記載の電気化学素子用膜。
- 電子伝導性を有する集電体と、前記集電体の少なくとも片面に密着したポリイミドとからなり、前記ポリイミドが請求項1〜8のいずれかに記載の電気化学素子用膜であることを特徴とする電気化学素子用電極。
- 負極電極が請求項9に記載の電気化学素子用電極であることを特徴とする電池。
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WO2009113585A1 (ja) | 2009-09-17 |
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