JP5859313B2 - 延性ポリマーバインダー及び該バインダーを使用する電池構成成分 - Google Patents
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Description
本出願は、米国仮特許出願第61/151,739号(2009年2月11日出願)の利益を主張し、これは、本明細書により、すべての目的のためにその全体が参照によって組み込まれる。
[1] i. エチレンオキシドの第1モノマー、及び
ii. 前記エチレンオキシドの第1モノマーとは異なるアルキレンオキシド、アルキルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル又はそれらの組合せから選択される少なくとも1つのさらなるモノマー
を含むエチレンオキシド含有コポリマーであって、
前記エチレンオキシド含有コポリマーは重量平均分子量が約200,000g/モル未満であり、
前記エチレンオキシド含有コポリマーは前記エチレンオキシドの第1モノマーのモル分率(X EO )が約0.80〜約0.995であり、且つ、
前記エチレンオキシド含有コポリマーは、約0.80〜約0.995の範囲における選択されたX EO についてのピーク融解温度(T p 、℃の単位)が、T pmax =(60−150(1−X EO ))の等式を使用して計算される、選択されたX EO におけるT pmax の最大値よりも低い、エチレンオキシド含有コポリマー
を含み、電池電極用のバインダー材として有用である、組成物。
[2] 前記エチレンオキシド含有コポリマーが、アルキルアルミニウム触媒を使用して調製される、[1]に記載の組成物。
[3] 前記エチレンオキシド含有コポリマーがランダムコポリマーであり、且つ、前記さらなるモノマーがプロピレンオキシドを含む、[1]又は[2]に記載の組成物。
[4] 前記エチレンオキシド含有コポリマーが、カルシウムを本質的に含まない触媒を使用する合成から得られる反応生成物である、[1]から[3]のいずれかに記載の組成物。
[5] 前記エチレンオキシド含有コポリマーが、
i) 約−30℃未満のガラス転移温度、
ii) 約40重量パーセント未満の結晶化度、又は
iii)(i)及び(ii)の両方
を有する、[1]から[4]のいずれかに記載の組成物。
[6] 前記エチレンオキシド含有ポリマーが、約0.88を超えるエチレンオキシドのモル分率(X EO )を有する、[1]から[5]のいずれかに記載の組成物。
[7] 前記コポリマーが、約0.75を超えるブロック性指数を有する、[1]から[6]のいずれかに記載の組成物。
[8] 複数の電気活性粒子を含み、前記エチレンオキシド含有コポリマーが前記電気活性粒子と接触している、[1]から[7]のいずれかに記載される組成物を含む複合材電極。
[9] 前記電気活性粒子が約10nm〜約20μmの平均直径を有し、且つ、前記電気活性粒子の濃度が前記複合材電極の総重量に基づいて約20重量パーセント〜約95重量パーセントである、[8]に記載の複合材電極。
[10] i) 前記複合材電極の応力対ひずみ曲線が、ASTM D882−97に従って、D638−03IVのサンプルタイプを使用して測定されるような約0パーセントのひずみ〜約2パーセントのひずみの間においてピーク又は変曲点を有しない;
ii) 前記複合材電極が、ASTM D882−97に従って試験されるとき、約8パーセントを超える破損時引張りひずみを有する;又は
iii)(i)及び(ii)の両方である、
[8]又は[9]に記載の複合材電極。
[11] 前記金属塩が、1つ又はそれ以上のアルカリ金属塩、1つ又はそれ以上のアルカリ土類金属塩或いはそれらの任意の組合せを含む、[8]から[10]のいずれかに記載の複合材電極。
[12] リチウムトリフルオロメタンスルホナート(すなわち、リチウムトリフラート又はLiCF 3 SO 3 )、ヘキサフルオロリン酸リチウム(すなわち、LiPF 6 )、ヘキサフルオロヒ酸リチウム(すなわち、LiAsF 6 )、リチウムイミド(すなわち、Li(CF 3 SO 2 ) 2 N)、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホナート)カーバイド(すなわち、Li(CF 3 SO 2 ) 3 C)、テトラフルオロホウ酸リチウム(すなわち、LiBF 4 )、LiBF、LiBr、LiC 6 H 5 SO 3 、LiCH 3 SO 3 、LiSbF 6 、LiSCN、LiNbF 6 、過塩素酸リチウム(すなわち、LiClO 4 )、リチウムアルミニウムクロリド(すなわち、LiAlCl 4 )、LiB(CF 3 ) 4 、LiBF(CF 3 ) 3 、LiBF 2 (CF 3 ) 2 、LiBF 3 (CF 3 )、LiB(C 2 F 5 ) 4 、LiBF(C 2 F 5 ) 3 、LiBF 2 (C 2 F 5 ) 2 、LiBF 3 (C 2 F 5 )、LiB(CF 3 SO 2 ) 4 、LiBF(CF 3 SO 2 ) 3 、LiBF 2 (CF 3 SO 2 ) 2 、LiBF 3 (CF 3 SO 2 )、LiB(C 2 F 5 SO 2 ) 4 、LiBF(C 2 F 5 SO 2 ) 3 、LiBF 2 (C 2 F 5 SO 2 ) 2 、LiBF 3 (C 2 F 5 SO 2 )、LiC 4 F 9 SO 3 、リチウムトリフルオロメタンスルホニルアミド(すなわち、LiTFSA)又はそれらの任意の組合せからなる群より選択されるリチウム塩を含む、[8]から[11]のいずれかに記載の複合材電極。
[13] 炭酸塩溶媒をさらに含む、[8]から[12]のいずれかに記載の複合材電極。
[14] [1]から[7]のいずれかに記載される組成物を使用して調製される、金属塩又は溶媒又は両方を含む固体ポリマー電解質。
[15] [8]から[13]のいずれかに記載される複合材電極を使用して調製される二次電池。
[16] [1]から[7]のいずれかに記載される前記エチレンオキシド含有コポリマーを重合するための方法であって、前記EOの第1モノマー及び前記少なくとも1つのさらなるモノマーを、の前記モノマーを反応させて前記コポリマーを重合するために前記コポリマーの融解温度よりも少なくとも約5℃低い温度で、炭化水素希釈剤の存在下で活性化アルキルアルミニウム触媒と接触させることを含む、方法。
[17] 前記アルキルアルミニウム触媒をルイス塩基開始剤と接触させて、前記活性化アルキルアルミニウム触媒を形成することによって、前記アルキルアルミニウム触媒を活性化する工程をさらに含む、[16]に記載の方法。
[18] 活性プロトンを有する化合物を加えることによって前記触媒を反応停止させる工程をさらに含む、[16]又は[17]に記載の方法。
[19] 前記温度が約10℃〜約45℃である、[16]から[18]のいずれかに記載の方法。
[20] 前記アルキルアルミニウム触媒が、トリイソブチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリ−n−ヘキシルアルミニウム又はそれらの任意の組合せからなる群より選択されるアルキルアルミニウム触媒を含む、[16]から[19]のいずれかに記載の方法。
[21] 前記トリアルキルアルミニウム触媒が、エチレンオキシド1モルあたり約1mmol〜30mmolの濃度で存在するトリイソブチルアルミニウムである、[16]から[20]のいずれかに記載の方法。
本明細書中に開示されるバインダー材のコポリマーは好ましくは、電池(例えば、二次電池など)の電極(例えば、アノード又はカソード又は両方)において使用される。例えば、エチレンオキシド含有ポリマーなどのバインダー材は好ましくは、電気活性粒子(EAP)と混合されて、バインダーに由来するポリマーマトリックスにEAPが分散されている複合材電極を形成する。第2の例として、バインダー相を複合材電極における使用のためにグラファイト又は他の好適なインターカレーション物質と混合することができる。1つの実施形態において、そのような複合材は2つ以上の異なる相を含むことができる。そのような複合材は、2つの異なる相を有する二元系であってもよい。3つ以上の相を有する三元系又は他の系もまた可能である。
エチレンオキシド含有コポリマーは、少なくとも1つの第1モノマー及び少なくとも1つのさらなるモノマー(例えば、少なくとも1つの第2モノマー)のコポリマーであり得る。少なくとも1つの第1モノマーは好ましくは、エチレンオキシド又はその誘導体である。第2モノマーのための好適なモノマーには、エチレンオキシド以外のアルキレンオキシド(例えば、少なくとも3個の炭素原子を有するアルキレンオキシド、例えば、プロピレンオキシド及びブチレンオキシドなど)、アリルグリシジルエーテル、アルキルグリシジルエーテル(例えば、メチルグリシジルエーテル)、又は、それらの任意の組合せが含まれる。好ましくは、第2のモノマーには、アルキレンオキシド、アリルグリシジルエーテル又はアルキルグリシジルエーテル、或いは、それらの混合物が含まれる。より好ましくは、第2のモノマーには、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、メチルグリシジルエーテル又はそれらの任意の組合せが含まれる。より好ましくは、少なくとも1つの第2のモノマーはプロピレンオキシドを含むことができ、又は、プロピレンオキシドから本質的になることができ、又は、プロピレンオキシドからなることもできる。アルキレンオキシド、アルキルグリシジルエーテル又はアリルグリシジルエーテル、或いは、それらの任意の組合せ(例えば、エチレンオキシド及びプロピレンオキシド)からなる群より選択されるモノマーの総濃度は、好ましくは、エチレンオキシド含有コポリマーの総重量に基づいて約96重量パーセント以上であり、より好ましくは約98重量パーセント以上であり、一層より好ましくは約99重量パーセント以上であり、最も好ましくは約100重量パーセントである。
BI=(f(EO−AO)+f(AO−EO))/(2XEO(1−XEO))
定義により、統計学的ランダムコポリマーはブロック性指数(BI)が1.0である。ブロック状ランダムコポリマーはより低い濃度のEO−AOジアド画分及びAO−EOジアド画分を有することになり、BIが1.0よりも小さくなる。ブロックコポリマーは非常に低い濃度のEO−AOジアド画分及びAO−EOジアド画分を有することになり、BIが1よりもはるかに小さくなり、ゼロに近づく。一方、XEOが0.5以上である交互コポリマーは、BI=1+(1/XEO)を有する。ジアド画分の濃度及びXEOは、Yi−Jun Huange他によって、「二重金属シアニド錯体触媒によって調製されるプロピレンオキシド及びエチレンオキシドのランダムコポリマー」、Chinese Journal of Polymer Science、20:5、2002、453頁〜459頁(これはその全体が参照によって本明細書中に組み込まれる)に記載されるピークの割当及び技法を使用して、13C−NMR分光法を使用して測定することができる。
理論によってとらわれることを意図しないが、いくつかの本明細書中の予想外の利点が、合成を本発明の教示に限定する意図は全くないが、特に好ましい合成プロセスの結果として得られる。より具体的には、本発明によるエチレンオキシド含有コポリマーは、少なくとも1つの不均一触媒又は均一触媒又はそれらの組合せを使用する合成反応によって調製することができるにもかかわらず、1つの特に好ましい取り組みでは、少なくとも1つの均一触媒を使用して合成することを含む。好ましくは、エチレンオキシド含有コポリマーが、不均一触媒を用いることなく、少なくとも1つだけの均一触媒を使用して合成される。均一触媒は、金属含有触媒、例えば、アルミニウム触媒などであり得る。例示的なアルミニウム触媒には、限定されないが、1つ又はそれ以上のアルミニウム含有化合物、例えば、アルキルアルミニウム触媒など、具体的には、1つ又はそれ以上のトリアルキルアルミニウム化合物が含まれる。特に好ましい触媒がトリイソブチルアルミニウムである。トリアルキルアルミニウム触媒は1モルのエチレンオキシドあたり約1mmol〜30mmolのモル比で存在させることができ、好ましくは、1モルのエチレンオキシドあたり約2mmol〜20mmolのモル比で存在させることができ、より好ましくは、1モルのエチレンオキシドあたり約3mmol〜約8mmolのモル比で存在させることができる。
本発明ではまた、本明細書中に開示されるエチレンオキシド含有コポリマーを含むバインダー材(すなわち、バインダー相)を作製することが意図される。コポリマーに加えて、バインダー材はさらに、金属塩(例えば、リチウム塩)又は溶媒又は両方を含むことができる。バインダー材は最も好ましくは、固体ポリマー電解質である。バインダー材は架橋されてもよく、又は、架橋がなくてもよい。バインダー材は好ましくは、何らかの架橋を実質的に有していないか、又は、低い架橋密度を有する。バインダー材のポリマーが架橋を有する場合、架橋密度は、1gのポリマーあたりの架橋のマイクロモル数の単位で、好ましくは約500μモル/g以下であり、より好ましくは約100μモル/g以下又は一層より好ましくは約20μモル/g以下であり、最も好ましくは約10μモル/g以下である。バインダー材のポリマーは、例えば、約0.2重量パーセントの濃度で、水に可溶性であり得る。バインダー材は、粒子を含有することができるマトリックスを形成するための十分な量のポリマーを含むことができる。バインダー材のポリマーは一般に、バインダー材の総重量に基づいて約10重量パーセントを超える濃度で含まれ、好ましくは約20重量パーセントを超える濃度で含まれ、より好ましくは約30重量パーセントを超える濃度で含まれ、最も好ましくは約40重量パーセントを超える濃度で含まれる。バインダー材は、バインダー材のポリマーから実質的になることができ(例えば、バインダー材の総重量に基づいて約95パーセントを超える濃度又は約98重量パーセントを超える濃度)、又は、本質的に全体がバインダー材のポリマーからなることさえできる。バインダー材のポリマーをバインダー材の総重量に基づいて90重量パーセント未満の濃度で存在させることができ、好ましくは約85重量パーセント未満の濃度で存在させることができ、より好ましくは約80重量パーセント未満の濃度で存在させることができる。
電気活性粒子は、複合材電極が形成され得るように任意のサイズ又は形状であり得る。電気活性粒子は好ましくは、粒子サイズ(例えば、メジアン直径、平均直径、メジアン長さ、平均長さ、最大粒子直径、最大粒子長さ又はそれらの任意の組合せ)が約100μm以下であり、より好ましくは約10μm以下であり、一層より好ましくは約3μm以下であり、最も好ましくは約1μm以下である。電気活性粒子は好ましくは、粒子サイズ(例えば、メジアン直径、平均直径、メジアン長さ、平均長さ、最大粒子直径、最大粒子長さ又はそれらの任意の組合せ)が約0.01μm以上であり、より好ましくは約0.05μm以上である。
本発明の複合材電極は、驚くほど大きい強度及び耐久性を有しており、このことが、本発明の複合材電極を、EAPと、バインダー材との間における界面強度の喪失を伴うことなく、電気的サイクリングから誘導される機械的応力を受ける二次電池において使用されるために満足できるものにしている。例えば、複合材電極は、破断時延びが約6パーセントを超え、好ましくは約8パーセントを超え、より好ましくは約10パーセントを超え、一層より好ましくは約12パーセントを超え、最も好ましくは約14パーセントを超えるような、(ASTM D638−03IVのサンプルタイプを使用して、ASTM D882−97に従って測定されるような)引張り特性を有することができる。そのような複合材電極は、EAPと、バインダー材との間における界面接触を維持することができる。例として、EAPの10パーセント未満が、好ましくは、EAPの約5パーセント未満が、又は、それどころか、EAPの1パーセント未満が、ASTM D638−03IVのサンプルタイプを使用して、ASTM D882−97に従って試験されるサンプルでの走査型電子顕微鏡観察を使用して観察されるような約2パーセントのひずみの後で、又は、約10パーセントのひずみの後でさえ、バインダー材から抜け出る。応力−ひずみ曲線は、約1.5パーセント未満のすべてのひずみで、好ましくは約2パーセント未満のすべてのひずみで、最も好ましくは約3パーセント未満のすべてのひずみでキンクを有しないことがある(例えば、変曲点を有しないこと及び極大値を有しないことがある)。
本発明のエチレンオキシド含有コポリマーを使用して調製されるバインダー組成物は、エチレンオキシド含有コポリマーがエチレンオキシドホモポリマーで置き換えられる同様に調製されたバインダー組成物のイオン伝導率を超える(例えば、約60℃の温度での)イオン伝導率を有することができる。電気伝導率(例えば、イオン伝導率)は、下記の「試験方法」の節で記載されるようなACインピーダンス分光法を使用して測定することができる。理論によってとらわれることはないが、増大したイオン伝導率は、ランダムコポリマーのより低い融解温度の結果であると考えられる。金属塩(例えば、約2〜約30(好ましくは約4〜約20)のO:M比又はO:Li比で存在する金属塩又はリチウム塩)と、本明細書中に記載されるエチレンオキシド含有コポリマーとを含むバインダー組成物は好ましくは、エチレンオキシド含有コポリマーがエチレンオキシドホモポリマーで置き換えられる同様に調製されたバインダー組成物の電気伝導率の少なくとも2倍(好ましくは少なくとも3倍、より好ましくは少なくとも4倍、最も好ましくは少なくとも5倍)である、60℃で測定される電気伝導率(例えば、イオン伝導率)を有する。
融解温度(すなわち、ピーク融解温度Tp)、最終融解温度(Tf)及び融解熱(Hf)を、示差走査熱量測定法を使用して測定することができる。示差走査熱量測定法(DSC)が、TA Instruments DSC2920で、ヘリウムの流れのもと、密封されたパン中に1mg〜3mgのポリマーを使用して行われる。サンプルは−120℃に冷却され、その後、10℃/分の速度で120℃に加熱され、続いて、−120℃への再冷却及び120℃への再加熱がともに10℃/分の速度で行われる。ピーク融解温度、融解温度及び融解熱が、2回目の加熱のときに測定される。結晶化度Xcは、Hfを、100パーセントの結晶化度を有するポリマー(すなわち、ポリエチレンオキシドホモポリマー)についての理論的融解熱(Ht)の熱によって除算し、100パーセントを乗算することによって計算される:
Xc=100パーセント×(Hf/Ht)
式中、Ht=188J/gであり、且つ、完全な結晶についての理論的Tfが、ポリエチレンオキシドホモポリマーについては66℃である(例えば、F. Rodriguez、Principles of Polymer Science、第2版(Hemisphere Publishing Co.、1982年、54頁)を参照のこと)。
BI=(f(YZ)+f(ZY))/(2xYxZ)
式中、f(YZ)+f(ZY)はYZジアド分画及びZYジアド分画の和であり、xY及びxZはそれぞれ、モノマーY及びモノマーZのモル分率である。交互型ポリマーは、BI=1/(1−xZ)(式中、Zは微量モノマーである(すなわち、xZ≦0.5))を有し、また、xY=xZ=0.5の特別な場合については、BIが2である。完全なブロックコポリマー(例えば、ジブロックコポリマー)については、BIが約0である。
パーセントPO=100パーセント(Iメチル/3)/((Iメチル/3)+(I骨格/4)−(Iメチル/4))
例えば、I骨格=400及びIメチル=31.36である場合、パーセントPO=10.18モルパーセントである。
エチレンオキシド含有コポリマーの分子量(数平均分子量及び重量平均分子量を含む)及び多分散性指数を、Polymer Liquids PL Aquagel−OH(15μm)のカラムを使用してゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によって測定することができる。移動相が約0.05パーセントのNaN3の水溶液であり、約0.8mL/分の流速が使用される。注入サイズが約200μLである。Waters590HPLCイソクラチックポンプ及びWaters717Plusオートサンプラーが使用される。測定システムは、Wyatt Technology Dawn DSPレーザー光度計及びWaters2410屈折率検出器を含む二重検出システムである。結果が、WTC−Astra4.72ソフトウエアを使用して分析され、解釈される。
ポリマーバインダー組成物の伝導率を、約10mVの交流(AC)振幅を使用して、SolartronでACインピーダンス分光法を使用して測定することができる。ACインピーダンス分光法による方法の詳細が、Handbook of Batteries、第3版(編者:David Linden及びThomas Reddy、McGraw-Hill、2001年、New York、NY、2.26頁〜2.29頁)に見出される(これは参照によって本明細書中に組み込まれる)。
ポリマー及びポリマー電解質組成物の剪断弾性率、損失弾性率及びtanδを、動的機械的分析を(例えば、ASTM D5279−08に従って)使用して測定することができる。別途具体的に述べられない限り、剪断弾性率は、約30℃の温度、及び、典型的には約0.04パーセントのひずみでの約1ラジアン/秒の振動剪断振動数において測定される。
実施例EP−1は、スラリー重合プロセスを使用して調製されるエチレンオキシド含有ランダムコポリマーである。スチール製攪拌機を有する圧力定格リアクターを窒素により約75℃で約4時間パージする。リアクターを約32℃に冷却し、これに、約420gの乾燥イソペンタン、60gのヘキサンにおける約3.0gのCabot SpectrAL 51アルミナ、約1.7gのプロピレンオキシドを投入する。その後、ヘキサンにおけるトリイソブチルアルミニウムの1モル/L溶液の約6.6mLを、シリンジを使用してリアクターに注入する。次に、0.22gのトリエチルアミンを加える。アルミニウム対窒素原子のモル比(Al:N)が約3である。その後、エチレンオキシド及びプロピレンオキシドをそれぞれ約26.4g/h及び約2.6g/hの速度で供給する。約32℃の反応温度及び約7psi〜約10psiの反応圧力を維持する。約100gのエチレンオキシドを供給した後、反応を、シリンジを使用して約1.6gの2−プロパノールを加え、反応液を約0.5時間撹拌し続けることによって停止させる。その後、混合物を室温(約23℃)に冷却し、内容物を取り出し、ろ過し、ヘキサンにより洗浄し、室温において真空オーブン中で一晩乾燥する。ポリマーを約1000gの2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール(BHT)により安定化させる。ポリマーは白色の粉末であり、収量が約79.6gである。ポリマーの0.2重量パーセント水溶液の換算粘度が、毛細管レオメーターを使用して測定された場合、約0.50である。分子量分布が、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)を使用して測定される。重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)がそれぞれ、約76,000及び72,000であり、多分散性指数が約1.06である。ポリマーの融解温度が、ポリマーを100℃に加熱し、10℃/分で−30℃に冷却し、その後、10℃/分で100℃に再加熱することによって示差走査熱量測定法を使用して1ミリグラム〜3ミリグラムのサンプルで求められる。2回目の加熱で測定される融解温度が約46.4℃である。エチレンオキシド濃度及びプロピレンオキシド濃度並びに配列分布が、NMR技術を使用して測定される。ポリマーにおけるプロピレンオキシド濃度が約4.5モルパーセントである。実施例EP−1のための反応条件が表1に示され、特性が表2に示される。
実施例EP−2は、20gのヘキサンにおける1gのDegussa酸化アルミニウムCが、EP−1で使用されたCabot SpectrAL 51アルミナの代わりに添加されることを除いて、実施例EP−1と同じ様式で調製される。実施例EP−2のための反応条件が表1に示され、特性が表2に示される。
実施例EP−3は、トリエチルアミンが約0.11gに減らされ、且つ、プロピレンオキシドの予備投入が約3.3gに増大されることを除いて、実施例EP−1と同じ様式で調製される。実施例EP−3のための反応条件が表1に示され、特性が表2に示される。
実施例EP−4は、Degussaから入手可能な、ポリジメチルシロキサンで処理されたAEROSIL(登録商標)R202フュームドシリカの約3gが使用され、且つ、エチレンオキシド及びプロピレンオキシドの供給速度がそれぞれ約19.8g/h及び約2.3g/hに減らされることを除いて、実施例EP−3と同じ様式で調製される。このフュームドシリカはBET表面積が約80m2/g〜約120m2/gであり、pHが約4.0〜約6.0であり、炭素濃度が約3.5重量パーセント〜約5.0重量パーセントである。EP−4のための反応条件が表1に示され、特性が表2に示される。
実施例EP−5は、反応温度が約38.5℃に上げられることを除いて、実施例EP−1と同じ様式で調製される。反応が、リアクターの壁及び底部における大量のファウリングのために、約70.1gのエチレンオキシド及び約6.5gのプロピレンオキシドを投入した後、早くに(約2.5時間後に)停止される。顆粒状又は粉末状の生成物が回収されない。生成物はワックス様物質であり、リアクター壁、リアクター底部及び攪拌機におけるどろっとした層として形成される。この層は容易に剥がすことができる。実施例EP−5のための反応条件が表1に示され、特性が表2に示される。
実施例EP−6は、反応温度が約38.5℃に上げられ、且つ、3.3gの疎水性シリカ(Cabot Corporationから入手可能なTS−720)がアルミナの代わりに使用されることを除いて、実施例EP−1と同じ様式で調製される。EP−6のための反応条件が表1に示され、特性が表2に示される。多分散性指数(約3.5)が、EP−1、EP−2、EP−3、EP−4及びEP−5の各実施例よりもはるかに大きい。
実施例EP−7、実施例EP−8及び実施例EP−9は、カルシウム含有触媒を使用して約40℃の温度でスラリー重合によって調製される、エチレンオキシド及びプロピレンオキシドのコポリマーである。これらのコポリマーは、1,000,000ダルトンを超える重量平均分子量及び少なくとも約3の多分散性指数を有しており、0.2重量パーセントの濃度で水に不溶性である。実施例EP−7、実施例EP−8及び実施例EP−9のピーク融解温度がそれぞれ、51.3℃、51.0℃及び50.0℃である。実施例EP−7、実施例EP−8及び実施例EP−9におけるプロピレンオキシドのモル濃度がそれぞれ、12.7パーセント、14.4パーセント及び10.2パーセントである。
実施例EP−11は、分子量を増大させるため適宜変更した、実施例EP−1と同様なプロセスを使用して調製される、95.3モルパーセントのエチレンオキシド及び4.7モルパーセントのプロピレンオキシドのランダムコポリマーである。実施例EP−11は、約118,000の実施例EP−11の重量平均分子量、約1.10未満の多分散性指数、示差走査熱量測定法によって測定されるときの約−60℃のガラス転移温度、及び、動的機械的分析によって測定されるときの約−54℃のガラス転移温度、約49℃の融解温度、約47重量パーセントの結晶化度、30℃における約122MPaの剪断弾性率、約250MPaの弾性モジュラス、並びに、約114μmのクリスタリットサイズによって特徴づけられる。
実施例EP−12は、カルシウム含有触媒を使用して調製される、約90モルパーセントのエチレンオキシド及び約10モルパーセントのプロピレンオキシドのランダムコポリマーである。実施例EP−12はその後、分子量を低下させるために照射される。実施例EP−12は、約84,100の重量平均分子量及び約26,400ダルトンの数平均分子量、約3.18の多分散性指数、示差走査熱量測定法によって測定されるときの約−65℃のガラス転移温度、及び、動的機械的分析によって測定されるときの約−57℃のガラス転移温度、約47℃の融解温度、約24重量パーセントの結晶化度、30℃における約16MPaの剪断弾性率、約22MPaの弾性モジュラス、並びに、約344μmのクリスタリットサイズによって特徴づけられる。
実施例EP−13は、トリイソブチルアルミニウム触媒及びシリカを使用して調製される、約92モルパーセントのエチレンオキシド及び約8モルパーセントのプロピレンオキシドのランダムコポリマーである。シリカは、Cabot Corporationから入手可能なCab−o−Sil(登録商標)TS−720である。実施例EP−13は、約114,610ダルトンの重量平均分子量及び約18,530ダルトンの数平均分子量、約6.19の多分散性指数、示差走査熱量測定法によって測定されるときの約−64℃のガラス転移温度、及び、動的機械的分析によって測定されるときの約−55℃のガラス転移温度、約50℃の融解温度、約47重量パーセントの結晶化度、30℃における約55MPaの剪断弾性率、約180MPaの弾性モジュラス、並びに、約220μmのクリスタリットサイズによって特徴づけられる。
カソード複合材1(CC−1)
カソード複合材1(CC−1)が、実施例EP−11のランダムコポリマーからなるバインダー材を、約30重量パーセントのバインダー及び70重量パーセントのLiCoO2粒子の比率でLiCoO2粒子(LICO Technology Corporationから入手可能なL056)と混合することによって調製される。これらの材料が90℃においてHaakeミキサーで混合される。CC−1の引張り特性が、D638−03IVのサンプルタイプを使用して、ASTM D882−97に従って測定される。引張り応力(MPa)対引張りひずみ(パーセント)が図1Aに示され、0パーセントのひずみから1.5パーセントのひずみまでのこの曲線の領域が図1Bに示される。図1Aは、CC−1の破断時引張りひずみが約12パーセント超(例えば、約15パーセント)であることを示す。図1A及び図1Bは、CC−1が約3パーセントのもとでのひずみ(例えば、約1.5パーセントのもとでのひずみ)で降伏しないことを示す。CC−1は延性様式で変形する。図2は、延性破壊を示す、CC−1の引張り破断表面の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真である。EP−11ランダムコポリマーマトリックスからの粒子プルアウトの証拠が図2では全く認められない。
カソード複合材2(CC−2)が、ランダムコポリマーがポリ(ビニリデンフルオリド)(すなわち、PVDF)ポリマー(Atofinaから入手可能なKynar(登録商標)PowerFlex(版権))で置き換えられることを除いて、CC−1と同様に調製される。CC−2が約180℃の温度においてHaakeミキサーで混合される。CC−2の引張り特性が、D638−03IVのサンプルタイプを使用して、ASTM D882−97に従って測定される。引張り応力(MPa)対引張りひずみ(パーセント)が図3に示される。図3は、CC−2が非常に脆く、約5パーセント未満(例えば、約2パーセント)の破断時引張りひずみを有することを例示する。図3は、CC−2が、約2パーセントのもとでのひずみ(例えば、約1パーセントのもとでのひずみ)で、応力ひずみ曲線における「キンク」(例えば、変曲点)を有することを例示する。CC−2の走査型電子顕微鏡観察は、約0.5パーセントのひずみでの応力−ひずみ曲線におけるキンクがバインダーマトリックス相からの粒子のプルアウトに対応することを示している。CC−2は良好な機械的一体性を有していない。図4は、PVDFマトリックスからの粒子プルアウトを示す、CC−2の引張り破断表面の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真である。
CC−3は、CC−1と同じプロセス及び同じ濃度のLiCoO2を使用して、EP−12を使用して調製される。この複合材料は、約58MPaの弾性モジュラス及び約8パーセントの破断時ひずみによって特徴づけられる。
リチウム塩を含むバインダー組成物が、ポリマー及び塩を溶融混合することによって調製される。比較用のバインダーサンプル1(CBS−1)は、約100,000Daの重量平均分子量を有するエチレンオキシドホモポリマーを、リチウム(塩由来)に対する酸素(ホモポリマー由来)のモル比が約12であるリチウムトリフラートと混合することによって調製される。約30℃から約100℃までの伝導率が、上記において「試験方法」の節で記載されるようにACインピーダンス分光法を使用して測定される。温度の関数としてのCBS1のイオン伝導率が図5に示される。
Claims (2)
- エチレンオキシド含有コポリマーを重合するための方法であって、エチレンオキシドの
第1モノマー及び少なくとも1つのさらなるモノマーを、前記モノマーを反応させて前記
コポリマーを重合するために前記コポリマーの融解温度よりも少なくとも8℃低い反応温
度で、炭化水素希釈剤の存在下でアルキルアルミニウム触媒と接触させる工程、
前記アルキルアルミニウム触媒をルイス塩基開始剤と接触させて前記アルキルアルミニ
ウム触媒を活性化させて、前記活性化アルキルアルミニウム触媒を形成する工程、および
活性プロトンを有する化合物を添加することによって前記触媒を急冷する工程
を含み、
前記少なくとも1つのさらなるモノマーが前記エチレンオキシドの第1モノマーとは異
なるアルキレンオキシド、アルキルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル又は
それらの組合せであり、前記重合方法が疎水性シリカの非存在下で行われる、方法。 - 請求項1に記載の方法であって、前記エチレンオキシド含有コポリマーは、以下:
100,000g/モル未満の重量平均分子量を有し、
多分散性指数Mw/Mnが1.3未満であるランダムコポリマーであり、
前記エチレンオキシドの第1モノマーのモル分率(XEO)が0.80〜0.995で
ある、方法。
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