JP7510240B2 - Solid ionically conductive polymer materials - Google Patents
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Description
連邦政府資金による研究開発の記載(適用なし) Statement regarding federally funded research and development (not applicable)
発明の分野
本発明は、一般にポリマー化学に関し、より詳細には固体ポリマー電解質およびそれらの合成法に関する。
FIELD OF THEINVENTION The present invention relates generally to polymer chemistry, and more particularly to solid polymer electrolytes and methods for their synthesis.
発明の背景
バッテリーの歴史は進歩が遅く、しかも徐々に改善されてきたものの一つである。バッテリーの性能、コストおよび安全性は、歴史的に矛盾する目標を有しており、グリッドレベルでの蓄電(grid-level storage)およびモバイルパワー(mobile power)のような最終用途の実行可能性を限定する、相反する結果を生じる。変革的なバッテリーの需要は国家レベルでの関心に達し、より高いエネルギー密度および低コストで安全な電気化学的エネルギーの貯蔵をもたらすために最大の努力を推進している。
2. Background of the Invention The history of batteries is one of slow progress and incremental improvements. Battery performance, cost, and safety have historically had conflicting goals, resulting in conflicting outcomes that limit the viability of end uses such as grid-level storage and mobile power. The demand for transformative batteries has reached national interest, driving extensive efforts to provide higher energy density and low-cost, safe electrochemical energy storage.
アレッサンドロ ボルタ(Alessandro Volta)は「ボルタ電堆」として知られるようになった正真正銘の最初のバッテリーを発明した。これは電解質として塩水に浸した布または板紙の層により互いに分離された上に積み重ねられた亜鉛および銅板対からなる。この知見は現実的ではないが、電気化学的電池および電解質の役割の理解を深めた。 Alessandro Volta invented the first true battery, which became known as the "Voltaic pile". This consisted of a pair of zinc and copper plates stacked on top of each other, separated from each other by a layer of cloth or paperboard soaked in salt water as the electrolyte. Although this discovery was not practical, it advanced the understanding of electrochemical cells and the role of electrolytes.
ボルタ以来、発明者達は水または有機溶媒中の塩、アルカリまたは酸の濃溶液で充填された多孔質セパレータに基づく液体電解質の改良を行った。これらの液体電解質は一般に腐食性かつ/または可燃性であり、そして多くの場合で電極材料に対して熱力学的に不安定であり、性能の限界および安全性の問題を生じる。このような課題により、バッテリーの開発に関しては固体状電解質が大いに魅力的なものとなる。固体電解質は電解質の漏出がないこと、より適応性のある配置(flexible geometry)、より高いエネルギー密度の電極および改善された安全性といった実質的な利点を提供することができる。 Since Volta, inventors have improved upon liquid electrolytes based on porous separators filled with concentrated solutions of salts, alkalis, or acids in water or organic solvents. These liquid electrolytes are generally corrosive and/or flammable, and in many cases are thermodynamically unstable with respect to the electrode materials, resulting in performance limitations and safety issues. These challenges make solid-state electrolytes highly attractive for battery development. Solid-state electrolytes can offer substantial advantages, such as no electrolyte leakage, more flexible geometry, higher energy density electrodes, and improved safety.
セラミックスおよびガラスは、イオン伝導性(ionic conductivity)を有するように見出され、そして開発されることになった最初の固体材料であった。さらに材料は続いたが、これら全ての材料は全て大変高温でのみ十分に高いイオン伝導性が利用できるという特性を有する。例えば日本のトヨタ(Toyota)は、ガラス状セラミックLi10GeP2S12である新な「結晶超イオン結晶(crystalline s
uperionic crystal)」を使用した研究開発を発表した。しかしこの材料は140℃より上でのみ高い伝導性を有し、しかもセラミックスは製造上の、および脆さの通例の問題に悩まされる。セラミックスを用いた製造上の課題は、特にバッテリー電極への材料の包含をできなくすることとなる。
Ceramics and glasses were the first solid-state materials found and developed to have ionic conductivity. Further materials followed, but all of these materials have the property that sufficiently high ionic conductivity is only available at very high temperatures. For example, Toyota in Japan has developed a new "crystalline superionic crystal", the glassy ceramic Li10GeP2S12 .
The company has announced research and development using "superionic crystal" for its battery electrodes. However, this material only has high conductivity above 140°C, and ceramics suffer from the usual problems of manufacturing and brittleness. The manufacturing challenges with ceramics in particular preclude the inclusion of the material in battery electrodes.
ポリマー電解質における最初の関心は、1975年にポリエチレンオキシド(PEO)の錯体が金属イオンを伝導できるというピーター V.ライト(Peter V.Wright)教授の知見が火付け役となった。その直後、ミハエル アーマンド(Michel Armand)教授はバッテリーの応用にPEO-リチウム塩錯体の潜在的使用を認識した。PEOとリチウム塩との組み合わせは、何年にもわたり開発された。この材料の一例がP(EO)nLiBETI錯体である。過去30年間、ポリエチレンオキシド(P
EO) -(CH2CH2-O)n-の伝導性を改善する多くの試みがあった。これらのP
EO基材では、カチオンの可動性(mobility)はポリマーのセグメント運動(segmental motion)により支配される。PEOのこのセグメント運動は、効果的な液体様メカニズムであるが、鎖のもつれおよび部分的結晶化度は電解質に幾らか固体のバルク特性を与える可能性がある。しかしセグメント運動はPEOがイオン伝導性となるために必須である。
Initial interest in polymer electrolytes was sparked in 1975 by Professor Peter V. Wright's discovery that complexes of polyethylene oxide (PEO) could conduct metal ions. Shortly thereafter, Professor Michael Armand recognized the potential use of PEO-lithium salt complexes for battery applications. Combinations of PEO and lithium salts have been developed over the years. One example of this material is the P(EO) n LiBETI complex. Over the past 30 years, polyethylene oxide (PEO) has been used as a conductive material for many applications.
There have been many attempts to improve the conductivity of P
In EO-based materials, cation mobility is dominated by the segmental motion of the polymer. This segmental motion of PEO is an effectively liquid-like mechanism, although chain entanglements and partial crystallinity may give the electrolyte some solid bulk properties. However, segmental motion is essential for PEO to be ionically conductive.
可塑化ポリマー-塩錯体は、固体ポリマーと液体電解質との間の折り合い(compromise)をつけるように液体可塑剤をPEOに加えることにより調製される。この環境的伝導性の大きさは、セグメント運動が上昇するので実質的に強化されるが、フィルムの機械的完全性の劣化、ならびに金属電極に対するポリマー電解質の腐食反応性の上昇という犠牲を払っている。 Plasticized polymer-salt complexes are prepared by adding a liquid plasticizer to PEO to achieve a compromise between the solid polymer and the liquid electrolyte. The magnitude of this environmental conductivity is substantially enhanced due to increased segmental motion, but at the expense of a deterioration of the mechanical integrity of the film as well as an increased corrosive reactivity of the polymer electrolyte towards the metal electrode.
ゲル電解質は、大量の液体溶媒(1もしくは複数)/液体可塑剤をポリマーマトリックスに包含させ、溶媒/可塑剤がポリマーホスト構造とのゲルを形成可能であることにより、得られる。液体溶媒はマトリックス中のポリマーにトラップされ、さもなくば非伝導性である固体ポリマーを通る液状伝導性通路を形成する。ゲル電解質は高い環境(ambient)伝導性を提供できるが、可塑化ポリマー電解質について述べたものと同様な欠点にも悩まされる。 Gel electrolytes are achieved by incorporating a large amount of liquid solvent(s)/liquid plasticizer into a polymer matrix, where the solvent/plasticizer is capable of forming a gel with the polymer host structure. The liquid solvent becomes trapped by the polymer in the matrix, forming a liquid conductive pathway through the otherwise non-conductive solid polymer. Gel electrolytes can provide high ambient conductivity, but suffer from similar drawbacks as those mentioned for plasticized polymer electrolytes.
ゴム様電解質は、実際にはポリマー中塩(salt-in-polymer)とは対照的な塩中ポリマー系(polymer-in-salt system)であり、ここで大量の塩が少量のポリマー、すなわちポリ(エチレンオキシド)(PEO)、ポリ(プロピレンオキシド)(PPO)等と混合されている。これらの材料のガラス転移温度は低温であり、室温でゴム様または粘弾性を維持することができ、このことは次いでセグメント運動の強化による高い伝導性を提供する。しかし錯化/溶解した塩は結晶化の傾向があり、したがってそれらの現実的な電気化学的デバイスでの使用を妨げる。 Rubber-like electrolytes are actually polymer-in-salt systems as opposed to salt-in-polymer, where a large amount of salt is mixed with a small amount of polymer, namely poly(ethylene oxide) (PEO), poly(propylene oxide) (PPO), etc. The glass transition temperatures of these materials are low and they can remain rubber-like or viscoelastic at room temperature, which in turn provides high conductivity due to enhanced segmental motion. However, the complexed/dissolved salts are prone to crystallization, thus preventing their use in practical electrochemical devices.
複合ポリマー電解質は、少画分のミクロ/ナノサイズの無機(セラミック)/有機充填剤粒子を、従来のポリマーホストに単に分散することにより調製される。ポリマーは第一相として作用し、一方、充填剤材料は第二相に分散される。分散の結果として、イオン伝導性、機械的安定性および界面活性は強化され得る。イオン伝導性は、充填剤の存在でポリマーの結晶化レベルの低下、およびそれに対応するセグメント運動の上昇に起因する。 Composite polymer electrolytes are prepared by simply dispersing a small fraction of micro/nano-sized inorganic (ceramic)/organic filler particles into a conventional polymer host. The polymer acts as the first phase, while the filler material is dispersed in the second phase. As a result of the dispersion, ionic conductivity, mechanical stability and interfacial activity can be enhanced. Ionic conductivity is attributed to a decrease in the crystallization level of the polymer in the presence of the filler, and a corresponding increase in segmental motion.
ポリ電解質は、ポリマー骨格に共有結合した荷電基を含み、これが反対に荷電したイオンを大変可動性にする。荷電基はカチオン性拡散に必要なセグメント運動を介してフレキシブルとなる。 Polyelectrolytes contain charged groups covalently attached to the polymer backbone, which make the oppositely charged ions highly mobile. The charged groups are flexible through the segmental motions required for cationic diffusion.
他のポリマー電解質には、Rod-Coil Blockポリイミド(NASAリサーチ)および種々のポリマー/液体ブレンド(イオン性液体/PVDF-HFP)がある。残念なことにイオン伝導性を可能にするために、ポリマーのセグメント運動が必要なので、室温での低い伝導性はこれら既知のポリマー電解質のすべてを現実的な応用から排除する。典型的なポリマー電解質のイオン伝導性は材料のガラス転移温度(Tg)を超える温度におけるセグメント運動に依存するので、有用な固体ポリマー電解質を作製するための
全ての試みは、結晶相の抑止、および/または、セグメント運動が可能な状態(すなわち、粘弾性もしくはゴム様)へのガラス相転移温度の低下に集中してきた。
Other polymer electrolytes include Rod-Coil Block polyimide (NASA Research) and various polymer/liquid blends (ionic liquid/PVDF-HFP). Unfortunately, the low conductivity at room temperature precludes all of these known polymer electrolytes from practical applications, since segmental motion of the polymer is necessary to enable ionic conductivity. Because the ionic conductivity of typical polymer electrolytes depends on segmental motion above the glass transition temperature (Tg) of the material, all attempts to create useful solid polymer electrolytes have focused on suppressing the crystalline phase and/or lowering the glass phase transition temperature to a state where segmental motion is possible (i.e., viscoelastic or rubbery).
結晶および非晶相の両方が存在するポリマー―塩錯体では、イオン輸送は非晶相で起こる。Vogel-Tamman-Fulcher(VTF)式は、ポリマーを通るイオン拡散の挙動を説明する。VTF式は、イオンが短いポリマーセグメントの半ランダム運動により輸送される仮定に基づく。そのようなセグメント運動の発生は、温度がガラス転移温度、Tgより上に上がった時に起こり、そして粘弾性状態で温度がより高くなればさらに迅速になる。セグメント運動は、ポリマー上のイオンに呼応する多数の配位部位の溶媒和の破壊と、イオンが拡散できる空間または自由容積の提供の両方によりイオン運動を促進すると考えられる。ポリマーのセグメント運動がイオン輸送に必要であるという事実により、一般にそのような錯体が低いガラス転移温度の非晶質材料に集中せざるを得なくなった。 In polymer-salt complexes where both crystalline and amorphous phases exist, ion transport occurs in the amorphous phase. The Vogel-Tamman-Fulcher (VTF) equation describes the behavior of ion diffusion through polymers. The VTF equation is based on the assumption that ions are transported by the semi-random motion of short polymer segments. The occurrence of such segmental motion occurs when the temperature is raised above the glass transition temperature, Tg, and becomes more rapid at higher temperatures in the viscoelastic state. Segmental motion is thought to facilitate ion motion both by disrupting the solvation of the multiple coordination sites corresponding to the ions on the polymer and by providing space or free volume through which the ions can diffuse. The fact that segmental motion of the polymer is necessary for ion transport has generally forced such complexes to focus on amorphous materials with low glass transition temperatures.
発明の要約
一つの観点によれば、30%より高い結晶化度(crystallinity);融解温度;ガラス状態;および少なくとも1つのカチオン性およびアニオン性拡散イオン(diffusing ion)の両方を含んでなる固体のイオン伝導性ポリマー材料が提供され、ここで拡散イオンはガラス状態で可動性である。材料はさらに複数の電荷移動錯体、および
複数のモノマーを含んでなることができ、ここで各電荷移動錯体はモノマー上に位置している。
SUMMARY OF THE DISCLOSURE According to one aspect, there is provided a solid, ionically conductive polymeric material comprising a crystallinity greater than 30%; a melting temperature; a glassy state; and at least one both cationic and anionic diffusing ion, wherein the diffusing ion is mobile in the glassy state. The material may further comprise a plurality of charge transfer complexes, and a plurality of monomers, wherein each charge transfer complex is located on a monomer.
材料はさらに、室温で1.0×105オームcm2未満の単位面積当たりの抵抗(area specific resistance)を含んでなることができる。 The material may further comprise an area specific resistance of less than 1.0×10 5 ohms cm 2 at room temperature.
一つの観点では、固体半結晶イオン伝導性ポリマー材料が提供され、それは、複数のモノマー;各電荷移動錯体がモノマー上に位置する複数の電荷移動錯体を有し、材料の単位面積当たりの抵抗が室温で1.0×105オームcm2未満である。材料は、30%より高い結晶化度;材料の融解温度未満の温度で存在するガラス状態;およびカチオン性およびアニオン性拡散イオンの両方を有することができ、これにより各拡散イオンはガラス状態で可動性である。 In one aspect, a solid semi-crystalline ionically conducting polymeric material is provided having a plurality of monomers; a plurality of charge transfer complexes, each charge transfer complex located on a monomer, and the material has a resistance per unit area of less than 1.0×10 ohms cm 2 at room temperature. The material can have a crystallinity greater than 30%; a glassy state that exists at a temperature below the melting temperature of the material; and both cationic and anionic diffusing ions, whereby each diffusing ion is mobile in the glassy state.
固体イオン伝導性ポリマー材料のさらなる観点によれば、材料の観点は以下の1もしくは複数を含むことができる:
電荷移動錯体が、ポリマーと電子受容体との反応により形成される;
材料が、ガラス状態、および少なくとも1つのカチオン性および少なくとも1つのアニオン性拡散イオンを有し、ここで各拡散イオンがガラス状態で可動性である;
材料が少なくとも3つの拡散イオンを有する;
材料が1より多くのアニオン性拡散イオンを含む;
材料の融解温度が250℃より高い;
材料のイオン伝導率が室温で1.0×10-5S/cmより高い;
材料が単一のカチオン性拡散イオンを含んでなり、ここでカチオン性拡散イオンの拡散率が室温で1.0×10-12m2/sより高い;
材料が単一のアニオン性拡散イオンを含んでなり、ここでアニオン性拡散イオンの拡散率が室温で1.0×10-12m2/sより高い;
少なくとも1つのカチオン性拡散イオンが、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属またはポスト遷移金属を含んでなる材料;
材料がモノマーあたり少なくとも1つのアニオン性拡散イオンを含む;
材料がモノマーあたり少なくとも1つのカチオン性拡散イオンを含む;
材料が1リットルの材料あたり少なくとも1モルのカチオン性拡散イオンを含む;
材料の電荷移動錯体が、ポリマー、電子受容体およびイオン化合物の反応により形成され、ここで各カチオン性およびアニオン性拡散イオンがイオン化合物の反応生成物である;
材料が少なくとも1つのイオン化合物から形成され、ここでイオン化合物がそれぞれカチオン性およびアニオン性拡散イオンを含んでなる;
材料が熱可塑性物質である;
材料のカチオン性拡散イオンがリチウムを含んでなる;
材料の少なくとも1つのカチオン性およびアニオン性拡散イオンが拡散率を有し、ここでカチオン性拡散率がアニオン性拡散率よりも大きい;
材料の材料カチオン輸率(transference number)が0.5より高く、そして1.0未満である;
材料のカチオン性拡散イオンの濃度が、1リットルの材料あたり3モルのカチオンより高い;
材料のカチオン性拡散イオンがリチウムを含んでなる;
材料の拡散カチオンが一価である;
拡散カチオンの原子価が1より大きい;
材料がモノマーあたり1より多くの拡散アニオンを含む;
材料の拡散アニオンがヒドロキシルイオンである;
材料の拡散アニオンが一価である;
材料の拡散アニオンおよび拡散カチオンが一価である;
材料の少なくとも1つのカチオン性およびアニオン性拡散イオンが拡散率を有し、ここでアニオン性拡散率がカチオン性拡散率よりも大きい;
材料の材料カチオン輸率が0.5以下で、しかもゼロより大きい;
材料の少なくともカチオン性拡散イオンが1.0×10-12m2/sより大きい拡散率を有する;
材料の少なくとも1つのアニオン性拡散イオンの1つが1.0×10-12m2/sより大きい拡散率を有する;
材料の少なくとも1つのアニオン性拡散イオンおよび少なくとも1つのカチオン性拡散イオンが1.0×10-12m2/sより大きい拡散率を有する;
材料の各モノマーがモノマーの骨格に位置する芳香族環または複素環構造を含んでなる;
材料がさらに、環構造に包含されるかまたは環構造に隣接する骨格上に位置するヘテロ原子を含む;
材料が含むヘテロ原子が、硫黄、酸素または窒素からなる群から選択される;
材料のヘテロ原子が環構造に隣接するモノマーの骨格上に位置する;
材料のヘテロ原子が硫黄である;
材料がパイ共役である;
モノマーあたり少なくとも1つの材料のアニオン性拡散イオン、そしてここで少なくとも1つのモノマーがリチウムイオンを含んでなる;
材料が複数のモノマーを含んでなり、ここでモノマーの分子量が100グラム/モルより大きい;
材料が親水性である;
材料のイオン伝導性が等方性である;
材料が、室温で1×10-4S/cmより大きいイオン伝導率を有する;
材料が、80℃で1×10-3S/cmより大きいイオン伝導率を有する;
材料が、-40℃で1×10-5S/cmより大きいイオン伝導率を有する;
材料のカチオン性拡散イオンがリチウムを含んでなり、そしてここでリチウムイオンの拡散率が室温で1.0×10-13m2/sより大きい;
材料が不燃性である;
材料が第二の材料と混合した時に非反応性であり、ここで第二の材料が電気化学的に活性な材料、電気伝導性材料、レオロジー改質材料および安定化材料を含んでなる群から選択される;
材料がフィルムの形状である;
材料のヤング率が3.0MPa以上である;
材料が電子受容体によりドープされた後にイオン伝導性となる;
材料が、カチオン性およびアニオン性拡散イオンの両方を含むか、または電子受容体による酸化を介してカチオン性およびアニオン性拡散イオンの両方に変換可能ないずれかのイオン化合物の存在下で、電子受容体によりドープされた後にイオン伝導性となる;
材料が、基材ポリマー、電子受容体およびイオン化合物の反応生成物から形成される;
材料の基材ポリマーが共役ポリマーである;
材料の基材ポリマーがPPSまたは液晶ポリマーである;
材料のイオン化合物反応物が酸化物、塩化物、水酸化物または塩である;
材料の電荷移動錯体が電子受容体とポリマーとの反応により形成される;および
材料の反応物電子受容体がキノンまたは酸素である。
According to further aspects of the solid, ionically conductive polymer material, the material aspects can include one or more of the following:
A charge transfer complex is formed by reaction of the polymer with an electron acceptor;
the material has a glassy state and at least one cationic and at least one anionic diffusing ion, where each diffusing ion is mobile in the glassy state;
The material has at least three diffusing ions;
The material contains more than one anionic diffusing ion;
The melting temperature of the material is greater than 250°C;
The ionic conductivity of the material is greater than 1.0×10 −5 S/cm at room temperature;
the material comprises a single cationic diffusing ion, wherein the diffusivity of the cationic diffusing ion is greater than 1.0×10 −12 m 2 /s at room temperature;
the material comprises a single anionic diffusing ion, wherein the diffusivity of the anionic diffusing ion is greater than 1.0×10 −12 m 2 /s at room temperature;
a material in which at least one cationic diffusing ion comprises an alkali metal, an alkaline earth metal, a transition metal, or a post-transition metal;
The material comprises at least one anionic diffusing ion per monomer;
The material comprises at least one cationic diffusing ion per monomer;
the material comprises at least 1 mole of cationic diffusing ion per liter of material;
A charge transfer complex of the material is formed by reaction of a polymer, an electron acceptor and an ionic compound, where each cationic and anionic diffusing ion is a reaction product of the ionic compound;
the material is formed from at least one ionic compound, where the ionic compound comprises cationic and anionic diffusing ions, respectively;
the material is a thermoplastic;
The cationic diffusing ion of the material comprises lithium;
At least one cationic and anionic diffusive ion of the material has a diffusivity, where the cationic diffusivity is greater than the anionic diffusivity;
The material has a material cation transference number greater than 0.5 and less than 1.0;
The concentration of cationic diffusing ions in the material is greater than 3 moles of cations per liter of material;
The cationic diffusing ion of the material comprises lithium;
The diffusing cation of the material is monovalent;
The valence of the diffusing cation is greater than 1;
The material contains more than one diffusing anion per monomer;
The diffusing anion of the material is a hydroxyl ion;
The diffusing anion of the material is monovalent;
The diffusing anions and diffusing cations of the material are monovalent;
At least one cationic and anionic diffusive ion of the material has a diffusivity, where the anionic diffusivity is greater than the cationic diffusivity;
The material has a material cation transport number of less than or equal to 0.5 and greater than zero;
At least the cationic diffusing ions of the material have a diffusivity greater than 1.0×10 −12 m 2 /s;
one of the at least one anionic diffusing ions of the material has a diffusivity greater than 1.0×10 −12 m 2 /s;
At least one anionic diffusing ion and at least one cationic diffusing ion of the material has a diffusivity greater than 1.0×10 −12 m 2 /s;
Each monomer of the material comprises an aromatic or heterocyclic ring structure located on the backbone of the monomer;
the material further comprises a heteroatom located on the backbone either contained in the ring structure or adjacent to the ring structure;
The material contains heteroatoms selected from the group consisting of sulfur, oxygen, or nitrogen;
The heteroatoms of the material are located on the backbone of the monomer adjacent to the ring structure;
The heteroatom of the material is sulfur;
The material is pi-conjugated;
at least one anionic diffusing ion of the material per monomer, and wherein at least one monomer comprises a lithium ion;
the material comprises a plurality of monomers, wherein the molecular weight of the monomers is greater than 100 grams/mole;
The material is hydrophilic;
The ionic conductivity of the material is isotropic;
The material has an ionic conductivity greater than 1×10 −4 S/cm at room temperature;
The material has an ionic conductivity of greater than 1×10 −3 S/cm at 80° C.;
The material has an ionic conductivity of greater than 1×10 −5 S/cm at −40° C.;
the cationic diffusing ion of the material comprises lithium, and wherein the diffusivity of the lithium ion is greater than 1.0×10 −13 m 2 /s at room temperature;
The material is non-flammable;
The material is non-reactive when mixed with a second material, where the second material is selected from the group comprising electrochemically active materials, electrically conductive materials, rheology modifying materials and stabilizing materials;
The material is in the form of a film;
The Young's modulus of the material is 3.0 MPa or more;
The material becomes ionically conductive after being doped with an electron acceptor;
The material becomes ionically conductive after being doped with an electron acceptor in the presence of an ionic compound that either contains both cationic and anionic diffusing ions or is convertible to both cationic and anionic diffusing ions via oxidation by an electron acceptor;
The material is formed from a reaction product of a base polymer, an electron acceptor, and an ionic compound;
The base polymer of the material is a conjugated polymer;
The base polymer of the material is PPS or liquid crystal polymer;
The ionic compound reactant of the material is an oxide, chloride, hydroxide or salt;
A charge transfer complex of the material is formed by reaction of an electron acceptor with a polymer; and the reactant electron acceptor of the material is a quinone or oxygen.
一つの観点では、固体イオン伝導性高分子(macromolecule)および高分子を含む材料が提供され、これは;
各モノマーが芳香族環または複素環構造を含んでなる複数のモノマー;
環構造に包含されるか、または環構造に隣接して位置するいずれかのヘテロ原子;
カチオン性およびアニオン性拡散イオンの両方が高分子の構造に包含されるカチオン性およびアニオン性拡散イオン;
からなり、
ここでカチオン性およびアニオン性の両方が高分子に沿って拡散でき;
ここでカチオン性またはアニオン性が高分子に沿って拡散する時、ポリマー材料にセグメント運動が存在しない。
In one aspect, a solid, ionically conducting macromolecule and a material comprising the macromolecule are provided, which include:
A plurality of monomers, each monomer comprising an aromatic or heterocyclic ring structure;
Any heteroatom included in or adjacent to the ring structure;
cationic and anionic diffusing ions, both of which are incorporated into the structure of the polymer;
It consists of:
where both cationic and anionic species can diffuse along the polymer;
Here, there is no segmental motion in the polymeric material as cationic or anionic molecules diffuse along the polymer.
さらなるこの観点は、以下の1もしくは複数を含むことができる:
材料が1×10-4S/cmより大きいイオン伝導率を有する;
各モノマーの分子量がモル当たり100グラムより大きい;
材料の少なくとも1つのカチオン性拡散イオンが、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属またはポスト遷移金属を含んでなる;
一つの観点は、固体イオン伝導性ポリマー材料の作製法であって:複数のモノマーからなる基材ポリマー、電子受容体およびイオン化合物を混合して第一混合物を作製し;第一混合物を加熱して固体イオン伝導性ポリマー材料を作製する工程を含んでなる。
Further aspects of this may include one or more of the following:
The material has an ionic conductivity greater than 1×10 −4 S/cm;
The molecular weight of each monomer is greater than 100 grams per mole;
At least one cationic diffusing ion of the material comprises an alkali metal, an alkaline earth metal, a transition metal, or a post-transition metal;
In one aspect, a method of making a solid, ionically conducting polymer material comprises the steps of: mixing a base polymer of a plurality of monomers, an electron acceptor, and an ionic compound to form a first mixture; and heating the first mixture to form the solid, ionically conducting polymer material.
さらなる観点は、固体イオン伝導性ポリマー材料の作製法であって:複数のモノマーからなるポリマー、およびイオンを含んでなる化合物を混合して第一混合物を作製し;第一混合物を電子受容体でドープして第二混合物を作製し;そして第二混合物加熱する工程を含んでなる。 A further aspect is a method of making a solid, ionically conductive polymer material, comprising: mixing a polymer of a plurality of monomers and a compound comprising ions to form a first mixture; doping the first mixture with an electron acceptor to form a second mixture; and heating the second mixture.
さらなる観点は、固体イオン伝導性ポリマー材料の作製法であって:複数のモノマーからなるポリマー、および電子受容体を混合して第一混合物を作製し;第一混合物を加熱して電荷移動錯体を含んでなる中間体材料を作製し;中間体材料を、イオンを含んでなる化合物と混合して固体イオン伝導性ポリマー材料を作製する工程を含んでなる。 A further aspect is a method of making a solid, ionically conductive polymer material, comprising: mixing a polymer of a plurality of monomers and an electron acceptor to form a first mixture; heating the first mixture to form an intermediate material comprising a charge transfer complex; and mixing the intermediate material with a compound comprising ions to form the solid, ionically conductive polymer material.
固体イオン伝導性ポリマー材料を作製する方法のさらなる観点は、以下の1もしくは複数を含むことができる:
アニーリング工程、ここでアニーリング工程では基材ポリマーの結晶化度が上昇する;
基材ポリマーが複数のモノマーを含んでなり、そしてここでモノマー対電子受容体のモル比が1:1以上である;
基材ポリマーがガラス転移温度を有し、そしてここで基材ポリマーのガラス転移温度が80℃より高い;
混合工程の基材ポリマーおよびイオン化合物の重量比が5:1未満である;
加熱工程において、陽圧が混合物にかけられる;
加熱工程において、混合物が変色する;
加熱工程において、電荷移動錯体が形成される;
固体イオン伝導性ポリマー材料を第二材料と混合する追加の混合工程;
固体イオン伝導性ポリマー材料が押し出される押出し工程;および
固体イオン伝導性ポリマー材料が少なくとも1つのイオンを輸送するイオン伝導工程。
Further aspects of the method of making the solid, ionically conducting polymer material can include one or more of the following:
an annealing step, where the annealing step increases the crystallinity of the base polymer;
the substrate polymer comprises a plurality of monomers, and wherein the molar ratio of monomer to electron acceptor is 1:1 or greater;
the base polymer has a glass transition temperature, and where the glass transition temperature of the base polymer is greater than 80° C.;
The weight ratio of the base polymer and the ionic compound in the mixing step is less than 5:1;
During the heating step, positive pressure is applied to the mixture;
During the heating process, the mixture changes color;
During the heating step, a charge transfer complex is formed;
an additional mixing step of mixing the solid, ionically conductive polymer material with a second material;
an extrusion step in which the solid, ionically conductive polymer material is extruded; and an ionically conductive step in which the solid, ionically conductive polymer material transports at least one ion.
さらなる観点は:前記観点の材料、および電気化学的に活性な材料を含んでなる電気化学的に活性な材料複合体;
前記観点の材料を含んでなる電極;
前記観点の材料を含んでなるバッテリー;
前記観点の材料を含んでなる燃料電池;
前記観点の材料を含んでなる電解質;
前記観点の材料を含んでなるイオン伝導用の装置;
前記観点の材料を含んでなるイオンを伝導する方法;および
前記観点の材料を含んでなるイオンを分離する方法。
Further aspects include: an electrochemically active material composite comprising the material of the previous aspect and an electrochemically active material;
an electrode comprising the material of the above aspect;
A battery comprising the material of the above aspects;
A fuel cell comprising the material of the above aspect;
an electrolyte comprising the material of the preceding aspect;
A device for ion conduction comprising a material of the above aspect;
A method for conducting ions comprising the material of the previous aspect; and A method for separating ions comprising the material of the previous aspect.
さらなる観点では、新規イオン伝導メカニズムは、ポリマーの結晶相および非晶質のガラス状態の双方でイオン伝導を可能にし、これは室温で液体の伝導度を持つ固体ポリマー材料を可能にし;
そして増大した容量および寿命のために、ポリマーおよび電気化学的に活性な化合物を含有する複合負極および正極の作製をできるようにし;
豊富かつ廉価な活性材料の使用を可能にし;そして
低コスト、高容量押出し、および他のプラスチック加工技術を使用して新規なバッテリーの製造法を可能にする。
In a further aspect, the novel ion conduction mechanism allows for ion conduction in both the crystalline phase and the amorphous glassy state of the polymer, which allows for solid polymer materials with the conductivity of liquids at room temperature;
and enabling the creation of composite anodes and cathodes containing polymers and electrochemically active compounds for increased capacity and lifetime;
Allows the use of abundant and inexpensive active materials; and Allows novel battery manufacturing methods using low-cost, high-volume extrusion and other plastic processing techniques.
これらのおよび他の観点、特徴、利点および目的は、以下の明細書、請求の範囲および添付の図面を参照して当業者によりさらに理解および認められるだろう。 These and other aspects, features, advantages and objects will be further understood and appreciated by those skilled in the art with reference to the following specification, claims and accompanying drawings.
図面では:
好適な態様の詳細な説明
本特許出願は、2015年5月8日に出願した米国特許仮出願第62/158,841号の優先権を主張し、この開示は引用により全部、本明細書に編入する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS This patent application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/158,841, filed May 8, 2015, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.
以下の用語の説明は、この章で説明する観点、態様および目的をより詳細に説明するために提供される。説明または別段の定めがない限り、本明細書で使用するすべての技術的および科学的用語は、本開示が属する技術分野の当業者が一般に理解している意味と同じ意味を有する。開示する様々な態様を検討し易くするために、以下の特定の用語の説明を提供する:
減極剤は、電気化学的活性物質、すなわち、電気化学反応の電荷移動段階中に、および、電気化学的活性材料中で、酸化状態を変化させるか、または、化学結合の形成もしくは破壊に参加する物質と同義である。電極が1より多くの電気活性物質を有する時、それらは共減極剤(codepolarizer)と呼ぶことができる。
The following explanations of terms are provided to more fully describe the aspects, aspects and objects described in this section. Unless otherwise explained or specified, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those skilled in the art to which this disclosure belongs. To facilitate review of the various disclosed aspects, the following explanations of specific terms are provided:
A depolarizer is synonymous with an electrochemically active substance, i.e., a substance that changes oxidation state or participates in the formation or breaking of chemical bonds during the charge transfer step of an electrochemical reaction and in an electrochemically active material. When an electrode has more than one electroactive substance, they can be called codepolarizers.
熱可塑性は、しばしばその融解温度またはその付近の特定温度より上でしなやか(pliable)または可塑的になり、そして冷却すると固まる塑性物質またはポリマーの特性である。 Thermoplasticity is the property of a plastic substance or polymer to become pliable or plastic above a certain temperature, often at or near its melting temperature, and to harden upon cooling.
固体電解質には溶媒を含まないポリマー、およびセラミック化合物(結晶およびガラス)を含む。 Solid electrolytes include solvent-free polymers, and ceramic compounds (crystals and glasses).
「固体」は、その形状を無期限にわたって維持する能力を特徴とし、そして液相の材料とは区別され、そして異なる。固体の原子構造は結晶または非晶質のいずれかであることができる。固体は複合構造の成分と混合することができ、またはその成分となることができる。しかし本出願および請求の範囲の目的では、固体材料は、当該材料は固体を通してイオン伝導性であるが、特に記載がない限り、溶媒、ゲル、または液相のいずれを通してもイオン伝導性でないことが要求される。本出願および請求の範囲の目的に関して、イオン伝導性が液体に依存するゲル化(または湿潤)ポリマーおよび他の材料は、それらがそれらのイオン伝導性を液相に依拠する点で固体電解質とは定義されない。 A "solid" is characterized by its ability to maintain its shape indefinitely, and is distinct from and different from liquid-phase materials. The atomic structure of a solid can be either crystalline or amorphous. A solid can be mixed with or be a component of a composite structure. However, for purposes of this application and claims, a solid material is required such that the material is ionically conductive through the solid, but not through any of the solvent, gel, or liquid phases, unless otherwise specified. For purposes of this application and claims, gelled (or wet) polymers and other materials that rely on liquids for ionic conductivity are not defined as solid electrolytes in that they rely on the liquid phase for their ionic conductivity.
ポリマーは一般に有機であり、そして炭素に基づく高分子から構成され、その各々が1もしくは複数の種類の反復単位またはモノマーを有する。ポリマーは軽く、延性であり、通常は非伝導性で、そして比較的低温で融解する。ポリマーは、射出、吹込および他の成形法、押出し、プレス、スタンピング、三次元プリント、機械加工(machining)および他のプラスチック加工により製品に作製されることができる。ポリマーは一般にガラス転移温度Tg未満の温度でガラス状態を有する。このガラス温度(glass temperature)は鎖の柔軟性の関数であり、鎖の柔軟性が起きるのは、系中に十分な振動(熱)エネルギーがあって、ポリマー高分子の一連のセグメントが一団となって
動くことを可能とする十分な自由容積が創出されるときである。しかしポリマーのガラス状態では、ポリマーのセグメント運動は起こらない。
Polymers are generally organic and composed of carbon-based macromolecules, each of which has one or more types of repeating units or monomers. They are light, ductile, usually non-conductive, and melt at relatively low temperatures. They can be made into products by injection, blowing and other molding methods, extrusion, pressing, stamping, three-dimensional printing, machining, and other plastic processes. Polymers generally have a glassy state at temperatures below the glass transition temperature Tg. This glass temperature is a function of chain flexibility, which occurs when there is enough vibrational (thermal) energy in the system to create enough free volume to allow a series of segments of the polymer macromolecule to move as a unit. However, in the glassy state of the polymer, segmental motion of the polymer does not occur.
ポリマーはセラミックスとは区別され、セラミックスは無機の非金属性物質であり、一般に、酸素、窒素または炭素に共有結合している金属からなる化合物で脆く、硬質(strong)で非伝導性と定義される。 Polymers are distinct from ceramics, which are inorganic, non-metallic materials, generally defined as compounds consisting of metals covalently bonded to oxygen, nitrogen, or carbon, that are brittle, strong, and non-conductive.
幾つかのポリマーで起こるガラス転移は、ポリマー材料が冷却された時の過冷却液体状態とガラス状態との間の中間点温度である。ガラス転移の熱力学的測定は、ポリマーの物理的特性、例えば容積、エンタルピーまたはエントロピーおよび温度の関数として他の誘導的特性を測定することにより行われる。ガラス転移温度は、転移温度で選択した特性(エンタルピーの容積)の急な変化(break)としてのプロット、あるいは傾斜の変化(熱容量または熱的膨張係数)から観察される。ポリマーをTgより上からTg未満に冷却すると、ポリマー分子の移動度はポリマーがそのガラス状態に達するまでゆっくりと下がる。 The glass transition, which occurs in some polymers, is the midpoint temperature between the supercooled liquid state and the glassy state when the polymeric material is cooled. Thermodynamic measurements of the glass transition are made by measuring the physical properties of the polymer, such as volume, enthalpy or entropy, and other derivative properties as a function of temperature. The glass transition temperature is observed from a plot of the selected property (volume vs enthalpy) as a break or change in slope (heat capacity or coefficient of thermal expansion) at the transition temperature. When a polymer is cooled from above Tg to below Tg, the mobility of the polymer molecules slowly decreases until the polymer reaches its glassy state.
ポリマーは非晶質および結晶相の両方を含んでなることができるので、ポリマーの結晶化度はポリマーの量に対するこの結晶相の量であり、そして百分率として表される。結晶化度の割合は、非晶質および結晶相の相対的領域の分析により、ポリマーのX線回折を介して算出することができる。 Because a polymer can comprise both amorphous and crystalline phases, the crystallinity of a polymer is the amount of this crystalline phase relative to the amount of polymer and is expressed as a percentage. The percentage of crystallinity can be calculated via X-ray diffraction of the polymer by analysis of the relative areas of amorphous and crystalline phases.
ポリマーフィルムは一般にポリマーの薄い部分と説明されるが、300マイクロメートル厚以下と考えるべきである。 A polymer film is generally described as a thin piece of polymer, but should be considered to be less than 300 micrometers thick.
イオン伝導性(ionic conductivity)は電導性(electrical conductivity)とは異なることに注目することが重要である。イオン伝導性はイオンの拡散性に依存し、そしてその特性はNernst-Einsteinの式により関連づけられる。イオン伝導性およびイオン拡散性は双方ともイオンの移動度の尺度である。イオンは材料中でのその拡散性が正ならば(ゼロより大きい)、その材料中で可動性であり、すなわちイオンは正の伝導性に貢献する。そのような全てのイオン移動度の測定は、特に言及しないかぎり室温(約21℃)で行われる。イオンの移動度は温度に影響されるので、低温で検出することは困難になる。装置の検出限界が、小さい移動量を測定する因子となり得る。移動度は、少なくとも1×10-14m2/s、そして好ましくは少なくとも1×10-13m2/sのイオン拡散率と考えることができ、これらは両方ともイオンが材料中で可動性であると伝えている。 It is important to note that ionic conductivity is different from electrical conductivity. Ionic conductivity depends on the diffusivity of ions, and the properties are related by the Nernst-Einstein equation. Ionic conductivity and ionic diffusivity are both measures of the mobility of an ion. An ion is mobile in a material if its diffusivity in the material is positive (greater than zero), i.e., the ion contributes to a positive conductivity. All such ionic mobility measurements are performed at room temperature (about 21° C.) unless otherwise noted. Ionic mobility is affected by temperature, making it difficult to detect at low temperatures. The detection limit of the instrument may be a factor in measuring small amounts of mobility. Mobility can be considered an ionic diffusivity of at least 1×10 −14 m 2 /s, and preferably at least 1×10 −13 m 2 /s, both of which convey that an ion is mobile in the material.
固体ポリマーイオン伝導性材料は、ポリマーを含んでなる固体であり、そしてさらに記載するようにイオンを伝導する固体である。 A solid polymeric ionically conductive material is a solid that comprises a polymer and that conducts ions as further described.
本発明の観点は、少なくとも3つの別個の成分:ポリマー、ドーパントおよびイオン化合物から固体イオン伝導性ポリマー材料の合成法を含む。成分および合成法は、材料の特定の応用に選択される。ポリマー、ドーパントおよびイオン化合物の選択も、材料の所望する性能に基づき変動することができる。例えば所望の成分および合成法は、所望する物理的特性(例えばイオン伝導性)の至適化により決定することができる。 Aspects of the invention include a method for synthesizing a solid, ionically conductive polymer material from at least three separate components: a polymer, a dopant, and an ionic compound. The components and synthesis method are selected for a particular application of the material. The selection of the polymer, dopant, and ionic compound can also vary based on the desired performance of the material. For example, the desired components and synthesis method can be determined by optimizing a desired physical property (e.g., ionic conductivity).
合成
また合成法も、特定の成分および所望する最終材料の形態(例えばフィルム、粒子等)により変動することができる。しかし方法には少なくとも2つの成分を最初に混合し、第三成分を任意の第二混合工程で加え、そして成分/反応物を加熱して加熱工程で固体イオン伝導性ポリマー材料を合成する基本工程を含む。本発明の1つの態様では、生じた混合
物は任意に所望のサイズのフィルムに形成することができる。ドーパントが第一工程で生成された混合物に存在しなければ、ドーパントは引き続き混合物に加熱そして場合により圧をかけながら(陽圧または陰圧)加えることができる。全ての3成分が存在し、そして混合され、そして加熱されて、単回工程で固体イオン伝導性ポリマー材料の合成を完了することができる。しかしこの加熱工程は、いかなる混合からも分かれた工程の時に行われることができ、あるいは混合が行われている間に完了することができる。加熱工程は混合物の形態(例えばフィルムまたは粒子等)にかかわらず行うことができる。合成法の態様では、全ての3成分が混合され、そして次にフィルムに押し出される。フィルムは加熱されて合成が完了する。
Synthesis The synthesis method can also vary depending on the particular components and the desired form of the final material (e.g., film, particles, etc.). However, the method includes the basic steps of mixing at least two components first, adding a third component in an optional second mixing step, and heating the components/reactants to synthesize the solid, ionically conductive polymer material in a heating step. In one embodiment of the invention, the resulting mixture can be optionally formed into a film of the desired size. If a dopant was not present in the mixture produced in the first step, the dopant can be subsequently added to the mixture under heating and optionally pressure (positive or negative). All three components can be present and mixed and heated to complete the synthesis of the solid, ionically conductive polymer material in a single step. However, this heating step can be done at a step separate from any mixing or can be completed while mixing is taking place. The heating step can be done regardless of the form of the mixture (e.g., film or particles, etc.). In an embodiment of the synthesis method, all three components are mixed and then extruded into a film. The film is heated to complete the synthesis.
固体イオン伝導性ポリマー材料が合成された時、変色が生じ、これは反応物の色が比較的明るい色であり、そして固体イオン伝導性ポリマー材料が比較的暗いか、または黒色であるので視覚的に観察することができる。この変色は電荷移動錯体が形成された時に生じ、そして合成法に依存して徐々に、または迅速に起こることになると考えられる。 When the solid, ionically conductive polymer material is synthesized, a color change occurs that can be visually observed because the reactants are relatively light in color and the solid, ionically conductive polymer material is relatively dark or black in color. This color change is believed to occur when charge transfer complexes are formed and may occur gradually or rapidly depending on the synthesis method.
合成法の態様は、基材ポリマー、イオン化合物およびドーパントを一緒に混合し、そして混合物を第二工程で加熱することである。ドーパントはガス相にあることができるので、加熱工程はドーパントの存在下で行うことができる。混合工程は押出し機、ブレンダ―、ミルまたは他の一般的なプラスチック加工装置中で行うことができる。加熱工程は数時間続く可能性があり(例えば24時間)、そして変色は合成が完了または一部完了した信頼できる表示である。合成が完了した後の追加の加熱は材料に悪影響を及ぼさないようである。 An embodiment of the synthesis method is to mix the base polymer, ionic compound and dopant together and heat the mixture in a second step. The heating step can be done in the presence of the dopant since the dopant can be in the gas phase. The mixing step can be done in an extruder, blender, mill or other common plastics processing equipment. The heating step can last for several hours (e.g. 24 hours) and the color change is a reliable indication that the synthesis is complete or partially complete. Additional heating after the synthesis is complete does not appear to have any adverse effect on the material.
合成法の態様では、基材ポリマーおよびイオン化合物を最初に混合することができる。次いでドーパントがポリマー―イオン化合物混合物と混合され、そして加熱される。加熱は第二混合物工程中、または混合工程に続いて混合物に適用することができる。 In an embodiment of the synthesis method, the base polymer and ionic compound can be mixed first. The dopant is then mixed with the polymer-ionic compound mixture and heated. Heat can be applied to the mixture during the second mixing step or subsequent to the mixing step.
別の合成法の態様では、基材ポリマーおよびドーパントが最初に混合され、そして次いで加熱される。この加熱工程は混合後、または混合中に適用することができ、そして電荷移動錯体の形成、およびドーパントと基材ポリマーとの間の反応を示す変色を生じる。次いでイオン化合物が反応したポリマードーパント材料と混合されて固体イオン伝導性ポリマー材料の形成が完了する。 In another synthesis embodiment, the base polymer and dopant are first mixed and then heated. This heating step can be applied after or during mixing and results in the formation of a charge transfer complex and a color change indicating a reaction between the dopant and the base polymer. An ionic compound is then mixed with the reacted polymer dopant material to complete the formation of the solid ionically conductive polymer material.
ドーパントの一般的な添加法は当業者には既知であり、そしてポリマーおよびイオン化合物を含有するフィルムの蒸気ドーピング、および当業者には知られている他のドーピング法も含むことができる。固体ポリマー材料のドーピングでイオン伝導性となり、そしてドーピングが固体ポリマー材料のイオン成分を活性化するように作用するのでそれらが拡散イオンになると考えられる。 Common methods of doping are known to those skilled in the art and can include vapor doping of films containing polymers and ionic compounds, as well as other doping methods known to those skilled in the art. It is believed that doping of solid polymeric materials makes them ionically conductive, and that the doping acts to activate the ionic components of the solid polymeric material so that they become diffusible ions.
他の非反応性成分を、上記の混合物に初期混合工程、第二混合工程または加熱に引き続く混合工程中に加えることができる。そのような他の成分には限定するわけではないが、減極剤または電気化学的に活性な物質、例えば負極または正極活性材料、炭素のような電導性材料、結合剤または押出助剤(例えばエチレンプロピレンジエンモノマー“EPDM”)のようなレオロジー改質剤(rheological agent)、触媒および混合物の所望する物理特性を達成するために有用な他の成分がある。 Other non-reactive ingredients can be added to the mixture during the initial mixing step, the second mixing step, or during a mixing step subsequent to heating. Such other ingredients include, but are not limited to, depolarizers or electrochemically active materials, such as anode or cathode active materials, conductive materials such as carbon, rheological agents such as binders or extrusion aids (e.g., ethylene propylene diene monomer "EPDM"), catalysts, and other ingredients useful for achieving desired physical properties of the mixture.
固体イオン伝導性ポリマー材料の合成に反応物として有用なポリマーは、電子供与体または電子受容体により酸化され得るポリマーである。30%より高い、そして50%より高い結晶化指数の半結晶ポリマーは、適切な反応物ポリマーである。完全(totally)結晶のポリマー材料、例えば液晶ポリマー(“LCPs”)も有用な反応物ポリマー
である。LCPsは完全結晶であり、したがってこれによりそれらの結晶化指数は100%と定義される。非ドープ共役ポリマーおよびポリフェニレンスルフィド(“PPS”)のようなポリマーも適切なポリマー反応物である。
Polymers useful as reactants in the synthesis of solid, ionically conductive polymeric materials are those that can be oxidized by an electron donor or electron acceptor. Semi-crystalline polymers with a crystallinity index greater than 30% and greater than 50% are suitable reactant polymers. Totally crystalline polymeric materials, such as liquid crystal polymers ("LCPs"), are also useful reactant polymers. LCPs are completely crystalline and therefore their crystallinity index is hereby defined as 100%. Undoped conjugated polymers and polymers such as polyphenylene sulfide ("PPS") are also suitable polymeric reactants.
ポリマーは一般に電導性ではない。例えば新品(virgin)PPSは、10-20S
cm-1の電導性を有する。非電導性ポリマーが適切な反応物ポリマーである。
Polymers are generally not electrically conductive. For example, virgin PPS has a conductivity of 10-20 S.
cm −1 Non-conducting polymers are suitable reactant polymers.
一つの態様では、反応物として有用なポリマーは各反復モノマー基の骨格中に芳香族または複素環成分を有し、ならびに、素環中に包含されるか、または、芳香族環に隣接して位置する骨格に沿って位置するヘテロ原子を有することができる。ヘテロ原子は骨格に直接位置することができ、あるいは、骨格上に直接位置する炭素原子に結合することができる。ヘテロ原子が骨格に位置するか、あるいは骨格上に位置する炭素原子に結合している両方の場合で、骨格の原子は芳香族環に隣接する骨格に位置している。本発明のこの態様に使用されるポリマーの非限定的例は、PPS、ポリ(p-フェニレンオキシド)(“PPO”)、LCPs、ポリエーテルエーテルケトン(“PEEK”)、ポリフタルアミド(“PPA”)、ポリピロール、ポリアニリンおよびポリスルフォンを含む群から選択することができる。列挙したポリマーおよびこれらポリマーの混合物のモノマーを含むコポリマーも使用することができる。例えばp-ヒドロキシ安息香酸のコポリマーは、適切な液晶ポリマー基材ポリマーとなり得る。表1は本発明に有用な反応物ポリマーの非限定的例を、モノマー構造および幾らかの物理特性情報と一緒に詳細に示すが、これらもポリマーがそれらの物理的特性に影響を及ぼすことができる多くの形態をとることができるので、非限定的と考えるべきである。 In one embodiment, polymers useful as reactants have aromatic or heterocyclic moieties in the backbone of each repeating monomer group, and heteroatoms either contained in the ring or located along the backbone adjacent to an aromatic ring. The heteroatoms can be located directly on the backbone or can be bonded to a carbon atom located directly on the backbone. In both cases where the heteroatom is located on the backbone or bonded to a carbon atom located on the backbone, the backbone atom is located on the backbone adjacent to an aromatic ring. Non-limiting examples of polymers used in this embodiment of the invention can be selected from the group including PPS, poly(p-phenylene oxide) ("PPO"), LCPs, polyetheretherketone ("PEEK"), polyphthalamide ("PPA"), polypyrrole, polyaniline, and polysulfone. Copolymers containing monomers of the listed polymers and mixtures of these polymers can also be used. For example, copolymers of p-hydroxybenzoic acid can be suitable liquid crystal polymer substrate polymers. Table 1 details non-limiting examples of reactant polymers useful in the present invention, along with monomer structures and some physical property information, but these should also be considered non-limiting since polymers can take many forms that can affect their physical properties.
固体イオン伝導性ポリマー材料の合成に反応物として有用なドーパントは、電子受容体または酸化物である。ドーパントはイオン輸送および移動のためにイオンを放出すると考えられ、そしてイオン伝導性のために電荷移動錯体に類似の部位またはポリマー内の部位を作成すると考えられる。有用なドーパントの非限定的例はキノン類、例えば:“DDQ”としても知られている2,3-ジシアノ-5,6-ジクロロジシアノキノン(C8Cl2
N2O2)、およびクロラニルとしても知られているテトラクロロ-1,4-ベンゾキノン(C6Cl4O2)、TCNEとしても知られているテトラシアノエチレン(C6N4)、三
酸化硫黄(“SO3”)、オゾン(三酸素すなわちO3)、酸素(O2、空気を含む)、二
酸化マンガン(“MnO2”)を含む遷移金属酸化物、あるいは適切な電子受容体等、お
よびそれらの組み合わせである。ドーパントは、合成の加熱工程の温度で温度安定性のものが有用であり、そして温度安定性で、しかも強力な酸化剤キノンの両方であるキノン類および他のドーパントが最も有用である。表2はドーパントの非限定的一覧をそれらの化学的図解と共に提供する。
Dopants useful as reactants in the synthesis of solid, ionically conductive polymer materials are electron acceptors or oxides. The dopants are believed to release ions for ion transport and migration, and are believed to create sites similar to charge transfer complexes or sites within the polymer for ionic conductivity. Non-limiting examples of useful dopants include quinones, such as: 2,3-dicyano-5,6-dichlorodicyanoquinone (C 8 Cl 2 ) , also known as "DDQ";
Dopants that are useful are tetrachloro-1,4-benzoquinone (C 6 Cl 4 O 2 ), also known as chloranil, tetracyanoethylene (C 6 N 4 ) , also known as TCNE, sulfur trioxide ("SO 3 "), ozone (trioxygen or O 3 ), oxygen (O 2 , including air), transition metal oxides including manganese dioxide ("MnO 2 "), or suitable electron acceptors, and the like, and combinations thereof. Dopants that are useful are those that are temperature stable at the temperatures of the heating step of the synthesis, and quinones and other dopants that are both temperature stable and strong oxidizing quinones are most useful. Table 2 provides a non-limiting list of dopants along with their chemical diagrams.
固体イオン伝導性ポリマー材料の合成で反応物として有用なイオン化合物は、固体イオン伝導性ポリマー材料の合成中に所望のイオンを放出する化合物である。イオン化合物は、イオン化合物とドーパントの両方を必要とする点でドーパントとは異なる。非限定的例には、Li2O、LiOH,ZnO,TiO2,Al3O2,NaOH,KOH,LiNO3
,Na2O,MgO,CaCl2,MgCl2、AlCl3、LiTFSI(リチウム ビス-トリフルオロメタンスルホンイミド)、LiFSI(リチウム ビス(フルオロスルホニル)イミド)、リチウム ビス(オキサレート)ボレート(LiB(C2O4)2“Li
BOB”)、ならびに他のリチウム塩およびそれらの組み合わせがある。これら化合物の水和形(例えば一水素化物)を使用して化合物を取扱い易くすることができる。無機酸化
物、塩化物および水酸化物は、それらが合成中に解離して少なくとも1つのアニオン性およびカチオン性拡散イオンを生じる点で適切なイオン化合物である。解離して少なくとも1つのアニオン性およびカチオン性拡散イオンを生じる任意のそのようなイオン化合物も同様に有用である。多数のイオン化合物も有用となることができるので、多くのアニオン性およびカチオン性拡散イオンが好適となり得る。合成に含まれる特定のイオン化合物は、材料の所望する用途に依存する。例えばリチウムカチオンを有することを望む場合の応用では、リチウムおよび水酸化イオンに転換可能な、水酸化リチウムまたは酸化リチウムが適切であろう。リチウム正極および拡散アニオンの両方を合成中に放出するいかなるリチウム含有化合物も適切であろう。そのようなリチウムイオン化合物の非限定的群には有機溶媒中でリチウム塩として使用されるものを含む。同様にアルミニウムまたは他の特異的カチオンを望む場合、アルミニウムまたは他の特異的イオン化合物はこのような系での合成中に特異的な所望のイオンおよび拡散アニオンを放出するように反応する。さらに示すように、所望するカチオンおよびアニオン拡散種の両方を生成することができる形態のアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属およびポスト遷移金属を含むイオン化合物は、合成反応物のイオン化合物として適切である。
Ionic compounds useful as reactants in the synthesis of solid, ionically conductive polymeric materials are compounds that release the desired ions during the synthesis of the solid, ionically conductive polymeric material. Ionic compounds differ from dopants in that they require both an ionic compound and a dopant. Non-limiting examples include Li2O , LiOH , ZnO, TiO2 , Al3O2 , NaOH, KOH, LiNO3
, Na 2 O, MgO, CaCl 2 , MgCl 2 , AlCl 3 , LiTFSI (lithium bis-trifluoromethanesulfonimide), LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide), lithium bis(oxalato)borate (LiB(C 2 O 4 ) 2 "Li
Examples of suitable ionic compounds include lithium salts such as tetrahydrofuran (BOB"), as well as other lithium salts and combinations thereof. Hydrated forms of these compounds (e.g., monohydrides) can be used to make the compounds easier to handle. Inorganic oxides, chlorides and hydroxides are suitable ionic compounds in that they dissociate during synthesis to produce at least one anionic and cationic diffusing ion. Any such ionic compound that dissociates to produce at least one anionic and cationic diffusing ion is useful as well. Numerous ionic compounds can be useful, so many anionic and cationic diffusing ions may be suitable. The particular ionic compounds included in the synthesis will depend on the desired use of the material. For example, in applications where it is desired to have a lithium cation, lithium and Lithium hydroxide or lithium oxide, which can be converted to hydroxide ion, would be suitable. Any lithium-containing compound that releases both a lithium positive electrode and a diffusing anion during synthesis would be suitable. A non-limiting group of such lithium ion compounds includes those that are used as lithium salts in organic solvents. Similarly, if aluminum or other specific cations are desired, aluminum or other specific ion compounds react to release the specific desired ion and diffusing anion during synthesis in such systems. As further shown, ionic compounds containing alkali metals, alkaline earth metals, transition metals and post-transition metals in a form capable of producing both the desired cation and anion diffusing species are suitable as ionic compounds of the synthesis reactants.
材料の純度は、いかなる意図しない副反応も防ぎ、そして合成反応の効率を最大にして高度に伝導性の材料を生成するように、潜在的に重要となる。一般に高純度のドーパント、基材ポリマーおよびイオン化合物を含む実質的に純粋な反応物が好適であり、そして98%より高い純度がより好適であるがさらに高い純度、例えばLiOH:99.6%、DDQ:>98%、そしてクロラニル:>99%が最も好ましい。 The purity of the materials is potentially important to prevent any unintended side reactions and maximize the efficiency of the synthesis reaction to produce highly conductive materials. Generally, substantially pure reactants including high purity dopants, base polymers and ionic compounds are preferred, with purities greater than 98% being more preferred, but even higher purities are most preferred, e.g. LiOH: 99.6%, DDQ: >98%, and chloranil: >99%.
固体イオン伝導性ポリマー材料の用途、および本発明の固体イオン伝導性ポリマー材料の上記記載の合成法の多様性をさらに説明するために、多くの電気化学的応用に有用で、そしてそれらの応用により区別される数種の固体イオン伝導性ポリマー材料を記載する: To further illustrate the versatility of applications of the solid, ionically conductive polymer materials and the above-described synthesis methods for the solid, ionically conductive polymer materials of the present invention, several solid, ionically conductive polymer materials that are useful in many electrochemical applications and are distinguished by their applications are described:
リチウムイオンバッテリー
この態様では、反応物(reacting)または基材ポリマーは半結晶または完全結晶、そして30%から100%の間の結晶化度、そして好ましくは50%から100%の間の結晶化度を有することを特徴とする。基材ポリマーは80℃より高い、そして好ましくは120℃より高い、そしてより好ましくは150℃より高い、そして最も好ましくは200℃より高いガラス転移温度を有する。基材ポリマーは250℃より高い、そして好ましくは280℃より高い、そしてより好ましくは320℃より高い融解温度を有する。本発明の基材ポリマーのモノマー単位の分子量は、100~200gm/molの範囲であり、そして200gm/molより高い可能性がある。基材ポリマーに使用できる一般的な材料には、液晶ポリマーおよびPPSとしても知られているポリフェニレンスルフィド、または30%より高い結晶化指数、そして好ましくは50%より高い結晶化指数を有する半結晶ポリマーがある。
Lithium Ion Battery In this embodiment, the reacting or base polymer is characterized as being semi-crystalline or fully crystalline and having a crystallinity between 30% and 100%, and preferably between 50% and 100%. The base polymer has a glass transition temperature above 80°C, and preferably above 120°C, and more preferably above 150°C, and most preferably above 200°C. The base polymer has a melting temperature above 250°C, and preferably above 280°C, and more preferably above 320°C. The molecular weight of the monomer units of the base polymer of the present invention ranges from 100 to 200 gm/mol, and can be higher than 200 gm/mol. Common materials that can be used for the base polymer include liquid crystal polymers and polyphenylene sulfide, also known as PPS, or semi-crystalline polymers with a crystallinity index higher than 30%, and preferably higher than 50%.
この態様では、ドーパントは電子受容体、例えばDDQ、TCNE、クロラニル、および三酸化硫黄(SO3)である。電子受容体は他の全ての成分と「プレミックス」されることができ、そして後処理なしで押し出されるか、あるいはそうではなく蒸気ドーピングのようなドーピング手順を使用して、他の成分が押出し機内などで混合され、そしてフィルムに形成された後、電子受容体を組成物に加えることができる。 In this embodiment, the dopant is an electron acceptor, such as DDQ, TCNE, chloranil, and sulfur trioxide (SO3). The electron acceptor can be "premixed" with all other ingredients and extruded without post-treatment, or alternatively, using a doping procedure such as vapor doping, the electron acceptor can be added to the composition after the other ingredients have been mixed, such as in an extruder, and formed into a film.
本発明のこの態様で使用するためのイオン源または「イオン化合物」を含む一般的な化合物には、限定するわけではないがLi2O、LiOH,ZnO,TiO2,Al3O2,LiTFSI、おおび他のリチウムイオン化合物およびそれらの組み合わせがある。イオン化合物は安定な形態で適切なイオンを含み、これは修飾(modified)されて固体イオン伝導性ポリマー材料の合成中にイオンを放出する。 Common compounds that comprise ion sources or "ionic compounds" for use in this aspect of the invention include, but are not limited to, Li2O , LiOH, ZnO, TiO2 , Al3O2 , LiTFSI, and other lithium ion compounds and combinations thereof. Ionic compounds contain the appropriate ions in a stable form that is modified to release the ions during synthesis of the solid, ionically conducting polymer material.
実施例1
PPSおよびクロラニル粉末を4.2:1のモル比(1:1より大きい基材ポリマーモノマー:ドーパント比)で混合する。次いで混合物をアルゴンまたは空気中で高温(最高350℃)にて24時間、大気圧にて加熱する。変色を観察して、ポリマー―ドーパント反応混合物中に電荷移動錯体の生成を確認する。次いで反応混合物を1~40マイクロメートルの小さい平均粒子サイズに再度、挽く。次いでLiTFSIを反応混合物と混合して合成された固体イオン伝導性ポリマー材料を作製する。
Example 1
PPS and chloranil powders are mixed in a 4.2:1 molar ratio (base polymer monomer:dopant ratio greater than 1:1). The mixture is then heated in argon or air at elevated temperatures (up to 350° C.) for 24 hours at atmospheric pressure. A color change is observed to confirm the formation of a charge transfer complex in the polymer-dopant reaction mixture. The reaction mixture is then re-ground to a small average particle size of 1-40 micrometers. LiTFSI is then mixed with the reaction mixture to produce the synthesized solid, ionically conductive polymer material.
実施例2
実施例1から合成した材料を含有する酸化コバルトリチウム(LiCoO2)(“LC
O”)正極を調製した。固体イオン伝導性ポリマー材料および電導性炭素と混合する正極は、70重量%の高いLCO装填を使用した。電池はリチウム金属負極、多孔質ポリプロピレンセパレータおよびLiPF6塩からなる標準Li-イオン液体電解質および炭素基材溶媒を使用して調製した。この電池は乾燥グローブボックス中で組立て、そしてサイクル試験を行った。
Example 2
Lithium cobalt oxide ( LiCoO2 ) containing material synthesized from Example 1 ("LC
A 3000-.O″) cathode was prepared. The cathode mixed with solid ionically conductive polymer material and conductive carbon used a high LCO loading of 70 wt %. The cell was prepared using a lithium metal anode, a porous polypropylene separator and a standard Li-ionic liquid electrolyte consisting of LiPF6 salt and carbon-based solvent. The cell was assembled in a dry glove box and cycle tested.
容量を、これらの電池に使用したLCOのグラムでの重量と言う意味で図1に示す。容量は4.3Vで充電しても安定であり、充電中、正極から移動する目標の0.5当量のLiは一定であったことが分かる。また電池は4.5Vのより高い充電電圧でも循環し、これは正極からより高い割合のリチウムを利用し、そして高容量>140mAh/gを生じた。4.5Vの充電試験で観察されたサイクル数に伴う容量のわずかな低下は、この高い電圧で液体電解質の分解(すなわち不安定)と一致している。全体的に本発明の材料を含有するLCO正極の性能は好ましく、スラリーをコートしたLCO正極に匹敵する。 The capacity is shown in Figure 1 in terms of the weight in grams of LCO used in these cells. It can be seen that the capacity was stable when charged at 4.3 V, and the target 0.5 equivalents of Li transferred from the cathode remained constant during charging. The cells were also cycled at a higher charge voltage of 4.5 V, which utilized a higher percentage of lithium from the cathode and produced high capacity >140 mAh/g. The slight decrease in capacity with cycle number observed in the 4.5 V charge test is consistent with decomposition (i.e., instability) of the liquid electrolyte at this higher voltage. Overall the performance of the LCO cathodes containing the materials of the present invention is favorable and comparable to the slurry-coated LCO cathodes.
アルカリバッテリー
ヒドロキシルイオンの移動度を有する固体イオン伝導性ポリマー材料の基材ポリマーは、好ましくは結晶または半結晶ポリマーであり、これは一般に30%より高い、そして最高100%を含む結晶化度を有し、そして好ましくは50%から100%の間である。本発明のこの態様の基材ポリマーは、80℃より高いガラス転移温度、そして好ましくは120℃より高い、そしてより好ましくは150℃より高い、そして最も好ましくは200℃より高いガラス転移温度を有する。基材ポリマーは、250℃より高い融解温度、そして好ましくは280℃より高い、そしてより好ましくは300℃より高い融解温度を有する。
Alkaline Batteries The base polymer of the solid, ionically conductive polymer material with hydroxyl ion mobility is preferably a crystalline or semi-crystalline polymer, which generally has a crystallinity greater than 30% and including up to 100%, and preferably between 50% and 100%. The base polymer of this aspect of the invention has a glass transition temperature greater than 80°C, and preferably greater than 120°C, and more preferably greater than 150°C, and most preferably greater than 200°C. The base polymer has a melting temperature greater than 250°C, and preferably greater than 280°C, and more preferably greater than 300°C.
ヒドロキシルイオンの移動度を有する固体イオン伝導性ポリマー材料のドーパントは、電子受容体またはオキシダントである。本発明のこの態様に使用するための一般的なドーパントは、DDQ、クロラニル、TCNE、SO3、酸素(空気を含む)、MnO2および他の金属酸化物等である。 Dopants in solid, ionically conductive polymer materials with hydroxyl ion mobility are electron acceptors or oxidants. Common dopants for use in this aspect of the invention are DDQ, chloranil, TCNE, SO3 , oxygen (including air), MnO2 and other metal oxides, etc.
ヒドロキシルイオンの移動度を有する固体イオン伝導性ポリマー材料のイオン源を含む化合物には、塩、水酸化物、酸化物またはヒドロキシルイオンを含むか、もしくはそのような物質に転換可能な他の物質があり、例えば限定するわけではないが、LiOH、NaOH,KOH,Li2O,LiNO3等を含む。 Compounds that contain ion sources for the solid, ionically conductive polymer material that have hydroxyl ion mobility include salts, hydroxides, oxides, or other materials that contain hydroxyl ions or can be converted to such materials, including, but not limited to, LiOH, NaOH, KOH, Li2O , LiNO3 , and the like.
実施例3
PPSポリマーをイオン化合物LiOH一水和物と、それぞれ67%対33%(重量による)の比率で混合し、そしてジェットミルを使用して混合した。DDQドーパントは蒸気ドーピングを介して生じた混合物に、4.2モルのPPSモノマーあたり1モルのDDQの量で加えた。この混合物を190~200℃で30分間、中圧(500~1000P
SI)で加熱処理した。
Example 3
PPS polymer was mixed with the ionic compound LiOH monohydrate in the ratio of 67% to 33% (by weight), respectively, and mixed using a jet mill. DDQ dopant was added to the resulting mixture via vapor doping in the amount of 1 mole of DDQ per 4.2 moles of PPS monomer. The mixture was heated at 190-200°C for 30 minutes under medium pressure (500-1000 P).
SI) and heat treated.
複合MnO2正極
固体イオン伝導性ポリマー材料-MnO2複合正極の製造に関連する本発明のこの態様では、基材ポリマーは30%より高い結晶化指数を有する半結晶、または完全結晶ポリマーであることができ、そして共役ポリマーまたは選択したドーパントで容易に酸化されることができるポリマーからなる群から選択することができる。本発明のこの態様に使用される基材ポリマーの非限定的例には、PPS、PPO,PEEK,PPA等がある。
Composite MnO2 Cathode In this aspect of the invention relating to the preparation of a solid ionically conductive polymer material-MnO2 composite cathode, the base polymer can be a semi-crystalline, or fully crystalline polymer with a crystallization index greater than 30%, and can be selected from the group consisting of conjugated polymers or polymers that can be easily oxidized with a selected dopant. Non-limiting examples of base polymers used in this aspect of the invention include PPS, PPO, PEEK, PPA, etc.
この態様では、ドーパントは電子受容体またはオキシダントである。ドーパントの非限定的例は、DDQ、クロラニル、TCNEとしても知られているテトラシアノエチレン、SO3、オゾン、酸素、空気、MnO2を含む遷移金属酸化物、または任意の適切な電子受容体等である。 In this embodiment, the dopant is an electron acceptor or oxidant. Non-limiting examples of dopants include DDQ, chloranil, tetracyanoethylene also known as TCNE, SO3, ozone, oxygen, air, transition metal oxides including MnO2, or any suitable electron acceptor.
この態様では、イオン源を含む化合物は塩、水酸化物、酸化物、またはヒドロキシルイオンを含む他の材料、あるいはそのような材料に転換可能な材料であり、限定するわけではないがLiOH、NaOH、KOH、Li2O、LiNO3等を含む。 In this embodiment, the compound containing the ion source is a salt, hydroxide, oxide, or other material that contains hydroxyl ions, or is convertible to such materials, including, but not limited to, LiOH, NaOH, KOH, Li2O, LiNO3, etc.
実施例4
PPSポリマーおよびLiOH一水和物を、一緒にそれぞれ67%対33%(重量による)の比率で加え、そしてジェットミルを使用して混合した。追加のアルカリバッテリー正極成分を加えてさらに混合した:MnO2、Bi2O3および伝導性炭素。MnO2含量は50%から80重量%で変動し、Bi2O3は0から30重量%の範囲で、カーボンブラック量は3~25重量%であり、そしてポリマー/LiOH含量は10~30重量%であった。
Example 4
PPS polymer and LiOH monohydrate were added together in a ratio of 67% to 33% (by weight), respectively, and mixed using a jet mill. Additional alkaline battery cathode components were added and further mixed: MnO2 , Bi2O3 , and conductive carbon. The MnO2 content varied from 50% to 80% by weight, Bi2O3 ranged from 0 to 30% by weight, the carbon black amount was 3-25% by weight, and the polymer/LiOH content was 10-30% by weight.
混合物を加熱して、一般的な亜鉛―二酸化マンガンアルカリバッテリーに有用な固体イオン伝導性ポリマー材料を含んでなるアルカリバッテリー正極を合成した。 The mixture was heated to synthesize an alkaline battery cathode comprising a solid, ionically conductive polymer material useful in typical zinc-manganese dioxide alkaline batteries.
実施例5
亜鉛―二酸化マンガンアルカリ電池は、実施例4の正極、および市販の不織セパレータ(NKK)、Znホイル負極、および電解質として6M LiOH溶液を使用して作製した。
Example 5
A zinc-manganese dioxide alkaline battery was fabricated using the positive electrode of Example 4 and a commercial non-woven separator (NKK), a Zn foil negative electrode, and 6M LiOH solution as the electrolyte.
電池は、Bio-Logic VSP 15試験システムを使用して0.5mA/cm2の一定電流条件下で放電した。MnO2の比容量は、303mAh/gで、すなわち理論的な1e-放電に近いことが分かった。 The cells were discharged under constant current conditions of 0.5mA/cm2 using a Bio-Logic VSP 15 test system. The specific capacity of MnO2 was found to be 303mAh/g, i.e. close to the theoretical 1e-discharge.
金属空気電池
この態様では、固体イオン伝導性ポリマー材料が金属空気電池で使用され、そして基材ポリマー、イオン源を含んでなる化合物、およびドーパントを含んでなる。ポリマーはPPS、LCP、ポリピロール、ポリアニリンおよびポリスルホンおよび他の基材ポリマー群から選択することができる。
In this embodiment, the solid, ionically conductive polymer material is used in a metal-air battery and comprises a base polymer, a compound comprising an ion source, and a dopant. The polymer can be selected from the group of PPS, LCP, polypyrrole, polyaniline, and polysulfone and other base polymers.
ドーパントは電子受容体、またはポリマーと酸化反応を開始できる機能的電子受容体を含有する化合物でよい。一般的なドーパントはDDQ、クロラニル、TCNE、SO3、オゾン、およびMnO2を含む遷移金属酸化物である。イオン源を含む材料は塩、水酸化物、酸化物、またはヒドロキシルイオンを含む他の材料、あるいはそのような材料に転換可能な材料の形態であることができ、限定するわけではないがLiOH、NaOH、KOH、Li2O、LiNO3等を含む。 The dopant may be an electron acceptor or a compound containing a functional electron acceptor capable of initiating an oxidation reaction with the polymer. Common dopants are DDQ, chloranil, TCNE, SO3, ozone, and transition metal oxides including MnO2. The material containing the ion source may be in the form of a salt, hydroxide, oxide, or other material that contains hydroxyl ions or that can be converted to such materials, including but not limited to LiOH, NaOH, KOH, Li2O, LiNO3, etc.
実施例6
実施例3で合成した材料を使用して、固体イオン伝導性ポリマー材料を種々の炭素、具体的には:TIMCAL SUPER C45伝導性カーボンブラック(C45)、Timcal SFG6(合成グラファイト)、アシュバリー(Ashbury)からのA5303カーボンブラック、およびアシュバリーからの天然脈状グラファイトナノ(N99)と混合することにより空気電極を調製した。炭素含量は15~25重量%で変動した。
Example 6
Using the material synthesized in Example 3, air electrodes were prepared by mixing the solid, ionically conductive polymer material with various carbons, specifically: TIMCAL SUPER C45 conductive carbon black (C45), Timcal SFG6 (synthetic graphite), A5303 carbon black from Ashbury, and natural vein graphite nano (N99) from Ashbury. The carbon content was varied from 15 to 25 wt%.
正極は2032ボタン電池に合うように抜いた。亜鉛ホイルを負極として使用した。不織セパレータを40%KOH水溶液に浸した。2つの穴を、正極に面するコインの上面にドリルで開けた。電池は、室温でMTIボタン電池テスターを0.5mAの定電流で使用して放電した。 The positive electrode was cut to fit a 2032 coin cell. Zinc foil was used as the negative electrode. The non-woven separator was immersed in 40% KOH aqueous solution. Two holes were drilled into the top surface of the coin facing the positive electrode. The cell was discharged at room temperature using an MTI coin cell tester at a constant current of 0.5 mA.
正極パラメータおよび試験結果を表3にまとめる。放電曲線は図2に示す。本発明の材料を用いたこの実施例の空気正極を持つ電池は、混合物に加えるいかなる従来の触媒(遷移金属基材)なしでも、Zn-空気電池に関する典型的な放電挙動を示す。空気正極から負極へ伝導するヒドロキシルイオンに加えて、材料は正極表面に存在する酸素からヒドロキシルイオンの形成を触媒するように作用する。この実施例で示すように、本発明の材料は、触媒機能を有する。 The cathode parameters and test results are summarized in Table 3. The discharge curves are shown in Figure 2. The cell with the air cathode of this example using the material of the present invention shows typical discharge behavior for Zn-air cells without any traditional catalyst (transition metal substrate) added to the mixture. In addition to conducting hydroxyl ions from the air cathode to the anode, the material acts to catalyze the formation of hydroxyl ions from oxygen present on the cathode surface. As shown in this example, the material of the present invention has catalytic functionality.
他のイオン化合物
多数のアニオンおよびカチオンを本発明の材料により伝導することができる。合成に使用するイオン化合物は、所望の拡散イオンが合成された材料に含まれるように選択することができる。
Other Ionic Compounds Numerous anions and cations can be conducted by the materials of the present invention. The ionic compounds used in the synthesis can be selected so that the desired diffusing ions are included in the synthesized material.
実施例7
材料サンプルは、LCPポリマー[SRT900?]およびイオン化合物を様々な比率で混合することにより作製した。DDQはドーパントとして使用した。ポリマーのモノマー対ドーパントのモル比は4.2:1であった。表4に掲載する。混合物は190~200Cで30分間、中圧(500~1000psi)で熱処理した。
Example 7
Material samples were prepared by mixing LCP polymer [SRT900?] and ionic compounds in various ratios. DDQ was used as the dopant. The monomer to dopant molar ratio of the polymer was 4.2:1 and is listed in Table 4. The mixtures were heat treated at 190-200C for 30 minutes at medium pressure (500-1000 psi).
サンプルはステンレス鋼製の電極間に挟み、そして試験装置に配置した。ACインピーダンスは、Bio-Logic VSP試験システムを使用して800KHzから100Hzの範囲で記録して電解質の伝導率を測定した。 The samples were sandwiched between stainless steel electrodes and placed in the test fixture. AC impedance was recorded in the range of 800 KHz to 100 Hz using a Bio-Logic VSP test system to measure the electrolyte conductivity.
結果を以下の表3に示す。観察された高いイオン伝導率は、固体ポリマー材料がリチウムLi+、カリウムK+、ナトリウムNa+、カルシウムCa2+、マグネシウムMg2+、ア
ルミニウムAl3+、ヒドロキシルOH-およびクロライドCl-イオンを含む多くのイオンを伝導できることを示している。
The results are shown in Table 3 below. The high ionic conductivity observed indicates that the solid polymer material is capable of conducting many ions, including lithium Li + , potassium K + , sodium Na + , calcium Ca2 + , magnesium Mg2 + , aluminum Al3 + , hydroxyl OH- , and chloride Cl- ions.
ドーパントにより解離され得る任意のイオン化合物は、解離したイオンが、材料が使用される応用可能な電気化学的用途に望ましい限り使用できる。イオン化合物から誘導されるアニオンおよびカチオンは、このように材料によりイオン伝導性となる。イオン化合物には酸化物、塩化物、水酸化物、および他の塩を含む。この実施例では、金属(または他のカチオン)酸化物が金属(または他のカチオン)カチオンおよびヒドロキシルイオンを生じる。 Any ionic compound that can be dissociated by a dopant can be used as long as the dissociated ions are desirable for the applicable electrochemical application in which the material is used. The anions and cations derived from the ionic compound are thus rendered ionically conductive by the material. Ionic compounds include oxides, chlorides, hydroxides, and other salts. In this example, a metal (or other cation) oxide gives rise to a metal (or other cation) cation and a hydroxyl ion.
リチウムカチオンに加えて、複数のイオンを伝導する能力は、本発明の材料の応用に新な道を開く。ナトリウム―およびカリウム―に基づくエネルギー貯蔵システムは、主に低コストおよび比較的豊富な原材料から推進され、Li-イオンに代わるものと考えられている。カルシウム、マグネシウムおよびアルミニウムの伝導性は、Li-イオンバッテリーの能力を超えて潜在的にエネルギー密度を上げることができる多価インターカレーションシステムに必要である。またリチウムよりも安定、安全、しかも低コストの金属負極を有する電源を作製するために、そのような材料を利用することも可能である。 The ability to conduct multiple ions in addition to lithium cations opens new avenues of application for the materials of the present invention. Sodium- and potassium-based energy storage systems are considered as alternatives to Li-ions, driven primarily by low cost and relatively abundant raw materials. The conductivity of calcium, magnesium and aluminum is necessary for multivalent intercalation systems that can potentially increase energy density beyond the capabilities of Li-ion batteries. Such materials can also be used to create power sources with metallic anodes that are more stable, safer and less expensive than lithium.
実施例8
実施例1の合成法を使用して調製したらさらなる固体イオン伝導性ポリマー材料を、それらの反応物および関連するイオン伝導性(EIS法)とともに表5に列挙した。
Example 8
Additional solid, ionically conductive polymer materials, once prepared using the synthesis method of Example 1, are listed in Table 5 along with their reactants and associated ionic conductivities (EIS method).
実施例3の合成法を使用して調製した追加の固体イオン伝導性ポリマー材料を、それらの反応物および関連するイオン伝導性(EIS法)とともに表6に列挙した。 Additional solid, ionically conductive polymer materials prepared using the synthesis method of Example 3 are listed in Table 6 along with their reactants and associated ionic conductivities (EIS method).
表6に挙げたLCPは、ソルベイ(Solvay)からXydarという商標で供給されたものであり、そして異なる融解温度をもつLCP等級である。 The LCPs listed in Table 6 are supplied by Solvay under the trademark Xydar and are LCP grades with different melting temperatures.
固体イオン伝導性ポリマー材料の物理特性:
固体イオン伝導性ポリマー材料の物理特性は、使用する反応物に基づき変動することができる。具体的なイオン移動度およびアニオンおよびカチオン拡散イオンは材料の合成から誘導されるが、他の物理特性は反応物ポリマーに対して有意に変化しないようである。
Physical properties of the solid ionically conductive polymer material:
The physical properties of the solid, ionically conductive polymer material can vary based on the reactants used. The specific ion mobilities and anion and cation diffusing ions are derived from the synthesis of the material, but other physical properties do not appear to change significantly for the reactant polymers.
実施例9
結晶化度
実施例3からの反応物PPS、DDQおよびLiOHを使用して、反応物ポリマーと合成した固体イオン伝導性ポリマー材料の相対的物理特性を比較した。
Example 9
Crystallinity The reactants PPS, DDQ and LiOH from Example 3 were used to compare the relative physical properties of the reactant polymers and the synthesized solid, ionically conductive polymer material.
第一工程では、PPS反応物およびLiOH一水素化物を混合し、そしてx-線回折(“XRD”)を介して分析した。図2Aでは、この非晶質ポリマー混合物のXRDが、LiOH一水素化物に対応するピークを30から34度の間に示す。その他の点では、そのXRDはポリマーが非晶質であり、そしていかなる有意な結晶性も欠くことを示す。 In the first step, the PPS reactant and LiOH monohydride were mixed and analyzed via x-ray diffraction ("XRD"). In Figure 2A , the XRD of this amorphous polymer mixture shows a peak between 30 and 34 degrees that corresponds to LiOH monohydride. Otherwise, the XRD shows that the polymer is amorphous and lacks any significant crystallinity.
混合物を押し出し、そしてフィルムに引き出す。この工程で押出し機を介するPPSポリマーの加熱は、非晶質PPS材料をアニールし(融点未満の適切な温度で加熱、そして維持し、続いてゆっくり冷却する)、同時に材料をフィルムに押出し、これにより結晶化度を生じるか、または上げる。図2Bでは、重要な結晶ポリマーピークを示し、これは約60%でPPS材料の結晶化度を定量するためにも使用することができる。LiOH一水素化物のピークも残る。 The mixture is extruded and drawn into a film. Heating the PPS polymer through the extruder in this process anneals the amorphous PPS material (heating and maintaining at a suitable temperature below the melting point followed by slow cooling) while simultaneously extruding the material into a film, thereby creating or increasing crystallinity. Figure 2B shows a significant crystalline polymer peak, which can also be used to quantify the crystallinity of the PPS material at about 60%. A LiOH monohydride peak also remains.
次いでフィルム混合物をDDQドーパントの蒸気ドーピングにかけて本発明の固体イオン伝導性ポリマー材料を作製し、そして対応するXRDを図2Cに示す。変色は、材料がドーピングされた後に黒になるのでドーピング中に観察される。この変色はイオンの電荷移動錯体が形成され、ポリマーおよびドーパント反応物がイオン化合物の存在下で反応したこと、そして材料は活性化されてイオン伝導性になったことを示す。ポリマーのピークは残り、そして材料の結晶化度の程度が約60%のままであり、したがって変化していないことを示す。しかしLiOH一水素化物のピークは消失し、そしていかなる他のピークにも置き変わらない。導かれる結論は、イオン化合物がその成分のカチオンおよびアニオンに解離し、そしてこれらイオンは今、材料構造の一部であるということである。 The film mixture was then subjected to vapor doping of DDQ dopant to produce the solid, ionically conductive polymer material of the present invention, and the corresponding XRD is shown in FIG. 2C . A color change is observed during doping as the material turns black after doping. This color change indicates that an ionic charge transfer complex is formed, indicating that the polymer and dopant reactants have reacted in the presence of the ionic compound, and that the material has been activated to become ionically conductive. The polymer peak remains, indicating that the degree of crystallinity of the material remains at about 60%, thus unchanged. However, the LiOH monohydride peak disappears and is not replaced by any other peak. The conclusion drawn is that the ionic compound has dissociated into its component cations and anions, and these ions are now part of the material structure.
ガラス転移および融点温度
実施例10
バルクおよび薄いフィルムポリマーサンプルの融解温度およびTgの測定に関する多くの技法が存在するが、示差走査熱量測定(“DSC”そしてASTM D7426(2013)に記載されている)は、ポリマー材料の比熱容量の変化を測定するための迅速な試験法を提供する。ガラス転移温度は、比熱容量における段階的変化として現れる。
Glass Transition and Melting Temperatures Example 10
While many techniques exist for measuring the melting temperature and Tg of bulk and thin film polymer samples, differential scanning calorimetry ("DSC" and described in ASTM D7426 (2013)) provides a rapid test method for measuring the change in specific heat capacity of a polymeric material. The glass transition temperature appears as a step change in the specific heat capacity.
図3について、実施例1から合成した材料に関するDSCプロットを示す。材料[PPS-クロラニル-LiTFSI]の融点をDSCから導き出し、そして反応物ポリマーPPS:約300CのTmとは異ならないと決定する。この基材ポリマーのガラス転移温度Tgは80~100Cの間であるが、DSCプロットではTg変化(inflection)は見られず、そして合成で固体イオン伝導性ポリマー材料はその粘弾性状態を失ったと考えられ、これはPPS基材ポリマーで明白であり、ガラス状態が材料の融解温度未満の下の温度範囲に広がっている。130Cでのプロットの急落はイオン化合物のアーティファクトと考えられる。 Referring to Figure 3 , a DSC plot for the material synthesized from Example 1 is shown. The melting point of the material [PPS-chloranil-LiTFSI] is derived from DSC and determined to be not different from the reactant polymer PPS: Tm of about 300C. The glass transition temperature Tg of this base polymer is between 80-100C, but no Tg inflection is observed in the DSC plot, and it is believed that upon synthesis the solid ionically conductive polymer material lost its viscoelastic state, which is evident in the PPS base polymer, where the glassy state extends into the lower temperature range below the melting temperature of the material. The sudden drop in the plot at 130C is believed to be an artifact of ionic compounds.
イオン伝導性
本発明の固体イオン伝導性ポリマー材料のイオン伝導性を測定し、そして関連する
従来の電解質とを比較する。本発明の材料は、環境条件でイオン伝導性であると判明し、一方、ガラス状態では反応物ポリマーはイオン的に断絶されていた。材料はガラス状態であるので、関連するセグメント運動は存在することはなく、したがってリチウムカチオンおよびアニオンの拡散は、セグメント運動が必要ではない異なるイオン伝導メカニズムを介して可能にしなければならない。
Ionic Conductivity The ionic conductivity of the solid, ionically conductive polymer material of the present invention is measured and compared to related conventional electrolytes. The material of the present invention was found to be ionically conductive at ambient conditions, while in the glassy state the reactant polymer was ionically disconnected. Since the material is in the glassy state, there can be no relevant segmental motion, and thus diffusion of lithium cations and anions must be possible via a different ionic conduction mechanism where segmental motion is not necessary.
具体的に、実施例1に記載した本発明の固体イオン伝導性ポリマー材料のフィルムを.0003インチ(7.6マイクロメートル)から厚さの範囲を上げて押し出す。フィルムのイオンの表面伝導性は、当業者には既知のAC-電気化学的インピーダンス分光法(EIS)の標準試験を使用して測定する。固体イオン伝導性ポリマー材料フィルムのサンプルは、ステンレス鋼製のブロッキング電極に挟み、そして試験装置に配置する。AC-インピーダンスを800KHz~100Hzの範囲でBio-Logic VSP試験システムを使用して記録して、材料のイオン伝導性を測定した。面内(in-plane)および交差面(through plane)のイオン伝導性を、材料フィルムを適切なジグに配置することによりBio-Logicを使用して測定した。交差面の伝導性は3.1×10-4S/cmで、そして面内の伝導性は3.5×10-4S/cmで測定した。それらの測定値は、材料の等方性の相対イオン伝導性(isotropic relative ion conductivity)を考察するために十分に類似していた。 Specifically, films of the solid, ionically conductive polymer material of the present invention described in Example 1 are extruded in thicknesses ranging from 0.0003 inches (7.6 micrometers) up. The ionic surface conductivity of the films is measured using a standard test of AC-electrochemical impedance spectroscopy (EIS) known to those skilled in the art. A sample of the solid, ionically conductive polymer material film is sandwiched between stainless steel blocking electrodes and placed in the test fixture. AC-impedance was recorded using a Bio-Logic VSP test system in the range of 800 KHz to 100 Hz to measure the ionic conductivity of the material. The in-plane and through-plane ionic conductivity was measured using Bio-Logic by placing the material film in an appropriate jig. The cross-plane conductivity was measured at 3.1×10 −4 S/cm and the through-plane conductivity was measured at 3.5×10 −4 S/cm. The measurements were similar enough to consider the isotropic relative ion conductivity of the material.
実施例1の材料を使用して約150マイクロメートル厚のフィルムを作製した。電導性は、定電位実験を介して直接測定した。フィルムはステンレス鋼製のブロッキング電極間に配置し、そして0.25Vの電圧を電極間に保持した。電流は180ナノアンペアで測
定し、室温で2.3×106オームcm2の電導度を生じた。この電導度(単位面積当たりの抵抗)は低く、そして室温で1.0×105オームcm2未満であり、これは電解質として十分である。
A film approximately 150 micrometers thick was made using the material of Example 1. The conductivity was measured directly via a constant potential experiment. The film was placed between stainless steel blocking electrodes and a voltage of 0.25 V was held between the electrodes. The current was measured at 180 nanoamps, resulting in a conductivity of 2.3 x 10 6 ohms cm 2 at room temperature. This conductivity (resistance per unit area) is low, less than 1.0 x 10 5 ohms cm 2 at room temperature, which is sufficient for an electrolyte.
実施例1の材料の熱重量分析は、材料の水分含量を測定するために行った。乾燥環境のグローブボックスに材料を保管した後、熱重量分析を行い、そして材料が<5ppmの水を含むことが示された。固体イオン伝導性ポリマー材料に反応物として使用した特定の塩(例えばイオン化合物としてLiOH)は大気水を誘引し、これが材料を親水性とすることができる。 Thermogravimetric analysis of the material of Example 1 was performed to measure the moisture content of the material. After storing the material in a glove box in a dry environment, thermogravimetric analysis was performed and showed that the material contained <5 ppm water. Certain salts used as reactants in the solid ionically conductive polymer material (e.g. LiOH as an ionic compound) can attract atmospheric water, which makes the material hydrophilic.
実施例12
実施例3で合成した材料のモジュラスを試験した。この具体的な固体ポリマー材料から作製された電解質のヤング率の範囲は、3.3~4.0GPaである。しかしこの応用で列挙する材料のヤング率の範囲は一層大きく、そして3.0MPa~4GPaに広がる。合成した材料は熱可塑性を維持し、そしてプラスチック加工技術により再形成され得る。実施例3の材料を、その融点より過度に加熱し、そして冷却した。次いで材料はフィルムに再形成された。このように材料は高いモジュラスを有し、そして熱可塑性である両方が示される。
Example 12
The modulus of the material synthesized in Example 3 was tested. The Young's modulus range of electrolytes made from this particular solid polymer material is 3.3-4.0 GPa. However, the range of Young's modulus of the materials listed in this application is much larger and spans from 3.0 MPa to 4 GPa. The synthesized material remains thermoplastic and can be reformed by plastic processing techniques. The material of Example 3 was heated above its melting point and cooled. The material was then reformed into a film. Thus, the material is shown to have both a high modulus and to be thermoplastic.
比較例13
実施例1で報告したイオン伝導性の測定値の結果を図4および5で具体的に説明する。本発明による固体イオン伝導性ポリマー材料フィルム(△)の伝導性を、トリフルオロメタンスルホネートPEO(□)、およびLi塩溶質およびエチレンカーボネート―プロピレンカーボネート“EC:PC”組み合わせ溶媒からセルガード(Celgard)セパレータを使用して作られた電解質(O)の伝導性と比較する。
Comparative Example 13
The results of the ionic conductivity measurements reported in Example 1 are illustrated in Figures 4 and 5. The conductivity of a solid, ionically conductive polymer material film according to the present invention (Δ) is compared to that of trifluoromethanesulfonate PEO (□) and an electrolyte made from a Li salt solute and ethylene carbonate-propylene carbonate "EC:PC" solvent combination using a Celgard separator (O).
図4に関では、温度の関数として固体ポリマーイオン伝導性材料の測定された伝導率を表す。またセルガードセパレータを用いたLiPF6塩を含む液体電解質EC:PC、およびPEO-LiTFSI電解質の測定されたイオン伝導率を示す。室温での固体イオン伝導性ポリマー材料の伝導率は、PEO-LiTFSI電解質と比べて約2.5桁高く、そして同様な条件で測定された従来の液体電解質/セパレータ系の伝導度に匹敵する。固体イオン伝導性ポリマー材料の伝導度の温度依存性は、温度により活性化されるVogel Tamman-Fulcher挙動により記載されるように、鎖移動が随伴するそのガラス転移温度より高い鋭い上昇は示さない。したがってポリマー電解質材料のイオン伝導メカニズムとしてセグメント運動は、材料がそのガラス状態で有意なイオン伝導性を示すので起こっていない。さらにこのことは発明のポリマー材料が液体電解質に対して同様なレベルのイオン伝導性を有することを証明している。 FIG. 4 shows the measured conductivity of the solid polymer ionically conductive material as a function of temperature. It also shows the measured ionic conductivity of the liquid electrolyte EC:PC with LiPF6 salt and PEO-LiTFSI electrolyte with Celgard separator. The conductivity of the solid ionically conductive polymer material at room temperature is about 2.5 orders of magnitude higher than that of the PEO-LiTFSI electrolyte and is comparable to the conductivity of the conventional liquid electrolyte/separator system measured under similar conditions. The temperature dependence of the conductivity of the solid ionically conductive polymer material does not show a sharp rise above its glass transition temperature accompanied by chain migration as described by the temperature activated Vogel Tamman-Fulcher behavior. Thus, segmental motion as an ionic conduction mechanism of the polymer electrolyte material is not occurring since the material shows significant ionic conductivity in its glassy state. This further proves that the inventive polymer material has a similar level of ionic conductivity to the liquid electrolyte.
図5では、固体イオン伝導性ポリマー材料のイオン伝導性を従来の液体電解質、比較例のリン酸リチウムオキシナイトライド“LIOPN”と、そして伝導性および温度の両方について関連のDOE目標と比較する。図4Bについて、固体イオン伝導性ポリマー材料のイオン伝導性は室温(約21℃)で1×10-04S/cmより高く、約-30℃で約1
×10-04S/cm(そして1×10-05S/cmより高く、そして約80℃で1×10-03S/cmより高い。
In Figure 5 , the ionic conductivity of the solid, ionically conductive polymer material is compared to a conventional liquid electrolyte, a comparative example, lithium oxynitride phosphorus acid "LIOPN," and to the associated DOE targets for both conductivity and temperature. With reference to Figure 4B , the ionic conductivity of the solid, ionically conductive polymer material is greater than 1x10-04 S/cm at room temperature (about 21°C) and is greater than 1x10-04 S/cm at about -30°C.
x 10 -04 S/cm (and greater than 1 x 10 -05 S/cm, and greater than 1 x 10 -03 S/cm at about 80°C.
実施例14
イオン伝導性は材料の配合を調整することにより最適化できる。図6はイオン伝導性の改善および最適化を示し、これはポリマー材料の配合を調整すること、例えば基材ポリマー、ドーパントまたはイオン化合物の変化によりもたらされた。
Example 14
Ionic conductivity can be optimized by adjusting the formulation of the material. Figure 6 shows the improvement and optimization of ionic conductivity, which was brought about by adjusting the formulation of the polymer material, for example, by changing the base polymer, dopant or ionic compound.
拡散性
イオン伝導性に加えて、拡散性はいかなる電解質およびイオン伝導性材料でも重要な固有の特性となる。
Diffusivity In addition to ionic conductivity, diffusivity is an important intrinsic property of any electrolyte and ionically conductive material.
実施例15
拡散性の測定は実施例3で作製した材料について行った。
Example 15
Diffusion measurements were performed on the material prepared in Example 3.
基本的なNMR技法を使用して、固体イオン伝導性ポリマー材料中の自由に流動するイオンとしてLi+を明確に同定した。NMRは元素特異的(例えばH、Li,C,F,PおよびCo)であり、そして局所構造の小さな変化に感受性である。 Basic NMR techniques were used to unambiguously identify Li+ as a free-flowing ion in the solid, ionically conductive polymer material. NMR is element specific (e.g., H, Li, C, F, P, and Co) and sensitive to small changes in local structure.
具体的には、リチウムおよびヒドロキシルイオンの拡散性をパルス化勾配スピンエコー(“PGSE”)リチウムNMR法により評価した。このPGSE-NMR測定はVarian-S Direct Drive 300(7.1T)分光計を使用して行った。マジック角回転法を使用してケミカルシフトの異方性および双極子相互作用を平均化した。パルス化勾配スピン刺激エコーパルス配列を、自己―拡散(拡散性)測定に使用した。各材料サンプル中のカチオンおよびアニオンに関する自己拡散係数の測定値は、それぞれ1Hおよび7Li核を使用して作成した。NMRで決定した自己拡散係数はブラウン運動に類似する不規則な熱誘導性の並進運動(translational motion)の尺度であり、ここでは外部の駆動力が存在しない。しかし自己拡散はNernst Einstein式を介するイオン移動度およびイオン伝導度に緊密に関連し、したがってバッテリー電解質を特徴付ける場合に測定すべき重要なパラメータである。イオン伝導性および拡散性の両データを有する場合、電解質の性能を限定するイオン対またはより高い凝集効果の存在を確かめることが可能である。このような試験は、固体ポリマーイオン伝導性材料が室温で5.7×10-11m2/sのLi+拡散率を有すると結論し、90℃でPE
O/LiTFSIよりも高くし、そしてLi10GeP2S12より少なくとも1桁高くする
(高温で測定)。このように固体イオン伝導性ポリマー材料は、拡散でき、そして可動性となり得る多くのイオンを伝導し、そして室温でバッテリーおよび他の応用に十分高いイオン伝導性を提供する独自な能力を持つ新な固体電解質として作用することができる。
Specifically, the diffusivity of lithium and hydroxyl ions was evaluated by pulsed gradient spin echo ("PGSE") lithium NMR. The PGSE-NMR measurements were performed using a Varian-S Direct Drive 300 (7.1T) spectrometer. Magic angle spinning was used to average the chemical shift anisotropy and dipolar interactions. A pulsed gradient spin stimulated echo pulse sequence was used for the self-diffusion (diffusivity) measurements. Self-diffusion coefficient measurements for cations and anions in each material sample were made using 1H and 7Li nuclei, respectively. The NMR-determined self-diffusion coefficient is a measure of random thermally induced translational motion similar to Brownian motion, where there is no external driving force. However, self-diffusion is closely related to ionic mobility and ionic conductivity via the Nernst-Einstein equation and is therefore an important parameter to measure when characterizing battery electrolytes. With both ionic conductivity and diffusivity data, it is possible to ascertain the presence of ion pairing or higher aggregation effects that limit the performance of the electrolyte. Such testing concludes that the solid polymer ionically conductive material has a Li + diffusivity of 5.7× 10−11 m2/s at room temperature and 1.5×10−11 m2/ s at 90°C.
0/LiTFSI and at least an order of magnitude higher than Li10GeP2S12 (measured at high temperatures). Thus, the solid, ionically conductive polymer material can act as a new solid electrolyte with the unique ability to conduct many ions that can diffuse and become mobile, and provide ionic conductivity at room temperature that is high enough for batteries and other applications.
OH-イオンの拡散率は室温で4.1×10-11m2/sであった。このように固体イオ
ン伝導性ポリマー材料は、固体のOH-コンダクターについて大変高い拡散率を有する。
対応するカチオン輸率(以下の式(1)で定義)は0.58であり、これもまた有意に高く、そして従来技術の固体電解質とは異なる。
The diffusivity of OH - ions was 4.1×10 −11 m 2 /s at room temperature. Thus, the solid, ionically conductive polymer material has a very high diffusivity for solid OH - conductors.
The corresponding cation transport number (defined in equation (1) below) is 0.58, which is also significantly higher and different from prior art solid electrolytes.
実施例16
拡散性の測定は実施例1で作製した材料[PPS-DDQ-LiTFSI]について行った。自己拡散は実施例15に説明する技術を使用して測定した。材料は室温で0.23×10-9m2/sのカチオン拡散率D(7Li)、およびアニオン拡散率D(1H)は室温
で0.45×10-9m2/sであった。
Example 16
Diffusivity measurements were performed on the material [PPS-DDQ-LiTFSI] prepared in Example 1. Self-diffusion was measured using the technique described in Example 15. The material had a cation diffusivity D( 7 Li) of 0.23×10 −9 m 2 /s at room temperature, and an anion diffusivity D( 1 H) of 0.45×10 −9 m 2 /s at room temperature.
材料の伝導性を下げるイオン会合の程度を測定するために、材料の伝導性をNernst Einstein式を介して測定した拡散測定値を使用して算出し、関連する算出された伝導性は測定された伝導性よりも大変大きいと決定された。この差は平均して少なくとも1桁であった(すなわち10x)。したがって伝導性はイオン解離を改良することにより改善できると考えられ、そして算出された伝導性はこの伝導性の範囲内にあると考えることができる。 To determine the degree of ionic association that reduces the conductivity of the material, the conductivity of the material was calculated using diffusion measurements measured via the Nernst-Einstein equation, and the associated calculated conductivity was determined to be much greater than the measured conductivity. This difference was on average at least an order of magnitude (i.e., 10x). It is therefore believed that conductivity can be improved by improving ionic dissociation, and the calculated conductivity can be considered to be within this range of conductivity.
カチオン輸率は、拡散係数データから式(1)を介して以下のように予想することができる:
t+~D+/(D++D-)(1)
式中、D+およびD-は、それぞれLiカチオンおよびTFSIアニオンの拡散係数を指す。上記データから、対応するPEO電解質における約0.2のt+値(液体カーボネー
ト電解質も約0.2のt+値を有する)と比べて、固体イオン伝導性ポリマー材料では約
0.7のt+値を得る。この高いカチオン輸率の特性は、バッテリーの性能に重要な意味
を有する。理想的にはLiイオンが全ての電流を運ぶことを意味する1.0のt+値が好
ましいことになる。アニオン移動度はバッテリーの性能を限定する恐れがある電極分極効果を生じる。両イオンが可動性となり得る材料では、0.5以上のt+値が大変求められ
るが、大変稀にしか達成されない。算出された0.7の輸率は、いかなる液体またはPEO基材の電解質でも観察されたことはないと思われる。イオン会合は計算に影響を及ぼすかもしれないが、電気化学的結果は、0.65から0.75間の輸率の範囲を確認する。
The cation transport number can be predicted from the diffusion coefficient data via equation (1) as follows:
t + ∼D + /(D + +D - ) (1)
where D + and D - refer to the diffusion coefficients of the Li cation and TFSI anion, respectively. From the above data, we obtain a t + value of about 0.7 for the solid ionically conductive polymer material, compared to a t + value of about 0.2 for the corresponding PEO electrolyte (liquid carbonate electrolyte also has a t + value of about 0.2). This property of high cation transport number has important implications for battery performance. Ideally, a t + value of 1.0 would be preferred, meaning that Li ions carry all the current. Anion mobility creates electrode polarization effects that can limit battery performance. In materials where both ions can be mobile, t + values of 0.5 or higher are highly desired but very rarely achieved. The calculated transport number of 0.7 is not believed to have been observed in any liquid or PEO-based electrolyte. Although ion association may affect the calculation, electrochemical results confirm a range of transport numbers between 0.65 and 0.75.
t+は、リチウムカチオンの拡散が高いのでアニオン拡散に依存的であると考える。カ
チオン拡散が対応するアニオン拡散より大きい場合、カチオン輸率は常に0.5より高く、そしてアニオンが可動性の場合、カチオン輸率も1.0未満でなければならない。イオン化合物としてリチウム塩の調査は、この0.5より高く、そして1.0未満というカチオン輸率の範囲を生じるものと考える。比較例として、幾つかのセラミックスが高い拡散数を有すると報告されたが、そのようなセラミックスは単一イオンを輸送するだけであり、したがってカチオン輸率はD-がゼロの場合に1.0に下がる。
We believe that t + is dependent on the anion diffusion since the diffusion of lithium cations is high. If the cation diffusion is larger than the corresponding anion diffusion, the cation transport number must always be higher than 0.5, and if the anion is mobile, the cation transport number must also be less than 1.0. We believe that the investigation of lithium salts as ionic compounds yields this range of cation transport numbers higher than 0.5 and less than 1.0. As a comparative example, some ceramics have been reported to have high diffusion numbers, but such ceramics only transport a single ion, and therefore the cation transport number falls to 1.0 when D- is zero.
輸率はNMRに由来する拡散測定から算出されるが、輸率を算出する別の手段は、Bruce and Vincent法のような直接法により行うことができる。Bruce
and Vincent法は、固体イオン伝導性ポリマー材料の輸率を算出するために使用され、そしてNMR由来の測定値に対して良好な相関が見出された。
Although the transport numbers are calculated from NMR derived diffusion measurements, another means of calculating the transport numbers is by direct methods such as the Bruce and Vincent method.
The method of G. and Vincent was used to calculate the transport numbers of the solid, ionically conductive polymer materials and was found to correlate well with NMR-derived measurements.
図7に関して、広い温度範囲にわたる固体イオン伝導性ポリマー材料の拡散測定の結果を示し、そしてイオン源としてLiTFSIを含むPEOと比較する。最も重要な結論は:(i)両化合物が測定できる温度で、Liの拡散は固体ポリマーイオン伝導性材料がPEO LiTFSIポリマー電解質よりもほぼ2桁高く;(ii)固体ポリマーイオン伝導性材料の拡散係数は、少なくとも-45℃まで測定可能であり、固体材料ではLi拡散について大変低温で測定され、具体的にはリチウムイオン拡散率は1×10-13m2/sより大きい。低温での固体イオン伝導性ポリマー材料のこの優れたイオン伝導性の性能は、一般の液体バッテリー電解質を凌ぐ。またNMRスペクトルの温度依存性は、イオン運動がポリマーのセグメント運動によるものではなく、代わりにそのガラス状態で有意なイオン拡散を可能にするという点でポリマーから分断されている(decoupled)ことを示唆していることに注目すべきである。このように30%より高い結晶化度;ガラス状態;および少なくとも1つのカチオン性およびアニオン性拡散イオンの両方を有する固体イオン伝導性ポリマー材料の存在が示され、ここで少なくとも1つの(この態様では両拡散イオン)拡散イオンがガラス状態で可動性である。 With reference to FIG. 7 , the results of diffusion measurements of the solid ionically conductive polymer material over a wide temperature range are shown and compared to PEO with LiTFSI as the ion source. The most important conclusions are: (i) at temperatures where both compounds can be measured, the diffusion of Li is nearly two orders of magnitude higher for the solid polymer ionically conductive material than the PEO LiTFSI polymer electrolyte; (ii) the diffusion coefficient of the solid polymer ionically conductive material is measurable down to at least −45° C., a very low temperature for Li diffusion measured in a solid material, specifically a lithium ion diffusivity of greater than 1×10 −13 m 2 /s. This superior ion conductivity performance of the solid ionically conductive polymer material at low temperatures surpasses that of common liquid battery electrolytes. It is also noteworthy that the temperature dependence of the NMR spectrum suggests that the ion motion is not due to segmental motion of the polymer, but is instead decoupled from the polymer in that its glassy state allows significant ion diffusion. Thus, the existence of a solid, ionically conductive polymer material is demonstrated that has greater than 30% crystallinity; a glassy state; and at least one both cationic and anionic diffusing ion, where at least one (in this embodiment both diffusing ions) diffusing ion is mobile in the glassy state.
比較例17
LiPONのカチオン拡散率は、「新規Li3PS4セラミックイオンコンダクターの固体状およびパルス磁場勾配NMRによる構造的特性決定およびLiの動力学(Structural characterization and Li dynamics in new Li3PS4 ceramic ion conductor by so
lid-state and pulsed-field gradient NMR)」Mallory Govet,Steve Greenbaum,Chengdu Liang and Gayari Saju,Chemistry of Metals(2014)から取る。実験法は、実施例15および16に説明した方法に準じて使用し、そして拡散曲線は図8に説明する。LiPONは100℃で0.54×10-12m2/s
のカチオン拡散率D(7Li)を有する。この拡散率は周囲温度(21℃)で本発明の材
料の拡散率より約80倍小さい。
Comparative Example 17
The cation diffusion rate of LiPON was investigated in "Structural characterization and Li dynamics in new Li 3 PS4 ceramic ion conductor by solid-state and pulsed magnetic field gradient NMR" (Sang et al ., 2003).
(LiD-state and pulsed-field gradient NMR)" Mallory Govet, Steve Greenbaum, Chengdu Liang and Gayari Saju, Chemistry of Metals (2014). The experimental method used was similar to that described in Examples 15 and 16, and the diffusion curve is described in Figure 8. LiPON has a diffusion coefficient of 0.54 x 10-12 m2 /s at 100°C.
This diffusivity is about 80 times smaller than that of the material of the present invention at ambient temperature ( 21 ° C.).
材料の化学構造
固体イオン伝導性ポリマー材料の化学構造に関する情報を測定するための実験を行う。
Chemical Structure of the Material Experiments are performed to measure information about the chemical structure of the solid, ionically conductive polymer material.
実施例18
この実施例では、実施例3で合成した材料をその反応成分PPSおよびDDQおよびLiOH一水素化物と一緒に実験した。
Example 18
In this example, the material synthesized in Example 3 was run with its reactants PPS and DDQ and LiOH monohydride.
反応物または基材ポリマーPPSを最初に分析し、そして図9ではテトラメチルシラン(“TMS”)の分光標準に対して、PPSのプロトン(1H)NMRスペクトルが6
.8ppmに中心を持つ単一ピークにより特徴付けられる。これはポリマーの構造から予想されるような芳香族水素の明確な表示である。このPPSポリマーのプロトンの固体状MAS NMRスペクトルは、300MHz装置で取った。アスタリスクはスピニングサイドバンドを示し、そして挿入図は拡大解像図を示す。
The reactant or base polymer PPS was analyzed first, and in FIG. 9 , the proton ( 1 H) NMR spectrum of PPS was compared against a spectroscopic standard of tetramethylsilane ("TMS") at 60° C.
The PPS polymer is characterized by a single peak centered at 0.8 ppm, which is a clear indication of aromatic hydrogen as expected from the polymer structure. The proton solid-state MAS NMR spectrum of this PPS polymer was taken on a 300 MHz instrument. The asterisk indicates a spinning sideband, and the inset shows a larger resolution image.
図10に関して、固体イオン伝導性ポリマー材料(上)、OH-型プロトンへのスペクトルデコンボレリューションを含む(中央)、および芳香族プロトン(下)の1H NM
Rスペクトル。このスペクトルでは芳香族水素および水酸化物を確認する。材料のプロトンの固体状態のMAS NMRスペクトルは500MHz装置で取る。アスタリスクはスピニングサイドバンドを示し、そして挿入図は拡大解像図を示す。OH-および基材ポリ
マーのプロトンに対するスペクトルのデコンボリューションは、追加の実験スペクトルとして挿入図に示す。NMR分光法は定量的なので(シグナルが飽和しないように注意を払う限り)、スペクトルピークの直接的積分は特定の相での核の割合を与える。この積分の結果は、材料が反復基の芳香族あたり1より多くの可動性OHイオンを有し:そしてポリマーの反復単位(モノマー)あたり約2個のLiOH分子を含むことを示し、これは大変高いイオン濃度である。狭いOHシグナルは、OHイオンの高い可動性を示す。
With reference to FIG. 10 , 1 H NMR spectra of the solid ionically conductive polymer material (top), including the spectral deconvolution into OH-type protons (middle), and aromatic protons (bottom).
R spectrum. This spectrum confirms aromatic hydrogens and hydroxides. The solid-state MAS NMR spectrum of the protons of the material was taken on a 500 MHz instrument. The asterisks indicate spinning sidebands, and the inset shows a magnified resolution view. Deconvolution of the spectrum to OH- and base polymer protons is shown in the inset as an additional experimental spectrum. Since NMR spectroscopy is quantitative (as long as care is taken not to saturate the signal), direct integration of the spectral peaks gives the percentage of nuclei in a particular phase. The result of this integration shows that the material has more than one mobile OH ion per aromatic repeat group: and contains about two LiOH molecules per repeat unit (monomer) of the polymer, which is a very high ion concentration. The narrow OH signal indicates high mobility of the OH ion.
追加の構造的情報は、炭素-13 固体状MAS NMRにより得ることができ、これは~1%の天然存在度の13Cにより可能となる。交差分極(CP)が使用され、これにより近くのプロトンは検出感度を強化するために「レア(rear)」スピンへの移動核磁化(transfer nuclear magnetization)のように、13C核と同時に共鳴される。図11では、PPSポリマースペクトルが、全ての炭素がシグナルに参加する直接分極(下)、および水素へ直接結合しているもののみが参加するCP(上)の両方で表される。異なるスペクトル(中央)は、すなわち硫黄に結合している炭素に対応する。 Additional structural information can be obtained by carbon-13 solid-state MAS NMR, made possible by 13C at a natural abundance of .about.1%. Cross polarization (CP) is used, whereby nearby protons are made to resonate simultaneously with the 13C nuclei, as in transfer nuclear magnetization to "rear" spins to enhance detection sensitivity. In FIG. 11 , the PPS polymer spectrum is represented in both direct polarization (bottom), where all carbons participate in the signal, and in CP (top), where only those directly bonded to hydrogen participate. The difference spectrum (middle) corresponds to the carbons that are bonded to sulfur, i.e.
図12では、直接分極により500MHz装置で取った電子受容体化合物の13CスペクトルMAS NMRスペクトルを、電子受容体DDQの提案されたスペクトルの割り当てと共に示す。この分子中には水素が無いので、スペクトルは直接検出下で得た。大変長いスピン-格子緩和時間(1分より長いような)により、シグナル対ノイズ比はやや低い。様々なピークに関する割り当てを図12に示す。予想された4つ(4種の化学的に等価でない炭素に対応する)に対して6つの異なるピークの出現は、異性体の存在の可能性を示唆している。 In Figure 12 , the 13C spectrum of the electron acceptor compound taken on a 500 MHz instrument with direct polarization is shown, along with the proposed spectral assignment of the electron acceptor DDQ. Since there is no hydrogen in this molecule, the spectrum was obtained under direct detection. Due to the very long spin-lattice relaxation time (such as more than 1 minute), the signal to noise ratio is rather low. The assignments for the various peaks are shown in Figure 12. The appearance of six different peaks instead of the expected four (corresponding to the four chemically non-equivalent carbons) suggests the possible presence of isomers.
直接分極により500MHz装置で取った固体イオン伝導性ポリマー材料の13C固相MAS NMRスペクトルを図13Aに表し、PPSからイオン伝導性材料に入ってくるメインピーク(芳香族炭素に占められる)中のシフトを示す。挿入図の中央のCPスペクトルは、PPSポリマーがLiOHのOH基と強く相互作用していることを示唆している。
材料およびDDQ電子受容体の両拡大スペクトルは図13Bで比較し、材料中に反応物の元の分光的特徴を曖昧にする化学反応があることを示す。
The 13C solid-state MAS NMR spectrum of the solid ionically conductive polymer material taken on a 500 MHz instrument by direct polarization is shown in Figure 13A and shows a shift in the main peak (dominated by aromatic carbons) from PPS into the ionically conductive material. The CP spectrum in the center of the inset suggests that the PPS polymer interacts strongly with the OH groups of LiOH.
The expanded spectra of both the material and the DDQ electron acceptor are compared in FIG. 13B and indicate that there is a chemical reaction in the material that obscures the original spectroscopic signature of the reactants.
このNMR分析は、3種の異なる反応物が反応して本発明の固体イオン伝導性ポリマー材料を形成することを明らかに示している。単にその成分の混合物ではない新な材料が形成された。3種の成分の間に反応があり、そして固体ポリマーイオン伝導性材料は反応生成物である。特に、基材ポリマーと合成された材料との間には13C NMRピークにシフトが存在する。さらにOHに関連する水素の1H共鳴および13C共鳴の同時照射の効果は
、イオンが構造に取り込まれたこと、したがってすべての3種の別個の成分が反応し、そして新規な合成された材料の一部であることを示す。
This NMR analysis clearly shows that three different reactants react to form the solid, ionically conductive polymer material of the present invention. A new material has been formed that is not simply a mixture of the components. There is a reaction between the three components, and the solid polymeric, ionically conductive material is the reaction product. In particular, there is a shift in the 13C NMR peaks between the base polymer and the synthesized material. Furthermore, the effect of simultaneous illumination of the 1H and 13C resonances of the hydrogen associated with OH indicates that ions have been incorporated into the structure, and thus all three separate components have reacted and are part of the new synthesized material.
実施例19
実施例3の材料中のカチオン(例えばリチウムイオン)濃度の定量は、材料を内部同軸管に挿入し、そしてリチウムジスプロシウムポリフォスフェート(Dy)のようなシフト試薬錯体の外部参照溶液で囲むことにより完了することができる。図14を参照すると、Liカチオン共鳴のシフトが、サンプル中のリチウムの定量を可能にする常磁性Dyにより誘導される。測定したサンプルでは、リチウムカチオン濃度は1リットルの材料あたり約3モルになることが分かった([Li]~3モル/リットル)。この高濃度のカチオンは、固体イオン伝導性ポリマー材料が大変高いイオン伝導性を室温および広い温度範囲にわたり有することを可能にする。
Example 19
Quantification of the cation (e.g., lithium ion) concentration in the material of Example 3 can be completed by inserting the material into an inner coaxial tube and surrounding it with an external reference solution of a shift reagent complex such as lithium dysprosium polyphosphate (Dy). Referring to FIG. 14 , a shift in the Li cation resonance is induced by the paramagnetic Dy allowing for quantification of lithium in the sample. In the measured sample, the lithium cation concentration was found to be approximately 3 moles per liter of material ([Li] ∼ 3 moles/liter). This high concentration of cations allows the solid ionically conductive polymer material to have very high ionic conductivity at room temperature and over a wide temperature range.
材料の安定性
液体電解質および他のポリマー電解質は、リチウムの安定性に関する課題に取り組むことになる。それらのリチウムとの相互作用は、リチウムと電解質との間にバッテリーの寿命に不利な反応を生じる。また電解質は、インターカレーション材料、電導性添加剤、レオロジー剤および他の添加剤を含む電気化学的に活性な物質のような他のバッテリー成分と使用する場合、適合性および非反応性になることが必要である。さらに4.0ボルトより高い電圧で、一般的な電解質は単に分解する可能性があり、これも良くないバッテリー寿命をもたらす。このようにリチウムの「安定性」は、ポリマー電解質の要件となる。具体的にはポリマー電解質は非反応性で分解しないと同時に、リチウム金属を4.0V、4.5Vおよび5.0Vより高い電圧で輸送する。
Material Stability Liquid electrolytes and other polymer electrolytes address the issue of lithium stability. Their interaction with lithium results in reactions between lithium and the electrolyte that are detrimental to the battery's life. The electrolyte also needs to be compatible and non-reactive when used with other battery components such as electrochemically active materials, including intercalation materials, conductive additives, rheological agents, and other additives. Furthermore, at voltages above 4.0 volts, typical electrolytes may simply decompose, again resulting in poor battery life. Thus, lithium "stability" becomes a requirement for polymer electrolytes. Specifically, polymer electrolytes are non-reactive and do not decompose, while at the same time transporting lithium metal at voltages above 4.0V, 4.5V, and 5.0V.
図15を参照にして、薄いフィルムバッテリー構造10を表す。負極は関連する集電装置(示さず)を含むリチウム金属10、すなわちリチウムイオンバッテリーに典型的な負極インターカレーション材料から構成される。インターカレーション材料が選択されれば、固体イオン伝導性ポリマー材料をそれらと混合する。正極30は正極集電装置(cathode collector)(示さず)および電気化学的に活性な物質またはインターカレーション材料から構成される。ここでも固体イオン伝導性ポリマー材料が電導性材料と一緒にそれらと混合される。固体イオン伝導性ポリマー材料のフィルムは、セパレータ/電解質40として使用され、そして負極と正極との間に挟まれる。
Referring to FIG. 15 , a thin
実施例20
固体イオン伝導性ポリマー材料は、広範な種々の現在のリチウムイオン化学との適合性を示す。図16に関しては、図15に従い構成したバッテリーの性能、および関連する正極の電気化学的活性物質に従った標識である。具体的には、バッテリーをLiFePO4
、LiMn2O4、およびLiCoO2正極およびリチウム金属負極で構築した。電気化学
的活性物質と正極中で混合した本発明の材料で構築したバッテリーは、電解質としてリチウムイオンを負極および正極から、そしてそれらへ伝導するために使用し、そして適切な放電性能を示す。
Example 20
The solid ionically conductive polymer material demonstrates compatibility with a wide variety of current lithium ion chemistries. Referring to Figure 16 , the performance of a battery constructed according to Figure 15 and labeled according to the associated positive electrode electrochemically active material. Specifically, the battery was constructed using LiFePO4
, LiMn2O4 , and LiCoO2 positive electrodes and lithium metal negative electrodes. Batteries constructed with the materials of the present invention mixed in the positive electrode with the electrochemically active material use the electrolyte to conduct lithium ions to and from the negative and positive electrodes and exhibit adequate discharge performance.
この固体ポリマー材料を電解質としてすべてのバッテリー構造内で、または1つの構造内(負極、正極、セパレータおよび電解質)で使用することにより、いかなる液体電解質も使用せずに新しいレベルの性能を達成することができる。材料は少なくとも1つの電極内の電気化学的活性材料またはインターカレーション材料と混合することができる。バッテリーの電気化学的反応に必要なイオンは、電解質を通って伝導される。材料は粒状、スラリー、フィルムまたは他のバッテリーに適する用途の形態であることができる。フィルムとして材料は電極間、または電極と集電装置との間に挟まれ、集電装置または電極を封入して配置され、あるいはイオン伝導性が必要な場所に配置される。図15に記載するようにバッテリーの全ての三主要成分は固体ポリマー材料を使用して作ることができる。図15に示す態様では、フィルム形の電極および挟まれたセパレータまたは電解質は独立構造であることができ、あるいは熱溶接または熱可塑性フィルムを合体するための他の手段により互いに固定されることができる。 By using this solid polymer material as the electrolyte in all battery structures or in one structure (negative electrode, positive electrode, separator and electrolyte), new levels of performance can be achieved without the use of any liquid electrolyte. The material can be mixed with the electrochemically active material or intercalation material in at least one electrode. The ions required for the electrochemical reaction of the battery are conducted through the electrolyte. The material can be in the form of granules, slurry, film or other suitable application for the battery. As a film, the material can be sandwiched between electrodes or between an electrode and a current collector, placed to encapsulate a current collector or electrode, or placed where ionic conductivity is required. All three major components of the battery can be made using solid polymer materials as described in FIG. 15. In the embodiment shown in FIG . 15 , the film-form electrodes and the sandwiched separator or electrolyte can be free-standing structures or can be secured together by heat welding or other means for holding thermoplastic films together.
実施例21
正極は実施例1からの材料でLCO封入を用いて製造された。正極はリチウム金属の負極と対になり、そして材料のフィルムは図15の構成で記載したように負極と正極との間に挟まれた。次いで集成したバッテリーを複数のサイクルで充電そして放電した。図17は多数のサイクルにわたって生じた放電曲線を示す。
Example 21
A positive electrode was fabricated using LCO encapsulation with the material from Example 1. The positive electrode was paired with a lithium metal negative electrode, and a film of the material was sandwiched between the negative and positive electrodes as described in the configuration of Figure 15. The assembled battery was then charged and discharged for multiple cycles. Figure 17 shows the resulting discharge curve over a number of cycles.
充電―放電曲線は分極をほとんど示さず、そして効率は少なくとも99%である。この結果は、正極内のイオン輸送媒体としてのポリマーの機能性、そしてまた固体状態のバッテリー内の電解質として役立つ能力を証明している。また重要なことは、4(4.0)ボルトから4.3Vそして5.0Vにわたり操作している間の電解質の電圧安定性、リチウム金属の安定性、および100mAh/gを越える速度でリチウムを輸送する安定性(具体的には少なくとも:133.5mAh/gリチウム)である。 The charge-discharge curves show little polarization and the efficiency is at least 99%. This result demonstrates the functionality of the polymer as an ion transport medium in the positive electrode and also its ability to serve as an electrolyte in a solid-state battery. Also important is the voltage stability of the electrolyte during operation from 4 (4.0) volts to 4.3 V and 5.0 V, the stability of the lithium metal, and the stability of transporting lithium at rates exceeding 100 mAh/g (specifically at least: 133.5 mAh/g lithium).
実施例22
図15に記載した構成で作製されたリチウム金属負極および硫黄正極を含むLiSバッテリーを構築する。実施例1からの材料を、バッテリーの作製に使用する。一般にリチウム―硫黄系では、そのようなバッテリーに典型的な液体電解質中の硫黄反応化学の中間体(intermediary)の解離により引き起こされる低いサイクル寿命の克服に取り組んできた。
Example 22
A LiS battery is constructed containing a lithium metal anode and a sulfur cathode made in the configuration described in Figure 15. The materials from Example 1 are used in the construction of the battery. In general, lithium-sulfur systems have struggled to overcome poor cycle life caused by the dissociation of intermediates in the sulfur reaction chemistry in the liquid electrolyte typical of such batteries.
固体ポリマー材料は、反応中間体を固体系に捕捉することにより反応中間体のこの解離を制限してLi-S系を可能にするように作用する。固体ポリマー材料はリチウムイオンを輸送できると同時に、ポリスルフィドイオンが負極に達することを遮断する。固体ポリマー材料は硫黄粒子の溶解性およびスルフィドの輸送を制限し、これにより、より多くの硫黄が反応に参加することを可能とし、そして正極の容量を改善する。硫黄および炭素のみを含む標準的な正極を含んでなるバッテリーに対して、この改善された容量を図18に示す。ここでもこのデータが室温で取られたことに注目することが重要である。固体ポリマー材料は、液体電解質に典型的な、そして幾つかの一般的ポリマー電解質に典型的な「無差別拡散(indiscriminate diffusion)」は可能にしないが、代わりに合成中に材料に包含されたイオンの拡散のみを可能にする。このようにスルフィドは拡散できず、そして代わりに拡散アニオン(1もしくは複数)およびカチオン(1もしくは複数)以外の他のイオンと全く同様にイオン非伝導性である(non-ionically conductive)。すなわち材料は、選択したイオンについてのみイオンの移動を可能とするように工作できるイオン分離膜として作用することができる。 The solid polymer material acts to limit this dissociation of the reaction intermediates by trapping them in a solid system, allowing the Li-S system. The solid polymer material allows lithium ions to be transported while blocking polysulfide ions from reaching the negative electrode. The solid polymer material limits the solubility of the sulfur particles and the transport of sulfides, thereby allowing more sulfur to participate in the reaction and improving the capacity of the positive electrode. This improved capacity is shown in FIG. 18 relative to a battery comprising a standard positive electrode containing only sulfur and carbon. Again, it is important to note that this data was taken at room temperature. The solid polymer material does not allow for "indiscriminate diffusion," typical of liquid electrolytes and some common polymer electrolytes, but instead only allows the diffusion of ions incorporated into the material during synthesis. Thus, sulfides cannot diffuse and are instead non-ionically conductive just like other ions other than the diffusing anion(s) and cation(s), i.e. the material can act as an ion separation membrane that can be engineered to allow ion movement only for selected ions.
固体ポリマー電解質
記載したように固体イオン伝導性ポリマー材料は固体電解質として作用する。固体電解
質として、これはセパレータの必要性を不要にするが、多くの同じセパレータの特性が固体電解質に必要とされる。
Solid Polymer Electrolyte As described, the solid, ionically conductive polymer material acts as a solid electrolyte. As a solid electrolyte, it obviates the need for a separator, although many of the same separator properties are required for a solid electrolyte.
セパレータは、バッテリーの負極と正極との間に置かれるイオン透過性膜である。セパレータの主な機能は2つの電極を離しておき、短絡を防ぐと同時に、電気化学電池の電流の通過中に回路を閉じることが必要なイオン電荷キャリアの輸送も可能にする。この分離およびイオン輸送操作は、全てのバッテリーに必要である。 A separator is an ion-permeable membrane placed between the negative and positive electrodes of a battery. The separator's main function is to keep the two electrodes apart, preventing short circuits, while also allowing the transport of ionic charge carriers that are necessary to close the circuit during the passage of electrical current in an electrochemical cell. This separation and ion transport operation is necessary for all batteries.
また固体電解質は、バッテリーが繰り返しフル充電および放電される時に、激しい反応環境下で電極材料に対して化学的に安定でなければならない。セパレータはバッテリーの正常および異常な使用中に分解すべきでない。中でも特に重要なことは、充電および放電中に遭遇する電圧範囲にわたる電圧の安定性である。 The solid electrolyte must also be chemically stable towards the electrode materials in the aggressively reactive environment when the battery is repeatedly fully charged and discharged. The separator should not decompose during normal and abnormal use of the battery. Of particular importance is voltage stability over the range of voltages encountered during charging and discharging.
固体電解質は、バッテリーのエネルギーおよびパワー密度(power density)を促進するために薄くなければならない。しかし固体電解質はセパレータとして作動しなければならず、機械的強度および安全性を両立させるため薄すぎることはできない。厚さは多くの充電サイクルを支持するために均一であるべきである。約25.4μm-(1.0mil)および30マイクロメートル未満が一般に標準的幅である。固体電解質の厚さは、パルプ製紙業界技術協会(Technical Association of
the Pulp and Paper Industry)によるT411 om-83法を使用して測定することができ、そして5~150マイクロメートルの厚さに押し出された。
The solid electrolyte must be thin to facilitate the energy and power density of the battery. However, it must act as a separator and cannot be too thin to balance mechanical strength and safety. The thickness should be uniform to support many charging cycles. Approximately 25.4 μm- (1.0 mil) and less than 30 micrometers are generally standard widths. The thickness of the solid electrolyte is determined by the Technical Association of the Pulp and Paper Industry.
The thickness of the extruded polymer can be measured using the T411 om-83 method by the Pulp and Paper Industry and was extruded to a thickness of 5 to 150 micrometers.
ポリマーセパレータは、一般に4から5倍まで電解質の抵抗を上げ、そして均一な透過性からの逸脱は不均一な電流密度の分布を生じ、これはデンドライトの形成を引き起こす。両課題は、均一で等方性のイオン伝導性を生じ、そして有する固体電解質の使用により排除することができる。 Polymer separators generally increase the resistance of the electrolyte by a factor of four to five, and deviations from uniform permeability result in non-uniform current density distribution, which can lead to the formation of dendrites. Both problems can be eliminated by the use of solid electrolytes, which produce and have uniform, isotropic ionic conductivity.
固体電解質はバッテリー集成中のいかなる屈曲操作に張力、あるいはバッテリーの曲げや他の乱用にも耐えるために十分の強くなければならない。機械強度は一般に機械(屈曲)方向と交差方向の両方の引張り強さと言う意味で、引裂抵抗および穿刺強度と言う意味で定められる。これらのパラメータは、応力対歪の比であるヤング率という意味で定められる。固体ポリマー材料から作られた電解質のヤング率の範囲は3.0Mpa-4.0GPaであり、そして必要に応じてガラス繊維またはカーボンファイバーのような添加物を使用することにより、より高くに設計することができる。 The solid electrolyte must be strong enough to withstand any flexing operations during battery assembly, or the bending and other abuse of the battery. Mechanical strength is generally defined in terms of tensile strength in both the machine (flexing) and cross directions, tear resistance and puncture strength. These parameters are defined in terms of Young's modulus, which is the ratio of stress to strain. The Young's modulus range for electrolytes made from solid polymeric materials is 3.0 MPa-4.0 GPa, and can be engineered higher if necessary by using additives such as glass or carbon fibers.
固体電解質はカーリングやパッカリング無しに完全に平に置いて、広い温度範囲にわたり安定でなければならない。本発明の固体電解質のイオン輸送特性は温度により変動するが、構造的完全性は以下に完全に記載するように過剰な熱に暴露された時でも安定なままである。 The solid electrolyte must lay completely flat without curling or puckering and be stable over a wide temperature range. The ionic transport properties of the solid electrolyte of the present invention vary with temperature, but the structural integrity remains stable even when exposed to excessive heat, as described more fully below.
このように固体イオン伝導性ポリマー材料は、上に挙げた要件のそれぞれを達成するので、セパレータおよび固体電解質の要件を満たす。具体的には固体ポリマー電解質は3.0Mpaより大きいヤング率、50マイクロメートル未満の厚さ、等方性のイオン伝導性、-45℃もの低温で多数のイオンの拡散性、リチウム金属との安定性(非反応性)、電気化学的に活性な材料、および高電圧での電導性添加剤、熱可塑性および成形可能性を有する。 Thus, the solid ionically conductive polymer material meets the requirements of a separator and solid electrolyte, as it achieves each of the requirements listed above. Specifically, the solid polymer electrolyte has a Young's modulus greater than 3.0 MPa, a thickness less than 50 micrometers, isotropic ionic conductivity, diffusivity of many ions at temperatures as low as -45°C, stability (non-reactivity) with lithium metal, electrochemically active materials and conductive additives at high voltages, thermoplasticity and moldability.
実施例23
固体ポリマー材料は、UL 94-V0燃焼性試験のパラメータに従い、燃焼性につい
て試験した。固体ポリマー材料はほとんど不燃性―2秒で自己-消火性(self-extinguish)であることが分かった。UL 94-V0標準により、不燃性と考えるためには、材料は10秒以内に自己―消火となる必要がある。
Example 23
The solid polymeric materials were tested for flammability according to the parameters of the UL 94-V0 flammability test. The solid polymeric materials were found to be virtually non-flammable - self-extinguishing in 2 seconds. Per the UL 94-V0 standard, a material must self-extinguish within 10 seconds to be considered non-flammable.
本出願およびこの詳細な説明は、請求の範囲、要約および図面を含め、以下の出願の全明細書を本明細書に編入する:2015年5月8日に出願された米国特許仮出願第62/158,841号明細書;2014年12月3日に出願された米国特許出願第14/559,430号明細書;2013年12月3日に出願された米国特許仮出願第61/911,049号明細書;2013年4月11日に出願された同第13/861,170号明細書;および2012年4月11日に出願された米国特許仮出願第61/622,705号明細書。 This application and this detailed description incorporate herein the entire specifications of the following applications, including the claims, abstracts and drawings: U.S. Provisional Patent Application No. 62/158,841, filed May 8, 2015; U.S. Provisional Patent Application No. 14/559,430, filed December 3, 2014; U.S. Provisional Patent Application No. 61/911,049, filed December 3, 2013; U.S. Provisional Patent Application No. 13/861,170, filed April 11, 2013; and U.S. Provisional Patent Application No. 61/622,705, filed April 11, 2012.
本発明を特定の好ましい態様と結び付けてここに詳細に記載してきたが、その中の多くの改変および変更は、当業者により本発明の精神から逸脱せずになされ得るであろう。したがって我々は添付の請求の範囲により限定されるだけであり、本明細書に記載した態様の詳細および手段によってはどのようにも限定されないことを意図している。 Although the present invention has been described in detail herein in connection with certain preferred embodiments, numerous modifications and variations therein may be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. We therefore intend to be limited only by the scope of the appended claims, and not in any way by the details and instrumentalities of the embodiments described herein.
本発明の概念から離れることなく前記構造に様々な変更および改良を行うことができると理解され、そしてさらにそのような概念は特に明記しなくても、以下の請求の範囲により網羅されることを意図していると理解される。 It is understood that various modifications and improvements can be made to the structure described above without departing from the concepts of the invention, and further understood that such concepts are intended to be covered by the following claims, even if not specifically stated otherwise.
Claims (71)
前記材料の単位面積当たりの抵抗が室温で1.0×105オームcm2未満であり、
前記少なくとも1つのアニオン性拡散イオンの少なくとも1つはヒドロキシルイオンであり、
前記少なくとも1つのカチオン性拡散イオンの少なくとも1つはアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属またはポスト遷移金属であり、
ただし、前記材料の融解温度は250℃より高く、
前記材料は
基材ポリマーおよびドーパントが最初に混合され、そして次いで加熱され、ただし加熱工程は混合後、もしくは混合中に適用され、ドーパントと基材ポリマーとの間の反応を示す変色を生じ、次いでイオン化合物が反応したポリマードーパント材料と混合されて固体イオン伝導性ポリマー材料の形成が完了する方法
により形成され、ただし、
前記基材ポリマーは、ポリフェニレン スルフィド(PPS)、ポリ(p-フェニレン オキシド)(PPO)、液晶ポリマー(LCPs)、ポリエーテル エーテル ケトン(PEEK)、ポリフタルアミド(PPA)、ポリピロール、ポリアニリン、ポリスルホン、挙げられるポリマーの反復単位を含むコポリマー、これらのポリマーの混合物、ポリアニリン ポリ‐フェニルアミン[C6H4NH]n、ポリ‐パラフェニレン テレフタルアミド[-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびポリエチレン(PE)からなる群より選ばれ、
前記イオン化合物は、Li2O、LiOH、ZnO、TiO2、Al2O3、NaOH、KOH、LiNO3、Na2O、MgO、CaCl2、MgCl2、AlC13、LiTFSI(リチウム ビス-トリフルオロメタンスルホンイミド)、LiFSI(リチウム ビス(フルオロスルホニル)イミド)、リチウム ビス(オキサラト)ボレート(LiB(C2O4)2、LiBOB)、他のリチウム塩、およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれ、
前記ドーパントは、2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-1,4-ベンゾキノン(DDQ)(C8Cl2N2O2)、テトラクロロ-1,4-ベンゾキノン(クロラニル)(C6Cl4O2)、テトラシアノエチレン(C6N4)、三酸化硫黄(SO3)、オゾン(三酸素またはO3)、酸素(O2、空気を含む)、遷移金属酸化物、およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれ、ただし、
前記ドーパントは、電子受容体であり、
各カチオン性拡散イオンおよびアニオン性拡散イオンは、前記イオン化合物の反応生成物である、
固体半結晶イオン伝導性ポリマー材料。 A solid semi-crystalline ionically conducting polymeric material having a plurality of repeating units, a glassy state, and at least one cationic and anionic diffusing ion, wherein at least one diffusing ion is mobile in the glassy state;
the material has a resistance per unit area of less than 1.0×10 ohm cm at room temperature;
At least one of the at least one anionic diffusing ion is a hydroxyl ion;
at least one of the at least one cationic diffusing ion is an alkali metal, an alkaline earth metal, a transition metal or a post-transition metal;
However, the melting temperature of the material is higher than 250° C.
The material is
A method in which the base polymer and dopant are first mixed and then heated, where a heating step is applied after or during mixing to produce a color change indicative of a reaction between the dopant and the base polymer, and then an ionic compound is mixed with the reacted polymer dopant material to complete the formation of the solid ionically conductive polymer material.
where :
the base polymer is selected from the group consisting of polyphenylene sulfide (PPS), poly(p-phenylene oxide) (PPO), liquid crystal polymers (LCPs), polyether ether ketone (PEEK), polyphthalamide (PPA), polypyrrole, polyaniline, polysulfone, copolymers containing repeating units of the polymers mentioned, mixtures of these polymers, polyaniline poly-phenylamine [C 6 H 4 NH] n , poly-paraphenylene terephthalamide [-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n , polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyethylene (PE);
the ionic compound is selected from the group consisting of Li2O , LiOH, ZnO, TiO2 , Al2O3 , NaOH, KOH, LiNO3 , Na2O , MgO, CaCl2 , MgCl2 , AlCl3 , LiTFSI (lithium bis-trifluoromethanesulfonimide), LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide), lithium bis(oxalato)borate ( LiB(C2O4 ) 2 , LiBOB), other lithium salts, and combinations thereof;
The dopant is selected from the group consisting of 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (DDQ) (C 8 Cl 2 N 2 O 2 ), tetrachloro-1,4-benzoquinone (chloranil) (C 6 Cl 4 O 2 ), tetracyanoethylene (C 6 N 4 ), sulfur trioxide (SO 3 ), ozone (trioxygen or O 3 ), oxygen (O 2 , including air), transition metal oxides, and combinations thereof, with the proviso that
The dopant is an electron acceptor;
Each cationic diffusing ion and anionic diffusing ion is a reaction product of said ionic compounds;
A solid semi-crystalline ionically conducting polymer material.
ただし、前記材料は
基材ポリマーおよびドーパントが最初に混合され、そして次いで加熱され、ただし加熱工程は混合後、もしくは混合中に適用され、ドーパントと基材ポリマーとの間の反応を示す変色を生じ、次いでイオン化合物が反応したポリマードーパント材料と混合されて固体イオン伝導性ポリマー材料の形成が完了する方法
により形成され、ただし、
前記基材ポリマーは、ポリフェニレン スルフィド(PPS)、ポリ(p-フェニレン
オキシド)(PPO)、液晶ポリマー(LCPs)、ポリエーテル エーテル ケトン(PEEK)、ポリフタルアミド(PPA)、ポリピロール、ポリアニリン、ポリスルホン、挙げられるポリマーの反復単位を含むコポリマー、これらのポリマーの混合物、ポリアニリン ポリ‐フェニルアミン[C6H4NH]n、ポリ‐パラフェニレン テレフタルアミド[-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびポリエチレン(PE)からなる群より選ばれ、
前記イオン化合物は、Li2O、LiOH、ZnO、TiO2、Al2O3、NaOH、KOH、LiNO3、Na2O、MgO、CaCl2、MgCl2、AlC13、LiTFSI(リチウム ビス-トリフルオロメタンスルホンイミド)、LiFSI(リチウム ビス(フルオロスルホニル)イミド)、リチウム ビス(オキサラト)ボレート(LiB(C2O4)2、LiBOB)、他のリチウム塩、およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれ、
ドーパントは、2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-1,4-ベンゾキノン(DDQ)(C8Cl2N2O2)、テトラクロロ-1,4-ベンゾキノン(クロラニル)(C6Cl4O2)、テトラシアノエチレン(C6N4)、三酸化硫黄(SO3)、オゾン(三酸素またはO3)、酸素(O2、空気を含む)、遷移金属酸化物、およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれ、ただし、
ドーパントは、電子受容体である、
固体半結晶イオン伝導性ポリマー材料。 a solid semi-crystalline ionically conductive polymer material having a plurality of repeating units, said material having a resistance per unit area of less than 1.0×10 ohms cm at room temperature;
However, the material
A method in which the base polymer and dopant are first mixed and then heated, where a heating step is applied after or during mixing to produce a color change indicative of a reaction between the dopant and the base polymer, and then an ionic compound is mixed with the reacted polymer dopant material to complete the formation of the solid ionically conductive polymer material.
where :
the base polymer is selected from the group consisting of polyphenylene sulfide (PPS), poly(p-phenylene oxide) (PPO), liquid crystal polymers (LCPs), polyether ether ketone (PEEK), polyphthalamide (PPA), polypyrrole, polyaniline, polysulfone, copolymers containing repeating units of the polymers mentioned, mixtures of these polymers, polyaniline poly-phenylamine [C 6 H 4 NH] n , poly-paraphenylene terephthalamide [-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n , polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyethylene (PE);
the ionic compound is selected from the group consisting of Li2O , LiOH, ZnO, TiO2 , Al2O3 , NaOH, KOH, LiNO3 , Na2O , MgO, CaCl2 , MgCl2 , AlCl3 , LiTFSI (lithium bis-trifluoromethanesulfonimide), LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide), lithium bis(oxalato)borate ( LiB(C2O4 ) 2 , LiBOB), other lithium salts, and combinations thereof;
The dopant is selected from the group consisting of 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (DDQ) (C 8 Cl 2 N 2 O 2 ), tetrachloro-1,4-benzoquinone (chloranil) (C 6 Cl 4 O 2 ), tetracyanoethylene (C 6 N 4 ), sulfur trioxide (SO 3 ), ozone (trioxygen or O 3 ), oxygen (O 2 , including air), transition metal oxides, and combinations thereof, with the proviso that
The dopant is an electron acceptor.
A solid semi-crystalline ionically conducting polymer material.
前記アニオン性拡散イオンの少なくとも1つはヒドロキシルイオンであり、
前記カチオン性拡散イオンの少なくとも1つはアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属またはポスト遷移金属であり、
各カチオン性拡散イオンおよびアニオン性拡散イオンは、前記イオン化合物の反応生成物であり、かつ、
前記材料の結晶化度が30%より高い、請求項3に記載の材料。 The material further comprises both cationic and anionic diffusing ions, whereby each diffusing ion is mobile in the glassy state, with the proviso that:
At least one of the anionic diffusing ions is a hydroxyl ion;
at least one of the cationic diffusing ions is an alkali metal, an alkaline earth metal, a transition metal, or a post-transition metal;
Each cationic diffusing ion and anionic diffusing ion is a reaction product of said ionic compounds; and
4. The material of claim 3, wherein the crystallinity of the material is greater than 30%.
前記アニオン性拡散イオンの少なくとも1つはヒドロキシルイオンであり、
前記カチオン性拡散イオンの少なくとも1つはアルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属またはポスト遷移金属であり、
各カチオン性拡散イオンおよびアニオン性拡散イオンは、前記イオン化合物の反応生成物である、請求項3に記載の材料。 The material has a glassy state and includes at least one cationic diffusing ion and at least one anionic diffusing ion, each diffusing ion being mobile in the glassy state, with the proviso that:
At least one of the anionic diffusing ions is a hydroxyl ion;
at least one of the cationic diffusing ions is an alkali metal, an alkaline earth metal, a transition metal, or a post-transition metal;
4. The material of claim 3, wherein each cationic diffusing ion and anionic diffusing ion is a reaction product of said ionic compounds.
前記基材ポリマーは、ポリフェニレン スルフィド(PPS)、ポリ(p-フェニレン オキシド)(PPO)、液晶ポリマー(LCPs)、ポリエーテル エーテル ケトン(PEEK)、ポリフタルアミド(PPA)、ポリピロール、ポリアニリン、ポリスルホン、挙げられるポリマーの反復単位を含むコポリマー、これらのポリマーの混合物、ポリアニリン ポリ‐フェニルアミン[C6H4NH]n、ポリ‐パラフェニレン テレフタルアミド[-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびポリエチレン(PE)からなる群より選ばれ、
前記イオン化合物は、Li2O、LiOH、ZnO、TiO2、Al2O3、NaOH、KOH、LiNO3、Na2O、MgO、CaCl2、MgCl2、AlC13、LiTFSI(リチウム ビス-トリフルオロメタンスルホンイミド)、LiFSI(リチウム ビス(フルオロスルホニル)イミド)、リチウム ビス(オキサラト)ボレート(LiB(C2O4)2、LiBOB)、他のリチウム塩、およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれ、
前記ドーパントは、2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-1,4-ベンゾキノン(DDQ)(C8Cl2N2O2)、テトラクロロ-1,4-ベンゾキノン(クロラニル)(C6Cl4O2)、テトラシアノエチレン(C6N4)、三酸化硫黄(SO3)、オゾン(三酸素またはO3)、酸素(O2、空気を含む)、遷移金属酸化物、およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれ、ただし、
前記ドーパントは、電子受容体である、
前記作製方法。 1. A method of making a solid, ionically conducting polymer material comprising the steps of: a base polymer and a dopant are first mixed and then heated, where the heating step is applied after or during mixing; and then an ionic compound is mixed with the reacted polymer dopant material to complete the formation of the solid, ionically conducting polymer material, wherein
the base polymer is selected from the group consisting of polyphenylene sulfide (PPS), poly(p-phenylene oxide) (PPO), liquid crystal polymers (LCPs), polyether ether ketone (PEEK), polyphthalamide (PPA), polypyrrole, polyaniline, polysulfone, copolymers containing repeating units of the polymers mentioned, mixtures of these polymers, polyaniline poly-phenylamine [C 6 H 4 NH] n , poly-paraphenylene terephthalamide [-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n , polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile (PAN), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyethylene (PE);
the ionic compound is selected from the group consisting of Li2O , LiOH, ZnO, TiO2 , Al2O3 , NaOH, KOH, LiNO3 , Na2O , MgO, CaCl2 , MgCl2 , AlCl3 , LiTFSI (lithium bis-trifluoromethanesulfonimide), LiFSI (lithium bis(fluorosulfonyl)imide), lithium bis(oxalato)borate ( LiB(C2O4 ) 2 , LiBOB), other lithium salts, and combinations thereof;
The dopant is selected from the group consisting of 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (DDQ) (C 8 Cl 2 N 2 O 2 ), tetrachloro-1,4-benzoquinone (chloranil) (C 6 Cl 4 O 2 ), tetracyanoethylene (C 6 N 4 ), sulfur trioxide (SO 3 ), ozone (trioxygen or O 3 ), oxygen (O 2 , including air), transition metal oxides, and combinations thereof, with the proviso that
The dopant is an electron acceptor.
The above-mentioned production method.
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