WO1988003331A1 - Nouveau materiau a conduction ionique constitue par un sel en solution dans un electrolyte liquide - Google Patents

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Michel Armand
Michel Gauthier
Daniel Muller
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs
Hydro-Quebec
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    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Definitions

  • the present invention relates to a new ion-conducting material which can be used in particular as a liquid electrolyte for producing electrochemical current generators, both primary and secondary.
  • the ionically conductive material consists of a salt dissolved in a liquid solvent, said salt being represented by one of the following formulas:
  • - M is an alkali, alkaline-earth metal, a transition metal or a rare earth
  • R'F which are identical or different, each represent a perhalogen radical, preferably perfluorinated, having from 1 to 12 carbon atoms,
  • - QF is a divalent perfluorinated radical having from 2 to 6 carbon atoms.
  • QF is C 2 F 4 or C 3 F 6
  • the radicals RF and R'F are identical and represent CF 3 .
  • the above salts are dissolved in a polar aprotic liquid solvent, chosen from
  • linear ethers such as diethyl ether, dimethoxyethane or cyclic ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, dimethyltetrahydrofuran, esthers such as methyl or ethyl formate, propylene or ethylene carbonate, butyrolactones,
  • - nitriles acetonitriles, benzonitriles, nitrates such as nitromethane or nitrobenzene, amides such as dimethylformamide, diethylformamide and N-methylpyrolidone, sulfones such as dimethylsulfone, tetramethylene sulfone and other sulfolanes.
  • these salts have, surprisingly, a high solubility in these different types of solvents, this solubility being greater than that of the salts used in liquid electrochemistry, for example perchlorates.
  • the thermal, chemical and electrochemical stability of the solutions thus produced is remarkable.
  • the reduction of the corresponding anion is not observed before the deposition of the metal and the oxidation occurs at an electrochemical potential greater than 4 volts compared to a lithium electrode.
  • An electrochemical generator of the lithium / TiS 2 type was formed using as negative electrode a thin sheet of lithium 200 microns thick, as positive electrode a porous electrode formed by pressing a powder of TiS 2 , with a particle size close to 10 microns, PTFE latex and carbon black in the following proportions: TiS 2 powder: 80% by weight
  • Pressing is carried out on a deployed nickel collector 50 microns thick and the electrode thus assembled to a thickness of 200 microns.
  • the electrolyte consists of a 2M solution of Li (CF 3 SO 2 ) 2 N in propylene carbonate impregnating a microporous fiberglass separator.
  • the same generator was produced, but the lithium salt was in solution in a 1M solution of tetrahydrofuran (THF).
  • Negative electrode constituted by a lithium strip, positive electrode constituted by molybdenum sulphide, MoS 2 sintered on an aluminum collector and having a total thickness of 100 microns.
  • the electrolyte consists of a 1M solution of Li (CF 3 SO 2 ) N in a mixture of propylene carbonate (40% by volume) and ethylene carbonate (60% by volume).
  • Example 4 Same as Example 2 but the solvent is a mixture of 40% propylene carbonate and 60% dimethoxyethane.
  • Example 3 A generator identical to that of Example 3 was produced, but the material of the positive electrode is a fluorinated polycarbon of formula CFx as described and claimed in European patent application No. 0157818.
  • Example 5 The generator is identical to that of Example 3 but the salt in solution is a cyclic salt of formula:
  • a generator was cycled at room temperature in which the positive electrode consists of a manganese oxide MnO 2 and the electrolyte is a solution of Li (CF 3 SO 2 ) 2 N 1M. in a mixture of dimethoxyethane (50% by volume) and sulfolane.
  • a cation radical of peryiene is prepared in an electrochemical cell containing as support electrolyte a 1M solution of Li (CF 3 SO 2 ) 2 N in a nitromethane, by anodic oxidation on platinum at a voltage of 1.5 volts relative to a silver electrode.
  • These crystals are semiconductor and have better stability than when using lithium perchlorate as the salt in solution in the support electrolyte.
  • a poly (pyrrole) is prepared by oxidation of the monomer in a 0.1M solution of Li (C 4 F 9 SO 2 ) 2 N in acetonitrile. We thus obtain an anodic film which is very good conductor (100 ohm -1 cm -1 ) and stable in air and humidity.
  • a poly (pyrrole) is prepared, as in Example 8, using a 0.1M solution of
  • a film is obtained having a conductivity of the order of 500 ohm -1 cm -1 .
  • a poly (aniline) is prepared by anodic oxidation of the monomer in a 1M solution of Na [CF 3 SO 2 ] N in CH 3 NO 2 .
  • a film with a conductivity greater than 100 ohm -1 cm -1 is obtained.
  • This example relates to the use of the new materials according to the invention for doping polymers, such as poly (acetylene).
  • a poly (acetylene) film is electrochemically doped in a solution of K [CF 3 SO 2 ] N in nitromethane, the film obtained is stable in air with a conductivity of the order of 1000 ohm -1 cm -1

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Abstract

Nouveau matériau à conduction ionique constitué par un sel en solution dans un solvant liquide. Le sel est représenté par une des formules suivantes: M[RF-SO2-N-SO2-R'F]; M[RF-SO2-N-CO-R'F]; M[RF-CO-N-CO-R'F] ou encore la formule (IV). Application à l'électrochimie.

Description

NOUVEAU MATERIAU A CONDUCTION IONIQUE CONSTITUE PAR UN SEL EN SOLUTION DANS UN ELECTROLYTE LIQUIDE
La présente invention concerne un nouveau matériau à conduction ionique utilisable notamment comme électrolyte liquide pour la réalisation de générateurs électrochimiques de courant, tant primaires que secondaires.
Il a été décrit et revendiqué dans le brevet US nº 4.505.997 des sels utilisables notamment pour réaliser des electrolytes solides et dénommés des bis-perhalogénoacyl ou sulfonyl-amidures de métaux alcalins.
Selon l'invention, le matériau à conduction ionique est constitué par un sel en solution dans un solvant liquide, ledit sel étant représenté par une des formules suivantes :
(I) M [RF-SO2-N-SO2-R'F]
(II) M [RF-SO2-N-CO-R'F]
(III) M [RF-CO-N-CO-R'F]
(IV) .
Figure imgf000003_0001
formules dans lesquelles :
- M est un métal alcalin, alcalino-terreux, un métal de transition ou une terre rare,
- RF et R'F, qui sont identiques ou différents, représentent chacun un radical perhalogène, de préférence perfluoré, ayant de 1 à 12 atomes de carbone,
- QF est un radical divalent perfluoré ayant de 2 à 6 atomes de carbone.
De préférence, QF est C2F4 ou C3F6, et pour les composés de formule (I), les radicaux RF et R'F sont identiques et représentent CF3.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les sels ci-dessus sont dissouts dans un solvant liquide aprotique polaire, choisi parmi
- les éthers linéaires tels que le diéthyléther, le diméthoxyéthane ou les éthers cycliques tels que le tétrahydrofurane, le dioxanne, le diméthyltétrahydrofurane, - les esthers tels que le formiate de méthyle ou d'éthyle, le carbonate de propylëne ou d'éthylène, les butyrolactones,
- les nitriles, acétonitriles, benzonitriles, les dérivés nitrés tels que le nitrométhane ou le nitrobenzëne, les amides tels que le dimêthylformamide, le diéthylformamide et la N-méthylpyrolidone, les sulfones tels que la diméthylsulfone, le tétraméthylène sulfone et autres sulfolanes.
En effet, ces sels possèdent, d'une manière surprenante, une grande solubilité dans ces différents types de solvants, cette solubilité étant supérieure à celle des sels utilisés en électrochimie liquide, par exemple des perchlorates.
De plus, la stabilité thermique, chimique et électrochimique des solutions ainsi réalisées est remarquable. En particulier, la réduction de l'anion correspondant ne s'observe pas avant le dépôt du métal et l'oxydation se produit à un potentiel électrochimique supérieur à 4 Volts par rapport à une électrode de lithium.
L'intérêt de ces nouveaux electrolytes liquide peut se trouver aussi dans la possiblité qu'ils offrent de réaliser très facilement des générateurs rechargeables fonctionnant selon un nombre très élevé de cycles, supérieur à 100, voire 500.
Les exemples qui suivent sont donnés à titre illustratif de l'invention, mais ne doivent pas être considérés comme limitatifs. Exemple 1
On a constitué un générateur électrochimique du type lithium/TiS2 en utilisant comme électrode négative une feuille mince de lithium de 200 microns d'épaisseurs, comme électrode positive une électrode poreuse formée par pressage d'une poudre de TiS2, de granulométrie voisine de 10 microns, de latex de PTFE et de noir de carbone selon les proportions suivantes : poudre TiS2 : 80 % en poids
PTFE : 10 % en poids noir de carbone : 10 % en poids
Le pressage est effectué sur un collecteur de nickel déployé de 50 microns d'épaisseur et l'électrode ainsi assemblée à une épaisseur de 200 microns.
L'électrolyte est constitué par une solution 2M de Li(CF3SO2)2N dans du carbonate de propylène imprégnant un séparateur microporeux en fibre de verre.
On a pu ainsi vérifier que le générateur fonctionne reversiblement à température ambiante sur un nombre de cycles supérieur à 100.
Le même générateur a été réalisé, mais le sel de lithium était en solution dans une solution 1M de tétrahydrofurane (THF).
De la même manière, plusieurs générateurs ont été cycles avec succès et ils avaient les caractéristiques suivantes. Exemple 2
Electrode négative constituée par un feuillard de lithium, électrode positive constituée par du sulfure de molybdène, MoS2 fritte sur un collecteur d'aluminium et ayant une épaisseur totale de 100 microns. L'électrolyte est constitué par une solution 1M de Li (CF3SO2)N dans un mélange de carbonate de propylène (40 % volumique) et de carbonate d'éthylène (60 % volumique). Exemple 3
Identique à l'exemple nº 2 mais le solvant est un mélange de 40 % de carbonate de propylène et de 60 % de diméthoxyéthane. Exemple 4
On a réalisé un générateur identique à celui de l'exemple nº 3 mais le matériau de l'électrode positive est un polycarbone fluoré de formule CFx tel que décrit et revendiqué dans la demande de brevet européen nº 0157818. Exemple 5 Le générateur est identique à celui de l'exemple 3 mais le sel en solution est un sel cyclique de formule :
Figure imgf000006_0001
Le sel a été préparé selon le mode de synthèse décrit dans la demande de brevet européen nº 0057327. Exemple 6
On a fait cycler à température ambiante un générateur dans lequel l'électrode positive est constituée par un oxyde de manganèse MnO2 et l'électrolyte est une solution de Li(CF3SO2)2N 1M. dans un mélange de diméthoxyéthane (50 % en volume) et de sulfolane.
Les exemples suivants concernent l'utilisation des nouveaux matériaux à conduction ionique selon l'invention pour d'autres applications que celles des générateurs électrochimiques. Exemples 7, 8, 9, 10
Réalisation de radicaux cations organiques.
7) On prépare un radical cation du pêryiène dans une cellule êlectrochimique contenant comme électrolyte support une solution 1M de Li(CF3SO2)2N dans un nitrométhane, par oxydation anodique sur du platine à une tension de 1,5 Volts par rapport à une électrode à argent. On obtient ainsi des cristaux de pêrilène représentés par la formule
[pêrilène]2 (CF3SO2)2N
Ces cristaux sont semi-conducteurs et présentent une meilleure stabilité que lorsque l'on utilise un perchlorate de lithium comme sel en solution dans l'électrolyte support.
8) On prépare un poly (pyrrole) par oxydation du monomère dans une solution 0,1M de Li(C4F9SO2) 2N dans de l'acétonitrile. On obtient ainsi un film anodique qui est très bon conducteur (100 ohm-1 cm-1 ) et stable à l'air et à l'humidité.
9) On prépare, de même que dans l'exemple 8, un poly (pyrrole) en utilisant une solution 0,1M de
K [ CF3SO2-N-CO-CF3] dans de l'acétonitrile.
On obtient un film présentant une conductivitê de l'ordre de 500 ohm-1 cm-1 .
10) On prépare un poly (aniline) par oxydation anodique du monomère dans une solution 1M de Na[CF3SO2]N dans CH3 NO2.
On obtient un film présentant une conductivitê supérieure à 100 ohm-1 cm-1
Le même film mais réalisé dans du tiophène présente une conductivitê de l'ordre de 200 ohm-1 cm-1 Exemple 11
Cet exemple est relatif à l'utilisation des nouveaux matériaux selon l'invention pour le dopage de polymères, tels que le poly (acétylène). On dope électrochimiquement un film de poly (acétylène) dans une solution de K [CF3SO2]N dans le nitrométhane, le film obtenu est stable à l'air avec une conductivitê de l'ordre de 1000 ohm-1 cm-1
Ainsi qu'il apparaît clairement de ces exemples, l'intérêt de ces nouveaux matériaux à conduction ionique réside non seulement dans la réalisation de générateurs électrochimiques rechargeables selon un grand nombre de cycles mais aussi pour :
- la préparation de radicaux cations organiques stables tels que ceux de l'hexaméthoxydiphénylamine ou du tétrathiofulvalène ou de polyaromatiques condensés,
- le dopage de polymères à liaisons conjuguées de type polyaniline, polyacêtylène, polythiophène, polypyrrole.

Claims

REVENDICATIONS
- Nouveau matériau à conduction ionique constitué par un sel en solution dans un solvant liquide, caractérisé en ce que le sel est représenté par une des formules suivantes :
(I) M [RF-SO2-N-SO2-R'F] (Il) M [RF-SO2-N-CO-R'F] (III) M [RF-CO-N-CO-R'F]
Figure imgf000008_0001
formules dans lesquelles :
- M est un métal alcalin, alcalino-terreux, un métal de transition ou un métal rare,
RF et R'F sont identiques ou différents et représentent chacun un radical, perhalogène, de préférence perfluoré, ayant de 1 à 12 atomes de carbone,
- QF est un radical divalent perfluoré ayant de 2 à 6 atomes de carbone. - Nouveau matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que RF et R'F sont identiques et représentent CF3. - Nouveau matériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sel est en solution dans un solvant choisi parmi le groupe suivant :
- les éthers linéaires tels que le diéthylêther, le diméthoxyéthane ou les éthers cycliques tels que le tétrahydrofurane, le dioxanne, le dimêthyltétrahydrofurane, les esthers tels que le formiate de méthyle ou d'éthyle, le carbonate de propylène ou d'éthylène, les butyrolactones,
- les nitriles, acétonitriles, benzonitriles,
- les dérivés nitrés tels que le nitrométhane ou le nitrobenzène, les amides tels que le diméthylformamide, le diéthylformamide et la N-méthylpyrolidone, les sulfones tels que la diméthylsulfone, le tetramethylène sulfone et autres sulfolanes.
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