JP7005010B2 - Lithium ion conductive composition - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン導電性組成物に関する。さらに詳しくは、本発明は、例えば、航空機、自動車、鉄道車両、船舶などの輸送機器、電子機器などに使用されるリチウムイオン二次電池に使用することが期待されるリチウムイオン導電性組成物および当該リチウムイオン導電性組成物を含有するリチウムイオン二次電池用電解質に関する。 The present invention relates to a lithium ion conductive composition. More specifically, the present invention is a lithium ion conductive composition expected to be used for a lithium ion secondary battery used in, for example, transportation equipment such as aircraft, automobiles, railroad vehicles, ships, and electronic equipment. The present invention relates to an electrolyte for a lithium ion secondary battery containing the lithium ion conductive composition.
リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度を有する電池として用いられている。リチウムイオン二次電池には、有機溶媒系リチウムイオン二次電池と水溶液系リチウムイオン二次電池とに大別される。有機溶媒系リチウムイオン二次電池には、水溶液系リチウムイオン二次電池と対比して、一般にイオン伝導度およびイオンの拡散速度が低く、低温状態で効率よく放電させることが困難であるという欠点がある。 Lithium-ion secondary batteries are used as batteries having a high energy density. Lithium-ion secondary batteries are roughly classified into organic solvent-based lithium-ion secondary batteries and aqueous solution-based lithium-ion secondary batteries. Compared to aqueous solution-based lithium-ion secondary batteries, organic solvent-based lithium-ion secondary batteries generally have low ionic conductivity and ion diffusion rate, and have the disadvantage that it is difficult to efficiently discharge them at low temperatures. be.
低温状態で放電を効率よく行なうことができる有機溶媒系リチウムイオン二次電池に用いることができるリチウムイオン導電性ポリマーとして、リチウムイオン導電性を示し、多数の孔を有し、当該孔の中に有機電解液が保持され、イオンが拡散する通路が確保されている多孔性リチウムイオン導電性ポリマーが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a lithium ion conductive polymer that can be used in an organic solvent-based lithium ion secondary battery that can efficiently discharge at a low temperature, it exhibits lithium ion conductivity, has a large number of pores, and has a large number of pores in the pores. A porous lithium ion conductive polymer has been proposed in which an organic electrolytic solution is retained and a passage through which ions are diffused is secured (see, for example, Patent Document 1).
前記多孔性リチウムイオン導電性ポリマーは、低温での放電性がよく、高温での自己放電量が小さく、長期間の充放電特性に優れるものとされている。しかし、前記多孔性リチウムイオン導電性ポリマーには、ポリアクリロニトリルなどのポリマーが用いられていることから、耐熱性に劣るという欠点がある。 The porous lithium ion conductive polymer is said to have good dischargeability at low temperature, a small amount of self-discharge at high temperature, and excellent long-term charge / discharge characteristics. However, since the porous lithium ion conductive polymer uses a polymer such as polyacrylonitrile, it has a drawback of being inferior in heat resistance.
本発明は、前記従来技術に鑑みてなされたものであり、耐熱性に優れるとともにリチウムイオン伝導性に優れ、高リチウムイオン輸率を有するリチウムイオン導電性組成物、および当該リチウムイオン導電性組成物を含有するリチウムイオン二次電池用電解質を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned prior art, and is a lithium ion conductive composition having excellent heat resistance, excellent lithium ion conductivity, and a high lithium ion transport number, and the lithium ion conductive composition. It is an object of the present invention to provide an electrolyte for a lithium ion secondary battery containing.
本発明は、
(1)式(I):
The present invention
(1) Equation (I):
で表わされる繰り返し単位および式(II): Repeat unit represented by and equation (II):
(式中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立して炭素数1~12のアルキル基または炭素数6~12のアリール基を示す)
で表わされる繰り返し単位を有するベンズイミダゾールポリマーおよびイオン液体を含有することを特徴とするリチウムイオン導電性組成物、および
(2) 前記(1)に記載のリチウムイオン導電性組成物を含有してなるリチウムイオン二次電池用電解質
に関する。
(In the formula, R 1 , R 2 and R 3 independently indicate an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, respectively).
It contains a lithium ion conductive composition comprising a benzimidazole polymer having a repeating unit represented by the above and an ionic liquid, and (2) the lithium ion conductive composition according to (1) above. Regarding electrolytes for lithium-ion secondary batteries.
本発明によれば、耐熱性に優れるとともにリチウムイオン伝導性に優れ、高リチウムイオン輸率を有するリチウムイオン導電性組成物、および当該リチウムイオン導電性組成物を含有するリチウムイオン二次電池用電解質が提供される。 According to the present invention, a lithium ion conductive composition having excellent heat resistance and lithium ion conductivity and a high lithium ion transport rate, and an electrolyte for a lithium ion secondary battery containing the lithium ion conductive composition. Is provided.
本発明のリチウムイオン導電性組成物は、前記したように、式(I): As described above, the lithium ion conductive composition of the present invention has the formula (I):
で表わされる繰り返し単位および式(II): Repeat unit represented by and equation (II):
(式中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立して炭素数1~12のアルキル基または炭素数6~12のアリール基を示す)
で表わされる繰り返し単位を有するベンズイミダゾールポリマーおよびイオン液体を含有することを特徴とする。
(In the formula, R 1 , R 2 and R 3 independently indicate an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, respectively).
It is characterized by containing a benzimidazole polymer and an ionic liquid having a repeating unit represented by.
本発明に用いられるベンズイミダゾールポリマーは、放射菌の代謝経路からの生合成経路が確立されている3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸を原料として用いて合成することができる。したがって、本発明に用いられるベンズイミダゾールポリマーは、地球環境にやさしいバイオマス系化合物である3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸を原料として調製することができるという利点を有する。 The benzimidazole polymer used in the present invention can be synthesized using 3-amino-4-hydroxybenzoic acid as a raw material, which has an established biosynthetic pathway from the metabolic pathway of radioactive bacteria. Therefore, the benzimidazole polymer used in the present invention has an advantage that it can be prepared from 3-amino-4-hydroxybenzoic acid, which is a biomass-based compound that is friendly to the global environment.
以下に、原料として3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸を用いてベンズイミダゾールポリマーを調製する方法について説明するが、本発明は、当該方法のみによって限定されるものではない。 Hereinafter, a method for preparing a benzimidazole polymer using 3-amino-4-hydroxybenzoic acid as a raw material will be described, but the present invention is not limited to this method alone.
(A)ベンズイミダゾールホモポリマーの調製
ベンズイミダゾールホモポリマーは、例えば、式:
(A) Preparation of benzimidazole homopolymer The benzimidazole homopolymer is, for example, the formula:
(式中、pは、ベンズイミダゾールホモポリマーの重合度を示す)
で表わされるように、3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸をスマイルス(Smiles)転位させることによって3,5-ジアミノ安息香酸を調製し、得られた3,5-ジアミノ安息香酸を重合させることによって調製することができる。
(In the formula, p indicates the degree of polymerization of the benzimidazole homopolymer)
As represented by, 3,5-diaminobenzoic acid is prepared by performing Smiles rearrangement of 3-amino-4-hydroxybenzoic acid, and the obtained 3,5-diaminobenzoic acid is polymerized. Can be prepared by.
ベンズイミダゾールホモポリマーは、耐熱性に優れ〔例えば、熱重量分析による窒素ガス雰囲気中における10%重量減少温度(Td10):689℃〕、機械的強度に優れており、破断時の伸度が小さい。したがって、本発明に用いられるベンズイミダゾールポリマーは、当該ベンズイミダゾールホモポリマーを製造中間体として用いて調製することができることから、耐熱性および機械的強度に優れ、破断時の伸度が小さいという利点を有する。 Benzimidazole homopolymers have excellent heat resistance [for example, 10% weight loss temperature (T d10 ): 689 ° C. in a nitrogen gas atmosphere by thermogravimetric analysis], excellent mechanical strength, and elongation at break. small. Therefore, since the benzimidazole polymer used in the present invention can be prepared by using the benzimidazole homopolymer as a production intermediate, it has the advantages of excellent heat resistance and mechanical strength and low elongation at break. Have.
なお、前記熱重量分析による重量減少温度(Td)は、以下の測定条件下で測定したときの値である。 The weight loss temperature (T d ) by the thermogravimetric analysis is a value when measured under the following measurement conditions.
〔熱重量分析の測定条件〕
・測定装置:熱重量-示差熱同時測定装置〔(株)日立ハイテクノロジーズ製、商品名:STA7200〕
窒素ガス雰囲気中または空気中にて昇温速度10℃/minで800℃までベンズイミダゾールホモポリマーを加熱し、重量減少度を測定した。
[Measurement conditions for thermogravimetric analysis]
・ Measuring device: Thermal weight-differential thermal simultaneous measuring device [Made by Hitachi High-Technologies Corporation, product name: STA7200]
The benzimidazole homopolymer was heated to 800 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere or air, and the degree of weight loss was measured.
(B)ベンズイミダゾールポリマーの調製
ベンズイミダゾールポリマーは、例えば、式:
(B) Preparation of benzimidazole polymer The benzimidazole polymer is, for example, the formula:
(式中、R1、R2、R3およびpは前記と同じ。qはベンズイミダゾールの繰り返し単位、rはリチオ化されたベンズイミダゾールの繰り返し単位を示す)
で表わされるように、ベンズイミダゾールホモポリマーを用いて調製することができる。より具体的には、以下のようにしてベンズイミダゾールホモポリマーを用いてベンズイミダゾールポリマーを調製することができる。
(In the formula, R 1 , R 2 , R 3 and p are the same as above. Q indicates a repeating unit of benzimidazole, and r indicates a repeating unit of lithium benzimidazole).
As represented by, it can be prepared using a benzimidazole homopolymer. More specifically, a benzimidazole polymer can be prepared using a benzimidazole homopolymer as follows.
〔ベンズイミダゾールホモポリマーのリチオ化〕
ベンズイミダゾールホモポリマーをリチオ化剤でリチオ化させることにより、ベンズイミダゾールホモポリマーに基づく繰り返し単位の一部がリチオ化され、式(III):
[Lithioization of benzimidazole homopolymer]
By lithiolating the benzimidazole homopolymer with a lithiolytic agent, some of the repeating units based on the benzimidazole homopolymer are lithiolated and formula (III) :.
(式中、qおよびrは前記と同じ)
で表わされるベンズイミダゾールポリマーの製造中間体を得ることができる。
(In the formula, q and r are the same as above)
It is possible to obtain a production intermediate of the benzimidazole polymer represented by.
式(III)において、qとrの比率は、ベンズイミダゾールホモポリマーのリチオ化を調整することによって適宜調節することができる。ベンズイミダゾールホモポリマーのリチオ化は、使用されるリチオ化剤の量を調節することによって容易に制御することができる。 In formula (III), the ratio of q and r can be appropriately adjusted by adjusting the lithiolation of the benzimidazole homopolymer. Lithioization of the benzimidazole homopolymer can be readily controlled by adjusting the amount of lithiolytic agent used.
リチオ化剤としては、例えば、水素化リチウム、ブチルリチウム、フェニルリチウムなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。 Examples of the lithiating agent include lithium hydride, butyllithium, phenyllithium and the like, but the present invention is not limited to these examples.
ベンズイミダゾールホモポリマーのリチオ化は、必要により、非水系有機溶媒中で行なうことができる。非水系有機溶媒としては、例えば、ジメチルスルホキシド、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。 Lithioization of the benzimidazole homopolymer can optionally be carried out in a non-aqueous organic solvent. Examples of the non-aqueous organic solvent include dimethyl sulfoxide, diethyl ether, tetrahydrofuran, dimethoxyethane and the like, but the present invention is not limited to these examples.
ベンズイミダゾールホモポリマーのリチオ化の温度は、特に限定されないが、通常、0~100℃程度であることが好ましい。ベンズイミダゾールホモポリマーのリチオ化は、大気中で行なってもよく、例えば、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行なってもよい。 The temperature of the benzimidazole homopolymer to be lithiated is not particularly limited, but is usually preferably about 0 to 100 ° C. Lithioization of the benzimidazole homopolymer may be carried out in the air, for example, in the atmosphere of an inert gas such as nitrogen gas or argon gas.
以上のようにしてベンズイミダゾールホモポリマーをリチオ化させることにより、式(III)で表わされるベンズイミダゾールポリマーの製造中間体を調製することができる。 By lithiolating the benzimidazole homopolymer as described above, an intermediate for producing the benzimidazole polymer represented by the formula (III) can be prepared.
〔ベンズイミダゾールポリマーの製造中間体のボロン化〕
式(III)で表わされるベンズイミダゾールポリマーの製造中間体をボロン化させることにより、式(I)で表わされる繰り返し単位および式(II)で表わされる繰り返し単位を有するベンズイミダゾールポリマーを得ることができる。
[Boronization of intermediates for the production of benzimidazole polymers]
By boronizing the production intermediate of the benzimidazole polymer represented by the formula (III), a benzimidazole polymer having a repeating unit represented by the formula (I) and a repeating unit represented by the formula (II) can be obtained. ..
ベンズイミダゾールポリマーの製造中間体をボロン化させる際には、ボロン化剤が用いられる。ボロン化剤としては、例えば、式:BR1R2R3(式中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立して炭素数1~12のアルキル基または炭素数6~12のアリール基を示す)で表わされるボロン化剤を用いることができる。式:BR1R2R3において、R1、R2およびR3は、それぞれ独立して炭素数1~12のアルキル基または炭素数6~12のアリール基を示すが、当該アルキル基および当該アリール基は、本発明の目的が阻害されない範囲内でハロゲン原子または置換基を有していてもよい。 Boronizing agents are used to boronize the benzimidazole polymer production intermediates. Examples of the boronizing agent include the formula: BR 1 R 2 R 3 (in the formula, R 1 , R 2 and R 3 are independently alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms or aryls having 6 to 12 carbon atoms, respectively. A boronizing agent represented by (indicating a group) can be used. Formula: In BR 1 R 2 R 3 , R 1 , R 2 and R 3 independently represent an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, respectively. The aryl group may have a halogen atom or a substituent as long as the object of the present invention is not impaired.
ボロン化剤の量は、ベンズイミダゾールポリマーの製造中間体が有するリチウム原子が効率よくボロン化されるようにするために、通常、ベンズイミダゾールポリマーの製造中間体が有するリチウム原子1モルあたり、1.2~2モル程度であることが好ましい。 The amount of the boronizing agent is usually 1. To ensure that the lithium atom contained in the benzimidazole polymer production intermediate is efficiently boronized, 1. It is preferably about 2 to 2 mol.
ベンズイミダゾールポリマーの製造中間体のボロン化の温度は、特に限定されないが、通常、0~100℃程度であることが好ましい。ベンズイミダゾールポリマーの製造中間体のボロン化は、大気中で行なってもよく、例えば、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行なってもよい。 The temperature of boronization of the intermediate for producing the benzimidazole polymer is not particularly limited, but is usually preferably about 0 to 100 ° C. The boronization of the production intermediate of the benzimidazole polymer may be carried out in the atmosphere, or may be carried out in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen gas or argon gas, for example.
以上のようにしてベンズイミダゾールポリマーの製造中間体をボロン化させることにより、式(IV): By boronizing the manufacturing intermediate of the benzimidazole polymer as described above, the formula (IV):
(式中、R1、R2、R3、qおよびrは前記と同じ)
で表わされるベンズイミダゾールポリマー、換言すれば、式(I)で表わされる繰り返し単位および式(II)で表わされる繰り返し単位を有するベンズイミダゾールポリマーを得ることができる。
(In the equation, R 1 , R 2 , R 3 , q and r are the same as above)
A benzimidazole polymer represented by, in other words, a benzimidazole polymer having a repeating unit represented by the formula (I) and a repeating unit represented by the formula (II) can be obtained.
なお、式(IV)では、ベンズイミダゾールに基づく繰り返し単位とボロン化されたベンズイミダゾールに基づく繰り返し単位とが便宜上ブロックのように記載されているが、実際に得られるベンズイミダゾールポリマーでは、ベンズイミダゾールに基づく式(I)で表わされる繰り返し単位とボロン化されたベンズイミダゾールに基づく式(II)で表わされる繰り返し単位とがランダムに結合している。 In formula (IV), the repeating unit based on benzimidazole and the repeating unit based on boronified benzimidazole are described as blocks for convenience, but in the actually obtained benzimidazole polymer, benzimidazole is used. The repeating unit represented by the formula (I) based on the formula (I) and the repeating unit represented by the formula (II) based on the boronylated benzimidazole are randomly bonded.
ベンズイミダゾールポリマーは、式(I)で表わされる繰り返し単位および式(II)で表わされる繰り返し単位を有する。式(I)で表わされる繰り返し単位と式(II)で表わされる繰り返し単位とのモル比〔式(I)で表わされる繰り返し単位[式(IV)におけるq]/式(II)で表わされる繰り返し単位[式(IV)におけるr]〕は、耐熱性に優れるとともにリチウムイオン伝導性に優れ、高リチウムイオン輸率を有するリチウムイオン導電性組成物を得る観点から、好ましくは10/90~90/10、より好ましくは20/80~80/20、より一層好ましくは25/75~75/25、さらに好ましくは20/80~80/20である。 The benzimidazole polymer has a repeating unit represented by the formula (I) and a repeating unit represented by the formula (II). The molar ratio of the repeating unit represented by the formula (I) to the repeating unit represented by the formula (II) [the repeating unit represented by the formula (I) [q in the formula (IV)] / the repetition represented by the formula (II). The unit [r] in the formula (IV)] is preferably 10/90 to 90 / from the viewpoint of obtaining a lithium ion conductive composition having excellent heat resistance, excellent lithium ion conductivity, and high lithium ion transport number. 10, more preferably 20/80 to 80/20, even more preferably 25/75 to 75/25, and even more preferably 20/80 to 80/20.
ベンズイミダゾールポリマーの数平均分子量は、耐熱性に優れるとともにリチウムイオン伝導性に優れ、高リチウムイオン輸率を有するリチウムイオン導電性組成物を得る観点から、好ましくは2000~100000、より好ましくは3000~100000である。 The number average molecular weight of the benzimidazole polymer is preferably 2000 to 100,000, more preferably 3000 to, from the viewpoint of obtaining a lithium ion conductive composition having excellent heat resistance, excellent lithium ion conductivity, and high lithium ion transport number. It is 100,000.
なお、ベンズイミダゾールポリマーおよび本発明に用いられる他のポリマーの数平均分子量は、ゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)にて以下の測定条件で測定したときの値である。 The number average molecular weight of the benzimidazole polymer and other polymers used in the present invention is a value measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following measurement conditions.
〔測定条件〕
・装置:昭和電工(株)製、商品名:Shodex-101
・注入時の濃度:0.01質量%
・注入量:100μL
・流速:1mL/min
・溶媒:N,N-ジメチルホルムアミド
・カラム:昭和電工(株)製、商品名:Shodex KD-803および商品名:Shodex KD-804
・カラムの温度:40℃
・標準:ポリメチルメタクリレート
〔Measurement condition〕
・ Equipment: Showa Denko KK, Product name: Shodex-101
-Concentration at the time of injection: 0.01% by mass
・ Injection amount: 100 μL
・ Flow velocity: 1 mL / min
-Solvent: N, N-dimethylformamide-Column: Made by Showa Denko KK, Product name: Shodex KD-803 and Product name: Shodex KD-804
-Column temperature: 40 ° C
-Standard: Polymethylmethacrylate
次に、式(I)で表わされる繰り返し単位および式(II)で表わされる繰り返し単位を有するベンズイミダゾールポリマーとイオン液体とを混合することにより、本発明のリチウムイオン導電性組成物を得ることができる。 Next, the lithium ion conductive composition of the present invention can be obtained by mixing a benzimidazole polymer having a repeating unit represented by the formula (I) and a repeating unit represented by the formula (II) with an ionic liquid. can.
イオン液体としては、例えば、カチオン部とアニオン部を有するイオン液体などが挙げられる。 Examples of the ionic liquid include an ionic liquid having a cation portion and an anion portion.
カチオン部としては、例えば、ピロリジニウムカチオン、スルホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、四級アンモニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ホスホニウムカチオン、モルホリニウムカチオンなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。これらのなかでは、耐熱性に優れるとともにリチウムイオン伝導性に優れ、高リチウムイオン輸率を有するリチウムイオン導電性組成物を得る観点から、ピロリジニウムカチオン、スルホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンおよび四級アンモニウムカチオンが好ましい。 Examples of the cation portion include a pyrrolidinium cation, a sulfonium cation, an imidazolium cation, a pyridinium cation, a quaternary ammonium cation, a piperidinium cation, a phosphonium cation, a morpholinium cation, and the like. It is not limited to illustrations only. Among these, from the viewpoint of obtaining a lithium ion conductive composition having excellent heat resistance, excellent lithium ion conductivity, and high lithium ion transport number, pyrrolidinium cation, sulfonium cation, imidazolium cation, pyridinium cation and A quaternary ammonium cation is preferred.
カチオン部の具体例としては、式(V): As a specific example of the cation portion, the formula (V):
(式中、R4およびR5は、それぞれ独立して炭素数1~8のアルキル基を示す)
で表わされるピロリジニウムカチオン、式(VI):
(In the formula, R 4 and R 5 each independently represent an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms).
Pyrrolidinium cation represented by, formula (VI):
(式中、R6、R7およびR8は、それぞれ独立して炭素数1~8のアルキル基を示す)
で表わされるスルホニウムカチオン、式(VII):
(In the formula, R 6 , R 7 and R 8 each independently indicate an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms).
Sulfonium cation represented by, formula (VII):
(式中、R9およびR10は、それぞれ独立して炭素数1~8のアルキル基、R11は水素原子または炭素数1~8のアルキル基を示す)
で表わされるイミダゾリウムカチオン、式(VIII):
(In the formula, R 9 and R 10 each independently indicate an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R 11 indicates a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms).
Imidazole cation represented by, formula (VIII):
(式中、R12およびR13は、それぞれ独立して炭素数1~8のアルキル基を示す)
で表わされるピリジニウムカチオン、式(IX):
(In the formula, R 12 and R 13 each independently represent an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms).
Pyridinium cation represented by, formula (IX):
(式中、R14、R15、R16およびR17は、それぞれ独立して炭素数1~8のアルキル基を示す)
で表わされる四級アンモニウムカチオンなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。これらのカチオン部は、それぞれ単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
(In the formula, R 14 , R 15 , R 16 and R 17 each independently indicate an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms).
Examples thereof include quaternary ammonium cations represented by, but the present invention is not limited to these examples. These cation portions may be used alone or in combination of two or more.
アニオン部としては、例えば、式(X): As the anion portion, for example, the formula (X):
(式中、R18およびR19は、それぞれ独立してフッ素原子、トリフルオロメチル基またはペンタフルオロエチル基を示す)
で表わされるビススルホニルイミドアニオンなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。
(In the formula, R 18 and R 19 independently indicate a fluorine atom, a trifluoromethyl group or a pentafluoroethyl group).
Examples thereof include bissulfonylimide anions represented by, but the present invention is not limited to these examples.
カチオン部とアニオン部を有するイオン液体の具体例としては、例えば、1-ブチル-1-メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、トリエチルスルホニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1-ブチル-3-メチルピリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、テトラブチルアンモニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、テトラオクチルアンモニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1-エチル-3-メチルピリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1-プロピル-3-メチルピリジニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドなどが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。これらのイオン液体は、それぞれ単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。 Specific examples of the ionic liquid having a cation part and an anion part include 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, triethylsulfonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, and 1-butyl. -3-Methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-butyl-3-methylpyridinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, tetrabutylammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, tetraoctylammonium bis (tri) Fluoromethylsulfonyl) imide, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-ethyl-3-methylpyridiniumbis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-propyl-3-methyl Examples thereof include pyridinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, but the present invention is not limited to such examples. These ionic liquids may be used alone or in combination of two or more.
式(I)で表わされる繰り返し単位および式(II)で表わされる繰り返し単位を有するベンズイミダゾールポリマー100質量部あたりのイオン液体の量は、耐熱性に優れるとともにリチウムイオン伝導性に優れ、高リチウムイオン輸率を有するリチウムイオン導電性組成物を得る観点から、好ましくは30~400質量部、より好ましくは40~300質量部、さらに好ましくは50~200質量部である。 The amount of ionic liquid per 100 parts by mass of the benzimidazole polymer having the repeating unit represented by the formula (I) and the repeating unit represented by the formula (II) is excellent in heat resistance, excellent lithium ion conductivity, and high lithium ion. From the viewpoint of obtaining a lithium ion conductive composition having an transport number, it is preferably 30 to 400 parts by mass, more preferably 40 to 300 parts by mass, and further preferably 50 to 200 parts by mass.
式(I)で表わされる繰り返し単位および式(II)で表わされる繰り返し単位を有するベンズイミダゾールポリマーとイオン液体との混合は、常温で大気中または窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行なうことができる。 Mixing of a benzimidazole polymer having a repeating unit represented by the formula (I) and a repeating unit represented by the formula (II) with an ionic liquid is carried out at room temperature in the air or in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas. Can be done.
以上のようにして得られるリチウムイオン導電性組成物は、耐熱性に優れるとともにリチウムイオン伝導性に優れ、高リチウムイオン輸率を有することから、リチウムイオン二次電池用電解質に好適に使用することができる。 Since the lithium ion conductive composition obtained as described above has excellent heat resistance, excellent lithium ion conductivity, and a high lithium ion transport number, it is suitable for use as an electrolyte for a lithium ion secondary battery. Can be done.
本発明のリチウムイオン二次電池用電解質は、本発明のリチウムイオン導電性組成物を含有するものである。本発明のリチウムイオン二次電池用電解質は、本発明のリチウムイオン導電性組成物のみで構成されていてもよく、必要により、溶媒などの他の成分を本発明の目的が阻害されない範囲内で含有していてもよい。 The electrolyte for a lithium ion secondary battery of the present invention contains the lithium ion conductive composition of the present invention. The electrolyte for a lithium ion secondary battery of the present invention may be composed only of the lithium ion conductive composition of the present invention, and if necessary, other components such as a solvent may be added as long as the object of the present invention is not impaired. It may be contained.
本発明のリチウムイオン二次電池用電解質は、本発明のリチウムイオン導電性組成物を含有しているので、耐熱性に優れるとともにリチウムイオン伝導性に優れ、高リチウムイオン輸率を有することから、例えば、航空機、自動車、鉄道車両、船舶などの輸送機器、電子機器などに使用されるリチウムイオン二次電池に使用することが期待されるものである。 Since the electrolyte for a lithium ion secondary battery of the present invention contains the lithium ion conductive composition of the present invention, it is excellent in heat resistance, excellent lithium ion conductivity, and has a high lithium ion transport rate. For example, it is expected to be used in a lithium ion secondary battery used in transportation equipment such as aircraft, automobiles, railroad vehicles, ships, and electronic equipment.
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例のみに限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to such examples.
なお、以下の各実施例および比較例で得られた化合物の物性は、以下の方法に基づいて調べた。 The physical characteristics of the compounds obtained in each of the following Examples and Comparative Examples were investigated based on the following methods.
〔13C-NMRスペクトルおよび11B-NMRスペクトル〕
・測定装置:核磁気共鳴分光装置〔ブルカー(Bruker)社製、商品名:AVANCE III〕
[ 13 C-NMR spectrum and 11 B-NMR spectrum]
-Measuring device: Nuclear magnetic resonance spectroscopy [manufactured by Bruker, trade name: AVANCE III]
〔フーリエ変換型赤外分光分析(FT-IR)〕
フーリエ変換型赤外分光装置〔日本分光(株)製、品番:FT/IR6100〕を用いて、赤外吸収スペクトルを測定した。
[Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR)]
The infrared absorption spectrum was measured using a Fourier transform infrared spectroscope [manufactured by JASCO Corporation, product number: FT / IR6100].
製造例1
2,5-ベンズイミダゾールを重合させて得られた2,5-ポリベンズイミダゾールをあらかじめ用意した。当該2,5-ポリベンズイミダゾールの数平均分子量は、35600であった。
Production Example 1
2,5-Polybenzimidazole obtained by polymerizing 2,5-benzimidazole was prepared in advance. The number average molecular weight of the 2,5-polybenzimidazole was 35,600.
前記2,5-ポリベンズイミダゾールのフーリエ変換型赤外分光分析(FT-IR)を図1に示す。図1は、前記2,5-ポリベンズイミダゾールのフーリエ変換型赤外分光分析の結果を示すグラフである。また、前記2,5-ポリベンズイミダゾールの13C-NMRスペクトルを図2に示す。図2は、前記2,5-ポリベンズイミダゾールの13C-NMRスペクトルを示すグラフである。これらの結果から、前記2,5-ポリベンズイミダゾールは、式(I)で表わされる繰り返し単位を有することが確認された。 The Fourier transform infrared spectroscopic analysis (FT-IR) of 2,5-polybenzimidazole is shown in FIG. FIG. 1 is a graph showing the results of Fourier transform infrared spectroscopic analysis of 2,5-polybenzimidazole. The 13 C-NMR spectrum of the 2,5-polybenzimidazole is shown in FIG. FIG. 2 is a graph showing the 13 C-NMR spectrum of the 2,5-polybenzimidazole. From these results, it was confirmed that the 2,5-polybenzimidazole has a repeating unit represented by the formula (I).
前記で得られた2,5-ポリベンズイミダゾールの熱重量分析による1%重量減少温度(Td1)、5%重量減少温度(Td5)および10%重量減少温度(Td10)を窒素ガス雰囲気中または大気中で前記熱重量分析の測定条件で測定した。その結果を表1に示す。 The 1% weight loss temperature (T d1 ), 5% weight loss temperature (T d5 ) and 10% weight loss temperature (T d10 ) obtained by thermogravimetric analysis of 2,5-polybenzimidazole obtained above are set to a nitrogen gas atmosphere. It was measured in the medium or in the air under the measurement conditions of the thermogravimetric analysis. The results are shown in Table 1.
表1に示された結果から、2,5-ポリベンズイミダゾールは、窒素ガス雰囲気中における10%重量減少温度(Td10)が689℃であり、大気中における10%重量減少温度(Td10)が535℃であることから、従来のポリアクリロニトリル(ガラス転移温度:104℃)が用いられている多孔性リチウムイオン導電性ポリマーと対比して、耐熱性に格段に優れていることがわかる。 From the results shown in Table 1, 2,5-polybenzimidazole has a 10% weight loss temperature (T d10 ) of 689 ° C. in a nitrogen gas atmosphere and a 10% weight loss temperature (T d10 ) in the atmosphere. Since the temperature is 535 ° C, it can be seen that the heat resistance is significantly superior to that of the porous lithium ion conductive polymer in which the conventional polyacrylonitrile (glass transition temperature: 104 ° C) is used.
参考までに、2,5-ポリベンズイミダゾールの広角X線回折の測定結果を図3に示す。なお、図3は、2,5-ポリベンズイミダゾールの広角X線回折図である。図3に示された結果から、2,5-ポリベンズイミダゾールは、ピークがブロードであることから、結晶性が小さいものと考えられる。 For reference, the measurement results of wide-angle X-ray diffraction of 2,5-polybenzimidazole are shown in FIG. FIG. 3 is a wide-angle X-ray diffraction pattern of 2,5-polybenzimidazole. From the results shown in FIG. 3, it is considered that 2,5-polybenzimidazole has low crystallinity because the peak is broad.
次に、引張試験機〔インストロンジャパン カンパニイリミテッド社製、商品名:INSTRON 3365〕を用い、初期標線間距離50mm、引っ張り速度200mm/minの条件で2,5-ポリベンズイミダゾールのプレート(縦:70mm、横:150mm、厚さ:2mm)の破断強度、弾性率および破断伸度を測定した。その結果を図4に示す。図4は、2,5-ポリベンズイミダゾールの応力-歪曲線を示すグラフである。 Next, using a tensile tester [Instron Japan Company Limited, trade name: INSTRON 3365], a plate of 2,5-polybenzimidazole (vertical) under the conditions of an initial distance between marked lines of 50 mm and a tensile speed of 200 mm / min. The breaking strength, elastic modulus and breaking elongation were measured (: 70 mm, width: 150 mm, thickness: 2 mm). The results are shown in FIG. FIG. 4 is a graph showing the stress-strain curve of 2,5-polybenzimidazole.
図4に示された結果から、2,5-ポリベンズイミダゾールの破断強度が95MPaであり、弾性率が9.5GPaであり、破断伸度が0.027%であることが確認された。これらの結果から、前記2,5-ポリベンズイミダゾールは、剛直であり、機械的強度に優れていることがわかる。 From the results shown in FIG. 4, it was confirmed that the breaking strength of 2,5-polybenzimidazole was 95 MPa, the elastic modulus was 9.5 GPa, and the breaking elongation was 0.027%. From these results, it can be seen that the 2,5-polybenzimidazole is rigid and has excellent mechanical strength.
製造例2
フラスコ内を窒素ガス置換し、当該フラスコ内に乾燥させたジメチルスルホキシド10mLを入れた後、2,5-ポリベンズイミダゾール470mg(1当量)および水素化リチウム1.11g(3当量)をフラスコ内に添加し、窒素ガス雰囲気中で攪拌しながら室温下で2,5-ポリベンズイミダゾールと水素化リチウムとを24時間反応させることにより、反応混合物を得た。前記で得られた反応混合物を80℃で1時間加熱することにより、濃い赤色が発色し、式(III)で表わされるベンズイミダゾールポリマーの製造中間体が得られた。
Manufacturing example 2
The inside of the flask was replaced with nitrogen gas, 10 mL of dried dimethyl sulfoxide was placed in the flask, and then 2,5-polybenzimidazole 470 mg (1 equivalent) and 1.11 g of lithium hydride (3 equivalents) were placed in the flask. The reaction mixture was obtained by reacting 2,5-polybenzimidazole with lithium hydride for 24 hours at room temperature while stirring in a nitrogen gas atmosphere. By heating the reaction mixture obtained above at 80 ° C. for 1 hour, a deep red color was developed, and a production intermediate of the benzimidazole polymer represented by the formula (III) was obtained.
次に、前記で得られた反応混合物を室温まで放冷し、攪拌下で15分間かけてゆっくりとトリエチルボラン40mL(6当量)をフラスコ内に添加したところ、黄色の沈殿物が形成された。この沈殿物は、反応温度が低下し、80℃に到達した時点では溶解していた。 Next, the reaction mixture obtained above was allowed to cool to room temperature, and 40 mL (6 eq) of triethylborane was slowly added into the flask over 15 minutes with stirring to form a yellow precipitate. This precipitate was dissolved when the reaction temperature decreased and reached 80 ° C.
前記で得られた反応混合物をさらに24時間撹拌し、反応混合物の温度を室温にまで放冷した後、トルエンとアセトンとの混合溶媒〔トルエン/アセトン(容量比):50/50〕に添加することにより、生成したポリマーを沈殿させた。 The reaction mixture obtained above is further stirred for 24 hours, allowed to cool to room temperature, and then added to a mixed solvent of toluene and acetone [toluene / acetone (volume ratio): 50/50]. This caused the resulting polymer to precipitate.
前記で得られたポリマーを80℃の雰囲気中で3日間乾燥させた後、N,N-ジメチルホルムアミドに添加して溶解させ、トルエンとアセトンとの混合溶媒〔トルエン/アセトン(容量比):50/50〕に添加して再沈殿させることによって精製し、得られたポリマーを回収した。前記で得られたポリマーを減圧乾燥機中で80℃にて3日間乾燥させた。 The polymer obtained above is dried in an atmosphere of 80 ° C. for 3 days, then added to N, N-dimethylformamide to dissolve it, and a mixed solvent of toluene and acetone [toluene / acetone (volume ratio): 50. Purification was performed by adding to / 50] and reprecipitating, and the obtained polymer was recovered. The polymer obtained above was dried at 80 ° C. for 3 days in a vacuum dryer.
前記で得られたポリマーのフーリエ変換型赤外分光分析(FT-IR)を図5に示す。図5に示された結果から、前記で得られたポリマーは、式(I)で表わされる繰り返し単位および式(II)で表わされる繰り返し単位を有するベンズイミダゾールポリマーであることが確認された。 The Fourier transform infrared spectroscopic analysis (FT-IR) of the polymer obtained above is shown in FIG. From the results shown in FIG. 5, it was confirmed that the polymer obtained above was a benzimidazole polymer having a repeating unit represented by the formula (I) and a repeating unit represented by the formula (II).
また、前記で得られたポリマーにおいて、式(I)で表わされる繰り返し単位10200であり、式(II)で表わされる繰り返し単位の数平均分子量は25400であることがゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)によって確認された。また、13C-NMRスペクトルの測定結果から、前記で得られたポリマーは、式(IV)において、qとrとの質量比が55/45である化合物であることが確認された。 Further, in the polymer obtained above, gel permeation chromatography (GPC) indicates that the repeating unit represented by the formula (I) is 10200 and the number average molecular weight of the repeating unit represented by the formula (II) is 25400. ) Confirmed by. Further, from the measurement results of the 13 C-NMR spectrum, it was confirmed that the polymer obtained above was a compound having a mass ratio of q and r of 55/45 in the formula (IV).
前記で得られたベンズイミダゾールポリマーの11B-NMRスペクトルを調べた。その結果を図6に示す。図6は、前記ベンズイミダゾールポリマーの11B-NMRスペクトルを示すグラフである。 The 11 B-NMR spectrum of the benzimidazole polymer obtained above was examined. The results are shown in FIG. FIG. 6 is a graph showing the 11 B-NMR spectrum of the benzimidazole polymer.
図6に示された結果から、前記で得られたベンズイミダゾールポリマーにおいて、ホウ素原子が前記ベンズイミダゾールポリマーの製造中間体のリチウム原子が存在していた箇所のみに導入されており、ボロン化されたベンズイミダゾールに基づく繰り返し単位の比率が45モル%であることが確認された。 From the results shown in FIG. 6, in the benzimidazole polymer obtained above, the boron atom was introduced only in the place where the lithium atom of the production intermediate of the benzimidazole polymer was present, and the benzimidazole polymer was boronized. It was confirmed that the ratio of repeating units based on benzimidazole was 45 mol%.
実施例1
製造例2で得られたベンズイミダゾールポリマー67mgおよび1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド33mgをバイアル瓶に入れ、攪拌しながら80℃の温度にて減圧下で約10時間乾燥させることにより、黄色のペースト状のリチウムイオン導電性組成物Aを得た。
Example 1
67 mg of the benzimidazole polymer and 33 mg of 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide obtained in Production Example 2 are placed in a vial and stirred at a temperature of 80 ° C. under reduced pressure for about 10 By drying for a time, a yellow paste-like lithium ion conductive composition A was obtained.
実施例2
実施例1において、ベンズイミダゾールポリマーの量を50mgに変更し、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドの量を50mgに変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン導電性組成物Bを得た。
Example 2
Same as in Example 1 except that the amount of benzimidazole polymer was changed to 50 mg and the amount of 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide was changed to 50 mg. Obtained a lithium ion conductive composition B.
実施例3
実施例1において、ベンズイミダゾールポリマーの量を33mgに変更し、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドの量を67mgに変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン導電性組成物Cを得た。
Example 3
Same as Example 1 except that the amount of benzimidazole polymer was changed to 33 mg and the amount of 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide was changed to 67 mg in Example 1. Obtained a lithium ion conductive composition C.
実施例4
実施例1において、ベンズイミダゾールポリマーの量を25mgに変更し、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドの量を75mgに変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン導電性組成物Dを得た。
Example 4
Same as Example 1 except that the amount of benzimidazole polymer was changed to 25 mg and the amount of 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide was changed to 75 mg in Example 1. Obtained a lithium ion conductive composition D.
実施例5
実施例1において、ベンズイミダゾールポリマーの量を20mgに変更し、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドの量を80mgに変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン導電性組成物Eを得た。
Example 5
Same as Example 1 except that the amount of benzimidazole polymer was changed to 20 mg and the amount of 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide was changed to 80 mg in Example 1. Obtained a lithium ion conductive composition E.
実験例1
各実施例で得られたリチウムイオン導電性組成物の物性として、イオン伝導度、キャリアーイオン数(A)、イオン輸送の活性化エネルギー(B)、信頼性(R2)、リチウムイオン輸率およびリチウムイオン伝導度を以下の方法に基づいて調べた。その結果を表2に示す。
Experimental Example 1
The physical properties of the lithium ion conductive composition obtained in each example include ion conductivity, carrier ion number (A), ion transport activation energy (B), reliability (R2), lithium ion transport rate and lithium. The ionic conductivity was investigated based on the following method. The results are shown in Table 2.
〔イオン伝導度〕
インピーダンスアナライザー(ソーラートロン社製、品番:1260)を用い、リチウムイオン導電性組成物のイオン伝導度を交流インピーダンス法で評価した。その際、測定温度を変化させてイオン伝導度の温度依存性を評価した。その結果を図7に示す。
[Ion conductivity]
The ion conductivity of the lithium ion conductive composition was evaluated by the AC impedance method using an impedance analyzer (manufactured by Solartron, product number: 1260). At that time, the temperature dependence of the ionic conductivity was evaluated by changing the measured temperature. The results are shown in FIG.
図7は、実施例1~5で得られたリチウムイオン導電性組成物A~Eのイオン伝導度の温度依存性の測定結果を示すグラフである。なお、図7において、A~Eは、それぞれ順に、リチウムイオン導電性組成物A~Eのデータを示す。 FIG. 7 is a graph showing the measurement results of the temperature dependence of the ionic conductivity of the lithium ion conductive compositions A to E obtained in Examples 1 to 5. In FIG. 7, A to E show the data of the lithium ion conductive compositions A to E, respectively, in order.
〔キャリアーイオン数(A)、イオン輸送の活性化エネルギー(B)および信頼性(R2)〕
図7に示された結果に基づき、Vogel-Fulcher-Tammanプロット(以下、VFTプロットという)によるリチウムイオン導電性組成物のイオン伝導挙動を解析した。より具体的には、式(1):
σT1/2=Aexp(-B/(T-T0)) (1)
(式中、Aはキャリアーイオン数、Bはイオン輸送の活性化エネルギー、T0はガラス転移温度を示す)
に基づき、VFTプロットを作成した。その結果を図8に示す。図8は、図7に示されたイオン伝導度の温度依存性の測定結果をVFTプロットしたグラフである。
[Number of carrier ions (A), activation energy of ion transport (B) and reliability (R2)]
Based on the results shown in FIG. 7, the ion conduction behavior of the lithium ion conductive composition by the Vogel-Fulcher-Taman plot (hereinafter referred to as VFT plot) was analyzed. More specifically, the equation (1):
σT 1/2 = Aexp (-B / (T-T 0 )) (1)
(In the formula, A is the number of carrier ions, B is the activation energy of ion transport, and T 0 is the glass transition temperature.)
Based on, a VFT plot was created. The results are shown in FIG. FIG. 8 is a graph in which the measurement results of the temperature dependence of the ionic conductivity shown in FIG. 7 are VFT plotted.
図8において、縦軸切片がキャリアーイオン数(A)であり、直線の傾きがイオン輸送の活性化エネルギー(B)である。 In FIG. 8, the vertical intercept is the number of carrier ions (A), and the slope of a straight line is the activation energy (B) of ion transport.
なお、表2に記載の信頼性(R2)は、図8で示されたグラフの直線性を意味し、その値が1に近くなることが好ましい。 The reliability (R2) shown in Table 2 means the linearity of the graph shown in FIG. 8, and its value is preferably close to 1.
〔リチウムイオン輸率〕
リチウムイオン導電性組成物のリチウムイオンおよび対アニオンの拡散係数比からリチウムイオン輸率を算出した。
[Lithium ion transport number]
The lithium ion transport number was calculated from the diffusivity ratio of lithium ion and counter anion in the lithium ion conductive composition.
〔リチウムイオン伝導度〕
ステンレス製の一対の電極を用意し、リチウムイオン導電性組成物を電解質として用いて二極式評価セルを作製した。この二極式評価セルを用い、交流分極法によりリチウムイオン伝導度を測定した。
[Lithium ion conductivity]
A pair of stainless steel electrodes was prepared, and a lithium ion conductive composition was used as an electrolyte to prepare a bipolar evaluation cell. Using this bipolar evaluation cell, the lithium ion conductivity was measured by the AC polarization method.
なお、参考のため、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドのイオン伝導度を表2に併記する(出展: N. Matsumi et al., ChemElectroChem., 2015, 2, 1913-1916)。 For reference, the ionic conductivity of 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide is also shown in Table 2 (exhibitor: N. Matsumi et al., ChemElectroChem., 2015, 2, 1913-1916).
表2に示された結果から、各実施例で得られたリチウムイオン導電性組成物は、いずれも、イオン伝導度、キャリアーイオン数、活性化エネルギー、信頼性、リチウムイオン輸率およびリチウムイオン伝導度に優れていることがわかる。 From the results shown in Table 2, the lithium ion conductive compositions obtained in each example all had ion conductivity, carrier ion number, activation energy, reliability, lithium ion transport number and lithium ion conduction. It turns out that it is excellent in degree.
また、各実施例のなかでは、実施例3~5で得られたリチウムイオン導電性組成物は、リチウムイオン輸率およびリチウムイオン伝導度に優れており、それらのなかでも実施例3で得られたリチウムイオン導電性組成物は、イオン伝導度にも優れていることがわかる。 Further, among the examples, the lithium ion conductive compositions obtained in Examples 3 to 5 are excellent in lithium ion transport number and lithium ion conductivity, and among them, the lithium ion conductive compositions obtained in Example 3 are obtained. It can be seen that the lithium ion conductive composition is also excellent in ionic conductivity.
実験例2
実施例4で得られたリチウムイオン導電性組成物Dを用い、以下のようにして充放電試験を行なった。
Experimental Example 2
Using the lithium ion conductive composition D obtained in Example 4, a charge / discharge test was performed as follows.
図9に示される構造を有する半電池を用いた。図9は、半電池の構造を示す概略説明図である。図9に示されるように上から順に金属製アノード容器1、固定具2、スペーサー3、作用電極4としてシリコンプレート(直径:15mm、厚さ:100μm)、セパレータ5として円形のポリプロピレン膜(直径:16mm、厚さ:25μm)、対極6としてリチウム金属板(直径:15mm、厚さ:約60μm)、電解液7としてリチウムイオン導電性組成物Dおよび金属製カソード容器8がそれぞれ順に積層されたCR2025タイプのコイン型の半電池を作製した。
A half-cell having the structure shown in FIG. 9 was used. FIG. 9 is a schematic explanatory view showing the structure of the half cell. As shown in FIG. 9, a
コンパクト充放電装置〔(株)イーシーフロンティア製、品番:ECAD-1000〕を用い、0.1C(0.0172mA)の電流比でカットオフ電位限界(2.1~0.03V)にて前記で得られた半電池の充放電20サイクルを定電流で行なった。その結果を図10に示す。図10は、前記半電池の充放電試験の結果を示すグラフである。 Using a compact charge / discharge device [manufactured by EC Frontier Co., Ltd., product number: ECAD-1000], at a current ratio of 0.1 C (0.0172 mA) and at the cutoff potential limit (2.1 to 0.03 V) above. Twenty cycles of charging and discharging the obtained half-cell were carried out at a constant current. The results are shown in FIG. FIG. 10 is a graph showing the results of the charge / discharge test of the half cell.
図10において、Xは、第1回目のサイクルにおける放電容量であり、その放電容量は、1118mAh/gであった。また、Yは、第20回目のサイクルにおける放電容量であり、その放電容量は、1297mAh/gであった。 In FIG. 10, X is the discharge capacity in the first cycle, and the discharge capacity was 1118 mAh / g. Further, Y is the discharge capacity in the 20th cycle, and the discharge capacity was 1297 mAh / g.
以上の結果から、前記リチウムイオン導電性組成物を用いることにより、電池の充放電を可逆的に行なうことができ、充放電を繰り返しても1000mAh/g以上の放電容量が維持されることがわかる。また、充放電を繰り返すことにより、放電容量が増加していることから、充放電の繰り返しにより、良好な固体電解質界面が電極上に形成されているものと考えられる。 From the above results, it can be seen that by using the lithium ion conductive composition, the battery can be reversibly charged and discharged, and the discharge capacity of 1000 mAh / g or more is maintained even after repeated charging and discharging. .. Further, since the discharge capacity is increased by repeating charging and discharging, it is considered that a good solid electrolyte interface is formed on the electrode by repeating charging and discharging.
実験例3
リチウムイオン導電性組成物Aをプレート上に塗工することにより、フィルムを形成させた後、乾燥させた。得られたフィルムを加熱したときの質量減少を熱重量分析計(TGA)で調べた。その結果、加熱温度が250℃となるまで質量減少がほとんど認められなかったことから、前記フィルムは、250℃以上の耐熱性を有することが確認された。
Experimental Example 3
The lithium ion conductive composition A was applied onto the plate to form a film, which was then dried. The mass loss when the obtained film was heated was examined with a thermogravimetric analyzer (TGA). As a result, almost no mass decrease was observed until the heating temperature reached 250 ° C., and it was confirmed that the film had heat resistance of 250 ° C. or higher.
実験例4
リチウムイオン導電性組成物A~Eの熱重量分析による5%重量減少温度(Td5)および10%重量減少温度(Td10)を大気中で前記熱重量分析の測定条件で測定した。その結果を表3に示す。
Experimental Example 4
The 5% weight loss temperature (T d5 ) and the 10% weight loss temperature (T d10 ) by thermogravimetric analysis of the lithium ion conductive compositions A to E were measured in the atmosphere under the measurement conditions of the thermogravimetric analysis. The results are shown in Table 3.
表3に示された結果から、前記リチウムイオン導電性組成物は、いずれも、10%重量減少温度(Td10)が340℃以上であることから、従来のポリアクリロニトリル(ガラス転移温度:104℃)が用いられている多孔性リチウムイオン導電性ポリマーと対比して、耐熱性に格段に優れていることがわかる。 From the results shown in Table 3, all of the lithium ion conductive compositions have a 10% weight loss temperature (T d10 ) of 340 ° C. or higher, and thus the conventional polyacrylonitrile (glass transition temperature: 104 ° C.). It can be seen that the heat resistance is significantly superior to that of the porous lithium ion conductive polymer in which) is used.
以上の結果から、本発明のリチウムイオン導電性組成物は、従来のポリアクリロニトリルが用いられている多孔性リチウムイオン導電性ポリマーと対比して耐熱性に優れているのみならず、リチウムイオン伝導性にも優れ、高リチウムイオン輸率を有することがわかる。 From the above results, the lithium ion conductive composition of the present invention is not only excellent in heat resistance as compared with the porous lithium ion conductive polymer in which the conventional polyacrylonitrile is used, but also has lithium ion conductivity. It can be seen that it is also excellent and has a high lithium ion transport number.
本発明のリチウムイオン導電性組成物は、耐熱性に優れているのみならず、リチウムイオン伝導性にも優れ、高リチウムイオン輸率を有することから、リチウムイオン二次電池用電解質に好適に使用することができるので、これらの性質が要求される用途、例えば、航空機、自動車、鉄道車両、船舶などの輸送機器、電子機器などに使用されるリチウムイオン二次電池に使用することが期待される。 The lithium ion conductive composition of the present invention is not only excellent in heat resistance, but also excellent in lithium ion conductivity and has a high lithium ion transport rate, so that it is suitably used as an electrolyte for a lithium ion secondary battery. Therefore, it is expected to be used in applications that require these properties, such as lithium-ion secondary batteries used in transportation equipment such as aircraft, automobiles, railroad vehicles, ships, and electronic equipment. ..
1 金属製アノード容器
2 固定具
3 スペーサー
4 作用電極
5 セパレータ
6 対極
7 電解液
8 金属製カソード容器
1
Claims (2)
で表わされる繰り返し単位を有するベンズイミダゾールポリマーおよびイオン液体を含有することを特徴とするリチウムイオン導電性組成物。 Equation (I):
A lithium ion conductive composition comprising a benzimidazole polymer and an ionic liquid having a repeating unit represented by.
An electrolyte for a lithium ion secondary battery comprising the lithium ion conductive composition according to claim 1.
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