JPH11502819A - 高度に解離した金属イオン塩を含有する電解質材料 - Google Patents
高度に解離した金属イオン塩を含有する電解質材料Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、1次電池および2次電池の両方、光電気化学的電解槽およびエレクトロクロミックディスプレイを備える、電気化学的デバイスを製造するための電解質に使用され得る、金属イオン塩に関する。この塩は、低い解離エネルギーを有し、そして適切なポリマー中に溶解してポリマー製固体電解質を生成し得るか、または非プロトン性極性液体溶媒中に溶解して液体電解質を生成し得る。この塩のアニオンは、ポリマー骨格に共有結合して排他的カチオン伝導度を有するポリマー製固体電解質を生成し得る。
Description
【発明の詳細な説明】
高度に解離した金属イオン塩を含有する電解質材料
本発明は、米国エネルギー省とAssociated Universities,Inc.との間におけ
る契約番号DE-AC02-76CH00016に基づき、政府の支持を得て為された。政府は、
本発明に一定の権利を有する。
本願は、1994年2月4日に出願された出願番号第08/192,008号(本明細書中で
参考として援用される)に対して優先権を主張する。
発明の背景
本発明は、電気化学デバイス(1次電池および2次電池の両方、光電気化学的
電解槽およびエレクトロクロミックディスプレイを備える)を製造するための電
解質に使用され得る金属イオン塩に関する。この塩は、低い解離エネルギーを有
し、そして適切なポリマー中に溶解してポリマー製固体電解質を生成し得るか、
または非プロトン性極性液体溶媒中に溶解して液体電解質を生成し得る。この塩
のアニオンは、ポリマー骨格に共有結合して排他的カチオン伝導度(exclusive c
ationic conductivity)を有するポリマー製固体電解質を生成し得る。
電解質のイオン伝導度は、アニオンおよびカチオンの解離能に関する。低いレ
ベルのイオン解離は、広域のイオン対形成(extensive ion pairing)、およびイ
オンクラスター形成(ion clustering)および低伝導度をもたらす。この効果は、
ポリマー製電解質において最も顕著である。なぜなら、ポリマーは、液体有機電
解質を製造するために代表的に使用される非プロトン性極性液体溶媒より、低い
誘電率、および低いイオン複合化度(ion complexation)を有するからである。
イオン解離を促進することに加えて、電解質は、高度の熱的、化学的および電
気化学的安定性を有さなければならない。
電気化学デバイスのための電解質を製造するために使用されてきたリチウ
ム塩は、一般的にLiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6およびLiSO2CF3から選択された
。これらの塩の多くは、不安定であるか、または比較的低い伝導度を有するポリ
マー製電解質を生ずる。
米国特許第5,162,177号および同第4,505,997号は、構造LiN(SO2CF3)2のリチウ
ムイミド塩の新しいクラスを記載する。非局在化されたアニオン電荷は、液体お
よびポリマー製固体媒体の両方において高いイオン伝導度をもたらすイオン対の
解離を促進する。L.A.Dominey in Extended Abstracts of the Annual Automot
ive Technology Development Contractors' Coordination Meeting.Vol.2,De
arborn,Michigan,November 2-5,1992は、イミド塩と類似の特性を備えた成分
LiC(SO2CF3)3を有するメチドアナログリチウム塩(methide analogue lithium s
alt)を記載する。
上記の塩の中には、ポリマー骨格に共有結合して排他的カチオン伝導度を有す
るポリマー製イオン導体を生成し得るものはない。排他的カチオン伝導度は、対
向して移動するアニオン電荷により生成される有害な対向電圧が、これにより排
除されるので、電気化学デバイス(例えば、電池)における電解質に有益である
。これは、デバイスの高電流および高電圧をもたらす。上記イミド塩およびメチ
ド塩とは対照的に、本発明のリチウム塩は、ポリマー骨格への共有結合を可能に
する。
発明の要旨
ポリマー製固体電解質(例えば、2次リチウム電池)を用いる用途において、
アニオン移動を全く有さないことが好ましいことは明らかである。対向して移動
するアニオンは、電解槽の分極および電力出力の減少をもたらす。従って、本発
明の第1の目的は、排他的カチオン伝導度を有する高分子電解質を生成するため
に、ポリマー骨格に対してアニオンの共有結合を可能にするリチウム塩のクラス
を提供することである。
本発明の他の目的は、比較的広域のポリマー製固体電解質のクラス(2次固体
状態電池に組み込まれる場合、低い分極および高い電力出力をもたらす)を提供
することである。
さらに他の目的は、容易に溶解性で、熱的、化学的および電気化学的に安
定である低格子エネルギーリチウム塩のクラスを提供することである。
本発明のこれらのおよび他の目的は、金属イオン塩(ここで、アニオンは、共
有結合した式SO2CF3の1つまたはそれ以上の電子求引性基を有する芳香族部分で
ある)の合成により達成される。電子求引性基の効果は、アニオンおよびカチオ
ンの分離を促進する、高度に非局在化したアニオン電荷を提供することである。
SO2CF3基の芳香族部分に対する共有結合のための可能な方法は、Stevensonらの
米国特許第2,938,042号およびStahlyの同第4,837,327号に開示された。
活性官能基(ビニル、ハロゲン、アミノおよびその他)を含有する芳香族アニ
オンは、広範囲の種々のポリマー骨格およびポリマー前駆体に共有結合して排他
的カチオン伝導度を有する高分子電解質を生成し得る。1つの好ましい実施態様
では、ポリマー骨格は、塩解離を生ずるリチウムイオンの複合化のためのオリゴ
(エチレンオキシド)側鎖を有するポリシロキサンからなる。
図面の簡単な説明
図1は、グラッシーカーボン作用電極を有する炭酸プロピレン中のLi[ピロー
ル(SO2CF3)2](A)およびLi[フェノール(SO2CF3)3](B)のサイクリックボルタング
ラムを示す。走査速度は、50mV/秒であった。
図2は、オリゴ(エチレンオキシド)側鎖を有する分枝ポリシロキサンにおけ
るLi[フェノール(SO2CF3)3]からなるポリマー製電解質に対する温度の関数とし
ての伝導度を示す。
発明の詳細な説明
本発明の金属イオン塩は、塩形成し得る式SO2CF3の1つまたはそれ以上の電子
求引性基および1つまたはそれ以上のヒドロキシ基、アミノ基またはイミノ基に
共有結合し、そして芳香族π電子系を介してSO2CF3と共役した単核または縮合芳
香族部分に基づく。このように共役したイオン化ヒドロキシ基、アミノ基、また
はイミノ基のアニオン電荷は、芳香族部分の全π電子構造にわ
たって非局在化される。この非局在化の効果は、塩の低格子エネルギーに対する
手がかり(key)であり、そしてアニオンからのカチオンの解離を促進する。特に
、アニオン電荷の非局在化特性は、高イオン伝導度を生ずるリチウム塩の解離の
促進を結果として生じる。いくつかの代表的な金属イオン塩の例の化学構造は、
以下に示される(ここで、Mは、Li、Na、Kのような金属イオンである)。
ピロールアニオンは、好ましくは2,5-および3,5-置換ピロールである。置換フェ
ノールは、好ましくは2,6-および2,4,6-置換フェノールである。リチウム塩は、
水酸化リチウムとの中和により生成する。他のリチウム化合物(例えば、リチウ
ム-t-ブトキサイド)もまた使用され得る。
本発明のリチウム塩の電気化学安定性のウインドー(window)は、サイクリック
ボルタンメトリーを用いて炭酸プロピレン中で測定された。グラッシーカーボン
作用電極およびリチウム参照電極が使用された。Li-ビス(トリフルオロメチルス
ルホニル)ピロール(A)およびLi-2,4,6-トリス(トリフルオロメチルスルホニル)
フェノール(B)のサイクリックボルタングラムが図1に示される。走査速度は、5
0mV/秒であった。サイクリックボルタングラムは、電気化学的に安定であるウイ
ンドーがリチウムに対し、2次リチウム電池の用途に適切である5ボルトに近い
。
2次リチウム電池に適切な高伝導度の電解質を生成するために、リチウム塩は
、非プロトン性極性液体溶媒中に溶解され得、これは、炭酸プロピレンまたは炭
酸エチレン、ブチロラクトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ジメチルホル
ムアミド、ジエチルホルムアミド、N-メチルピロリドン、スルホラン、ジメチル
スルホン、テトラメチルスルホン、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テト
ラヒドロフラン、ジオキサン、ならびにメチルホルメートおよびエチルホルメー
トから選択される。
リチウム塩の伝導度は、解離の程度を比較するためにTHF中で測定された。種
々のリチウム塩の0.1M THF溶液の伝導度を表1に掲げる。三置換フェノレートは
、その広範なアニオン電荷の非局在化に起因して予期される最も高い伝導度を示
した。表1は、本発明の塩が、2次リチウム電池について以前研究されたリチウ
ム塩より高い伝導度を提供し、その一方同時にポリマー骨格に共有結合し得るこ
とを示す。
図2は、オリゴ(エチレンオキシド)側鎖を有する分枝ポリシロキサンにおける
Li[フェノール(SO2CF3)]に対して、25℃と100℃との間の温度の関数としての伝
導度を示す。ポリマー製電解質を、THF溶液からキャストし、そして24時間60℃
にて減圧下で乾燥した。リチウムに対する酸素比は、20:1であった。伝導度は
、acインピーダンス分光法を用いて測定した。伝導度は、LiSO2CF3塩を有する対
応ポリマー製電解質よりほぼ10倍高いファクターであり、アニオン電荷の非局在
化により電荷分離の増強が示される。
本発明の高分子電解質は、活性官能基を含むアニオン性部分をポリマー骨格に
直接結合させ、次いでフェノール性OH、ピロールNH、またはアニリンNH2におけ
るプロトンをリチウムと交換することにより、調製され得る。1つの改変例では
、高分子電解質は、まず、このようなフェノール、ピロール、またはアニリン化
合物をポリマー前駆体と反応させ、続いて改変された前駆体を重合し、続いてOH
またはNHをOLiおよびNLiへ変換することにより調製され得る。
-50℃〜-150℃の範囲のガラス転移温度を有するポリマーが好ましい。低いガ
ラス転移温度は、高イオン伝導度に必要であるポリマーの局所的なセグメント運
動を可能とする。ポリシロキサンおよびポリホスファゼンから選択されるポリマ
ーが最も好ましく、これらは、-110℃より低いガラス転移温度を有する。他の有
用なポリマー骨格は、ポリ(エチレンオキシド)およびシロ
キサン-アルキレンオキシドコポリマーである。可撓性の骨格および低いガラス
転移温度を有するとして特徴付けられる適切なポリマー系は、以下に示される構
造式により例示される。
上記に示されるポリマー系は、例示を意図しており、本発明により意図される
系のタイプを限定すると解釈されるべきでない。
本発明のリチウム塩が調製される方法は、以下の例示的な実施例に対する参照
により、より充分に理解され得る。
実施例
実施例1 p-トリフルオロメチルチオフェノール(1)の調製
30mlの無水クロロホルム中の7.33gのフェノールおよび6gのピリジンを、ドラ
イアイス浴で冷却し、続いて、15mlのクロロホルム中、11.7gのトリフルオロメ
タンスルフェニルクロリドの一部を添加した。完了後、黄色溶液を一晩室温にて
撹拌した。次いで、反応混合物を水で洗浄し、かつ塩酸で希釈した。溶媒をエバ
ポレートした後、残渣を減圧下で蒸留した。画分を66℃/2mm〜67℃/2mmにて回収
した。収量は、6gであった。NMR:(CDCl3)、δ7.25(フェニル環のABパターン)p
pm。IR(正味):3366.4、1585.8、1496.8、1446.3、1258.7、1117.8、833.9、755
.5 cm-1。
実施例2 p-トリフルオロメチルスルホニルフェノール(2)の調製
実施例1の化合物(1)(4mlの氷酢酸中の3.8g)を5.4gの30% 過酸化水素ととも
に7時間還流した。次いで、溶媒をエバポレートし、そして残渣をKugelrohrで
蒸留し、そして沸点は140℃/0.1mmであった。次いで溶液を冷却し、そして結晶
を液体中で形成させた。結晶が固体である場合、融点は108℃〜110℃であった。
NMR:(CDCl3)、δ7.5(ABパターン)ppm。IR(KBr):3440.4、1587.6、1501.8、144
1.7、1347.2、1295.7、1192.3、1116.3、1058.5、821.8、746.7cm-1。
実施例3 リチウムp-トリフルオロメチルスルホニルフェノエート(3)の調製
実施例2の化合物(2)(無水メタノール中)を当量の水酸化リチウムで中和した
。次いで、溶媒を除去し、そして残渣を少量の無水THFに溶解した。エーテルを
続いて添加し、そして溶液を冷蔵庫中に貯蔵した。沈殿した結晶を濾過し、
そしてエーテルで洗浄した。
実施例4 2,4,6-トリス(トリフルオロメチルチオ)フェノール(4)の調製
32.5gの濃縮したトリフルオロメチルスルフェニルクロリドをドライアイス浴
において耐圧瓶に入れた。60mlの冷却クロロホルムを窒素下で添加し、続いて16
gのピリジン中の5.6gのフェノールおよび0.8gの鉄粉末を添加した。混合物を室
温にて2日間閉瓶において撹拌した。次いで、溶液を水で洗浄し、そして塩酸で
希釈した。溶媒を除去した後、粗生成物をカラムで蒸留した。収量は、10gであ
った。沸点は、51℃/0.1mmであった。NMR(CDCl3)δ8.1(s)ppm。
実施例5 2,4,6-トリス(トリフルオロメチルスルホニル)フェノール(5)の調製
実施例2と同様の酸化法を用いた。粗固体生成物を熱ベンゼンで抽出した。針
状結晶(融点:170℃〜171℃)を得た。収量は62%であった。NMR(CDCl3):δ8.
9(s)ppm。IR(KBr):3418.1、1626.5、1427.6、1356.8、1212.2、1160、1064.7、
866.6、782.5 cm-1。
実施例6 2,4-および2,5-ビス(トリフルオロメチルチオ)ピロール(それぞれ、6
および7)の調製
方法A:24gの濃縮した塩化トリフルオロメタンスルフェニルクロリドをドラ
イアイス中の耐圧瓶に入れ、そして10mlの無水エーテルおよび1mlのトリフルオ
ロメタンスルホン酸中の2.34gのピロールを添加した。4時間撹拌後、反応混合
物をドライアイス浴から取り出し、そして混合物を室温にて5日間反応させた。
次いで、混合物を水および希釈した炭酸ナトリウムで洗浄した。カラムを用いた
減圧蒸留によりエーテルを除去した後、2,5-ビス(トリフルオロメチルチオ)ピロ
ール(6)(沸点:58℃/12mm)を回収した。そして2,4-ビス(トリフルオロメチル
チオ)ピロール(7)(沸点:75℃/12mm)を得た。収率は、それぞれ21%および28
%であった。NMR(CDCl3):化合物6:δ6.7(d)ppm。化合物7:δ6.9(s、1H)、7
.3(s、1H)ppm。IR(正味):化合物6:3468.8、3138.6、1609.6、1522、1397.4、
1109.7、1043.5、936.2、788.5、755.7cm-1。化
合物7:3471.2、3137、1609.6、1532、1415.3、1106.9、950.7、832.5、755.7
cm-1。
方法B:25gのトリフルオロメタンスルフェニルクロリドをドライアイス中の
耐圧瓶中で濃縮し、そして40mlの無水クロロホルム中の2.34gのピロール、12.1g
のピリジン、および0.8gの鉄粉末を添加した。次いで、混合物を室温にて3日間
撹拌した。次いでそれを濾過して不溶性物質を除去した。混合物を水、希塩酸そ
して水でさらに洗浄した。溶媒をエバポレーションした後、残渣を減圧下で蒸留
し、4.2gの2,5-ビス(トリフルオロメチルチオ)ピロールおよび3.5gの2,4-ビス(
トリフルオロメチルチオ)ピロールを得た。全収率は、82%であった。
実施例7 2,4-ビス(トリフルオロメチルスルホニル)ピロール(8)の調製
トリス(トリフルオロスルホニル)フェノール(実施例4)の合成と同様の手順を
使用した。溶媒の除去後、残渣をクロロホルムから再結晶させてプレート状の結
晶(融点:124℃〜126℃)を得た。NMR(d-アセトン):δ7.75(s、1H)。IR(KBr)
:3296.8、3134.2、3048.1、2963.6、1528.5、1445、1368.6、1205.9、1124、10
64.5、949.4、852.2、713.7 cm-1。
実施例8 2,5-ビス(トリフルオロメチルスルホニル)ピロール(9)の調製
実施例7と同様の手順を使用した。反応完了後、混合物を一晩冷蔵庫中に貯蔵
した。得られた針状結晶を水で洗浄した。融点は、146℃〜147℃であった。NMR(
d-アセトン):δ7.3(s)ppm。IR(KBr):3278.7、3138.6、3050、2950、2870、151
7、1382.7、1204.3、1140.2、1085.9、937.5、803.5、769.1 cm-1。
実施例9 2,6-ビス(トリフルオロメチルスルホニル)-4-(4-ブロモブチル)-フェ
ノール(10)の調製
化合物(5)と同様の方法を使用し、フェノールの代わりに4-(4-ブロモブチル)-
フェノール(10)から出発した。溶媒除去後、無色の液体を得た。NMR(CDCl3):δ
1.4(m、4H)、2.8(t、2H)、3.5(t、2H)、7.2(s、1H)、8.1(s、2H)ppm。
実施例10 2,6-ビス(トリフルオロメチルスルホニル)-4-(3-ブテニル)-フェノ
ール(11)の調製
24.6gのカリウムt-ブトキシドを窒素下、200mlの無水THF中に溶解した。溶液
をドライアイス浴で冷却し、内温を-30℃に保った。20mlのTHF中の4.9gの化合物
(10)を溶液中に滴下し、そして混合物を1時間撹拌し、続いて室温まで加温した
。次いで、反応混合物を氷に注ぎ、希釈塩酸で酸性化し、そしてエーテルで抽出
した。洗浄、乾燥、および溶媒除去後、3.5gの液体生成物を回収した。MNR(CDCl3
):δ2.8(m、2H)、3.5(t、2H)、4.7-5.0(m、2H)、5.5-6.2 m、1H)、7.2(s、1H)
、8.1(s、2H)ppm。
実施例11 2,6-ビス(トリフルオロメチルスルホニル)-4-(3-ブテニル)-フェノ
レート(12)の調製
4.1gの化合物(11)を20mlの無水メタノール中に溶解し、そして溶液を当量の水
酸化リチウムを用いて中和した。次いで、溶媒を除去し、そして残渣をエーテル
およびベンゼンで洗浄し、白色固体を得た。
実施例12 フェノレート(12)およびPEO鎖(13)でグラフトしたシロキサンポリ
マーの調製
0.3gのポリメチルヒドロシロキサン、0.63gの化合物(12)および1.33gのへプタ
エチレングリコールアリルメチルエーテルを20mlの無水THF中で混合した。クロ
ロ白金酸溶液を数滴添加し、そして溶液を60℃にて24時間加熱した。混合物を脱
色させた後、溶媒を除去して、所望の生成物を得た。
本発明の特定の実施態様が記載されるが、勿論本発明がこれらに限定されず、
かつ多くの自明のそれらの改変および変更がなされ得、そしてこのような改変お
よび変更が添付の請求の範囲の範囲内にあることを意図することが理解される。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.6 識別記号 FI
H01B 1/12 H01B 1/12 Z
H01M 10/40 H01M 10/40 B
// C07C 323/20 C07C 323/20
C07F 1/02 C07F 1/02
7/18 7/18 Y
(72)発明者 リー,ハン−スイ
アメリカ合衆国 ニューヨーク 11733,
イースト シターケット,ビレット ドラ
イブ 5
(72)発明者 ジェン,リン
アメリカ合衆国 ニューヨーク 11727,
コラム,ポイント サークル サウス 16
(72)発明者 スコテイム,タージェ
アメリカ合衆国 ニューヨーク 11786,
ショアハム,ウッドビル ロード 72
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.アニオンおよび1つまたはそれ以上の金属カチオンを含む金属イオン塩であ って、 該アニオンが芳香族π電子系を含む単核または縮合芳香族部分を含み; 式SO2CF3の1つまたはそれ以上の電子求引性基が、該芳香族部分に共有結合し ; 該アニオンが該1つまたはそれ以上の金属カチオンと塩を形成し得る1つまた はそれ以上のアニオン性基を含み、該1つまたはそれ以上のアニオン性基が以下 からなる群から選択され: 該芳香族部分に共有結合する、O-基、 該芳香族部分に共有結合する、NH-基、および 該芳香族部分の1部である、N-基; 該1つまたはそれ以上のアニオン性基が、該芳香族π電子系を介して該1つま たはそれ以上の電子求引性基と共役する、金属イオン塩。 2.前記アニオンが、-SO2-により前記単核または縮合芳香族部分に結合した第 2の単核または縮合芳香族部分をさらに含む、請求項1に記載の金属イオン塩。 3.前記アニオンが、SO2CF3-置換フェノール、ヒドロキシビフェノール、アニ リン、ピロール、ヒドロキシナフタレン、ヒドロキシアントラセン、ヒドロキシ フェナントレン、ヒドロキシフェナントロリン、ヒドロキシフェナジン、または -SO2-基により共に結合したこれらの任意の組み合わせである、請求項1に記載 の金属イオン塩。 4.前記1つまたはそれ以上の金属カチオンが、アルカリカチオン、アルカリ土 類金属カチオン、遷移金属カチオン、および希土類金属カチオンからなる群から 選択される、請求項1に記載の金属イオン塩。 5.前記塩が、以下の式(ここで、Mは、Li、Na、またはKである)を有する塩か ら選択される、請求項1に記載の金属イオン塩: 6.請求項1〜5のいずれか1つに記載の金属イオン塩のアニオンが共有結合す る、可撓性のあるポリマー骨格を含む高分子電解質。 7.前記ポリマー骨格が、ポリシロキサン、ポリホスファゼン、ポリエーテル、 およびポリシロキサンとポリエーテルとのコポリマーからなる群から選択される 、請求項6に記載の高分子電解質。 8.前記ポリマー骨格がポリシロキサンである、請求項6に記載の高分子電解質 。 9.前記高分子電解質が以下の式(ここで、n、m、およびoは正の整数である) を有する高分子電解質から選択される、請求項6に記載の高分子電解質: 10.正電極、負電極および液体電解質を備える、電気化学的電解槽であって、 該液体電解質が、請求項1〜5のいずれか1つに記載の非プロトン性極性溶媒 および金属イオン塩を含む、電気化学的電解槽。 11.前記非プロトン性極性溶媒が、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、ブチロラ クトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ジメチルホルムアミド、ジエチルホ ルムアミド、N-メチルピロリドン、スルホラン、ジメチルスルホン、テトラメチ ルスルホン、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオ キサン、メチルホルメート、およびエチルホルメートからなる群から選択される 、請求項10に記載の電気化学的電解槽。 12.前記金属カチオンが、リチウムイオンである、請求項10に記載の電気化 学的電解槽。 13.正電極、負電極、および高分子電解質を備える、電気化学的電解槽であっ て、 該高分子電解質が、請求項1〜5のいずれか1つに記載の金属イオン塩のアニ オンが共有結合する、可撓性のポリマー骨格を有する、電気化学的電解槽。 14.前記金属カチオンがリチウムイオンである、請求項13に記載の電気化学 的電解槽。 15.前記高分子電解質が溶媒を含まない、請求項13に記載の電気化学的電解 槽。
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